Содержание к диссертации
Введение
1.1. Анализ состояния кормоприготовления на животноводческих фермах и комплексах 8
1.2. Преимущества экструдированных кормов 13
1.3. Место экструдера в технологических линиях 30
1.4. Моделирование реологических свойств растительных материалов 39
1.5. Анализ и классификация устройств для приготовления кормов 44
Вывод по обзору 51
2. Теоретические исследования 53
2.1. Анализ установившегося ламинарного течения между параллельными плоскостями вязкой жидкости 61
2.2. Исследование потока в пограничном слое 67
2.3. Анализ истечения вязко-пластической жидкости из фильер 70
2.4. Определение производительности и затрат энергии при экструдировании кормосмеси 72
Выводы 72
3. Программа и методика экспериментальных исследований 74
3.1. Программа экспериментальных исследований 74
3.2. Частная методика экспериментальных исследований 76
3.3. Определение вязкости кормосмеси 77
3.4. Методика определения качества экструдата 78
3.4.1. Определение токсичности корма на кроликах (основной метод)... 78
3.4.2. Метод определения содержание крахмала 81
3.4.3. Определение декстринов в корме 82
3.4.4. Определение крошимости гранул 84
3.4.5. Определение влажности корма 85
3.5. Общая методика экспериментальных исследований 86
3.5.1. Описание экспериментальной установки 86
3.5.2. Методика проведения сравнительных экспериментов 87
4. Обработка и анализ экспериментальных исследований 91
4.1. Результаты исследований по частной методике 91
4.2. Результаты сравнительных экспериментов 91
4.3. Результаты оптимизационных экспериментов 93
4.4. Результаты исследований сравнительных и оптимизационных экспериментов 102
4.5. Результаты сопоставления теоретических и экспериментальных исследований 105
4.6. Результаты определения качества экструдата 108
5. Производственные испытания и оценка экономической эффективности работы экструдера 109
5.1. Производственная проверка 109
5.2. Экономическая эффективность исследуемого экструдера 100
Выводы 116
Литература 118
Приложения 128
- Анализ состояния кормоприготовления на животноводческих фермах и комплексах
- Анализ установившегося ламинарного течения между параллельными плоскостями вязкой жидкости
- Частная методика экспериментальных исследований
- Результаты исследований по частной методике
Введение к работе
Положительные тенденции в развитии животноводства происходят в результате интенсификации отрасли: увеличение производства кормов, более рационального их использования. В связи с сезонностью сельскохозяйственных работ возникает необходимость внедрения интенсивных технологий производства животноводческой продукции.
Выбор технологического режима, как правило базируется на проведении комплексных исследований, позволяющих выявить характер изменения структуры и свойств как отдельных компонентов сырья так и кормовой ценности обрабатываемого материала.
За последние годы наука о кормлении животных накопила большое количество экспериментальных данных о влиянии различных питательных веществ, а также незаменимых аминокислот, витаминов, макро- и микроэлементов, антибиотиков, гормонов, ферментов и других факторов на обмен веществ, эффективность использования корма и образование продукции. Эти данные служат для дальнейшего совершенствования теории и практики кормления сельскохозяйственных животных. Они обеспечивают реализацию генетического потенциала продуктивности животных. Чем выше уровень кормления, тем выше продуктивность животных и ниже затраты корма на единицу продукции [1,2,3, 4].
При традиционном кормлении животных большая часть кормов производится непосредственно в хозяйствах. Использование кормов в необработанном виде имеет низкую перевариваемость, известно, что животные превращают в продукцию лишь 20-25% энергии корма. Задача приготовления кормов - снизить эти потери путем усваиваемости кормов [2].
Эту задачу можно решить, подвергнув корм комплексной переработке в одной машине, проводить их быстро и непрерывно (составлять композиции из нескольких компонентов, перемешивать, сжимать, нагревать, варить, стерилизовать, практически одновременно, что в конечном счете, отражается на себестоимости производства продукции).
Анализируя существующие виды переработки кормов можно отметить, что отвечает выше перечисленным требованиям метод экструдирования кормов. При температуре до 200С и давлении до 25 МПа снижается микробиологическая обсемененность гнилостными бактериями и другими негативными явлениями. При обработке зернофуража и других продуктов протекают эффективные непрерывные процессы, влаготермической, механической и химической деформации его компонентов.
Экструдеры по производству кормов на основе зерновых культур предназначены как для варочной технологии, при температуре переработки выше 100С, так и для получения продуктов теплой (70...90С) и холодной (до 40С) экструзии [3, 6, 7, 8, 9].
Экструзионная обработка крахмалосодержащих материалов повышает их усвоение, улучшая вкусовые качества. Под воздействием механических усилий, тепла и влаги крахмал и крахмалосодержащее сырье превращается в гомогенную массу, по консистенции сходную с макаронным тестом, но имеющую в отличие от него термодинамически неустойчивую структуру и высокую степень клейстеризации зерен.
При выпресовывании клейстеризованной массы с определенной скоростью шнеком экструдера и для изменения зерен крахмала в результате действия напряжений сдвига перед матрицей создается необходимое давление продукта. Оно действует в двух противоположных направлениях: в сторону матрицы и реактивно - в сторону приемной зоны происходит как по межвитковому пространству шнека (возвратный поток), так и через кольцевой зазор между наружным диаметром шнека и внутренним диаметром цилиндра (утечка).
Влияние этих факторов на качество экструдата представляет собой сложную, но весьма важную практическую задачу, поскольку ее решение указывает пути управления протекающим процессом. Поэтому повышение производительности экструзионной техники и уменьшение энергоемкости являются актуальной задачей [4, 10, 11, 12, 13].
В результате анализа конструкций одношнековых экструдеров нами была предложена конструкция, с возможностью повышения эффективности за счет создания гидравлического затвора путем скоса торца винта под углом а в направлении выхода материала, ступенчато. На основании законов гидравлики известно, что при истечении ньютоновской жидкости через насадок отношение длины насадка к диаметру отверстий должно быть 3-4, что повышает расход жидкости в 1,32 раза. Экспериментально установлено это соотношение при экструдировании 2,34 при выходе переработанного монорациона из фильеры в состав которого входила солома зерновых культур повышает эффективность в 1,2 раза [5].
Целью исследования является: совершенствование технологического процесса приготовления монокорма при экструдировании.
Объект исследования: технологический процесс переработки монокорма в экструдере.
Научная новизна: определены закономерности изменения процесса экструдирования при переработке монокорма; получены аналитические зависимости для обоснования конструктивно-режимных параметров (частота вращения шнека, влажности, угла скоса винтовой поверхности, отношения длины фильер к их диаметру); разработаны частная и общая методика для проведения лабораторной и экспериментальной части; определена современная тенденция развития эффективных технологий переработки корма, на основе применения экструдирования.
Практическая ценность: - практическую ценность представляет конструктивно-режимные параметры предлагаемого экструдера с обоснованными в работе винтовой поверхностью шнека и длиной фильер.
Результаты исследований внедрены в хозяйстве «ОПХ Заречное» Костанайской области Республики Казахстан.
Апробация. Общие положения диссертационной работы неоднократно докладывались и были одобрены на научных конференциях, в том числе и международной, в Оренбургском государственном аграрном университете (г. Оренбург, Российская Федерация,2004-2005 год), на ежегодных научных конференциях, в том числе посвященной пятидесятилетию освоения целинных и залежных земель, Рудненском индустриальном институте г. Рудном Костанайской области, посвященной 10-летию Конституции Республики Казахстан в 2005 году.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано одиннадцать работ, получен предварительный патент на изобретение РК №16535, опубл. в бюл. №12 (45) 15.12.2005.
Данная работа выполнена в соответствии с тематикой научно-исследовательских работ «Совершенствование машин для кормоприготовления, основанных на взаимодействии кормов винтовой поверхностью машин»,утвержденных советом КГУ 9 апреля 2004 протокол №1.
На защиту выносятся: теоретические модели взаимодействия рабочих поверхностей экструдера и обрабатываемого материала; методика проведения лабораторных и производственных испытаний, обработка опытных данных; закономерности взаимодействия значимого фактора «угол защемления» с конструктивными и физико-механическими параметрами экструдера, оптимизация соотношения длины и диаметра фильер; результаты производственных испытаний и оценка экономической эффективности предлагаемого экструдера.
Анализ состояния кормоприготовления на животноводческих фермах и комплексах
Сохранение и рациональное использование всего выращенного урожая, получение максимума изделий из сырья - одна из основных государственных задач. Развитие науки о хранении и переработке сельскохозяйственных продуктов и широкое внедрение механизации позволили ввести в практику усовершенствования новые технологические приемы обеспечивающие сокращение потерь продуктов и снижение издержек при хранении и переработке.
В удовлетворении растущих материальных потребностей человека значительную часть составляет продукция животноводства.
Дальнейшее развитие животноводства, повышение его эффективности связаны прежде всего с ростом поголовья и продуктивности животных, переводом производства животноводческой продукции на промышленную основу. Работа по повышению продуктивности животноводства основывается на выведении высокопродуктивных пород скота и птицы, создание специальных условий содержания их при полнорационном кормлении. Организация полноценного кормления животных имеет одно из главных значений в этом вопросе. Следует также учесть, что в себестоимости животноводческой продукции более половины составляют расходы на корма.
В организации научно обоснованного кормления сельскохозяйственных животных большое значение придается комбикормам. Практика показала, что при использовании полнорационных комбикормов можно значительно увеличить производство молока, мяса, яиц и других продуктов животноводства при одновременном снижении затрат кормов на их производство [7, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 106]. Разработка систем кормления животных, направленных на полную реализацию потенциала продуктивности и экономное расходование зерна. Создание надежной системы защиты животных от болезней. Решение проблем увеличения производства растительного, животного и микробиологического белка, совершенствование технологии приготовления грубых, сочных и комбинированных кормов.
Одно из самых главных условий увеличения производства продуктов животноводства, повышения продуктивности животных, совершенствование пород и повышение генетического потенциала животных - рост производства высококачественных кормов и на основе этого организация полноценного сбалансированного кормления животных. Наукой установлено и практикой подтверждено, что только при полноценном и сбалансированном кормлении сельскохозяйственные животные максимально проявляют свой генетический потенциал продуктивности. Полноценное кормление это, прежде всего, нормированное кормление, которое обеспечивает сбалансированность рационов и наилучшим образом удовлетворяет потребности животных в элементах питания. Нормы обеспечивают реализацию генетического потенциала продуктивности животных на следующем уровне: надоев от коровы в год - 5500 - 7000 кг молока и более, среднесуточных приростов крупного рогатого скота на откорме - 1200 - 1300 г, молодняка свиней на откорме - 750 -850 г, молодняка овец - 220 - 250 г. [20,21,22,23,24,99,100,116,117]
При разработке норм кормления сельскохозяйственных животных учтены общебиологические закономерности в обмене веществ организма, которые можно сформулировать следующим образом: чем выше уровень кормления, тем выше продуктивность животных и ниже затраты корма на единицу продукции; для получения высокой продуктивности, обеспечения здоровья и высоких воспроизводительных функций животных им надо с рационами доставлять все без исключения питательные вещества, в которых они нуждаются, независимо от того, в больших или малых дозах необходимы эти питательные вещества; чем выше продуктивность животных, тем выше должна быть концентрация энергии в расчете на 1 кг сухого вещества рациона (таблица 1) [2].
Установлено, что при тех же затратах кормов продуктивность повышается на 8-12%. Это достигается в результате лучшей сбалансированности рационов, а следовательно, повышения перевариваемости и главным образом, использования питательных веществ корма [2, 25, 26,27].
Опыты, проведенные в КазНИТИО показали, что питательность 1 кг монокорма из зернофуражных культур (ячмень) составляет 0,4корм.ед., 33 переваримого протеина и 10-20 мг каротина, а зеленого концентрата -соответственно 0,77; 58,8 и 30.
Однако замечено при скармливании его животными содержащее в нем зерно плохо переваривается животными в результате чего значительная часть скормленного зерна выходит целым в экскременты [12,28,29,30].
Для выяснения причин, влияющих на переваримость, рассмотрим строение зерна. В его состав также как и состав стебля растения входит труднопереваримый углевод клетчатка. Она относится к неусвоемым углеводам группа «грубых» пищевых волокон - целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин: «мягких» пищевых волокон: пективные вещества, камеди, декстрин. Клетчатка не растворяется в воде. Молекулы целлюлозы образуют тончайшие нити (мицеллы) - толщиной 50-100 А. При попадании воды на зерно происходит набухание, между параллельными нитями (волокнами) целлюлозы поникает вода, возникает водородная связь [31, 32, 33, 34, 35, 36]. Таким образом зерно необходимо переработать, тем самым увеличить его усвояемость и переваримость животными.
Из анализа существующих способов приготовления перспективным является экструдированные корма, в частности, монокорм - соответствующий потребностям в питательных веществах видам и группам животных [39,40,41, 105]. Поэтому важно рассмотреть составляющие элементы схемы эффективности использования кормосмесей (таблица 2).
Анализ установившегося ламинарного течения между параллельными плоскостями вязкой жидкости
В процессе экструдирования давление перед фильерой достигает до 25 МПа, при входе в канал фильеры объем резко уменьшается и это приводит к дополнительному росту давления (рисунок 16). Естественно предположить, что вязко-пластическое поведение корма приблизится к реальной Ньютоновской жидкости. В этом случае появляется необходимость установления связи между давлением внутри экструдера и расходом сквозь фильеру, задача часто встречающаяся в инженерной практике при истечении жидкости из резервуара через отверстие в стенке или днище. Параметры струи, вытекающей через отверстие можно в определенных пределах изменять, если присоединить к нему короткие трубки (насадки) [84].
Вход струи жидкости в канал фильеры. При входе в насадки струя жидкости сжимается также, как при истечении через канал, однако, поскольку она ограничена боковой поверхностью насадка, то образуется кольцевая вихревая область между поверхностями транзитной струи и трубы. За сжатым сечением труба расширяется и на выходе заполняет все сечение насадка, при этом длина насадка подбирается такой, чтобы в его пределах могло произойти полное расширение струи. Поэтому на выходе из насадка сжатия нет. Поскольку скорость потока в сжатом сечении больше, чем (48) (49) на выходе, где давление равно внешнему, то давление в этом сечении меньше, чем внешнее, т.е. образуется вакуум, который повышает расход через насадок по сравнению с истечением через отверстие. Хотя при наличии насадка появляются дополнительные потери на расширение внутри насадка и трение, они много меньше, чем выигрыш в напоре, который достигается понижением давления в сжатом сечении. Поэтому насадок служит увеличению расхода. Расчетные формулы для насадка опираются на общеизвестное в гидравлике уравнение Бернулли:
Обоснование производительности и затрат мощности на привод экструдера опираются на исследования Груздева, Мирзоева, Янкова для условий изотермического выдавливания при простом сдвиге. Q=V2-ij-v0-h-i-(2(1 -/и)/(3-2т)) (R АР)/(В L)sma)m m) (ШУ3"2" 1-"0(50) N = 5((77 v0)2"" Кщ h2)(dp/dx)) -(S-i -L/sma), (51) где г} - коэффициент вязкости материала, Пас; v0 - линейная скорость, м/с; v0=co-R (52) где а - угловая скорость, 1/с; R - радиус, м; h - высота зуба, м; S - шаг витка, м; і - число заходов; m - индекс для псевдопластической жидкости; R - поправочный коэффициент; В - реологические коэффициенты; АР - перепад давления, Н/м ; L - длина вала, м; а - угол подъема витка, град; dpldx - градиент давления.
Выводы
1. В результате теоретических исследований рабочего процесса экструдера обоснованы аналитические зависимости для производительности и энергоемкости от его конструктивно-режимных параметров при переработки кормосмеси.
2. Исследованиями установлены основные факторы и их влияние на производительность и энергоемкость экструдера.
3. В результате исследований установлены пути повышения эффективности экструдирования:
А) устранение утечки корма в кольцевом зазоре между наружным диаметром шнека и внутренним диаметром цилиндра, путем создания гидравлического затвора скосом гребня винтовой поверхности ступенчато соответствующей динамичному защемлению материала о поверхность витка шнека и корпуса. Б) установлен вязкопластический характер движения материала внутри экструдера, отличающийся от ньютоновской жидкости индексом течения (п) таким образом, насадок служит увеличению расхода и значительно повышает эффективность экструдирования.
Частная методика экспериментальных исследований
При исследовании технологических процессов необходимо иметь определенную информацию, которую можно получить, используя экспериментальные и теоретические данные о процессе. Эти данные необходимы как для использования их в качестве исходных данных с наилучшими технико-экономическими показателями, так и для подтверждения целесообразности производства и работы машин и оборудования в реальных условиях [95].
Во время эксплуатации технологического оборудования информацию можно получать непрерывно или периодического контроля, определенных факторов процесса. Другие же можно измерить непосредственно экспрессным методом (расход топлива и электроэнергии, производительность и т.д.). Но для определения других показателей необходимы затраты времени (влажность кормосмеси, размерные и весовые, энергетические показатели кормов и др.). С учетом перечисленного намечена программа исследований, которая состоит из двух разделов: частного и общего, рисунок 18.
Частная методика предусматривает определение: работы гидрозатвора от зазора между торцом витка винта, угла скоса и корпусом экструдера, вязкости кормосмеси, качества экструдирования.
Общая методика определяет сравнительные эксперименты и оптимизационные:
1. В первом разделе предусмотрено проведение экспериментов, сравнивающих работу пресс-экструдера с прямой винтовой поверхностью шнека и обычной длины фильер, и со скосом винтовой поверхности по углом а, а также с различной длиной фильер и диаметром экструдеров 070, 050мм.
2. Оптимизационные эксперименты позволяют установить влияние комплекса факторов на эксплуатацию пресс-экструдера, предназначенного для переработки концентрированного монокорма и определить оптимальные режимы его работы. Исследования проводимые в производственных условиях накладывают особые ограничения на возможности экспериментирования. [75]
Для проверки работы гидрозатвора материала изготовили установку (рисунок 19), состоящую из станины 1, корпуса 2, поршня 3, тяги 4, направляющей 5, тензозвена 6, троса 7, подвесной ролик 8, редуктора 9, электродвигатель 10, усилитель 11, компьютер 12, кормосмеси 13. усилие фиксируемое тензозвеном 6, было взято в качестве критерия отклика.
Для реализации эксперимента выбрали симметричный квази Д -оптимальный план Песочинского для 3-х факторов, варьируемых на 3-х уровнях (таблица 15). [87] При использовании плана эксперимента сделали кодировку факторов (таблица 16). Замеры прилагаемых усилий проводим по 6 повторностей для всех опытов. Проводим эксперименты следующим образом. Подготовленную кормосмесь 13, с доведенной вязкостью, помещали в корпус 2 установки, и закрывали крышкой направляющей 5.
Перемещение вверх, в корпусе установки кормосмеси, проводился с помощью электродвигателя 10 и редуктора 9, при помощи троса 7, тяги 4. перемещение поршня внутри корпуса, фиксировалось тензозвеном 6 и передавалось на усилитель 11, и через аналого-цифровой преобразователь на компьютер 12. Информация полученная с компьютера затем обрабатывалась.
Для определения вязкости кормосмеси подготовили смесь дробленного зерна и отрубей 1 к 9 и для придания влажности добавляет техническое масло, которое менялось в зависимости от придания необходимой вязкости кормосмеси. Массу кормосмеси тщательно перемешивали и помещали в мерный стакан, объемом один литр, затем опускали стальной шар с массой 181,15 г и фиксировали погружение по мерной линии на емкости с помощью секундомера. Погружение шара производили по 6 повторений. Среднее время погружения вычислили по: L+L+... + L t = - - с 1ср , с (53) Пройденное расстояние шариком за tcp (s = 0,035 м по мерному стакану). Для определения вязкости кормосмеси использовали формулу Стокса [97] т]сс = Рш PKC-d2-g; Па-с ш з. где: Рш - плотность шара, кг/м ; Ркс - плотность кормосмеси, кг/м3; V- скорость погружения шара, м/с;
Результаты исследований по частной методике
На основании полученных результатов (приложение 1) исследований, проведенных по частной методике, получено уравнение регрессии, адекватно описывающее процесс движения кормосмеси в корпусе лабораторной установки в зависимости от угла скоса поверхности, зазора между корпусом и поршнем, и вязкости кормосмеси. Критерием отклика эксперимента является усилие по перемещению кормосмеси Р = 5,6 + 0,425 , - 2,875х2 + 0,575х3 + 1,23х22 (63)
Доверительные интервалы приняты по табличному значению критерия Стьюдента, адекватность проверен по табличному значению критерия Фишера [87]. Графическая реализация результатов эксперимента отражена на рисунке 23. В результате обработки и анализа проведенных результатов исследований можно сделать вывод о том, что угол скоса поршня, вязкость кормосмеси влияют линейно на приложенное усилие, зазор же между корпусом и поршнем влияет на приложенное усилие по параболической зависимости и имеет минимум в интервале варьирования фактора.
Проведенный эксперимент по частной методике, адекватность полученного уравнения регрессии, подтвердили работоспособность угла защемления материала, т.е. создания гидрозатвора между корпусом и торцом гребня винта шнека экструдера, тем самым препятствует утечке материала.
Результаты данного эксперимента и явились основой для дальнейших исследований при изготовлении шнека со скосом торца гребня винта под углом а в направлении канала фильеры.
Результаты сравнительных экспериментов
Обработка данных, полученных в результате экспериментов (приложение 2) позволила получить уравнение регрессии, показывающее зависимость влияния факторов (частоты вращения винта шнека экструдера, влажности Рисунок 23. Эмпирическая зависимость усилия от: XI - угол скоса поршня, град; Х2 - зазор между корпусом установки и поршнем, мм; ХЗ - вязкость кормосмеси, Пас. 10, 20, 30 - значения факторов. кормосмеси, отношение длины фильер к сумме диаметров выходных каналов), на критерий отклика (удельную производительность экструдера) Y = 8,61 + 2,95х. - 0,776х2 - 0,888х3 - 0,830л;.2 (64)
Адекватность модели проверена по табличному значению критерия Фишера. Данное исследование было направлено на выявление влияние каждого отдельного фактора на обобщенный критерий, таким образом в полученное уравнение регрессии подставляли поочередно три фактора на оптимальном (нулевом уровне), а один фактор оставляли на варьируемом уровне. В результате чего была получена система уравнений: = 8,61 + 2,95 -0,830 2 7 = 8,61-0,776л;2 7 = 8,61-0,888л:,
В результате математического анализа можно сделать вывод о том, что при увеличении частоты вращения шнека экструдера (xj) возрастает удельная производительность, влажность (хг) кормосмеси влияет линейно на удельную производительность в исследуемых интервалах к сумме диаметров каналов (хз) удельная производительность возрастает так же в исследуемых интервалах. Графическая реализация результатов эксперимента отражена в сравнительных и оптимизационных экспериментах. Данные полученного эксперимента используем для сравнения в оптимизационном эксперименте, в качестве сравнительного фактора является угол скоса гребня винта шнека экструдера.
Результаты обработки математической модели (47), в кодированном варианте, получены при помощи компьютерной программы «MATLAB 6.5». Базовый вариант поверхности гребня винта шнека эктрудера является стандартным, т.е. без скоса. 7_ = -1 1 7„ = -1 -1 Минимальное значение критерия отклика (min = 3,166 кг/кВт ч), максимальное значение (max = 12,394 кг/кВтч).
