Исследование влияния озонированного воздуха на расход топлива при тепловой обработке кормов

Введение. Продуктивность сельскохозяйственных животных зависит от выбранного рациона кормления и его сбалансированности по белкам, жирам и углеводам, от условий содержания и правильного ухода за животными, от генетического потенциала, возраста животного и других факторов. Правильно подобранный и сбалансированный рацион является одним из основных факторов, влияющих на повышение продуктивности животных [1]. В их суточные рационы кормления входят такие корма, как корнеплоды, силос, сенаж, сено, солома, жом, разные виды концентрированных кормов, зеленые корма и другие. Для лучшего усвоения организмом животного и получения максимальной питательной ценности корма подвергают разным видам обработки. Анализ ряда работ [2, 3, 4, 5] показывает, что чаще всего грубые корма подвергаются механической обработке, которая заключается в измельчении, смешивании и дозировании. Такие процессы, как термические или влаготермические, к которым относят варку, запаривание, обжаривание, увлажнение, в настоящее время практически не применяют. А ведь именно эти процессы позволяют увеличить поедае-мость кормов, их питательную ценность и вкусовые качества. Как показывает практика, одним из наиболее существенных недостатков влаготермической обработки кормов для сельскохозяйственных животных являются большие затраты топлива, что делает процесс тепловой обработки кормов затратным и, следовательно, менее эффективным. Поэтому совершенствование процесса тепловой обработки кормов для сельскохозяйственных животных, направленного на повышение питательной ценности корма и при этом на максимальное сни- жение удельного расхода топлива, является актуальным.

Сельское хозяйство, в частности животноводство, является основным потребителем тепловой энергии, для выработки которой необходимы топливноэнергетические ресурсы. На сегодняшний день затраты на топливноэнергетические ресурсы в структуре себестоимости сельскохозяйственной продукции составляют от 10 до 30% и большая часть этих ресурсов (более 50%) приходится на содержание крупного рогатого скота [6, 7]. В хозяйствах используется более 300 тысяч тепловых установок, потребляющих такие виды топлива, как природный газ, печное бытовое топливо, твердое, моторное, электрическая энергия и некоторые виды нетрадиционной энергии (солнечная, ветра).

К процессам, потребляющим топливно-энергетические ресурсы, относят приготовление кормов, подогрев воды для поения (особенно актуально это для холодного периода года), обработку вымени при доении и обработку кожного покрова, мойку доильной посуды и другие. Структуру топливно-энергетических ресурсов можно представить следующим образом: 30–35% от общего энергопотребления приходится на электрическую энергию; 25–30% приходится на тепловую энергию; 5–10% энергии дают солнечные батареи, ветровые и биогазовые установки [ 6, 7 ] .

В животноводстве наиболее энергоемкими процессами являются процессы приготовления кормов и в первую очередь их тепловая обработка. Это такие процессы, как запаривание, варка и другие.

По мнению ряда ученых [8,10] причинами высокой энергоемкости могут быть несовершенство применяемого технологического оборудования, устаревшие технологии обработки, низкое качество технического обслуживания установок и другие.

Материалы и методы исследования . В основу проведенных в работе исследований был положен метод системного анализа известных научных данных и технико-технологических решений применения озона в котлах-парообразователях для проведения влаготермических процессов в кормоприго-товлении.

Для получения представленных в статье зависимостей использовались методы термодинамики и кинетической теории газов. Применение элементов данных теорий позволило получить зависимости для определения тепловых потерь и скорости реакции горения.

На основании теории эксперимента была построена матрица планирования экспериментальных исследований, произведена обработка полученных экспериментальным путем данных и получено уравнение регрессии, описывающее зависимость часового расхода топлива от коэффициента избытка воздуха, концентрации озона и температуры топлива.

Результаты исследования и их обсуждение. Влаготермическая обработка кормов проводится на технологической линии, которая обычно включает устройство генерации тепла, аппарат тепловой обработки кормов и систему подачи теплоносителя к аппарату. Эффективность такой технологической линии будет в том случае, если обработка максимального количества корма осуществляется при минимальных эксплуатационных затратах. Наиболее весомыми затратами в данном случае являются затраты на топливно-энергетические ресурсы, а именно на топливо, с которым работают теплогенерирующие установки. Перерасходу топлива способствуют тепловые потери, которые возникают на всех этапах технологической линии.

Проведенный анализ тепловых потерь [10, 11] показал, что наибольшими потерями являются потери теплоты от неполного сгорания топлива в топочной камере котла, вызванные химическим и физическим недожогом. Сократить эти потери и тем самым снизить расход топлива мы предлагаем путем озонирования топливно-воздушной смеси, подаваемой на горение.

Потери теплоты от неполного сгорания топлива можно представить выражением

Р пт   ^qx + ^ ф ,                 (1)

где q_x, ^ ф - потери теплоты от химического и физического недожога топлива.

Таким образом, сократить потери теплоты от неполного сгорания топлива возможно путем интенсификации процесса горения топлива в топочной камере котла, а именно за счет увеличения скорости его сгорания.

Согласно теории газов, скорость реакции горения топлива можно представить зависимостью

W = P-n a -n . -d 2p -f^-e^-^ , (2)

где п_а, п_в - концентрация молекул в 1 см³ газа;

d_Bp - средний диаметр сталкивающихся молекул, см;

Р – поправочный коэффициент;

R - постоянная Больцмана, кал/град ⋅ моль;

Т - температура реакции, ^оК.

Из кинетической теории газов известно, что в химическую реакцию горения вступают не все молекулы топлива, а только те, кинетическая энергия которых превышает некоторую критическую величину Е [12]. При воздействии на топливо озоном происходит увеличение энергии активации его молекул, которые становятся более реакционноспособными и легко вступают в химическое взаимодействие, что приводит к более полному сгоранию топлива и уменьшению недожога, а следовательно, и к большему количеству выделяемого при сгорании топлива тепла.

Таким образом, при воздействии на топливовоздушную смесь озоном требу- ется меньше затратить топлива на получение пара требуемых параметров и для нагрева корма до температуры готовности.

Для подтверждения теоретических исследований по влиянию озонированного воздуха на снижение часового расхода топлива была проведена экспериментальная проверка. Для её проведения была собрана технологическая линия обработки грубых кормов, представленная на рисунке.

1 – котел-парообразователь; 2 – смеситель-запарник кормов; 3 – топливный бак; 4 – ТЭН; 5 – термометр; 6 – мерная линейка; 7 – электроозонатор Схема экспериментальной установки по исследованию влияния озонированного воздуха на процесс тепловой обработки кормов

1 – steam generator boiler; 2 – feed cooker-mixer; 3 – fuel tank; 4 – heating element (TEN);

5 – thermometer; 6 – measuring bar; 7 – electric ozonator

Diagram of the experimental setup for studying the effect of ozonized air on the process of heat treating animal feed

Эксперимент заключался в запаривании грубых кормов в смесителе-запарнике модели С-7. Для выработки пара использовали котел-парообразователь ВК-300Л, на воздухоподающем патрубке которого устанавливали электроозонатор ОЭТ-40.

Котел работал на печном бытовом топливе ТУ38.101.565-76 как наиболее приемлемом для данных условий. Для контроля расхода топлива устанавливали мерный бак с мерной линейкой и нагревательным элементом. Для получения более точных достоверных результатов в ходе эксперимента, перед началом его проведения был установлен действительный расход топлива котлом при полной его загрузке, который составил 27,12 кг, что на 0,12 кг или 0,44% выше заявленного в паспорте.

Смеситель-запарник загружали измельченными до 40 мм грубыми кормами и подавали пар с температурой

120 оС. При этом корма пропаривались паром при периодическом перемешивании до температуры 90 оС и выдерживались при температуре запаривания в течение часа. Температуру нагрева корма контролировали термометрами в трех точках смесителя-запарника на глубине 100±5 мм от поверхности корма.

В ходе проведения эксперимента контролировались следующие параметры: расход топлива, концентрация озона, температура топлива, подаваемого на горение, коэффициент избытка воздуха. Опыты проводили с двукратной повторностью.

Как установлено ранее проведенными исследованиями [11, 13, 14], применение озонированного воздуха способствует снижению часового расхода топлива, который является многофакторной зависимостью. Проведенные нами исследования выполнялись по плану полного факторного эксперимента. Для этого была составлена матрица планирования эксперимента, на основании которой определялись порядок и последовательность проведения самого эксперимента (таблица). Полученное уравнение регрессии описывает зависимость часового расхода топлива от коэффициента избытка воздуха X 3 (α), концентрации озона X 1 (О 3 ) и температуры топлива X 2 (Т т ).

У = 28,48 –1,2Х 1 – 0,55Х 2 – 2,96Х 3 .                      (3)

Переведя уравнение в натуральные значения, получили следующее выражение:

В ч = 47,93 – 0,046О 3 – 0,055Т Т – 16,9α.                 (4)

Анализируя полученное уравнение по значимости факторов, можно заключить, что максимальное влияние на снижение часового расхода топлива будет оказывать коэффициент избытка воздуха, немного менее значимым является концентрация озона, и последнюю позицию занимает температура топлива.

Проведенные эксперименты позволили выявить наиболее экономичный режим работы теплогенерирующего оборудования – в данном случае котла КВ-300Л. При коэффициенте избытка воздуха 1,15, концентрации озона 52 мг/м3 и температуре топлива 40 оС можно получить максимальный эффект по экономии топлива и снизить его расход на 11,8%, а именно с 27 кг (по паспорту) до 23,807 кг.

Матрица планирования и результаты эксперимента по исследованию влияния озонированного воздуха на часовой расход топлива котлом КВ-300Л Planning matrix and experimental results on the study of the effect of ozonized air on the hourly fuel consumption of the KV-300L boiler

Е X о OI Z го о OI Z	со со ° "го 1 Е О X о. о О L. Z о е го "О го О ОТ	Матрица планирования эксперимента Experiment planning matrix								Результаты эксперимента (часовой расход топлива) Experimental results (hourly fuel consumption)				Проверка адекватности Adequacy check		Продолжит. опыта, Experiment duration
		X	X	X	X	X X	X X	X X	X X X	Y 1	Y 2	Y i	Дисперсия ошибки опыта S2уi Experiment error variance S2уi	-—- Yi	Y - Y )2	t, мин
1	2	+	+	+	+	+	+	+	+	23,202	24,412	23,807	0,3660	23,77	0,0014	28,4
2	6	+	-	+	+	-	-	+	-	25,288	26,516	25,902	0,3770	26,17	0,0718	29,8
3	1	+	+	-	+	-	+	-	-	24,436	24,486	24,997	0,2611	24,87	0,0161	31,0
4	7	+	-	-	+	+	-	-	+	27,882	26,846	27,364	0,2683	27,27	0,0940	31,9
5	3	+	+	+	-	+	-	-	-	29,302	30,352	29,827	0,2756	29,69	0,0188	32,7
6	8	+	-	+	-	-	+	-	+	32,599	31,795	32,197	0,1616	32,09	0,0115	35,2
7	4	+	+	-	-	-	-	+	+	30,996	30,080	30,538	0,2098	30,79	0,0635	36,4
8	5	+	-	-	-	+	+	+	-	32,698	33,688	33,193	0,2450	33,19	0,0009	37,7
X X ig Y i		CN	со СП		ОО со со" CN	со ио со"	со со ио со'	ио СП со"	со со со"			227,83	2,1644	0,278
вi		5 СО С\|	°ч	ио ио GO	СО СП CN	GO со"	GO со'	CN со"	CN СО со со"		S(У )	0,271		2 =0,115 ад

Выводы:

– наибольшие тепловые потери в линиях подготовки грубых кормов к скармливанию крупному рогатому скоту наблюдаются в котлах-парообразователях. Такие потери могут достигать 35–40% и увеличивать расход топлива на тепловую обработку;

– воздействие озонированной воздушной смеси на процесс горения приводит к его интенсификации, в результате чего сокращаются потери топлива от неполного его сгорания и, следовательно, снижается расход топлива на тепловую обработку кормов на 11,8%.