Исследование работы горизонтального конусовидного шнекового пресса для обезвоживания жома сахарной свеклы

Рациональное применение производственных ресурсов, материально-технических средств, достижений научно-технического прогресса – аспекты повышения экономической эффективности производства сельскохозяйственной продукции.

Потенциальная продовольственная безопасность в Азербайджане может быть обеспечена за счет продуктов местного производства; необходимо эффективно использовать земельные ресурсы. За счет земель, возвращенных в севооборот, можно организовать кормовую базу животноводства, обеспечив конкурентоспособную животноводческую продукцию в республике. Из-за недостаточной кормовой базы животноводство становится дорогим, это может привести к слабым позициям в конкуренции с импортной продукцией.

Кормовые продукты могут производиться и на территории страны, для этого в последние годы осуществлен ряд комплексных государственных мер. Правильное осуществление внутреннего производства не только устраняет зависимость от внешнего рынка, но и обеспечивает продовольственную безопасность страны [1].

Говоря о производстве местной продукции в Азербайджане, отметим значение Имишлинского сахарного завода-предприятия по производству и переработке сахарной свеклы. Роль свекловодства (часть растениеводства) важна для сахарной промышленности. Сахарная свекла в республике – единственное растение, из которого производят

сахар. Его современные сорта содержат 15–19% сахара, а при переработке из 100 кг корнеплодов получают 10–12 кг сахара, 85 кг свекольной жижи с экстракцией сахара и 4–6 кг несахарного крахмала (сложное вещество).

Повышение эффективности производства сахарной свеклы тесно связано и с рациональным использованием образующихся отходов при сборе и переработке корнеплодов [1].

Эти отходы – незаменимое сырье для получения широкого ассортимента продукции для различных отраслей промышленности, а также животноводства. Наибольший интерес для животноводства представляют стебли и листья сахарной свеклы, используемые в кормовых рационах животных, в частности, отход переработки сахара – жом, способный заменить сухие корма (сухое сено, сенаж) [2].

Жом сахарной свеклы – продукт, в котором основное количество сахара экстрагируется, его влажность – около 85%, высокое содержание углерода, по энергетической ценности содержащихся сухих веществ он ничуть не уступает злакам. Наряду с авитаминозом, его основные недостатки – низкая белковая ценность (60–70 г переваримого белка на 1 кормовую единицу) и повышенная кислотность, это снижает кормовую ценность жома и ограничивает возможность длительного кормления животных [1].

Так как длительное хранение свежего жома невозможно, он быстро портится, его обезвоживают и гранулируют с целью облегчения хранения и транспортировки. В обезвоженном виде содержится 7–9% белков, 19–23% целлюлозы, 55–65% экстрактивных веществ без азота и 0,3–0,5% жира. Обезвоженный жом обладает в 7–8 раз большей питательной ценностью по сравнению со свежим, дольше сохраняется, затраты на транспортировку снижаются до 5 раз; есть возможность включать в его состав комбикормов, в этом случае он заменяет 50% ячменя при кормлении крупного рогатого скота, что позволяет увеличить живую массу или молочную продуктивность. Поскольку жесткость целлюлозы в обезвоженном сусле – 1–2%, его питательные вещества легко усваиваются животными [3].

Свекольный жом – основной побочный продукт сахарной промышленности, содержит 6–7,5% сухих веществ, в том числе 0,2–0,4% сахара. Выход сырого свекольного жома – 80–83% к массе переработанной свеклы. Кормовая ценность свежего неотжато-го жома невысокая, однако по питательности сухого вещества у него среднее место между луговым сеном и овсом. Практически все питательные вещества свеклы, кроме сахара, в нем остаются.

На предприятиях по производству сахара, поскольку стоимость тепловой энергии во много раз превышает стоимость механической энергии, в целях экономии энергии, затрачиваемой на обезвоживание жома сахарной свеклы, предпочитают проводить обезвоживание механическим способом. Так, если для извлечения 1 тонны воды из клевера при влажности 75% механически требуется 2 кВт/ч, то для испарения этой воды в сушилках расходуется 743 кВт/ч энергии.

Цель и задачи исследования

В связи с вышеизложенным актуальна разработка эффективных технологий и технических средств, основанных на принципиально новых научных подходах и технических решениях, реализующих обезвоживание жома сахарной свеклы с целью продления срока его хранения, повышения эффективности его использования.

Цель исследования – определение малоэнергетической перспективной технологии обезвоживания сахарной свеклы и разработка конструктивно-технологической схемы горизонтального конусообразного шнекового пресса, создание на основе этой схемы конструкции установки и проведение экспериментальных испытаний для обоснования оптимальных параметров пресса и получения показателей, необходимых для его проектирования.

Методика исследования

В результате проведенного анализа конструктивных особенностей существующих прессов шнекового типа в них выявлены недостатки: низкий уровень имеющегося прессования, высокое эн ергопотребление, вызванное неравномерным накоплением прессованной массы при ее поступлении в пресс и выгрузке, нерегулярный выброс этой массы , затрудняющий дальнейшие операции. Поскольку отмеченные недостатки в прессах с горизонтальным конусообразным кордо м относительно ниже, чем в прессах с другим кордом, их считают более перспективными . С учетом вышеизложенного разр аботана опытно- испытательная установка горизонтального конусообразного шнекового пресса, предназначенного для экстракции жидкости из зеленой м ассы растительного происхождения, в частности, из жома сахарной свеклы, с целью е го обезвоживания (рис. 1).

а                                        б

Рис. 1 . Горизонтальный конический шнековый пресс: а – горизонтальный конический шнековый пресс, вид сбоку; б – горизонтальный конический шнековый пресс, вид спереди : 1 – корпус; 2 – загрузочный бункер; 3 – сито-матрица, цилиндрическая перфорированн ая с конической внутренней поверхностью; 4 – вал шнека, конический полый перфорированный;

5 – камера прессования; 6 – запорный элемент конической формы; 7 – выходн ой материал;

8 – вал регулировочный; 9 – лук; 10 – сливное отверстие для отвода от сжатой жидкост и;

11 – редуктор; 12 – пустотелый канал

Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1 с загрузочным бункером 2 и углубленной цилиндрической сито-матрицей с вложенной в него конусообразной внутренней поверхностью и отверстиями в направлении движения материала во избежание перемешивания при вращении прессуемой массы и углубленного полого конусообразного сита 3. При максимальных и минимальных диаметрах конического вала 4 максимальные и минимальные диаметры внутренней конической поверхности цилиндрической ситовой матрицы 3 расположены в противоположных пропорциях друг к другу. Зазор между винтами полого конусообразного сита с отверстием и конусообразной внутренней поверхностью сита-матрицы образует камеру прессования 5. Поддержание постоянного давления, приложенного к прессованной свекле, и регулировка уровня сжатия обеспечиваются с помощью запорного элемента 6, выступающего из конусообразного кольца. Степень сжатия жома сахарной свеклы обеспечивается регулировкой пружин (рис. 2), поперечные сечения которых увеличиваются в направлении выхода сжатой массы, имеют 7 размеров выходных отверстий.

Рис. 2 . Регулируемый пружинный вал

В 1-м отсеке корпуса предусмотрено проточное отверстие 10 для отвода отделившейся жидкости при сжатии. Для на прав ления пре ссов анн ой м а с сы в од ном направлении на выходе предусмотрен редуктор 11 , им ею щ ий ф орму ц или нд ра к ом б инированного сечения с корпусом 1 (рис. 1).

Жом сахарной свеклы способен подвергаться упругим деформациям до определенного предела, а после начинает течь как вязкая жидкость. Поток вязких пластичных тел не соответствует закону Ньютона, предложенному для реальных вязких дрожжей.

Для таких тел Бингем предложил уравнение [4] р аю г = ^и+^т ° .

где Р - тангенциальная сила, вызывающая относительное скольжение соприка- сающихся слоев, H;

Ғ - площадь слоев, m 2 ;

т0 - предельное напряжение скольжения, H/m2;

аю                                ,    2

— - градиент скорости, m/сек ;

^ - коэффициент вязкости, Pa • сек.

Согласно этому уравнению явление релаксации (поглощения влаги) во время движения вязкого пластичного материала, такого как жом сахарной свеклы, типичное.

Эт о я в лени е на з ы вается у м еньш ением на п ря жения в те л е в резу льтате постоян но й деформации.

Установлено, что в абсолютно упругом теле у пруг ие д еф ормации ск ольж ения существуют бесконечно [5].

Продолжительность упругих скользящих деформаций (релаксации) в жидкости изменяется обратно пропорционально ее вязкости. В жидкостях, таких как вода, время релаксации равно нулю. Вязкий пластичный материал, такой как сахарная свекла, имеет определенный период времени релаксации, характеризующий его механические свойства. В качестве периода релаксации Ө( берут время, необходимое для уменьшения напряжения до «e» раз (e – низкий уровень натуральных логарифмов) в результате постоянной деформации. Для некоторых питательных веществ период релакса- ции Өі = 1,2- 6 сек. В целом продолжительность воздействия при сжатии не должна превышать периода релаксации [6]. Установлено, что напряжение а, которое будет измеряться, когда материал сжимается и прессуется, (H/m2), можно определить по уравнению

а

=(

£ остаток

Т о

)

•и,

где т - время прессования при сжатии, сек;

^ - коэффициент постоянной вязкости, Pa • сек;

е _{остаток} - остаточная деформация.

Сжатие массы характеризует коэффициент прессования

Р = F?] • 1°0-                         (3)

где V ! , V₂ — объемы массы до и после прессования соответственно, m³.

Степень сжатия прессуемой массы изменяется в зависимости от ее свойств, измеряемого давления, режима прессования и конструктивных особенностей конкретного прессового агрегата.

Большой интерес представляет существующая связь между давлением, измеряемым при прессовании, и объемом сжатия.

Упрощенный расчет прессования мокрой массы можно провести с помощью выражения р ' = р -w£-,                     (4)

^о где р' - коэффициент сжатия;

Р - масса под давлением, равна отношению объема твердой фазы к объему массы;

Ро - отношение объема твердой фазы в массовом составе при давлении Ро к объему массы в начале процесса прессования, является коэффициентом сжатия;

^ - модуль прессования.

Поскольку в упомянутом уравнении не учитывается сила трения, присутствующая в решетчато-матричной среде с прессованной массой, степень сжатия несколько меньше.

Для более глубокого изучения поведения пластичных масс при нагревании возникает необходимость в проведении специальных опытно-экспериментальных исследований и одновременно в определении возможных изменений отличительных физикомеханических свойств жома сахарной свеклы от других тел.

Процесс прессования тесно связан с образованием упругих и пластических деформаций и изменением физико-механических свойств прессуемой массы, которые могут быть определены при изучении изменения размеров и интервалов изменения, измерения определенного давления при прессовании, изменения реологических свойств масс. Анализ кинематики деформации скольжения и прочности дисперсной системы, дисперсии и восстановления, как и структурно-механические свойства массы, определяется методом ε, ε = const (кинематика деформации скольжения) при постоянной скорости скольжения [7; 8]. Описание процесса релаксации, протекающего в массе, ее ползучести, мгновенной и обратной упругости, тиксотропных и респектативных свойств структурных изменений проводят с помощью τ = const (кинематика деформации смещения).

Для исследования реологических свойств жома сахарной свеклы прессованной применен ротационный измеритель вязкости марки МТ-201.

Графическое определение показателей, полученных в результате этого исследования, приведено на рис. 3.

А на ли з кинетиче с ких кр и вы х де ф орм ац и и ск ольж ения ж ом а сах арной св ек лы , т = /{t} (рис. 3) п ок азал, чт о при раз личных ск орос т ях с коль ж ени я масса ( w = 32%) влаги имее т раз ли чны е пок азатели. Т аки м об р азом , при из ме нен ии ск орости ск ольж ения в диапазоне ш = 0,56- 1,20 с^-1 напряж е н ие ск ольж ения н ачинает ум еньш аться, изменяясь в диапазоне т = 135-120 Pa. К ак в ид н о из гра ф ика , посл е пов ыш е ни я н апряжения сдвига в диапазоне т = 0 „.max начинает сниж аться д о ф ик сиров ан но г о п оказ а теля . В н а тя же нии ск ольж ения под ъем ы св яз аны со с в о й ством у пр у гости ж ом а с ахарной свеклы, последующие падения – с разрушением ее структурны х св язей. С ам ы й высокий предел натяжения скольжения совпадает с пред ело м прочнос ти зв еньев к онструкции.

1 - ю1 = 0,56 с 1; 2 - ю2 = 0,64 с 1 3 — ю1 = 1,2 с 1

Рис. 3 . К ине тиче ские крив ы е на пря ж е н ия с д в ига ж ом а с а х а рной с в екл ы, τ = f{t}, ( w = 32%, ε = const )

То, что условно мгновенная деформация е₀ м ала, яв ляется пок азателем тог о, что масса об лад а е т низк им уров нем упр угос ти. Из м ен е н и е де ф орм аци и на к рив ой в об ласти АВ о б ъяс н яет ся те м, что у пру гие и плас тич еск ие д еф орм ации в о зр астаю т, а э ф ф ек т а упругости нет. Деформация в поле ВС , характеризующаяся т анг енсом уг ла нак лона пря м ой, н а чинает ув ел и чиваться с пост оян ной ск оростью . Т ак ая зав исим ость х арак т ериз у ет неп ре р ывность с таб или з и ров ан ног о , нев озоб новляем ог о пл астичного потока, су щес т в ую щ ег о пр и п ост о я нн ом у ров не у пр уг о й д е ф орм ац и и . От сут ств и е значител ьного скачка давления при снятии его с точки С под тв ерж д ает отс ут ств ие упруг ости массы при отмеченной влажности.

С ле д ова те ль н о, п о д д е й с т вием п ос тоянно г о р астяж ения пластическ ая д еф орм ация начин а ет у в е лич и ваться, бла г од аря ее реолог ическ им св ойств ам ста нов ится возможным описание массового потока уравнением Шведова – Бингама [9]

т = То + ^ • у,                                   (5)

где то - динамическое натяжение скольжения, Pa;

^ - вязкость пластика, Ра • сек ;

у - скорость скольжения, с х.

Заключение

Сущность обезвоживания жома сахарной св ек лы м ож но описать к ак процесс изменения плотности кормового материала в результате сжатия.

При его обезвоживании, в процессе сжатия взаимод ейств ие прессо в о г о аг регата с рабочими органами состоит из трех этапов:

• •    на первом этапе – в начале, при прямом сжатии сопротивление сжатию увеличивается с ростом начальной плотности р₀ до предельного значения р_тах ;

• •    на втором этапе – в течение всего времени воздействия давления при скользящем натяжении происходит размягчение и уменьшается давление, оказываемое мешалкой на рабочий орган;

• •    в третьей стадии – при снятии давления уменьшается плотность сжатого воздуха, сопровождается это и исчезновением давления на рабочий орган.

Сравнение прессов с цилиндрическим и коническим шнуром показало: по простоте конструкции, безопасности и надежности в эксплуатации, широкому диапазону циклов преимущество на стороне прессов с коническим шнеком. Наряду с этим замена цилиндрических шнеков конусообразными повышает универсальность при обезвоживании различных кормовых материалов.

H.A. HaveriAzerbaijan State Agrarian University, Ganja, Azerbaijan

Investigation of a horizontal cone-shaped screw press for dehydrating sugar beet pulp