ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИБРОУДАРНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОТХОДОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
И.В. Севостьянов
д-р техн. наук
Винницкий национальный технический университет
В статье приводится схема установки для высокоэффективного виброударного обезвоживания отходов пищевых производств, имеющая по сравнению с другим оборудованием аналогичного назначения меньшую материалоемкость и обеспечивающая существенное сокращение вспомогательного времени при достижении адекватной конечной влажности (22 - 25%) обезвоживаемых отходов. Для повышения энергетической эффективности процессов виброударного обезвоживания предлагается осуществлять их поэтапно с последовательным удалением свободной, капиллярно-связанной и адсорбционно-связанной жидкости. Приводятся схемы структуры твердой фазы отходов в начале каждого из указанных этапов обезвоживания, а также формулы для расчета оптимального давления, которое необходимо создать в среде отходов в ходе реализации этапов для разрушения соответствующей связи между фазами. Предлагаются зависимости для определения длительности этапов виброударного обезвоживания и объемов удаляемой на каждом из них жидкой фазы. С помощью данных формул и зависимостей могут быть рассчитаны рациональные параметры нагрузки отходов при их виброударном обезвоживании, обеспечивающие при минимальных затратах времени и энергии достаточно полное удаление жидкости.
Ключевые слова: виброударное обезвоживание, отходы пищевых производств, виброударная нагрузка, энергетическая эффективность.
Підвищення енергетичної ефективності віброударного зневоднення відходів харчових виробництв. І.В. Севостьянов
У статті наводиться схема установки для високоефективного віброударного зневоднення відходів харчових виробництв, що має в порівнянні з іншим обладнанням аналогічного призначення меншу матеріалоємність й забезпечує істотне скорочення допоміжного часу при досягненні адекватної кінцевої вологості (22 - 25%) відходів, що зневоднюються. Для підвищення енергетичної ефективності процесів віброударного зневоднення пропонується здійснювати їх поетапно з послідовним видаленням вільної, капілярно-зв'язаної й адсорбційно-зв'язаної рідини. Наводяться схеми структури твердої фази відходів на початку кожного із зазначених етапів зневоднення, а також формули для розрахунку оптимального тиску, який необхідно створити в середовищі відходів у ході реалізації етапів для руйнування відповідного зв'язку між фазами. Пропонуються залежності для визначення тривалості етапів віброударного зневоднення й об'ємів рідкої фази, що видаляється на кожному з них. За допомогою даних формул і залежностей можуть бути розраховані раціональні параметри навантаження відходів при їх віброударному зневодненні, що забезпечують при мінімальних витратах часу й енергії досить повне видалення рідини.
Ключові слова: віброударне зневоднення, відходи харчових виробництв, віброударне навантаження, енергетична ефективність.
Increase of power efficiency of vibro-blowing dehydration of food manufactures waste. I.V. Sevostyanov
The scheme of installation for highly effective vibro-blowing dehydration of a of the food manufactures waste is presented in this article. In comparison with other equipment of similar appointment this installation have smaller consumption of materials and providing essential reduction of auxiliary time with achievement of adequate final humidity of dehydrated waste (22 - 25 %). For increase of power efficiency of processes vibro-blowing dehydration it is offered to carry out them stage by stage with consecutive removal of the free, capillary-connected and adsorbtion-connected liquid. Structural schemes of a waste firm phase in the beginning of each of the specified stages of dehydration, and also the formula for calculation of optimum pressure which is necessary for creating in the environment of a waste during realization of stages for destruction of corresponding communication between phases are resulted. Dependences for definition of duration of stages vibro-blowing dehydration and deleted volumes of liquid on each phase are offered. By means of the given formulas and dependences rational parameters of waste loading for their vibro-blowing dehydration can be calculated, providing at the minimum expenses of time and energy full enough removal of a liquid.
Keywords: vibro-blowing dehydration, food manufactures waste, vibro-blowing loading, power efficiency.
Введение
Одним из наиболее эффективных способов обезвоживания отходов пищевых производств (спиртовой барды, пивной дробины, свекольного жома, фруктового жмыха, кофейного шлама) с целью их дальнейшего использования в качестве добавок к сельскохозяйственным кормам или в качестве топлива, является способ потокового виброударного обезвоживания на установках с гидроимпульсным приводом (ГИП) [1]. В соответствии с результатами проведенных нами теоретических и экспериментальных исследований [1], данные установки обеспечивают по сравнению с другим оборудованием аналогичного назначения низкую конечную влажность обрабатываемых отходов (20 - 25% против 30 - 76% - при обезвоживании на шнековых прессах и декантерных центрифугах), достаточную в большинстве случаев производительность по обезвоженным отходам (500 - 600 т в сутки [2]) и относительно низкую энергоемкость рабочего процесса (порядка 2,7 кВт·ч/т против 5 кВт·ч/т - для шнековых прессов [3]).
Постановка проблемы
По оценке авторов статьи, имеются возможности для дальнейшего совершенствования схем оборудования для виброударного обезвоживания, в частности для повышения его экономической эффективности за счет обеспечения более интенсивной нагрузки перерабатываемых отходов и уменьшения вспомогательного времени при работе установки. Кроме того, целесообразно перераспределить во времени подводимую для реализации рассматриваемых процессов энергию, в соответствии с изменением микроструктуры обезвоживаемых отходов и достигнуть тем самым более рационального ее использования.
Анализ литературных данных
Известные технологии обезвоживания отходов пищевых производств [4 - 8] являются многостадийными (включают до пяти и более стадий), поскольку при одностадийном обезвоживании невозможно обеспечить достаточно низкую (15 - 20%) конечную влажность обрабатываемой среды (см. выше). Однако данные технологии, как правило, основаны на использовании комбинированных способов обезвоживания (термомеханических [4, 5], химико-механических [6], химико-биологических [7, 8], биолого-механических [7]), что существенно усложняет и удорожает их реализацию. В работе [2] авторами разработана установка для трехстадийного виброударного обезвоживания, которая обеспечивает указанные выше показатели эффективности рассматриваемых процессов, но при значительных затратах вспомогательного времени и при использовании в паре с такой же самой установкой, что приводит к увеличению материалоемкости и стоимости всего технологического комплекса. Однако увеличения интенсивности виброударного обезвоживания можно достигнуть и в случае использования более компактной установки, схема которой приводится в данной статье ниже.
Что касается результатов проведенных ранее исследований процессов преобразования энергии при фазном разделении влажных дисперсных материалов, то в основном они получены при использовании статических способов обезвоживания на шнековых прессах и центрифугах [3, 5, 7], а также при реализации сушки [9]. В работе [10] указывается, что уравнения балансов энергии являются наиболее точным средством исследования быстропротекающих динамических процессов в среде влажных дисперсных систем, однако предлагаемые при этом авторами уравнения достаточно сложны и не могут служить основой для разработки инженерной методики проектного расчета оборудования. Автором данной статьи в работе [1] приведены уравнения балансов энергии для вибропресса с ГИП при обезвоживании на нем отходов пищевых производств, однако предполагается, что данная энергия будет подводиться равномерно по ходу всего процесса обезвоживания, вне зависимости от изменения микроструктуры обрабатываемого материала. В результате производительность обезвоживания максимальная на начальном этапе осуществления рабочего процесса в дальнейшем существенно падает, что приводит к нерациональному использованию подводимой энергии.
Цель и задачи исследования
В соответствии с вышеизложенным, целью предлагаемой статьи является повышение энергетической эффективности процессов и оборудования для виброударного обезвоживания отходов пищевых производств, для достижения которой необходимо:
- разработать схему установки, обеспечивающей при сравнительно небольших габаритах интенсификацию рассматриваемых процессов;
- получить зависимости для определения изменения давления в среде обезвоживаемых отходов, с целью поэтапного удаления из них свободной, капиллярно-связанной и адсорбционно-связанной жидкости, а также для расчета длительности каждого этапа и объема удаляемой при его осуществлении жидкости, что позволит оптимизировать энергозатраты и производительность оборудования.
Основные результаты исследования
На рисунке 1 представлена разработанная авторами схема высокоэффективной установки для трехстадийного виброударного обезвоживания отходов пищевых производств.
виброударный обезвоживание отход пищевой
Работает установка следующим образом. Отходы с начальной влажностью Uн = 95 - 97% периодически подаются в бак 3, установленный на подвижной траверсе 2. Включается вспомогательный гидропривод гидроцилиндров 8, 9 (на схеме не показан) и рабочая жидкость под давлением подается в штоковую полость гидроцилиндра 8 (поршневая полость последнего соединяется со сливом). Поршень со штоком гидроцилиндра 8 и вместе с ними кронштейн 7 с заслонкой 6 сдвигаются вправо по схеме, открывая доступ отходам через отверстие пуансона 10 в пресс-форму 11 (см. также разрез Б-Б на рисунке 1). Пресс-форма заполняется отходами, после чего с помощью вспомогательного гидропривода и гидроцилиндра 8 заслонка 6 сдвигается влево до упора, перекрывая отверстие в пуансоне 10. Включается ГИП (на схеме не показан), обеспечивающий периодическое изменение давления рабочей жидкости в полости гидроцилиндра 19 кольцевидного поперечного сечения (см. также разрез Г-Г на рисунке 1) от р2 = 4 МПа до р1 = 11 МПа. В результате плунжер 18 гидроцилиндра и вместе с ним вибростол 17, пресс-форма 11 с заслонкой 15 и порцией отходов 16, пуансон 10 с заслонкой 6 и траверса 2 с баком 3 и отходами в нем совершают вертикальные возвратно-поступательные перемещения с частотой до 60 Гц и амплитудой до 2,5 мм. Возврат вышеназванных подвижных элементов установки в исходное нижнее положение на этапах уменьшения давления рабочей жидкости в полости гидроцилиндра 19 от р1 до р2 осуществляется под действием силы тяжести и сжатых пружин 12. Вибростол 17 в конце каждого этапа возврата ударяется о торец корпуса гидроцилиндра 19 и данные ударные импульсы передаются другим подвижным элементам. При этом отходы в баке 3 и в пресс-форме 11 подвергаются виброударной инерционной нагрузке, осуществляется стадия их предварительного виброударного обезвоживания. Удаленная из отходов жидкая фаза вытекает через мелкие отверстия 4 в стенках и днище бака 3, а также в стенках пуансона 10 и пресс-формы 11 (с середины отверстия закрыты металлической фильтровальной сеткой, задерживающей твердые частицы отходов). Вытекающая жидкая фаза собирается в баках 5 и 20, с которых по гибким трубопроводам (на схеме не показаны) отводится в канализацию. Подвижность заслонок 6, 15 в вертикальной плоскости относительно кронштейнов 7, 14 обеспечивается за счет их штифтового соединения (см. также разрез В-В на рисунку 1).
В соответствии с результатами проведенных авторами на стенде-прототипе установки экспериментов [2] по виброударному обезвоживанию спиртовой барды, кофейного шлама и свекольного жома с Uн = 95%, их конечная влажность после завершения описанной выше стадии предварительного обезвоживания длительностью 13 - 15 с, составляла Uк1 = 85 - 87% [2].
На второй стадии обезвоживания отходов на установке (см. рисунок 1) ГИП выключен, таким образом плунжер 18, вибростол 15, пресс-форма 11 с заслонкой 15 и порцией отходов 16 находятся в нижнем положении. Включается вспомогательный гидропривод четырех гидроцилиндров 1 (см. вид А на рисунок 1), рабочая жидкость под давлением поступает в их штоковые полости, в то время как поршневые полости гидроцилиндров соединены со сливом. В результате траверса 2, связанная с корпусами гидроцилиндров 1 и вместе с ней бак 3, и пуансон 10 с заслонкой 6 опускаются вниз, осуществляется статическое прессование порции отходов 16. Оптимальная длительность данной стадии обезвоживания по данным авторов, полученным на стенде-прототипе [2] составляет 10 с, после чего влажность указанных выше трех видов отходов составляет Uк2 = 76 - 78% [2].
Далее на третьей стадии виброударного обезвоживания при работающем вспомогательном приводе, обеспечивающим статическое прессование порции 16, вновь включается ГИП. Плунжер 17 и связанные с ним подвижные элементы, в том числе пресс-форма 11 с порцией 16, осуществляют вертикальные возвратно-поступательные перемещения. Порция 16 подвергается наиболее интенсивной комбинированной статической и виброударной инерционной нагрузке в течении 28 - 30 с [2], в результате конечная влажность трех видов отходов пищевых производств составит Uк3 = 22 - 25% [2]. После этого ГИП и вспомогательный гидропривод, обеспечивающий статический прижим пуансона 10 к порции 16 выключаются. Запускается вспомогательный гидропривод гидроцилиндров 8, 9. Рабочая жидкость подается в штоковую полость гидроцилиндра 9 (поршневая полость сообщается со сливом), в результате поршень гидроцилиндра и вместе с ним заслонка 15 смещаются вправо, открывая отверстие 21. Включается гидропривод гидроцилиндров 1, обеспечивая опускание пуансона 10 с заслонкой 6 и траверсы 2 с баком 3. При этом пуансон 10 выдавливает обезвоженную порцию 16 с пресс-формы 11 через отверстие 21 на ленточный конвейер 13, транспортирующий ее в накопитель (на схеме не показан). Далее с помощью вспомогательного гидропривода заслонка 15 сдвигается до упора влево, перекрывая отверстие 21. Открывается заслонка 6 и следующая порция обезвоживаемых отходов поступает с бака 3 в пресс-форму 11. Заслонка 6 закрывается, после чего весь описанный выше цикл трехстадийного виброударного обезвоживания повторяется.