Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСКОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕХАНОАКТИВАТОРА ПУТЕМ АНАЛИЗА КИНЕТИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ

Беззубцева М.М. 1 Волков В.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»
Представлены результаты исследований кинетических и энергетических закономерностей процесса диспергирования и механоактивации вторичного сырья кондитерского производства – какаовеллы в дисковом электромагнитном механоактиваторе (ЭДМА). Какаовелла составляет 15 % от массы дорогостоящего импортного сырья семян какао-бобов и является побочным продуктом (отходом) перерабатывающей промышленности. 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. Установлено, что величина частиц диспергированного в ЭДМА полуфабриката какаовеллы находится в узком и оптимальном диапазоне дисперсности, регламентированном технологией производства комбикорма. Полученные результаты представляют собой математические зависимости кинетики процесса измельчения. Уравнения кинетики описывают содержание контролируемых фракций измельченной в ЭДМА витаминизированной кормовой добавки – какаовеллы в любой момент времени обработки. Установлено, что относительное возрастание затрат энергии при диспергировании до стандартизированной степени измельчения определяется только отношением затрат времени. Полученные закономерности позволяют моделировать процесс промышленного измельчения в лабораторных измельчителях – механоактиваторах дискового исполнения и проводить оценку энергоэффективности промышленного оборудования.
электромагнитный механоактиватор
производство комбикорма
какаовелла
кинетические закономерности
1. Беззубцева М.М. Энергоэффективный способ электромагнитной активации // Международный журнал экспериментального образования. – 2012. – № 5. – С. 92–93.
2. Беззубцева М.М. Электромагнитный измельчитель // Патент России 2045195,1995. Бюл № 7.
3. Беззубцева М.М., Волков В.С. Теоретические основы электромагнитной механоактивации. – СПб.: СПбГАУ, 2011. – 145 с.
4. Беззубцева М.М., Волков В.С. Прикладная теория способа электромагнитной механоактивации // Известия Международной академии аграрного образования. –2013. – № 16. – Т. 3. – С. 93–96.
5. Беззубцева М. М., Волков В. С. Активатор для тонкого измельчения материалов // Инновационные технологии механизации, автоматизации и технического обслуживания в АПК: сборник материалов Международной научно-практической интернет-конференции. – Орел ГАУ, 2008. – С. 122–126.
6. Беззубцева М.М., Волков В.С. Теоретические исследования электромагнитного способа механоактивации // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2012. – № 5. – С. 72–74.
7. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование физико-механических процессов в дисковом электромагнитном механоактиваторе (ЭДМА) // Международный журнал экспериментального образования. – 2012. – № 12. – Ч.1. – С. 116.
8. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование режимов работы электромагнитных механоактиваторов // Успехи современного естествознания. – 2012. – № 8. – С. 109–110.
9. Беззубцева М.М., Волков В.С. Исследование строения магнитного поля электромагнитных механоактиваторов (ЭММА) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2012. – № 12. – С. 90-91.
10. Беззубцева М.М., Волков В.С. Оптимизация коэффициента объемного заполнения электромагнитных механоактиваторов (ЭММА) // Современные наукоемкое технологии. – 2012. – № 3. – С. 70–71.
11. Беззубцева М.М., Волков В.С. Повышение энергоэффективности безотходной технологии производства корма. Материалы Международной научно-практической конференции / под. ред. А. В. Павлова. – Саратов: Изд-во «КУБиК», 2010.
12. Беззубцева М.М., Волков В.С., Зубков В.В. Исследование аппаратов с магнитоожиженным слоем // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6, Ч. 2. – С. 258–262.
13. Биленко Л.Ф. Закономерности измельчения в барабанных мельницах / Л.Ф. Биленко. – М.: Наука, 1984. – 200 с.
14. Волков В.С. Электромагнитный измельчитель // Патент России 84263. – 2009. Бюл. № 19.
15. Калошина Е.Н., Борисенко Е.В. Способ получения корма для сельскохозяйственных животных // Патент России № 2251300. 2005. Бюл. № 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.


Библиографическая ссылка

Беззубцева М.М., Волков В.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ДИСКОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕХАНОАКТИВАТОРА ПУТЕМ АНАЛИЗА КИНЕТИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-9. – С. 1899-1903;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32554 (дата обращения: 17.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074