CC BY
13
5. Сторожев И.И. Повышение топливной экономичности тракторов МТЗ-80/82 на сельскохозяйственных работах за счёт использования водно-воздушной смеси: дис... канд. техн. наук. Челябинск: ЧГАА, 2011. 161 с.
6. Быстров О.И. Повышение экономических и экологических показателей дизеля путём реализации
комбинированного шеститактного цикла: дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2008. 157 с.
7. ГОСТ Р 41.96-2011. Единообразные предписания, касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной технике, в отношении выброса вредных веществ этими двигателями.
Андрей Васильевич Старцев, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет». Россия, 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 75, sav.63.10.04@mail.ru
Сергей Вячеславович Романов, кандидат технических наук. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, romanovsv@gausz.ru
Иван Иванович Сторожев, кандидат технических наук. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, storozhevii@gausz.ru
Тимофей Евгеньевич Алушкин, кандидат технических наук. Томский сельскохозяйственный институт -филиал ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный аграрный университет». Россия, 634050, г. Томск, ул. Карла Маркса, 19, alushkin.te@gausz.ru
Andrey V. Startsev, Doctor of Technical Sciences, Professor. South Ural State Agrarian University. 75, Lenin Ave., Chelyabinsk, 454080, Russia, sav.63.10.04@mail.ru
Sergey V. Romanov, Candidate of Technical Sciences. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, romanovsv@gausz.ru
Ivan I. Storozhev, Candidate of Technical Sciences. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, storozhevii@gausz.ru
Timofey E. Alushkin, Candidate of Technical Sciences. Tomsk Agricultural Institute is a branch of Novosibirsk State Agrarian University. 19, Karl Marx St., Tomsk, 634050, Russia, alushkin.te@gausz.ru
-Ф-
Научная статья УДК 621.3
Устройства для обжарки зерна и семян при производстве белковых продуктов и кормов
Виктор Гаврилович Петько1, Маргарита Алексеевна Христиановская2,
Александр Владимирович Кузьмин2
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 Санкт-Петербургский государственный университет ветеринарной медицины
Аннотация. В статье произведён обзор и анализ патентных материалов в области обжарки зерна и семян для дальнейшего их использования при изготовлении пищевых и кормовых продуктов. Общая структурная схема устройств, предназначенных для обжарки зернового материала, включает устройство для перемещения и перемешивания продукта, инфракрасные нагревательные элементы и устройства для загрузки и выгрузки. Совершенствование таких устройств осуществлялось по линии равномерности обжарки, отсутствия пригорания продукта, внедрения предварительного увлажнения, повышения производительности, а также снижения удельных энергозатрат. Описаны запатентованное авторами устройство для обжарки зерна и принцип его действия, содержащее вертикальную теплоизолированную шахту в виде цилиндра с проходящим по её центру валом, снабжённым лопастями. В средней части цилиндра с внешней стороны расположен электронагреватель. При движении продукта внутри цилиндра сверху вниз с одновременным интенсивным перемешиванием осуществляется непосредственное обжаривание при прохождении его через зону расположения электронагревателей. При этом прокачиваемая во встречном направлении паровоздушная смесь отбирает тепло от обжаренного продукта в зоне ниже нагревателей и отдаёт тепло продукту, поступающему на обжарку в зоне выше расположения нагревателей. Влага, выделяемая из продукта в зоне обжарки, поднимается вверх и увлажняет продукт, поступающий на обжарку. Таким образом, осуществляется и его необходимое для качественной обжарки увлажнение, и за счёт рекуперации тепла в несколько раз сокращается расход электроэнергии на обжарку единицы продукции. Предварительные испытания опытных образцов данного устройства показали вполне обнадёживающие результаты. Отмечено, что в дальнейшем требуется проведение обстоятельных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на предмет определения технических характеристик и оптимизации параметров, позволяющих разработать конструкторскую документацию для постановки продукции на производство.
Ключевые слова: вал, лопасти, нагревательные элементы, перемешивание, увлажнение, рекуперация тепла.
Для цитирования: Петько В.Г., Христиановская М.А., Кузьмин А.В. Устройства для обжарки зерна и семян при производстве белковых продуктов и кормов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 2 (88). С. 113 - 118.
Original article
Devices for roasting grain and seeds in production protein products and feed
Viktor G. Petko1, Margarita A. Khristianovskaya2, Alexander V. Kuzmin2
1 Orenburg State Agrarian University
2 Saint Petersburg State University of Veterinary Medicine
Abstract. The article provides a review and analysis of patent materials in the field of roasting grain and seeds for their further use in the manufacture of food and feed products. The general block diagram of devices intended for roasting grain material includes a device for moving and mixing the product, infrared heating elements and devices for loading and unloading. The improvement of such devices was carried out along the line of uniformity of roasting, the absence of product burning, the introduction of preliminary moistening, an increase in productivity, as well as a decrease in specific energy consumption. A device for roasting grain patented by the authors and the principle of its operation are described, which contains a vertical insulated shaft in the form of a cylinder with a shaft passing through its center, equipped with blades. An electric heater is located in the middle of the cylinder on the outside. When the product moves inside the cylinder from top to bottom with simultaneous intensive stirring, direct frying is carried out when it passes through the area where the electric heaters are located. At the same time, the steam-air mixture pumped in the opposite direction removes heat from the fried product in the zone below the heaters and gives off heat to the product entering the roasting in the zone above the location of the heaters. Moisture released from the product in the roasting zone rises up and moisturizes the product entering the roasting. Thus, it is moistened, which is necessary for high-quality roasting, and due to heat recovery, the power consumption for roasting a unit of production is reduced several times. Preliminary tests of prototypes of this device showed quite encouraging results. It is noted that further detailed research and development work is required to determine technical characteristics and optimize parameters that allow the development of design documentation for putting products into production.
Keywords: shaft, blades, heating elements, stirring, humidification, heat recovery.
For citation: Petko V.G., Khristianovskaya M.A., Kuzmin A.V. Devices for roasting grain and seeds in production protein products and feed. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021. 88(2): 113 - 118. (In Russ).
К одной из технологических операций при производстве белковых продуктов и кормов относится обжарка семян зерновых культур [1]. К ним можно отнести семена подсолнечника при производстве растительного масла, гречихи - при производстве гречневой крупы, кукурузы - при производстве кукурузных хлопьев и многих других.
Материал, методы и результаты исследования. Существует большое количество способов и устройств для осуществления данной технологической операции. К таковым можно отнести устройство для переработки зерна, содержащее камеру с размещённым в ней ленточным конвейером для перемещения обрабатываемого зерна, над которым по его длине и ширине установлен источник инфракрасного излучения с отражательными экранами [2]. Однако оно обладает низкой удельной производительностью и неравномерностью обжарки, так как в процессе обжарки не осуществляется перемешивание зерна.
В значительной степени от этих недостатков свободна печь для обжарки пищевых продуктов, содержащая вращающийся барабан с винтовыми лопастями, блок инфракрасных излучателей с направленным вниз цилиндрическим отражателем, расположенным внутри барабана [3]. Схематично эта печь изображена на рисунке 1.
Печь для обжарки зерна состоит из корпуса 1, внутри которого располагается барабан 2. На внутренней поверхности барабана закреплены под углом 45о к вертикали винтовые лопасти 3.
Печь имеет устройства для загрузки 4 и выгрузки 5. Внутри барабана (на рисунке не показан) размещается блок инфракрасных нагревателей.
Работа печи осуществляется следующим образом. Исходное влажное сырьё непрерывно поступает в обжарочный барабан, вращающийся со скоростью 20 об/мин. При вращении винтовые лопасти 3 обеспечивают перемещение зерна к устройству выгрузки, осуществляя одновременно их перемешивание в зоне нагрева от инфракрасных излучателей. К недостаткам данной обжарочной печи относится недостаточная равномерность обжарки, повышенная металлоёмкость и повышенный удельный расход электроэнергии, а также сложность конструкции и отсутствие возможности изменять производительность. Это обусловлено тем, что перемешивающий эффект для продукта на поверхности цилиндрического профиля описывается как функциональная зависимость от диаметра барабана и частоты его вращения.
Более привлекательно в этом плане выглядит устройство для обжарки зерна, содержащее загрузочный бункер, корпус с профилем жёлоба, внутри которого размещены нагревательные элементы, приспособленные для транспортировки и перемешивания продукта [4]. Основные детали и узлы этого устройства изображены на рисунке 2.
Устройство для обжарки зерна включает смонтированный на раме 1 загрузочный бункер 2, корпус 3 с расположенным в нём приспособлением для транспортировки и перемешивания зерна,
содержащим горизонтальный вал 4 с лопастями 5, каждая из которых выполнена в форме ленты Мебиуса. Кольцевые ленты прикреплены на валу по кольцевой линии так, чтобы образованные вычерпывающие поверхности каждого листа Мебиуса были направлены в сторону выгрузки готового продукта. В бункере 2 устройства имеется приспособление для прерывистой подачи продукта, содержащее заслонку 6 с прорезью
7, в которой установлен изогнутый стержень 8, получающий движение от кривошипо-шатунного механизма 9, включающего кривошип 10, шатун 11 и кулису 12. От этого механизма получает прерывистое перемещение и горизонтальный вал 4. В корпусе предусмотрен раструб 13 для отвода влаги и продуктов сгорания. Влага затем конденсируется в приспособлении 14. В устройстве предусмотрены нагреватели 15.
А
Рис. 1 - Печь для обжарки зерна:
А - общий вид печи; Б - её поперечный разрез
'jflJ-U , J
- ?_____L
i+i г\ о Ь -
л; J- | ] ¿-у-.' j -\ti I
Б
Рис. 2 - Устройство для обжарки зерна
А - общий вид устройства; Б - приспособление для прерывистой подачи зерна; В - горизонтальный вал с лопастями
Б
Работа устройства осуществляется в следующей последовательности. Исходный продукт из загрузочного пункта 2 посредством приспособления для прерывистой подачи продукта через прорезь 7 заслонки 6 подаётся во внутреннюю поверхность корпуса 3, где он прожаривается с прерывистым движением и перемешиванием. При вращении вала с жёстко закреплёнными на нём лентами Мёбиуса ингредиенты подготавливаемого продукта захватываются обеими сторонами ленты. Перекрученная на пол-оборота поверхность ленты обеспечивает активное воздействие её обеих сторон на ингредиенты поджариваемого зерна. Кроме того, вычерпывающая часть каждой ленты создаёт движение подготавливаемого продукта вдоль оси вала. Выделяющиеся продукты сгорания и влага собираются в верхней части корпуса 3 и по раструбу выводятся в трубопровод из рабочей камеры. Наличие расширения раструба обеспечивает отсос продуктов сгорания, которые конденсируются в устройстве 14.
Устройство обладает повышенной производительностью. Предназначено для жарки преимущественно зерна, применяемого на свинофермах с целью профилактики кишечно-желудочных заболеваний животных, особенно молодняка, так как один день расстройства кишечно-желудочного тракта поросят пагубно сказывается на их росте и требует 10 дней для восстановления веса, т.е. содержания их на особом укрепляющем режиме. Поэтому качество прожаривания зерна должно быть на должном уровне.
Недостатком этого устройства является неравномерность прожаривания продукта и даже его пригорание, что вызывается тем, что конструкция приспособления для транспортирования и перемешивания характеризуется низким КПД транспортирования, так как лопасти не захватывают часть продукта в придонной зоне.
Упорядочение движения зерна в зонах нагрева и за счёт этого повышение качества исходного продукта осуществляет устройство, изображённое на рисунке 3 [5].
Устройство содержит загрузочный бункер
1, установленный на одном из концов корпуса
2, через который проходит горизонтальный вал
3, Над валом 3 размещены инфракрасные нагреватели 4 с отражателями 13. На валу установлены винтовые лопасти 11, связанные между собой продольными пластинами 12. Корпус 2 представляет собой сочленение двух неполных по профилю цилиндрических поверхностей 7. В нём имеются окна 9 для выхода продукта и для аспирации продольные щелевые окна 10. Вал с лопастями и пластинами является транспортирующим и перемешивающим органом. Он обеспечивает при вращении продольное движение материала и дополнительно поперечное в местах, где расположены инфракрасные нагревательные элементы 4, смонтированные вместе с отражателями 13 на крышке корпуса 2.
Работа устройства происходит в следующей последовательности. Система управления подаёт питание на электродвигатель привода вентилятора аспирации, электродвигатель привода транспортно-перемешивающего органа и инфракрасные нагреватели. Из бункера 1 зерновой материал поступает на первые дозирующие витки перемешивающего органа и далее перемещается в зону действия инфракрасных нагревателей. Многократное перемешивание и пересыпание материала при воздействии на него лопастей 11 и пластин 12 создают благоприятные условия для интенсивного его облучения и вследствие этого обжарки. Одновременно осуществляется перемещение обжариваемого материала вдоль вала и удаление после обжарки через окна 9. Пары удаляются через щелевые окна 10.
Однако устройство обладает и некоторыми недостатками. Так, зерно перед обжариванием предварительно не увлажняется, что неблагоприятно сказывается на качестве его тепловой обработки. Кроме того, тепло, уходящее из устройства, вместе с обжаренным продуктом теряется безвозвратно и не возвращается, хотя бы частично, назад в зону обжарки. Это влияет на энергетическую эффективность процесса обжарки.
Рис. 3 - Устройство для обжарки зерна и семян
15 7
Направление движения: ^ зерна; воздуха;
^Ф паровоздушной смеси
Рис. 4 - Устройство для обжарки зерна с рекуперацией тепловой энергии
От этих недостатков свободно разработанное нами устройство для обжарки зерна [6], принципиальная схема которого изображена на рисунке 4.
Устройство выполнено в виде теплоизолированной вертикально расположенной камеры 1 цилиндрической формы. Для аспирации, а также для загрузки и выгрузки она имеет окна 2, 3 и 4. По осевой линии камеры проходит вал 5 с закреплёнными на нём по всей длине радиально расходящимися во все стороны лопастями 6. Со сдвигом к ним по высоте к стенкам камеры прикреплены лопасти 7 аналогичной конструкции. Привод вала 5 осуществляется мотор-редуктором 8. Мотор-редуктор через регулятор 9 частоты вращения функционально связан с датчиком 10 температуры обжариваемого материала. Датчик установлен внутри камеры непосредственно под расположенным в средней части камеры нагревателем 11. Камера разделена нагревателем 11 на зону 12 предварительного увлажнения и нагрева, зону 13 обжарки и зону 14 охлаждения зерна. Запитан нагреватель от регулятора 15 мощности нагрева.
Работает данное устройство для обжарки зернового материала следующим образом. При заполненной зерном камере 1 включаются мотор-редуктор 8 и электронагреватель 11. Мощность
нагрева задаётся оператором путём воздействия на регулятор 15, в качестве которого может служить автотрансформатор. В начальный период запуска температура зерновой массы в месте расположения датчика температуры ниже заданной. Поэтому регулятор 15 частоты вращения вала 5 в соответствии с сигналом, поступающим от датчика температуры, устанавливает минимально возможную частоту вращения, достаточную для того, чтобы зерно перемешивалось и не пригорало. При этом скорость продвижения зерна сверху вниз будет также минимальна, вследствие того, что выход зерна осуществляется пропорционально частоте вращения лопаток вала, выбрасывающих зерно через окна 4.
С увеличением температуры зерна и заполняющего пространство между зёрнами воздуха начнётся его продвижение за счёт естественной конвекции снизу вверх. Потоком воздуха тепло от нагретого зерна из зоны 14 будет передаваться более холодному зерну в зону 12.
Переходный пусковой режим устройства будет продолжаться до момента нагрева зерна до заданной технологией обжарки температуры. С этого момента устройство перейдёт в режим, когда при отклонении температуры зерна от заданной величины в большую сторону регулятор частоты вращения увеличит частоту вращения вала 5, а вместе с тем и скорость перемещения зерна. Тем самым ограничит нарастание температуры, так как время прохождения зерна через зону нагрева уменьшится. Зеркально система стабилизации температуры сработает при отклонении температуры в меньшую сторону. По желанию оператора мощность нагрева и в прямой пропорциональной зависимости от неё производительность устройства обжарки может быть изменена путём воздействия на задающее устройство регулятора 15. Передача (рекуперация) большей части тепла из зоны 14 в зону 12 зерну, поступающему на обжарку, значительно сокращает необходимую мощность нагревателя. Энергия нагревателя при этом расходуется только на покрытие потерь тепла через теплоизоляцию, что и обуславливает высокую энергоэффективность данного устройства обжарки.
При продвижении зерна в зону обжарки происходит выделение содержащейся в нём влаги и перенос её в виде паровоздушной смеси в верхние более холодные слои зерна, где происходят конденсация, дополнительное увлажнение зерна и повышение температуры. В результате в зону обжарки будет поступать всё более увлажнённое зерно и, следовательно, во всё большем объёме будет происходить вытеснение влаги и тепла в зону 12 предварительного нагрева и увлажнения. Через некоторое время влажность зерна в зоне 12 достигнет 100 %, а температура - 100 °С. С этого момента пар будет частично конденси-
роваться на вновь поступающем через окно 3 зерне, а частично вместе с воздухом будет уходить через окна аспирации 2 в атмосферу. Таким образом, так как в зону обжарки будет поступать увлажнённое зерно, качество его обжарки будет существенно выше.
Опытный образец такого устройства для обжарки зерна был изготовлен на кафедре «Электротехнологии и электрооборудование» Оренбургского ГАУ. В результате предварительных испытаний при обжарке зерна гречихи была подтверждена его работоспособность при вполне приемлемом качестве обжарки. Детальное исследование с целью уточнения его характеристик и оптимизации параметров на различных видах зерновой массы будет проводиться по мере ожидаемой нормализации финансового и технического обеспечения научных исследований в области технологий сельскохозяйственного производства.
Литература
1. Тепловая обработка зерна в установках контактного типа / В.И. Курдюмов, А.А. Павлушин, Г.В. Карпенко [и др.]. Ульяновск: УГСХА имени П.А. Столыпина, 2013. 290 с.
2. Авторское свид. СССР № 1458666, кл. F 26B 3/30. 1989.
3. Авторское свид. СССР № 460047, кл. A 23L 3/18. / Гинзбург А.С., Любушкин В.Т., Сыроедов В.И., Доронин
A.Ф., Плаксин Ю.М., Ждан А.А.; Заявит. Московский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт пищевой промышленности; Опубл. 15.02.1975.
4. Авторское свид. СССР № 810198, кл. A 23L 3/18. Устройство для обжарки пищевых продуктов / Гриценко
B.И., Задорожный А.А., Гайдамака Г.Д., Ковалёв В.В., Черпак П.П.; Опубл. 10.03.1981.
5. Пат. на изобретение РФ № 2050798. Устройство для обжарки зерна и семян; заявит. и патентообл. Зуев Эдуард Иннокентьевич; Опубл. 27.12.1995.
6. Пат. на изобретение РФ № 2629741. Устройство для обжарки зерна / Петько В.Г.; заявит. и патентообл. ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»; Опубл. 16.05.2017.
Виктор Гаврилович Петько, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет», Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, VGPetko@mail.ru Маргарита Алексеевна Христиановская, соискатель, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет ветеринарной медицины», Россия, 196084, Санкт-Петербург, ул. Черниговская, 5, ritakhristianovskaya98@gmail.com
Александр Владимирович Кузьмин, соискатель, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет ветеринарной медицины», Россия, 196084, Санкт-Петербург, ул. Черниговская, 5, x-ray909@mail.ru
Victor G. Petko, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University, 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, VGPetko@mail.ru
Margarita A. Khristianovskaya, research worker, Saint-Petersbug State University of Veterinary Medicine, 5, Chernigovskaya St., 196084, Russia, ritakhristianovskaya98@gmail.com
Alexander V. Kuzmin, research worker, Saint-Petersbug State University of Veterinary Medicine, 5,
Chernigovskaya St., 196084, Russia, x-ray909@mail.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.8
Теоретические исследования движения частицы удобрения в закрытом наклонном воздушном канале
Александр Юрьевич Попенко
Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской аграрный университет»
Аннотация. Эффективность изучения энергосберегающих приёмов внесения заданных доз концентрированных органических удобрений (КОУ) со специфичными физико-механическими свойствами в различных почвенно-климатических условиях России при возделывании сельскохозяйственных культур актуальна на сегодняшний день. В практическом исполнении используются разбрасыватель с высевающим аппаратом броскового типа. Недостатком существующих разбрасывающих рабочих органов является несоответствие их конструкции по физико-механическим свойствам КОУ. В результате наблюдается неравномерность внесения удобрений - 25 %. Объектом исследования стал экспериментальный разбрасыватель типа МВУ (РУМ) для поверхностного внесения удобрений по поверхности поля с дозой внесения удобрений от 1 до 4 т/га, оснащённый донным транспортёром и пневмоцентробежным распределяющим рабочим органом. Недостатком пневмоцентробежного рабочего органа является неравномерность в граничных зонах внесения удобрения между дисковым аппаратом и пневматическим выбросом. Данный недостаток устраняется путём внедрения в пневматический жёлоб регулирующих заслонок, регулирующих потоки вносимых удобрений. В результате исследования получены математические зависимости, описывающие процесс движения частицы и её выброса из закрытого наклонного воздушного канала с учётом изменения угла наклона от 15° до 45°, и регулирующей задвижки с углом наклона от 0° до 10°. Определены траектории
