Разработка высокоэффективной технологии влаготепловой обработки зерна и конструкции кондиционера-пропаривателя

Зерно злаковых культур наряду с другими видами питательных веществ содержит много крахмала, усвоение которого при кормлении животных происходит медленно, при этом продуктивно используются только определенные формы и то в небольшом количестве [2, 3]. По данным ряда исследований, усвояемость

питательного потенциала крахмала в созданной природной форме не превышает 20–25% в зависимости от вида культур. Поэтому задача новых технологий переработки зерна состоит во внедрении таких способов обработки исходного сырья, которые позволили бы перевести крахмал в удобную для усвоения организмом животных форму [1, 4]. Это возможно при разрушении

зернистой структуры крахмала на клеточном уровне, что способствует разрыву природных связей между отдельными составляющими частями и переводу в более простые углеводы в виде декстринов и сахаров, т. е. происходит желатинизация крахмала или декстринизация его на более простые составляющие [2, 3].

Без специальной обработки трудноусвояемой является и клетчатка, которая содержится в большом количестве в зерне и бобах, особенно в их верхних защитных слоях и оболочках. Поэтому разрабатываемые способы углубленной переработки исходного зернового сырья должны способствовать деструкции части целлюлознолигниновых образований клетчатки в природных формах в более простые виды моносахаров [5].

Под воздействием теплоты и влаги в зерне протекают сложные биохимические процессы, в результате которых происходит клейстеризация и декстринизация крахмала. Клейстеризацию определяют как разрыв оболочек крахмальных гранул под воздействием возрастающего внутри зерна давления. Благодаря клейстеризации комплекс молекул нативного крахмала легче расщепляется на простые растворимые углеводы, так как ферменты, превращающие полисахариды в моносахара, на оклейстеризо-ванный крахмал действуют гораздо интенсивнее. Действие высоких температур при нагревании вызывает деструкцию крахмала, сопровождающуюся укорачиванием цепей макромолекул и образованием легкорастворимых углеводов, в первую очередь, декстринов [6].

Пропаривание зерна сопровождается увеличением его влажности, причем приращение влажности будет определяться условиями процесса: состоянием слоя обрабатываемого зерна, условиями и характером обтекания зерен потоком пара, параметрами и его количеством, длительностью воздействия.

При разработке режимов процессов необходимо стремиться к тому, чтобы вся влага, внесенная паром, была поглощена зерном.

Механизм увлажнения зерна паром определяется сорбцией влаги поверхностью зерен и последующим ее внутренним переносом. Вопросы проникновения влаги в зерно изучались многими исследователями, которыми установлено, что при увлажнении паром влага в зерновку практически равномерно проникает по всей ее поверхности. В начальные моменты обработки, когда температура зерна низкая, происходит конденсация пара на его поверхности и дальнейшее диффузионное проникновение влаги внутрь зерна.

В неподвижной паровой среде увлажнение зерна незначительно. Для достижения необходимой интенсивности увлажнения и приращения влажности следует увеличить скорость потока пара или количество его на единицу веса материала [4, 5, 8–10].

Цель работы – обоснование выбора технологических режимов влаготепловой обработки зерна и расчет и обоснование конструкции кондиционера-пропаривателя.

Результаты и обсуждения

Исследованиями установлено, что пропаривание при избыточном давлении 0,05–0,35 МПа не позволяет повысить влажность обрабатываемого зерна до 18–20% без предварительного замачивания. Известно, что зерно ячменя состоит в основном из гидрофильных биополимеров – белков и углеводов, которые обладают способностью поглощать и удерживать влагу.

Температура зерна в зависимости от условий процесса пропаривания повышается до 95–97 °С в течение 2–3 мин. При этом на интенсивность тепло- и влагообмена оказывает существенное влияние расход пара.

Производство требует интенсивного ведения процессов, поэтому, учитывая условия пропаривания: перемешиваемый лопатками слой зерна с начальной температурой 10–20 °С, подвод пара в нескольких точках аппарата и др., принимаем для исследования расход пара в пределах от 110 до 550 г/(кг·мин).

Установлено, что эффективность процесса увлажнения зерна ячменя влажным паром очень высокая, особенно в начальный период до полного насыщения водой. Сравнение расчетных и фактических данных увлажнения зерна показывает, что в первые 3 мин около 90 % пара поглощается зерном. В дальнейшем по достижении влажности 27–30% темп увлажнения зерна замедляется, однако, но нашему мнению, длительная обработка паром должна увеличить степень клейстеризации крахмала зерна.

Эффективность увлажнения зерна зависит от параметров поступающего пара. При одинаковом расходе пара и продолжительности обработки процесс увлажнения происходит более интенсивно при подаче пара с меньшим давлением. Результаты опытов по обработке ячменя влажным паром при давлении 0,15– 0,20 МПа показывают, что процесс увлажнения проходит более интенсивно. Так, влажность зерна достигает величины 30–33% в течение 3–5 мин при расходе пара 0,11 кг/мин на 1 кг зерна (рисунок 1).

Рисунок 1. Характер изменения влажности зерна при обработке паром при давлении 0,15–0,2 МПа

Figure 1. The nature of changes in the moisture content of grain when processing with steam pressure of 0.15–0.2 МРа

Увеличение расхода пара хотя и интенсифицирует процесс увлажнения зерна, однако приводит к большему его расходу и, следовательно, экономически нецелесообразно. В процессе обработки ячменя паром отмечены изменения физико-механических свойств. Так, температура зерна после пропаривания возросла до 85–90 ºC, объемная масса пропаренного ячменя снизилась с 670 до 610–630 кг/м3, что объясняется набуханием зерна при увлажнении.

Помимо физико-механических свойств изменениям подверглись и биохимические свойства зерна. Выявлено влияние длительности обработки и расхода пара на степень клейсте-ризации крахмала. Полученные результаты (рисунок 2) позволяют сделать вывод о том, что степень клейстеризации крахмала увеличивается с увеличением длительности пропаривания и практически не зависит от расхода пара в исследованных пределах.

Рисунок 2. Влияние расхода пара и длительности пропаривания на степень клейстеризации крахмала ячменя

Figure 2. The effect of steam consumption and steaming time on the degree of gelatinization of barley starch

В процессе пропаривания молекулы воды, образующие пар, располагают большим запасом кинетической энергии и беспрепятственно преодолевают влагоудерживающие слои зерна. В результате обработки паром зерно гораздо быстрее увлажняется и набухает, чем при обработке водой.

Расчет смесителя-увлажнителя. Скорость движения зерна по корпусу смесителя определяется по формуле:

bn sin2 α ⋅ ( m - 1)

υ =               ( cos α - ϕ sin α ) =

0,05 ⋅ 342 ⋅ sin60 ^o ⋅ (5 - 1)

=120         ×

×(cos30o-0,3⋅sin30o)=0,35 м/с, где υ – скорость движения смеси по корпусу смесителя, м/с; b – ширина лопатки, м; n – частота вращения вала, мин-1; α – угол наклона лопаток, град.; m – количество лопастей в одном шаге, шт.; φ – коэффициент трения.

Диаметр камеры смесителя определяется из выражения:

D =

1,27 ⋅ Q υ ⋅ ρ ⋅ K ⋅ η ⋅ ψ

1,27 ⋅ 0,833 0,35 ⋅ 500 ⋅ 0,3 ⋅ 0,4 ⋅ 0,4

= 0,36 м,

где D = 400 мм – диаметр камеры смесителя, м; Q = 3000 кг/ч = 0,833 кг/с – производительность, кг/с; ρ = 500 кг/м³ – насыпная плотность ячменя смеси, кг/м³; K – коэффициент влияния формы лопаток; η = 0,4 – коэффициент влияния величины зазора; ψ = 0,4 – коэффициент заполнения камеры смесителя; υ – осевая скорость смеси, м/с.

Оптимальное расстояние между лопастями определяется по формуле:

b ⋅ sin α ⋅ cos α ⋅ cos γ cos ( α + γ )

0,05 ⋅ 0,5 ⋅ 0,87 ⋅ 0,66

0,19

= 0, 075

м,

где l – оптимальное расстояние между лопастями, м; γ – угол трения продукта о лопасть ( γ = 50^о). Шаг лопастей определяется из выражения:

S = ( m - 1) ⋅ l = (5 - 1) ⋅ 0,075 = 0,3м.

Рабочая длина камеры смесителя определяется по формуле:

L = (8 ÷ 9) ⋅ S = 8 ⋅ 0,3 ÷ 9 ⋅ 0,3 = 2,4 ÷ 2,7 м.

Расчет кондиционера-пропаривателя. Шаг шнека Н , м, и диаметр вала шнека d , м (рисунок 3):

H = K ■ D = 0,9 ■ 0,6 = 0,54 м;

d = K ■D = 0,28■ 0,6 = 0,168 м, где коэффициенты K = 0,7…0,9; K1 = 0,25…0,4.

Шаг шнека выбираем равным H = 0,6 м. По полученному значению d = 168 мм подбираем стальную бесшовную холоднотянутую трубу для изготовления вала с размерами (по ГОСТ 8734–78):  наружный диаметр d =  168 мм;

толщина стенки – 14 мм (рисунок 3).

Рисунок 3. Шнек с полым валом: 1 – опорная цапфа; 2 – виток; 3 – полый вал; 4 – ведущая цапфа

Figure 3. Screw with hollow shaft: 1 – support axle;

2 – turn; 3 – hollow shaft; 4 – drive axle

Угол подъема винтовой линии шнека на периферии, « d , рад:

«d = arctg [ H/ (nD )] =

= arctg [ 0,6/ ( 3,14 ■ 0,6 ) ] = 0,3083 рад.

Угол подъема винтовой линии шнека у вала a d , рад:

U = arctg [ H/ (nd )] =

= arctg [ 0,6/ ( 3,14 ■ 0,168 ) _] = 0,721 рад.

С достаточной для инженерных расчетов точностью принимаем среднеарифметический угол подъема винтовой линии а ср , рад:

« ср = ^0,5 ( « D + « d ) =

= 0,5 ( 0,3083 + 0,721 ) = 0,5147 рад « 29зо .

Коэффициент отставания транспортируемого материала K о :

Ko = 1 -[cos2 «ср — 0,5 f sin (2«ср )] =

= 1 — [ cos ² 29 30 — 0,5 ■ 0, 6 sin ₍ 2 ■ 29 30 ) J = 0,5.

Зерно, которое транспортируется в шнековых кондиционерах, обладает адгезией. В этом случае в качестве f используется коэффициент внутреннего трения.

Предельный диаметр вала шнека d пр , м:

d _np = ( H n ) t tg ^ = ( 0,6/3,14 ) ■ 0,6 = 0,115 м, где tg ^ = f - коэффициент трения, f = 0,6

( φ – угол трения).

Диаметр вала шнека d всегда принимается больше d пр . Таким образом, условие d >  d пр (0,168 м > 0,115 м) выполняется.

Наибольший изгибающий момент в последнем витке шнека по внутреннему контуру М и , (H·м)/м:

_{м =} P max D² 1,9 — 0,7 a "⁴ — 1,2 a ~² — 5,2ln a ₌ ^u      32   '          1,3 + 0,7 a "²

0,3 - 10 ⁶ ■ 0,6 2 =-----------x

• 1,9 — 0,7 ■ 3,57 — 4 — 1,2 ■ 3,57 ^{— 2} — 5,2ln3,57 _

^X             1,3 + 0,7 ■ 3,57 ^—2              "

= —8785,5 Н ■ м/м, где a = D/d – отношение диаметров шнека и вала шнека (а = 600/168 = 3,57).

Толщина витка шнека б , м:

6 М и

V Н

I 6 ■ 8785,5 145 ■ 10 ⁶

= 19 ■ 10 ^{— 3} м * 19 мм,

где [с] = 145 МПа - допускаемое напряжение материала витка шнека при изгибе.

Допускаемое напряжение при изгибе можно принять равным допускаемому напряжению при растяжении. Номинальное допускаемое напряжение при растяжении для стали 20 равно [с] = 145 • 10⁶Па [7].

Угловая частота вращения шнека ω , с^-1, определяется исходя из производительности П , кг/с, его геометрических параметров и коэффициента отставания K о из зависимости

П = 0,125 (D2 — d2)(H — £)(1 — K) p^to, где ρ – плотность транспортируемого ячменя, кг/м3; ψ – коэффициент подачи, учитывающий степень заполнения межвиткового пространства и режим работы формующего устройства. Для транспортирующего кондиционера ψ = 0,7.

Тогда

0,833

ю =-------7---э--------7\ x

0,125 ■ ( 0,6 ² — 0,168 ² )

x -------------—-----------------* 0,2 с"1.

( 0,6 — 0,019 )( 1 — 0,5 ) ■ 0,7 ■ 530

Площадь внутренней цилиндрической поверхности корпуса шнекового устройства по длине одного шага F в , м²:

Fв = nD (H — ^) =

= 3,14 ■ 0,6 ( 0,6 — 0,019 ) = 1,095 м ² .

Площадь поверхности витка шнека по длине одного шага F ш , м²:

F = — nDL - ndl + H 2ln ш  4п I

D + 2 L / d + 2 l J

1 ------x 4 • 3,14

x 3,14 • 0,6 • 2 - 3,14 • 0,168 • 0,8 + 0,6 ² ln —,6---- •----

(                                           0,168 + 2 • 0,8,

= 0,294 м2, где L и l – длины винтовых линий, соответству-

ющие диаметрам шнека и вала, м;

L = J H ² + ( n D ) 2 = ^ 0,6 2 + ( 3,14 • 0,6 ) 2 = 2 м;

l = ^ H ² + ( n d ) ² = ^ 0,6 ² + ( 3,14 • 0,168 ) 2 = 0,8 м.

Условие работоспособности шнекового кондиционера соблюдается, т. к. F в >  F ш (1,095 м² > 0,294 м²) [7].

Крутящий момент на валу шнека М кр , Н·м:

М кр = 0,131 пР  ( D ³ - d ³ ) tg « cp =

= 0,131 - 2 • 0,1 • 10⁶ ( 0,6³ - 0,168³ ) tg2930 = 9,78 kH • м, где n = 2 – число рабочих витков шнека.

Осевая сила, действующая на вал шнека S ос , Н:

5 ос = 0,392 n ( D ² - d ² ) P_ =

= 0,392 • 2 ( 0,6 ² - 0,168 ² ) 0,1 ^ 10 6 = 26011 H.

Нормальные о сж , Па, и касательные т , Па, напряжения в опасном сечении вала шнека п ж = 5 oc IF ;    Т = М кр/ W p ,

Проверим условие прочности полого вала шнека

3,85 МПа < 180 МПа, где [о] - допускаемое напряжение материала вала, Па. Принимаем, что вал шнека изготовлен из стали 12x18Н10Т, для которой [о] = 180 • 106 Па = = 180 МПа.

Таким образом, условие прочности для полого вала выполняется.

Мощность, затрачиваемая на привод шнекового кондиционера N , кВт:

N = 10 ^{- 3} М^(л =

= 10-3 • 9,78 • 103 • 0,2/0,65 « 3 кВт, где п « 0,65 - КПД привода.

В кондиционерах используются сварные шнеки. В этом случае для получения шнека диаметром D , м, с заданным диаметром вала d , м, и шагом H , м, следует изготовить кольца (рисунок 4) с наружным D о и внутренним d о диаметрами и разомкнутыми на угол выреза α о .

где F – площадь поперечного сечения полого вала шнека, м²;

F=4 (d 2 -d • )=

= 3,14 ( 0,168 2 - 0,14 2 ) = 0,00677 м 2 , где d, d вн – соответственно наружный и внутренний диаметры полого вала шнека ( d = 0,168 м; d вн = 0,14 м). Полый вал выбирается с целью облегчения конструкции шнека.

Для полого вала п = 260110,00677 =3,84 МПа .

сж

Рисунок 4. Кольцевая заготовка для шнека

Figure 4. Ring preparation for the screw

Полярный момент сопротивления полого вала шнека W р , м³:

n d

w=— 1 - d4

i d j

p

= 0,2 • 0,168 ³ 1

—

0,2 d ^{3 (} 1

0,14 4 "

0,168 ⁴ _J

—

⁴ d e.

d ⁴ J

= 49110 - ⁶ м ³ .

Для полого вала т = 0,00978/491 • 10-6 = 19,9 Па.

Эквивалентное напряжение  оэкв,  Па, для полого вала

п экв

1² = 3,85 МПа.

Длина шнека L шн , м

Ь щн = z • H = 7 • 0,6 = 4,2 м.

Ширина винтовой поверхности b , м:

b = 0,5( D - d ) = 0,5(0,6 - 0,168) = 0,216 м.

Угол выреза а о , рад:

а = 2п-(L -1)/b =

= 2 • 3,14 - ( 4,2 - 2,938 ) /0,216 =

= 0,442 рад = 25°23 .

Если на валу предварительно проточить винтовую канавку под витки шнека, то размеры колец-заготовок рассчитываются с учетом глубины и ширины канавки.

Определение дисперсных характеристик при распыливании пара. Проведенный анализ основных типов гидравлических форсунок показал, что применительно к исследуемому процессу увлажнения зерна наиболее предпочтительны струйные форсунки.

Струйная форсунка (рисунок 5) представляет собой насадок с соплом, из которого вытекает струя, распадающаяся на капли относительно крупного размера и образующая факел с малым корневым углом и значительной дальнобойностью струи. Наилучшее равномерное мелкодиспергированное распыливание пара наблюдалось при использовании форсунок с диаметром 0,8–1,0 мм.

В и д

Р а з м е р d , м м

0, 8

1 , 0

• 1    , 2

• 1    , 5

• 2,    0

• 2,    5

• 3,    0

Рисунок 5. Струйная форсунка

Figure 5. Jet nozzle

Для определения дисперсных характеристик распыливаемого пара было получено критериальное уравнение d32 = 3,2 We-0’6 Lp-0’005 f D) , dс V L J где d32 – средний объемно-поверхностный диаметр пара, м; dс – диаметр соплового канала конически расходящейся струйной форсунки, м; We = (w2lp ) / ст - критерий Вебера; Lp = (1рст) / p2 - критерий Лапласа; wп - скорость пара на выходе из форсунки, м/с; о - поверхностное натяжение пара, Н/м; Р - плотность пара, кг/м3; Цп - динамическая вязкость пара, Па-с; l - длина соплового канала форсунки, м; D – диаметр факела распыла пара (за диаметр факела принят диаметр сечения D , внутри которого протекает не менее 95 % всего пара); L – дальнобойность факела распыла пара, м.

Тепловой расчет кондиционера-пропаривателя. Исходные данные: начальная влажность зерна 12%; конечная влажность зерна 20%; начальная температура зерна на входе 20 °С; конечная температура зерна на выходе 70 °С. Удельная теплоемкость сухих веществ зерна ячменя составляет 1,423 кДж/(кг·К). Удельная теплоемкость воды составляет 4,19 кДж/(кг·К) [8–10].

Уравнение теплового баланса.

Qн + Qн + Q + Q = Qк + Qк + Q , св в ув оп ^св в пот ’ где Qcн = Gcscp - теплота, вносимая сухим веществом зерна, кДж/ч; Qcкв = GcBc3tK - теплота, уносимая сухим веществом зерна, кДж/ч; Gсв –   производительность кондиционера в расчете на сухое вещество зерна, кг/ч; сз – теплоемкость зерна ячменя, кДж/(кг·К), (сз = 1,423 кДж/(кг·К)); tн и tк – соответственно температура поступающего и выходящего из кондиционера зерна, °С; QB1 = GнcBtH - теплота, вносимая влагой зерна, кДж/ч; Qув = Gувсвtокр -теплота, вносимая влагой при увлажнении зерна (tокр – температура окружающей среды) (если кроме пара в кондиционер вносится вода), кДж/ч;  QOп = Вп [Гп + сп (ts -1к ] - теплота, вносимая острым паром при увлажнении зерна (Dп – расход острого пара на увлажнение зерна), кг/ч;  rп – скрытая теплота парообразования водяного пара, определяется по таблицам теплофизических свойств воды по температуре; сп – теплоемкость насыщенного водяного пара; tк – температура насыщенного пара при рабочем давлении пара, кДж/ч; Ок =(G; + ДоП + Gув) с в t к -теплота, уносимая влагой шрота, кДж/ч; Gн и Gк – соответственно количество влаги в поступающем и выходящем из кондиционера зерне G.к = G.1 - G„, кг/ч; с в - теплоемкость влаги ввв св = 4,2 кДж/(кг·К); rв – скрытая теплота парообразования влаги, кДж/кг (rв определяется по таблицам теплофизических свойств воды по температуре; сп – теплоемкость паров влаги (свп = 1,94 + 0,00033t), кДж/(кг·К); где Qпот – тепловые потери с поверхности кондиционера (принимаются равными в размере 3–5% от общей теплоты), кДж/ч.

Расход пара D п , кг/ч, будет

Dп = Q/iп, где iп – теплосодержание острого пара, кДж/кг.

В результате проведенных исследований и выполненного расчета была разработана оригинальная конструкция кондиционера-пропаривателя, реализующая предлагаемую технологию влаготепловой обработки зерна [11, 12].

Отличительной особенностью кондиционера-пропаривателя (рисунок 6) является более высокая производительность вследствие существенного ускорения процесса диффузии влаги внутрь зерен; возможность улучшения качества за счет повышения степени клейстеризации крахмала вследствие подобранных технологических режимов пропаривания. Технические характеристики кондиционера-пропаривателя приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Технические характеристики кондиционера-пропаривателя

Technical characteristics of the air conditioner-steamer

Рисунок 6. Кондиционер-пропариватель

Заключение

Применение экспериментально подобранных технологических режимов пропаривания позволило увеличить производительность кондиционера-пропаривателя за счет активных гидродинамических режимов и существенного ускорения процесса диффузии влаги внутрь зерен, а также улучшить степень усвоения термообработанных зерен за счет повышения степени клейстеризации крахмала.

Table 1.

Параметр Parameter	Значение Value
Производительность на комбикорме, т/ч | Productivity on compound feed, t/h	0,8–1,6
Установленная мощность, кВт | Installed power, kW	3
Расход пара, кг/ч | Steam consumption, kg / h	100–150
Частота вращения лопастного вала, об/мин | Blade shaft rotation frequency, rpm	342
Количество лопастей, шт. | Number of blades, pcs.	26
Угол поворота лопастей, град | Angle of rotation of the blades, hail	35–55
Шаг между лопастями, мм | Blade spacing, mm	128
Внутренний диаметр смесительной камеры, мм | Internal diameter of mixing chamber, mm	208
Длина смесительной камеры, мм | The length of the mixing chamber, mm	1822
Радиальный зазор между лопастями и внутренней поверхностью смесительной камеры, мм Radial clearance between the blades and the inner surface of the mixing chamber, mm	2
Габаритные размеры Д×Ш×В, мм: | Overall dimensions L×W×H, mm:	2188×322×780
Масса, кг | Weight, kg	240

Figure 6. Соnditiоning steamer