Синтез процессов и оборудования экструзионной технологии для приготовления комбикормов
Совершенствование биотехнических систем пищевых производств и кормоприготовления. Расширение потребительских свойств производимых кормов. Преимущества переработки растительного сырья с помощью термопластической экструзии. Схема молотковой дробилки.
| Рубрика | Сельское, лесное хозяйство и землепользование |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.02.2018 |
| Размер файла | 516,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Синтез процессов и оборудования экструзионной технологии для приготовления комбикормов
05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства
Коротков Владислав Георгиевич
Оренбург 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»
Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор технических наук Карташов Лев Петрович
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Терехов Олег Николаевич
доктор технических наук, профессор Макаровская Зоя Вячеславовна
доктор технических наук, профессор Глебов Леонид Александрович
Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
Защита диссертации состоится «30» октября 2009 г. в «10» часов на заседании диссертационного совета Д 220.051.02 в ФГОУ ВПО Оренбургском государственном аграрном университете, 460795, ГПС, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Оренбургского государственного аграрного университета
Автореферат разослан «___»______________ 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета М.М. Константинов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Качество комбикормов является одним из основных факторов, определяющих развитие необходимых для страны отраслей, обеспечивающих население продуктами питания. При этом качество, сбалансированность и однородность комбикорма должны обеспечиваться современной технологией и организацией производства. В связи с этим, большой интерес представляют экструзионные технологии переработки сырья растительного происхождения.
Перспективность переработки растительного сырья с помощью термопластической экструзии обусловлена двумя основными причинами: во-первых, большим объемом и разнообразием продукции, производимой с помощью этой технологии, и, во-вторых, экономическим эффектом, который дает производство экструзионных продуктов за счет расширения потребительских свойств производимых кормов. Использование экструзии позволяет сделать процесс приготовления комбикорма легко контролируемым, универсальным по перерабатываемым полуфабрикатам и конечным продуктам.
Использование экструзионного оборудования для приготовления кормов эффективно, если хорошо развита инфраструктура кормоприготовления. Экструзионное оборудование не только расширяет ассортимент кормов, но и увеличивает занятость сельского населения в период межсезонья.
Получаемые в результате экструзионной переработки продукты сложны по химическому составу и обладают комплексом различных свойств, которые составляют в совокупности качество продукции и должны быть учтены при расчете процессов и оборудования и их совершенствовании. Одним из возможных путей ресурсосбережения является оптимизация технологической системы кормоприготовления за счет адекватного использования возможностей процессов, применяемых в этой системе.
Таким образом, разработка концепции синтеза процессов и оборудования для производства комбикормов на основе экструзионных технологий актуальна.
Работа выполнена в рамках темы «Совершенствование биотехнических систем пищевых производств и кормоприготовления» и включена в тематику НИР Оренбургского государственного университета на 1996 … 2008 гг., номер госрегистрации 01.960.005780.
Цель работы. Совершенствование системы процессов экструзионной обработки растительного сырья и технологического оборудования для получения комбикормов.
Задачи исследования:
1. На основе анализа разработать систему математических моделей описания основных процессов экструзионных технологий.
2. Сформировать комплекс параметров эффекта рассматриваемой системы.
3. Выполнить идентификацию и верификацию математических моделей, входящих в систему.
4. Провести многокритериальную оптимизацию системы.
5. Разработать технические решения рассмотренных процессов и провести экономическое обоснование проведенного параметрического синтеза системы.
Научная новизна. Основные научные результаты, составляющие новизну работы и выносимые на защиту, заключаются в следующем.
1 Разработано представление о напряженном состоянии среды рабочего пространства технологической машины как внутренней характеристике системы реализуемого процесса.
2 Создан комплекс математических моделей, описывающих процессы экструзионной технологии в составе: модели механического взаимодействия воздушно-вихревой зоны, воздушно-продуктового слоя между собой и рабочей камерой молотковой дробилки; модели взаимодействия многокомпонентной комбикормовой смеси с рабочими органами измельчителя-смесителя вертикального типа; модели процесса экструдирования комбикормов с учетом особенностей режима теплого экструдирования.
Разработан комплекс критериев, описывающих экструзионные технологии на этапе подготовки полуфабриката и непосредственно при экструдировании.
3 Подтверждена выдвинутая в работе гипотеза о взаимосвязи процесса разрушения с процессом смешивания в рабочей камере дробилки вертикального типа; получены зависимости, позволяющие прогнозировать однородность смеси и средневзвешенный размер частиц получаемого продукта.
4 Определены параметры воздушно-продуктового слоя молотковой ситовой дробилки; установлена необходимость наличия воздушно-продуктового слоя для ведения рационального процесса измельчения; определены параметры взаимодействия воздушно-продуктового слоя с рабочим пространством дробилки и ее рабочими органами; предложена методика, позволяющая прогнозировать модуль помола получаемого продукта.
5 Показана целесообразность применения метода векторной оптимизации для определения рациональных параметров роторного измельчителя.
6 Предложена оценка процесса экструдирования деформацией сдвига, которая определяет качество экструдата. Доказана возможность оценки рабочего процесса и состояния прессуемого продукта за счет изменения крутящего момента, возникающего на шнеке в зазоре компрессионного затвора.
7 Создана методологическая основа оптимального проектирования системы процессов экструзионной обработки растительного сырья и технологического оборудования для получения экструдата.
Практическую ценность имеют:
1 Сокращение энергозатрат на подготовку полуфабриката и экструдирование.
2 Новые конструкции оборудования и способы реализации технологических процессов, защищенные патентами РФ и принятые к производству предприятиями региона.
3 Программные средства для расчета основных рабочих параметров роторных ситовых измельчителей, измельчителей-смесителей с вертикальным вводом продукта, а также для расчета и оптимизации параметров процесса экструдирования.
4 Результаты оптимизации бездековых роторных дробилок с осевым вводом продукта; процессов измельчения и смешивания компонентов комбикорма в роторном измельчителе-смесителе вертикального типа.
5 Технологические режимы процессов измельчения, смешивания и экструдирования, повышающие качество экструдированных кормов.
Реализация результатов диссертационной работы. На основании полученных в результате научных исследований патентов РФ разработаны конструкции универсального пресса-экструдера, измельчителя ударно-истирающего действия и измельчителя-смесителя вертикального типа, принятые к производству ООО «Орстан» в 2006 году.
ПО «Стрела» с 1992 года выпускает центробежный двухроторный измельчитель Р3-МИЦ5, конструкция которого защищена патентом РФ, также полученным в настоящей работе.
В условиях ОАО по племенной работе «Оренбургское» на основе технологических линий, созданных на основании разработок автора, организовано кормление молодняка КРС экструдированными комбикормами. Использование линий экструдирования кормов в ряде хозяйств Оренбургской области, например СПК «Рассвет», колхоз им. Куйбышева, СПК «Новоуспеновский» и др. дало положительные результаты при кормлении животных и птицы. Применение этих линий одобрено ГНУ Всероссийского НИИ мясного скотоводства РАСХН.
На основании материалов работы разработано учебное пособие, рекомендованное профильным УМО для студентов специальностей, связанных с обработкой растительного сырья.
Результаты исследования опубликованы в 2003 году в монографии «Проектирование экструдеров для отраслей АПК» изданного под грифом УрО РАН.
На защиту выносятся следующие положения. Концептуальные основы разработки методик, технологических режимов и средств новой техники, эффективных экструзионных технологий.
Представление о напряженном состоянии рабочего пространства машины как о внутренней характеристике систем механических процессов зернопереработки.
Математические модели основных процессов экструзионных технологий, позволяющие производить их оптимизацию, и методики идентификации неизвестных внешних величин предложенных математических моделей.
Новые технико-технологические решения, улучшающие показатели экструдированных кормосмесей и снижающие энергозатраты, а также комплекс программных продуктов по оптимизации экструзионных технологий.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на международных научных и научно-практических конференциях в г. Москве в 1998-2000 гг.; на Российских научно-технических конференциях в 2000-2007 гг. в Казани, Оренбурге, Тольятти, Екатеринбурге, Мелеузе; семинарах Оренбургского государственного университета (1995-2008 гг.).
Теоретические и экспериментальные исследования с производственной реализацией результатов удостоены диплома лауреата премии Правительства Оренбургской области в сфере науки и техники за 2007 год; диплома международного научно-промышленного форума «Инновации 2002», проведенного администрацией Оренбургской области; диплома ярмарки-выставки «Меновой двор» за разработку высокоэффективных наукоемких технологий для перерабатывающей промышленности (2003 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 57 научных трудах (в том числе 14 статьях в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 монографии, 1 учебном пособии). Новизна технических решений защищена 24 патентами РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертации составляет 338 страниц, содержит 84 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 400 наименований, из них 57 на иностранных языках и приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе: «Анализ существующего состояния проблемы оптимального проектирования процессов экструзионных технологий» проведен анализ структуры технологических процессов производства комбикормов.
Рассмотрены существующие методы и теории измельчения, а также представлены классификации машин для измельчения различных материалов. На основании обзора установлено, что основными измельчителями зерна при производстве кормов являются молотковые и роторные дробилки.
Рассмотрены теоретические основы процесса разрушения различных твердых материалов, зерновых культур и других видов сырья, применяемых в зерноперерабатывающей промышленности.
Изучен вклад в проблему измельчения В.П. Горячкина, В.И. Сыроватки, С.В. Мельникова, А.П. Макарова, А.А. Зеленева, Г.И. Шуба, Л.А. Глебова, С.П. Джинджихадзе и других исследователей.
Проведен анализ конструктивных особенностей и режимов работы измельчающих машин. Выявлено, что изучено в основном измельчение единичной зерновки, а свойства воздушно-продуктового слоя исследованы неполно. Отмечена потребность в измельчителях небольшой производительности для фермерских хозяйств.
Проблема смешивания многокомпонентных смесей была достаточно полно изучена в работах В.В. Кафарова, А.И. Пелеева, А.М. Наследскова, Б.А. Комарова, Е.В. Алябьева, Ю.И. Макарова, В.И. Сыроватки, Г.М. Кукты, Ф. Стренка, З. Штербачека и других исследователей. Изложено состояние проблемы и дан анализ конструктивных особенностей смесителей и факторов, влияющих на процесс получения кормовых смесей.
Рассмотрены конструкции измельчителей-смесителей и способы их математического описания.
На основании анализа работ С.В. Мельникова, Я.М. Жислина, C.А. Бостанджияна, И.Э. Груздева, Б.М. Азарова, П.М. Василенко, Г.М. Кукты, Г.М. Медведева, В.А. Силина, А.Н. Богатырева, В.П. Юрьева, Дж. М. Харпера, Г. Шенкеля, З. Тадмора и других авторов дан обзор теорий прессования и экспериментальных исследований экструдирования материалов растительного происхождения. Показана возможность использования технологии экструдирования для приготовления кормовых продуктов. Проанализирована структура шнековых прессующих механизмов и их конструкций, применяемых для экструдирования кормовых и пищевых продуктов.
Рассмотрена проблема качества экструдированного продукта и обеспечения его связи с воздействием рабочих органов на прессуемый материал.
Выполнен обзор методов математического моделирования технологических объектов на основании работ Н.Н. Моисеева, А.А. Самарского, Ф.И. Перегудова, Ю.Н. Павловского, Г.С. Поспелова, В.Е. Руднева, В.Г. Гмошинского, Л.П. Карташова и др.
В соответствии с поставленной целью работы и проведенным анализом состояния вопроса сформулированы задачи исследования.
Во второй главе: «Формирование концепции синтеза экструзионных технологий» сформулированы принципы системного подхода к процессам, реализуемым в технологических линиях комбикормового производства.
За основу принят функционально-структурный подход, который позволяет наиболее эффективно использовать методы математического моделирования. Сформулирована основная гипотеза исследования, согласно которой в качестве внутренней характеристики системы выбрано энергетическое состояние среды в рабочем пространстве машины. Предполагается, что рабочее пространство равномерно заполнено обрабатываемым полуфабрикатом.
Эффективность любого процесса определяется тем количеством энергии, которое затрачивается для достижения требуемого технологического эффекта, то есть мощности, потребляемой рабочими органами при протекании процесса.
В свою очередь, часть энергии расходуется на преобразование потока, а часть расходуется на передачу движения потоку или рассеивается в виде теплоты.
Количество энергии в материале в данном месте рабочего пространства может служить мерой технологического процесса. При этом в большинстве технологических машин механическая энергия передается обрабатываемому материалу через контактные поверхности рабочих органов, а мерой передаваемой энергии является напряженное состояние элементарного объема обрабатываемого материала.
Проведен анализ механических процессов зернопереработки. На основании этого анализа сделан вывод, что из механических процессов наибольшее значение потребляемой энергии расходуется на группу процессов изменения исходного вещества (полуфабриката), среди которых наиболее энергоемкие: процесс измельчения, процесс смешивания, процесс уплотнения, на которые выделяется до 95 % всей подводимой энергии. Эти процессы являются основными в технологических линиях по переработке растительного сырья в АПК.
Остальные процессы (дозирование, сортирование, транспортирование) носят вспомогательную функцию и не могут рассматриваться как ресурсосберегающие.
Наиболее энергоемкие процессы: измельчение, смешивание, прессование и формование, были приняты в качестве ядра системы. Для этих процессов внутренней характеристикой является напряженное состояние полуфабриката в рабочем пространстве.
Количество механической энергии в единице объема рабочего пространства описывается интенсивностью напряженного состояния:
, (1)
где главное нормальное напряжение; главное касательное напряжение.
Величины, входящие в зависимость (1), описывают процесс, происходящий в рабочем пространстве машины. Таким образом, можно говорить о классификации механических процессов по энергетическому состоянию полуфабрикатов, характеризуемому интенсивностью напряженного состояния и соотношением главных касательных и главных нормальных напряжений.
Разработана классификация механических процессов в виде зависимости интенсивности напряженного состояния от отношения главного касательного напряжения к главному нормальному напряжению , представленная диаграммами на рисунке 1.
Рисунок 1 - Зависимость энергетического состояния в рабочем пространстве машины от характера напряженного состояния на контактной поверхности рабочих органов
Из диаграмм на рисунке 1 следует, что основные механические процессы производства комбикормов отличаются по своей сути величиной напряженного состояния среды рабочего пространства, то есть механической энергией, передаваемой в рабочее пространство от рабочих органов машин. Следовательно, возможно единообразное описание этих процессов, которое основано на характере нормальных и касательных напряжений, определенных на поверхностях рабочих органов.
Внутренняя характеристика определяет текущее значение выходных величин - параметров эффекта.
Для проведения эффективного синтеза машины параметры эффекта должны характеризовать масштаб процесса, его эффективность и качество полуфабриката.
Параметры эффекта имеют многоуровневую структуру. На первом уровне находятся параметры эффекта, определяемые непосредственно из внутренней характеристики системы, например, производительность, мощность сил полезного сопротивления.
На втором уровне - параметры эффекта, определяемые с помощью параметров эффекта первого уровня. На третьем уровне расположены параметры, определяемые с помощью параметров эффекта второго и первого уровней. молотковый дробилка корм экструзия
Многокритериальная оптимизация параметров эффекта машины сводится к отысканию максимума одного из параметров высшего уровня при выполнении ограничений, наложенных на остальные параметры эффекта.
Выполнение многокритериальной оптимизации вызывает изменение определенным образом величин, формирующих внутреннюю характеристику системы, чем достигается глобальное оптимальное проектное решение.
В третьей главе: «Совершенствование оборудования для измельчения исходного сырья» построена математическая модель и комплекс параметров эффекта процесса ударно-истирающего измельчения. Проведена экспериментальная проверка теоретических положений, выполнен параметрический синтез рабочего пространства проектируемой дробилки.
Рабочее пространство измельчителя ударно-истирающего принципа действия рассматривается как система, состоящая из подсистемы воздушно-вихревой зоны и подсистемы воздушно-продуктового слоя. Между ними имеется разделительная поверхность радиуса .
Создание математической модели основано на построении поля скоростей воздуха и продукта в рабочей камере измельчителя (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема взаимодействия молотка с воздушно-вихревой зоной и воздушно-продуктовым слоем: 1 - воздушно-вихревая зона, 2 - воздушно-продуктовый слой, 3 - сито, 4 - молоток
Получено распределение по радиусу окружных скоростей в воздушно-вихревой зоне при угловой скорости ротора в виде
. (2)
Распределение скоростей в воздушно-продуктовом слое имеет вид
. (3)
Неизвестное значение радиуса может быть найдено из уравнения равновесия воздушно-вихревого слоя
, (4)
где момент сопротивления среды движению ротора в воздушно-вихревой зоне; момент сил гидравлического сопротивления на границе воздушно-вихревой зоны и воздушно-продуктового слоя.
Выражая момент сил сопротивления движению молотка в воздушно-вихревой зоне на элементарном участке протяженностью для радиально расположенного молотка высотой через скорость обтекания молотка воздушным потоком , получим:
, (5)
где коэффициент гидравлического сопротивления движению молотка в воздушно-вихревом слое; высота молотка; плотность воздуха.
Момент сил гидравлического сопротивления на границе воздушно-вихревой зоны и воздушно-продуктового слоя при , можно определить выражением:
, (6)
где осевая протяженность рабочей зоны измельчителя;
- напряжение сдвига на границе воздушно-вихревой зоны и воздушно-продуктового слоя; абсолютная вязкость воздуха.
Уравнение (4) является уравнением внутренней характеристики подсистемы воздушно-вихревого слоя.
Примем, что поведение воздушно-продуктового слоя описывает модель ньютоновской жидкости, находящейся в поле сил инерции.
Основным уравнением внутренней характеристики подсистемы воздушно-продуктового слоя является уравнение баланса мощности сил в этом слое, которое, если пренебречь влиянием торцевых стенок, имеет вид
, (7)
где мощность, передаваемая ротором непосредственно воздушно-продуктовому слою;
мощность, передаваемая через границу воздушно- продуктового слоя и воздушно-вихревой зоны;
мощность, выделяемая воздушно-продуктовым слоем при трении о ситовую поверхность корпуса;
мощность, затрачиваемая на измельчение.
Мощность определим, рассмотрев движение молотков ротора в слое ньютоновской жидкости (рисунок 2).
Сила сопротивления движению молотка в воздушно-продуктовом слое на элементарном участке протяженностью радиально расположенного молотка высотой , выраженная через скорость обтекания молотка воздушно-продуктовым слоем , развивает мощность:
, (8)
где коэффициент гидравлического сопротивления движению молотка в воздушно-продуктовом слое; осредненная плотность воздушно-продуктового слоя.
Мощность определяется с помощью уравнений (3) и (6). Мощность сил трения о ситовую поверхность корпуса определена выражением
. (9)
Напряжение сдвига на боковой поверхности корпуса измельчителя определено зависимостью
, (10)
где коэффициент гидравлического сопротивления сита измельчителя вращению воздушно-продуктового слоя; окружная скорость воздушно-продуктового слоя при .
Определение трех первых слагаемых уравнения (7) позволяет вычислить величину мощности, затрачиваемой на измельчение продукта . Оптимизацию процесса измельчения проводили по следующим, предложенным нами, параметрам эффекта. Производительность характеризует масштаб процесса измельчения по материальному потоку. С учетом предположения адекватности воздушно-продуктового слоя ньютоновской жидкости, истекающей через отверстие в тонкой стенке (сито), производительность определится выражением вида
, (11)
где суммарная площадь ситовых отверстий;
коэффициент гидравлического сопротивления сита истечению продуктов измельчения (расхода через отверстие в тонкой стенке).
Мощность сил полезного сопротивления движению ротора дробилки характеризует масштаб процесса измельчения по затратам энергии:
, (12)
где сумма моментов сопротивления среды в соответствующих зонах рабочего пространства измельчителя.
Качество процесса по интенсивности оценивает время измельчения
, (13)
а по технологичности - путь измельчения
, (14)
где окружная скорость слоя на границе ; радиальная скорость слоя на границе .
Эффективность измельчения оценивает приведенная работа молотка
, (15)
где количество молотков на роторе.
Конструктивную эффективность рабочего пространства и режима измельчения оценивает кпд процесса
. (16)
Критерий степени измельчения - энергия , необходимая для образования единицы площади новой поверхности в единичном объеме измельчаемого материала выражена через площадь вновь образованной поверхности:
, (17)
где плотность материала зерна; размер частицы до измельчения; размер частицы после измельчения.
Выражение (17) также можно использовать для вычисления модуля измельчения, если полагать известной энергию . Она позволяет в процессе экспериментов изменять конструкцию ротора, устанавливать ситовые обечайки с разным диаметром и формой отверстий, изменять угловую скорость вращения ротора и подачу измельчаемого продукта. Неизвестные внешние величины модели определены следующим образом. Радиус внутренней границы воздушно-продуктового слоя определяли визуально. Скорость слоя рассчитывается по формуле (3) при .
Рисунок 3 - Экспериментальная лабораторная установка:
1 - ротор, 2 - планшайба, 3 - корпус, 4 - крышка, 5 - стержни, 6 - воздухонепроницаемый рукав, 7 - сменный ситовой цилиндр, 8 - деки, 9 - входной коллектор.
Измерение результирующего давления на сито с помощью тензочувствительного элемента позволяет вычислить плотность слоя по формуле:
, (18)
где - реактивное давление от сита; - давление воздуха на внутреннюю границу воздушно-продуктового слоя.
Коэффициент гидравлического сопротивления сита истечению продуктов измельчения определен на основе экспериментально измеренных величин из формулы (11); коэффициент гидравлического сопротивления движению молотка в воздушно-вихревой зоне нашли из уравнения (4) при подстановке в него всех известных и экспериментально полученных величин; коэффициент гидравлического сопротивления движению молотка в воздушно-продуктовом слое определили аналогично из формулы (8); коэффициент гидравлического сопротивления сита движению воздушно-продуктового слоя выражен зависимостью:
, (19)
где - крутящий момент, получаемый экспериментально.
Зная исходный средний размер частиц и средний размер частиц, прошедших через сито, энергию, расходуемую на образование единицы площади новых поверхностей, определяли из формулы (17).
Модель процесса ударно-истирающего измельчения верифицировали по значениям величин мощности сил полезного сопротивления и кпд процесса измельчения .
Статистическая обработка результатов экспериментов, проверка адекватности полученных уравнений осуществлены средствами электронных таблиц Excel 2000 и статистического пакета STADIA 6.0.
Для проведения имитационных и оптимизационных расчетов разработана программа «Роторный измельчитель», написанная на языке Delphi. Ее особенностью является возможность прямого и обратного счета технологических параметров процесса измельчения при имитационных расчетах.
Обработка результатов экспериментов дала следующие результаты с учетом коэффициента детерминации .
Коэффициент гидравлического сопротивления сита истечению продуктов измельчения
, при (20)
Коэффициент гидравлического сопротивления движению молотка в воздушно-вихревой зоне
, при (21)
Коэффициент гидравлического сопротивления движению молотка в воздушно-продуктовом слое
, при (22)
Коэффициент гидравлического сопротивления сита движению воздушно-продуктового слоя
, при (23)
В формулах (20) … (23) диаметр отверстия сита, коэффициент живого сечения сита.
Энергию, затраченную на образование единицы площади новой поверхности, нашли путем подсчета математического ожидания величин, полученных по формуле (17) с оценкой доверительного интервала и ошибки среднего. С помощью электронных таблиц Excel определено, что среднее значение Дж/м2 с ошибкой среднего 167,84 в интервале (1170 … 1830) при уровне надежности 95 %.
Оценивая полученные значения коэффициентов, можно говорить об имеющейся сходимости между исследуемыми данными.
Показана необходимость наличия воздушно-продуктового слоя в рабочей камере измельчителя для эффективного ведения процесса измельчения.
Оптимизация измельчающего механизма выполнялась по максимальному значению коэффициента полезного действия , поскольку этот параметр эффекта является «сверткой» наибольшего числа параметров эффекта, входящих в выбранный нами комплекс параметров эффекта измельчающего механизма. Остальные параметры эффекта выступают в виде ограничений оптимальной области.
Параметрическая оптимизация выполнена по методу рабочих характеристик. В качестве опорного объекта выбрана лабораторная установка для исследования процесса измельчения зерна. Ограничения параметров эффекта , кВт, с, м, Дж.
После оценки влияния каждого исследуемого параметра на КПД измельчителя оптимальными были приняты следующие конструктивно-технологические параметры: угловая скорость ротора с-1, число молотков на роторе , высота молотка м.
В четвертой главе: «Закономерности процесса смешивания при измельчении компонентов комбикормов в измельчающе-смешивающей машине» с использованием модели, изложенной в главе 3, построена математическая модель процесса смешивания при одновременном измельчении многокомпонентных смесей. Проведена экспериментальная проверка теоретических положений. Выполнен параметрический синтез технологических режимов проектируемого измельчителя-смесителя.
При построении математической модели процесса смешивания компонентов комбикормов с их одновременным измельчением принята предложенная В.В. Кафаровым гипотеза, «что всякую многокомпонентную смесь можно рассматривать как результат смешивания двух компонентов, повторенных определенное число раз».
Дифференциальные уравнения изменения концентраций компонентов смеси А и В во времени имеют вид:
(24)
, (25)
где относительные концентрации компонентов А и В; математические ожидания концентраций компонентов А и В по их рецептурному значению; время смешивания; коэффициент, характеризующий интенсивность процесса смешивания компонентов смеси; параметр, характеризующий интенсивность процесса измельчения компонентов смеси; дисперсии, характеризующие незавершенность смешивания.
Уравнения (24) и (25) характеризуют изменение концентраций компонентов А и В в рабочем объеме измельчителя-смесителя. Однако в практике оценка состояния смеси проводится по выборке из определенного числа проб, а смесь используется в виде отдельных порций для приготовления кормов. Поэтому преобразуем уравнения для каждого из компонентов при выборке из проб, взятых в произвольно выбранных точках в объеме измельчителя-смесителя при параллельных испытаниях в каждой точке:
. (26)
Переходя от концентраций к выборочным дисперсиям, через которые оценивается качество смеси и, полагая, что в каждой выделенной точке при ее движении внутри рабочей камеры процесс перераспределения осуществляется с одинаковой интенсивностью, просуммируем систему уравнений (26) по точкам и испытаниям. После преобразований уравнение примет вид:
, (27)
где выборочная дисперсия концентрации компонента в смеси; дисперсия, характеризующая сегрегацию смеси.
Полагаем, что между дисперсией процесса распределения и сегрегации имеется линейная связь, определяемая соотношением
, (28)
где - начальная дисперсия концентрации компонента при ; коэффициент пропорциональности; - начальная дисперсия сегрегации.
В практике исследования процессов смешивания используют дисперсии, промасштабированные через , по соотношению:
, (29)
где с - концентрация компонента.
Используя начальные условия при , а при . Тогда из (27) найдем при
, (30)
а при
. (31)
С учетом (31) уравнение (27) приводится к виду
. (32)
После разделения переменных и перехода к неоднородности смешивания, получим математическую зависимость для определения качества смешивания с начальными условиями ,,
, (33)
где неоднородность смеси; - предельная неоднородность, при которой достигается конечное качество смеси; число точек отбора проб; количество проб в каждой из п точек.
Определение основных параметров , и уравнения (33), зависящих от режима работы и конструктивных особенностей измельчителя-смесителя, позволяет идентифицировать и верифицировать математическую модель процесса смешивания при одновременном измельчении многокомпонентной смеси данного рецепта комбикорма.
Разработаны программа и методики экспериментальных исследований; описаны лабораторная установка, на которую получен патент на изобретение РФ № 2246991 (рисунок 4), приборы и оборудование, применяемые при исследованиях; представлено программное обеспечение для оценки адекватности полученных данных и проведения оптимизации измельчителя-смесителя.
Рисунок 4 - Экспериментальная лабораторная установка:
1 - рабочая камера с ротором, 2 - бункера, 3 - дозатор контрольного компонента, 4 - выходной патрубок, 5 - рукава
Измельчитель-смеситель позволяет исследовать процесс измельчения и смешивания компонентов комбикорма при различных количествах и конфигурациях рабочих органов, изменять скорость вращения ротора, измерять крутящий момент на валу ротора, давление на стенку рабочей камеры, вести отбор проб смеси из любой точки пространства рабочей камеры. Методика определения параметров математической модели процесса измельчения-смешивания (33) сводится к определению значения коэффициента интенсивности процесса смешивания и значения параметра интенсивности процесса измельчения по полученным экспериментальным значениям коэффициента неоднородности смеси , для заданного промежутка времени, а также значения предельной неоднородности , при которой достигается конечное качество смеси для определенных конструктивно-режимных параметров измельчителя-смесителя.
Для определения параметров математической модели процесса была разработанной программа «Измельчитель-смеситель», написанная на языке Microsoft Visual Basic 6.3 (Version 9108), позволяющая рассчитать неизвестные внутренние величины модели - и , а также определить основные характеристики процессов измельчения и смешивания. Программа позволяет выполнять прямой и обратный расчет технологических параметров процесса измельчения-смешивания при имитационном моделировании.
Статистическая обработка результатов экспериментов и проверка адекватности полученных уравнений осуществлена средствами электронных таблиц Excel XP и статистического пакета STADIA 6.0.
Показаны результаты проведенных экспериментальных исследований и оптимизационных изысканий.
Экспериментальная часть исследования состоит из двух разделов: предварительного эксперимента и основного эксперимента - идентификации и верификации модели.
Программа предварительного исследования предусматривала сравнительные экспериментальные исследования различных схем конструкций рабочих органов измельчителя-смесителя, влияние их на изменение параметров процессов измельчения и смешивания: средневзвешенного размера готового продукта, коэффициента неоднородности смеси компонентов комбикормов и удельной энергоемкости, расходуемой на процессы.
Изучение процесса смешивания в лабораторной установке проводили с применением смеси компонентов, используемой для приготовления полнорационных комбикормов для КРС в соответствии с ГОСТ 9268-70. Данная смесь состояла из ячменя - 45,2 %; пшеницы - 22 %; отрубей пшеничных -27,3 %; овса - 4 %; соли - 0,5; зерносмеси - 1 %. Конструктивно-технологические параметры оставались неизменными.
Для совокупного исследования процессов измельчения и смешивания были проведены экспериментальные исследования процессов с указанной выше смесью для приготовления полнорационных комбикормов для КРС в соответствии с ГОСТ 9268-70.
На рисунке 5 представлены полученные зависимости процессов измельчения и смешивания: степени измельчения и коэффициента неоднородности смеси компонентов комбикормов от времени цикла работы при различной величине загрузки и различной частоте вращения измельчителя-смесителя.
Из графиков видно, что степень измельчения с течением времени растет практически линейно, а степень смешивания монотонно убывает по экспоненциальной зависимости, что подтверждает аналитические закономерности исследования характера изменения кинетики процесса смешивания при одновременном измельчении компонентов комбикормов.
Полученные диаграммы позволяют выявить эффективные режимы работы измельчителя-смесителя для производства кормовых смесей и комбикормов, в зависимости от технологии их приготовления.
Для идентификации и верификации математической модели процесса измельчения и смешивания была поставлена серия экспериментов по измельчению-смешиванию составленной смеси компонентов комбикормов.
В измельчитель-смеситель компоненты загружались по порядку в зависимости от удельного веса, начиная с компонента с меньшим удельным весом. После загрузки машины компонентами включался привод и осуществлялся процесс измельчения-смешивания по принятой программе.
Через заданные промежутки времени измельчитель-смеситель останавливался и из объема смеси в равномерно расположенных точках отбирали пробы в трехкратной повторности.
Рисунок 5 - Зависимости изменения степени измельчения и коэффициента неоднородности смеси компонентов комбикормов от времени цикла работы при различной величине загрузки измельчителя-смесителя
Обработка полученных данных средствами Excel XP показала, что наилучшим образом параметры процессов измельчения и смешивания аппроксимируют регрессионные зависимости следующего вида.
Для параметра скорости измельчения :
при 0,96. (34)
Для коэффициента интенсивности процесса смешивания k:
при 0,94. (35)
Для предельной неоднородности :
при 0,98. (36)
Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений для случая измельчения-смешивания позволило получить следующие зависимости:
при 0,96; (37)
при 0,99; (38)
при 0,98. (39)
В формулах (34) … (39) под можно понимать количество смеси, находящейся в рабочем пространстве измельчителя-смесителя непрерывного действия.
В качестве показателей процессов, по которым проводили верификацию математической модели, были выбраны: коэффициент неоднородности смеси компонентов комбикормов , мощность, затрачиваемая на процесс измельчения и смешивания, и удельная энергоемкость процесса.
Поскольку исследуемые данные распределены по нормальному закону, для идентификации были использованы параметрические тесты и, соответственно, параметрические критерии оценки исследуемых выборок, встроенные в ППП Stadia 6.0 basic: критерий Фишера для двух выборок, критерий Стьюдента и критерий Стьюдента для парных данных. Для каждой статистики вычисляется уровень значимости соответствующей нулевой гипотезы.
Полученные значения показателей процессов верифицированных величин говорят об имеющейся сходимости между исследуемыми данными.
Оптимальные параметры исследуемого процесса смешивания, определенные с использованием зависимостей главы 3, адаптированные для периодического процесса при заданной степени неоднородности 7 % имеют: частоту вращения ротора измельчителя-смесителя = 415 рад/с, время цикла работы измельчителя-смесителя t = 60 c и суммарную площадь рабочих органов ротора измельчителя-смесителя = 11088 мм2.
Полученные зависимости могут быть использованы для измельчителя-смесителя непрерывного действия. В этом случае при оптимальных параметрах процесса измельчения время нахождения частицы в рабочем пространстве , полученное из (13), определяет неоднородность смеси по формуле (33), которая должна быть не больше допустимой.
В пятой главе: «Совершенствование экструдеров для получения комбикормов повышенной усвояемости» исследованы процессы измельчения и смешивания при экструдировании, разработаны предложения для использования этих процессов при получении качественных комбикормов. Предложены характеристики воздействия шнекового прессующего механизма на полуфабрикат - сдвиг в прессуемом материале и путь смешивания прессуемого материала.
Зонами рабочего пространства, в которых происходит смешивание полуфабриката, являются канал шнека, полости компрессионного затвора и зазора утечек, а также фильера матрицы. Схема рабочего пространства экструдера, показана на рисунке 7.
Рисунок 7 - Схема рабочего пространства шнекового прессующего механизма: 1 - формующая полость (фильера), 2 - канал шнека, 3 - полость компрессионного затвора, 4 - полость утечек
В шнековом механизме полуфабрикат движется по полостям сложной конфигурации. Обычно их заменяют парами параллельных плоскостей. Принято, что свойства полуфабриката описывает уравнение Оствальда-де Виля.
Система координат выбрана, как показано на рисунке 8.
Рисунок 8 - Схема модели шнекового канала: 1 - плоскость, замещающая шнековый цилиндр, 2 - плоскость, замещающая дно шнекового канала
Принято, что нижняя плоскость неподвижна, а верхняя движется со скоростью .
Поскольку кинематические параметры движения прессуемого материала постоянны во времени, справедливо выражение
, (40)
где сдвиг прессуемого материала в слое с координатой ; скорость сдвига; время нахождения в полости слоя прессуемого материала с координатой .
Время нахождения слоя материала в данной полости связано с длиной полости и скоростью материала выражением
. (41)
Величина определена геометрией полости.
Вычислив среднюю скорость сдвига и среднее время нахождения материала в полости, можно определить средний сдвиг в полости.
В осесимметричных полостях фильер сдвиг определяется аналогично.
Особенностью компрессионного затвора является сдвиг в материале в окружном направлении, возникающий помимо сдвига в осевом направлении. В его механической модели обе пластины неподвижны в направлении оси , а верхняя движется вдоль оси со скоростью , равной окружной скорости шнекового цилиндра диаметра , при угловой скорости . Модель компрессионного затвора, представлена на рисунке 9 в системе координат .
Градиент скорости сдвига в направлении оси постоянен.
Величина сдвига в материале в направлении оси за время нахождения материала в полости компрессионного затвора
. (42)
а)б)
Рисунок 9 - Схема компрессионного затвора и зазора утечек шнекового прессующего механизма:
а) движение продукта вдоль оси шнека; б) движение продукта в окружном направлении; 1 - плоскость, замещающая шнековый цилиндр, 2 - плоскость, замещающая компрессионную шайбу
Полный сдвиг в каждом слое полости компрессионного затвора найден векторным сложением сдвигов вдоль осей и
. (43)
Полный средний сдвиг найден векторным сложением средних сдвигов вдоль осей и .
Используя среднее значение сдвига можно оценить однородность сдвига в ядре потока по полости, то есть без учета пристенного слоя, где величина сдвига стремится к бесконечности. Будем полагать, что однородность сдвига в полости компрессионного затвора определяет коэффициент однородности
. (44)
Анализ диаграмм изменения деформации сдвига в канале шнека показывает незначительное влияние шага витков шнека на деформацию сдвига.
Сдвиг неравномерно распределен по высоте канала шнека. Вблизи дна канала существует область, где материал не подвержен значительному сдвигу. Около шнекового корпуса сдвиг в материале достигает больших значений.
В компрессионном затворе нет участков, где сдвиг стремится к нулю, поэтому в нем можно ожидать наиболее интенсивного изменения свойств полуфабриката. Сдвиг происходит на небольшой осевой протяженности прессующего механизма, что вызывает резкий нагрев прессуемого материала.
Сдвиг в канале фильеры сильно зависит от ее высоты или диаметра и в меньшей степени от длины фильеры. Максимальное значение сдвиг принимает в пристенном слое.
Сумма средних значений сдвига материала во всех полостях шнекового прессующего механизма за исключением полости утечек может быть критерием механического воздействия на прессуемый материал.
Для оценки процесса смешивания в технологическом аппарате, в том числе в экструдере, используется путь смешивания. Величина этого пути связана с координатой зависимостью, определяющей длину развертки на плоскость соответствующей винтовой линии.
Путь смешивания экструдируемого продукта в компрессионном затворе определен векторным сложением скоростей вдоль оси и вдоль оси зависимостью
. (45)
Среднее значение пути смешивания в полости компрессионного затвора определено по теореме о среднем.
Используя среднее значение пути смешивания , можно оценить однородность этой величины в ядре потока по рассматриваемой полости, то есть без учета пристенного слоя, где величина пути смешивания стремится к нулю. В канале шнека в связи с проскальзыванием материала по дну канала и движением верхней пластины пристенный слой не рассматривается. Однородность пути смешивания в полости компрессионного затвора оценивает коэффициент однородности
. (46)
Распределение пути смешивания по высоте полости компрессионного затвора имеет вид аналогичный распределению сдвига в этой полости. В области, занимающей по высоте 15 % объема полости затвора, которая примыкает к шнековому корпусу, путь смешивания возрастает в три раза.
Сдвиг в материале, попавшем в полость утечек, и путь смешивания можно определять как в описанной выше механической модели в предположении, что лопасть шнека на протяжении одного ее шага заменяется шайбой с диаметром равным внешнему диаметру лопасти шнека.
Описаны средства получения и обработки данных экспериментальных исследований.
Лабораторный стенд, разработанный на основе пресса-экструдера ПЭШ-30/4, позволяет измерять возникающее в процессе экструзии давление в материале перед компрессионным затвором и после него, температуру в головке пресса, угловую скорость вращения шнека, потребляемую электрическую мощность процесса экструдирования, производительность экструдера. Лабораторный стенд укомплектован двумя матрицами: с цилиндрической фильерой и двумя щелевыми фильерами; пятью шнеками, отличающимися шагом винтовой лопасти; комплектом сменных шкивов.
Для определения реологических параметров полуфабриката разработано устройство, измеряющее усилия, развиваемые в шнековом прессующем механизме в процессе работы, состоящее из двух фланцев на шнековом корпусе. На каждом фланце установлены три болта, стягивающих фланцы. Под головки болтов установлены тензометрические втулки (рисунок 10). Крестиками на рисунке схематично обозначены места расположения втулок.
Сечение А-А расположено на конце шнека, перед насадкой, а сечение Б-Б непосредственно перед входом в матрицу.
Рисунок 10 - Схема устройства измерения давлений в шнековом прессе
Измерение температуры производилось в установившемся режиме экструдирования термометром сопротивления, который располагается внутри корпуса шнека непосредственно перед матрицей в несквозном отверстии.
Мощность сил полезного сопротивления определяли по электрической мощности с учетом потерь в двигателе и в передаточных механизмах.
Необходимые для вычисления сдвига и пути смешивания расчетные параметры были определены по математической модели процесса экструдирования, разработанной Т.М. Зубковой.
При обработке экспериментальных результатов расчеты производились с помощью электронных таблиц Microsoft Excel с использованием встроенных в программу стандартных функций, в том числе и статистических. В качестве критерия оценки достоверности использовался доступный в Microsoft Excel коэффициент достоверности аппроксимации .
Для обеспечения требуемых режимов экструдирования применены стандартные и общепринятые методики подготовки сырья и определения технологических параметров процесса экструдирования.
Качество экструдата оценивали по трем параметрам: задирам, глубоким трещинам и прочности. Задиры и трещины выявляли визуально. Прочность определяли на приборе Строганова.
Смешивающая способность экструдера изучена по определению концентрации в комбикорме контрольного компонента - охотничьей дроби № 9. Измельчающая способность экструдера определена влажным разделением экструдата и определением изменения модуля крупности при экструдировании.
С использованием устройства, изображенного на рисунке 10, получены параметры уравнения Оствальда-де Виля для исследованных полуфабрикатов при различной влажности и температуре.
Описанные выше величины достаточны для вычисления значения средних величин сдвига и пути смешивания экструдируемого материала во всех областях рабочего пространства прессующего механизма экструдера.
Исследование связи параметров качества: прочности на срез , степени вспучивания и удельной энергоемкости процесса экструдирования при изменении угловой скорости шнека , количества фильер матрицы и высоты их поперечного сечения , а также влажности экструдируемого материала позволило получить эмпирическую зависимость вида
, (47)
где принимает значение , , , коэффициенты являются функциями и . Анализ коэффициентов уравнения (47) позволяет сделать заключение о существенном влиянии на исследуемые параметры процесса местных сопротивлений в головке экструдера. Построение поверхностей отклика показывает возможность оптимизации процесса по параметрам , , .
Исследование процесса измельчения на примере кормосмеси дает основание предположить, что степень предварительного измельчения не оказывает существенного влияния на реологические свойства материалов растительного происхождения при скоростях сдвига в исследованных режимах экструдирования.
Результаты эксперимента по оценке влияния времени смешивания на однородность смешивания позволяют сделать заключение, что шнековый прессующий механизм обладает смешивающими свойствами, однако не позволяет добиваться высокой однородности смесей. Предел прочности экструдата на срез и степень вспучиваемости не зависят от степени предварительного смешивания, а производительность, энергоемкость и относительное изменение степени смешивания существенно зависят от шага шнека.
Качество гранул ухудшается с увеличением влажности экструдата.
Определена величина среднего сдвига для каждого опыта в канале шнека, компрессионном затворе и канале фильеры. Наименьшее значение величина сдвига принимает в канале фильеры, где значения изменяются от 18,7 до 23,8. В канале шнека сдвиг достаточно постоянен и изменяется в пределах от 223,8 до 226,7. В полости компрессионного затвора сдвиг достигает значительно больших значений и находится в диапазоне от 373 до 997. То есть основное смешивание происходит именно в компрессионном затворе.
Средний путь смешивания в канале шнека постоянен и равен 2,255 м. В полости компрессионного затвора он изменяется от 0,243 до 1,576 м.
Гладкая без шероховатостей и задиров поверхность экструдированных гранул получается, когда средний сдвиг составляет 400…500, а путь смешивания: 0,40…0,65 м. Значения энергоемкости не превышают 500 кДж/кг когда средний сдвиг менее 450, а путь смешивания менее 0,55 м.
В шестой главе: «Внедрение результатов исследования» описана реализация результатов исследований, которая производилась по следующим основным направлениям.
На основании полученных результатов разработаны конструктивные решения технологического оборудования, защищенные патентами.
Подобные документы
Технологический процесс производства пшеничного хлеба безопарным методом. Преимущества опарного способа. Особенности приготовления ржаного хлеба. Процессы, протекающие при хранении комбикормов. Сушка растительного сырья, ее виды; нормирование качества.
контрольная работа [965,4 K], добавлен 06.07.2010Комплексная механизация приготовления кормовых смесей. Поточные технологические линии, обеспечивающие обработку всех видов кормов для обслуживаемых животных и приготовление полнорационных смесей. Способы и схемы кормоцехов для приготовления комбикормов.
курсовая работа [420,0 K], добавлен 20.05.2010Описание процессов механизации операций на свиноводческой ферме. Операция приготовления кормов. Механизация раздачи кормов, поения свиней, удаления навоза. Зоотехнические требования, предъявляемые к дробилкам кормов. Расчет экономической эффективности.
курсовая работа [482,3 K], добавлен 07.04.2016Характеристика животноводческой фермы по производству молока поголовьем 230 коров. Комплексная механизация фермы (комплекса). Выбор машин и оборудования для приготовления и раздачи кормов. Расчет параметров электродвигателя, элементов электрической схемы.
курсовая работа [67,7 K], добавлен 24.03.2015Состояние комбикормовой отрасли и перспективы ее развития. Рецептуры комбикормов для дойных коров, требования к качеству сырья, технологическая схема производства. Аспирационная система в комбикормовом производстве. Хранение сырья и готовой продукции.
курсовая работа [646,2 K], добавлен 09.05.2018Обоснование технологии содержания животных, структуры стада и рацион кормления. Расчет потребности в кормах и хранилищах. Выбор и расчет способа приготовления и раздачи кормов, машин и оборудования. Проектирование генплана фермы и помещения коровника.
курсовая работа [117,1 K], добавлен 15.12.2016Основы совершенствования производства комбикормов: понятие о корме и комбинированные корма. Проблемы и пути совершенствования производства и переработки комбикормов, пути повышение их качества, эффективности сельскохозяйственного использования.
курсовая работа [35,2 K], добавлен 06.11.2012Разработка генплана свиноводческой откормочной фермы: определение рациона кормления, расчет потребности в кормах; выбор и обоснование технологии механизации приготовления кормов. Оценка экономической эффективности технологий в производственных условиях.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 16.08.2011Уровень механизации трудоемких процессов в животноводстве. Зоотехнические требования к кормам. Определение потребности в кормах и числа кормораздатчиков. Описание технологического процесса приготовления и раздачи кормов. Расчет площади кормоцеха.
дипломная работа [146,4 K], добавлен 26.08.2012Определение состава кормов в суточном рационе одного животного. Технологическая схема процессов по различным кормам. Обоснование оборудования для каждого процесса. Расчет требуемого количества агрегатов. Особенности конструкторской разработки конвейера.
курсовая работа [549,5 K], добавлен 06.01.2013
