Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и приоритетные направления в технологии комбикормов 11
1.1. Научные подходы в совершенствовании технологии комбикормов 11
1.2. Моделирование процессов тепловой обработки комбикормов конвективным методом и подготовки воздуха в системах кондиционирования 18
1.3. Принципы формирования комбикормов, сбалансированных по показателям питательности, доброкачественности и санитарному состоянию 23
1.4. Методологические подходы системного анализа в совершенствовании технологии комбикормов 26
1.5. Цель и задачи исследований 31
Глава 2. Совершенствование технологии комбикормов на основе энергосберегающих принципов формирования тепловых объектов 33
2.1. Синтез и анализ сложной технологической системы (СТС) производства комбикормов 33
2.2. Методологический подход в разрешении технических противоречий при совершенствовании технологии комбикормов...41
2.3. Способ производства комбикормов и алгоритм управления для его осуществления 46
2.3.1. Программно-логический алгоритм управления энергосбере гающей технологией комбикормов 46
2.3.2. Реализация способа производства комбикормов в производственных условиях 56
Глава 3. Моделирование тепловых процессов в испарителе теплонасосной установки (ТНУ) 62
3.1. Экспериментальная установка для исследования тепловых объектов 62
3.2. Моделирование процесса конденсации пара из влажного воздуха в «снеговую шубу» на поверхности испарителя ТНУ 65
3.3. Математическая модель образования «снеговой шубы» 69
3.4. Определение зависимости намораживания слоя «снеговой шубы» от времени 74
3.5. Определение температурных полей в процессе образования «снеговой шубы» 78
Глава 4. Комплексный анализ показателей качества комбикормов при разработке технологии с применением ТНУ 86
4.1. Определение показателей питательности комбикормов 86
4.2. Химический состав комбикормов разного вида 88
4.3. Биохимические показатели комбикормов разного вида 93
4.4. Анализ аминокислотного состава комбикормов 97
4.5. Сохранность витаминов в комбикормах 99
4.6. Использование ИК-спектроскопии для определения качества белково-витаминных добавок 102
Глава 5. Оценка энергетической эффективности технологии комбикормов 108
5.1. Автоматическая оптимизация технологии комбикормов 108
5.2. Экономическая эффективность способа производства и управления технологией комбикормов 120
Основные выводы и результаты работы 129
Библиографический список 130
Приложения 145
- Моделирование процессов тепловой обработки комбикормов конвективным методом и подготовки воздуха в системах кондиционирования
- Методологические подходы системного анализа в совершенствовании технологии комбикормов
- Способ производства комбикормов и алгоритм управления для его осуществления
- Определение зависимости намораживания слоя «снеговой шубы» от времени
Введение к работе
Актуальность работы. Решение проблем полноценного питания животных и птицы неразрывно связано с разработкой новых технологий и оборудования для производства высококачественных комбикормов. Важнейшие вопросы создания многокомпонентных сбалансированных комбикормов, приготовленных по научно-обоснованным рецептам, всегда были и остаются в центре внимания специалистов комбикормовой промышленности и научных работников [4 - 6, 7, 55, 56, 92 - 94, 117].
В настоящее время основными критериями оценки комбикормов, способных выдерживать конкуренцию в условиях рыночной экономики, является их качество и оптимальная стоимость. Вследствие этого возрастает степень востребованности энергосберегающей, малоотходной и экологически безопасной технологии производства полнорационных комбикормов.
Качество продуктов комбикормовой промышленности напрямую зависит от технологий содержания животных и их кормления. Цикл выработки комбикормов на современном предприятии предусматривает не только полное соответствие продукции заданной рецептуре, обогащение необходимыми витаминами, минеральными добавками и ферментами, но и наивысший уровень санитарно-гигиенической безопасности таких кормов. Перебои в обеспечении животных и птицы качественными кормами приводят к перерасходу кормов на единицу производимой продукции. Производство высококачественного комбикорма - сложная задача. Поэтому перспективное направление комбикормовой отрасли - производство экологически чистых пищевых продуктов с заданными лечебными свойствами [38 - 40, 116, 117, 122, 155].
Анализ кормовых рационов свидетельствует о значительном дефиците в них многих питательных и биологически активных веществ. Для повышения полноценности питания животных в рацион, как правило, включают значительное количество зерновых [51, 52, 84, 88 - 90]. Однако повышение только концентрации обменной энергии в рационах без учета других недостающих
элементов питания не дают адекватного повышения продуктивности животных и приводят к перерасходу зернового сырья.
Секрет рентабельности комбикормового производства прост и заключается в выработке такой продукции, которая сочетала бы в себе одновременно низкую цену и гарантированно высокое продуктивное действие. Однако на практике производители продукции в борьбе за рынок сбыта часто делали акцент на одной из этих составляющих. Одни вырабатывали продукцию на основе недорогого, но малоценного сырья в ущерб питательности, другие использовали дорогостоящие кормовые средства и применяли приемы, которые в полном объеме раскрывали их питательность, но вели к повышению себестоимости продукции. Следовательно, главная задача предприятий комбикормовой промышленности - выработать продукцию более приемлемую по цене и, которая по всем показателям питательной ценности полностью соответствовала бы предъявленным к ней требованиям, изложенным или в нормативном документе на данный вид продукции, или в заявке потребителя [5, 6,109-111, 118, 151].
При составлении рецепта необходимо использовать полную характеристику компонентов комбикормов, которая позволяет составлять рецепты рациона с учетом всех положительных и отрицательных факторов, свойственных компоненту [71, 114, 127 - 129]. Только в этом случае можно обеспечить нормальный обмен веществ в организме животного или птицы, от которого зависят продуктивность, воспроизводство, состояние здоровья. Поэтому на предприятиях для оптимизации рецептов стремятся к расширению набора компонентов в его состав; подбирают компоненты различного происхождения; соблюдают требуемые соотношения между обменной энергией и содержанием протеина, аминокислот, минеральных веществ, водорастворимых и жирорастворимых витаминов [70, 71, 76,130,155].
Процессы тепловой обработки на комбикормовых заводах характеризуются значительной энергоемкостью. В большинстве случаев их нельзя признать оптимальными с энергетической точки зрения, достаточно научно обоснованными и максимально соответствующими кинетическим, гидродинамическим и термодинамическим закономерностям процессов. Велика доля физически и морально устаревшей малопроизводительной техники, что приводит не только к перерасходу топливно-энергетических ресурсов, но и отражается на качестве выпускаемой продукции [2, 5,6,10, 53,90,98,118,123,144].
Одним из главных путей повышения эффективности использования тепла является совершенствование технологии, так как на осуществление технологических тепловых процессов расходуется примерно 55 % теплоты. Совершенствование технологии непосредственно связано с увеличением производительности оборудования, что, в свою очередь, приводит к интенсификации теплообмена и снижению удельных расходов тепла [2,7,11,12,63,64,72,97, 151].
Значительные возможности экономии ресурсов создаются при управлении технологическими процессами кормопроизводства. Однако этот перспективный путь еще не нашел достойного места в решении актуальных задач энергосбережения [1, 5, 35, 38,47,49, 62, 87, 105-108,112, 113, 115,140].
В современных условиях возрастающего потребления энергии, с одной стороны, и дефицита энергетических ресурсов, с другой, все более остро ставятся вопросы рационального использования энергии, утилизации и рекуперации теплоты во всех процессах пищевой технологии. Это относится и к технологии комбикормов [1, 41, 82, 117, 119, 144, 146, 148, 152].
В процессах тепловой обработки все более широкое применение находят тепловые насосы, которые позволяют довести тепловые объекты до высокого энергетического совершенства в отношении использования, утилизации и рекуперации теплоты [13, 15, 73 - 75, 119,123, 134, 156].
В тепловом насосе теплота внешней среды в результате затраты механической энергии в компрессоре переходит от низкотемпературного потенциала на более высокий температурный уровень. При этом значительно снижаются затра-
ты энергии (до 30 %), а осуществление режимов тепловой обработки продукта воздухом с пониженным влагосодержанием вследствие его осушения в испарителе позволяет обеспечить его высокое качество.
Современный уровень развития вычислительной техники, а также достижения в области теории тепло-и массопереноса при тепловой обработке коллоидных капиллярно-пористых материалов позволяют исследовать процесс охлаждения комбикорма в замкнутом цикле по охлажденному воздуху-при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения теплонасосной установки (ТНУ) [41, 60, 78, 85 - 87, 101 -103, 151].
В этой связи актуальной задачей является разработка математических моделей тепловых объектов кормопроизводства, регенерации рабочих поверхностей теплообменных устройств, рекуперативного теплообмена между теплоносителями разного температурного потенциала. Представляется, что именно это направление позволит создать новые технологии энергосбережения в технологии комбикормов.
Теоретические основы тепломассообмена в тепловых процессах и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова и Ю.А. Михайлова [65, 66, 79], А.С. Гинзбурга [124], С.Н. Богданова [10], В.И. Муштаева и В.М. Ульянова [85], Р.И. Шаззо [136], В.М. Шляховецкого [136, 137], Э.И. Гуйго [35], Н.В. Остапчука [96] и др.
На сегодняшний день достаточно четко обозначены принципы энергосбережения в тепловых процессах [1, 56, 77, 85,116,118,119,122,151]. К ним относятся максимальное использование теплоты отработанных теплоносителей за счет их рециркуляции; применение тепловых насосов для осуществления тепловой обработки; использование вторичных энергоресурсов; математическое моделирование, обеспечивающее максимальную степень кинетического, гидродинамического и термодинамического соответствия; оптимизация и управление процессами, предотвращающие потери тепла и электроэнергии.
Несмотря на сформировавшиеся принципы энергосбережения в технологии комбикормов, нет однозначного решения в их реализации. Поэтому
решение задач энергосбережения при получении продукта высокого качества требует индивидуального подхода с учетом специфики технологии при получении конкретного вида комбикорма.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Воронежской государственной технологической академии по теме научного направления кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГТА «Интенсификация технологических процессов зерноперерабатываюших предприятий» (№ гос. регистрации 01.200.1 16821).
Цель диссертационной работы: разработка и научное обеспечение способа производства сбалансированных по питательности комбикормов на основе энергосберегающих принципов формирования тепловых объектов.
Научная новизна. Разработана и научно обоснована технология комбикормов на основе использования принципов энергосбережения при формировании тепловых объектов. Выполнены процедуры анализа и синтеза предлагаемой технологии как системы процессов с применением теплона-сосной установки. Предложена методика разрешения ключевых противоречий, позволяющая обеспечить развитие технологии и повысить ее стабильность на более высоком уровне качества получаемого продукта. Определена функциональная организация отдельных подсистем технологической системы производства комбикормов и рассмотрены некоторые аспекты развития математического моделирования ее элементов.
Разработана математическая модель процесса конденсации влаги из влажного воздуха в испарителе теплонасосной установки при его подготовке для охлаждения смеси горячих гранул и рассыпного комбикорма.
Предложено развитие методологического подхода к выбору оптимальных решений при нормировании рассыпного комбикорма на основе построения экстремальных характеристик, однозначно связывающих производительность технологической линии с удельными теплоэнергетическими затратами при ограничениях на качество получаемого продукта.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2251885,
№ 2262860 и положительным решением от 21.03.2006 г. по заявке № 2005112085.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основании системного подхода проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых разработаны рекомендации по научно-практическому обеспечению технологии получения сбалансированных по питательности комбикормов на основе использования принципов энергосбережения при формировании тепловых объектов.
Исследованы химические, биохимические показатели качества комбикормов разного вида, их аминокислотный состав, сохранность витаминов, свидетельствующие о преимуществе предлагаемой технологии.
Разработана система автоматической оптимизации технологии приготовления комбикормов, базирующаяся на экстремальном управлении расхода рассыпного комбикорма по минимальной величине суммарных теплоэнергетических затрат с учетом ограничений по управляемым переменным, обусловленных качеством готовой продукции.
Разработан «Технологический регламент производства комбикормов с применением ТНУ» для Воронежского экспериментального комбикормового завода.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2004 по 2006 гг.), всероссийской научно-практической конференции: «Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (Уфа, 2003); международной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2004); межвузовской конференции «Научные подходы к решению проблем производства продуктов питания» (Ростов н/Д, 2004); всероссийском семинаре «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания» (Орел, 2004).
Результаты работы демонстрировались на 17-й межрегиональной выставке «Продторг» (Воронеж, 2003 г.), на региональной выставке «Центраг-
ромаш» (Воронеж, 2003 г., 2004 г.), на межрегиональной выставке «Воро-нежпродэкспо» (Воронеж, 2005 г.), на И-ой Всероссийской выставке-ярмарке «ИННОВ-2005» (Новочеркасск, 2005 г.) и отмечены дипломами.
Разработка, теоретические и экспериментальные исследования проводились на Воронежском экспериментальном комбикормовом заводе, в лабораториях кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГТА.
В диссертации отражены результаты исследований в области создания и разработки энергосберегающей технологии комбикормов с учетом актуальных проблем: качества продукции, сбережения материальных и энергетических ресурсов, защиты окружающей среды от промышленных выбросов.
Работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований энерго-и ресурсосберегающей технологии комбикормов с применением теплонасосной установки, проведенных непосредственно авто-ром под руководством профессора А.А. Шевцова.
Автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю - заведующему кафедрой технологии хранения и переработки зерна профессору Шевцову Александру Анатольевичу и научному консультанту -доценту этой же кафедры Лыткиной Ларисе Игоревне за консультации и плодотворное сотрудничество, а также всему коллективу кафедры технологии хранения и переработки зерна ВГТА за помощь и поддержку при проведении исследований.
Моделирование процессов тепловой обработки комбикормов конвективным методом и подготовки воздуха в системах кондиционирования
При тепловой обработке (нагреве, охлаждении) зернового сырья и комбикормов конвективным методом важную роль играет толщина слоя, его состояние (плотный, разрыхленный) и параметры воздуха. Поэтому исследование процесса теплообмена, как правило, проводят в элементарном слое, где создаются одинаковые условия для каждого отдельного зерна, и в толстом слое, где параметры теплоагента изменяются по высоте слоя [6,9, 65, 66].
Исследование процесса теплообмена в тонком элементарном слое [9, 10] позволили выявить кинетические закономерности нагрева и охлаждения зерна в зависимости от температуры воздуха, скорости его движения, а также влажности зерна и воздуха. Из условия теплового балансасу ция ехр(-кт) убывает с течением времени. Следует отметить, что формула (1.3) является приближенной, поскольку коэффициент К имеет переменную величину, и характеристики зерна (теплоемкость, удельный вес и др.) также изменяются в ходе тепловой обработки конвективным методом.
При переходе от элементарного к плотному слою зерна получена система уравнений, которая определяет теплообмен в слое
При этом теплообмен рассмотрен с учетом следующих допущениях: воздух поступает с постоянной температурой Ц и скоростью v в слой зерна, имеющего температуру tQ; теплофизические характеристики зерна и воздуха постоянны; рассматривается элемент объема с поперечным сечением в I м2 толщиной dz на расстоянии z от входа воздуха,
Математическое описание процессов тепловой обработки зерна конвективным методом [6, 9, 10] можно эффективно использовать при моделировании тепловых объектов в технологии комбикормов.
В пищевых технологиях все большее применение находят тепловые насосы, которые позволяют повысить энергетическую эффективность тепловых объектов. При этом значительно снижаются затраты энергии (до 30 %) [15, 87, 119, 122,124,150,151,155].
Современные тенденции в развитии теории тепловых процессов подготовили условия для научного подхода к созданию новых энергосберегающих технологий комбикормов при наиболее рациональных с энергетической точки зрения схемах подключения теплонасосной установки. Представляется, что именно это направление позволит повысить энергетическую эффективность кормопроизводства.
Теплонасосные установки, в которых поток отработанного воздуха, насыщенного влагой, охлаждается (осушается) и используется в качестве источника низкотемпературного тепла, существенно повышают эффективность систем кондиционирования[85, 151]. В этом отношении заслуживают внимание работы, в которых рассмотрен процесс осушения отработанного влажного воздуха для различных тепловых объектов [122]. В работе [143] процесс осушения отработанного влажного воздуха моделировался для широкого класса аналогичных задач. При этом изучалось влияние различных факторов на процесс осушения влажного воздуха в испарителе теплонасоснои установки методами планирования эксперимента.
В качестве основных факторов, влияющих на процесс осушения воздуха, были выбраны: х - влагосодержание сушильного агента перед испарителем, кг/кг; t - температура сушильного агента перед испарителем, С; v - скорость сушильного агента, м/с; /ХА - температура хладагента в испарителе холодильной машины, С; G - расход хладагента в испарителе холодильной машины, кг/с. Критериями оценки влияния выбранных факторов на процесс осушения воздуха в испарителе холодильной машины являлись: у\ - коэффициент теплопе-редачи от воздуха к фреону, Вт/(м -К); у2 - влагосодержание воздуха после испарителя, кг/кг; уз - температура воздуха после испарителя, С.
В результате были получены нелинейные уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс:
Математическая постановка задачи оптимизации с использованием полученных уравнений регрессии была сформулирована в виде модели
Методологические подходы системного анализа в совершенствовании технологии комбикормов
Комбикормовое производство характеризуется многофакторностью и сложностью взаимосвязи и взаимовлияния [4]. Для изучения, закономерности процесса производства комбикормов эффективно используется системный подход [105, 151].
Наибольший интерес в этом перспективном направлении представляет методологический подход, предложенный в работах [4, 43 -45, 80, 106 - 108, 151].
В [107, 108] предполагалось, что каждая отдельно взятая операция и весь процесс в целом совершается в одних и тех же производственных условиях. Вместе с тем на ход процесса накладываются различного рода возмущения, что вносит определенные нарушения, и, как следствие, получаемый конечный продукт имеет разные свойства. В качестве основной технической характеристики была выбрана стабильность как фактор целостности системы. При этом проводилась оценка уровня целостности двух систем: с использованием управления процессом приготовления комбикормов заданной крупности и без него. Графически технологические системы производства комбикормов выровненной крупности представлены в виде операторной модели (рис. 1.4).
Построение операторной модели [151] позволило обосновать наличие определенного количества подсистем и их функциональное назначение в технологическом потоке. Выход каждой из подсистем технологической линии оценивали контролируемыми параметрами: Аз - крошимостью гранул, температурой, влажностью рассыпного комбикорма и гранул из мелкой фракции рассыпного комбикорма; Аг - однородностью и крупностью измельченной смеси гранул и рассыпного комбикорма; А і - стабильностью качественных показателей комбикорма выровненного гранулометрического состава.
Для каждой подсистемы проводилась оценка качества промежуточных продуктов и комбикорма заданной крупности. Отдельное свойство качества характеризовалось абсолютным значением, и составляло единичный показатель качества комбикорма. Абсолютное значение единичного показателя качества изменялось в некотором интервале его максимального и минимального значений. Этот интервал изменения ограничивался допустимой величиной колебаний значений единичного показателя. Оценка качества продукции основывалась на сравнении значения единичного показателя качества комбикорма с соответствующим базовым значением.
Исходя из условий технологического регламента получения комбикорма, были выбраны диапазоны интервалов изменений показателей качества промежуточных продуктов и готового комбикорма в каждой подсистеме технологического потока.
По результатам исследований показана связь средней стабильности подсистем rjcp и количества подсистем L в системе для различного уровня целостности Q системы в целом (рис. 1.5). подсистема Л/ с операторами сортирования смеси и отпуска комбикорма заданной крупности. Но на общее снижение уровня целостности подсистемы А] в большей степени влияет то, что существующие технологические режимы сортирования при выработке комбикорма выровненного гранулометрического состава нельзя признать рациональными с точки зрения качества готовой продукции и экономии энергозатрат.
Установлено, что уровень целостности технологической системы производства комбикорма выровненной крупности без управления процессом находится в области суммативных систем. Для выхода такой системы из суммативно-го состояния предложено регулирование режимов сортирования и управление процессами производства комбикорма выровненной крупности [101, 151].
Для повышения функциональной целостности технологической системы предложено обеспечить стабилизацию технологических режимов в области допустимого физико-химического состава получаемого комбикорма в широком диапазоне изменения случайных факторов за счет ее оснащения средствами автоматического регулирования и управления [140, 144]. В связи с этим разработан программно-логический алгоритм управления процессом приготовления комбикормов (рис. 1.6).
Предложенное управление процессом приготовления комбикормов выровненной крупности позволило обеспечить заданные показатели качества на всех этапах технологического потока за счет повышения точности и надежности управления технологическими параметрами, рационально использовать мелкую фракцию, увеличить выход готовой продукции на 10 %, снизить удельные энергозатраты на 30 %, повысить экономическую безопасность за счет улучшения санитарно-гигиенических норм [101, 140, 151].
Исходя из вышеизложенного, приведенные результаты по системному анализу технологии комбикормов целесообразно использовать для составления прогнозов развития технологии как системы процессов. При определении цели и задач дальнейшего исследования в этой области важная роль должна отводиться методической части выполняемой работы, от которой зависит достоверность и качество получаемых результатов. Более того, по мнению академика В.А. Панфилова [105 - 108], разработка обоснованных прогнозов возможна на основе современной методологической базы, направленной на преодоление ключевых противоречий, возникающих при создании и реализации новых технологических решений.
Целью диссертационной работы является разработка и научное обеспечение способа производства сбалансированных по питательности комбикормов на основе энергосберегающих принципов формирования тепловых объектов.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи: 1. Выполнить процедуры анализа и синтеза предлагаемой технологии с применением теплонасоснои установки как системы процессов и разработать методику разрешения ключевых противоречий в развитии кормопроизводства. 2. Методами математического моделирования процесса конденсации влаги из влажного воздуха в испарителе теплонасоснои установки решить задачу его подготовки в замкнутой системе кондиционирования. 3. Выполнить комплексный анализ показателей качества комбикормов, полученных по предлагаемой технологии. 4. Разработать способ автоматической оптимизации технологии комбикормов с учетом ограничений на качество готовой продукции. 6. Провести производственные испытания предлагаемой технологии и разработать нормативно-техническую документацию для внедрения в промышленность. На рис. 1.7. представлена общая схема теоретических и экспериментальных исследований технологии комбикормов.
Способ производства комбикормов и алгоритм управления для его осуществления
Учитывая положительный эффект от формирования тепловых объектов в технологии комбикормов [102], составлен алгоритм управления технологическими параметрами, устанавливающий логическую последовательность подачи управляющих воздействий, ресурс действия которых определяется системой ограничений с возможностью оперативной коррекцией технологических режимов работы оборудования в условиях случайных возмущений.
Схема управления процессом приготовления комбикормов (рис.2.5) содержит гравитационный смеситель 1; теплообменник 2; охладитель 3; валковый измельчитель 4; просеивающую машину 5; гидроцилиндр 6, смеситель 7; пресс-гранулятор 8; циклон 9; компрессор теплонасосной установки 10; конденсатор-нагреватель 11; рабочую 12 и резервную 13 секции испарителя-охладителя; сборник конденсата 14; парогенератор 15; вентилятор 16, питательный насос 17; линии: подачи рассыпного комбикорма 18 и горячих гранул 19 в гравитационный смеситель, подачи смеси гранул с рассыпным комбикормом в валковый измельчитель 20, подачи продуктов измельчения в просеивающую машину 21, возврата крупной фракции комбикорма на доиз мельчение в валковый измельчитель 22, подачи средней фракции в смеситель 23, подачи мелкой фракции в пресс-гранулятор 24, отвода взвешенных частиц из циклона в пресс-гранулятор 25, рециркуляции воздуха 26, отвода пара из парогенератора 27, подачи пара в пресс-гранулятор 28, подачи пара в резервную секцию испарителя-охладителя 29, циркуляции хладагента 30, отвода конденсата из резервной секции испарителя-охладителя в сборник конденсата 31, подачи конденсата в парогенератор 32, вывода излишней части конденсата 33, подачи жира в смеситель 34; датчики: расхода 35 - 46, температуры 47-51, давления 52 и 53, влагосодержания 54 и 55, влажности 56, частоты вращения валков измельчителя 57, расстояния между валками измельчителя 58, угла наклона вибросит к горизонту 59, амплитуды колебания вибросит 60, частоты колебаний вибросит 61, уровня 62; микропроцессор 63; исполнительные механизмы 64 - 81; терморегулирующий вентиль 82, предохранительный клапан 83 (А, Б, В, Г, Д Е, Ж, 3, И, К, Л, М, Н, О, П, Р, С, Т, У, Ф, X, Ц, Ч, Ш, Щ, Э- входные каналы управления, а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м, н, о, п, р, с, т- выходные каналы управления). Управление технологией осуществляется следующим образом.
Исходный рассыпной комбикорм, поступающий на обработку по линии 18, направляется на смешивание с горячими гранулами, вышедшими из матрицы пресс-гранулятора 8 по линии 19, в гравитационный смеситель 1. Гравитационный смеситель 1 позволяет без механического воздействия на продукт получить однородную смесь рассыпного комбикорма и горячих гранул. После смесителя 1 смесь попадает в теплообменник 2, в котором происходит тепло- и влагообмен между горячими гранулами и поступившим рассыпным комбикормом. Все тепло горячих гранул утилизируется и используется для нагрева рассыпного комбикорма, что позволяет не только обеспечить его обеззараживание, но и повысить прочность гранул.
В охладителе 3 смесь гранул и рассыпного комбикорма охлаждается воздухом, который проходит предварительную подготовку (охлаждается и осушается) в рабочей секции испарителя-охладителя 12 теплонасосной уста новки путем рекуперативного теплоообмена между кипящим хладагентом и воздухом через поверхность охлаждающего элемента испарителя-охладителя.
Смесь охлажденных гранул и рассыпного комбикорма далее по линии 20 подается на измельчение (вальцовый станок или валковый измельчитель 4, рабочий зазор устанавливают в пределах 1,0...2,5 мм в зависимости от назначения комбикорма).
Измельченные гранулы и рассыпной комбикорм фракционируют на просеивающей машине 5, у которой диаметр отверстий верхнего сита составляет 3,0...4,5 мм, нижнего 1,0...2,0 мм в зависимости от рецепта вырабатываемых комбикормов.
Крупная фракция (сход верхнего сита) направляется на доизмельчение в валковый измельчитель 4, мелкая фракция (проход нижнего сита) подается на гранулирование в пресс-гранулятор 7 с диаметром отверстий матрицы, например, 4,7...5,0 мм. Среднюю фракцию (проход верхнего и сход нижнего сита), представляющую собой комбикорм выровненного гранулометрического состава, подают в смеситель 7, где покрывают жиром слоем 0,5...1,0 мм путем распыливания с помощью форсунок, доводя содержание жира до 3...5 % от объема получаемой средней фракции, и выводят в виде готовой продукции.
Подогрев жира перед форсунками до требуемой температуры умень-шает его вязкость до 16,5 10 Па. При этом создаются благоприятные условия для равномерного распыливания жира, обеспечивается надежная работа форсунок с минимальными потерями времени на регенерацию рабочих поверхностей, вызванной облитерацией и образованием налета, снижается нагрузка на насос подачи жира в смеситель.
Теплонасосная установка, включающая рабочую 12 и резервную 13 секции испарителя-охладителя, компрессор 10, конденсатор-нагреватель И, терморегулирующий вентиль 82, работает по следующему термодинамическому циклу.
Хладагент (рабочее тело) всасывается компрессором 10, сжимается до давления конденсации и по линии 30 направляется в конденсатор-нагреватель 11. Конденсируясь, он отдает теплоту жиру, который, нагреваясь до температуры 55...65 С, подается по линии 34 на форсунки смесителя 7. Затем хладагент направляется в терморегулирующий вентиль 82, где дросселируется до заданного давления. С этим давлением хладагент поступает в рабочую секцию 12 испарителя-охладителя и испаряется с выделением холода. Пары хладагента по замкнутому контуру 30 направляются в компрессор 10, сжимаются до давления конденсации и термодинамический цикл повторяется.
Отработанный воздух после охлаждения смеси рассыпного комбикорма и горячих гранул по линии 26 сначала направляют в циклон 9 для очистки от содержащихся в нем взвешенных твердых частиц смеси, а затем на конденсацию в двухсекционный испаритель-охладитель теплонасосной установки, рабочая 12 и резервная 13 секции которого попеременно работают в режимах конденсации и регенерации. Переключение секций с режима конденсации на режим регенерации осуществляется с помощью исполнительных механизмов трехходовых клапанов 69 и 70. Охлажденный и осушенный воздух с помощью вентилятора 16 вновь подается на охлаждение смеси гранул и рассыпного комбикорма в охладитель 3 с образованием замкнутого цикла по линии 26. Взвешенные частицы, образовавшиеся при очистке воздуха, из циклона 9 по линии 25 отводят в пресс-гранулятор 8.
Для получения пара используют парогенератор 15 с электронагревательными элементами и предохранительным клапаном 83. Основной поток полученного насыщенного пара отводят из парогенератора 15 по линии 27 и распределяют на два потока: один подают в пресс-гранулятор по линии 28, а другой - направляют на регенерацию (размораживание) охлаждающего элемента резервной секции испарителя-охладителя 13 по линии 29.
Образовавшийся конденсат при размораживании резервной секции испарителя-охладителя 13 отводят в сборник конденсата 14 по линии 31, и за тем в режиме замкнутого цикла вновь подают в парогенератор 15 по линии 32 с помощью питательного насоса 17. По линии 33 отводится избыток конденсата из сборника 14 или производится подпитка системы свежей водой. Информация о ходе процесса приготовления комбикормов, подготовки воздуха и пара с помощью датчиков 35-62 передается в микропроцессор 63, который по заложенному в него программно-логическому алгоритму осуществляет оперативное управление технологическими параметрами с учетом накладываемых на них двухсторонних ограничений, обусловленных как получением готового продукта высокого качества, так и экономической целесообразностью. Вторичные приборы, цифро-аналоговые ЦАП и аналого-цифровые АЦП преобразователи на схеме не показаны.
По текущим значениям расхода рассыпного комбикорма в лини 18 и горячих гранул в линии 19 перед их смешиванием, измеряемых датчиками 35 и 36, микропроцессор 63 устанавливает расход воздуха на охлаждение смеси горячих гранул и рассыпного комбикорма в линии рециркуляции 26 воздействием на мощность регулируемого привода вентилятора 16 посредством исполнительного механизма 73.
Определение зависимости намораживания слоя «снеговой шубы» от времени
Будем считать, что температура в обоих слоях распределяется по линейному закону, то можно записать tr Q В уравнениях (3.46) - (3.59) принято: г - время, с; q - тепловой поток от влажного воздуха к поверхности «снеговой шубы», Вт/м ; / - толщина стенки испарителя, м; 8=3(т) - толщина «снеговой шубы», м; теплофизические параметры «снеговой шубы»: Я- коэффициент теплопроводности, Вт/(м-С); с - теплоемкость, Дж/(кгС); р - плотность, кг/м3; / - температура, С; А1 - коэффици 77 ент теплопроводности стенки испарителя, Вт/(м-С); рс - плотность абсолютно су-хого воздуха, кг/м ; v - скорость потока влажного воздуха, м/с; х - влагосодер-жание влажного воздуха, кг/кг; or/ - коэффициент теплоотдачи от влажного воз-духа к водяной плёнке, Вт/(м -С); аг - коэффициент теплоотдачи от воды к по-верхности «снеговой шубы», Вт/(м -С); tB - температура воды в плёнке конденсирующейся жидкости,С; tc,tK - температура влажного воздуха перед испарителем и конденсации паров влаги, С; Ah = hH-hK, hH=h(tH,xH), hK=h(tK,xK) энтальпия влажного воздуха на входе и выходе из испарителя; h = cBt + (r0+cnt)x [85]. Выражение (3.58) позволяет рассчитать время образования «снеговой шубы» в зависимости от теплофизических величин, характеризующих процесс. Уравнение (3.59) можно применять для расчета изменяющейся во времени толщины «снеговой шубы». В Прил. 1 приведена программа, реализующая модель процесса образования «снеговой шубы». На рис. 3.3 приведены результаты моделирования при различных значениях влагосодержания воздуха. что подтверждает возможность использования модели в задачах управления в виде уравнения (3.57) для определения времени образования «снеговой шубы».
Определение температурных полей в процессе образования «снеговой шубы» Результаты машинного эксперимента позволили сделать вывод, что в большинстве случаев для практических расчётов вполне достаточно представление движения границы "снеговой шубы" определенной функциональной зависимостью. Рассмотрим линейный характер этой функции. Тогда о тогда уравнение (3.58) преобразуется в уравнение, которое не будет содержать множитель перед частной производной от функции Y(%, т) по т и формулировка задачи принимает привычный вид. Таким образом, требуется решить задачу, которая описывается системой дифференциальных уравнений Преобразование (3.35) позволяет рассматривать каждое из уравнений (3.60), (3.61), на интервале единичной длины. Пусть количество узлов, на которое разбит единичный интервал, соответствующий толщине стенки охлаждающей поверхности испарителя, равно пт +1 а количество узлов по толщине «снеговой шубы» равно пу +1. Таким образом, интервалы разбиваются узлами сетки с шагом hT - 1/пт и hY = 1/пу соответственно. Поставим каждому узлу, составленной таким способом схемы разбиения, дискретные значения Ttm ,і=1,пт + 1, У? ,i = l,nY +1 (рис. 3.5). Верхний индекс для дискретных значений переменных Г,- , Yt соответствует временному уровню конечно - разностной схемы (3.69). Так для приведённых значений Т/", Y/" предыдущими значениями будут значения Г/"-1, У/"-1.
В дальнейшем изложении верхний индекс не используется для упрощения. на охлаждающей поверхности испарителя: цЕ,- относительные координаты по толщине испарителя и слоя "снеговой шубы" соответственно; у- толщина охлаждающей поверхности; S(tk) - функция, характеризующая скорость образования "снеговой шубы" при г = Лт-к, где k = 1,...,10, Ах- временной интервал; режим осушения воздуха: Т/ = 328 К; По представленному алгоритму был разработан программный комплекс для ПК Pentium III на языке программирования Turbo Pascal v. 6,0, (Прил. П - 1). 85 Программный комплекс состоит из трёх модулей R.01.PAS, URIS-NEW.PAS, UINVERSE.PAS. Программный модуль R.01 выполняет ввод данных, формирование системы алгебраических линейных уравнений, организацию цикла интегрирования системы дифференциальных уравнений (3.60) - (3.61) и вывод результатов в файл на магнитном носителе и на терминал пользователя. Программный комплекс UINVERSE предназначен для вычисления матрицы А 1 - обратной матрицы А. Данный программный модуль основывается на требовании наглядности представления результатов расчёта для проведения исследований. Вычислительный эксперимент показал, что математическая модель адекватно описывает процесс переноса теплоты при образовании «снеговой шубы» на поверхности испарителя. Математическая модель может быть использована при решении прямых и обратных задач математической физики, которые были сформулированы нами следующим образом: прямая задача - расчёт температурных полей при известном законе образования «снеговой шубы», и обратная - определение зависимости образования «снеговой шубы» от времени при известном законе распределения температуры по толщине охлаждающей поверхности испарителя и «снеговой шубы».
