Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

RESEARCH OF ENERGY EFFICIENCY OF THE DISK ELECTROMAGNETIC MECHANOACTIVATOR BY THE ANALYSIS OF KINETIC AND POWER REGULARITIES

Bezzubtseva M.M. 1 Volkov V.S. 1
1 St.-Peterburg agrarian university
Results of researches of kinetic and power regularities of process of dissertating and mechanoactivation of secondary raw materials of confectionery production – cocoa shell in the disk electromagnetic mechanoactivator (EDMA) are presented.Cacao shell makes 15 % from the weight of expensive import raw materials of seeds of cocoa beans and is a by-product (withdrawal) of processing industry. The content of vitamins in cacao shell is twice higher, than in a cocoa kernel – beans. Use of such secondary raw materials valuable on chemical structure in production of compound feeds is limited to lack of the power effective crushing equipment. It is established that the size of particles of the semi-finished product dispersed in EDMA cacao shell is in the narrow and optimum range of dispersion regulated by the production technology of compound feed. The received results represent mathematical dependences of kinetics of process of crushing. The equations of kinetics describe the maintenance of controlled fractions of the vitaminized feed additive crushed in EDMA – cacao shell at any moment of processing’s. It is established that relative increase of expenses of energy when dissertating to standardized extent of crushing is defined only by the relation of expenses of time. The received regularities allow to model process of industrial crushing in laboratory grinders – mechanoactivators of disk execution and to carry out an assessment of energy efficiency of the industrial equipment.
electromagnetic mechanoactivator
production of compound feed
cocoa shell
kinetic regularities
1. Bezzubceva M.M. Jenergoj effektivnyj sposob jelektromagnitnoj aktivacii Mezhdunarodnyj zhurnal jeksperimental’nogo obrazovanija. 2012, no 5, pр. 92–93.
2. Bezzubceva M.M. Jelektromagnitnyj izmelchitel Patent Rossii 2045195, 1995. Bjul no 7.
3. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Teoreticheskie osnovy jelektromagnitnoj mehanoaktivacii. Spb., SPbGAU, 2011. 145 р.
4. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Prikladnaja teorija sposoba jelektromagnitnoj mehanoaktivacii Izvestija Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovanija. 2013. Vol. 3, no 16, рр. 93–96.
5. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Aktivator dlja tonkogo izmel’chenija materialov Innovacionnye tehnologii mehanizacii, avtomatizacii i tehnicheskogo obsluzhivanija v APK. Sbornikmaterialov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj internet-konferencii. Orel, GAU. 2008, рр. 122–126.
6. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Teoreticheskie issledovanija jelektromagnitnogo sposoba mehanoaktivacii Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamentalnyh issledovanij. 2012, no 5, рр. 72–74.
7. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie fiziko-mehanicheskih processov v diskovomjelektromagnitnom mehanoaktivatore (JeDMA) Mezhdunarodnyj zhurnal jeksperimentalnogo obrazovanija. 2012, no 12. Ch.1, р. 116.
8. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie rezhimov rabotyj elektromagnitnyh mehanoaktivatorov Uspehi sovremennogo estestvoznanija. 2012, no 8, рр. 109–110.
9. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Issledovanie stroenija magnitnogo poljaj elektromagnitnyh mehanoaktivatorov (JeMMA) Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamentalnyh issledovanij. 2012, no 12, рр. 90–91.
10. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Optimizacija koj efficienta objemnogo zapolnenijaj elektromagnitnyh mehanoaktivatorov (JeMMA) Sovremennye naukoemkoe tehnologii. 2012, no 3, pp. 70–71.
11. Bezzubceva M.M., Volkov V.S. Povysheniej energoj effektivnosti bezothodnoj tehnologii proizvodstva korma. Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Pod.red. A.V. Pavlova. Saratov, Izd-vo «KUBiK», 2010.
12. Bezzubceva M.M., Volkov V.S., Zubkov V.V. Issledovanie apparatov s magnitoozhizhennymsloem Fundamentalnye issledovanija. 2013, no 6. Ch.2, pp. 258-262.
13. Bilenko L.F. Zakonomernosti izmel’chenija v barabannyh mel’nicah. Moscow, Nauka, 1984. 200 p.
14. Volkov V.S. Jelektromagnitnyj izmelchitel. Patent Rossii 84263. 2009. Bjul. no 19.
15. Kaloshina E.N, Borisenko E.V. Sposob poluchenija korma dlja selskohozjajstvennyh zhivotnyh Patent Rossii no. 2251300. 2005. Bjul. no 13.

Актуальной проблемой предприятий АПК является повышение энергоэффективности производства путем внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий. Значительное ресурсосбережение в кормопроизводстве достигается за счет использования вторичного сырья. Какаовелла составляет 15 % от массы дорогостоящего импортного сырья семян какао-бобов и является побочным продуктом (отходом) перерабатывающей промышленности. Между тем в какаовелле содержится белок, крахмал, дубильные вещества, алкалоид, аминокислоты (лейцин, изолейцин, аланин, валин, тирозин, фениланин), клетчатка, крахмал, пектин и пентазан. На долю углеводов приходится 41–46 %, массовая доля белка, клетчатки и пентозанов превышает их массовую долю в ядре. Содержание витаминов в какаовелле в два раза выше, чем в ядре какао-бобов. Использование такого ценного по химическому составу вторичного сырья в производстве комбикормов ограничено отсутствием энергоэффективного измельчающего оборудования. Традиционное измельчающее оборудование в аппаратурно-технологических системах кормопроизводства не обеспечивает выход продукта с оптимальными качественными и энергетическими показателями. Решение этой проблемы возможно путем внедрения электромагнитного способа механоактивации [3, 4, 6, 12] в технологические схемы переработки сырьевых материалов. В результате теоретических и экспериментальных исследований [1, 5, 7–11] выявлено, что электромагнитные дисковые механоактиваторы ЭДМА-С и ЭДМА-К [2, 14] в технологических линиях производства витаминизированной добавки – какаовеллы обеспечивают получение готового продукта в узком и оптимальном диапазоне дисперсности при минимальных энергозатратах.

Цель работы – исследование энергоэффективности электромагнитных механоактиваторов дискового исполнения на основании анализа кинетических и энергетических закономерностей процесса диспергирования вторичного сырья шоколадного производства – какаовеллы.

Материал и методы исследований

Предметом исследований являются кинетические и энергетические закономерности процесса механоактивации в аппаратах типового ряда ЭДМА.

Результаты исследования и их обсуждение

Технологические требования, предъявляемые к гранулометрическому составу дисперсной фазы комбикорма с использованием витаминизированной добавки – какаовеллы [15], обуславливают использование двух критериев для оценки качества их измельчения – степень измельчения Dδ 1,8 и «проход» фракций размером менее 1,0 мм Dδ1,0.

С целью выявления кинетических и энергетических закономерностей процесса механоактивации какаовеллы были проведены серии опытов на аппаратах типового ряда ЭДМА (патенты РФ № 2045195 и № 84263) при различных режимах работы. Математической обработкой экспериментальных данных получено эмпирическое уравнение, позволяющее определить степень измельчения исследуемого продукта в любой момент времени обработки

Eqn1.wmf (1)

где DδH – степень измельчения материала по контролируемым фракциям в начальный момент времени; t – время измельчения; Gg – коэффициент, характеризующий прочность продукта, его измельчаемость и условия измельчения; Gs – коэффициент, характеризующий скорость измельчения в начальный момент времени и определяющий наклон кинетической кривой к оси абсцисс в начале процесса.

Значения коэффициентов Gg и Gs приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов уравнения кинетики измельчения какаовеллы в ЭДМА

Исследуемый продукт

Значение коэффициентов по критерию D1,8

Значение коэффициентов по критерию D1,0

Какаовелла

Gg = 4,75

Gg = 1,692

Gs = 0,151

Gs = 0,092

GgGs = 0,717

GgGs = 0,155

Сравнительный анализ расчетных значений (Р) и опытных данных (О) представлен в табл. 2.

Математический анализ уравнения (1) показывает, что оно имеет физическое обоснование, так как удовлетворяет граничным условиям процесса измельчения и легко сводится к известному аналитическому уравнению Разумова [13]:

Eqn2.wmf (2)

где Rδ – (Rȕckstand – остаток, нем.) измельченного материала (контролируемого крупного класса) в любой момент времени измельчения t; RδH – содержание крупного класса в начальный момент времени (t = 0);P и K – параметры уравнения кинетики (P = Gg и K = Gs).

В уравнениях (1) и (2) скорость измельчения Eqn3.wmf или Eqn4.wmf в начальный момент времени (когда t → 0) и в конце процесса (при t → ∞) имеет определенную конечную величину (не 0 и не ∞).

Таким образом, коэффициенты уравнения кинетики процесса измельчения какаовеллы в ЭМДА могут быть определены аналитическим путем по двум точкам кинетической кривой, т.е. по двум значениям «остатков» R1,8 и R1 при времени обработки t2 = 2t:

Eqn5.wmf (3)

Таблица 2

Расчетные и опытные данные по измельчению какаовеллы в ЭДМА

Исследуемый продукт

«Durchgang» по контролируемой фракции менее 1,8 мм

Время измельчения, с

10

20

30

40

50

60

Какаовелла

Dδ1,8(О)

19,0

39,9

63,2

78,9

90,5

97,0

Dδ1,8 (Р)

18,5

41,1

62,9

79,7

90,4

96,5

Dδ1,8(0)–Dδ1,8(Р)

0,5

-1,2

0,3

-0,8

0,1

0,5

Какаовелла

«Durchgang» по контролируемой фракции менее 1,0 мм

Время измельчения, сек

10

20

30

40

50

60

Dδ1,0(О)

9,2

18,0

26,9

34,5

42,0

48,2

Dδ1,0 (Р)

9,0

17,8

26,1

33,9

41,2

47,9

Dδ1,0(0)–Dδ1,0(Р)

0,2

0,2

0,8

0,6

0,8

0,3

Решение этой системы дает следующее значение коэффициентов уравнения кинетики:

Eqn6.wmf (4)

Eqn7.wmf (5)

По формулам (4) и (5) определены коэффициенты Gg и Gs и составлены уравнения кинетики, описывающие содержание контролируемых фракций измельченной в ЭДМА какаовеллы в любой момент времени обработки (табл. 3).

Таблица 3

Уравнения кинетики процесса измельчения в ЭДМА

Исследуемый продукт

Уравнение кинетики по «остатку» фракций размером более 1,8 мм

Уравнение кинетики по «остатку» фракций размером более 1,0 мм

Какаовелла

Eqn8.wmf

Eqn9.wmf

Продолжительность обработки какаовеллы в ЭДМА до содержания готового класса (1,8 мм) от 30 до 90 % определялась по формуле [13]:

Eqn10.wmf (6)

где

Eqn11.wmf Eqn12.wmf

DδН(1,8), Dδ(1,8) – степень измельчения продукта в начальный и конечный моменты времени обработки в ЭДМА.

Относительное возрастание затрат энергии при измельчении какаовеллы от степени измельчения Dδ1,8 = x (0 ˂ x ˂ 90 %) до стандартизированной степени измельчения Dδ1,8 = 90 % определяется только отношением времени измельчения до 90 % ко времени измельчения до Dδ1,8 = x, так как мощность рабочего процесса в ЭДМА при делении сократится.

Из анализа табл. 4 и 5 следует, что относительное возрастание затрат энергии при снижении крупности какаовеллы в типовых рядах аппаратов ЭДМА имеют одинаковые значения, что позволяет моделировать промышленное измельчение в лабораторных условиях.

Зависимость относительных затрат энергии при измельчении какаовеллы электромагнитным способом от содержания в продукте готового класса (1,8 мм) до стандартизированного значения представлена на рисунке.

Таблица 4

Продолжительность обработки какаовеллы от 30 до 90 %

Тип аппарата

Время измельчения, с до содержания класса 1,8 мм

30

40

50

60

70

80

90

ЭДМА-С

20,42

20,64

20,89

30,21

30,65

40,35

60,06

ЭДМА-К

20,47

20,71

20,9

30,35

30,83

40,57

60,25

Таблица 5

Относительные затраты энергии при измельчении компонентов корма в ЭДМА

Тип аппарата

Относительные затраты энергии

t90/t30

t90/t40

t90/t50

t90/t60

t90/t70

t90/t80

ЭДМА-С

2,504132

2,295455

2,096886

1,88785

1,660274

1,393103

ЭДМА-К

2,530364

2,306273

2,155172

1,865672

1,631854

1,367615

pic_1.tif

Зависимость относительных затрат энергии при измельчении какаовеллы от содержания в продукте готового класса (1,8 мм)

Выявленная закономерность позволяет моделировать процесс промышленной переработки какаовеллы в лабораторных условиях при условии адекватности силовых и энергетических воздействий на частицы продукта в магнитоожиженном слое рабочих объемов ЭМДА.

Заключение

В результате исследований кинетических закономерностей изменения гранулометрического состава какаовеллы в ЭДМА получено уравнение кинетики, удовлетворяющее граничным условиям процесса измельчения. Уравнение кинетики позволяет определять относительные затраты энергии на обработку продукта до стандартизированной степени измельчения и моделировать промышленное измельчение в лабораторных условиях.

Рецензенты:

Ракутько С.А., д.т.н., профессор, заведующий лабораторией энергоэффективных электротехнологий ГНУ СЗ НИИМЭСХ Россельхозакадемии, г. Санкт-Петербург;

Салова Т.Ю., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «ТиТ» «Санкт-Петербургский аграрный университет», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 17.10.2013.