Впровадження технології експандування при виробництві кормів (стр. 8 из 14)
(4.2)де zII, zIII - число витків шнека в 2-й і 3-й зонах;
D, d - зовнішній і внутрішні діаметри шнека, м;
ω - частота обертання шнека, с-1;
Формула (4.1) може бути записана у вигляді, кг / с:
(4.3)де Р - тиск (середній тиск понад атмосферного (РIII - PАТМ) / 2), Па;
ρ - щільність суміші, кг / м 3;
ξ - геометричний параметр (залежить від Rk, rk, Lk, α, m).
При заданих Rk, Lkо, α - можна табульованою залежністю ξ (Δx) і зобразити цю залежність графічно. При Δx = 0 буде ξо = 0 (тому що Rk = rk).
При rk = 0,
. При Δx> Rk • cosα / tg α формула для QЕКСП. буде іншою.Продуктивність шнека наприкінці 3-ї зони, кг / с:
(4.4)де hIII - крок витків шнека в 3-й зоні, м;
е - товщина витка шнека, м;
εIII - коефіцієнт осьового переміщення суміші останнім витком шнека в
3-й зоні, обумовлений провертання маси відносного нього.
Умова неперервності потоків матеріалу, що забезпечує стійку роботу експандера, визначається рівністю пропускної здатності вихідний головки (3) і продуктивності шнека (4):
(4.5)Звідси можна знайти ε - коефіцієнт переміщення продукту. При закритому вихід QЕКСП. = 0, значить QШН. = 0 та ε = 0, тобто продукт не рухається.
Для розрахунку продуктивності шнека більш результативною є формула, де враховані коефіцієнти форми для противопотоку та середньої в'язкості в потоці, кг / с:
(4.6)де D - зовнішній діаметр шнека, м;
h - глибина витка, м; w - ширина витка (через крок S, w = S cos (θ)), м;
δ - зазор між краєм витка і поверхнею шнека, м;
θ = arctg S / π (D-2δ) - кут нахилу нитки витка, рад.;
n - показник степеневого закону в рівнянні течії ненютоновської рідини (матеріалу), наприклад, для не подрібненого насіння ріпаку,
n = 0,1298;
μс - в'язкість ненютоновської рідини , (Па ∙ с);
Р - тиск, Па;
Х - відстань уздовж шнекового каналу, м;
fd = 1 - (0,487 n2 - 0.948n + 0.972) h / w - коефіцієнт форми вимушеного потоку;
fps = 1 - (0,949 n2 - 1,87 n + 1,59) h / w - коефіцієнт форми для противипотоку, викликаного опором вихідного пристрою; fpd -
коригуючий коефіцієнт для середньої в'язкості в потоці (fpd = 0,98).
Градієнт тиску вздовж осі шнека
можна приблизно замінити на 
. Формулу (4.6) можна написати у вигляді, кг / с: 
(4.7)де,
; 
величини, що залежать від геометричних па розмірів шнека. Параметри A і В приблизно постійні для даного шнека;L - довжина шнека, м.
Рівняння (5) можна записати у вигляді:
(4.8)Це рівняння дозволяє розрахувати робочі характеристики (тиск, число обертів і продуктивність експандера). Величини ρ і η вважаємо наближено постійними, тоді рівняння (3) набуде вигляду, кг / с:
(4.9)де ξ '= ξ ∙ ρ / η;.
На підставі геометричних перетворень продуктивність експериментального експандера може бути представлена виразом, кг / с:
(4.10)де λ - деформація при незмінному зазорі, м;
Δx - переміщення головки експандера, м;
С - коефіцієнт жорсткості пружини, Па;
Fеф. - Ефективна площа поперечного перерізу, м2.
Пружина в роботі експандера виконує демпфіруючу роль. Вона підтримує необхідний тиск у вихідний камері і виключає появу різких стрибків тиску, викликаних випадковими зовнішніми чинниками.
Час обробки суміші при експандуванні корму визначається за виразом, за формулою:
(4.11)де τвых - час проходження суміші через головку, с;
- усереднений коефіцієнт осьового переміщення суміші у 2-й і 3-й зонах.Час проходження суміші через головку, з:
(4.12)На нагрівання оброблюваної суміші до необхідної температури tk наприкінці 3-ї зони витрачається, Дж:
(4.13)де mМ - маса суміші в машині при сталому режимі роботи, кг;
см - теплоємність маси при постійному тиску, Дж / (кг * оС);
tн, tk - початкова і кінцева температура суміші, оС.
Маса суміші в машині при сталому режимі роботи, кг:
(4.14)Тепловтрати від нагрівання корпусу машини і навколишнього повітря, Дж:
(4.15)де kтп = 1 / (1/αм + δ / λ 1 / αв) - коефіцієнт теплопередачі, Дж / (м2 * с * оС);
αм, αв - коефіцієнт теплопередачі оброблюваної суміші до корпуса установки і від нього в навколишнє середовище, Дж / (м2 * с * оС);
δ - товщина стінки корпусу, м;
λ - коефіцієнт теплопровідності корпусу, Дж / (м2 * с * оС);
tMср = (tн. - tк.) / 2 - середня (по довжині робочої камери) температура оброблюваної суміші, оС;
tв - температура навколишнього повітря, оС;
Fкн. - площа зовнішньої поверхні циліндричного корпусу, м2.
Загальна споживана енергія, Дж:
(4.16)де
= (0,7 ... 0,85) - енергії, що витрачається на стиснення суміші, Дж;Мкр. - Крутний момент на валу шнека, Н • м.
Енергія додаткового джерела електропідігріву, Дж:
(4.17)де Fкв. - площа внутрішньої поверхні корпусу, м2;
tц - середня температура корпусу, необхідна для додаткового підігріву експандуйованої суміші до k> tk, оС;
E Σ - сумарна енергія, що споживається при нагріванні суміші до температури t` k (визначається аналогічно EΣ) , Дж.
Сумарна потужність, необхідна для роботи експандера, Вт:
(4.18)де ηм. - коефіцієнт перетворення механічної енергії в теплову;
NН. - потужність електронагрівального елемента, Вт;
Nхх. - потужність холостого ходу установки, Вт.
КПД експандера, ηэ, дорівнює:
(4.19)де PIII - тиск суміші вихідний головки експандера, Па;
Qексп. - Продуктивність експандера, кг / с.
У результаті теоретичних досліджень робочого процесу експандера обґрунтована залежність продуктивності та енергоємності від його конструктивно-режимних параметрів при переробці корму.
Також встановлено, що підвищення ефективності пресуючи машин для кормовиробництва, можливо при встановленням пружини на головці експандера.
Оскільки базові експандери мають мінімальні витрати енергії в межах 15-17 кВт/т. Тому при використанні експериментального експандера енергозатрати зменшаться на 16 %.
За результатами проведених досліджень розглянутого процесу експандування визначеніі зміни характеристик вхідної сировини при проходженні її по функціональним ділянкам (зонах ущільнення кормів), а також уточнено аналітичні вирази енергоємності експандера з демпфіруючим пристроєм.
Використана оригінальна конструктивно-технологічна схема експандера, здатна обробляти кормову сировину в широких діапазонах співвідношення складових компонентів: зерно гороху - 20%, а зерно ячменю - 50%; зелена маса до – 30%.
Застосування методу математичного планування при дослідженні технологічного процесу експандування кормів, реалізованого в лабораторних і виробничих експериментах, дозволило визначити оптимальну питому енергоємність процесу експандування 12,6 кВт/т. залежно від частоти обертання шнека 130-140 об/хв., при вмісті зеленої маси 30-32 % і мінімальних витрат енергії стискання, що досягається при нагріванні суміші в зоні максимального ущільнення до температури 110-130 оС. Порівняльним аналізом питомих енергоємності базових та експериментального експандера було встановлено, що цей важливий енергетичний показник зменшився на 16 %.
5. Методика і результати оптимізаціїї
5.1 Обґрунтування методики і результатів оптимізації
Принципова зміна технології приготування кормо сумішей полягає в тому, щ на лінії підготовки зернової сировини зерно буде проходити волого-тепловий обробіток спільно із зеленою масою. В процесі експандування зернової сировини спільно із зеленою масою відбувається перерозподіл вологи між компонентами, що позитивно позначається на процесі екструзії. Крім того встановлено, що витрати β-каротину при експандуванні не перевищують 10 %, тоді як при виробництві трав’яної муки вони можуть доходити до 50 %.