Режимы и технические средства повышения эффективности процесса охлаждения брикетированной травяной резки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Хоменко, Валерий Арсеньевич

• Хоменко, Валерий Арсеньевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хоменко, Валерий Арсеньевич

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕШ.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Аналитический обзор свойств прессованных кормов./О

Г.Г.1. Необходимость, охлаждения кормовых брикетов./

1.2. Состояние вопроса охлаждения прессованных кормов

Г.З. Аэродинамические свойства слоя кускового материала

Г.4. Цель и задачи исследования.Ш

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ИССЛЕДОВАНИЮ

ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ БРИКЕТОВ . .^

2.1. Основные зависимости теории тепло- и массо-переноса применительно к процессу охлаждения брикетов.^

2.2. Исследование процесса охлаждения слоя брикетов, как изотропной среды

2.2.1. Постановка задачи

2.2.2. Реализация математического описания процесса охлаждения брикетов методом сеток.

2.3. Исследование процесса охлаждения слоя брикетов, как анизотропной среды

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Определение физико-механических свойств брикетов.

3.2. Исследование основных теплофизических свойств брикетов по методу цилиндрического зонда.

3.3. Определение температуропроводности: брикетов методом нестационарного теплообмена

3.4. Методика экспериментального исследования процесса охлаждения брикетов

3.5. Экспериментальная проверка эффективности охлаждения брикетов в бункерном охладителе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ БРИКЕТОВ

4.1. Основные характеристики брикетов в зависимости от их плотности, влажности и температуры

4.2. Результаты исследования процесса охлаждения единичного брикета

4.3. Исследование процесса охлаждения брикетов в слое

5". ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ОХЛАЖДЕНИЯ

БРИКЕТОВ.НЬ

5.1. Анализ результатов теоретического исследования процесса охлаждения слоя брикетов, как изотропной среды

5.2. Результаты моделирования процесса охлаждения слоя брикетов в виде анизотропной среды

5.3. Проверка соответствия математической модели реальным процессам

5Л, Обоснование рациональной высоты слоя брикетов и скорости воздушного потока.

5.5. Циклическое охлаждение брикетов . . . . .м б. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРЛСТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ Б7НКЕРН0Г0 ОХЛАДИТЕЛЯ

БРИКЕТОВ./

6.1. Конструктивно-технологическая схема охладителя. /

6.2. Результаты производственных испытаний экспериментального охладителя брикетов

6.3. Проверка эффективности циклического охлаждения брикетов . . /

6.4. Расчет экономической эффективности рекомендуемых режимов и технических средств охлаждения брикетированной травяной резки. . . /Ы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Режимы и технические средства повышения эффективности процесса охлаждения брикетированной травяной резки»

В проекте ЦК КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981.1985 гг. и на период до 1990 года" /I/ отмечается необходимость завершения разработки и реализации комплексной программы по созданию в стране надежной и сбалансированной кормовой базы животноводства.

Главные задачи предстоящей работы в этой области были сформулированы Июльским (1978 года) Пленумом ЦК КПСС и нашли конкретное отражение в решениях Майского и Ноябрьского (1982 года) Пленумов. Основной из них попрежнему является обеспечение животноводства качественными кормами и повышение эффективности их использования, прежде всего, за счет резкого снижения потерь кормов и питательных веществ при их заготовке и хранении.

Научные исследования и опыт передовой практики свидетельствуют о том, что в настоящее время основным условием повышения качества кормов является широкое применение в кормопроизводстве прогрессивных технологий их заготовки и хранения. Одной из прогрессивных технологий, позволяющей повысить качество корма и увеличить сбор питательных веществ, является производство кормов искусственной сушки, заготавливаемых в виде травяной муки и резки /13, 76, 82,

84/.

В последнее время возрос объем производства травяной резки, что объясняется преимуществом технологии ее получения перед травяной мукой и гранулами. Однако, и травяной резке присущи некоторые недостатки. Она имеет низкую (до 130 кг/м3) объемную массу, что вызывает необходимость строить большое количество складских помещений для ее хранения, вследствие чего возрастает себестоимость резки. При транспортировке и раздаче резки животным наблюдаются значительные механические потери, кроме того, этот вид корма наиболее пожароопасен /51, 76, 88/.

Научные исследования и опыт хозяйств страны показывает, что высушенную измельченную траву целесообразно прессовать в брикеты (плотностью 500.800 кг/м3), так как прессованный корм имеет ряд преимуществ по сравнению с вышеперечисленными видами сухих кормов /II, 12, 39, 76, 78/:

- примерно в три раза ниже затраты на транспортировку, погрузоч-но-разгрузочные работы, хранение и раздачу брикетов;

- требуется в 4.5 раз меньшая емкость хранилищ;

- в брикетах значительно медленнее разрушаются питательные вещества и витамины в процессе их длительного хранения;

- производительность сушильного агрегата выше, примерно, на 15 % так как для приготовления резки траву высушивают до влажности 14-.16 а не 10.12 как при заготовке гранулированной муки;

- брикетирование по сравнению с гранулированием позволяет уменьшить до 10.15 % энергоемкость машин и агрегатов ввиду того, что из технологического процесса исключается операция по размолу высушенного сырья;

- значительно меньше опасность загорания корма.

Потребность в брикетированных кормах постоянно растет. Так по данным Министерства сельского хозяйства СССР и Госкомсельхозтехни-ки, производство брикетированных кормов в нашей стране в 1985. году составит 25 млн. тонн, а в 1990 - 40 млн. тонн /65/.

В процессе прессования, выходящие из пресса брикеты имеют температуру около 70.90°С, а при закладке на хранение они должны быть охлаждены до температуры, не превышающей температуру окружающего воздуха более чем на 8.Ю°С /12, 38, 67, 73, 93/. Практикой установлено, что,если их заложить на хранение в нагретом состоянии, они потеряют около 50 % питательных веществ и витаминов, особенно в первые часы хранения. В этой связи чрезвычайно актуально решение вопроса быстрого снижения температуры корма. Следует отметить, что процесс охлаждения прессованной травяной резки исследован недостаточно полно. Так, применительно к брикетам,отсутствуют конкретные сведения о режиме их охлаждения, нет обоснованных данных по выбору конструктивно-технологической схемы охлаждения. Бее это сдерживает организацию производства высококачественных брикетов и не позволяет сохранять их длительное время с минимальными потерями питательных веществ и витаминов.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Г.1. Аналитический обзор свойств прессованных кормов

В сельском хозяйстве прессование материалов, с целью уплотнения и изменения их формы, начало применяться в конце XIX столетия. Для этого создавали стационарные прессы - конные и механические. Конные прессы давали возможность получать сено плотностью 210. 245, а механические - 250.380 кг/м3. Однако,производительность их была низкой, обвязка тюков производилась вручную. Для повышения эффективности процесса заготовки прессованного сена впоследствии были созданы мобильные прессы - поршневые и рулонные.

Прессование сена в тюки; (размером 0,5x0,36x0,8.0,9 м) пресс-подборщиками особенно широко применяется в настоящее время. Однако, этот способ имеет недостаток - обвязка тюков производится металлической проволокой, попадание которой в корм приводит к гибели животных. В последнее время вязальная проволока заменяется шпагатом. Однако, при заготовке прессованного в тюки сена не решается вопрос механизированной раздачи корма животным.

Попытка создать пресс-подборщик для беспроволочного прессования сена оказалась безрезультатной. Такие пресс-подборщики могли работать только на сене повышенной влажности (25.30 и не нашли применения из-за больших (до 25 %) потерь питательных веществ при хранении, вследствие образования плесени в местах соединения отдельных порций сена /63/.

Прогрессивным способом заготовки кормов явилось прессование высушенной травяной резки в брикеты (размером 0,036x0,05x0,05. 0,07 м). При этом уплотнение растительных материалов происходит до такой степени, при которой не требуется обвязка отдельных порций. 7 нас в стране брикеты из материалов растительного происхождения были впервые получены свердловским изобретателем А.А.Глотовым. С 1955 года промышленность начинает- осваивать выпуск прессов для производства брикетов, однако, на первом этапе их получение сдерживалось из-за низкой работоспособности технологического оборудования. Часто для этих целей использовали прессы, заимствованные, в основном, из комбикормовой промышленности, что не позволяло получать корм нужного качества.

В настоящее время для производства брикетов применяют разнообразные прессы. Наибольшее распространение из них, для этой цели, получили штемпельные и с кольцевой (горизонтальной и вертикальной) матрицей /12, 13, 16, 38, 61/. В табл. 1.1, приведены основные показатели работы брикетных прессов отечественного и зарубежного производства .

Таблица 1.1

Показатели работы прессов для брикетирования кормов /85/

Наименование показателей Размерность С вертикальной кольцевой матрицей С горизонтальной кольцевой матрицей Штемпель] ный пресс

ОПК-2 (СОСЯ') Ландел ■ 450 (США) ПБС-3Ч (СССР) <!СССР)

Размеры 0,035х 0,032х 0,021х 0,036х брикетов м 0,037 0,032 0,023 0,05

Плотность 500. 700. 720. 600. 450. брикетов кг/м3 1000 860 880 1100 720

Температура 68. 70 80 80. 50. нагрева брикетов 70 87 60

Крошимость % б,2. 10 25,4 7.II 13,4 14,2

Производи- т/ч 1,7.2 6 1,5.3 4 тельность 3,5

Основные физико-механические и теплофизические свойства (влажность, плотность, пористость, теплопроводность и: др.) прессованных кормов (далее слово "прессованный" будет подразумевать как брикеты, так и гранулы) определяли Ю.Н.Беляевский /12/, В.А.Бондарев /17/, А.И.Жалтаускас /30/, Ю.В.Подкользин /65/, Н.Д.Прутков /68/, В.Н. Булах /18/, Н.Б.Хилков /85/ и другие отечественные и зарубежные исследователи.

По данным В.А.Бондарева /17/, а также табл. I.I видно, что брикеты изготавливаются различных размеров, которые определяются особенностью конструкции пресса. Цилиндрические брикеты обычно' имеют диаметр не более 0,06 м, стороны поперечного сечения прямоуголь^-ных брикетов составляют 0,03.О,Об м, а длина не превышает 0,07 м. Ю.В.Подкользин /65/ определил, что расширение брикетов по сечению сразу же после выхода их из каналов пресса составляет около 3,3.* 5,1 % от: первоначальных размеров. А.Н.Безверхов /II/ отмечает, что брикеты изготавливают со средней плотностью 400.500 кг/м3 и повышенной - 800.900 кг/м3. По данным табл. I.I видно, что плотность брикетов может изменяться от 450 до 1100 кг/м3 в зависимости от их назначения. Так, В.Ю.Валушис /20/ считает, что плотность брикетов, используемых на корм, должна быть не более 800.960 кг/м3. Г.В.Благовещенский /16/ приводит относительно близкие показатели -700.900 кг/м3. В.А.Афанасьев /6/ указывает,: что плотность брикетов, закладываемых на длительное хранение, должна составлять не менее 1000 кг/м3. По данным ВИМа /31/ средняя плотность брикетов, изготавливаемых из злаковой травосмеси, составляет 620 кг/м3, из злаково-бобовой - 670 кг/м3. Из табл. I.I и приведенных данных видно, что геометрические размеры брикетов несколько различаются, однако у прессов с кольцевой матрицей это различие несущественно. Плотность же и крошимость брикетов в процессе их производства изменяются в широких пределах.

Важной характеристикой брикетированного корма является понятие прочность (Пр) и крошимость (Кр) брикетов. Под термином "прочность" понимают устойчивость брикетов •; к истиранию и крошению. Она должна быть такой, чтобы разрушение их при транспортировании механизмами было минимальным, в то же время корма должны без труда поедаться животными. Прочность брикетов определяется по стандарту АБАЕ /101/ или ГОСТ 18691-73 /27/.

В результате исследования /65/ установлено, что прочность брикетов тесно связана с их плотностью следующей зависимостъю:

Пр = 9&>44-4ЧЪИ С1>1) где £ - плотность брикетов.

Из формулы (1.1) следует, что с увеличением: плотности брикетов до 1000 кг/м3 прочность их значительно возрастаету а при дальнейшем ее увеличении - практически не меняется. Уменьшение плотности брикетов менее 700 кг/м3 приводит к резкому снижению их прочности.

Ряд авторов /Гб, Г7, 39/ отмечают, что прочность брикетов в значительной мере зависит от влажности прессуемого материала. Т&к, исследованиями ЛитНИИМЭСХ /80/ установлено, что наиболее прочные брикеты получаются при влажности исходной массы 12.14 %. П.Е.Ладан /39/ считает, что влажность исходной массы должна быть 12. ГЗ %, а при подаче в прессовальную камеру - увеличена до 15.Г7 %. В.А.Бондарев /Г7/ и А.Н.Безверхов /II/ отмечают, что оптимальная плотность, брикетов будет: при прессовании травяной резки влажностью не более 15 %• Г.В.Благовещенский /16/ делает вывод, что наибольшая прочность брикетов достигается при прессовании массы влажностью 13.17 %. Ю.И.Белявский /12/ и В.А.Афанасьев /6/ отмечают, что влажность резки должна быть около 20 %, так как прочность брикетов при этой влажности значительно повышается. Однако результаты исследования большинства авторов /II, 16, Г7/ показывают, что влажность прессуемого материала должна быть в пределах 14.17 %.

Крошимость характеризует качество брикетов и является отношением массы крошки, полученной после испытания брикетов на прочность^ к исходной массе навески брикетов. Этот показатель позволяет: объективно оценить качество брикетов. Крошимость брикетов связана с их прочностью зависимостью /65/: кР = т- пР

Следовательно, с увеличением плотности крошимость брикетов уменьшается. Следует отметить, что изменение У брикетов влечет за собой различное состояние пористости П их. В результате исследования /36/ получена эмпирическая линейная зависимость пористости от плотности для брикетов, изготовленных из резки разнотравья при и/<5/> = 18 %, Так, для = 900 кг/м3 пористость брикетов составила 40 %.

Для слоя брикетов характерно понятие скважность, и насыпная масса. По данным Ю.В.Подкользина /65/ скважность слоя брикетов составляет. О,45.О,57. По результатам исследования ряда авторов /16, 17, 88/ насыпная масса брикетов лежит в пределах 420.550 кг/м^. По данным ВИМа /31/ средняя величина насыпной массы брикетов, сбрикетированных из злаковой и бобово-злаковой травосмеси, составляет 436.382 кг/м3 соответственно.

Анализ результатов многочисленных исследований процесса сушки и охлаждения сельскохозяйственных и других материалов показал, что гранулы и брикеты из травяной резки можно отнести к материалам, имеющим капиллярно-пористую структуру /45, 49/. В связи с этим, на основании существующих методов определения теплофизиче-ских характеристик капиллярно-пористых материалов /29, 42, 87/, ряд авторов /Г8, 30, 36, 68/ исследовали основные теплофизические свойства брикетов и гранул по методикам, в основу которых положена классическая теория тепло- и массопереноса.

A.И.Жалтаускас /30/ в своих исследованиях отмечает, что на основные; теплофизические свойства гранул влияет природа материала (химический состав) и его структура. Однако, ввиду того, что структура гранул приблизительно одинакова, а плотность определяется типом пресса и практически отличается не более, чем на 10 % от среднего значения, то их влияние можно не учитывать. Результаты опытов показывают, что теплопроводность Л и температуропроводность О-гранул с увеличением их влажности от 8,0 % до 16 % возрастает, в то время как теплоемкость С в этом же диапазоне влажности практически постоянна (рис. 1.1).

Б отличие от гранул теплоемкость брикетов С с увеличением их влажности, а также плотности и температуры нагрева возрастает. Одновременно возрастают по линейному закону функции

X-j(PtV¡) V Исключение составляет функция С^У » которая с увеличением температуры нагрева брикета уменьшается, что, по мнению авторов /68/, объясняется преобладанием аккумулирующей способности брикета СР по сравнению с его теплопроводностью А (рис. Г.2).

B.И.Булах /18/ в своих исследованиях отмечает, что температуропроводность & для плотных брикетов (800.1100 кг/м3) по сравнению с менее; плотными. (450. .700 кг/м3) в интервале их нагрева (от 35 до 95°С) уменьшается меньше, что объясняется, по мнению автора, наличием у менее плотных брикетов большего количества трещин, объем которых от полного объема брикета при плотности его 800.600 кг/м3 составляет: 6,4.11,3 % /65/.

Он также отмечает, что с увеличением: влажности брикета СЬ возрастает, что подтверждается исследованиями других авторов /30, 68/.

С. 16 кДж/кг^с

1&

Теплоемкость

ТеплопроВойноегль

ТенпературопробоЗность

Рис. Т.Т. Теплофизические свойства гранул травяной муки в зависимости от изменения их влажности /30/ с.П А

1м% го

Ьт/м-К ад и

0,6

0Я Л 0,А

1 ^ о— — а ** —< ч ^ —— <*«

253 3*3 543 ТК

V У ух С э /V К > 5

0 £

•О

2 [к <6 МЩ

Рис. 1.2. Основные теплофизические свойства брикетов из люцерны (сплошные линии) и смеси ржи и гороха (пунктирные линии) в зависимости от изменения их температуры, плотности и влажности /68/

Из сказанного выше следует, что брикеты, сформированные из определенного вида растительного сырья представляют собой геометрические тела © конечными размерами определенной влажности (незначительно изменяющейся) и плотности, которая варьирует в широком диапазоне. В этой связи при рассмотрении общей картины процесса охлаждения отдельные брикеты можно представить как объект исследования, что позволит более полно изучить физическую сущность явления.

Анализ графиков (рис. 1.1, 1.2) и результатов исследования /18/ показал, что основные теплофизические свойства прессованных кормов изменяются с той же, примерно, закономерностью, а численные значения их различаются несущественно - по сравнению с аналогичными материалами /29, 42/. Это подтверждает их капиллярно-пористую структуру.

Однако,следует отметить, что данные графиков (рис. 1.1) нельзя применить при исследовании процесса охлавдения брикетов ввиду различия геометрических размеров и структурного состава брикетов и гранул (что подтверждается данными графиков / ( V/) , / ( и/), на рис. 1.1, 1.2). Результаты исследования, приведенные на рис. 1.2, а также в работе автора /18/ посвящены определенному ботаническому составу брикетированной травяной резки и получены в лабораторных условиях (при скорости воздушного потока близкой к нулю) для конкретного случая. Отсюда следует, что эти данные не могут быть применены при исследовании процесса охлаждения брикетированной травяной резки.

Г.Г.Г. Необходимость охлаждения кормовых брикетов

Из приведенных в табл. 1.1 данных установили, что материал в процессе брикетирования в прессах с кольцевой матрицей нагревается до температуры 70.90°С, а в штемпельных - 50.60°С, несмотря на то, что у последних имеются приспособления для охлаждения прессовальной камеры.

Установлено /60, 82, ГОЗ/, что на начальную температуру прессованных кормов оказывает влияние ряд факторов: температура окружающей среда, количество и температура подаваемой воды или пара (для увлажнения травяной резки), состав травяной резки, размеры прессуемого материала, зазор между роликом и матрицей и состояние поверхности ее каналов, теплопроводность и условия охлаждения матрицы и др.

При определенном количестве воды и пара, расходуемых на увлажнение прессуемой массы, можно понизить коэффициент- трения, имеющий место при движении прессуемого материала в рабочем органе пресса, в результате чего уменьшается сила трения и нагрев его. В некоторой степени можно уменьшить нагрев брикетов, подбирая оптимальный ботанический и фракционный состав травяной резки и др. Значительно же снизить нагрев материала вышеуказанными приемами практически не удается. Однако,необходимость в охлазвдении прессованного корма существует, о чем отмечается в работах ряда авторов /12, 15, 16, 39, 78/.

Так как содержание каротина в кормах растительного происхождения подчиняется зависимости /62/: с* = Со е * , (1.2) где С*;, Са - конечное и начальное содержание каротина соответственно;

К - эмпирический коэффициент; £ - температура корма, то, очевидно, что сразу после прессования брикеты следует- охладить до температуры, близкой температуре окружающей среды. Результаты исследования /77/ показывают, что значительные потери каротина в корме происходят в начальный период его хранения (при естественном охлаждении), когда температура материала значительно превышает температуру окружающего воздуха (рис. 1.3).

По мнению некоторых авторов /15, 76, 88/, брикетированный корм можно охлаждать естественным путем, формируя его в складских помещениях в виде буртов высотой до 2».3 м. В исследованиях Молдавского НИИ животноводства /73/ отмечается, что брикеты удовлетворительно охлаждаются в специальных контейнерах, устанавливаемых в несколько ярусов по высоте без применения активного вентилирования.

Однако, большинство авторов /12, 16, 17 , 30 , 51, 96/ приходят к выводу, что прессованный корм целесообразно охлаждать принудительно за короткий промежуток времени, что диктуется необходимостью сохранения каротина - ценного компонента в кормах искусственной сушки. Быстро охлаждать прессованный корм необходимо еще и потому, что при естественном его охлаждении на поверхности и в порах конденсируется влага атмосферного воздуха, что ускоряет жизнедеятельность различных микроорганизмов, приводящая к разогреву, плес-невению и порче корма /17, 30, 96, 99/. Принудительное охлаждение брикетов и гранул непосредственно после прессования, кроме того, повышает их прочность примерно в два раза /12/.

Из указанного выше можно сделать вывод, что принудительное охлаждение прессованных кормов является необходимой и обязательной операцией в процессе их производства, при этом промежуток времени от момента выхода^прессованного корма из матричных каналов пресса до, :начала процесса охлавдения должен быть минимальным.

Г.2. Состояние вопроса охлавдения прессованных кормов

Наиболее простым способом охлавдения продуктов, нашедшим ши-.

С. 21

Рис. 1.3. Потери каротина в травяной муке (при хранении) в зависимости от ее нагрева /77/ рокое применение в сельском хозяйстве, является активное вентилирование атмосферным воздухом. Активное вентилирование применяется при охлавдении зерна, картофеля, плодов и овощей /47, 59, 90/, досушивании сена и соломы /70/ и т.д. Б каждом конкретном случае при реализации этого процесса необходимо знать теплофизические характеристики. окружающего воздуха и охлаждаемого продукта, которые определяют возможную степень охлаждения последнего и аэродинамические характеристики продукта, определяющие затраты энергии на вентилирование и потребное оборудование АО, 47/.

В настоящее время существует целый ряд конструкций охладителей прессованных кормов, которые по аналогии с имеющейся классификацией для охладителей зерна,а также - оборудования, применяемого в комбикормовой промышленности, можно условно подразделить на группы по следующим признакам /69, 102/:

1. По технологическому процессу:

- установки непрерывного действия (конвейерные и колонковые охладители);

- установки периодического действия (бункерные охладители).

2. По состоянию материала и направлению его перемещения в охладителе:

- с перемещающимися в горизонтальном направлении (конвейерные охладители);

- с перемещающимися в вертикальном направлении (колонковые охладители);

- с неподвижным материалом (бункерные охладители).

3. По способу подвода охлаждающего воздуха:

- прямоточные и противоточные (конвейерные);

- с поперечным потоком воздуха (колонковые охладители).

В ряде конструкций установок непрерывного действия (рис. 1.4 а,б)в качестве рабочего органа применяется цепочно-планчатый

Рис. ТЛ. Охладители прессованных кормов: а, б - конвейерные; в - колонковые; г, д * бункерные (стационарные, мобильные) транспортер /37, 64, 83/ или проволочная сетка (иногда хлопчатобумажная лента) /34, 99/, заключенные в коробе. В этих охладителях прессованный корм укладывается на несущий орган, а воздух, нагнетаемый вентилятором, проходит над ним или через слой материала. Для равномерного распределения воздуха по всей длине охладителя корпус его разделен перегородками на секции, каждая из которых имеет ряд входных отверстий с регулируемыми жалюзийными заслонками. В целях повышения эффективности процесса охлаждения некоторые охладители непрерывного действия делаются многоярусными (рис.1.4, б), где охлаждаемый материал перемещается с одного транспортера на другой /34/.

Такие охладители в настоящее время изготавливают фирмы: "Саймон Баррон" (Англия); "Агро-Экипман" (Франция). Монтаж данных охладителей на пуркте заготовки брикетов способствует уменьшению этажности производственного помещения. Однако они имеют ряд недостатков: неравномерное распределение брикетов по поверхности рабочего органа и неизбежные потери воздуха вследствие невозможности идеальной герметизации подвижного полотна, снижает эффективность процесса охлаждения; при перемещении материала к месту хранения, а также неоднократной перегрузке с одного полотна транспортера на другое происходит; разрушение брикетов; на перемещение материала расходуется значительная часть всей затрачиваемой энергии.

Появившиеся в последнее время колонковые охладители для брикетов и существующие для гранул (рис. 1.4, в) имеют одну или две колонки, у которых две противоположные стенки перфорированные. Боковые стенки колонок образуют канал, к которому присоединяется вентилятор. Над колонкой имеется бункер, а внизу - выгрузное устройство. Воздух поступает через перфорированные стенки, проходит в поперечном направлении слой брикетов, охлаждает их и вентилятором отсасывается в атмосферу.

Такими колонками у нас в стране оборудуются грануляторы 0ГМ-0,8 и 0ГМ-Г,5, а также брикетные прессы типа ОПК. За рубежом колонковые охладители выпускают вышеперечисленные фирмы /30» 83/. Эти охладители не требуют большой площади для монтажа. Материал в них загружается с помощью норий, транспортеров (ленточные или скребковые), а затем перемещается и выгружается под действием силы тяжести. Недостатком охладителей подобного типа является значительное (более 15 %) разрушение брикетов кг гранул в процессе их перемещения и выгрузки. Вследствие этого происходит* забивание (образовавшейся пылью и крошкой) отверстий перфорированных стенок, что ухудшает1 фильтрацию воздуха и нарушается процесс охлаждения. Это не позволяет охладить корм до требуемой температуры при прохождении его через колонку. Еще одним существенным недостатком таких охладителей является необходимость поддержания постоянного уровня охлаждаемого материала, так как при его понижении воздух проходит над слоем и эффективность процесса снижается.

Попытки оснастить отечественное оборудование для прессования кормов колонковыми и конвейерными охладителями не позволили на сегодняшний день решить проблему эффективного охлаждения брикетированных кормов, ввиду невозможности обеспечения достаточной степени охлаждения и низкой технологической надежности этих охладителей.

К установкам периодического действия относятся бункерные охладители (рис. Г.г, д). Они состоят из одного, а при выборе соответствующей технологической схемы - и нескольких емкостей (одновременно служащие накопителями брикетов), оборудованных вентиляционной системой.

Основными преимуществами использования на пунктах заготовки кормов искусственной сушки охладителей такого типа является: простота их конструкции по сравнению с другими охладителями (из-за отсутствия движущихся частей); высокая надежность технологического процесса (возможность охлаждения брикетов до требуемой температуры за счет регулирования времени пребывания их в охладителе, без снижения производительности" прессового оборудования и нарушения технологичности процесса); снижение (по сравнению с колонковыми и конвейерными охладителями) крошимости брикетов в процессе их охлаждения. Это позволяет считать бункерный охладитель наиболее приемлемым: для охлаждения брикетов. За целесообразность использования на пунктах заготовки кормов искусственной сушки охладителей бункерного типа высказываются ряд авторов /50, 51, 78, 96/, которые указывают в своих работах на рациональность такой схемы процесса охлаждения брикетов.

Вопросы охлаждения прессованных кормов, а также материалов близких к ним по своим физико-механическим и теплофизическим свойствам исследовали А.Н.Жалтаускас /30/, М.З.Рудой /74/, В.М.Любарский /47/, ¿J.EdeiLnd /96/, MBrounsc/weig /95/, ZFlata /97, 98/ и другие отечественные и зарубежные авторы.

Так, М.З.Рудой /74/ установил зависимость продолжительности охлаждения от геометрических размеров гранул. Автор указывает, что при увеличении диаметра гранул от 10 до 13 мм продолжительность охлаадения возрастает на Г5 %, а при увеличении от 10 до 16 мм -на 48 при скорости охлаждающего воздуха I м/с. R.St roup /102/также отмечает, что продолжительность охлаждения гранул, связана с их диаметром. Им установлено, что для гранул диаметром до 6,0 мм продолжительность охлаждения составляет 6.7 минут и 15. 17,5 минут - для гранул диаметром 6 мм. При увеличении диаметра гранул свыше 6 мм продолжительность охлаждения составляет еще больший промежуток времени.

А.И.1алтаускас /30/ указывает, что требуется 17 минут для охлаждения гранул диаметром 10 мм, 20 минут - диаметром 13 мм и 28 минут - диаметром 16 мм, при толщине слоя 200 мм, скорости воздуха 0,7 м/с и его температуре

3. Ес^^Ипс/ /96/ увязывает продолжительность охлаждения с удельным расходом воздуха и геометрическими размерами гранул. Эти данные приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Продолжительность охлаждения и удельный расход воздуха в зависимости от размера гранул /96/

Наименование Размерность Размеры гранул, (мм) ю 1 16

Объемная масса кг/м3 650.690 470.700

Расход воздуха м3/т 2200 2800

Время охлаждения мин 20 25

Из таблицы видно, что с увеличением геометрических размеров гранул увеличивается удельный расход воздуха и возрастает продолжительность охлаждения. В связи с этим пс/ делает вывод, что отношение поверхности, отдающей тепло, к единице объема, больше у гранул небольших размеров, чем у гранул больших размеров. Он также отмечает, что малое удельное количество воздуха ведет к увеличению: продолжительности охлаждения для корма различной величины. Увеличив удельное количество воздуха, время охлаждения уменьшается сначала быстро, а затем все медленнее, т.е. продолжительность охлаждения зависит от скорости прохождения тепла изнутри материала к поверхности.

А.И.Жалтаускас /30/ провел исследования и определил зависимость продолжительности охлаждения от толщины слоя гранул и скорости воздушного потока. Установлено, что продолжительность охлаждения для слоя гранул толщиной 200 мм на 33 % больше, а для слоя 300 мм - на 58 % больше, чем для слоя 100 мм при скорости воздуха

Г м/с. В то же время при скорости воздушного потока 0,75 м/с и толщине слоя гранул 200 мм продолжительность охлаждения составляет 0,32 часа, против 0,2 часа при скорости 0,92 м/с. Аналогичную взаимосвязь отмечают и другие авторы /95, 98, 102/.

С,/?е5с.Ме /99/ и ^.ЕбеИпЫ /96/ отмечают, что при увеличении скорости воздуха выше определенной величины продолжительность охлаждения гранул остается практически постоянной. А.И.Жалтаускас /30/ и РойЕо /98/, кроме того, высказывают мнение, что на продолжительность охлаждения гранул влияют влажность и температура воздуха. Однако,конкретных взаимоувязанных данных по влиянию этих факторов на процесс охлаждения в литературе не приводится.

Ряд авторов /30, 95, 96/ указывают на незначительное изменение относительной влажности гранул во время охлаждения. Так, \fil.draunschwelg /95/, изучавший технологию гранулирования комбикормов, указывает, что относительная их влажность в процессе охлаждения изменяется на 1,1.1,3 %. А.И.Жалтаускас /30/ в своих исследованиях также установил, что влажность, гранул при охлаждении уменьшается на Г.6.2 %. пЫ /%/ указывает, что во время охлаждения влажность гранул снижается в среднем: на 1,5 »*.2 %*

По результатам исследования процесса охлаждения гранул А.И. Жалтаускасом /30/ предложена номограмма, позволяющая установить влияние скорости воздуха и толщины слоя материала на производительность и потребную мощность охлаждения гранул. При правильном выборе этих параметров можно организовать режим охлаждения гранул, обеспечивающий наименьшие эксплуатационные расходы при условии получения качественной продукции.

Если вопрос охлаждения гранул освещен в литературе полно, что связано, в первую очередь, с развитием комбикормовой промышленности, то процесс охлаждения брикетов изучается сравнительно недавно. Наиболее значительные; результаты по этому вопросу в нашей стране получены в ВИМе /31/, а. также опубликованы в работах некоторых отечественных и зарубежных авторов /37, 64, 73, 96/.

В ВИМе /ЗГ, 37/ исследовали процесс охлаждения брикетов с применением жалюзийной колонки, бункерного и конвейерного охладителей. Охлаждению подвергали брикеты, изготовленные на прессе ПБС-3 из злаковой и. бобово-злаковой травосмеси. Результаты опытов показали, что продолжительность охлаждения брикетов в жалюзийной колонке наименьшая (0,25.0,34 часа), в то время как в конвейерном охладителе она составляет до 2 часов.

Установлено, что влажность брикетов во время охлаждения уменьшается в среднем на 2,0 %, что отмечается в результатах исследования других авторов /12, 96/.

Продолжительность охлаждения брикетов уменьшается при увеличении скорости воздушного потока, причем удельный расход воздуха наименьший - у бункерного охладителя (3,52.4,1 кг/кг корма) по сравнению с жалюзийной колонкой (8,1.8,2 кг/кг корма). Удельный расход воздуха в конвейерном охладителе приближается к показателям колонки.

С/. Ес1е Ипс! /96/ в своих исследованиях указывает, что на процесс охлаждения брикетов влияют: скорость воздушного потока и его температура, степень охлаждения, размеры охлаждаемого материала. Так, по аналогии с процессом охлаждения гранул он отмечает, что при увеличении диаметра брикетов от 24 до 60 мм продолжительность охлаждения увеличивается от 0,5 до I часа. Из приведенных данных видно, что продолжительность охлаждения брикетов значительно выше, чем гранул, что объясняется существенным, различием в их геометрических размерах.

Я, Ес(е Ее л с/ /96/ установил также зависимость продолжительности охлаждения брикетов от удельного расхода воздуха (рис. Г.5). Из рисунка видно, что при некотором значении удельного расхода воздуха (около 8000 м3/ч*т) продолжительность охлаждения практически не изменяется. Автор считает, что рациональный удельный расход воздуха лежит в пределах 6000.10000 м3/ч*т, поскольку время охлаждения уменьшается незначительно при этом количестве воздуха.

Необходимая степень охлаждения брикетов (разность между температурой центра брикетов и температурой окружающего воздуха в момент прекращения процесса охлаждения) определяется процессами протекающими в них при хранении и должна обеспечивать минимальные потери питательных веществ. По поводу необходимой степени охлаждения брикетов мнения исследователей несколько расходятся. Так,^^6^*7^ /96/ считает, что степень охлаждения брикетов не должна превышать

Ряд других авторов /12, 78, 93, 97/ высказывают мнение, что брикеты можно считать охлажденными, когда степень охлаждения их составляет 8. .Ю°С. Эти данные соответствуют требованию ГОСТа 23513-79 /27/, согласно которого температура внутри брикетов, предназначенных для закладывания их на длительное хранение, после прекращения охлаждения должна иметь значение ¿¿р = ¿В + 8°С.

Отмеченные выше данные не позволяют количественно описать и оптимизировать процесс охлаждения брикетов из. травяной резки из-за их отличия по геометрическим размерам, от гранул (для последних имеются данные и методики по выбору рациональных режимов охлаждения), а имеющихся в литературе данных по охлаждению брикетов явно недостаточно для этого.

В настоящее время процесс охлаждения брикетов исследован не полностью, что не позволяет решить вопрос выбора его рациональных режимов. В этой связи представляет определенный интерес результат

Рис. Г.5. Продолжительность охлаждения брикетов ( 60 мм) в зависимости от удельного расхода воздуха /96/ теоретического исследования процесса охлаждения гранул, а также материалов, близких по своим физико-механическим свойствам; к брикетам из травяной резки, которые проводили А.И.Жалтаускас /30/,

I. ЕИпеК /97, 98/, Н.А.Головкин, Г.БЛижов /26/, А.АпгеНиь /94/, Т. ЗсЬитст /100/, Г.Д.Рабинович /71/, Н.М. Бабушкин /9/ и другие отечественные, и зарубежные исследователи.

Так, для обоснования конструктивно-технологической схемы охладителя гранулированных кормов З.Р1о1(Х и /1.Е11пек /97, 98/ установили взаимосвязь между временем; охлаждения, высотой слоя, температурой гранул и подаваемого воздуха, его количеством и физико-механическими свойствами гранул. Ими определена зависимость. изменения температуры гранул с течением: времени при различных начальных условиях, которая представляет собой гиперболическую зависимость вида: получены только для частного случая.

А.И.Жалтаускас /30/ предлагает продолжительность охлаждения выделенного объема гранул в жалюзийной колонке определять по следующей эмпирической зависимости: а +

1.3) где - время охлаждения;

- эмпирические коэффициенты. Экспериментальные значения коэффициентов & и Ь могут- быть

Е = сИо - ±ср)

1.4) где С - удельная теплоемкость гранул; £о - начальная температура гранул;

Ьср - средняя температура гранул в конце процесса охлаждения;

- коэффициент теплообмена; д 1ср среднелогарифмическая разность температур гранул и охлаждающего воздуха в том же объеме;

2о - скрытая теплота испарения влаги; няс - насыпная масса абсолютно сухих и влажных гранул;

К - коэффициент сушки; л \Jcfi - среднелогарифмическая разность влажности гранул и равновесной влажности в данном объеме. Данная формула обладает1 тем недостатком, что учитывает усредненные характеристики процесса в то время как реальный процесс охлаждения имеет ярко выраженную зависимость скорости, охлаждения и других характеристик от времени. Кроме того, как было отмечено выше /96/, интенсивность охлаждения слоя зависит от' геометрических размеров его составляющих частиц. Выражение (1.4) в таком случае не применимо к процессу охлаждения брикетов.

Н.А.Головкин и Г.Б.Чижов /26/ предлагают эмпирическую зависимость для вычисления темпа охлаждения пищевых штучных продуктов в потоке охлаждающего воздуха следующего вида: т = 0/17)-(^-оЛ)е~°'т!Т > (1.5) где П1 - темп охлаждения; - определяющий размер продукта; И - скорость воздушного потока. Выражение (1.5) отличается простотой, что несомненно является определенным преимуществом, однако,оно не учитывает теплофизических свойств охлаждаемого продукта и охлаждающего воздуха.

Особенностью процесса теплообмена в плотном толстом слое является изменение параметров материала и воздуха по объему слоя в направлении его движения. Точный учет этих изменений эмпирическими выражениями затруднен, поэтому для описания нестационарного процесса охлаждения в этом случае обычно используют уравнения математической физики.

Так, A. Anzeiius /94/ и T.Schuman /100/ предложили систему дифференциальных уравнений процесса теплопереноса в слое охлаждаемого материала., при отсутствии в частицах градиента температуры дв <¿<5*

1.6) д? Тъ Сь а-в) где X - координата;

- удельная поверхность; £ - скважность слоя; 0 - среднелогарифмическая температура. Г.Д.Рабинович /71/, используя решения А.АпгеНиЗй /94/, получил выражение для определения температуры слоя зерна в процессе его охлаждения: в -£н . % = , где /~х - поверхность теплообмена; вводные эквиваленты воздуха и зерна. Данное решение имеет применение при охлаждении слоя толщиной не более 250 мм.

Н.М.Бабушкин /9/ теоретически исследовал процесс охлаждения металлургического агломерата и окатышей. Им решалась задача теплообмена между кусковым материалом и газообразным теплоносителем, в качестве которого используется воздух. Автор рассматривает' слой нагретого материала, состоящий из кусков с размерами и Яь /?/ в общем случае движущихся и имеющих начальную температуру Ь{ (X , У , 2 ) и ( X , у , 2 ) ( ¿/<¿2). Слой непрерывно продувается воз,духом, и уравнение теплопереноса для него имеет вид: дх дх т ду и1£дг

1.8)

1.9)

ЛД2 где -/ч,-^ - теплопроводность материала и воздуха;

V - кинематическая, вязкость воздуха;

Ъ - глубина проникновения тепла; и,, Щ, 1Г* - составляющие скорости движения частиц материала по оси координат X , У , Z , соответственно.

Уравнения теплопроводности (1.8, 1.9) при известных краевых условиях справедливы для процесса охлаждения любого другого кускового материала и связывают временные и пространственные изменения его температуры.

Анализ состояния вопроса процесса охлаждения прессованных кормов позволил выделить основные факторы, влияющие на процесс охлаждения брикетов. Однако, следует отметить, что результаты исследований, проведенные авторами, неприемлемы для оптимизации процесса охлаждения брикетов,так как в одних случаях получены для материалов, отличающихся от них по физико-механическим свойствам и приведены для отдельных конкретных случаев, по который; трудно сделать обобщающие выводы, а в других - получены при ограниченном количестве и диапазоне исследуемых факторов.

Приведенные в разделе 1,2 теоретические зависимости не могут быть использованы в "чистом" виде для описания процесса охлаждения брикетов по причинам, отмеченным там же. Однако, подход к решению данной задачи: и, в частности, использование дифференциальных уравнений теплопереноса, аналогичных (1.8, 1.9), позволит теоретически исследовать данный процесс с целью обоснования рациональных режимов процесса охлаждения брикетов.

1.3. Аэродинамические свойства слоя кускового материала

Определением физико-механических и аэродинамических характеристик и свойств как отдельных тел (шар, цилиндр, эллипсоид), так и неподвижного слоя, состоящего из тел различной геометрической формы и размеров, сено-соломистых материалов,занимались отечественные и зарубежные исследователи /2, 4, 5, 14, 37, 57/. Если для описания сопротивление газовому потоку отдельных тел имеются аналитические зависимости, то задача исследования потерь давления в слое различных материалов при вентилировании их воздушным: потоком решается приближенно /и; описывается эмпирическими выражениями ввиду ее сложности.

Некоторые, наиболее типичные эмпирические выражения для определения потери давления воздуха при фильтровании его через слой пористого волокнистого материала имеют вид /47/: т п йР= аНГо V , (1Л0) где дР - потери давления в слое материала;

О. - коэффициент, зависящий от вида материала и направления продувки;

Н - высота слоя;

Ш, П - эмпирические коэффициенты.

Выражение (1.10) справедливо для вентилирования волокнистого материала и имеет тот недостаток, что значение величины плотности материала, входящее в уравнение, зависит от высоты продуваемого слоя, а коэффициент, характеризующий свойство материала в свою очередь - от плотности материала, поэтому с изменением высоты слоя должны одновременно изменяться оба эти параметра, а они входят1 в уравнение в виде независимых величин.

Некоторые авторы /41, 57/ рассматривают неподвижный слой пористого материала как тело, состоящее из одинаковых трубок с волнообразными внутренними поверхностями, а газовое сопротивление определяют из уравнения трубной аэродинамики с различными значениями экспериментальных коэффициентов: югде Ас - коэффициент- сопротивления; пр - приведенный диаметр частицы; ф - ускорение свободного падения.

Авторы в этом случае считают, что расстояние между частицами во время вентилирования остается неизменным, а движение газа осуществляется по извилистым каналам постоянного сечения» Скорость его потока определяется в любой точке тока газа. Однако отсутствие в пористом слое четких закономерностей распределения пуст-от и материала, а также уплотнение его под действием массы вышележащих слоев не учитываются уравнениями трубной аэродинамики.

Потери давления в зависимости от действия различных факторов при вентилировании неподвижного слоя сыпучих материалов исследовали ряд авторов /3, 4, 86/, А.В.Авдеев /2/ отмечает, что полученные зависимости могут быть представлены в общем виде следующими выражениями: (1.12) АР , (1.13) где А 9 п у а з & - эмпирические коэффициенты;'

- длина линии тока воздуха в слое материала.

Эмпирические коэффициенты зависят от приведенного диаметра и формы частицы, пористости слоя, состояния газа (воздуха) и материала и других факторов. Значения их обычно определяются опытным: путем для каждого вида материала.

Так, по аналогии с результатами исследования зернистого слоя /72/ применительно к гранулам из травяной муки А.И.Жалтаускас /30/ установил, что сопротивление слоя гранул воздушному потоку возрастает' с увеличением, скорости его и уменьшением линейных размеров гранул (рис. Г.6).

Если результаты исследования процесса вентилирования монодисперсного слоя достаточно широко освещены в литературе, то полидисперсного - (состоящего из целых кусков и определенного количеством мелочи) они представлены значительно меньше. Однако,имеются работы, в которых авторы приводят результаты исследования по этому вопросу /7, 9, 47, 96/.

Н.М.Бабушкиным /9/ установлено, что при вентилировании агломерата (состоящего из слоя частиц неправильной формы) потоком воздуха, сопротивление слоя кускового материала зависит от скорости воздушного потока и структуры слоя материала. Потери напора при этом определяются по зависимости: с.39 " ДР, ЛА то № \ 800 600 / 2 \ 3

N а*

08 а Т1,м/с

Рис. 1.6 ♦ Сопротивление слоя гранул воздушному потоку С 1м):

Г - (± = 10; 2 - с! = 13; 3 - ¿1 = Гб мм aR= S vèPh У Гт тд> где ^cr/> - коэффициент сопротивления, определяемый из представления, что газ последовательно сжимается и расширяется в виде струй, проходя сужения и ячейки между частицами материала /14/; - степень: расширения струи; h - высота элементарной ячейки; П - величина относительного просвета. М.Ш.Ахмедовым /7/ получено выражение для определения потерь давления в слое брикетов (полученных на рулонном проссе) в процессе вентилирования его воздушным потоком, следующего вида: лР= Н 2 12,3 exp (i 74 ) > (I.I5) где fte - критерий Рейнольдса; э,с/1. - эквивалентный диаметр, определяемый для полидисперсного слоя из соотношения:

На = где 5 - поверхность частиц (брикетов) слоя, приходящаяся на единицу его объема; - удельная поверхность брикета. Из приведенных зависимостей (I.I4, I.I5) видно, что потери напора зависят от скорости воздушного потока, скважности слоя и удельной поверхности материала. Следовательно, потери напора растут с уменьшением: линейных размеров материала и увеличением содержания крошки и мелочи в слое, так как в этом случае уменьшается величина относительного просвета между кусками.

З.ЕдеЕспс! /96/ определил, что сопротивление слоя брикетов из травяной резки (рис. Г.7) зависит от расхода воздуха, приходящегося на единицу поверхности слоями количества крошки.

Ряд авторов /12, 16, 64/ также выражают мнение об обязательном отделении крошки от основной массы брикетов с целью снизить сопротивление слоя воздушному потоку и уменьшить, в связи с этим, энергозатраты на охлаждение.

Анализ результатов исследования показывает, что аэродинамические свойства полидисперсного слоя (также как и монодисперсного) ввиду сложности процесса и наличия переменных факторов (содержание крошки, изменение высоты и скважности слоя и др.) описываются эмпирическими выражениями по результатам экспериментальных данных. В связи с этим приведенные выше эмпирические, зависимости не могут быть непосредственно использованы для определения потерь давления в слое брикетов, так как коэффициенты, входящие в них, в: каждом конкретном случае определяют свойства материала. Экспериментальные данные, приведенные на рис. 1.6 и 1.7 не могут дать полного представления о процессе, так как получены в первом случае для гранул, а во втором - для ограниченной ( Н - 0,5 м) высоты слоя брикетов, кроме того, линейные размеры их не характерны для большинства брикетов, полученных на прессах отечественного и зарубежного производства (см. табл. Г.1). Соответствующих же зависимостей применительно к брикетам из травяной резки при высоте слоя более 0,5 м в литературе не приводится. Отсюда следует, что необходимо исследовать аэродинамические свойства слоя брикетов при изменении высоты и различной скорости продувки его воздушным потоком.

1.4. Цель и задачи исследования

В настоящее время сельскохозяйственное производство не располасМ

Рис. Г.7. Сопротивление слоя брикетов воздушному потоку при различном содержании мелочи ( Н = 0,5 м; 60 мм) ; Г - содержание мелочи - 22. %\ г - 8 %; 3 - 3 % гает эффективными средствами механизации охлаждения брикетированных кормов. Из обзора литературы, приведенного в предыдущих разделах следует, что процесс охлаждения брикетированной травяной резки исследован недостаточно полно, в связи с чем отсутствуют конкретные данные о рациональных режимах охлаждения брикетов^ Все это сдерживает широкое внедрение прогрессивной технологии приготовления брикетированных кормов.

Поэтому основной целью данной работы, выполненной в соответствии с тематическим планом лаборатории НИПТИМЭСХ НЗ Р(ЖЯ? "Технологии к механизации заготовки и хранения кормов" по теме 25 "Разработать высокоэффективные технологии и средства механизации заготовки и хранения кормов в условиях Нечерноземной зоны РСФСР" является определение режимов и разработка средств механизации процесса охлаждения брикетированной травяной резки для повышения его эффективности.

В соответствии с целью поставлены конкретные задачи исследования:

1. Исследовать физико-механические и теплофизические свойства брикетированной травяной резки.

2. Теоретически и экспериментально исследовать процесс охлаждения брикетов и определить его рациональные режимы.

3. Обосновать конструктивно-технологическую схему и параметры технических средств для охлаждения брикетированных кормов.

4. Проверить эффективность рекомендуемых режимов и средств механизации охлаадения брикетов в производственных условиях.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ИССЛЕДОВАНРЮ ПРОЦЕССА

ОХЛАЖДЕНИЯ БРИКЕТОВ

2.1. Основные зависимости теории тепло- и. массопереноса применительно к процессу охлаждения брикетов

Исследование закономерностей процесса охлаждения кускового материала базируется на решении задачи теплообмена между ним и газообразным: теплоносителем, в качестве которого, в подавляющем большинстве случаев, используется воздух. Теплообменные процессы при движении газа через слой нагретого кускового материала в условиях нестационарного режима имеют место в: рекуперативных теплообменниках, сушилках и т.д. Передача тепла в таких системах представляет собой сложное явление, характеризующееся следующими основными особенностями /33/:

Г. Температура на поверхности кускового материала, составляющего слой, определяется не только передачей тепла от элементов слоя воз,духа (внешний теплообмен), но и подводом тепла к поверхности материала из его центральных частей (внутренний теплообмен).

2. Внутренний теплообмен определяется размерами, формой и теплофизическими свойствами материала.

3. Внешний теплообмен при температурах, имеющих место в охладителях, включает в себя процессы теплообмена конвекцией, а также излучением и теплопроводностью между отдельными кусками.

Внешний теплообмен в условиях неподвижного слоя при ^100°С представляет собой главным образом конвективный - между поверхностью материала и воздухом, оцениваемый коэффициентом теплоотдачи. В своих исследованиях З.Ф.Чуханов /89/ указывает, что теплообмен теплопроводностью между отдельными кусками материала в реальном слое происходит: за счет того, что некоторая часть их соприкасается между собой. Однако, количество тепла, отводимого из слоя таким образом, в общем тепловом балансе составляет незначительную долю, которой можно пренебречь. Эта доля, как показали экспериментальные исследования, сводится практически к нулю для слоя, состоящего: из шарообразных кусков, имеющих между собой точечные; контакты.

В отличие от твердых и прочных кусков (агломерат и окатыши), которые претерпевают незначительные деформации при соприкосновении, горячие брикеты, поступающие на охлаждение - непрочные, отчего площадь контакта между ними намного больше, чем у твердых тел. Передача тепла в процессе охлаждения в такой капилярно-пористой среде может происходить путем /49/:

- теплопроводности твердого скелета материала, складывающегося из передачи тепла вдоль отдельных частиц и в местах непосредственного их соприкосновения;

- естественной конвекции, а также молекулярной теплопроводности среды, содержащейся между частицами;

- переноса тепла за счет переноса вещества внутри материала (в виде жидкости и пара).

Авторами /44, 58, 87/ установлено, что для капиллярно-пористых материалов в условиях умеренной температуры (до 100°С) определяющим является процесс переноса тепла путем, молекулярной теплопроводности через твердый скелет материала и конвективный - через внутрипорозную среду. Остальные составляющие процесса теплопередачи считают второстепенными, мало влияющими на характер переноса тепла и ими, как правило, пренебрегают. Очевидно, что перенос тепла молекулярной теплопроводностью играет существенную роль при малой скорости: воздушного потока, когда процесс охлаждения приближается к естественному. С увеличением же скорости воздуха тепло за пределы слоя перемещается в основном за счет конвекции.

Анализ литературных данных (раздел 1.2.) показал, что процесс охлаждения кусковых материалов целесообразна исследовать, используя для этого уравнения классической теории тепло- и массопереноса, в развитие которой большой вклад внесли А.В.Лыков /43, 44, 45/, Ю.А. Михайлов /55/, А.С.Гинсбург /25/ и другие отечественные и; зарубежные ученые.

Процесс переноса тепла и влаги в слое капиллярно-пористого материала при отсутствии конвекции описывается уравнением вида /43/г

Щ- = ату2и + ат3 7Н где а - температуропроводность; 2

V - дифференциальный оператор Лапласа; - критерий фазового превращения; - коэффициент диффузии влаги; и - влагосодержание; - термоградиентный коэффициент: переноса вещества.

Данная система уравнений находит широкое применение при исследовании процессов сушки, так как- учитывает явление переноса массы (влаги) /Г9/.

Система дифференциальных уравнений (2.1) также может быть использована для исследования процесса охлаждения брикетов. Ее решением будет функция Отыскать такую функцию аналитическим путем не представляет возможным, так как число неизвестных больше числа уравнений. Для уменьшения числа неизвестных вводятся некоторые допущения, связанные: с особенностями: капиллярно-пористых тел, которые несущественно скажутся на окончательном результате, но дадут возможность значительно упростить задачу и сделать возможным ее аналитическое решение.

СГистема дифференциальных уравнений (2.1) в применении к процессу охлаждения брикетов может быть упрощена по следующим соображениям. Поисковые опыты и результаты исследования (раздел; 4.1.) показали, что влажность брикетов в процессе: охлаждения изменяется незначительно (0,5.2,0 %). Данные приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Изменение влажности брикетов в процессе охлаждения .опыта Время охлаждения (мин) Влажность брикетов, % начальная конечная

I. 38 14,1 12,8

2. 54 16,3 14,4

3. 57 15,9 13,7

4. 72 16,5 14,3

5. 81 17,1 15,2

Анализ данных, приведенных в табл. 2.Г., показывает, что увеличение продолжительности; охлаждения *Г не оказывает существенного влияния на кинетику влажности в процессе охлаждения. При этом, путем расчета /48/ установлено, что количество тепла, участвующего в массопереносе,.составляет, примерно, 3.5# от общего количества его в теплообменном процессе. Поисковые опыты также показали, что влага из брикетов испаряется задолго до окончания процесса охлаждения, что подтверждается результатами экспериментального исследования /96/. На основании изложенного выше можно сделать вывод, что при охлаздении капиллярно-пористых тел (в диапазоне изменения температуры от 100 до 20°С) с относительной их влажностью до 20 % перенос влаги на теплообменные процессы существенной роли не оказывает.

Сделанный таким образом вывод позволяет систему уравнений (2.1) использовать для описания процесса, охлаждения слоя брикетов и рассматривать изменение температурного поля независимо от? их влажности:. В этом случае выражение (2.Г) можно значительно упростить и без учета конвекции: оно примет вид /43, 45/: (2.2)

При решении задачи: принудительного охлаждения слоя брикетов уравнение (2.2) можно представить в общем виде следующим выражением: /44, 46/:

C6f>&P-^ = lv4 - Сърь > (2.3) где - градиент температуры;

Уравнение (2.3) устанавливает связь между временным и пространственным изменением температуры в любой точке охлаждаемой массы брикетов. В нем первый член правой части представляет собой молекулярный перенос тепла, а второй - конвективный. Входящие в уравнение коэффициенты отражают физико-механические и теплофизиче-ские свойства материала и охлаждающей среды. После подстановки в формулу соответствующих величин, которые определяют экспериментально или путем теоретического расчета, формула (2.3) может быть использована для описания процесса охлаждения брикетов.

2.2. Исследование процесса охлаждения слоя брикетов, как изотропной среды

2.2.Г. Постановка задачи

Для составления математического описания процесса охлаждения брикетов примем схему, изображенную на рис. 2.Г. В слой брикетов 2 высотой Н и диаметром CD , помещенный в воздушно-непроницаемую емкость I, открытую сверху, равномерно по сечению снизу принудительно нагнетается воздух под давлением Р.

2.1. Схема разделения слоя брикетов (изотропная среда): Г ^ емкость; 2 - масса брикетов

- шаг дискретизации по координате Я ; ЛР -шаг дискретизации по координате Я ;

1т,-Ьпг,Ьп5^Пй, ±иг , £>?з 3 t ям температура нижнего, верхнего и бокового слоя брикетов соответственно;

Ц,2 ; "¿7,3 ; . , ¿V 'Л*,2 'Л^ - средняя температура массы брикетов в выделенных объемах

Представим в первом приближении охлажденный слой брикетов как "изотропную" среду, состоящую из бесконечно большого числа капиллярно-пористых тел, уложенных хаотично, а воздушные промежутки между ними представим в виде капилляров. Примем скорость, фильтрации такой, при которой тепло изнутри; массива успевает подходить из центра его к поверхности и полностью уноситься, т.е. предположим, что все тепло как бы сосредоточено на поверхности: охлаждаемого материала. Требуется найти распределение температуры по вертикальному и горизонтальному сечениям слоя брикетов. Для упрощения решения задачи примем следующие допущения:

1. Плотность укладки брикетов и скважность слоя во всех точках одинаковы и воздух фильтруется равномерно по всему слою.

2. Температура охлаждающего воздуха постоянна, а брикеты имеют одинаковую начальную температуру /81/.

3. Между воздушным потоком и поверхностью брикетов предполагается "идеальный" теплообмен - воздух, проходя элементарный слой брикетов (дН ), нагревается до температуры их поверхности.

Влагоперенос в слое отсутствует.

5. Теплофизические свойства материала и воздуха в процессе охлаждения остаются постоянными.

Начало цилиндрической системы координат расположим в плоскости входа воздушного потока, при этом ось 2. совместим с вертикальной осью емкости, а Я - с горизонтальной. Как видно из рис. 2.Г, поворот плоскости рассматриваемого сечения на любой угол & не окажет влияния на его температурное состояние, а составляющие скорости: воздуха по координате К равны нулю.

С? учетом отмеченных допущений, рассматривая процесс распространения тепла по двум: координатам Z и /^уравнение (2.3) можно представить в следующем виде: где Н , ¡г - координаты.

После некоторого преобразования, получим: й = л ' +±д*+дЧ\ №А дЬ . '0Г дг+дг*/ ¿с^дг

Это дифференциальное уравнение является математической моделью процесса охлаждения брикетов (изотропная среда), схема которого приведена выше. Для принятой схемы процесса начальное условие:

2.6)

Граничное условие в задачах тепло-массопереноса задается четырьмя различными способами /43, 56/. Для рассматриваемого процесса принимаем граничное условие первого рода, определяющее теплообмен между капиллярно-пористым телом и окружающей средой в случае: равенства температуры воздуха на выходе из слоя и поверхностного слоя брикетов. В этом случае на верхней границе слоя:

Ь'в-Ьп при °С>0 и г*Н (2.7) где ¿В - температура воздуха на выходе из слоя нагретых брикетов;

- температура поверхностного слоя брикетов. На нижней границе слоя: и при Ъ^О и (2.8) где - температура атмосферного воздуха; и - температура нижнего поверхностного слоя брикетов. На боковой поверхности емкости принимаем граничное условие третьего рода. В этом случае на боковой поверхности слоя:

- ¿*(и-и*)-0 Ч>0,ГшЦ (2.9) где - коэффициент: теплоотдачи с боковой поверхности емкости; пл - температура боковой поверхности емкости. Значение коэффициента теплоотдачи можно, с достаточной для инженерных расчетов точностью, найти из следующей зависимости /91/:

Л =/? (и-и)'А , Й.Ю) где А - коэффициента теплообмена, принимает значение 1,7 в случае теплообмена вертикальной стенки со средой /91/.

2.2.2. Реализация математического описания процесса охлаждения брикетов методом сеток

Полученное дифференциальное уравнение (2.5) второго порядка в частных производных в общем виде, как правило, аналитического решения не имеет, поэтому для его решения воспользовались методом сеток, являющегося универсальным и получившим распространение применительно к разнообразным процессам нестационарного теплообмена /43/. Он является приближенным, но допускает решение задачи с заранее принятой точностью /92/ и позволяет заменить уравнение в частных производных системой дифференциальных уравнений в полных производных.

С физической точки зрения такая конечно-разностная апроксима-ция уравнений математической физики означает замену системы с распределенными: параметрами системой, состоящей из целого ряда отдельных элементов с сосредоточенными параметрами. Это позволяет в исследуемой массе брикетов определить температуру в отдельных дискретных точках в некоторые моменты времени, то-есть непрерывное пространственно температурное поле заменяется прерывистым.

Уровень варьирования основных факторов, влияющих на процесс охлаждения брикетов, устанавливается из анализа литературных источников и принимается из следующих соображений. Высоту слоя брикетов Н принимаем равной 0,5.6,0 м. Минимальное значение Н соответствует высоте (толщине) слоя материала, формируемого в существующих колонковых и конвейерных охладителях с учетом их конструктивных особенностей /30, 98/. Максимальная Н соизмерима с размерами существующих и используемых в производстве емкостей для охлаждения (сушки) различных сельскохозяйственных материалов /17, 47/.

Соответственно диаметр емкости принимается равным 0,б.3,8 м (наименьший размер соответствует тому, при котором отсутствует при стеночный эффект /21/, наибольший - геометрическому размеру промыш ленной емкости). В существующих охладителях прессованных кормов скорость воздушного потока составляет 0,4.О,5 м/с /12/. Исходя из этого, значение скорости принимается равной ОД.1,5 м/с, что перекрывает данный диапазон.

Для реализации уравнения (2.5) методом сеток слой брикетов условно разбили сечениями параллельно оси 2 и К и отстоящими друг от друга на расстоянии А2 и ^ (рис. 2.1), соответствующих различным интервалам принятого диапазона действия факторов. ТЬчки пересечения указанных сечений обозначают в рассматриваемом слое брикетов единичные объемы в виде цилиндров с высотой 4 г и радиусом А Г* . При этом сделаем допущение о том, что температура в любой точке единичного объема равна температуре в любой точке единичного объема VI равна температуре в узловой точке, которая находится внутри его, причем в пределах одного любого единичного объема считаем, что значение температуры постоянно, а при переходе к соседнему - изменяется скачкообразно. Совокупность мгновенных значений ее в; отмеченных на рис. 2.1 точках ( • £/,з и т.д.), представляющих собой значение средней температуры в выделенных плоскостями участках по слою брикетов, есть температурное поле.

Для каждого из двенадцати обозначенных участков запишем дифференциальное уравнение (аналогичное уравнению (2.5)), причем первую и вторую производные: по координате Е и заменим соответствующими конечно-разностными соотношениями, в результате чего получим систему из двенадцати дифференциальных уравнений, разрешенных относительно производной по времени: тГг г ¿¿г 1 тт' с в.р& (Ьщ-ЛжА СбР£бР 1 242 / дШ п Г±и-гЬи + 1:1ъ , ± з), д<£ и*- АГ2 п глГ* ^ Д22 1

-Ж'свЛ (иг -иг) е с^р I 2а2 /

Ср£ и1 АГ>2 А* 2АГ* 1 у'с&л ( 1иъ -±2.ъ\ Т Сбр£бр I 2.Л2 ) . . 2.11.) дЬнА -пГЬ,*' + , / (и.у-ил)+ и.4-Ни+±п, 7, сЧ т л ¿¿Г* Ц б Сбр,Рбр I )

- + 4 а*и-ил )| 1:А.2-2Ш+±М 1 дъ Л г 1 и' СвЛ

АГ2 Г ¿¿Г Г 42-2 J

У' с в Л (иъ-±пА

2** ) где t^^i^z^t/,з iw, ~ средняя температура массы брикетов в выделенном объеме на соответствующем участке; tm\;\tHñ'ttfn.AmltM-tR4 - температура нижнего, поверхностного и бокового слоев брикетов, соответственно.

Значения теплофизических характеристик брикетов, входящих в уравнение (2.II), определили по методу цилиндрического зонда Q = 4,0 • ПГ^/с (раздел 4.1), а значение <5 приняли постоянным и равным 0,45.

Полученная система уравнений с; краевыми; условиями является замкнутой, так как число неизвестных не превышает числа уравнений. Поэтому после подстановки значений коэффициентов она может быть решена с помощью ЭЦВМ. Число шагов дискретизации по координатам R и Z выбирали с учетом возможностей ЭЦВМ "Наири-СГ' и удобства построения расчетной схемы. В литературе число шагов дискретизации по пространственным координатам не рекомендуется выбирать менее 3.5 /91/. С достаточной для инженерных расчетов точностью приняли число шагов дискретизации по координатам R и Z равным, 3 и 4 соответственно. Отсюда по координате 2 шаг дискретизации задали соответствующий разбиению слоя на четыре участка, а по координате R - на три (рис. 2.1).

Число всех возможных сочетаний приведенных значений факторов равно 36. Это число определяет количество вариантов решений системы уравнений (2.II).

Точность- численного решения системы уравнений (2.II) и устойчивое ее решение связано с выбором шага дискретизации и зависит от его величины по времени и координате /28/. Применительно к рассматриваемой задаче условие устойчивости запишется:

0< [■/- 2,(óFaR-<- ¿F0!)]< i , (2.12) где Fon , Faz - значения критерия Фурье по координатам RtZ

4 го/? ~ Тм- ' ¿гаг- Агг > где Л - шаг дискретизации по времени.

Рассматриваемая система описывает изменение процесса в двух дЬ координатах ? и 8 ( ^ = СОп$£ ), поэтому в уравнении (2.12) имеем два члена л Рол и д Рог . Подставив их в исходную формулу, получим условие устойчивости; решения системы уравнения (2.11). При выборе лТ необходимо стремиться выбирать наибольшее из возможных его значений, так как при этом сокращается общее время решения. При этом следует также отметить, что при решении системы нелинейных уравнений теплопереноса по условию устойчивости (2.12) можно определить лишь приближенные значения & и корректировать их в ходе решения. Окончанием решения данной задачи считали момент, когда температура в узловых точках ( t^,^ , i^,2 , и т.д.) (рис. 2.1) была равна + 8°С /27/;

Анализ результатов реализации математической модели процесса охлаждения брикетов показал, что ее адекватность экспериментальным данным обеспечивается при небольших (до 0,1 м/с) значениях скорости воздушного потока. СГ увеличением скорости воздушного потока свыше 0,1 м/с результаты теории существенно отличаются от экспериментальных данных. Кроме того, при увеличении 17 , продолжительность охлаждения сокращается неограниченно, а в: действительности этого не происходит.

Поисковые исследования по охлаждению единичного (лежащего отдельно) брикета и их слоя (см. разделы 4.2, 4.3) показали, что с увеличением скорости воздушного потока продолжительность охлаждения сокращается не пропорционально, а выше некоторого диапазона скоростей практически не уменьшается. Это говорит о том, что мощность теплового потока внутри брикета (от центра и его поверхности) в основном определяется не скоростью фильтрации воздуха, а интенсивностью выхода тепла из внутренних слоев брикета к его поверхности, то-есть значением температуропроводности материала. Отсюда следует, что модель должна учитывать тепловую инерционность брикетов. Б связи с этим нами была предпринята попытка описания процесса, охлаждения слоя брикетов как анизатропной среды (состоящей из отдельных тел, геометрические размеры которых соизмеримы с размерами охлаждаемого слоя).

2.3. Исследование процесса охлаждения слоя брикетов, как анизатропной среды

Рассмотрим процесс охлаждения брикетов в цилиндрическом неподвижном слое при равномерном, по нижнему сечению, подводе охлаждающего воздуха. Схема реализации процесса приведена на рис. 2.2. Особенность предлагаемой постановки задачи состоит в том, что слой брикетов рассматривается не как изотропная среда, а состоящим из отдельных идеализированных брикетов. Для упрощения решения задачи примем некоторые допущения, в дополнение к ранее принятым (раздел 2.2.1) при решении задачи охлаждения брикетов в слое ("изотропная среда"). Допущения состоят в следующем:

Г. Брикеты имеют одинаковые размеры и форму, близкую к кубической, а тепловой поток в каждом из них распространяется равномерно по трем координатным осям.

2. Боковые стенки емкости, в которой осуществляется вентилирование брикетов, теплоизолированы.

Принимая гипотезу о "анизатропности" среды, выделим из общей массы слоя единичный брикет и разделим его условно сечениями на слои по направлению от оси симметрии к поверхности (рис. 2.3), причем сам слой брикетов, в свою очередь, также условно разделим на с. Я ы < I

Я---:-—-~~ .

ШШж / ООГлХХХ/\/1 1 / ХХХлДоЛл! 1 <■ ХУУХХХаллЛ! ХХХХХХХХХХ^ / 1 уО\ХХХлла ' >\Х X Х.Х X Хлх' уууууухл/ 'ООуХХлхУ\ / ХЛлЛоОООч 4 < <хххххлХЯ г- УууууООО^дд ' ^АЛЛЛДллл^ / Х/чХХуЛучХХХ^'

ЩШ / ЛЛоОоОООЛ / ЮучЛ/уууу1 ХХХ/000000\' А<ххххху \ / ^ооОООО^Х ' ^ООООООФОч / УххХлххуС 1 - ч^ООоОООО\/\ / ГХ)ЛДАДсХ/0\' ^ХдХХХХгУх ' "ХхОООО^ххх'

Рис. 2.2. Схема разделения слоя брикетов на участки (анизотропная среда):

I / емкость; 2 - слой брикетов

- шаг ^дискретизации по координате 2 ; £1, ^ - температура центра брикетов; - средняя температура слоя (на поверхности отдельных брикетов) для соответствующего участка

С.59

Рис. 2.3. Схема условного разделения брикета на слои:

2,6 - мгновенные; значения температуры в центральном, промежуточном и поверхностном слоях брикета; г - половина характерного размера брикета четыре участка по высоте, совместив ось 2. с осьв емкости (рис. 2.2).

Рассмотрим процесс распространения тепла внутри отдельного брикета (рис. 2.3) при охлаждении его поверхности. Составим для каждого слоя брикета дифференциальное уравнение Фурье АЗ/ и запишем их в конечно-разностном виде по координате X : спи п 21<,б - ги.б ~ал~ и о/з)2

Иг.6 = п ±1.6- 2-Ьг.д+*ъ.6 е№ а с»/»* (2ЛЗ) сИ±^6 п ±г.6 - ~Ьъ,д - а

Принимаем для системы (2.13) начальное условие в виде:

Us=i2i6 = илб =ВО°С при *г = ¿7 (2.14)

На поверхности брикета принимаем граничное условие первого рода: г,6 = -Ьь при ?>0 (2.15) где - температура воздуха, омывающего брикет.

В свою очередь, для всего слоя брикетов (рис. 2.2) можно записать. дифференциальное уравнение конвективного теплопереноса /46/: сФж = ж * ^ ' (2.16) I где V - мнимая скорость воздушного потока; - мощность источника тепла.-В уравнение (2.Г6) включены члены, характеризующие перенос тепла молекулярной теплопроводностью через твердый скелет и воз душные промежутки;, а также лучеиспусканием, ввиду их малости.

В этом уравнении мощность источника тепла «DV можно выразить как мощность потока из внутренних слоев к поверхности брикета, т.е.

3, = CspPsp ■ (2.17)

Л diiid

Заменив ¿¿«¡к— через его выражение из системы уравнений (2.ГЗ) и: подставив (2.17) в уравнение (2.16), получим:

М = У'С&Л JH + Q -to -Uä ( .

Тх <? Ctpföp üi и

В уравнении (2.17) температура на поверхности брикета ( ) совпадает с температурой , характеризующей слой, в котором находится рассматриваемый брикет (рис. 2.2).

Так как уравнение (2.18) содержит два неизвестных ( и "¿г/), для решения его необходимо дополнить уравнениями системы (2.13). Записав уравнение (2.18) для всех четырех участков слоев брикетов (рис. 2.2), с дополнительными уравнениями системы (2.13), получили систему уравнений, являющуюся математической моделью рассматриваемого процесса: dt< - У'сеРб (t<-t&) , а1 \

Ж~ <5^рЛр Н/н + rW2"* w " cLtiö 2а /,1 Ii \ (л/з)2 \Ufi-ttf) dt2.6 а /,i ±1 , \ йя = (TVö~2 (Чб~ ttj + ti) • # • • • • d±4 . u'csh (u-U) , а/1>У i \ e c5pfäp н/t ^о/з , IV ' dt 1,6 2.Q. ///Р \ dS ~ (r/5)2 " 4,6 i dt-¿.6 а , ч dT ~ (п/ъ)2 t tiS-t2tö+ U) >

2.19) где 1*3 ; ; .Л?,а ; -Ь%6 ; * - значения температуры брикетов (по рис. 2.3), находящихся в соответствующем слое насыпи (I, П, Ш, 1У) (рис. 2.2).

Значение коэффициента О. для решения системы уравнений (2.19) определили по методу нестационарного теплообмена при наличии конвективного теплопереноса, а значение теплоемкости - по методу цилиндрического зонда (раздел Г). Уровни варьирования основных факторов выбрали с учетом ранее принятых при решении первой модели ("изотропная среда") процесса охлаждения брикетов. Данную систему уравнения реализовали на ЭЦВМ "Наири-С" по стандартной программе решения линейных дифференциальных уравнений, при различных значениях высоты слоя брикетов И и скорости воздушного потока • и . Предложенная математическая модель процесса охлаждения брикетов позволяет исследовать его в широком диапазоне использования Н и 11, с целью оптимизации процесса. Некоторые уравнения модели в закодированном виде приведены в приложении П. Анализ результатов их решения представлен в разделах 5.1.5.2.

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Определение физико-механических свойств брикетов

На основании намеченных в разделе 1.4. конкретных задач экспериментальное исследование процесса охлаждения брикетов проводилось в два этапа. На первом - программа исследования включала определение основных физико-механических и теплофизических свойств брикетов. На втором этапе экспериментально проводили адекватность пред-ложенЕОй математической модели процесса охлаждения брикетов.(ани-затронная среда). На основании этого определили рациональные режимы и исследовали их влияние на качественные показатели брикетов в производственных условиях.

В разделе 1.1. отмечалось, что физико-механические и теплофи-зические свойства брикетов зависят от ботанического состава резки, ее влажности, плотности прессования и т.д., а также указывались результаты исследования свойств брикетов, характерных для данной зоны. В этой связи целесообразно физико-механические свойства брикетов определить в условиях производства их в Нечерноземной зоне РСФСР1.

Для исследования использовали брикеты (Р = 500.;1000 кг/м3, № = II.15 %), полученные на прессе ПБС-3 из травяной резки разного ботанического состава. Изменение линейных размеров брикетов определяли в процессе их охлаждения. После полного остывания до кондиционной температуры ( = + 8°С) определяли их влажность по методике ГОСТ 13496.3-70, после чего подвергали обмеру 25 произвольно выбранных брикетов /24/. Обработку результатов измерений и оценку их точности производили по известной методике /22,23/.

Плотность Р брикетов определяли по методике ГОСТ 13496.13-75 /27/. Шссу остывших брикетов устанавливали взвешиванием на весах ВЛТК-500 с точностью -5 г. Объем брикетов определяли погружением их в минеральное масло путем отсчета разности уровней жидкости в мерной колбе. Численное значение величины плотности получили расчетным путем по результатам вышеотмеченных измерений.

Нами также определены основные физико-механические свойства слоя брикетов^к которым, в первую очередь, относятся:насыпная масса и скважность £ . Насыпную массу определяли, заполняя сосуд емп костью 0,05 м и взвешивая его в трехкратной повторности. Скважность слоя брикетов нашли из соотношения /65/: где 2* ~ насыпная масса брикетов в слое.

3.2. Исследование основных теплофизических свойств брикетов по методу цилиндрического зонда

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Хоменко, Валерий Арсеньевич

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Г. Установлено, что одним из наиболее эффективных способ: охлаждения травяных брикетов является принудительное вентилирование атмосферным воздухом в охладителе бункерного типа, обеспечивающем требуемую степень охлаждения при высокой технологической надежности оборудования и высокой сохранности каротина.

2. Разработанная математическая модель процесса охлаждения, отличающаяся учетом градиента температуры в каждом отдельном брикете, позволяет с достаточной для практических расчетов точностью, при заданных условиях, определить температуру как внутри, так и на поверхности брикетов в любой момент времени и оптимизировать процесс их охлаждения.

3. Предложенная методика составления математического описания теплообменных процессов в брикетах из травяной резки может быть использована при теоретическом исследовании охлаждения (нагревания) других кусковых материалов.

4. Брикеты, приготовленные из высушенной травяной резки с плотностью 500.Г000 кг/м3 и влажностью II.15 %, имеют теплопроводность 0,16.О,30 Вт/м*°С и температуропроводность (2,7.3,2)*10~^ м^/с.

5. Для обеспечения оптимального хода процесса охлаждения травяных брикетов необходимо обеспечить скорость воздушного потока на выходе из слоя 0,5.О,7 м/с, высоту слоя брикетов 2.2,5 м и удельную подачу воздуха около 2,3.2,8 м3/ч-кг брикетов.

6. Разработанная конструкция бункерного охладителя имеет высокую техническую и технологическую надежность. Продолжительность охлаждения брикетов при оптимальных режимах составляет 1,1.1,25 ч, а удельные затраты энергии на охлаждение не превышают 2,1.2,4 кВт>ч/т брикетов. Производительность охлаждения составляет 2,5.

2,8 т/ч (при средней начальной температуре брикетов 80°С). Неравномерность охлаждения по высоте слоя не превышает 10 %, а потери каротина составляют не более 8.10 %.

7. Применение рекомендуемых средств механизации и оптимальных режимов охлаждения брикетов обеспечивает экономический эффект 5200 руб/год при нормативной годовой загрузке прессового оборудования 1000 ч.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хоменко, Валерий Арсеньевич, 1984 год

1. Г. Основные направления экономического и социального развития СССР на Г98Г.1985 гг. и на период до 1990 года: Проект ЦК КПСС к ХХУГ съезду Партии. Правда, 1980, 2 дек.

2. Авдеев A.B. Изыскание и исследование рациональных охладителей для зерносушилок сельскохозяйственного типа. Дис. . канд. техн. наук. -'Москва, 1975, 188 с

3. Азров М.З., Тодос О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным^ и кипящим зернистым слоем. М.: Химия, 1968, 510 с

4. Андреев И.И. Активное вентилирование зерна в силосах элеваторов. В кн.: Труды ВНИИЗ. - М., 1951, вып. 22. - 32 с

5. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Теория движения жидкостей и газовв недеформируемой пористой среде. М.: Госиздат техн.-теор. лит-ры, Г953. - 616 с

6. Афанасьев В.А., Табунова В.И., Ирбинович A.C. Технология заготовки брикетированных кормов. Химия в сельском хозяйстве, 1977, № 5, с. 33.35

7. Ахмедов М.Ш. Исследование процесса сушки брикетов, образованных из неизмельченной травы в условиях Северо-Запада. Дис. . канд. техн. наук. - Ленинград, 1974, 184 с

8. Ахмедов М.Ш., Сечкин B.C., Сулима Л.А., Хоменок В.А. Охлаждение брикетов. Техника в сельском хозяйстве, 1980, $ 5, с. 25. 26.

9. Бабушкин Н.М., Братчиков С.Г., Намятов Г.Н. Охлаждение агломерата и окатышей. - М.: Металлургия, 1975, - 207 с, с ил.

10. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. -423 с, с ил.

11. Безверхов A.H. Брикетированию широкую дорогу. Сельское хозяйство Узбекистана, 1976, К 4, с. 60.62

12. Беляевский Ю.И., Сазонова Т.Н. ГГолнорационные брикеты и гранулы для жвачных. М.: Россельхозиздат, 1977. - 231 с

13. Бердников В.В., Богданов В.Б., Строженко В.А. Прогрессивные способы заготовки и хранения кормов. М.: Московский рабочий, 1976. - 127 с

14. Берштейн P.C., Померанцев В.В., Шагалова С.Л. Вопросы аэродинамики и теплоотдачи в котельно-топочных процессах. М.: Госэнергоиздат, 1958. - 289 с

15. Благовещенский Г.В. Приготовление гранулированных кормов. Корма и кормление, 1974, К 9, с. 14.17

16. Благовещенский Г.В. Производство и использование кормов на комплексах Нечерноземья. М.: Россельхозиздат, 1978. - 188 с, с ил.

17. Бондарев В.А. Способы подготовки грубых кормов к скармливанию. М.: Россельхозиздат, 1978, - 165 с

18. Валушис В.Ю. Основы высокотемпературной сушки кормов. -М.: Колос, 1977. 304 с, с ил.

19. Валушис В.Ю. Травяная резка. Корма, 1972; № 2, с. 33.34

20. Вальднер Н.К. Методика испытаний сушильных установок сель-скохозяйстыенного назначения. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Отдел научно-технической информации, 1970, - 90 с

21. Василенко П.М. Элементы методики математической обработкирезультатов экспериментальных исследований. М.: ВАСХНИЛ, Всесо-юз. науч.-исслед. ин-т механизации сель, хозяйства, 1958, - 59 с

22. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки данных. М.: Колос, 1973. - 194 с, с ил.

23. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятности. М.: Наука, 1969. - 366 с

24. Гинсбург A.C. Сушка пищевых продуктов. М.: Пищепромиз-дат, I960. - 387 с

25. Головкин H.A., Чижов Г.Б. Холодильная технология пищевых продуктов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Госторгиздат, 1963. - 240 с, с ил.

26. ГОСТ 23513-79. Брикеты и гранулы кормовые. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1979. - 13 с

27. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа (под ред. Б.П. Демидовича). 3-е изд., перерабо.1. М.: Наука, 1967. 368 с

28. Дмитрович А.Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. М.: Госстройиздат, 1963. - 204 с

29. Налтаускас А.И. Охлаждение гранул травяной муки. Дис. . канд. техн.наук. - Раудондварис, 1968. - 168 с

30. Исследование процесса охлаждения брикетов, изготовленных из искусственно" высушенных трав.: Отчет № 4697. М.: ВИМ, 1976. -72 с

31. Калинушкин А.П. Вентиляторные установки. М.: Машиностроение, 1962. - 74 с

32. Китаев Б.Н., Ярошенко Ю.Г., Сучков В.Д. Теплообмен в шахтных печах. М.: Металлургиздат, 1957. - 280 с, с ил.

33. Комбикормовое производство за рубежом: Сборник статей, переводы. М.: Заготиздат, 1962. - 71 с

34. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. 408 с

35. Коппель Б.Э., Хилков Н.В. Теплофизические характеристики брикетируемых полнорационных кормовых смесей. Тр. ЛСХЙ, 1976. -т. 290, с. 30.38

36. Королева P.C., Негримовский М.Г., Порев И.А. Транспортер-охладитель. В кн: Проблемы разработки технологии и оборудования индустриального кормопроизводства, тезисы докладов научно-технической конференции. Вильнюс, 1981. - 202 с

37. Кучинскас В.И. Определение некоторых физико-механических свойств брикетированных кормов для расчета параметров бункеров. -Тр. ЛитНИИМЭСХ, Г982, т. Х13Г, с. 10. 12

38. Ладан П.Е., Белкина H.H., Руденко Н.П. Новая технология заготовки и использования кормов в животноводстве. В кн: Производство и использование полнорационных гранулированных и брикетированных кормов в животноводстве. - М.: Колос, 1975, с. 35.43

39. Ломакин B.C. Исследование процесса досушивания травяной массы в малогабаритных тюках с целью его интенсификации в условиях Северо-Запада. Дис. . канд. техн. наук. - Л-Пушкин, 1975.- 132 с

40. Лурье M.D. Сушильное дело. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948.- 7П с, с ил.

41. Лыков A.B. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973. - 336 с

42. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и -массопереноса.- М.: Госэнергоиздат, 1963. 535 с, с ил.

43. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофизики.- Минск: изд-во Акад. наук БССР, 196Г. 519 с, с ил.

44. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 600 с, с ил.

45. Люков 1.В. Тепломассообмен: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. 480 с, с ил.

46. Любарский В.М., Пятрушявичус В.И., Вежис П.И. и др. Активное вентилирование сельскохозяйственных продуктов. М.: Колос, 1972. - 151 с

47. Любошиц А.И. Расчет охлаждающих шахт зерносушилок. М.: Госкомзага, 1964. - 37 с

48. Любошиц И.Л. Сушка дискретных термочувствительных материалов. ~ Минск: "'Наука и техника, 1969. 214 с

49. Макаренко В.А., Федоренко В.Ф. Бункер-охладитель брикетов.- Техника в сельском хозяйстве, 1979, К 12, с. 19.20

50. Мальков В.Г., Щеглов В.В. Эффективность производства и использования брикетированных и гранулированных кормов. Кормопроизводство, 1975, вып. 10, с. 199.219

51. Массообменные характеристики и структурно-механические свойства пищевых продуктов: Обзор. -- М.: Центр, ин-т научн. техн. информации пищевой пром-ти Гос. ком. по пищевой пром-ти при Госплане СССР, 1963. 40 с

52. Мельникова Л-Н. Исследование полупроводникового цилиндрического зонда для измерения коэффициента теплопроводности строительных материалов. Дис. . канд. техн. наук. - Л.:, 1973, - ■ 176 с

53. Методика по определению экономической эффективности капитальных вложений в сельском хозяйстве (НИПТИМЭСХ НЗ). Л.: 19 77.- 116 с

54. Михайлов Ю.А. Аналитические исследования тепло- и массооб-мена при конвективной сушке: Автореф. Дисс. . канд. техн. наук.- МГИПГТ, Г957. 206 с

55. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М-Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 329 с

56. Муллокандов Р.Н. Гидравлическое сопротивление слоя сферических частиц при изотермическом и неизотермическом воздушном потоке. 1.Т.Ф., 1948, вып. 8, с. 48.52

57. Нерпин C.B., Чудновский А.Ф. Знерго- и массообмен в системе растение-почва-воздух. Л: Гидрометеоиздат, 1975.- 358 с

58. Никулин Е.И. Способы повышения эффективности охлаждения зерна в шахтных сушилках. В кн: Труды ВНИИЗ. - М:, вып. 70. -41 с

59. Особов В.И. Машины для брикетирования растительных материалов. М.: Машиностроение, 1971. - 112 с

60. Особов В.И., Фрегер Ю.Л., Евдокимов В.Г. Тенденции развития техники для искусственной сушки и брикетирования зеленых кормов. В кн.: Труды ВНИИКОМВГ. - M., 1977, с. 104. 105.

61. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетка и катализ. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1974. - 590 с

62. Пиуновский И.И. Приготовление брикетированных кормов. -Минск: М-во сельск. хоз-ва БССР. Отд. науч.-техн. информации по сельск. хоз-ву ЦНИИМЭСХ, 1974. 48 с

63. Плаксин В.§. Технология производства кормов искусственной сушки. В кн: Труды УралНИИСХ, 1979, т. 25, с. 124.131

64. Подкользин Ю.В. Исследование рабочего процесса и обоснование конструктивных параметров пресса для гранулирования и брикетирования кормов. Дис. . канд. техн. наук. - Ленинград, 1975. -185 с

65. Производство и использование травяной-муки. Под редакцией Калганова М.П. - М.: Колос, 1968. - 160 с

66. Производство и хранение брикетированных кормов (рекомендации). М. : Россельхозиздат, 1982. - 20 с

67. Прутков Н.Д., Халюткин В.А. Изучение основных теплофизиче-ских характеристик брикетов. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1981, с. 57.58

68. Птицин С.Д. Зерносушилки. М.: Машгиз, 1962, - 180 с

69. Пятрушявичус В.Н. Исследование сушки сена активным вентилированием и ее автоматизация в климатических условиях Литовской ССР: Автореф. Дис. . канд. техн. наук. Наунас, 1964

70. Рабинович Г.Л. Тепло- и массообмен в плотном слое зерна.- Минск, Г961. 30 с

71. Рамзин Л.К. Газовое сопротивление сыпучих материалов. -Известия ВГИ, 1926, № 7. с. 13.15

72. Рекомендации по заготовке, хранению и переработке кормов.- Записки Молдавского НИИ животноводства и ветеринарии. Кишинев: М-во сельск. хоз-ва МССР. Молд. науч.-исслед. ин-т животноводства и ветеринарии, 1975. - 33 с

73. Рудой М.З., Бородин Г.Л., Чудновский Н.С. Выработка гранулированных комбикормов. Вестник технической информации ЦБТИ Гос-комзага СССР, 1961, $ 12.-е. 9.II

74. Саенко Ю.А. Исследование процесса тепловой обработки картофеля и обоснование параметров запарника. Автореф. Дис. . канд. техн. наук, - Киев, 1981. - 20 с

75. Салусте Л.М. Опыт совхоза "Винни" по скармливанию травяных брикетов. В кн: Проблемы интенсификации растениеводства. -Таллин.: "Валгус", 1975. - 415 с, с ил.

76. Сапкаускас В.П. Потери каротина при различных условиях хранения витаминной муки. Тр. ЛСХИ, 1970, т. 149, вып. 2. - с. 52. 54.

77. Сгадлева В.И., Залевский В.А. Повышение качества кормов в условиях концентрации и специализации производства. В кн: Прогрессивные способы заготовки и хранения кормов и их эффективность. - М.: ВНИИТЭИСХ, 1978. - 52 с

78. Сидоров М.Д. Справочник по воздуходувным и газодувным машинам. М-Л.: Машгиз, 1962. - 260 с

79. Совершенствовать технологию и оборудование для высокотемпературной сушки, прессования и хранения кормов.: Копия отчета о НИР. ЛитНИИМЭСХ, 1976. - 32 с

80. Справочник по климату ,V!CCCP. 3-й вып. - Л.: Гидрометео-издат, 1968. - 340 с

81. Фарбман Г.Я. Прогрессивные способы приготовления кормов в условиях Ленинградской области. Л.: Л.Д.Н.Т.П. - 8 cJ98Qr.

82. Федоренко В.Ф. Охладители брикетов и гранул. Техника в сельском хозяйстве, 1979, № 7. - с. 78.79

83. Федосеев П.Н. Уборка зерновых культур в районах повышенной влажности. М.: Колос, 1969. - 171 с,с ил.

84. Хилков Н.В. Экспериментально-теоретическое исследование режимов работы брикетировщика грубых кормов. Дис. . канд. техн. наук. - Л.: 1977. - 222 с

85. Чижиков А.Г., Егоров П.Е. К выбору аэродинамических параметров слоевых сушилок для семян трав. Тракторы и сельхозмашины, 1972, № II, с. 28.29

86. Чудновский А.§. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Физматгиз, 1962. - 456 с, с ил.

87. Чумаков В.А. Влияние физико-механических факторов брикетирования травяной сечки на технологические свойства брикетов, их химический состав и продуктивное действие. В кн: Труды УралНИИСХ, 1979, т. 25, с. ПО.123

88. Чуханов 3.©., Шапатина Е.А. Теплообмен в условиях "внутренней" и "внешней" задачи. Доклады Акад. наук СССР, 1947, т. 55,с. 501.504.

89. Широков Е.П. Практикум по технологии хранения и переработки плодов и овощей. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1974. - 223 с, с ил.

90. Шкловер A.M., Васильев Б.®., Ушков Ф.В. Основы строительной теплофизики жилых и общественных зданий. М.: Госстройиздат,1956. 350 с, с ил.

91. Юшков П.П. Численный метод интегрирования одной системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса в случае переменных физических характеристик. В кн: Труды института энергетики АН БССР. - Минск.: Акад. наук БССР, 1958, вып. 6, с. 27.30

92. EdetLnd J. KyEning och l^ing av hetluftstor

93. Haijoder, JordbruKsHknLska insiitutet^edish Institute of Agrikultural Engineering Uppsala /975.

94. Fiaia J., Jelinek A. Änderung der Eigenschaftenvon Futtermitteln nach dem Pressen aararitchnik 27 (1Q77) H.6, S. 251.252. *

95. Fiaia Jetinek A. Chiazeni tvaravanych krmlv Zcmed. techn.3 1975, 21,м/2л s.71b. 719.

96. Reschke G. Kühlen von Strohpeeiets nach dem Pelletieren. Agrartechnik, 1979 Hefi5ts.205.,t 207,