Theoretical and experimental researches of working process of mixing and fermenting tank in heating mode

Full Text

Для получения максимальной отдачи от животноводческой отрасли необходимы сбалансированные кормовые рационы с количеством белков и легкопереваримых углеводов, удовлетворяющим зоотехническим требованиям. Поэтому во многих странах мира ведется поиск новых эффективных способов получения кормового белка. Один из наиболее перспективных путей его получения - микробиологический синтез. Самым простым способом получения кормовой смеси с высоким содержанием белка считается применение заквасок. Исходный продукт (солома, мякина и др.) измельчается и смешивается с закваской с добавлением воды и последующей ферментацией. Оптимальные условия протекания синтеза: влажность питательной среды 55% и ее температура 55 ºС. Процесс ферментации начинается в жидкообразной, а заканчивается в твердообразной фазе с перемешиванием материала [1]. Данное обстоятельство должно быть учтено в конструкции смесителя-ферментера, в котором получают белковый корм. Цель данной работы - теоретические и экспериментальные исследования тепловых процессов, протекающих в смесителе-ферментере во время приготовления корма. Для снижения затрат энергии и времени на получение кормов, интенсификации процесса ферментирования, расширения функциональных возможностей смесителя разработан смеситель-ферментер [2] (рис. 1). Он состоит из бункера 1, установленного на раме 2, загрузочного окна 3, выгрузного патрубка 4, шнека 5, заслонки 6, рабочего органа 7, электродвигателя 8, редуктора 9, пульта управления 10 и системы поддержания постоянной температуры, включающей нагревательный элемент 11 (ленту ЭНГЛ-1), слой теплоизоляции 12, датчики температуры 13 и реле температуры, регистрирующие элементы которых смонтированы на пульте управления. Проведены теоретические исследования по определению температуры Т2 питательной среды, находящейся в бункере смесителя-ферментера, в зависимости от конструкционных параметров машины. Смеситель представляет собой цилиндр с толщиной стенки δст = r2 - r1, который покрыт нагревательной лентой и слоем изоляции толщиной δиз = r4 - r3 = r5 - r2. Угол обхвата цилиндра лентой составляет (360-β)º. Длина цилиндра равна L. Чтобы найти искомый параметр Т2, составим уравнение теплового баланса установки (рис. 2). Элементарное количество теплоты dQнагр, выделяемое нагревательным элементом, определим по выражению: , (1) где P - мощность нагревательного элемента, Вт; dt - время нагрева воды, с. Такое же количество теплоты расходуется на нагрев питательной среды с начальной температурой Т2 и частично проходит через слой изоляции к наружному воздуху с температурой Т3: . (2) Составляющие dQпит и dQ360-β находим по известным формулам Фурье для цилиндрических стенок [3]: . Тогда составляющие dQпит и dQ360-β при граничных условиях третьего рода [4]: ; (3) , (4) где k1, k2 - коэффициенты теплопередачи, Вт/(м2·К); ; , где α1 - коэффициент теплоотдачи от нагревательной ленты стенке; λ1 - коэффициент теплопроводности металлической стенки, Вт/(м·К); α2 - коэффициент теплоотдачи от стенки питательной среде; α3 - коэффициент теплоотдачи от нагревательной ленты изоляции; αиз - коэффициент теплоотдачи от изоляции воздуху; λиз - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м·К); Т3 - температура окружающего воздуха, К (принимаем Т3 = const); Т1, Т2 - температуры нагревательной ленты и питательной среды (корма), К, зависящие от времени t и мощности Р нагревательной ленты; Т1 = Т1 (t); Т2 = Т2 (t). Элементарное количество теплоты расходуется на нагрев питательной среды dQпит и частично проходит через торцевые стенки dQбак и поверхность площадью : , (5) где mпс - масса корма, кг; спс - теплоемкость корма, Дж/(кг·К); dT2 - изменение температуры корма, К; ; . Составим систему уравнений, подставив выражения (3) и (4) в (2) с учетом (1) и (5): (6) Из первого уравнения системы (6) выразим температуру Т1 [2]: . (7) Неизвестную температуру Т2 выразим из второго уравнения системы (6), учитывая (7): (8) Произведем замену и подставим в (8) [4]: ; . Представим: ; (9) . Тогда ; ; ; (10) ; (11) Подставив (10) в (9) с учетом (11), можно получить искомую температуру питательной среды Т2. Определим Т2, задав параметры смесителя: радиус смесителя R1 = 1,5 м, толщина стенки δст = 0,005 м, толщина изоляции δиз = 0,05 м, длина смесителя L = 2 м, угол обхвата цилиндра лентой 90º, мощность нагревательной ленты 75 Вт, масса питательной среды 25 кг, начальная температура нагревательной ленты Т1 = 0 ºС, начальная температура корма Т2 = 13 ºС, температура окружающего воздуха Т3 = 25 ºС, коэффициент теплопроводности металлической стенки 50 Вт/(м·К), коэффициент теплопроводности изоляции 0,058 Вт/(м·К). Рассчитанные значения температуры корма в зависимости от времени нагрева представлены в таблице. Результаты расчета температуры корма Т2 в смесителе-ферментере Время нагрева, ч 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Т2, ºС 16,9 20,9 25 29,3 33,6 38 42,3 47,2 52 57 Аналогично рассчитаны значения температуры для 25 и 50 кг корма при его нагреве в зависимости от угла обхвата емкости нагревательной лентой. По этим значениям построены графики (рис. 3). Процесс нагрева питательной среды возрастает с уменьшением массы корма и угла обхвата емкости нагревательной лентой. Эффективность работы установки оценивали по удельным энергозатратам, которые рассчитывали по формуле: , (12) где wуд - удельные затраты энергии на нагрев 1 кг питательной среды на 1 К, кДж/(кг·К); Р - мощность, потребленная нагревательной лентой за время нагрева корма от начальной Тн до конечной Тк температуры, Вт; Dt - время нагрева, ч; m - масса корма, кг. На основании выражения (12) определены удельные энергозатраты при нагреве 25 и 50 кг корма от 13 до 55 ºС нагревательной лентой мощностью 75 Вт в зависимости от времени (рис. 4). Максимальные энергозатраты наблюдаются в начале процесса нагрева. С течением времени они снижаются, так как увеличивается температурный напор. Наибольший температурный напор (при угле обхвата 90º) приводит к более интенсивному снижению энергопотерь. Как показывают графики, в начальный момент времени масса питательной среды практически не влияет на затраты электроэнергии, и при одном угле обхвата они практически равны. С целью проверки правильности теоретических расчетов проведена серия экспериментов на лабораторной установке, общий вид и схема которой представлены на рис. 5. Установка состоит из емкости 1 цилиндрической формы, на наружную поверхность которой уложена нагревательная лента 2 модели ЭНГЛ-1 (180 ºС). Поверх нагревательного элемента нанесен слой теплоизоляции 7, способствующий снижению тепловых потерь в окружающую среду и более интенсивному нагреву питательной среды 8, находящейся в емкости. Температуры ленты ЭНГЛ-1 и питательной среды контролируются соответственно датчиками 3 модели TST84 и 6 модели TST81, данные которых передаются терморегулятору 5 модели TL-11-250. Потребляемая электроэнергия учитывается с помощью прибора 4. На первом этапе исследований проверялась правильность теоретических расчетов. Для этого проведены опыты по определению влияния угла обхвата емкости нагревательной лентой. Определяли время нагрева 25 и 50 кг питательной среды при углах обхвата соответственно 90 и 360º до необходимой оптимальной температуры 55 ºС. Во время проведения опыта фиксировали следующие показатели: время нагрева, температуру питательной среды, потребляемую мощность. В результате эксперимента построены сравнительные графики изменения температуры питательной среды (рис. 6). Анализ полученных данных показывает, что расхождение между теоретическими расчетами и практическими результатами не превышает 5%, следовательно, выведенные аналитические зависимости можно использовать при расчете аналогичных тепловых процессов. С целью оценки эффективности процесса нагрева рассчитаны значения удельных затрат электроэнергии wуд , кДж/(кг·К), на нагрев 1 кг питательной среды на 1 К, и построены графики (рис. 7). Наибольшее энергопотребление наблюдается в первые полчаса работы установки, что связано с установлением рабочего режима нагревательной ленты. С момента наступления установившегося режима работы начинается медленное снижение энергозатрат. Во всех случаях наибольшие затраты энергии наблюдаются при заполнении емкости на 50%, что соответствует 25 кг питательной среды. При изменении угла обхвата с 90 до 360º энергозатраты возрастают на 40% (см. рис. 7). При увеличении уровня заполнения емкости наблюдается снижение энергопотребления на 17-50% в зависимости от угла обхвата. Минимальные средние удельные энергозатраты (рис. 8) в рассматриваемой области эксперимента составляют 5,53 кДж/(кг·К) и наблюдаются в случае заполнения емкости на 100% с углами обхвата 90 и 180º, максимальные составляют 9,44 кДж/(кг·К) в случае заполнения емкости на 50% с углом обхвата 360º. С увеличением угла обхвата с 90 до 360º наблюдается рост удельных энергозатрат на 10-33% в зависимости от уровня заполнения емкости. В результате проведенных экспериментов: 1) получены аналитические зависимости, позволяющие определить температуру питательной среды в любой промежуток времени для заданных конструкционных параметров смесителя-ферментера; 2) выявлено, что минимальные средние удельные энергозатраты в рассматриваемой области эксперимента составляют 5,53 кДж/(кг·К) и наблюдаются в случае заполнения емкости на 100% с углами обхвата нагревательной лентой 90 и 180º; 3) определено, что увеличение угла обхвата емкости нагревательной лентой с 90 до 360º ведет к росту удельных энергозатрат на 10-33% в зависимости от уровня заполнения емкости.

About the authors

P. A Savinykh

Research Institute of Agriculture of North-East

S. Yu Bulatov

Nizhny Novgorod State Engineering-Economic University

Email: bulatov_sergey_urevich@mail.ru

A. G Panasenko

Nizhny Novgorod State Engineering-Economic University

A. I Svistunov

Nizhny Novgorod State Engineering-Economic University

References

Supplementary files