Разработка способа получения гранулированной кормовой добавки на основе свекловичной стружки и пшеничных отрубей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бубнов Алексей Романович

• Бубнов Алексей Романович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Бубнов Алексей Романович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СУХОЙ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ

1.1. Основные сведения о кормовой ценности свекловичной стружки и пшеничных отрубей

1.2. Краткий обзор техники и технологии сушки высоковлажных дисперсных материалов в барабанной сушильной установке

1.3. Особенности процессов тепло-массообмена при сушке материалов в сушильных барабанах с канальными насадками

1.4. Конструкции смесителей и влияние режимов их работы на качество получаемой смеси

1.5. Краткий обзор техники и технологий гранулирования продуктов в пресс -грануляторе

1.6. Цели и задачи работы

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

СМЕШИВАНИЯ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ И ПШЕНИЧНЫХ ОТРУБЕЙ

2.1. Исследование свойств свекловичной стружки

2.2. Исследование свойств пшеничных отрубей

2.3. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

2.4. Кинетические закономерности смешивания свекловичной стружки и пшеничных отрубей

2.5. Двухсекционный смеситель для получения смеси свекловичной стружки и пшеничных отрубей

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ В БАРАБАННОЙ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

3.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

3.2. Кинетические закономерности сушки свекловичной стружки в барабанной сушильной установке с канальными насадками

3.3. Математическая интерпретация кинетических закономерностей

3.4. Экспериментально-статистическое исследование процесса сушки свекловичной стружки

3.4.1. Обоснование интервалов варьирования входных и выходных факторов

3.4.2. Анализ регрессионных моделей

3.4.3. Оптимизация процессов сушки свекловичной стружки в барабанной сушильной установки

3.5. Результаты оценки качества сухой свекловичной стружки

3.6. Разработка конструкции двухсекционной барабанной сушилки

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ГРАНУЛИРОВАНИЯ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ, СМЕШАННОЙ ПШЕНИЧНЫМИ ОТРУБЯМИ

4.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов в пресс-грануляторе

4.2. Кинетические закономерности процесса гранулирования сухой свекловичной стружки, смешанной пшеничными отрубями

4.3. Определение оптимальных условий процесса гранулирования сухой свекловичной стружки методами математической статистики

4.3.1. Обоснование интервалов варьирования входных и выходных факторов

4.3.2. Анализ регрессионных моделей

4.3.3. Оптимизация процесса гранулирования сухой свекловичной стружки

4.4. Разработка (модернизация) прессующего узла пресс-гранулятора

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Способ производства гранулированной свекловичной стружки, смешанной пшеничными отрубями и линия для её осуществления

5.2. Способ управления линией производства гранулированной свекловичной стружки, смешанной пшеничными отрубями

5.3 Эксергетический анализ процесса сушки свекловичной стружки,

смешанной пшеничными отрубями

5.4. Использование гранулированной кормовой добавки на основе

свекловичной стружки и пшеничных отрубей

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

П Р И Л О Ж Е Н И Я

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способа получения гранулированной кормовой добавки на основе свекловичной стружки и пшеничных отрубей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Производство гранулированной свекловичной стружки (кормовой свёклы) с добавлением пшеничных отрубей представляет собой инновационное решение, направленное на повышение эффективности кормовой базы в животноводстве, в частности для крупного рогатого скота (КРС). Актуальность данного направления обусловлена комплексом факторов, включая рост сырьевой базы, увеличение спроса на комбикорма, а также преимущества, связанные с экономической и экологической эффективностью технологии.

Согласно данным Министерства сельского хозяйства РФ в 2024 году объёмы выращивания кормовой свеклы достигли 8,5 млн т., что на 12 % превышает показатели 2023 года. Округа, где выращивается больше всего кормовой свеклы Центральный (45 % от общего объёма), Южный (30 %) и (20 %). Увеличение урожайности связано с внедрением современных агротехнологий и мер государственной поддержки сельхозпроизводителей, что создаёт устойчивую сырьевую базу для переработки кормовой свеклы.

По данным Национального союза производителей комбикормов, в 2024 году спрос на них в России составил 24 млн т., что на 8 % выше уровня 2023 года. На это повлияло увеличение поголовья КРС до 18,2 млн голов (включая мясное и молочное направление), повышение продуктивности животных за счёт использования сбалансированных кормов, а также импортозамещение в условиях внешних санкционных ограничений. При этом традиционные корма, такие как зерно и силос, становятся менее доступными из-за роста цен на фоне инфляции, что стимулирует поиск альтернативных решений.

Важную роль в продвижении данного направления играет государственная поддержка. Проекты по производству комбинированных кормов соответствуют целям госпрограммы «Развитие сельского хозяйства на 2022-2030 годы», включая предоставление субсидий на внедрение ресурсосберегающих технологий. Рынок гранулированных кормов в России к 2024 году оценивается в 48 млрд р.,

демонстрируя потенциал роста до 15 % в год, что подчёркивает его инвестиционную привлекательность.

Таким образом, синергия доступного сырья (свекловичной стружки кормовой свёклы), роста спроса на комбикорма и необходимость снижения затрат в животноводстве делает производство гранулированных кормов с пшеничными отрубями актуальным, что и определило выбор темы, цели и задачи исследования.

Значительный вклад в развитие и совершенствование технологии комбикормового производства внесли такие ученые, как: Остриков А.Н., Лыткина Л.Н., Шевцов А.А., Василенко В.Н. Афанасьев В.А. Голубев И.Г., Шванская И.А., Коноваленко Л.Ю., Лопатников М.В., Кожарова Л.С., Кошак Ж., Кошак А. и др.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры машин и аппаратов пищевых производств ВГУИТ на 2023-2025 гг. «Инновационное развитие техники пищевых технологий: машины, аппараты и биореакторы» № г.р. 01201253 ГРНТИ: 65.13.19; приоритетного направления развития НОЦ ВГУИТ «Энергоресурс» - «Разработка оборудования и технологических процессов с целью сбережения энергетических и материальных ресурсов в пищевых производствах».

Цель диссертационной работы: целью данного исследования является разработка технологии производства кормовой добавки на основе свекловичной стружки (кормовой свёклы) и пшеничных отрубей.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- Исследование физико-химических свойств исходных компонентов и кинетических закономерностей процессов смешивания, сушки и гранулирования свекловичной стружки и пшеничных отрубей.

- Математическое моделирование и экспериментально-статистический анализ процесса сушки композиционной смеси, включая эксергетический анализ для оптимизации энергозатрат.

- Разработка комплексной технологии и специализированного оборудования (смесителя, двухсекционной барабанной сушилки, прессующего узла) для производства гранулированной кормовой добавки.

- Промышленная апробация разработанной технологии и оценка технико-экономической эффективности предлагаемых решений.

- Разработка рецептуры и технических условий (ТУ) на производство гранулированных кормовых добавок на основе свекловичной стружки и пшеничных отрубей.

Научная новизна. Научно обоснована технология получения гранулированной свекловичной стружки (кормовой свёклы), смешанной с пшеничными отрубями.

Установлены количественные кинетические закономерности процессов смешивания, сушки и гранулирования для композиционной смеси свекловичной стружки и пшеничных отрубей, определяющие влияние ключевых технологических параметров на скорость и эффективность процессов.

Разработан комплекс математических моделей процессов сушки и гранулирования, обеспечивающих прогнозирование рациональных и оптимальных параметров с заданной точностью и описывающих изменение состояния как материала, так и сушильного агента в ходе процесса.

Получены новые критериальные уравнения подобия для процесса сушки в активном гидродинамическом режиме, устанавливающие взаимосвязь между критериями Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля и представляющие собой метод инженерного расчета при проектировании и масштабировании сушильных установок.

На основе эксергетического анализа процесса сушки количественно оценены потери работоспособности энергии и доказана его энергетическая эффективность по сравнению с базовыми способами сушки, что подтверждает целесообразность промышленного внедрения разработанного способа.

Предметом данного исследования являются методология исследования процессов производства гранулированной свекловичной стружки (кормовой свёклы), смешанной с пшеничными отрубями.

Практическая значимость. Разработана конструкция двухсекционного смесителя кормов (патент РФ2764923), позволяющая повысить качество и

ускорить процесс смешивания, улучшить качество готового продукта. Имеется возможность повысить ценность кормов за счёт введения жидких компонентов.

Разработана конструкция барабанной сушилки с комбинированным энергоподводом (патент РФ270239) позволяющей повысить качество готового материала и интенсивность проведения процесса сушки.

Определены рациональные режимы проведения процесса сушки свекловичной стружки, смешанной с пшеничными отрубями в барабанной сушильной установке с канальными насадками: температура сушильного агента на входе в сушильный барабан - Тв = 403-413 К; скорость сушильного агента ; ув =3-5 м/с; степень заполнения сушильного барабана @ = 30-35 %; частота вращения сушильного барабана п = 1-2 мин-1.

Предложен способ производства сухой свекловичной стружки с добавлением пшеничных отрубей (патент РФ2804859), позволяющий повысить кормовые свойства свекловичной стружки, смешанной с пшеничными отрубями.

Определены рациональные режимы процесса гранулирования сухой свекловичной стружки на пресс-грануляторе Б6-ДГВ: диаметр отверстий в матрице 8 = 16 - 18 мм; расход пара F = 53 - 57 кг/т; расход продукта, поданного в пресс-гранулятор Q = 9 - 11 т/ч; влажность продукта перед гранулированием и = 9 - 13 %.

Разработана модернизация прессующей камеры пресс-гранулятора (Патент РФ 234649), позволяющая повысить качество получаемых гранул, снизить износ прессующих роликов и увеличить ресурс их работы.

В условиях АО «Научно-производственный центр «Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности» проведены производственные испытания по определению оптимальных условий процесса смешивания свекловичной стружки и пшеничных отрубей в смесителе кормов. В условиях предприятия ООО "РУСМИТ" получены варианты рецептурного состава комбикормов с использованием сухой свекловичной стружки, смешанной с пшеничными отрубями.

Разработаны рецептуры и ТУ по производству гранулированной кормовой добавки на основе свекловичной стружки и пшеничных отрубей и гранулированной свекловичной стружки, смешанной с пшеничными отрубями.

Методология. В работе использованы методы системного анализа, химические и физико-химические исследования свойств сырья и продукции, математическое моделирование, эксергетический анализ термодинамических процессов. Экспериментальные исследования включали кинетику смешивания, сушки и гранулирования с применением ПФЭ 24 и ротатабельного планирования. Практическая реализация подтверждена разработкой запатентованного оборудования.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует пунктам паспорта специальности 4.3.3. - «Пищевые системы»:

п. 4. «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»;

п. 17. «Методы контроля показателей качества, безопасности, технологической, функциональной и специальной направленности сырья, пищевых и кормовых продуктов, пищевых и биологически активных добавок. Методы подтверждения эффективности. Фудомика»;

п. 20 «Процессы и аппараты пищевых производств»;

п. 21 «Основные технологические процессы пищевых производств и методы их исследования»;

п. 28 «Стандартизация и управление качеством пищевой, кормовой, парфюмерно-косметической, табачной и иной продукции»;

п. 32 «Организация и оптимизация пищевого производства, его логистическое обеспечение, хранение и реализация продуктов питания, кормовой, парфюмерно-косметической и табачной продукции»

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных международных, национальных, научных, научно-технических и научно-практических конференциях, форумах и

симпозиумах (Воронеж, 2021-2025; Курск 2025; Севастополь 2021; Донецк, 20232024).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента РФ на изобретения и 1 полезная модель.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СУХОЙ СВЕКЛОВИЧНОЙ СТРУЖКИ

1.1. Основные сведения о кормовой ценности свекловичной стружки и

пшеничных отрубей

Кормовая свекла служит универсальным питательным продуктом для различных видов сельскохозяйственных животных. Её корнеплоды активно включают в рацион крупного рогатого скота, лошадей и овец без предварительной термической обработки — как в цельном виде, так и измельченном виде.

Для коров суточная норма потребления этого корма может достигать 35 кг и выше. Однако превышение порога в 40 кг в день способно спровоцировать негативные последствия: снижение жирности молока и появление у него специфического привкуса. Овцам рекомендуется скармливать до 4-5 кг свеклы в сутки, а свиньям — от 5 до 7 кг на каждые 100 кг их живой массы.

Важно учитывать, что дозировка напрямую зависит от физиологического состояния животных, их продуктивности и общего рациона. Соблюдение норм способствует не только поддержанию здоровья поголовья, но и сохранению качественных характеристик продукции (молока, мяса).

Свекловичная стружки (кормовой свёклы), содержит 75% воды и 25% сухих веществ, среди которых 17,5% занимает сахароза, а 7,5% — несахара. Нерастворимые несахара (5%) включают клетчатку (1,2%), целлюлозу (1,1%), пектиновые соединения (2,4%), а также протеины и минеральные компоненты (0,3%). Растворимая фракция (2,5%) представлена фруктозой, глюкозой, безазотистыми веществами (0,8%), азотистыми соединениями (1,1%) и зольными элементами.

Технологическая переработка свекловичной стружки, включающая сушку для продления сроков хранения и облегчения транспортировки.

Для оптимизации кормовой базы свекловичную стружку рекомендуется комбинировать с отрубями — компонентом, улучшающим моторику желудочно-

кишечного тракта за счёт пребиотического действия. Нормы введения отрубей варьируются в зависимости от их физико-механических свойств: крупные фракции допустимы в повышенных дозировках. Для молочных коров суточная норма составляет 4-6 кг, что определяется физиологическим состоянием и уровнем продуктивности животных. Смешивание стружки и отрубей в рационы способствует минимизации метаболических рисков, снижению затрат на кормление и сохранению нутриентов, что соответствует принципам ресурсоэффективного животноводства.

В таблице 1.1 представлены показатели качества свекловичной стружки пшеничных отрубей.

Таблица 1.1. - Показатели качества свекловичной стружки и пшеничных отрубей

Показатели Свекл. стружка Пшеничные отруби

Сухое вещество, г/кг 193 850

Кормовые единицы в 1кг 1,28 0,72

Сырой золы, г/кг 7,5 4,9

Сырого протеина, г/кг 13,5 151

Усвояемого протеина, г/кг 87,75 98,15

Сырой клетчатки, г/кг 16,8 88

Растворимые углеводы (Сахара), г/кг 11,8 -

Сырого жира, г/кг 1,5 41

Безазотистые экстрактивные вещества (БЭВ) 141,9 526

Обменная энергия, МДж/кг 12,5 8,85

Массовая доля лизина, % от СВ 0,199 3,62

Массовая доля метионина, % от СВ 0,011 3,89

Содержание кальция, г 0,2 2

Содержание фосфора, г 0,1 6,6

Содержание крахмала, г - 308,4

Таким образом, рациональное использование свекловичной стружки в сочетании с отрубями формирует основу для разработки сбалансированных кормовых программ, обеспечивающих не только экономическую выгоду, но и поддержание здоровья сельскохозяйственных животных. [4,10,15,35,58]

1.2. Краткий обзор техники и технологии сушки высоковлажных дисперсных материалов в барабанной сушильной установке

Сушка смеси свекловичной стружки и пшеничных отрубей происходит с рециркуляцией отработанного воздуха в сушилку по схеме сушильной установки с рециркуляцией воздуха. [44]

В конвективных сушильных установках наиболее распространены технологии с возвратом отработанного сушильного, где доля использованного паровоздушного потока повторно направляется в зону сушки. Это обеспечивает существенное сокращение затрат на тепловую энергию. Однако параллельно наблюдается уменьшение скорости удаления влаги из-за роста насыщенности воздуха парами, что снижает движущую силу процесса обезвоживания. Кроме того, возрастает потребление электроэнергии вентиляционным оборудованием.

Метод рециркуляции сушильного агента преимущественно используется при обработке термочувствительных материалов, склонных к деформациям и нарушению целостности структуры. Данный подход обеспечивает прецизионный контроль уровня влажности в рабочей зоне, что положительно сказывается на физико-механических характеристиках готовой продукции.

На рис. 1.1. приведена схематическая конструкция сушильного агрегата, включающая рециркуляционный контур, обеспечивающий частичный возврат отработанного воздушно-парового потока в камеру смешения. Оставшийся объем газовой смеси, не задействованный в цикле, отводится за пределы системы через выбросные магистрали.

1 - камера смешения: 2 - вентилятор: 3 - калорифер: 4 - сушильная камера: 5 - отработанный воздух; 6 - линия рециркуляции

Рисунок 1.1

— Схема теоретической сушильной установки с рециркуляцией воздуха.

Барабанные сушильные агрегаты нашли применение в переработке сыпучих отходов пищевой индустрии. Их используют для обезвоживания свекловичной стружки, зерново-картофельной барды на спиртзаводах, кукурузных ростков и мезги в крахмало-паточном производстве. [17]

На рис. 1.2. представлена конструкция барабанной сушилки. Основу конструкции составляет цилиндрический барабан 1 , вращающийся на опорных роликах 4 через бандажные кольца. Привод механизма осуществляется посредством зубчатого обода 2, зафиксированного на корпусе барабана, который взаимодействует с приводной шестерней 3. Последняя осуществляет крутящий момент от электродвигателя через понижающий редуктор.

Ось барабана располагается горизонтально или под минимальным углом (16°) в направлении транспортировки сырья. Для интенсификации теплообмена внутри цилиндра монтируется специальная насадка, выполняющая две функции: перемешивание материала и оптимизация контакта с теплоносителем.

Рисунок 1.2 — Принципиальная схема барабанной сушилки: 1 — барабан: 2 — зубчатый венец; 3 — зубчатое колесо: 4 — опоры; 5 — циклон; 6 - выгрузочный патрубок

Барабан сушильной установки вращается со скоростью 1-8 оборотов в минуту, обеспечивая равномерное перемешивание материала и оптимальный тепломассообмен. Геометрические параметры агрегата определяются производительностью: диаметр цилиндра варьируется от 1200 мм (1.2 м) до 2800 мм (2.8 м), а соотношение длины к диаметру (Ь^) поддерживается в диапазоне 3.5:1-7:1. Такая пропорция позволяет балансировать между интенсивностью процесса сушки и временем удержания сырья в рабочей зоне, что повышает энергоэффективность установки. Указанные характеристики способствуют минимизации перерасхода теплового агента и стабилизируют качество конечного продукта. [1]

Увлажненное сырье подается в барабан через шнековый дозатор. Теплоноситель циркулирует внутри установки со скоростью 2-3 м/с, захватывая и транспортируя частицы высушенного материала. Для сепарации взвешенных фракций система оснащена центробежным сепаратором 5, через который очищенные газовые потоки выводятся в атмосферу.

Барабанные установки обеспечивают высокий КПД (до 85-90%) за счет пролонгированного тепломассообмена, особенно для материалов с влажностью 1520%. Равномерное распределение температуры (вариация влажности на выходе — 2-5%) достигается ротационным движением барабана и тангенциальной подачей теплоносителя, минимизируя термодеструкцию. Универсальность энергоносителей (газ, электронагрев, пар) и гибридные схемы (например, с биогазом) сокращают углеродный след на 20-25%. Масштабируемость и модульность делают установки рентабельными в переработке сельхозотходов, производстве стройматериалов и биоэнергетике. [68]

Процесс паровой сушки (Рис. 1.3) основан на принципе термодинамической обработки прессованной древесной стружки в условиях избыточного давления. Технология предусматривает непрерывную подачу сырья в герметичный сосуд с последующим подводом тепловой энергии. На выходе системы образуется высушенная стружка и водяной пар, находящийся под давлением (например, 3.5 бар). Данный метод исключает образование вредных атмосферных выбросов, а

энергетические затраты сводятся к минимуму за счет рекуперации тепла. Заимствованная в процессе сушки энергия возвращается в виде пара, который может быть направлен в выпарные аппараты для концентрирования соков, обеспечивая замкнутый энергетический цикл.

Эффективность тепломассообмена между частицами стружки и паром достигается за счет организации кипящего слоя внутри герметичного сосуда. Данный режим гарантирует интенсивный контакт фаз и равномерное распределение тепловой нагрузки. [69]

Оптимальная интеграция функциональных компонентов реализована посредством их компактного размещения в едином корпусе. Конструкция включает:

1. Пылеотделительный модуль, расположенный в верхней части сосуда;

2. Теплообменный аппарат, смонтированный в центральной зоне;

3. Импеллерную систему, установленную в нижнем сегменте;

4. Сушильную камеру, концентрически окружающую теплообменник. Энергоносителем в системе выступает перегретый пар с рабочим давлением

8-28 бар. Увеличение давления пара коррелирует с ростом его температуры, что интенсифицирует процесс влагоудаления и повышает производительность

В Циклон

Рисунок 1.3 — Схема работы паровой сушки.

установки. Данная зависимость позволяет масштабировать технологию в соответствии с требованиями конкретного производства.

Инновационный проект компании SADAM (Франция) по созданию кондуктивной сушилки, работающей на паре низкого давления (рис. 1.4), был ориентирован на решение ключевых задач энергоэффективности и устойчивого развития. Основной целью являлось использование вторичных энергоресурсов — пара, поступающего после паровых турбин, с рабочим давлением, сниженным до 0.15-0.3 МПа, что позволило минимизировать затраты на генерацию теплоносителя. Конструкция установки предусматривала рекуперацию 85-90% тепловой энергии отработанного пара, направляемого на сопутствующие технологические процессы, что снизило удельное энергопотребление на 15-20% по сравнению с традиционными системами. Важным элементом экологической безопасности стало исключение пылеулавливающих комплексов за счет герметизации цикла, что предотвратило эмиссию твердых частиц и соответствовало директивам ЕС по промышленным выбросам. Пилотная модель, испытанная на производственной площадке, подтвердила возможность масштабирования технологии для предприятий сахарной промышленности, где комбинирование сушки с когенерацией энергии повышает рентабельность переработки вторичного сырья. Результаты проекта демонстрируют потенциал интеграции низкопотенциальных паровых ресурсов в энергетические схемы, актуальные для циркулярной экономики.

Рисунок 1.4. — Сушильная установка: 1 — теплообменник; 2 - вентилятор; 3 - электродвигатель; 4 - циклон; 5 - эжектор

Сушилка оснащен полым валом с регулировкой скорости вращения, на котором закреплены многоуровневые теплообменные диски. Подача увлажненного сырья осуществляется через шнековый конвейер на верхний распределительный модуль, после чего материал под действием гравитации последовательно перемещается через радиально перфорированные зоны дисков — центральную (радиус 0-400 мм) и периферийную (400-1400 мм). Такая схема обеспечивает равномерное распределение продукта, интенсификацию теплопередачи за счет турбулизации потока и минимизацию зон застоя, что подтверждено экспериментальными данными, демонстрирующими повышение КПД теплопереноса на 18-22% относительно аналогов без радиальной перфорации.

В сравнении с традиционными барабанными сушилками, работающими в высокотемпературном режиме, кондуктивные паровые агрегаты демонстрируют превосходство по энергоэффективности и экономичности. Их ключевая особенность — использование перегретого пара в качестве сушильного агента, что снижает удельное энергопотребление на 25-30% за счет рекуперации. Несмотря на недавнее внедрение в сахарную промышленность, такие установки уже масштабированы в странах ЕС, США и Канаде, где их применяют для обработки свекловичной стружки и мелассы.

Конструкция сушильного агрегата реализует инновационную модификацию технологии кипящего слоя с применением перегретого пара в качестве сушильного агента. Ключевыми особенностями установки являются замкнутый цикл рециркуляции вторичных паров, обеспечивающий энергоэффективность процесса, и реализованный механизм гранулометрической сегрегации частиц. Последний обеспечивает пролонгированную экспозицию крупнофракционных компонентов продукта в активной зоне при одновременной интенсификации выноса мелкодисперсной фракции, что гарантирует гомогенность влажностных характеристик готового продукта при сокращении продолжительности термообработки. Данное техническое решение демонстрирует повышенную эксплуатационную эффективность за счет синергии ресурсосберегающих принципов организации процесса.

В промышленной сушильной установке колонного типа производства компании «Бабкок» (Германия) (Рис. 1.5) реализована низкотемпературная технология обработки материала с многоуровневой организацией процесса. Конструкция агрегата предусматривает послойное размещение продукта на перфорированных платформах из коррозионно-стойкой стали, с гравитационным перемещением материала между ярусами. Дозированная подача исходного сырья и выгрузка готового продукта осуществляются шнековыми транспортерами с частотно-регулируемым приводом, обеспечивающим точный контроль временного параметра процесса. Теплоноситель (подогретый в калориферных блоках воздух) инжектируется в нижнюю распределительную камеру, проходит через массив продукта с ламинарным потоком, что минимизирует пылеобразование, и эвакуируется через верхнюю зону аппарата. Такая организация тепло-массообмена обеспечивает равномерную дегидратацию при сохранении термолабильных свойств материала, а модульная архитектура установки позволяет масштабировать процесс для различных производственных мощностей.

Рисунок 1.5 — Промышленная колонная сушилка «Бабкок» (Германия)

Анализ технико-экономических параметров рассматриваемой сушильной установки выявил ряд эксплуатационных преимуществ, включая оптимизацию производственных площадей за счет компактной вертикальной компоновки, повышенную ремонтопригодность узлов, а также устойчивость к эксплуатационным нагрузкам. Установка демонстрирует повышенную энергетическую эффективность теплопереноса (КПД 72-78%) при существенном снижении энергопотребления (15-20 кВт ч/т) и минимизации капиталоемкости оборудования. К критически значимым ограничениям относится снижение рекуперационного потенциала в нижних секциях аппарата, обусловленное стратификацией материала: прогретый теплоноситель взаимодействует преимущественно с дегидратированными слоями продукта, что приводит к диссипации 22-25% тепловой энергии с эжектируемым воздухом без реализации регенерационных схем. [38,42]

1.3. Особенности процессов тепло-массообмена при сушке материалов в сушильных барабанах с канальными насадками

Процесс сушки материалов представляет собой сложное взаимодействие двух взаимосвязанных физических явлений: внутриструктурного транспорта влаги (диффузионно-капиллярный массоперенос) и её удаления с поверхности в газовую фазу (конвективно-доминирующий массообмен). Кинетика процесса лимитируется преимущественно скоростью миграции влаги через пористую матрицу материала, обусловленной градиентами влагосодержания и температурными полями. Интенсификация сушки достигается при синхронизации фазовых переходов на границе раздела с транспортом связанной влаги из глубинных слоёв, что требует учета реологических свойств материала, его структурной анизотропии и термогидродинамических параметров сушильного агента. Дисбаланс между скоростью внутренней диффузии и внешней десорбции приводит к формированию зон пересушивания или критических напряжений в материале, что актуализирует

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бубнов Алексей Романович, 2026 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Антипов С,Т,, Валуйский В,Я, Меснянкин В,Н,Тепло- и массообмен при сушке в аппаратах с вращающимся барабаном, — Воронеж: ВГТА, 2001, — С, 150-172,

2. Антонов, Ю, М, Основные аспекты энергосбережения в сельском хозяйстве [Текст] / Ю, М, Антонов // Энергосбережение в сельском хозяйстве: тезисы докладов международной научно-технической конференции, - М,: ВИОСХ, 1998, - Ч, 1, - С, 44 - 46,

3. Афанасьев В, А, Руководство по технологии комбикормовой продукции с основами кормления животных, — Воронеж, 2007, — 183 с,

4. Афанасьев В, А, Руководство по технологии комбикормов, белково-витаминно-минеральных концентратов и премиксов, — Воронеж: Элист, 2008, — Т, 2, — 295 с,

5. Богословский, С,В, Физические свойства газов и жидкостей, — СПб,: СПбГУАП, 2001, — 73 с,

6. Бордовицын А,М, Совершенствование процесса сушки свекловичного жома перегретым паром для получения пектина: дис, канд, техн, наук, — Воронеж: ВГУИТ, 2020,

7. Бродянский В,М,, Эксергетический анализ и его приложения [Текст] / В,М, Бродянский, В, Фратшер, К, Михалек, - М,: Энергоатомиздат, 1988 - 288 с,

8. Бубнов А,Р, Кинетика процесса сушки свекловичной стружки в барабанной сушилке с канальной насадкой // Материалы LX отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2021 год: в 3 ч, Ч, 2 / под ред, О,С, Корнеевой, - Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2022, - С, 18,

9. Бубнов А,Р,, Дранников А,В,, Овсянников В,Ю, Двухсекционная барабанная сушильная установка с комбинированным энергоподводом // Инновационные технологии пищевых производств: сборник тезисов докладов IV Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием)

студентов, аспирантов и молодых ученых, - Севастополь: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Севастопольский государственный университет", 2021, - С, 24-26,

10. Бубнов А,Р,, Дранников А,В, Обоснование использования свекловичной стружки в качестве корма для кормления КРС // Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение: сборник научных статей и докладов VIII Международной научно-практической конференции, - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», 2022, - С, 413-415,

11. Булеков, А,П, Эксергетическая оценка эффективности работы сушильных установок // Современные энергосберегающие тепловые технологии,

— М,: МГАУ, 2011, — С, 255-258,

12. Варгафтик, Н,Б, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, — М,: Наука, 1972, — 720 с,

13. Ведерникова, М, И, Тепловые и массообменные процессы : учебно-методическое пособие / М, И, Ведерникова, Л, Г, Старцева, И, К, Гиндулин ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский государственный лесотехнический университет, - Екатеринбург, 2023, - 158 с, : ил,

- ISBN 978-5-94984-887-6, - Текст : электронный,

14. Вторичные материальные ресурсы пищевой промышленности : (Образование и использ,), Справочник / [В, А, Аракелова, В, И, Комаров, И, П, Лепешкин и др,; Гл, редкол,: А, Е, Юрченко (гл, ред,) и др,], - Москва : Экономика, 1984, - 327 с, : ил,; 22 см,; ISBN В пер, (В пер,) : 1 р, 70 к,

15. Вода в дисперсных системах / [Б, В, Дерягин, Н, В, Чураев, Ф, Д, Овчаренко и др,]; Под ред, Б, В, Дерягина и др, - Москва : Химия, 1989, - 285,[1] с, : ил,; 22 см,; ISBN 5-7245-0333-6 (В пер,) :

16. Гинзбург А, С, (д-р техн, наук) Основы теории и техники сушки пищевых продуктов [Для вузов по специальностям пищевой пром-сти], — Москва : Пищевая пром-сть, 1973, — 528 с,, 1 отд, л, диагр, черт,; 22,

17. Голубев И,Г,, Шванская И,А,, Коноваленко Л,Ю,, Лопатников М,В, Р 45 Рециклинг отходов в АПК: справочник, — М,: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011, - 296 с,

18. ГОСТ 28497-2014, Корма, комбикорма, Метод определения крошимости гранул, - Введ, 01,01,2016, - Взамен ГОСТ 28497-90, - М,: Стандартинформ, 2020, - 12 с,

19. ГОСТ 31532-2012, Энергосбережение, Энергетическая эффективность, Состав показателей, Общие положения [Электронный ресурс], — URL: https://docs,cntd,ru/document/1200101585 (дата обращения: 25,10,2023),

20. Грачев Ю,П,, Тубольцев А,К, Моделирование и оптимизация тепло- и массообменных процессов пищевых производств, — М,: Легкая и пищевая пром-сть, 1984, — 215 с,

21. Григорьев В,В,, Быстров С,В,, Бойков В,И,, Болтунов Г,И,, Мансурова О,К, Цифровые системы управления: учебное пособие, - СПб,: СПбГУ ИТМО, 2011, - 133 с,

22. Гуляев, В,Н, Справочник технолога пищеконцентратного и овощесушильного производства [Текст] / В,Н, Гуляев, Н,В, Дремина, З,А, Кац [и др,], - М,: Легкая и пищевая промышленность, 1984, - 488 с,

23. Диагностика надежности, точности и устойчивости сложной технологической системы кормопроизводства // Сборник трудов XXI Международной конференции, — Саратов: СГТУ, 2008, — С, 134-136,

24. Дранников А,В,, Бубнов А,Р,, Волков А,А,, Путилина Л,Н, Обоснование режимов сушки свекловичной стружки в барабанной сушилке с канальными насадками // Инновационные решения при производстве продуктов питания из растительного сырья: сборник научных статей и докладов IV Международной научно-практической конференции, - Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2022, - С, 84-86,

25. Дранников А, В,, Бубнов А, Р,, Ситников Н, Ю, Определение рациональных режимов работы пресс-гранулятора при производстве

гранулированной свекловичной стружки // Известия высших учебных заведений, Пищевая технология, - 2025, - № 2-3 (400), - С, 98-103, - УДК 636,085,552,

26. Дранников А,В,, Овсянников В,Ю,, Ситников Н,Ю,, Бубнов А,Р,, Дубровин А,С, Определение рациональных режимов работы пресс-гранулятора при производстве амидоминерального гранулированного свекловичного жома // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, -2022, - Т, 84, № 1 (91), - С, 17-23, - ISSN 2226-910X,

27. Дранников А, В,, Ситников Н, Ю,, Бубнов А, Р, Способ управления и линия производства гранулированной свекловичной стружки, обогащенной мучными отрубями // Технологии, машины и оборудование для проектирования, строительства объектов АПК : сборник научных статей 3-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и бакалавров (Курск, 14 марта 2025 г,), - Курск : ЗАО «Университетская книга», 2025, - С, 499-502,

28. Дранников А, В,, Ситников Н, Ю,, Бубнов А, Р,, Овсянников В, Ю,, Полянский К, К, Математическая интерпретация кинетических закономерностей сушки свекловичной стружки // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, - 2025, - Т, 87, №2 1 (103), - С, 38-46, - УДК 664,8,047, - ISSN 2226-910X,

29. Дранников А,В, Энергетический анализ технологических режимов жомосушильной установки в тепловой схеме сахарного завода // Известия высших учебных заведений, Пищевая технология, - 2011, - № 4 (322), - С, 78-81, - ISSN 0579-3009,

30. Дранников А,В,, Харченков К,В,, Бубнов А,Р, Рациональные параметры сушки свекловичной стружки в потоке // Материалы LXI отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2022 год: в 3 ч, - Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2023, - С, 28-29,

31. Дранников А,В,, Харченков К,В,, Бубнов А,Р, Способ получения сухой свекловичной стружки с добавлением мучных отрубей // Материалы LXII отчетной

научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2023 год,

- Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2024, - С, 12,

32. Дранников А,В,, Шаршов В,Н,, Бубнов А,Р, Обоснование использования двухсекционного смесителя кормов при производстве сухой свекловичной стружки с добавлением мучных отрубей // Научно-техническое творчество по процессам и оборудованию пищевых производств: сборник тезисов докладов II Всероссийской (с международным участием) научно-практической интернет-конференции преподавателей, молодых ученых и студентов, посвященной 300-летней годовщине Российской академии наук, - Донецк: ФГБОУ ВО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского», 2024, - С, 77-79,

33. Дульнев Г, Н,, Тихонов С, В, Основы теории тепломассообмена, - СПб: СПбГУИТМО, 2010, - 93с,

34. Дыганова Р,Я,, Шипков В,П,: Оценка энергетической ценности использования отходов свеклосахарной промышленности // Известия Самарского научного центра РАН, 2016, Т, 18, №4-5, С, 893-895,

35. Использование вторичных энергоресурсов свеклосахарных заводов в производстве сушеного жома / [Орлов В,Д,, Заборсин А,Ф,], — М, : АгроНИИТЭИПП, 1987, — , 37 с, ил,; 20, — (Пищевая промышленность),

36. Калашников, Г,В, Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов [Текст] / Г,В, Калашников, А,Н, Остриков, - Воронеж: Изд, Воронежского университета, 2001 - 356 с,

37. Кожарова Л, С, Основы комбикормового производства учеб, для образоват, учреждений нач, проф, образования / Л, С, Кожарова; М-во образования Рос, Федерации, Ин-т развития проф, образования, — [Изд, 2-е,, доп, и перераб,],

— М, : Пищепромиздат, 2004, — 287 с,, [4] л, цв, ил, ил,, табл,, цв, ил,; 22, — ISBN 5-89703-085-5,

38. Кокина, Н, Р, Оборудование для сушки пищевых продуктов : учебное пособие / Н, Р, Кокина, О, В, Чагин, В, В, Пастин, — Иваново : ИГХТУ, 2007, —

138 с, — ISBN 5-230-01593-4, — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система, — URL: https://e,lanbook,com/book/4497 (дата обращения: 11,04,2025), — Режим доступа: для авториз, пользователей,

39. Кошак Ж,, Кошак А, Влияние состава комбикормов на удельную энергоемкость процесса гранулирования // Комбикорма, - 2012, - № 2, - С, 63-64,

- ISSN 2413-287X,

40. Котова Д, Л, Термический анализ ионообменных материалов / Д,Л, Котова, В,Ф, Селеменев; М-во образования Рос, Федерации, Воронеж, гос, ун-т, Открытое АО "Пур-Лэнд", — М, : Наука, 2002, — 155,[1] с, ил,; 23, — ISBN 5-02006509-2,

41. Кретов И,Т,, Кравченко В,М,, Дранников А,В, Исследование процесса сушки высоковлажных пищевых продуктов с активной гидродинамикой слоя продукта в среде перегретого пара // Материалы XL отчетной научной конференции за 2001 год: в 3 ч, Ч, 1, - Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2002, - С, 232-233,

42. Лакомкин В,Ю,, Смородин С,Н,, Громова Е,Н, Тепломассообменное оборудование предприятий (сушильные установки): учебное пособие, - Санкт-Петербург: Ризограф Высшей школы технологии и энергетики СПбГУПТД, 2016,

- 141 с,

43. Линия гранулирования комбикормов [Электронный ресурс], — URL: http://www,belpg,com/equipment,php?CategoryID=21 (дата обращения: 25,10,2023),

44. Лопастной одновальный смеситель периодического действия [Электронный ресурс] / ОАО "ВНИИКП", — URL: https://oaovnnkp,ru/obomdovanie/smeshivanie/smesitel-lopastnoy-odnovalnyy-periodicheskogo-deystviya,html (дата обращения: 25,10,2023)

45. Назаров С,А, Комбинированный теплопровод при сушке сыпучих материалов // Материалы LVI отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2017 год: в 3 ч, Ч, 2; под ред, С,Т, Антипова, Воронеж: ВГУИТ, 2018, С, 138,

46. Научно-практические основы комплексной переработки свекловичного жома / А, В, Дранников, A, А, Щевцов, А, Р, Бубнов, А, М, Бородавицын, - Воронеж : ВГУИТ, 2022Библиогр,: с, 155-175 (211 назв,),

47. Некрасов, Р, В, Расчет адресных рецептов комбикормов для коров / Р, В, Некрасов, А, А, Аникин // Комбикорма, - 2021, - № 1, - С, 40-43,

48. Нестеренко, Алексей Владимирович, Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха [Текст] : [Учеб, пособие для фак, "Теплогазоснабжение и вентиляция" инж,-строит, вузов], — 3-е изд,, перераб, и доп, — Москва : Высш, школа, 1971, — 459 с,, 2 л, диагр,, 3 отд, л, черт, : ил, : 22 см,

49. Овсянников В,Ю,, Бубнов А,Р,, Дранникова Н,Е, Определение угла наклона отверстий в матрице гранулятора комбикормов // Моделирование энергоинформационных процессов: сборник статей X национальной научно-практической конференции с международным участием, - Воронеж: Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2022, - С, 197-199,

50. ОСТ 18-22-81, Жом сушеный, Технические условия [Электронный ресурс], — Введ, 1981,

51. Патент РФ № RU2764923C1/ Двухсекционный смеситель кормов / Дранников А,В,, Дерканосова А,А,, Торшина А,А,, Курчаева Е,Е,, Ориничева А,А,, Бубнов А,Р,, Сапелкин И,А,, Дубровин А,С,; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий», — № заявки 2021109964; заявлено 12,04,2021; опубл, 24,01,2022, — URL: https://patents,google,com/patent/RU2764923C1 (дата обращения: 01,07,2024),

52. Патент РФ № RU2804859C1, Дранников А,В,, Антипов С,Т,, Коробова Л, А,, Бубнов А,Р,, Китаев Е,Н, /Способ производства сухой свекловичной стружки с добавлением мучных отрубей / А,В, Дранников, С,Т, Антипов, Л,А, Коробова, А,Р, Бубнов, Е,Н, Китаев; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский

государственный университет инженерных технологий», — № заявки 2022127330; заявл, 21,10,2022; опубл, 06,10,2023, — URL: https://patents

53. Патент РФ №2702939C1, Дранников А,В,, Шевцов А,А,, Куцов С,В,, Квасов А,В,, Бубнов А,Р, Барабанная сушилка: / заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО "ВГУИТ", — № заявки 2018126027; заявл, 16,07,2018; опубл, 14,10,2019, — МПК F26B 11/04 (2006,01),

54. Патент РФ № 234649 U1, Бубнов А,Р, Пресс-гранулятор РФ : МПК B30B 11/20, B30B 15/14 / А, Р, Бубнов ; патентообладатель ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», — № заявки 2024131266 ; заявл, 17,10,2024 ; опубл, 04,06,2025, Бюл, № 16,

55. Пономарев, А,В, Анализ термодинамической эффективности технологии комбикормов [Текст] / А,В, Пономарев, А,А, Шевцов, Л,И, Лыткина // Материалы III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)», - Воронеж: ВГТА, 2009, - Т, 2, - С, 319-321,

56. Процессы и аппараты пищевых производств, Кн, 1 / А,Н, Остриков, Ю,В, Красовицкий, А,А, Шевцов и др,: под, Ред, А,Н, Острикова, - С-Пб,: ГИОРД, 2007, - 704 с,

57. Сажин, Б,С,, Эксергетический метод в химической техно-логии [Текст] Б,С, Сажин, А,П, Булеков, - М,: Химия, 1992, - 208 с,

58. Смешивание компонентов комбикормов [Электронный ресурс], — URL: https://agro-matik,ru/assets/img/upload/2018/11/02/smeshivaniye-komponentov-kombikormov,pdf (дата обращения: 25,10,2023),

59. Совершенствование технологии переработки сельскохозяйственного сырья [Электронный ресурс], — URL: http://vernadsky,tstu,ru/pdf/2011/01/61,pdf (дата обращения: 25,10,2023),

60. Суслов В,А,Тепломассообмен:учебное пособие,- 3-е изд-е, перераб, и доп, /гоу впо СПБПУРП, СПб,, 2008,- 120 с,: ил, 74,- ISBN 5-230-14398-3

61. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве [Текст] / П,А, Жучков - д, т, н, - Москва : Лесная пром-сть, 1978, - 407 с, : ил,; 22 см,

62. Технологии и оборудование для производства комбикормов и премиксов : учебное пособие / В, И, Пахомов, Д, В, Рудой, С, В, Брагинец [и др,] ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", — Ростов-на-Дону : ДГТУ, 2019, — 227 с, : ил,, табл,,; ISBN 978-5-7890-1678-7,

63. Чубик, И,А, Справочник по теплофизическим свойствам пищевых продуктов и полуфабрикатов [Текст] / И, А, Чубик, А,М, Маслов, - М,: Пищевая промышленность, 1970, - 184 с,

64. Шаргут, Ян, Эксергия [Текст] / Я, Шаргут, Р, Петела ; Пер, с польск, Ю, И, Батурина и Д, Ф, Стржижовского ; Под ред, д-ра техн, наук В, М, Бродянского,

— Изд, перераб, и доп, — Москва : Энергия, 1968, — 279 с,, 2 л, черт, : ил, : 27 см,

65. Шевцов А,А,, Дранников А,В,, Востроилов А,В,, Курчаева Е,Е,, Дерканосова А,А,, Торшина А,А, Разработка технологии получения высокоэффективных полнорационных гранулированных комбикормов, Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2020;82(2): 137-145, https://doi,org/10,20914/2310-1202-2020-2-137-145

66. Шишацкий Ю,И,, Голубятников Е,И, Техника сушки пектиносодержащего растительного сырья — свекловичного жома // Вопросы современной науки и практики, Университет им, В,И, Вернадского, — 2011, — № 1 (32), — С, 391-402,

67. Щеренко, А,П, Развитие научных основ и техники комплексного энергосбережения процессов сахарного производства : дис, д-ра техн, наук в форме науч, докл, : 05,18,12 / Щеренко Александр Павлович, -Москва, 2002, - 64 с,

68. Янтовский, Е,И, Потоки энергии и эксергии [Текст] / Е,И, Янтовский,

- Москва: Наука, 1988, - 144 с,

69. Andersson, V, Beet pulp drying using pressurized superheated steam // Int, Sugar J, — 1999, — Vol, 101, N 1207, — P, 340-344,

70. EnerDry, Каталог продукции 2020 [Электронный ресурс], — URL: https://enerdry,eu/wp-content/uploads/2020/04/FOLDER-EnerDry-2020-russia,pdf (дата обращения: 25,10,2023),

71. Hepbasli A, Exergoeconomic analysis of plum drying in a heat pump conveyor dryer // Drying Technology, 2010, V, 28, P, 1385-1395,

П P И Л О Ж Е Н И Я

Расчет капиталовложений в проект

Капитальные затраты на создание и внедрение проекта, которые могут направляться на проектирование, изготовление и монтаж оборудования, покупку комплектующих и технологических средств, обеспечение дополнительными производственными площадями и инфраструктурой, определяются по формуле:

к = к + к + к + к + к + к - к , (1)

б в и с п д о' V/

где Кб— балансовая стоимость основного оборудования, дополнительно установленного по проекту, включающая расходы на приобретение (изготовление), транспортировку, хранение, монтаж, наладку и др,, тыс,р,;

Кв — стоимость вспомогательного и резервного оборудования, тыс,р,, Кв

= 0;

0;

Ки — затраты на создание дополнительной инфраструктуры, тыс,р,, Ки =

Кс— стоимость зданий и помещений, дополнительно необходимых при реализации проекта, тыс,р,, Кс=0;

Кп — производственные затраты, включающие расходы на проектирование и разработку, тыс,р;

Кд— стоимость демонтируемых основных производственных фондов, равная разнице между их остаточной стоимостью и выручкой от их реализации, тыс,р,,

Кд = 0; Ко — экономия капиталовложений за счет реализации оборудования, технических средств демонтируемых при реализации проекта, тыс,р,, Ко = 0,

Для расчёта составляющих формулы (1) необходимо провести дополнительные расчёты, причём используемые материалы и трудовые ресурсы целесообразно учитывать по действующим рыночным ценам,

Для реализации данного проекта необходимо приобрести новое оборудование, а также изготовить отдельные узлы и механизмы, При определении величины балансовой стоимости основного оборудования Кб учитываются затраты на приобретение нового оборудования, а также затраты на изготовление новых

механизмов, При расчёте последних учитываются использованные материальные ресурсы, а также трудовые затраты, т,е, прямые затраты на изготовление оборудования, и накладные расходы,

Затраты материальных ресурсов, связанные с приобретением сырья, материалов и комплектующих, находятся путём суммирования затрат на приобретение отдельных материалов,

Таблица 1 - Исходные данные для технико-экономических расчётов

Показатель Обозначение Ед, изм, Значение

1 2 3 4

1, Объём производства Впр т/г 225

2, Цена реализации единицы продукции Ц1 р/т 19 600

3, Проектируемая цена реализации единицы продукции Ц2 р 19 578

4, Себестоимость единицы продукции Спр р, 17 800

5, Норматив амортизационных отчислений На % 15

6, Норматив затрат на ремонт Нр % 5

7, Капиталовложения Кб+Кв тыс,р,

8, Режим работы предприятия (продолжительность работы энергопотребляющих устройств и оборудования) Тн ч/год 2920

9, Действующие цены приобретения используемых ресурсов: - электроэнергия Цэ р,/кВт-ч 6,5

10, Стоимость 1 чел,-часа проектных работ Цчч р, 1200

11, Норматив расхода на текущий ремонт, содержание и амортизацию Нар % 6

12, Среднеотраслевая экономическая эффективность капитальных затрат Ен % 15

Таблица 2- Расчёт материальных расходов, связанных с приобретением сырья,

материалов и комплектующих

Наименование технических средств Единица Цена единицы, Расход на Стоимость потреблённых ресурсов, р,

измерения P, единицу

Сырьё и материалы

Лист 12Х18Н10Т 1000х2000х3 мм кг 560 120 67200

Труба 100х50х3 Ст3сп м 450 11 4950

Труба 130х10 Ст3 м 200 1,5 300

Труба 35х3 Ст3 м 93 1 93

Круг 65 ГОСТ 25902006 Ст20Х м 4 1770 7080

Лист Ст3 1250х2500х3 мм кг 80 500 40000

Пружина сжатия БТЛМО (1x8x25x11,2 -нержавеющая сталь) шт 1 279 1 1279

Электроды пачка 405 5 2025

Балон с аргоном л 690 50 3450

Всего (Зм) 126 377

Таблица 3, Расчёт трудозатрат и средств на оплату труда

Виды работ Тарифный Трудоемкос Часовая Тарифный

разряд ть, чел, ч тарифная фонд

ставка, р, оплаты

труда, р,

Станочные, всего

в том числе:

- токарные 5 10 500 5000

- электроимпульсные 5 10 500 5000

Сварочные 5 45 500 22500

Сборочные 6 30 500 15000

Итого ( Зтр ) 47500

В таблице 3 Производится расчет средств на оплату труда основных работников, Однако, значение данного показателя должно быть скорректировано с учетом начислений и дополнительной заработной платы

З =ЗЯр К , (2)

где Кз - коэффициент, учитывающий дополнительную зарплату и начисления, В расчетах следует использовать Кз = 2,0 ,

З0 = 47500 2 = 95000 р,

Таким образом, полная себестоимость изготовления оборудования составит:

Спол = (1 + Кн ) • (Зм + Зо ) , (3)

где Кн - коэффициент, учитывающий накладные расходы (Кн = 2,0 - 3,0 ),

Спол = (1+2)(126377+95000)= 664 131 руб

Таблица 4 - Примерная номенклатура приобретаемых технических средств

Наименование, марка Цена, P, Количест во, шт, Стоимость приобретаемого, тыс, р,

вентилятор: марка ВЦ-6-28 93400 2 186 800

Электродвигатель АИР 250Б4 с N=75 кВт 150000 2 300000

калорифер КПСк 4-12 48733 4 194932

Электродвигатель АИР100L8Р3 16500 1 16500

Итого 698232

Затраты на проектирование (Кп) следует определять исходя из трудоемкости проектных работ и средней стоимости одного человеко-часа проектных работ:

К = Т - Ц (4)

п п "чч \ /

где Тп - трудоемкость проектных работ, чел, Ч,

Тп = Ч-В-8 (5)

где Ч - количество проектировщиков, чел, (находится путем экспертной оценки);

В - длительность проектирования, рабочих дней (находится путем экспертной оценки);

8 - длительность рабочего дня проектировщика, ч,

Тп = 1x10x8 = 75 челхч Кп = 80x1200 = 96 000 р Таким образом капитальные затраты на создание и внедрение проекта составляют

К = 664 131+96 000+698232= 1 458 363 р,

Расчет годового экономического эффекта и показателя эффективности капиталовложений

Прирост прибыли предприятия (ЬЛ), измеряемый в тыс, р,/год,

обусловленный реализацией проекта, определяется следующим образом:

Мй = (Ц 2 - С2)- В2 - (Ц - С,)- В,, (6)

где ц , ц -цена полученной продукции до и после внедрения проекта, тыс,

р>;

С - себестоимость продукции до внедрения проекта, тыс, р, АПп = (19 600-14000)-225-(19 600-17 800) 225 = 854550 руб/год

Расчетный срок окупаемости капиталовложений в проект (То) с момента начала его реализации определяется по следующей формуле:

Т =К (7)

о ап

То = 1458363/854550 = 1,7 г

Показатель эффективности капиталовложений Р, %, в проекте определяется по следующей формуле:

р = — -100 , (8)

К

р = ^54550.1оо = 58%

1458363

Результаты расчета экономической эффективности реализации проекта сводятся в таблицу, причем, в данной таблице проводится сравнительный анализ только таких показателей, значение которых изменились в результате реализации проекта,

По данным таблицы 5 Делается вывод о целесообразности и эффективности реализации проекта и эффективности капиталовложений в проект,

Таблица 5 - Результаты реализации проекта

Наименование показателей Величина показателя

До внедрения проекта После внедрения проекта Изменение показателя (+, -)

Объем производства, т, 225 225 0

Себестоимость единицы продукции, тыс, р,/ед, 17 800 14 000 -3 800

Цена единицы продукции, тыс, р,/ед, 19 600 19 600 0

Выручка от реализации, млн, р, 4,41 4,41 0

Полная себестоимость продукции, млн, р, 4 3,15 -0,85

Прибыль от реализации, млн, р, 0,41 1,26 +0,85

Рентабельность продукции, % 28 86 +58

Сумма капитальных вложений, тыс, р, - 1 459 -

Срок окупаемости капиталовложений, лет - 1,7 -

Рентабельность капиталовложений, % - 58 -

Основываясь на данные таблицы 5 делаем вывод, что предложенный проект является экономически выгодным за счет уменьшения себестоимости продукта, в следствии установлении рациональных режимов работы, Следовательно, увеличилась прибыль от реализации продукции,

Методика получения критериального уравнения методом наименьших квадратов для периода постоянной скорости сушки

Для математического описания процесса теплообмена в период постоянной скорости сушки был проведён комплекс экспериментов на лабораторной барабанной сушилке со следующими параметрами: длина £=1,3 м, диаметр .0=0,35 м, частота вращения п=0,5-1,5об/мин. В качестве объектов исследования использовались свекловичная стружка (характерный эквивалентный диаметр ёэкв.стр=2.0-10-3м) и пшеничные отруби ^экв.отр=1.0-10-3).

Варьируемыми параметрами являлись:

- Скорость сушильного агента (воздуха), w 3- 5 м/с.

- Температура воздуха на входе, Тв: 403-413 К.

- Степень загрузки барабана: 10-30%, что соответствовало толщине слоя материала 3 от 0.03 - 0.07 м.

Для каждого установившегося режима фиксировались температура материала Тм, которая в периоде постоянной скорости приближалась к температуре мокрого термометра и составляла ~403 К, и коэффициент теплоотдачи а, рассчитанный из уравнения теплового баланса.

В результате было получено 5 ключевых экспериментальных точек, представленных в Таблице 6.

Таблица 6. Исходные экспериментальные данные

№ опыта w, м/с Тп, К Тм, К 5, м а, Вт/(м2К) Материал

1 3.0 403 313 0.03 105.2 Стружка

2 4.0 408 313 0.05 165.8 Стружка

3 5.0 413 313 0.07 241.5 Стружка

4 3.5 408 313 0.04 61.8 Отруби

5 4.5 413 313 0.06 87.3 Отруби

Для дальнейших расчётов приняты следующие физические свойства воздуха при средней температуре процесса (~403 К): коэффициент теплопроводности Явозд=0,031 Вт/(мК), плотность рвозд=0.95кг/м3, динамическая вязкость ^возд=2.18-10-5 Пас.

Расчёт безразмерных критериев подобия

Для обработки результатов методом подобия были вычислены следующие определяющие комплексы для каждого опыта:

Критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплообмена:

Ш =-^ (9)

X

возд

Критерий Рейнольдса, описывающий гидродинамический режим:

о - ю - ё

Яв = ^-— (10)

и

г возд

Температурный симплекс, учитывающий влияние разности температур:

Т

^ (11)

м

Геометрический симплекс, учитывающий толщину слоя материала:

с

У = - (12)

Б

Результаты расчётов представлены в Таблице 7.

Таблица 7. Расчётные значения безразмерных критериев

№ Яв Ыи Т п Т м 7

1 261 6.79 1.288 0.0857

2 348 10.70 1.304 0.1429

3 435 15.58 1.319 0.2000

4 152 1.99 1.304 0.1143

5 196 2.82 1.319 0.1714

Линеаризация зависимости и применение метода наименьших квадратов Согласно теории подобия, связь между критериями в процессах конвективного теплообмена часто имеет степенной вид. Была принята следующая структура обобщающего уравнения:

№ = С - Явт -

/гр V _п

Т

V Тм У

-уР

где С,т,п,р — неизвестные постоянные коэффициенты.

Для определения коэффициентов методом наименьших квадратов (МНК) уравнение было линеаризовано путём логарифмирования:

ln (Nu) = ln( C) + m ■ ln(Re) + n -ln Введя замену переменных:

ij \ _п

Т

V м у

+ p-ln( у ) (14)

(т Л

Y = ln(Nu)= ln (Re),X2 = ln T ,X3 = ln (у),B = ln (C) (15)

V Тм у

получили уравнение множественной линейной регрессии:

У = т^! + + рХ + В Логарифмы рассчитанных критериев сведены в Таблицу 8

(16)

Таблица 8. Логарифмы критериев для расчёта по МНК

№ Y = ln (Nu) X = ln (Re) (т Л X = ln — V Тм у X = ln (у)

1 1.915 5.565 0.253 -2.456

2 2.370 5.852 0.266 -1.946

3 2.746 6.075 0.277 -1.609

4 0.688 5.024 0.266 -2.169

5 1.036 5.278 0.277 -1.763

Согласно МНК, коэффициенты уравнения находятся из условия минимума суммы квадратов отклонений, что приводит к системе нормальных уравнений. Для случая трёх независимых переменных система имеет вид:

(IX2) m+(! XX) n+(! XX) p + (! X!) в = !( хх)

(IXX2) m + (I X2) n + (I Х2Хз) p + (I X2) B = I( X2Y) (I X!X3) m + (I X2X3) n + (I X32) p + (I X3) B = I( X3Y) (IX1) m + (I X2) n + (I X3) p + k-B = I Y

(17)

<

где к=5 — число опытов.

По данным Таблицы 8 были рассчитаны все необходимые суммы таблица 9.

Таблица 9. Суммы для составления системы нормальных уравнений

Сумма Значение Сумма Значение

Е У 8.755 Е х1х2 7.469

i 27.794 Е Х1Х3 -55.143

Е Х2 1.339 Е х2х3 -2.667

Е Х3 -9.943 х,У 50.127

I х2 155.057 Х2У 2.357

I х2 0.359 х3у -17.924

Е х2 20.151 к 5

Решение системы и нахождение коэффициентов

Подстановка значений из Таблицы 9 в систему даёт следующую систему линейных алгебраических уравнений:

155,057т + 7,469п - 55,143р + 27,794В = 50,127

7,469т + 0,359п - 2,667р + 1,339В = 2,357 , , , Р , , (18) -55,143т - 2,667п + 20,151р - 9,943В = -17,924

27,794т + 1,339п9,943р + 5 • В = 8,755

Решение системы было выполнено матричным методом с использованием математического пакета. В результате были получены искомые коэффициенты:

т = 1,92;п = 1,5; р = 0,1; В = 1,704 (19)

Постоянный коэффициент С в исходном уравнении определяется через найденный В:

С = еВ = е1704 « 5,5 (20)

Итоговое критериальное уравнение и проверка адекватности Подстановка найденных коэффициентов в уравнение (3.1) позволяет сформулировать итоговое критериальное уравнение для периода постоянной скорости сушки в барабанной сушилке:

Ип = 5,5Яе

1,92

Г т Л1,5

_п_

_

V м у

Г0'1 (21)

Для проверки адекватности модели по уравнению (3.6) были рассчитаны значения критерия Нуссельта (Лгмрасч) для всех опытных точек. В Таблице 10 представлено сравнение экспериментальных и расчётных данных, а также относительная погрешность.

Таблица 10. Проверка адекватности уравнения

№ №эксп Ыпрасч Относительная погрешность, в, %

1 6.79 6.81 0.29

2 10.70 10.72 0.19

3 15.58 15.62 0.26

4 1.99 2.02 1.51

5 2.82 2.86 1.42

Как видно из Таблицы 10, максимальная относительная погрешность не превышает 1.5%, а средняя погрешность составляет 0.73%. Высокий коэффициент детерминации (Л2>0.99), рассчитанный для данной модели, и малые значения в подтверждают, что уравнение с высокой степенью точности описывает экспериментальные данные и может быть использовано для инженерных расчётов и прогнозирования процесса теплообмена в исследуемом диапазоне режимных параметров.

Методика получения критериального уравнения для периода убывающей скорости сушки

Особенности эксперимента и структура искомого уравнения.

Период убывающей скорости характеризуется изменением влажности материала во времени. Поэтому, помимо ранее учтённых параметров, ключевой переменной становится текущая влажность материала Ж. В качестве характерного масштаба используется первая критическая влажность Жкр1, соответствующая переходу от постоянной к убывающей скорости. Таким образом, общая структура критериального уравнения принимает вид:

Ггг, V

Ш = С • Явт •

Т

_г

Т

V Тм у

•ур

Г V V «р! У

(22)

где С,т,п,р,д — неизвестные постоянные коэффициенты Экспериментальные данные и расчёт безразмерных комплексов Для данного периода были зафиксированы значения средней влажности материала Ж в различные моменты времени при сохранении ранее варьируемых режимных параметров (ю). Значение первой критической влажности Жкр1 для свекловичной стружки было принято равным 60% (0,6 в долях единицы), для пшеничных отрубей — 45% (0,45).

В Таблице 11 представлены исходные данные для пяти характерных точек периода убывающей скорости

Таблица 11. Исходные экспериментальные данные для периода убывающей скорости

№ опыта Ю, м/с Тп, К Тм, К 8, м Ж, % а, Вт/(м2К)

1 3.2 403 323 0.03 50.0 38.5

2 4.2 408 328 0.05 35.0 28.1

3 5.0 413 333 0.07 25.0 18.7

4 3.5 408 325 0.04 30.0 25.3

5 4.3 413 330 0.06 20.0 16.4

Таблица 12. Расчётные значения безразмерных критериев для периода убывающей

скорости

№ Re Nu 7п/7м Y W/Wkp1

1 279 2.48 1.248 0.0857 0.833

2 365 1.81 1.244 0.1429 0.583

3 435 1.21 1.240 0.2000 0.417

4 160 0.816 1.255 0.1143 0.667

5 197 0.529 1.252 0.1714 0.444

Линеаризация и формирование системы нормальных уравнений Проводим линеаризацию уравнения путём логарифмирования:

ln (Nu) = ln( C) + m ■ ln(Re) + n ■ ln Введя замену переменных:

ij \ _п

Т

v м у

+ p ■ ln( у) + q ■ ln

'W

W

V кр1 у

(23)

f T ^

Y = ln (Nu)= ln (Re),X2 = ln —^ ,X3 = ln (у),X4 = ln

v—м у

v w ,

V «р1 у

B = ln (C ) (24)

Получаем линейное уравнение с четырьмя независимыми переменными:

У = тХ + + рХ + ЯХ + в (25)

Таблица 13. Логарифмы критериев для расчёта по МНК (период убывающей скорости)

№ Y = ln (Nu) X = ln ( Re ) (т Л X = ln —L V—м у X3 = ln (у) X Г W 1 = ln W 4 W V кр1 у

1 0.908 5.631 0.221 -2.456 -0.182

2 0.593 5.900 0.218 -1.946 -0.539

3 0.191 6.075 0.215 -1.609 -0.875

4 -0.203 5.075 0.227 -2.169 -0.405

5 -0.637 5.283 0.225 -1.763 -0.812

Согласно МНК, для нахождения пяти

коэффициентов (т,и,р,д,В) необходимо составить и решить систему из пяти нормальных уравнений.

Общий вид системы для случая четырёх переменных:

'(Z X2) m + (Z ) n + (Z XX) p + (Z X:X4) q + (Z Xx) B = Z( X1Y) (Z X1X2) m + (Z X2) n + (Z X2X3) p + (Z X2X4) q + (Z X2) B = Z( X2Y ) (Z X1X3) m + (Z X2X3) n + (Z X32) p + (Z X3X4) q + (Z X3) B = Z( X3Y) (z Xi) m + (Z X2) n + (Z X3) p + (Z X4) q + k • B = Z Y

где k=5 — число опытов. Расчёт сумм и решение системы

На основе данных таблицы 14 рассчитываются все необходимые суммы.

Y = 0,852.X, = 27,964,X2 = 1,106,X3 = -9,943,X4 = -2,813 z X1Y = 5,240, z X4Y = -0,512

После подстановки всех сумм в систему и её решения матричным методом получаются следующие значения искомых коэффициентов:

m = 1,37;n = 1,37; p = 0,07;q = 0,17; B = In (C) = 1,952 (28)

Постоянный коэффициент:

С = eB = e1,952 « 7,04 (29)

Итоговое критериальное уравнение и анализ

Подставляя найденные коэффициенты в уравнение, получаем итоговое критериальное уравнение для периода убывающей скорости сушки:

(27)

Nu = 7,04Re

1,37

г т л1,37

_п

T

\ T м

У

0,07

/ \ 0,17

W

Жкр1

(30)

Проверка адекватности:

Re = 365; ^; у = 0,1429;— = 0,583 Т W

(31)

кр1

Nu

расч