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


Cite item

Full Text

Abstract

Dependences that allow to determine the temperature of nutrient medium in the hopper of mixing and fermenting tank with regard to the design parameters of machine are obtained. Based on the results of experimental research, the observed dependences of change of specific energy consumption are obtained; the optimum parameters of angles of tank wrapping by heat tape and level of tank filling by nutrient medium are determined.

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

  1. Свистунов А.И. Классификация способов ферментации и ферментеров // Вестник НГИЭИ. Сер. Технические науки. - 2013, № 10 (29).
  2. Оболенский Н.В. и др. Смеситель-ферментер для кормов // Сельский механизатор. - 2014, № 4.
  3. Лобасова М.С. и др. Тепломассообмен: Курс лекций. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009.
  4. Булатов С.Ю., Свистунов А.И. Тепловой баланс смесителя-ферментера кормов // Вестник НГИЭИ. Сер. Технические науки. - 2014, № 10 (41).

Copyright (c) 2015 Savinykh P.A., Bulatov S.Y., Panasenko A.G., Svistunov A.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies