Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние техники, теории и технологии производства экструдированных комбикормов для рыб 11
1.1 Пути воспроизводства ценных пород рыб 11
1.2. Современные технологии производства экструдированных кормовых смесей 17
1.2.1 Технологии экструдированных комбикормов 17
1.2.2 Конструктивные особенности экструдеров...: 28
1.3. Научное обоснование рецептур и методики их расчета 35
1.3.1 Сырье для производства комбикормов 35
1.3.2 Основные компоненты экструдируемого сырья и их свойства 42
1.3.3 Показатели питательности комбикормов 49
1.4 Анализ существующих математических моделей распределения давления продукта в дозирующих зонах экструдеров 55
1.5. Цель и задачи исследований 58
Глава 2. Экспериментальные и теоретические исследования процесса экструзии комбикормов для рыб осетровых пород 61
2.1. Экспериментальная установка для исследования процесса экструзии и методика проведения экспериментов 61
2.2. Определение кинетических закономерностей процесса экструзии кормовых смесей
2.3. Способ производства экструдрованных комбикормов для рыб ценных пород 72
2.4. Оптимизация состава рецептурных смесей 74
2.5 Точностные характеристики показателей качества рецептов комбикормов 81
2.6 Статистические методы в обеспечении гарантий качества кормов 85
Глава 3. Математическое моделирование процесса течения расплава в отверстиях матрицы экструдера 90
3.1. Математическая модель неизотермического течения реологической жидкости 90
3.2. Сеточная модель предматричной зоны экструдера для расчета течения расплава вблизи отверстия в матрице 97
3.3. Применение математической модели течения вязкой среды при анализе течения в предматричной зоне экструдера 100
3.4. Алгоритм реализации модели течения расплава
в предматричной зоне 111
Глава 4. Комплексная оценка качества экструдированных полнорационных комбикормов для рыб осетровых пород 119
4.1. Исследование качественных показателей экструдированных комбикормов 119
4.1.1. Методы исследования физико-химических свойств образцов 119
4.1.2. Анализ качественных показателей экструдированных комбикормов для рыб 121
4.1.3 Сохранность витаминов в комбикормах при хранении 126
4.1.4 Определение сбалансированности комбикорма 128
4.1.5. Исследование микроструктуры экструдата 131
Глава 5. Повышение эффективности технологии производства экструдированных комбикормов 134
5.1. Методика инженерного расчета экструдера 134
5.2. Разработка конструкции экструдера с возможностью перемещения загрузочного патрубка 140
5.3.Способ автоматического управления экструдером 144
5.4. Способ управление процессом приготовления экструдированного комбикорма 151
5.5. Оптимизация технологии приготовления экструдированных полнорационных комбикормов для рыб осетровых пород по технико-экономическому показателю 163
Основные выводы и результаты работы 167
Библиографический список 169
Приложения 183
- Технологии экструдированных комбикормов
- Определение кинетических закономерностей процесса экструзии кормовых смесей
- Сеточная модель предматричной зоны экструдера для расчета течения расплава вблизи отверстия в матрице
- Методы исследования физико-химических свойств образцов
Введение к работе
В последнее время в комбикормовой промышленности непрерывно повышаются требования к качеству комбикормов, усовершенствованию технологии, расширяется номенклатура сырья, ассортимент продукции. Особые требования предъявляются к комбикормам молодняка животных, ценных пород молоди рыб, домашних животных и др.
Задача комбикормовой промышленности заключается в выработке такой продукции, которая сочетала бы в себе одновременно низкую цену и гарантированно высокое продуктивное действие. Однако на практике производители в борьбе за рынок либо вырабатывают продукцию на основе малоценного, но дорогостоящего сырья в ущерб питательности, либо, наоборот, используют дорогостоящие кормовые средства и применяют приемы, которые в полном объеме раскрывают их питательность, но и, тем самым, удорожают продукцию.
Одним из наиболее эффективных и часто применяемых технологических приемов является тепловая обработка. Известны следующие методы тепловой обработки (ТО): микронизация, обработка инфракрасными волнами, тестирование, гранулирование, экструдирование, экспандирование и т.д. Экструдирование - на сегодняшний день наиболее эффективный способ тепловой обработки.
Экструдирование - универсальный, экологически безопасный и ресурсосберегающий процесс, позволяющий получать легко усвояемые, термостерилизованные кормовые смеси, в то же время, это сложный процесс, преимущества которого недореализованы на практике, а его возможности полностью не изучены.
Благодаря деформациям, которым подвергается материал, в экструдере происходит, кроме основных процессов, дополнительное смешивание и измельчение. Кроме того, в процессе экструдирования продукт может терять влажности до 50% от первоночальной, это позволяет рассматривать возможность включения в состав комбикорма компонентов с повышенным содержанием влаги.
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: И.Э. Груздев, А.Н. Богатырев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Л.П. Ковальская, Г.М. Медведев, А.Н. Остриков, В.П. Первадчук, В.А. Силин, Р.В. Торнер, Н.П. Черняев, В.П. Юрьев, В.И. Янков, Е. Colonna, С. Merrier, G. Shenkel, W. Seibel, К. Seller, M. Williams, P. Linko, LP. Melcion, B.H. Maddock, E.C. Bernhardt, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, R.A. Strub, R.S. Mallouk, C.H. Jepson, Ch.I Chung, LP. Melcion и др.
Экструзия является идеальным технологическим процессом для обогащения продуктов белками, волокнами, витаминами и другими веществами. Возможность регулирования состава продуктов в сторону увеличения содержания белков, витаминов или минеральных веществ, играет важную роль в профилактике многих заболеваний животных и рыб [10, 29, 46].
Для производства экструдированных продуктов питания используется различное по составу и свойствам сырье: соевый жмых и шрот, крахмалосодержащие продукты: зерновые - кукуруза, тритикале, ячмень, пшеница, сорго, а так же различные смеси белков и полисахаридов, включая вторичное сырье мясной, молочной и рыбной промышленности. Это позволяет при помощи экструзионной технологии создавать продукты с заданной обменной энергией и питательностью [7 - 9, 28, 39, 44,46,69, 89].
В зависимости от глубины происходящих изменений, экструзионную обработку принято разделять на три вида: холодную, теплую и горячую экструзию. Наибольшее распространение получила теплая экструзия, применяемая в основном для производства пищевых продуктов и комбикормов.
Актуальность работы. Масштабы развития и экономика рыбоводных хозяйств во многом определяется тем, насколько полно разработаны в научном и практическом отношении вопросы кормления и кормопроизводства. В 2007 г. по сравнению с 1991 г. добыча рыбы и других водных биологических ресурсов сократилась в 2,2 раза, продукты аквакультуры - в 3,5 раза, производство пищевой рыбной продукции — в 1,2 раза. Перед рыбоводческими комплексами встала задача восполнения естественной популяции водных биологических ресурсов путем ее искусственного воспроизводства. Особое значение при этом имеет обеспечение полнорационными кормами рыб при их искусственном выращивании.
В рамках проекта федерально-целевой программы развития рыбоперерабатывающего комплекса страны предусмотрено достижение конкретных объемных показателей наиболее полно характеризующих динамику рыбохозяйственного развития в среднесрочной перспективе. К началу 2009 г. предусматривается увеличение добычи рыбы и морепродуктов, включая товарное выращивание, до 4,0 млн. тонн, а к 2011 г. - до 4,7 млн. тонн , против достигнутых в последние годы 3,2 млн. тонн.
Основополагающими документами в этой работе являются приоритетный национальный проект «Развитие АПК», Федеральный закон «О развитии сельского хозяйства», «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 - 2012 годы». Организация полноценного кормления и разработка рецептуры комбикормов для рыб требует четкого представления о потребностях различных видов и разновозрастных групп рыб в основных элементах питания. В связи с этим возникает острая необходимость реализации отечественных разработок в области кормления и кормопроизводства. Кроме качественного исходного сырья, необходимо использовать его глубокую тепловую обработку посредством процесса экструзии. Экструдирование позволяет повысить качество производимых комбикормов, что в свою очередь, снижает их расход на единицу прироста рыбы, позволяет с минимальными затратами получать высококачественную рыбную продукцию. При этом одна из научных задач заключается в необходимости изучения потребности рыб в питательных веществах, разработки более совершенных рецептур комбикормов и методов нормированного кормления, новых технологий. приготовления экструдированных комбикормов.
Цель и задачи диссертационной работы: разработка и научное обоснование способа приготовления экструдированных полнорационных комбикормов для ценных пород рыб; создание на основе разработанного способа конструкции экструдера с возможностью оперативного изменения зон рабочей камеры экструдера; составление программно-логического алгоритма управления качеством продукции в технологии комбикормов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: обоснование состава кормовой смеси для приготовления полнорационных комбикормов для рыб осетровых пород;
анализ основных кинетических закономерностей процесса экструдирования комбикормов для рыб в одношнековом экструдере;
- обоснование рациональных интервалов изменения технологических параметров процесса экструзии кормовых смесей;
- математическое моделирование процесса экструдирования кормовых смесей для рыб осетровых пород;
- комплексная оценка качества комбикормовой продукции заданного гранулометрического состава по физико-химическим и структурным показателям;
- разработка конструкции экструдера и методики его расчета;
разработка способа приготовления полнорационных экструдированных комбикормов для осетровых рыб;
составление программно-логического алгоритма управления качеством комбикормовой продукции;
- проведение промышленной апробации предлагаемых разработок.
Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработан способ приготовления экструдированных полнорационных комбикормов. Изучены кинетические закономерности процесса экструдирования кормовых смесей на физику исследуемого процесса, что позволило разработать научно обоснованные режимы экструзии.
Выполнена идентификация параметров двумерной неизотермической математической модели неизотермического течения реологических рецептурных многокомпонентных смесей для рыб ценных пород, позволяющая учитывать изменение давления и скорости расплава в цилиндрическом канале матрицы экструдера. В соответствии с теорией подобия модель сведена к обобщенному виду, критериальные уравнения которой позволяют выполнять расчеты одношнековых экструдеров различной производительности.
Разработан алгоритм управления технологическими параметрами процесса экструзии при ограничениях на качество получаемых полнорационных комбикормов заданной крупности.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2294833, 2301004,2302122.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработан способ экструдирования полнорационных комбикормов и определены рациональные параметры процесса экструдирования. Получен экструдированный продукт - полнорационный комбикорм для рыб осетровых пород, обладающий высокой питательной ценностью и оптимальной обменной энергией.
Разработана конструкция экструдера для производства комбикормов с возможностью регулирования загрузочного патрубка, а следовательно и время пребывания смеси в экструдере и способ автоматического управления качеством продукта.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2005 по 2008 гг.); Могилеве (2006-2007); Барнауле (2007); Мичуринске (2007); Одессе (2005-2007).
Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и отмечены дипломами: диплом за участие во Н-ой Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ-2005», диплом победителя конкурса «Инновация-2005» 2-ой многоотраслевой торгово-промышленной выставки-ярмарки межрегионального сотрудничества; диплом конкурсной комиссии открытого конкурса министерства образования и науки РФ 2005 года «На лучшую научную работу студентов вузов по естественным, техническим и гуманитарным наукам» по разделу «Пищевая промышленность»; диплом выставки «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности», посвященной 75-летию Воронежской государственной технологической академии; диплом Всероссийской выставки-ярмарки научно-исследовательских работ и инновационной деятельности 100 лет ЮРГТУ (НПИ); диплом Воронежского Промышленного Форума 2008 Конкурса инновационных проектов; благодарность за участие в Региональной общественной премии «Золотой Лев» (2006-07 г.)
Работа выполнялась на кафедре технологии хранения и переработки зерна (ТХПЗ) Воронежской государственной технологической академии.
Хотелось бы выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Шевцову Александру Анатольевичу и кандидату технических наук, доценту Василенко Виталию Николаевичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность кафедре хранения и переработки зерна за плодотворное сотрудничество.
Технологии экструдированных комбикормов
Для экструдирования зерна используют пресс-экстру деры. Измельченное зерно, попадая в пресс-экструдер, под действием высокого давления и трения разогревается до температуры 120...150 С и превращается в гомогенную массу. При выходе из пресс-экструдера в результате большого перепада давления гомогенная масса вспучивается (происходит ее взрыв). Из отверстия головки экструдера или матрицы выходит вспученный, пористый продукт в виде жгута или гранул разного диаметра, которые легче воды. При этом происходят глубокие деструктивные изменения в питательных веществах. Например, крахмал расщепляется до декстринов и Сахаров, протеины подвергаются денатурации. Питательные вещества при этом становятся более доступными для переваривания их рыбой, особенно для хищных видов. Также отмечено, что после экструдирования улучшаются вкусовые качества кормов, проходит инактивация ингибиторов ферментов, нейтрализация некоторых токсинов и уничтожение их продуцентов, что важно в кормлении рыб.
При экструзии в зерне гибнет большая часть микрофлоры. Это обстоятельство очень важно, когда зерно поражено плесенью или имеет большую бактериальную обсемененность. При производстве комбикормов для собак, пушных зверей и ценных пород рыб проводят экструдирование всего комбикорма [120]. Экструдирование проводят на отдельной линии или в цехе (рис. 1.1). Технология производства включает следующие операции: - подготовка зерна к экструдированию; - обработка в экструдерах; - охлаждение и измельчение экструдированного продукта. Подготовка зерна к экструдированию включает очистку от сорных, минеральных и металломагнитных примесей, измельчение. Измельчение зерна осуществляют на дробилках с применением сит с отверстиями диаметром 3,0-4,0 мм. Экструдирование проводят на экструдерах. Перед экструдированием необходимо увлажнение зерновых продуктов водой или паром до влажности 17- 18%.
Экструдированные зерновые компоненты используют в дальнейшем при выработке комбикормов для молодняка животных. При выработке экс-трудированных комбикормов для собак и пушных зверей на экструдирование направляют подготовленный рассыпной комбикорм. Экструдеры оснащаются пропаривателями. Применяются вышеуказанные режимы процесса экструдирования, но температура продукта на выходе из экструдера меньше и достигает 105...ПО С.
Обработка в экструдере оказывает стерилизующее действие, что особенно важно при производстве комбикормов для поросят.
Для стабильного протекания процесса экструзии необходимо тщательно очистить зерно от посторонних примесей, особенно от крупных ме-талломагнитных и минеральных примесей, попадание которых в экструдер недопустимо. Очень важно задать исходную влажность зерна. При низкой влажности экструдируемого продукта процесс неустойчив, а при высокой -снижается содержание декстринов. Оптимальной влажностью следует считать 15...17 % [85].
При использовании экструдера КМЗ-2, который оснащен четырех-фильерной гранулирующей матрицей, получают гранулы диаметром 10..Л 5 мм и длиной 20...30 мм.
Для современного кормопроизводства необходимы специальные виды подготовки сырья растительного происхождения, в частности шрота, а также кормовых дрожжей. Это связано с повышением переваримости сырья, т. е. усвоением его организмом животных, особенно молодняка [115].
Подготовить сырье соответствующим образом и позволяет низкотемпературная экструзия. Ее проводят в матричных прессах-грануляторах при влажности сырья 10...12 %. Экструдируют неразмолотое зерно, шрот, кормовые дрожжи. В процессе экструзии существенно изменяется структура белков. Выделяющееся в процессе тепло нагревает продукт до 70...75 С, но его влияние второстепенно. В результате такой обработки частично разрушаются водородно-ионные и ковалентные связи, снижается водоотталкивающее действие, в целом изменяются физико-химические свойства белковых молекул.
При реализации технологического процесса низкотемпературной экструзии в промышленном масштабе необходимо обеспечить: разрушение собственной структуры природных белков растительного и микробиального происхождения, в частности растяжение волокнистой структуры и высвобождение белковых фракций; денатурацию белковой фракции для интенсивного воздействия на нее желудочных соков; уничтожение антипитательных веществ и повышение санитарной чистоты корма.
Экструдирование дает возможность производить комбикорма на основе травяной нарезки. Непосредственное использование подобных кормовых средств без их предварительной обработки не присуще комбикормовой промышленности из-за небольшого срока хранения, низкой технологичности.
Комбикорм с включением травяной резки в количестве 10-20 % не требует сушки или гранулирования, характерных для производства травяной муки. А именно эти процессы приводят к снижению содержания (3-каротина. Установлено, что его потери при экструдировании комбикормов указанного состава не превышают 7...10 %, тогда как при производстве травяной муки потери могут составлять от 5 до 50 % от первоначального содержания [118].
В основу совершенствованной технологии производства комбикормовой продукции с включением сырой травяной резки, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.2, заложена порционная технология. На линии подготовки зернового сырья исключен процесс измельчения, который реализуется в процессе экструдирования. О преимуществах этого мероприятия свидетельствуют, во-первых, визуальный осмотр, который не выявил в экс-трудате целых зерен или их половинок, во-вторых, - результаты химических анализов. Установлено, что в экструдированном продукте количество декстринов увеличилось по сравнению с рассыпным на 30 %, а степень клейстери-зации крахмала - в среднем на 50 %.Предусмотрена линия подготовки травяной резки.
Травяную резку с размером частиц 25...30 мм подвергают доизмельче-нию посредством измельчителя зеленых кормов таким образом, чтобы крупность частиц не превышала 10 мм, а также очистке от металломагнитных примесей.
Далее продукт дозируют в бункере, оснащенном тензодатчиками, и направляют в смеситель, в котором осуществляется перераспределение люцерновой резки по порции предварительной смеси сыпучих компонентов.
Тепловая обработка, которой подвергается продукт, в процессе экструдирования, способствует удалению влаги из него, что позволяет эффективно перерабатывать в составе комбикормовой продукции кормовые травы без их предварительного или последующего подсушивания.
Определение кинетических закономерностей процесса экструзии кормовых смесей
Зернобобовое сырье поступает в бункер 1, из которого оно направляется в просеиватель 2. Оттуда шнековым транспортером 3 сырье перемещается в экстру-дер 4, где происходит его варка (Штак 80 с матрицей и режущим устройством). Нарезанный экструдат поступает в промежуточную емкость 6, а затем, с помощью пневмотранспорта - в бункер 5. Подсушенные гранулы экструдата измельчаются в дробилке 7 и пневмотранспортом подаются в бункер 8, затем взвешиваются на весах 9. В смесителе 10 происходит смешивание крахмалосодержащих, белковых и жировых компонентов (зернобобовые гранулы, мясокостная, рыбная мука, соевый и подсолнечный жмых) в соответствии с заданной рецептурой.
Полученная смесь шнековым транспортером 11 подается в пресс-экструдер і 12 (Штак 80 с матрицей и режущим устройством), где приобретает окончательную форму после прохождения через специальную матрицу, нарезки навесным режущим устройством и подсушки. Затем полученный корм охлаждается на транспортере 13 и поступает в дражировочный барабан 14, где на поверхность продукта наносятся различные добавки в соответствии с рецептурой: жир, витамины, премиксы и др. После дражировки продукт направляется на упаковку.
Это позволяет контролировать плотность производимого продукта, от которой зависит способность его погружения и плавания без ухудшения степени варки. Освобожденная энергия может быть возвращена на стадию кондиционирования практически без потерь.
Геометрия выходного отверстия матрицы сильно влияет на ход процесса, так как горячий расплав продукта, выходя из отверстий матрицы, расширяется, формуется и нарезается. Особо малые размеры отверстий, до 0,6 мм, нуждаются в оптимизированном их числе и стойкой к износу матрице. Подвижный механизм резки позволяет контролировать отверстия матрицы и менять ножи даже в течение процесса.
При большом количестве удаляемой на этой стадии влаги требуется подвод горячего воздуха и хорошая вентиляция для предотвращения конденсации и скапливания изделий. Горячий пропаренный продукт очень быстро освобождается от свободной поверхностной влаги. После этого скорость процесса сушки ограничивается скоростью диффузии влаги внутри продукта и влажность воздуха может быть снижена. Такой мультистадийный процесс сушки содержит систему, подающую горячий воздух и сушилку, работающую в кипящем слое, сопровождаемую ленточной противо-точной сушилкой. Это позволяет проводить процесс сушки очень быстро и аккуратно до необходимой влажности 8...10% даже для мягких и липких изделий.
Обычно, высушенные экструдаты дражируются еще горячими сразу после сушилки. При этом возможно добавлять жиры, аттрактанты, красители и даже компоненты в виде пудры. В зависимости от температуры и поверхности экс-трудата на этой стадии может быть добавлено до 12 % жидкости.
После этого охлажденные изделия перемещаются, в основном поворотными ковшами для уменьшения ломки продукта. В зависимости от расстояния иногда также применяются пневматические конвейеры.
Стоимость сырья составляет более 80 % стоимости готового продукта. Специальная система высококачественного размола снижает средний размер частиц до 100...250 мкм. Далее смесь подается пневмотранспортом на контрольное сито. На этапе контрольного просеивания из смеси выделяются нерастворимые вещества: кости, чешуйки и волокна, которые могут засорить выходное отверстие матрицы, так как диаметр его отверстия меньше чем 1,5...2,5 мм. Размер ячейки сита рекомендуется принимать меньшим, чем 70 % от диаметра отверстия матрицы.
Система управления плотностью позволяет контролировать давление пара горячей обрабатываемой массы во время ее обработки в экструдере. Это позволяет контролировать плотность производимого продукта, от которой зависит способность его погружения и плавания без ухудшения степени варки. Освобожденная энергия может быть возвращена на стадию кондиционирования практически без потерь [87]. сушка
Геометрия выходного отверстия матрицы сильно влияет на ход процесса, так как горячий расплав продукта должен быть расширен при выходе из матрицы, отформован и порезан. Особо малые размеры отверстий, до 0,6 мм, нуждаются в оптимизированном их числе и стойкой к износу матрице. Подвижный механизм резки позволяет контролировать отверстия матрицы и менять ножи даже в течение процесса. При большом количестве удаляемой на этой стадии влаги требуется подвод горячего воздуха и хорошая вентиляция для предотвращения конденсации и скапливания изделий [88].
Горячий пропаренный продукт очень быстро освобождается от свободной поверхностной влаги. После этого скорость процесса сушки ограничивается скоростью диффузии влаги внутри продукта и влажность воздуха может быть снижена. Такой мультистадийный процесс сушки содержит систему, подающую горячий воздух и сушилку, работающую в кипящем слое, сопровождаемую ленточной противоточной сушилкой. Это позволяет проводить процесс сушки очень быстро и аккуратно до необходимой влажности 8... 10 % даже для мягких и липких изделий. Обычно, высушенные экструдаты дражируются еще горячими сразу после сушилки. При этом возможно добавлять жиры, аттрактанты, красители и даже компоненты в виде пудры. В зависимости от температуры и поверхности экструдата на этой стадии может быть добавлено до 12 % жидкости. Для добавления до 40 % жидких компонентов обычно используют вакуумные дражирова-тели/мешалки. После этого охлажденные изделия перемещаются, в основном поворотными ковшами для уменьшения ломки продукта. В зависимости от расстояния иногда также применяются пневматические конвейеры.
Сеточная модель предматричной зоны экструдера для расчета течения расплава вблизи отверстия в матрице
Из литературных источников [56, 89, 107] известно, что при вытекании жидкости из канала большего диаметра предматричной зоны экструдера в отверстие матрицы меньшего диаметра поток жидкости начинает- формироваться на сравнительно большом расстоянии до входа в канал малого диа метра. Следовательно, имея определенный профиль скоростей поток жидкости на входе в предматричную зону постепенно трансформируется до параболического. Кроме того, часто при переходе из канала с большим диаметром в канал с меньшим диаметром, в углах канала образуются застойные («мертвые») зоны с так называемыми циркуляционными вторичными течениями в виде вихрей.
Формирование и качество готовой продукции во многом обусловлены конструкцией и качеством изготовления матрицы [80, 107]. Закономерности процесса, как видно из математической модели (3.30) - (3.38), определяются влиянием большого числа параметров: реологическими характеристиками среды расплава, размерами и геометрией канала, теплофизическими и гидравлическими свойствами расплава и параметрами, влияющими на протекание процесса - граничных и начальных условий. Может иметь место также задача расчета профилей скоростей потока расплава из отверстия матрицы.
Учитывая сформулированную математическую модель (3.30) — (3.38) течения расплава, для численной реализации принимаем метод конечных разностей, так как получение аналитического решения связано с большими трудностями и для решения задач течения реологических расплавов применяются, в основном, численные методы [56]. Из рис. 3.1 видно, что при принимается некоторый условный канал, предваряющий вход расплава в отверстие матрицы. Этот канал имеет радиус Ra и длину Ьв. Введение понятия «условный канал» позволяет учитывать не весь профиль потока расплава в предматричной зоне, а только его некоторую область, для которой в качестве допущения можно принять равномерный профиль скоростей при входе в нее. Как частный случай - это одно отверстие в матрице, которое расположено на оси канала предматричной зоны. По литературным источникам [107] применение такого подхода правомерно если выполняется условие Re »RM (приблизительно в 3 - 5 раз). Рис. 3.1. Расчетная модель формирования потока расплава в предматричнои зоне В этом случае считается, что поток формируется в выбранной области и его влияние на все течение в предматричнои зоне незначительно и им можно пренебречь. Поэтому в данной модели можно проводить анализ формирования застойных зон вблизи отверстий матрицы.
Выполняется анализ на достижение вычислительного процесса на установление, т.е. расчет продолжается - переход на блок 3 или останавливается - переход на блок 8. Вычислительный процесс прекращается, если расход через отверстие в матрице будет по величине большим, чем на входе в канал.
Выполняется вывод результатов на экран монитора и занесение результатов расчета в файл model, rez. Профили скоростей по различным сечениям канала заносятся в этот файл. Эпюры скоростей в различных сечениях канала вблизи отверстия в матрице выводится на экран монитора.
Расчет проведен для расплава реологической жидкости в канале с размерами L = 10 мм, D = 10 мм и отверстиями в матрице d — 2 мм. Общее число узлов разностной сетки области D - N:R = 1875. Число узлов области D по координате z -75, по координате R - 25. Шаг сетки по координате z составил Az= 0,027, по координате г - AR = 0,0417. Расход расплава на входе в ка-нал Rashs = 0,0910 м /с и через отверстие в матрице Rashs = 0,0935 м- /с, т.е. ошибка на установление процесса составляет А" = [(0,0905 — 0,0926)/0,0905]-100 % = 2,7 %.
Методы исследования физико-химических свойств образцов
Пробы экструдированного комбикорма отбирали в соответствии ГОСТ 13496.0. Образцы просеивали через сито диаметром 2 мм (ГОСТ 13496.8) и подвергали анализам. Они были исследованы по следующим показателям: органолептическим, физико-химическим, содержанию аминокислот и микробиологическим при хранении. Определение указанных показателей позволяет выявить структурные изменения комбикормовых смесей, происходящие в процессе их экструзионной обработки и оценить качество получаемых экструдированных полнорационных комбикормов
В зависимости от режимов экструдирования и состава исходной смеси соответственно были получены экструдированные комбикорма с различными характеристиками и различного гранулометрического состава (таблица 4.1).
Влажность и гранулометрический состав комбикорма определяли по ГОСТ 13496.3-92 (ИСО 6496-83).Определение размера гранул проводят с помощью линейки, измеряя диаметр и длину десяти гранул, взятых подряд. По полученным данным вычисляют среднеарифметическое значение диаметра и длины гранул.
Внешний вид и цвет определяют органолептически. 200 г испытуемого комбикорма помещают на гладкую поверхность листа белой бумаги и, премешивая, рассматривают при естественном свете. Определение запаха-по ГОСТ 13496.13. Метод определения разбухаемости (ГОСТ 28758 - 97). Навеску экструдированного комбикорма (гранулы), массой 25 г помещают в мерный цилиндр вместимостью 500 см и на цилиндре отмечают- уровень, соответствующий объему, занимаемому гранулами. Затем на цилиндре делают вторую отметку, соответствующую двухкратному объему, занимаемому продуктом. Далее в цилиндр наливают воду температурой 20 С так, чтобы верхний ее уровень был на высоте 130 мм над уровнем гранул. Отсчитываем время с момента наполнения цилиндра водой до момента достижения разбухшими гранулами второй отметки.
Время, за которое первоначальный объем гранул увеличивается вдвое, принимают за показатель разбухаемости гранул. Допускаемые расхождения между результатами, полученными в двух разных лабораториях, не должны превышать 3 мин.
Крошимость определяют на приборе 17 - ЕКГ по ГОСТ 28497 - 90. Пробу гранулированного продукта массой около 1 кг просеивают на лабораторном рассеве с ситом диаметром, равным 0,75 диаметра испытуемых гранул, для отделения крошки и мелочи.
Из просеянных гранул выделяют две навески массой по 250 г каждая и загружают их в камеры истирателя. Устанавливают реле времени на 5 мин, закрывают крышки камер и ограждение и включают установку У17 - ЕКГ. По истечении 5 мин истиратель автоматически отключается: Отключают одну из камер истирателя и высыпают пробу на поддон, а затем отделяют гранулы от мелочи и крошки. Затем после просеивания продукта на рассеве пробы взвешивают с погрешностью не более 0,1 г.
Крошимость гранул в процентах для каждой камеры истирателя вычисляют по формуле: где Wl\ - масса гранул до истирания, г; ПЇ2 " масса гранул после истирания и просеивания, г. Крошимость гранул для рыб должна быть не более 5 % (ГОСТ 28497 - 90). Данные для всех групп полученных комбикормов находятся в пределах от 3,0 доЗ,5 %, что соответствует требованиям ГОСТ 28497 - 90.
При расчете обменной энергии и питательности комбикорма использовали фактические данные о питательности и химическом составе сырья, характеризующие содержание кормовых единиц или обменной энергии, перевариваемого протеина, клетчатки, жира, минеральных веществ и аминокислотного состава в каждом продукте, входящем в состав данного комбикорма. Для расчета обменной энергии по количеству переваримых веществ в компоненте использовали следующие коэффициенты: для протеина - 4,20; жира-9,28 и БЭВ (безазотистые экстранальные вещества)-4,14 ккал/г [Методические указания по расчету рецептов комбикормовой продукции].
Качественные характеристики определяли стандартными методами: содержание сырого протеина определяли в соответствии ГОСТ Р51417- 99 (ИСО 5983 - 97) методом Къельдаля; сырой жир - ГОСТ 13496.15 - 97; сырая клетчатка - ГОСТ 13496.2 - 91; метод определения массовой доли золы, нерастворимой в хлороводородной кислоте - ГОСТ Р51418 - 99 (ИСО 5985 -78); метод определения кислотного числа жира - ГОСТ 13496.18 - 85; метод определения общей кислотности - ГОСТ 13496.12- 98; метод определения лизина и триптофана ГОСТ 13496.21- 87.
Похожие диссертации на Разработка и научное обоснование способа приготовления полнорационных экструдированных комбикормов для рыб осетровых пород
