Содержание к диссертации
Введение
І. Состояние вопроса сушки свекловичного жома 10
1.1. Характеристика свекловичного жома 10
1.2. Анализ существующих технологий сушки свекловичного жома 13
1.3. Предлагаемая энергосберегающая безотходная технология сушки свекловичного жома 21
1.4. Классификация способов обезвоживания жома 24
1.5. Состояние исследований по средствам механизации обезвоживания жома 26
1.6. Цель и задачи исследования 41
II. Обоснование конструкции шнекового пресса 43
2.1. Обоснование конструкции шнекового пресса 43
III. Теория рабочего процесса шнекового пресса для обезвоживания жома 47
3.1. Закономерности обезвоживания свекловичного жома 47
3.2. Расчет сил трения свекловичного жома о корпус матрицы 53
3.3. Расчет усилий действующих на витки прессующего шнека 55
3.4. Расчет энергии на отжим жома 59
IV. Экспериментальные исследования шнекового пресса 67
4.1. Программа и методика исследований 67
4.2. Описание экспериментальной установки для определения закономерностей обезвоживания жома 67
4.3. Описание экспериментальной установки для определения коэффициентов трения жома под давлением 70
4.4. Описание экспериментальной установки для определения вязкости жома под давлением 77
4.5. Методика оптимизации основных параметров шнекового пресса 81
V. Результаты экспериментальных исследований 87
5.1. Выявление физико-механических свойств свекловичного жома и определение зависимостей плотности от влажности и давления 87
5.2.Определение значения коэффициентов для определения необходимого давления от начальной плотности при обезвоживании жома 91
5.3. Определение значений коэффициентов внутреннего и внешнего трения 97
5.4. Результаты определения вязкости свекловичного жома 97
5.5. Результаты исследований удельного давления от параметров пресса 99
5.6. Результаты оптимизации конструктивно-режимных параметров шнекового пресса 104
VI. Экономическая эффективность использования сухого свекловичного жома 112
6.1. Расход электроэнергии на обезвоживание жома 112
6.2. Технико-экономические показатели 114
VII. Производственная проверка результатов исследования 118
VIII. Общие выводы 120
Список литературы 122
Приложения 131
- Анализ существующих технологий сушки свекловичного жома
- Предлагаемая энергосберегающая безотходная технология сушки свекловичного жома
- Закономерности обезвоживания свекловичного жома
- Выявление физико-механических свойств свекловичного жома и определение зависимостей плотности от влажности и давления
Введение к работе
Топливо и электроэнергия являются основными составляющими в отражении конечной себестоимости производимой продукции. Поэтому экономия энергоресурсов на производство различных видов продукции, использование нетрадиционных источников энергии, является важной народно-хозяйственной задачей.
При этом производство кормов было и остается решающим фактором, влияющим на эффективность производства животноводческой продукции. Являясь одной из важнейшей отраслью агропромышленного комплекса Российской Федерации, кормопроизводство, уровень развития которого во многом определяет решение продовольственной проблемы страны, должно базироваться на стремлении снижения затрат на производство кормов.
Однако сложная социально-экономическая ситуация в стране усилила негативные процессы в развитии кормопроизводства, привела к резкому спаду производства кормов. Одной из основных причин этого является высокая стоимость энергоресурсов и отсутствие современных энергосберегающих безотходных технологий.
Существующие технологии производства кормов энергоемки не удовлетворяют по экономическим показателям предприятия т.к. цены на энергоносители очень высоки.
Наиболее перспективной безотходной энергосберегающей технологией является технология с использованием вторичных источников тепла.
Основной кормовой базой в Центрально-черноземном регионе, при откорме крупного рогатого скота (КРС), является свекловичный жом. В сыром виде жом скармливают непродолжительное время ввиду интенсивности процесса окисления жома и как следствие потеря питательных веществ. Поэтому разработка энергосберегающей безотходной технологии сушки свекловичного жома является перспективным направлением в создании кормовой базы для откорма КРС.
Для повышения эффективности работы оборудования при сушке кормов нами предлагается использовать отработанные газы котельной, работающей на газообразном топливе, т.к. выходная температура газов составляет 170-200°С.
Как правило, при переработке сельскохозяйственных продуктов, отходы производства очень часто не находят дальнейшего применения. Переработка побочных отходов производства, а в частности отжатый сок из свекловичного жома, дает возможность получения растительно-белкового витаминного концентрата (РБВК).
В условиях сахарного завода стоимость тепловой энергии во много раз превышает стоимость механической энергии, поэтому обычно стремятся к наиболее полному механическому обезвоживанию жома и, таким образом, сокращают расходы топлива на сушку жома. Известно, что для выделения 1т воды из люцерны влажностью 75% механическим путем требуется затратить 2 кВтч, а при выпаривании ее на сушилках - 743 кВт. Поэтому задача обезвоживания свекловичного жома перед сушкой является актуальной.
Анализ различных средств механического удаления влаги из жома с целью сокращения энергозатрат на дальнейшую его сушку показывает, что наиболее перспективными агрегатами являются горизонтальные шнековые пресса. При сравнении с горизонтальными и наклонными шнековыми прессами они имеют более высокий коэффициент использования, менее энергоемки и металлоемки, а в процессе эксплуатации дают больший экономический эффект. В сравнении с цилиндрическими шнековыми прессами, шнековые пресса конической формы имеют ряд преимуществ: простота конструкции, безопасность эксплуатации, надежность в работе, широкий диапазон чисел оборотов.
Многие результаты исследований свидетельствуют, что замена цилиндрических шнеков на конические повышает универсальность в части обезвоживания различных кормовых материалов.
Анализ проведенных исследований и наблюдения за работой шнековых прессов показывают, что существующие пресса в определенной мере удовлетворяют поставленным требованиям для обезвоживания стебельных кормов и получения прессованных кормовых смесей. Что касается оборудования для обезвоживания свекловичного жома, с конечной влажностью 30-40%, то они не полностью удовлетворяют поставленным технологическим требованиям и имеют низкую производительность. Поэтому целью настоящих исследований является изыскание перспективной энергосберегающей технологии сушки жома и разработка конструктивно-технологической схемы шнекового пресса, создания на базе этой схемы конструкции машины и ее исследования с целью обоснования оптимальных параметров пресса и использование полученных данных для его проектирования.
Для выполнения поставленной цели в задачу исследования входило:
• разработать технологию получения сухого свекловичного жома;
• обосновать конструкцию шнекового пресса для обезвоживания жома;
• определить закономерности обезвоживания свекловичного жома;
• дать теоретический анализ рабочего процесса исследуемого шнекового пресса и получить аналитические выражения для расчета его параметров;
• исследовать рабочий процесс шнекового пресса методом математического планирования эксперимента, и на основе этого обосновать оптимальные параметры машины и режима работы;
• провести испытания пресса в производственных условиях и дать оценку пригодности его применения в технологии сушки свекловичного жома; • определить экономическую эффективность работы предложенной машины. На защиту выносятся энергосберегающая безотходная технология, конструктивно-технологическое оборудование для обезвоживания и сушки свекловичного жома, а также следующие научные положения:
закономерности обезвоживания жома;
теоретические основы работы шнекового пресса; Предложенная энергосберегающая технология и технические решения по обезвоживанию и сушке жома защищены двумя патентами на изобретение №2179810 и №2173636.
Разработана и внедрена в практику энергосберегающая безотходная технология и получены оптимальные параметры шнекового пресса для обезвоживания и сушки жома. Практическими результатами разработки проблемы обезвоживания жома явилось создание на основе выполненных исследований горизонтального конического шнекового пресса.
Результаты исследований были использованы департаментом программно-целевого развития агропромышленного комплекса и управлением реализации целевых программ «Сахар» и «Семена Белогорья» Белгородской области.
Горизонтальный шнековый пресс для обезвоживания кормов получил применение на фермах и комплексах Белгородской области.
Внедрены в учебный процесс энергосберегающие безотходные технологии сушки и обезвоживания кормов в Белгородской и Курской государственных сельскохозяйственных академиях.
Результаты докладывались на следующих конференциях:
международных научно-производственных конференциях «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» в Белгородской государственной сельскохозяйственной академии с 1999 по 2002 г.г., международной научно-практической конференции «Технический прогресс в растениеводстве» в Харьковском государственном техническом университете сельского хозяйства в 2001 г., научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской работы за 1999 г. «Совершенствование средств механизации для производства сельскохозяйственной продукции» в Курской государственной сельскохозяйственной академии в 2000 г., научной конференции профессорско-преподавательского состава секции МПиППЖ Санкт-Петербургского государственного аграрного университета в 2002г., научно-практической конференции работников агропромышленного комплекса Белгородской области в 2002г.
Анализ существующих технологий сушки свекловичного жома
Свекловичный жом прессованный получают из свекольной вареной стружки после вымывания из нее водой сахара и других веществ и последующего отжатия сока. Оставшуюся после экстракции массу называют жомом. Свежий плохо отжатый жом содержит около 7% сухого вещества, 0,6-сырого протеина, 0,1-сырого жира, 4,8-безазотистых экстрактивных веществ и около 0,3% золы. Такой жом передается свекловодческим хозяйствам, где его скармливают крупному рогатому скоту в свежем виде по 20-50 кг на голову в сутки. Жом хорошо силосуется не только сам по себе, но также с добавкой грубых белковых кормов (сено бобовых и др.). Однако чаще всего сахарные заводы передают хозяйствам свекловичный жом прессованный, содержащий 12-14% сухого вещества.
Прессованный жом используют для кормления, прежде всего свиней и молочных коров, а затем крупного рогатого скота на откорме и овец. На голову в сутки жом распределяют в следующих количествах: свиньям- 2-3 кг, коровам- 20-25, скоту на откорме- 30-40, овцам- 2 кг. Лошади хорошо поедают жом до 10-12 кг в сутки.
Свежий, кислый и прессованный жом перевозят навалом в крытых брезентом автомашинах или товарных вагонах. Срок хранения такого жома - не более одних суток.
Свекловичный жом сушенный - обессахаренная и высушенная свекловичная стружка различной формы, серого цвета, которая выпускается заводами в рассыпном виде и в виде прессованных гранул различной формы и размеров. Такой жом должен иметь влажность не более 13%, содержать сахара не менее 1,4% протеина - не менее 7%, механических примесей - не более 2,5%. Наличие плесени и ферромагнитных примесей размером более 2 мм не допускается. Сухой жом является хорошим углеводистым кормом и широко используется для кормления лактирующих коров, а также откормочного поголовья крупного рогатого скота и овец. Его вводят в рационы или комбикорма до 10%. Специалисты считают, что сухой свекловичный жом и пшеничные отруби необходимо в обязательном порядке скармливать молочным коровам, так как корма содержат некоторые вещества, придающие молоку и особенно сливочному маслу специфический, приятный запах и привкус. Взрослым свиньям сухой жом скармливают в небольших количествах (0,5-1 кг на голову). Высокое содержание в жоме клечатки и пектиновых веществ делает его малопригодным кормом для молодых свиней и совсем непригодным для птицы. Свиньям, находящимся на окорме, сухой жом вводят в рационы не более 5% от массы рациона.
Перед скармливанием жом замачивают в воде (1:3), так как неразмеченный жом иногда вызывает колики и нарушение пищеварения.
Обычно крупному рогатому скоту в свеклосеющих районах скармливают кислый свекловичный жом, так как он скисается на сахарных заводах при медленном заполнении жомовых ям, имеющих большую открытую поверхность, и несвоевременном вывозе его с заводов. В кислом жоме содержится мало протеина и углеводов, но много органических кислот. Избыточное содержание органических кислот неблагоприятно влияет на переваримость питательных веществ не только жома, но и всех компонентов рациона, с которыми его скармливают. Поэтому кислый жом часто нейтрализуют аммиачной водой, получая аммонизированный жом, в котором остается 0,15 - 0,20% органических кислот. Химический состав приведен в таблице 1 [1].
Правильно приготовленный аммонизированный жом не имеет специфического запаха аммиака, и крупный рогатый скот его охотно поедает. Кислый и аммонизированный жом обычно скармливают откормочному поголовью крупного рогатого скота по 20-30 кг на голову в сутки.
Предлагаемая энергосберегающая безотходная технология сушки свекловичного жома
С целью снижения энергозатрат на сушку жома нами разработана принципиально новая энергосберегающая безотходная технологическая схема сушки жома с новой конструкцией сушилки и пресса с использованием отработанных газов котельных, работающих на газообразном топливе [27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35].
Технологическая схема сушки жома состоит из последовательно соединенных технологических частей (рис. 7). Процесс сушки жома в представленной технологической схеме осуществляется в два этапа. Предварительное обезвоживание жома до влажности 30...40% и последующая сушка в каскадной сушилке до влажности 12... 14%.
Технологическая схема сушки жома работает следующим образом. Сырой свекловичный жом питателем подают в загрузочный бункер 2 шнекового пресса 3. В шнековом прессе свекловичный жом подвергается прессованию за счет изменения объема прессуемого материала. При этом происходит разделение отжатой массы и жидкой фракции. Жидкая фракция через отверстия в матрице 4, и отверстия в самом шнеке поступает в емкость для сбора жидкости 6. Отжатая масса влажностью 30-40% через направляющий козырек 7 поступает на загрузочный транспортер 8, который подает отжатый жом в сушилку 9. Сушилка 9 состоит из перфорированных каскадных транспортеров 10, разделенных перегородками 11 для последовательного поступления теплоносителя, нагнетаемого вентилятором 12 из основания трубы котельной 13. В качестве теплоносителя используют отработанные газы котельной, работающей на газообразном топливе. Отработанные газы котельной имеют температуру 170-200С и по трубопроводу 14 подаются в сушилку 9. Прохождение отработанных газов, снизу вверх, через сушилку обеспечивает высушивание материала. Выход отработанных газов происходит через отверстие 15. Высушенный жом захватывается воздушным потоком вентилятора 16 и направляется в циклон 17. В циклоне 17 происходит разделение высушенного материала от воздуха. Воздух выходит через отверстие 18, а материал через дозатор 19 на затаривание. Отжатый сок направляется в емкости 20, где при добавлении 1% раствора концентрата низкомолекулярных органических кислот происходит процесс коагуляции. Выпавший осадок насосом 21, по трубопроводу 22 направляется в сушилку 9, в результате чего получается растительно-белковый витаминный концентрат. Осветвленная жидкость сливается в емкости 23 и добавляется как добавка в рацион животных.
Цех сушки жома располагают вблизи выхлопной трубы котельной с целью снижения теплопотерь. Важной особенностью представленной технологической схемы с использованием отработанных газов котельной является то, что переработка сахарной свеклы по времени совпадает с началом отопительного сезона и включением котельных. Такая схема снижает энергозатраты на сушку жома на 90...95% и позволяет осуществить безотходность производства. Все это позволяет улучшить технико-экономическую эффективность, значительно снизить энергозатраты, что приведет к значительному снижению себестоимости продукции, т.к. жидкая фракция не подвергается дальнейшей переработке.
Поэтому задача исследования энфгосберегающей безотходной технологии сушки свекловичного жомаявляется актуальной [27,31,36,37,38,39,40,41]. 1.4. Классификация способов обезвоживания жома
Свежий жом, выходящий из диффузионного аппарата (при производстве сахара), прессуют до содержания сухих веществ 12...25%, что дает возможность возвратить жомопрессовую воду на диффузию, снизить транспортные расходы на перевозку свежего жома и меньше затрачивать топлива на его высушивание [42, 43, 44, 45, 46,47].
Связи влаги с мякотью жома можно отнести к физико-химическим (адсорбционная и внутриклеточная) и физико-механическим (капилярная и смачивания). При прессовании жома в основном удаляется только физико-механическая влага. Если принять содержание влаги в свежем жоме за 100%, то по возможности механического удаления она распределяется следующим образом (% к массе воды в свежем жоме): не удаляемая механически (адсорбционная, внутриклеточная) - 20; удаляемая механически, т.е. прессованием (влага капилярная и смачивания) - 80. После отжима всей механически удаляемой влаги содержание сухих веществ в жоме повышается до 25%.
В условиях сахарного завода стоимость тепловой энергии во много раз превышает стоимость механической энергии, поэтому обычно стремятся к наиболее полному механическому обезвоживанию жома и таким образом, сокращают расходы топлива на сушку жома. По данным И.А. Долгова, для выделения 1т воды из люцерны влажностью 75% механическим путем требуется затратить 2 кВт-ч, а при выпаривании ее на сушилках - 743 кВт [48, 49, 50].
Закономерности обезвоживания свекловичного жома
Характер обезвоживания жома, по нашему мнению, можно представить как процесс изменения плотности кормового материала в результате сжатия.
При рассмотрении закономерностей обезвоживания жома можно выделить следующие этапы взаимодействия рабочего органа с жомом при сжатии: вначале (во время непосредственного сжатия) плотность его возрастает от начальной ро до максимальной рмах и увеличивается сопротивление сжатию; затем в течение выдержки под давлением происходит релаксация напряжений, т.е. давление со стороны материала на рабочий орган уменьшается; во время освобождения плотность сжатого материала уменьшается, что сопровождается снижением до нуля давления на рабочий орган.
Рассмотрим подробно закономерности сжатия на каждом этапе. Предложенные многими исследователями эмпирические зависимости давления р от плотности р сжимаемого материала сводится либо к параболическим (Скайвейт, С.А. Алферов) [87], вида р = арв. (3.1.1) либо к экспоненциальным (М.А. Пустыгин, Е.М. Гутьяр, В.И. Особов) [57, 69] вида р = аевр, (3.1.2) где а и В - эмпирические коэффициенты.
Процессы, подчиняющиеся экспоненциальному закону, встречаются в природе и технике особенно часто и в тех случаях, когда интенсивность изменения какой - либо величины пропорциональна самой этой величине.
По нашему мнению, наиболее приемлемой можно считать зависимость р = к[ехра(р -р0)-1], (3.1.3) которую можно подтвердить экспериментальными данными, в большом диапазоне измерений р и р. Входящие в зависимость (3.1.3) эмпирические коэффициенты К и а, в свою очередь, являются функциями ряда переменных, в том числе начальной плотности. Это - весьма важный в технологическом отношении параметр, и его целесообразно ввести в качестве особой переменной.
Изменение плотности материала при переходе его от одной ступени рабочего органа к другой ступени служат основным фактором, определяющим их энергоемкость.
Зависимости входящих в эмпирическую формулу (3.1.3) коэффициентов К и а от начальной плотности материала имеют вид где А, В, С, D, Е, К и L - коэффициенты для свекловичного жома, значение которых необходимо получить эмпирическим путем. Чтобы получить материал определенной плотности, к жому необходимо приложить большее давление, которое можно определить из следующего выражения. Окончательно
Следует отметить, что формула (3.1.6) учитывает только давление, необходимое для доведения материала до заданной плотности, и не отражает потерь давления на преодоление сопротивления трения сжимаемого материала о рабочие органы. Поэтому сопротивление трения необходимо определить дополнительно.
Для качественного анализа процесса деформации сжатия можно прибегнуть к наглядным аналогиям из области механических систем [88]. Так как в этом случае проявляются упругие свойства как скелета в целом, так и собственного материала, упруго-пластические свойства позволяют в первом весьма грубом приближении представить свойства свекловичного жома в виде модели (рис. 16) в которой пружины с податливостью Ei и Е2 служат эквивалентом упругих свойств, а катаракт (наполненный вязкой жидкостью цилиндр, в котором перемещается поршень с отверстиями), включенный последовательно с одной из пружин, - пластических.
Составим уравнение перемещения точки О нашей модели: Чтобы определить РгСО, воспользуемся следующими рассуждениями. При перемещении поршня в катаракте на величину (здесь ф - линейное перемещение поршня в единицу времени под действием силы в 10 н) пружина сожмется на величину p2(t)E2 таким образом
Выявление физико-механических свойств свекловичного жома и определение зависимостей плотности от влажности и давления
Приготовление кормовых материалов должно быть в любом случае обусловлено зоотехническими требованиями. Конечной оценкой качества приготовления кормов является биологическая оплата корма, т.е. величина продуктивности животных от его скармливания. Всесоюзный научно-исследовательский институт экономики сельского хозяйства разработал специальные зоотехнические требования для комплексной механизации животноводческих ферм [105]. Согласно этим требованиям крупность измельчения корнеплодов для откорма свиней не должна превышать 10 мм. Допустимая степень загрязнения после мытья должна быть не более 3 %.
Процесс обезвоживания свекловичного жома требует знания его физико-механических свойств. Поэтому расчеты прессующих устройств, т.е. определение наивыгоднейших конструктивных параметров и режимов работы немыслимы без знания тех свойств кормового материала, который обуславливает характер его взаимодействия с рабочими органами или средством воздействия того или иного устройства. Для проектирования таких установок, применяемых для обезвоживания жома необходимо знать их реологические свойства и, в первую очередь, величину предельного сопротивления сдвига, вязкости, коэффициента пристенного скольжения. На физико-механические свойства свекловичного жома оказывает существенное влияние многие факторы, основными из которых являются: влажность, давление, температура, гранулометрический и фракционный состав и др. Поэтому определение физико-механических свойств свекловичного жома при исследовании характера обезвоживания (методом прессования) является важной необходимостью. Качественными показателями, характери зующие биологическую сторону свекловичного жома, были даны д.с.н. М.Ф. Томмэ [70].
Характеристика свекловичного жома по распределению веса частиц по классам отображены в виде вариационных кривых на рис. 29, 30.
Проведенные исследования по определению зависимости плотности свекловичного жома от влажности и удельного давления, позволили заключить, что плотность жома ( в интервале влажности при соотношении компонентов к воде от 1:1 до 1:3) с увеличением влажности уменьшается.
Характер изменения плотности от влажности и удельного давления свекловичного жома показан на рис. 31, 32.
Как видно из графика, величина плотности для свекловичного жома вначале изменяется по прямолинейной зависимости до влажности 80%, при дальнейшем увеличении влажности она переходит в кривую, асимптотически приближаясь к плотности воды.
Замечено, что свекловичный жом увеличивает свою плотность в зависимости от степени измельчения, т.к. при относительной влажности 75% и однократном измельчении плотность равна 1048 кг/м , а при такой же влажности, но при двукратном измельчении плотность равна 1063 кг/м . Из этого следует, что с уменьшением линейных размеров частиц жома плотность его увеличивается.
Если нам известно, что вода при увеличении давления не изменят практически своей плотности, то свекловичный жом при увеличении давления ведет себя по-другому. Как видно из графика (рис. 32), свекловичный жом увеличивает свою плотность в пределах давлений от 0 до 1 атм. Свекловичный жом способен при увеличении давления увеличивать свою плотность. Так, кривая отражает зависимость: при увеличении давления до 1 кг/см2 резко возрастает плотность жома, а при дальнейшем увеличении давления плотность жома остается постоянной.
Нами получены значения коэффициентов К и а эмпирическим путем для подтверждения аналитических исследований закономерностей обезвоживания жома. Полученные зависимости коэффициентов от плотности свекловичного жома представлены на рис. 33, 34.
Как видно из графиков, наибольшее значение коэффициент К имеет для плотности 1085 кг/см а, коэффициент а для 1045 кг/см . Чтобы получить материал определенной плотности к жому, необходимо приложить давление, которое можно получить из выражения (3.1.6).
Как показали экспериментальные исследования, коэффициенты Ш и П от рмах не зависят и для каждого материала могут быть приняты постоянными, тогда как Bt - линейная функция рмах (рис. 35), которая может быть описана формулой:
