Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы и задачи научных исследований 11
1.1 Постановка и обоснование задачи 11
1.2 Обзор смесителей периодического действия 13
1.3 Обзор исследований процессов смешивания 33
1.4 Выводы. Цели и задачи исследований 37
2 Теоретические исследования 39
2.1 Исследование влияния конструкционных параметров смешивающего узла на мощность, потребляемую его электродвигателем 39
2.2 Исследование энергомкости нагрева питательной смеси 47
2.3. Выводы 55
3 Программа, средства и методики экспериментальных исследований 56
3.1 Программа экспериментальных исследований 56
3.2 Лабораторные и экспериментальные установки 56
3.3 Приборы и оборудование 64
3.4 Методики экспериментальных исследований
3.4.1 Методика отбора и проведения анализа проб смеси 6 5
3.4.2 Методика определения критериев оценки работы смесителя 67
3.4.3 Методика планирования и проведения экспериментов, определения оптимальных параметров смешивающего узла смесителя 68
4 Экспериментальные исследования 71
4.1 Исследования смешивающего узла с теоретически определнными конструкционными параметрами 71
4.2 Исследования смешивающего узла с лопатками 80
4.3 Исследования макета бункера 88
4.4 Производственные испытания экспериментального образца смесителя 94
4.5 Выводы 100
5 Эффективность применения смесителя 102
5.1 Рекомендуемые схемы использования смесителя 102
5.2 Расчет технико-экономических показателей 111
5.3 Энергетическая эффективность применения смесителя 118
5.5 Выводы 122
Заключение 12
Список литературы
- Обзор смесителей периодического действия
- Исследование энергомкости нагрева питательной смеси
- Приборы и оборудование
- Исследования смешивающего узла с теоретически определнными конструкционными параметрами
Введение к работе
Актуальность темы. Главная задача, которая стоит перед отечественными сельхозпроизводителями - это стабильное обеспечение продовольственной безопасности страны. Важнейшей задачей при достижении этой цели является энергосбережение и повышение производительности труда, которые невозможны без применения современных достижений науки, внедрения передовых технологий и научно-обоснованных высокоэффективных комплексов машин и оборудования, как в растениеводстве, так и в животноводстве.
Доказано, что основная доля затрат при производстве продукции животноводства приходится на приготовление кормов. В то же время приготовление комбикормов в условиях фермерского хозяйства снижает себестоимость кормов, а также позволяет сбалансировать их по питательной ценности с учетом кормовой базы. Получить сбалансированный корм можно путем смешивания необходимых компонентов в смесительных машинах. Однако практически все смесители узко специализированы и предназначены для смешивания определенных материалов (сыпучих либо влажных), что ведет к дополнительным затратам в виде покупки фермерами дополнительного оборудования и затрат электроэнергии.
Некоторые сельхозпроизводители, стремясь снизить затраты на производство продукции, переходят на корма с высоким содержанием легко усваиваемого белка, которые получают из малоценного широко распространенного материала путем его синтеза. Однако на сегодняшний день отсутствуют специальные машины с научно обоснованными конструкционными параметрами для получения такого корма. Поэтому создание универсального смесителя, предназначенного для смешивания непосредственно в фермерских хозяйствах как традиционных сухих сыпучих и влажных рассыпных, так и получения современных синтезированных кормов, является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Современные типы смесителей для сыпучих кормов сформировались в результате эмпирического отбора.
Исследованию измельчителей-смесителей и смешиванию кормов посвящены работы авторов: Алешкина В. Р., Боярского Л. Г., Влазнева А. И., Голикова В. А., Григорьева А. М., Д-мина О. В, Калашникова А. П., Королева Л. В., Кукта Г. М., Лапшина А. А., Макарова Ю. И., Оболенского Н. В., Петрова С. С., Савиных П. А,, Скоркина В. К., Сысуева В. А. Уланова И. А., Федоренко И. Я, Цой Ю. А., которые дали ценные рекомендации по улучшению их технологических и других параметров.
Из указанных работ и публикаций перечисленных авторов следует, что, решение задачи производства полноценных кормовых смесей особенно в небольших фермерских хозяйствах в целом требует комплексного подхода к оценке состояния с целью разработки решения по его дальнейшему устойчивому развитию и совершенствованию.
Цель работы. Разработка и исследование смесителя-ферментатора кормов для фермерских хозяйств с научно обоснованными конструкционными параметрами его смешивающего и нагревательного узлов (в дальнейшем тесте смесителя).
В связи с поставленной целью в настоящей работе решались следующие научно-практические задачи:
разработать конструкционное решение смесителя-ферментатора сухих и влажных кормов для фермерских хозяйств;
провести теоретическое исследование влияния конструкционных параметров смесителя-ферментатора на мощность привода;
теоретически исследовать влияние системы нагрева кормовой смеси на энергомкость смесителя;
провести экспериментальные исследования смешивающего узла и системы нагрева кормовой смеси;
разработать рекомендации по использованию смесителя;
испытать смеситель-ферментатор в производственных условиях.
Объекты исследований: смешивающий узел и система нагрева кормовой смеси смесителя.
Предмет исследования: влияние конструкционных параметров и укладки нагревательного элемента кормовой смеси на энергомкость смесителя.
Методология исследований. На основе теории размерности и подобия, системного подхода к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи классических математических, физических, статистических методов, а также экспериментальных исследований в лабораторных условиях, проведнных в соответствии с действующими стандартами и разработанными частными методиками.
Информационной базой исследования явились: Нормативно-законодательные документы; данные, опубликованные в работах вышеназванных исследователей; аналитические материалы научно-исследовательских организаций России и других стран; информация, размещенная на официальных сайтах Министерства сельского хозяйства РФ; научно-образовательных организаций, занимающихся проблемами развития сельского хозяйства.
Научная новизна:
разработан смеситель для использования в фермерских хозяйствах. Новизна смесителя подтверждена патентом РФ № 2567315 на изобретение с названием «Смеситель-ферментатор»;
получены аналитическое выражение (1) и математическая модель (2), позволяющие рассчитывать затраты энергии на привод смешивающего узла и выявлять наиболее значимые факторы, влияющие на его потребляемую мощность;
получены модели (9) и (10) на основе регрессионного анализа для оценки изменения качества корма и удельных энергозатрат при смешивании сухих сыпучих кормов, а также модели (11) и (12) для оценки изменения качества корма и удельных энергозатрат при смешивании влажных рассыпных кормов;
получены графические зависимости влияния угла конуса геликоида шнеков и частоты вращения на коэффициент неоднородности смеси (рис. 11); влияния частоты вращения смешивающего узла на удельные энергозатраты при использовании шнеков с углом конуса геликоида 50 (рис. 12); изменения коэффициента неоднородности смеси при использовании шнеков с углом конуса геликоида 50 в зависимости от частоты вращения и времени смешивания (рис. 13) при смешивании сухих сыпучих кормов;
получены графические зависимости: влияния времени смешивания и частоты вращения на коэффициент неоднородности при длине лопаток L = 40 мм (рис. 15); влияния частоты вращения и длины лопаток на качество смешивания (рис. 16) и удельные энергозатраты (рис. 17); при смешивании влажных рассыпных кормов:
выведена формула (3) расчета температуры кормовой смеси; построены сравнительные графики изменения температуры питательной среды при нагреве в зависимости от угла обхвата мкости тепловой лентой и степени заполнения емкости (рис. 19), а также графические зависимости средних удельных энергозатрат при нагреве питательной среды в смесителе (рис. 20).
Теоретическая и практическая значимость работы;
- разработано техническое решение производства кормовых смесей непосредственно в
фермерских хозяйствах, а также в сельскохозяйственном производстве - на животноводческих
комплексах и фермах, способствующее обеспечению продовольственной безопасности страны
и повышению конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на внут
реннем и внешнем рынках;
- разработанный смеситель имеет совокупные затраты энергии на 7 % меньше в сравнении с
базовым вариантом, а ожидаемый ежегодный экономический эффект от его использования в фер
мерском хозяйстве составляет 117475 руб. в ценах 2016 г.
Реализация результатов исследований:
экспериментальный образец смесителя внедрен в ЗАО «Покровская слобода» Нижегородской области;
результаты исследований включены в монографию [11], используемую в качестве учебного пособия для обучения магистрантов, аспирантов и соискателей ученых степеней в Нижегородском государственном инженерно-экономическом университете.
Степень достоверности подтверждена использованием: потенциала Центра энергоаудита с лабораторией энергетических обследований, организованных в Нижегородском государственном инженерно-экономическом университете; сертифицированных Госстандартом РФ поверяемых в установленном порядке средств измерения, а также результатами экспериментальных и производственных исследований основных рабочих узлов смесителя и положительным результатом практического внедрения.
Положения, выносимые на защиту:
конструкционное решение смесителя;
результаты теоретических исследований влияния конструкционных параметров смешивающего узла на мощность, потребляемую его электродвигателем;
результаты теоретических исследований влияния системы нагрева и поддержания температуры кормовой смеси на энергомкость смесителя;
результаты экспериментальных исследований смешивающего узла и системы нагрева кормовой смеси;
предложения по использованию смесителя;
результаты испытаний смесителя в фермерском хозяйстве.
Апробация. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались, на международных, всероссийских и российских научно-практических и практических конференциях: «Философские проблемы, экономических, технических и педагогических учений» в Нижегородском ГИЭИ (г. Княгинино, 2013 г.), V и VI Научно-практических конференциях студентов, аспирантов, ученых «Основные направления развития техники и технологии в АПК, легкой и пищевой промышленности» (Княгинино, 2013 и 2014 гг.), XVI Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства.Мосоловские чтения» (Йош-кар-Ола, 2014), «World & Science» («Svtavda» «Мир и наука» (г. Брно, 2014 г.): «Взаимодействие науки и общества: проблемы и перспективы»; «Тенденции и перспективы развития науки в ХХI веке» и «Современный взгляд на будущее науки» в РИОМЦИИ:«ОМЕГА-САЙНС» (г. Уфа, г. Екатеринбург, г. Челябинск 2015 г.); «Современное общество, образование и наука» в ООО «Консалтинговая компания Юком» (г. Тамбов, 2015 г.); XVIII Международной научно-практической конференции «Стратегия развития механизации и автоматизации животноводства на период до 2030 года» (Москва, 2015 г), «Проблемы и перспективы развития экономики сельского хозяйства» в Нижегородском ГИЭУ (Княгинино, 2016 г.): «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» в ФГБНУ ВИЭСХ (Москва, 2016 г.).
Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 25 печатных работах, в том числе: 8 работ опубликовано в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Федерального агентства по образованию РФ, 1 монография и 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Объем диссертации составляет 186 страниц. Работа содержит 7 таблиц, 69 рисунков и 12 приложений. Список литературы включает 131 источник, в том числе 4 на иностранном языке.
Обзор смесителей периодического действия
Первыми в смеситель подают корма, которые необходимо запаривать. Предварительно измельченные грубые корма загружают, одновременно увлажняя. При заполнении не более 1/3 объема включают мешалки и продолжают загрузку. Закрывают крышки люков, проводят запаривание компонентов. После этого с целью охлаждения корма доливают воду и добавляют другие необходимые компоненты. При приготовлении кормовых смесей без запаривания все компоненты, входящие в смесь, можно подавать одновременно. Время смешивания компонентов составляет 10 мин.
Производством и продажей данных смесителей занимаются в основном страны СНГ, в частности, ОАО Белцентр Агропром Сбыт республики Беларусь [51].
Разновидностью одно валковых червячно-лопастных смесителей являются плужковые. Их используют в основном для приготовления композиций из материалов с большой липкостью. В таких машинах перемешивающий орган выполнен в виде горизонтального вала 3, на котором смонтированы плугооб-разные лопасти10 (рис. 1.3), смещенные относительно друг друга на 90…180 .
Для разрушения агломератов комкующихся материалов в боковой части корпуса установлены две ножевые головки, вращающиеся непосредственно от электродвигателей 5. Вал с плужками приводится от электродвигателя 1 через понижающий редуктор. Приводной вал смонтирован на подшипниках качения.
В некоторых конструкциях этих смесителей корпус имеет рубашку для обогрева или охлаждения перемешиваемой смеси.
Общими недостатками червячно-лопастных смесителей являются: значительный удельный расход электроэнергии, большой износ лопастей валков, множество сальниковых уплотнений, трудность очистки, сравнительно малый полезный объем [45].
К одно валковым червячно-лопастным смесителям относятся и ленточные. Их смешивающий орган выполнен в виде одной или нескольких спиральных лент, закрепленных на горизонтальном валу с помощью стоек.
При смешивании увлажненных или уплотняющих материалов на лентах ставят разрыхляющие стержни. Для улучшения очистки корпуса от налипающего материала зазор между наружными кромками лент и внутренней поверхностью корпуса устанавливают, равным 1…2 мм. Примером таких смесителей может быть смеситель ленточный горизонтальный типа СЛН (рис. 1.4).
Для одновременной подсушки и перемешивания увлажненных материалов некоторые ленточные смесители снабжены рубашками для обогрева или охлаждения перемешиваемой массы и штуцерами для вакуумного отсоса.
С целью повышения эффективности процесса смешивания, снижения удельных энергозатрат, ликвидации застойных зон и уменьшения времени выгрузки материала в смесителе для смешивания сыпучих материалов в смесителе [74] используется специальный комбинированный шнек.
Недостатком этого изобретения является невозможность смешивания влажных компонентов загружаемых в бункер материалов и, как следствие, налипание на стенки бункера смешиваемых материалов и, соответственно, образование застойных зон, обуславливающих ухудшение процесса смешивания материалов и неполную выгрузку готового корма.
Применение в устройстве рабочего органа, оборудованного стержнями с элементами ленточной спирали и трех ленточных шнеков без учета углов установки их витков значительно повышает энергоемкость процесса смешивания компонентов загруженных в бункер материалов.
Другим недостатком устройства является невозможность его применения для получения ферментированного корма.
В смесителе периодического действия [75], разработанном Селезневым А. Д. и Полещуком С. Н., с целью сокращения цикла смешивания смешивающий рабочий орган снабжен желобами. Как отмечают авторы, в результате установки желобов в смесителе возникают дополнительные потоки движущегося по ним материала, поступающего через отверстия в наружной шнековой ленте, которые под углом внедряются в основной поток смешиваемых компонентов. В результате взаимодействия перекрестных потоков материала происходит увеличение интенсивности смешивания, что ведет к сокращению длительности процесса.
Исследование энергомкости нагрева питательной смеси
Подставляем выражения (2.4), (2.8) и (2.12) в (2.3),получаем формулу для расчета мощности, необходимой для привода в движение отдельного шнека смешивающего узла: ллт 270д 750 1500 1500 Wn = , (2.17) Vn Рассчитав по формуле (2.17) мощности для каждого шнека, входящего в конструкцию смешивающего узла, по выражению (2.2) определяют полную мощность, а далее с учетом особенности конструкции привода смесителя, рассчитывают мощность двигателя по формуле (2.1).
Проведем сравнительный анализ смешивающих узлов прототипа и разрабатываемого смесителей. В качестве прототипа принят смеситель по патенту РФ № 2488434 [74]. Используя полученные аналитические выражения, рассчитаны затраты энергии на привод смешивающего узла прототипа и предлагаемого смесителя. Результаты расчетов представлены в табл. 2.1.
Результаты сравнительных расчетов затрат энергии при смешивании компонентов корма в прототипе и предлагаемом смесителе Раз- Разработан Показатели мер- Прототип ный смеси ность тель диаметр внешнего шнека D1, м 1 1 диаметр среднего шнека D2, м 0,75 0,75 диаметр внутреннего шнека D3, м 0,4 0,4 высота витков шнеков: внешнего h1, м 0,05 0,03 среднего h2, м 0,05 0,05 внутреннего h3, м 0,05 0,075 шаг витков: внешнего S, м 0,75 0,9 среднего S 2, м 0,4 0,45 внутреннего S 3, м 0,3 0,3 длина вала шнека смесителя , м 1,8 1,8 затраты энергии, необходимые на привод вала для рабочего органа, кВт 11,3 9,1
При расчетах принято: удельная масса зерновой дерти 0 = 0,7 т/ч; длина вала рабочего узла смесителя = 1,8 м; время, за которое необходимо получить качественную смесь t = 5 мин; количество циклов, позволяющее эффективно перемешать материал N = 3; коэффициент загрузки 1 = 0,75; частота вращения вала n = 25 мин-1; угол наклона оси вала смесителя к горизон ту = 0 о; коэффициент, учитывающий просачивание материала между корпусом, материалом и винтовой поверхностью Со = 0,9; коэффициент трения материала о стальную поверхность шнека при движении 1 = 0,44; коэффициент трения материала о стальную поверхность корпуса при движении 2 = 0,44; угол конуса геликоида для прототипа = 90о, для разрабатываемого смесителя – 45 о; угловая скорость материала 2 = 0 с-1; коэффициент, учитывающий защемление и дробление груза = 1,25 для внешнего шнека, = 1,0 для среднего и внутреннего шнеков; коэффициент полезного действия для: подшипников п = 0,98.
Как видно из таблицы при выполнении ленточных шнеков: внешнего с диаметром D и шагом L, среднего с диаметром 3/4 D и шагом 3/4L, внутреннего с диаметром 2/5D и шагом 2,5L (как у прототипа) расчетная мощность на привод смешивающего узла составляет 11,3 кВт. А при выполнении смешивающего узла как в предлагаемом варианте смесителя, т.е. внешний шнек в виде витка спирали с шагом, равным половине длины L внутреннего пространства бункера, а среднего ленточного шнека с высотой витков h диаметром 3/4D и шагом 1/6L, внутреннего с высотой витков 3/2h диаметром 2/5D и шагом 1/4L, углом конуса геликоида меньшим угла трения материала о поверхность витка, расчетная мощность на привод смешивающего узла составляет 9,1 кВт, что на 24 % ниже, чем у прототипа.
С целью выявления наиболее значимых факторов, влияющих на потребляемую мощность, смоделировали процесс смешивания методом планирования эксперимента. В качестве факторов выбрали диаметры D2 и D3, шаги внутреннего и внешнего шнеков S 2 и S 3, соотношение их высот (определяется через высоту витков внутреннего шнека h3) и угол конуса геликоида . С целью облегчения анализа полученных результатов абсолютные значения изучаемых факторов выбрали, близкими к значениям прототипа, а в качестве критерия оптимизации использовали расчетную потребляемую мощность двигателя. При моделировании значения факторов принимались близкими к параметрам прототипа с целью облегчения анализа полученных результатов.
Матрица эксперимента для 6 выбранных факторов и результаты расчетов представлены в приложении В. После анализа результатов получено уравнение регрессии: у = 11,91 + 1,03-хI + 0,19х2 - 0,006х3 + 0,09х4 + 0,05-х5 + 0,17х6 + + 0,001-х1-х2 - 0,0001-х1-х3 + 0,032-хi-хt + 0,015-хrх5- 0,008-хrх6- (2.18) - 0,001х2х3 + 0,0003 -х2-х4 + 0,025х2х5 + 0,004х2х6 + 0,0003-х3-х4--0,0003х3х5 - 0,001х3х6- 0,0003-х4-х5 + 0,003-х4-х6- 0,001-х5-х6 Анализ уравнения (2.18) показывает, что наибольшее влияние на потребляемую мощность оказывает фактор хг (диаметр внутреннего шнека) наименьшее - х3 (высота витков внутреннего шнека). Незначимыми эффектами являются: х\х2,х\х3, х\х5, х2х4, х3х4, х3х5, х3х6,х4х5,х5х6. В результате анализа модель признана адекватной. Степень достоверности аппроксимации модели R2 составила 99,99 % (приложение Г). Расчетная потребляемая мощность электродвигателя стремится к минимальному значению при уменьшении всех факторов.
Минимальное значение потребляемой энергии наблюдается при снижении значений всех исследуемых факторов и составляет 10,45 кВт. Опираясь на результаты моделирования, и используя выведенную формулу (2.17), построены зависимости, характеризующие влияние наиболее значимых факторов (диаметр внутреннего шнека и угол конуса геликоида) на теоретическую потребляемую мощность (рис. 2.2). Как было отмечено выше, возрастание обоих факторов ведет к росту потребляемой энергии. С целью определения точности выведенной формулы (2.17) проведены эксперименты и с учетом их результатов построены сравнительные графики потребляемой энергии (рис.2.3). Расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает 14... 17 %, что позволяет использо вать формулу (2.17) для расчета потребляемой энергии спиральным смесите лем.
Приборы и оборудование
В результате проведенных опытов можно рекомендовать следующие значения параметров: п = 45 мин \ в = 50 , время смешивания t = 60… 100 с [55].
Оптимизация параметров смесителя для смешивания сыпучих кормов. С целью определения оптимальных параметров, влияющих на критерии работы смесителя, были проведены много факторные эксперименты с помощью методов планирования.
По предварительным исследованиям были установлены пределы варьирования частоты вращения смешивающего органа, угла конуса геликоида шнеков, времени смешивания. Поэтому оптимизационные эксперименты проводили при следующих значениях этих параметров: - частота вращения смешивающего органа п= 45 мин"1; - угол конуса геликоида в = 50 .
В качестве исследуемых факторов использовали высоту витков внешнего и внутреннего шнеков h2 и h3 соответственно, шаг витков S2 внешнего и S3 внутреннего шнеков. Время смешивания изменяли в пределах t = 60… 100 с. Качество работы смесителя оценивали коэффициентом неоднородности смеси и удельными энергозатратами wуд
Для выявления степени значимости каждого из исследуемых факторов и исключения незначимых была реализована полуреплика полного факторного эксперимента первого порядка для 5 факторов. Уровни варьирования и результаты эксперимента представлены в таблице Е 1 (приложении Е).
После обработки результатов эксперимента получены адекватные модели регрессии, которые описывают влияние исследуемых факторов на критерии работы смесителя: Расчт оценок коэффициентов регрессионных моделей, оценку их значимости, проверку адекватности полученных моделей проводили на персональном компьютере в программе Portable Statgraphics Centurion 15.2.11.0. Проверка адекватности полученных моделей (приложение Ж) показала, что модели адекватно с 95 % доверительной вероятностью описывают исследуемый процесс и могут быть приняты для его описания.
Минимальное значение, равное 4,3 %, коэффициент неоднородности принимает при следующих значениях исследуемых факторов: х\ = 1 (h2 = 75 мм), х2 = 0,996 (h2 = 49 мм), х3 = -1 (S2 = 80 мм), х4 = 1 (S3 = 120 мм), х5 = 1 (t =120с). При этом удельные энергозатраты составляют wуд = 1,75 кВт/ч.
Анализируя полученные модели, можно отметить, что наибольшее влияние на критерии оптимизации оказывает фактор х5 - время смешивания, в меньшей степени влияют шаги витков - факторы х3 и х4. Высота витков внутреннего (фактор х\) и внешнего (фактор х2) шнеков не оказывает существенного влияния на критерии работы смесителя, а в случае удельных энергозатрат является незначимым фактором и может быть зафиксирована на максимальных значениях - 75 и 50 мм соответственно.
Для оптимизации факторов х3, х4, х5 был реализован эксперимент второго порядка для трех факторов. Матрица плана и результаты эксперимента приведены в таблице Е 2 (приложение Е).
Анализируя карту Парето для уравнения (4.3), определили статически незначимые эффекты – x x, x3x5 и x4x5. Наибольшее влияние на коэффициент неоднородности оказывает фактор х4- шаг витков S3 внутреннего шнека. При тестировании на статистическую значимость каждого эффекта путем сопоставления среднего квадратического отклонения с экспериментальной ошибкой выявлено, что 6 эффектов имеют значения p менее 0,05, указывая на то, что они существенно отличаются от нуля при 95,0 % уровне доверия. Степень достовер ности аппроксимации полученной модели регрессии R2 составила 99,72 % (приложение Ж).
В результате проведенного анализа полученных моделей регрессии выявлено, что они являются адекватными и довольно полно отражают реальные зависимость.
Минимальное значение коэффициента неоднородности в исследуемой области наблюдается при х3 = - 1,0, х4 = - 0,19, х5 = 0,21 и составляет при данных значениях = 3 %.
Наибольшее влияние на удельные энергозатраты оказывает фактор х5-время смешивания. Увеличение продолжительности смешивания приводит к росту затрат электроэнергии. Шаги витков шнеков влияют в меньшей степени, их увеличение влечет снижение критерия оптимизации. Незначимым эффектом в данном случае оказался х52. Минимальное значение критерия у2 в исследуемой области наблюдается при х3 = - 0,02, х4 = 0,14, х5 = -1 и составляет при данных значениях wуд = 0,62кВт ч/т [71].
В результате анализа обе модели признаны адекватными и могут быть использованы при описании изменения критериев оптимизации. Степень достоверности аппроксимации моделей (4.5) и (4.6) R2 составила соответственно 99,47 и 99,7 %. (приложение Ж).
Анализ поверхностей отклика показывает, что качество смеси, удовлетворяющее зоотехническим требованиям, достигается в области, ограниченной значениями: хъ = -1… 1, х4 = -0,8… 0,4, х5= -0,6… 1. Коэффициент неоднородности в этой области не превышает 5 %.
Исследования смешивающего узла с теоретически определнными конструкционными параметрами
Анализируя графики, можно отметить, что качество смеси при использовании смешивающего узла с лопатками возрастает: коэффициент неоднородности снижается на 10…17 %. Время смешивания также сокращается со 100 до 70 с. Удельная энергоемкость при смешивании сыпучих материалов смешивающим узлом с лопатками составила 0,9 кВтч/т, что на 25 % ниже, чем при использовании смешивающего узлом со скребками
В результате проведенного исследования можно сделать вывод, что качество смешивания сыпучих материалов при смешивании смешивающим узлом с лопатками вместо скребков повышается, а время и энергозатраты снижаются. Разработанный смеситель может быть использован для смешивания как сыпучих, так и влажных кормов.
На первом этапе исследований проверялась правильность теоретических расчтов. Для этого были проведены опыты по определению влияния угла обхвата тепловой лентой мкости (имитатор бункера) (рис.4.14).
Во время проведения опыта фиксировали следующие показатели: время нагрева, температуру питательной среды, потребляемую мощность. В результате проведенных исследований построены графики (рис. 4.15). Сравнительные графики изменения температуры кормовой смеси при нагреве: а - 25 кг кормовой смеси с углом обхвата бункера тепловой лентой 90 ; б - 50 кг кормовой смеси с углом обхвата бункера тепловой лентой 360 ; 1 - теоретическая зависимость; 2 - опытная зависимость
Анализ полученных данных показывает, что расхождение между теоретическими расчетами и практическими результатами не превышает 5 %, и, следовательно, выведенная аналитическая зависимость (2.40) может быть использована при расчете тепловых процессов в смесителе. С целью определения оптимальных конструкционных параметров смесителя при получении ферментированных кормов, проведены однофакторные эксперименты. Результаты опытов представлены в виде графиков (рис. 4.16…4.18). зо
Наиболее интенсивный рост температурного напора наблюдается при 50 % заполнении бункера (25 кг) и угле обхвата тепловой лентой 90 . С увеличением угла обхвата время роста температурного напора увеличивается (рис.4.16…4.18). При 50 и 100 % заполнении бункера характер поведения температурного напора не меняется для случаев, соответствующих углам обхвата бункера тепловой лентой 90 и 180 . Однако с увеличением угла обхвата до 360 время нагрева увеличивается в 1,4 раза. Аналогичная картина наблюдается и при 75 % заполнении бункера с тем лишь отличием, что увеличение времени изменения температурного напора постепенное. Как можно заметить, увеличение угла обхвата бункера тепловой лентой влечет увеличение времени нагрева. Это объясняется тем, что, во-первых, при снижении угла обхвата теплота, создаваемая лентой, тратится на нагрев стенки меньшей площади, в то время, как при максимальном угле обхвата бункера необходимо прогреть большую площадь стенки и лишь после этого теплота передается питательной среде. Во-вторых, как известно, вещество с более высокой температурой имеет меньшую плотность. Поэтому со снижением угла обхвата бункера тепловой лентой, вся теплота концентрируется в нижней части емкости, что улучшает условия теплообмена в кормовой смеси. В-третьих, если снижать уровень заполнения бункера, то в нм будет увеличиваться количество воздуха,что совместно с увеличением угла обхвата бункера приведет к ухудшению теплообмена, поскольку воздух имеет низкие показатели теплопередачи.
С целью оценки эффективности нагрева расчитаны значения удельной электроэнергии муд(размерностьк Дж/(кг К)), затраченные на нагрев 1 кг кормовой смеси на один градус К, и построены гафики (рис.4.19…4.21).
Наибольшее энергопотребление наблюдается в первые полчаса работы установки, что связано с установлением рабочего режима нагревательной ленты. С момента наступления установившегося режима работы происходит медленное снижение энергозатрат.
Во всех случаях наибольшие затраты энергии наблюдаются при 50 % заполнении емкости (что соответствует 25 кг питательной среды) и при изменении угла обхвата с 90 до 360 они возрастают на 40 % (рис. 4.19…4.21). При увеличении уровня заполнения емкости наблюдается снижение энергопотребления на 17… 50 % в зависимости от угла обхвата.
С увеличением уровня заполнения емкости, угол обхвата в меньшей степени влияет на энергозатраты.
Минимальные средние удельные энергозатраты в рассматриваемой области эксперимента наблюдаются в случае 100 % заполнения емкости с углом обхвата 90 и 180 и составляют 5,53 кДж/кгК (рис.4.22), максимальные - в случае 50 % заполнения емкости с углом обхвата 360 (9,44 кДж/кгК).