Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства

Диссертационная работа:

Хлыстунов, Виктор Федорович. Интенсификация процесса приготовления кормосмесей для свиней горизонтально-шнековым порционным циркуляционным смесителем : Дис. ... канд. технические науки : 05.20.01.-

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8

1.1. Типы кормления и свойства перерабатываемых

кормов 8

1.2. Анализ основных конструктивных схем смесителей

кормов 10

1.3. Анализ результатов исследования процесса смеши
вания кормов, цель и задачи исследования 23

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ

В ПОРЦИОННЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ СМЕСИТЕЛЯХ 40

2.1. Физическая сущность процесса смешивания кормов

в порционном циркуляционном смесителе 40

  1. Обоснование конструктивно-технологической схемы смесителя 45

  2. Определение величины критического межшнекового "просвета" 61

  3. Выбор частоты вращения рабочих органов 72

  4. Разработка алгоритма перехода от параметров модели к натурному образцу 87

  5. Определение оптимальной вместимости смесителя 94

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЩОВАНИЙ 100

  1. Задачи и программа экспериментальных исследований 100

  2. Описание экспериментальной установки и основных приборов 101

  3. Общая методика проведения экспериментальных исследований 104

  4. Общая методика производственной проверки экспериментального образца смесителя 107

  5. Определение основных физических свойств компонен-

тов и готовой кормосмеси .7.. .*; 108

  1. Определение основных механических свойств кормов 110

  2. Определение показателя неравномерности смешивания ... 113

  3. Определение необходимой длительности замера полного сопротивления кормосмеси постоянному току 115

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 118

4.1. Влияние длительности замера на величину

полного сопротивления кормосмеси 118

  1. Влияние конструктивных и кинематических параметров на процесс смешивания 121

  2. Результаты производственной проверки экспериментального образца смесителя 138

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРЦИОННОГО
ЦИРКУЛЯЦИОННОГО СМЕСИТЕЛЯ И ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ЕГО
ЙШЕШРНОГО РАСЧЕТА 140

5.1. Экономическая эффективность результатов иссле
дования 140

5.2. Основы методики инженерного расчёта 142

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 151

ЛИТЕРАТУРА 153

ПРИЛОЖЕНИЯ 168

Введение к работе:

Продовольственной программой СССР на период до 1990 года предусмотрено /I/ довести среднегодовое производство мяса в одиннадцатой пятилетке до 17,0...17,5 млн.т, а в двенадцатой -20,0...20,5 млн.т. При этом важное место отводится развитию свиноводства как наиболее скороспелой отрасли животноводства, которая позволит получить в 1985 году 6,5 млн.т, а в 1990 году - 7,0...7,3 млн.т свинины.

В числе определяющих условий высокоэффективного производства свинины является обеспечение животных полнорационными кор-мосмесями, сбалансированными по питательности, макро- и микроэлементам. Причем наряду с использованием комбикормов промышленного производства все возрастающее применение /2/ находят корма собственного производства на базе малоконцентратных рационов. Это, в первую очередь, корнеклубнеплоды, силос, зеленая масса, концентраты, сенная, травяная мука и некоторые другие.

В связи с этим основная часть кормовых смесей будет и в дальнейшем производиться во внутрифермских и внутрихозяйственных кормоцехах, где базовой машиной всего технологического процесса является смеситель кормов.

В настоящее время суточные объёмы перерабатываемых кормов значительно возросли и достигли, например, на откормочных комплексах на 24 тыс. свиней 175 т и более /3/. Это требует дальнейшего совершенствования используемого при этом оборудования с целью увеличения его производительности и улучшения качественных показателей технологического процесса.

Анализ /4...12/ существующих технических средств для приготовления кормосмесей показал, что они имеют низкую эффективность

их использования при получении смесей из кормов собственного производства.

Проведенный анализ процесса смешивания и различных конструктивно-технологических схем смесительного оборудования показал целесообразность реализации конвективного смешивания при приготовлении кормосмесей из компонентов малоконцентратных рационов для свиней и использования при этом горизонтально-шнековых порционных циркуляционных смесителей. Однако рабочий процесс в них изучен /13...17/ недостаточно.

В связи с этим в настоящей работе установлены теоретические зависимости, характеризующие процесс смешивания кормов в горизонтально-шнековых порционных циркуляционных смесителях. Экспериментальными исследованиями подтверждены теоретически обоснованные параметры смесителя и установлено рациональное сочетание их значений, обеспечивающих увеличение производительности процесса при показателе неравномерности смешивания в пределах зоотехнических требований. Разработана методика инженерного расчёта и проведена производственная проверка экспериментального образца четырехпне-кового смесителя. По полученным результатам дан анализ и сделаны выводы.

Объектом исследования были физическая модель смесителя, его макетный образец и кормосмеси, применяемые на свиноводческих фермах.

Научная новизна выполненной работы заключается в разработке математической модели процесса смешивания, позволившей обосновать оптимальную по числу рабочих органов конструктивно-технологическую схему смесителя, величину межшнекового "просвета" и частоту вращения шнеков.

Установлена оптимальная вместимость смесителя от суточной

потребности в кормах.

Разработан алгоритм перехода от физической модели к параметрам натурного образца смесителя.

Предложена методика определения неравномерности смешивания по замеру электрофизических свойств кормосмеси и метод определения критической точки изменения экспериментальной асимптотически изменяющейся функции.

Новизна смесителя, разработанного по результатам теоретических и экспериментальных исследований, защищена авторским свидетельством Л 97ІІ82.

Представленная работа проведена в лаборатории механизации кормоприготовления БНИПГИМЭСХ в 1979...1983 гг. в соответствии с координационным планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, утвержденных Госкомитетом Совета Министров СССР: "Разработка перспективной технологии, комплектов машин и оборудования, обеспечивающих производство свинины с затратами труда не более 1,5 чел.-ч на I центнер". Номер государственной регистрации темы 77028169.

"Усовершенствовать существующие, разработать и внедрить прогрессивные электромеханизированные технологии, системы гелио-электроснабжения и микроклимата для перспективных типов свиноводческих ферм и комплексов, обеспечивающих снижение затрат труда на производство I ц свинины на 20...25%". Номер государственной регистрации темы 00833312.

Работа проведена в соответствии с договором о творческом содружестве между ГСКБ по машинам для свиноводческих ферм (г.Умань) и ВНИПТИМЭСХ.

Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-технических конференциях ВНИПТИМЭСХ (1981...1983 гг.),

АЧЮІСХ (г. Зерноград, 1982 г.) и на научно-технических совещаниях в ГСКБ (г. Умань) в 1979, 1982, 1983 гг.

На защиту выносятся:

теоретические основы процесса смешивания в порционных циркуляционных смесителях;

конструктивно-технологическая схема четырехвального порционного циркуляционного смесителя со шнековыми рабочими органами;

конструктивные и кинематические параметры разработанного смесителя.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЩЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ I.I. Типы кормления и свойства перерабатываемых кормов

В настоящее время в различных зонах нашей страны применяют следующие основные типы кормления свиней /3, 18...20/: концент-ратный, концентратно-корнеплодный, концентратно-силосный, кон-центратно-картофельный, на пищевых отходах.

Свиньи способны давать высококачественную мясную продукцию не только при использовании концкормов, но и при введении в рационы до 20...30$ по питательности сочных кормов /19/ и поэтому в настоящее время все более широкое распространение получили смешанные рационы на концентратной основе.

При концентратно-корнеплодном рационе зимой используют конц-корма, силос, сенную, травяную муку, корнеплоды, а летом зелёную массу бобово-злаковых смесей и концкорма.

При концентратно-силосном и концентратно-картофельных типах кормления доля комбинированного силоса и картофеля соответствует доле корнеплодов при практически одинаковом количестве остальных компонентов.

Для обеспечения эффективности кормления свиней важное значение имеет степень измельчения компонентов, неравномерность смешивания и консистенция получаемой кормосмеси.

Анализ /20...23/ показал, что зеленые корма, силос, корнеплоды должны быть измельчены до размера частиц в 10 мм. Зерновой материал должен иметь /19/ размер частиц 1,2...1,6 мм, что позволяет увеличить среднесуточные привесы на 5...10^ по сравнению с тонким помолом и перевариваемость по сравнению с грубым.

Такой широкий диапазон изменения гранулометрического состава исходных компонентов, а также их различие /18, 20, 24, 25/ в

физико-механических свойствах приводит /26/ к ухудшению условий приготовления кормосмеси, показатель неравномерности смешивания которой не должен /21, 27/ превышать 5...10%.

Наряду с получением такой кормосмеси применяют и влаготерми-ческую обработку кормов только в случае /28/ порчи кормов или при наличии в рационе свыше 20$ картофеля /18/. При этом /28/ скармливание запаренных и вареных кормов увеличивает их поедание и ускоряет переваримость пищи у животных. Однако систематическое кормление такими кормосмесями в течение І...2 смежных поколений приводит к осаливанию в раннем возрасте, к ослаблению конституции и к снижению племенных качеств свиней. Кроме этого при влаготерми-ческой обработке разрушается часть витаминов, поэтому такая операция должна быть кратковременной и может допускаться как вынужденная мера.

Большое значение при кормлении свиней имеет консистенция готовой кормосмеси.

Анализ ряда работ /19, 29...31/ показал, что с целью повышения продуктивности животных с учётом физиологических свойств и особенностей свиней, несмотря на несколько большие затраты по сравнению с использованием сухих кормов, предпочтение следует отдавать полнорационным кормосмесям с относительной влажностью 60...70%.

В связи с вышеизложенным следует, что для приготовления кор-мосмесей для свиней требуется оборудование, которое позволяет:

готовить полнорационные кормосмеси относительной влажностью 60...70% из компонентов с широким диапазоном изменения физико-механических свойств;

при необходимости производить влаготермическую обработку кормов;

получать кормосмеси с показателем неравномерности смешивания не более lOfo,

1.2. Анализ основных конструктивных схем смесителей кормов

В настоящее время в нашей стране и за рубежом имеется большое количество различных смесителей кормов (табл. I.I). В основу их классификаций /22, 32...38/ положены основные признаки, присущие различным конструктивно-технологическим схемам.

По характеру процесса смещивания смесители (рис. I.I) бывают непрерывного и периодического действия (порционные).

В смесителях непрерывного действия загрузка кормовых компонентов, смешивание и выгрузка готовой смеси объединены в единый технологический процесс. Поэтому они более компактны, производительны. Однако возможность получения в них однородной кормосмеси из различного набора кормов органичена высокой неравномерностью подачи компонентов в смеситель, осуществляемой объёмными дозаторами /18/.

К недостаткам смесителей кормов непрерывного действия следует отнести также и большие затраты на влаготермическую обработку корма вследствие потерь тепла в окружающую среду с готовой кормо-смесью.

В смесителях кормов периодического действия процесс протекает по циклу: загрузка, смешивание, выгрузка и поэтому производительность их сравнительно невысока. Вместе с тем эти смесители практически нечувствительны к флуктуации питающих потоков, в них можно приготовить кормосмесь практически любого качества незначительным изменением времени смешивания и позволяют смешивать компоненты, различаемые по физико-механическим свойствам и гранулометрическому составу. Кроме этого осуществимо массовое, наиболее

точное дозирование, а при влаготермической обработке кормов рабочее тело находится внутри камеры, в замкнутом объёме, что уменьшает теплопотери.

По способу установки смесители бывают стационарные и передвижные. Основным преимуществом стационарных систем /39/ являются небольшие затраты труда и низкие эксплуатационные издержки. Кроме этого при использовании мобильных средств возможны такие нежела-тельные явления при смешивании как сегрегация и расслоение кормо-смеси из-за неизбежных толчков и неравномерной скорости транспортирования.

По виду движения смешиваемых компонентов смесители можно разделить на: внедрения, перераспределения и циркуляционные.

Работа смесителей внедрения основана на том, что в них масса одного компонента постоянно проникает, внедряется в массу другого. Это происходит под воздействием таких факторов как напор воздуха, явление гравитации и вибрации.

Известные смесители /40, 41/, использующие напор воздуха в качестве фактора интенсификации процесса смешивания, показали хорошую работоспособность на приготовлении сухих комбикормов и рассыпных кормосмесей.

Гравитационные смесители представлены смесителем-запарником ЗСК-1,0 /42/, фирмы пМиагп /43/ и некоторыми другими.

Основным достоинством таких машин является относительная простота конструкции, невысокая энергоёмкость процесса и достаточно невысокая неравномерность смешивания готовых кормосмесей /44/.

Однако эти смесители имеют ряд существенных недостатков:

наблюдается процесс сегрегации в результате многократного перебрасывания смешиваемого материала при различной насыпной плотности компонентов;

Периодического действия

Стационарные

По характеру процесса

По спосоду установки

НепрерыЬного действия

Передвижные

Смесители

Перераспределение

-5 II

3!

! I

По Виду движения

смешибаемых

компонентов

I

Рис. І.І. Классификация смесителей кормов

Таблица I.I Основные показатели использования смесительного оборудования

Классифика ционные признаки

п/п

Наименование ! оборудования,

страна,

фирма

Назначение

~ і Полез- Шощ- !

ная [ность

!вмес- -при- !

. ти- !вода, !мость --~

! 5 ! 6

[ м3

Масса, кг

смешивания, %

Длительт Показатель не-ность 'равномерности смеши- г ^ вания, .

мин.

1. Смеситель
барабанный
фирмы

и AftOQ п

ФРГ *

  1. Запарник-смеситель кормов ЗСК-1,0; СССР

  2. Барабанный смеситель с битером конструкции Й.И.Фурса, СССР

Приготовление сухих кормовых смесей и рассыпных комбикормов. Вып. 24 типоразмера

Приготовление запаренных и сырых кормовых смесей на мелких свинофермах

Приготовление кор-мосмесей крупному рогатому скоту

Стационарный, порционный, 0.2.« внедрения, 10,0 гравитационный

Стационарный, порционный, 1,0 внедрения, гравитационный

Стационарный, непрерывного действия, 2,8 внедрения, гравитационный

0,75, 28,0

2,8

4,5

450... 3...10 9370

560 4...5

5...18

Продолжение табл. I.I

I!

! 5 ! б ! 7 ! 8 ! 9

Приготовление сухих комбикормов

Приготовление сыпучих кор-мосмесей

Варка пищевых отходов и смешивание их с комбикормами. Приготовление жидких кормовых смесей

Приготовление запаренных и сырых кормо-смесей на свинофермах

6,0 10,6

1,5 6,5

4.

Смеситель конструкции Мальцева А.К., СССР

Смеситель вибрационный конструкции Евсеен-кова, СССР

Варочный котёл-смеситель ВКС-ЗМ, СССР

  1. Агрегат для приготовления кормовых смесей АПС-6,0.02; СССР

  2. Кормораздатчик

ля свиней 0-1,5; СССР

Стационарный, непрерывного действия, внедрения с комбинированным рабочим органом, одно-вальный

Стационарный, непрерывного действия, внедрения, вибрационный

Стационарный, порционный, перераспределения , лопастной, одно-вальный

Стационарный, порционный, перераспределения , лопастной, двух-вальный

Приготовление Передвижной, и раздача сухих порционный, и влажных кор- перераспре-мосмесей деления

0,06 0,9

4...7

3,0 7,0 1900 10...20 25,6..

35,1

4250 15...20 14,2.

18,1

1028 10...20 14,22.

28,0

Продолжение табл. I.I

I ! 2

! 5 ? б ! 7 ! 8

9. Кормораздатчик KPC-T; СССР

10. Смеситель C-7-I, СССР

II. Раздатчик-смеситель РС-5А, СССР

12. Смеситель США

Раздача полужидких и сухих кормов на свинофермах с одновременным перемешиванием их

Приготовление запаренных и сырых кормосмесей на свинофермах

Приготовление полужидких кормовых смесей для свиней и раздача в кормушки

Приготовление сухих и увлажненных кормовых смесей и комбикормов. Вып. 9 типоразмеров

Передвижной,

порционный, 1,5 7,36 600 перераспределения, гори-зонтально-шнековый, двухвальный

Стационарный,

порционный, 6,0 10,37 3722 10...15 14,2...
перераспреде-
19,2

ления, лопастной, двухвальный

Стационарный,

порционный, 0,70 1,70 590 15 14,4...

перераспреде- 20,I

ления, лен-

точно-шнеко-

вый, одно-

вальный

Стационарный, п дъ д *> п

ПОРЦИОННЫЙ, а**'" ОС)'! "

перераспреде- » **** ления, с комбинированным рабочим органом, одновальний

Продолжение табл. I.I

I!

! б ! 7 ! 8 ! 9

ІЗ. Смеситель СГК-2,5М; СССР

14. Смеситель С-І2,0; СССР

15. Смеситель ОПС (конструкция В.А.Кохно), СССР

16. Смеситель 2Ш-І, СССР

Приготовление сухих и рассыпных комбикормов

Приготовление запаренных и сырых кормовых смесей на крупных свинофермах

Приготовление влажных кор-мосмесей на свинофермах

Приготовление сухих рассыпных комбикормов и обогатительных добавок, включая жидкие

Стационарный, порционный, перераспределения, с комбинированным рабочим органом, одновальний

Стационарный, порционный, перераспределения, лопастной, двух-вальный

Стационарный, порционный, перераспределения, лен-точно-шнеко-вый, одновальний

Стационарный, непрерывного действия, перераспределения, лопастной, двух-вальный

5,6

12,0

1,0

2,7

13,6 20...30 12,3.

18,0

Продолжение табл. I.I

I !

!

! 5 ! б ! 7 !

! 9

0;25 5,24 640

17. Смеситель конструкции Г.Ф.Иванова, СССР

18. Планетарный смеситель конст-сции

UСелезнева, СССР

19. Смеситель конструкции Э.М.Погося-на (а.с. № 747464), СССР

Приготовление кормосме-сей с большим содержанием грубых кормов крупному рогатому скоту

Приготовление сухих комбикормов

Приготовление сухих и увлажнённых кормо-смесей

Стационарный,

непрерывного 0,6... 2,7. действия, пе- 0,8 4,8 рераспределе-ния, ленточно-шнековый, одновальний

0,2 1,9

Стационарный, непрерывного действия, перераспределения, лопастной, четырех-вальный

Стационарный, непрерывного действия, перераспределения, с комбинированным рабочим органом, одновальний

8...16

fc. .о

7.8.. 16,5

Продолжение табл. I.I

I !

!

! 8

20. Смеситель

28-8 фирмы

Приготовление сухих, влажных и жидких кормовых смесей и комбинированных кормов выпускается три типоразмера

21. Смеситель Приготовление су-фирмы "Сай- хих комбикормов мон-Баррон", Англия

22. Смеситель ^-966, ГДР

Приготовление жидких кормовых смесей на свинофермах и раздача их по трубам

23. Смеситель-

Рздатчик рмы DaviA и,

Приготовление влажных комбинированных кормо-смесей (сенаж, силос, солома, зернофураж) для КРС и раздача их в кормушки

Стационарный, непрерывного действия, перераспределения, с комбинированным рабочим органом, двухвальный

Стационарный, порционныйд циркуляционный, вертикаль-но-шнековый

Стационарный, порционный циркуляционный, вертикально-лопастной

Передвижной, порционный, циркуляционный, шнеко-лопастной, трёхвальный

6,4

9,2 12,3

5...10 1450

3,7

15...20

5...10

Продолжение табл. I.I

I!

! 5 ! б ! 7 ! 8

3,0

24. Смеситель-раздатчик ширмы

25. Смеситель-
раздатчик
фирмы, ,
*Ра?т1г<хж *

26. Смеситель-
таздатчик
"Мастино-
Менгеле и
Стейнер",
Италия

27. Кормораздатчик универсальный КУТ-3,0А; СССР

Приготовление кор-мосмесей крупному рогатому скоту с последующей раздачей в кормушки

Приготовление и раздача кормосме-сей крупному рогатому скоту

Приготовление и раздача смеси из сухих, влажных и сочных кормов в подготовленном к скармливанию виде

Раздача кормовых смесей на свинофермах и фермах КРС, перемешивание их во избежание расслоения

Передвижной, порционный, циркуляционный, горизонтально-шнековый, трех-вальный

Передвижной,

порционный,

циркуляционный,

горизонтальный,

шнековый

Передвижной,

порционный,

циркуляционный,

горизонтально-

шнеко-

лопастной,

трехвальный

Передвижной, порционный, циркуляционный, скребковый

3,0 3...6

7,8 3,5...4

9,2 - - 3,5...4

10,6 3,5...4

16,8 3,5...4

2,45 29,4 1600 5,38 44,1 2600 7,03 44,1 4500

9,0 58,84 2000 4...5

Окончание табл. I.I

! 5 ! б ! 7 ! 8 ! 9

28. Автомобильный раздатчик-смеситель АРС-Ю, СССР

29. Раздатчик-смеситель кормов прицепной РСП-ЮМ, СССР

Приготовление и раздача кормо-смесей крупному рогатому скоту

Приготовление и раздача кормо-смесей крупному рогатому скоту

Передвижной, порционный, циркуляционный, горизон-тально-шнеко-вый, трех-вальный

Передвижной, порционный, циркуляционный, горизон-тально-шнеко-вый, четырех-вальный

11,9...20

10,0 36...41 -

9,9 47,3 9418 5 16,1...35,6

затруднено смешивание увлажненных зерновых материалов вследствие образования комков, прилипания корма к стенкам;

процесс трудно интенсифицировать, т.к. при увеличении частоты вращения образуется кольцо из материала, прижатого к стенкам и процесс практически прекращается;

полезная ёмкость используется максимум на 50$.

В силу этого гравитационные смесители нашли применение лишь для приготовления влажных рассыпных кормосмесей крупному рогатому скоту в непрерывном потоке.

Для интенсификации процесса в них устанавливается многоза-ходная ленточная навивка /45/, счесывающий битер /44/, делитель кормового материала /38/ и используется противовращение корпуса /46/.

Вибрационные смесители используются для приготовления сухих сыпучих кормосмесей /47/.

Большой группой в нашей стране и за рубежом представлены смесители перераспределения. В этих смесителях компоненты перемещаются по внутреннему объёму хаотически, случайным образом. К этой группе относятся /42, 43, 48/ одновальные и многовальные лопастные смесители, в частности, С-7, C-I2.

Скорость смешивания в них зависит от количества одновременно существующих поверхностей сдвига в смешиваемой массе и интенсифицируется, в основном, увеличением числа лопастей /49/, что ведет к росту металлоёмкости, энергоёмкости. Росту энергозатрат и некоторому снижению производительности способствует и то, что с целью интенсификации процесса смешивания углы атаки ряда лопастей сделаны отрицательными /49, 50/. Такие смесители имеют производительность на смешивании компонентов малоконцентратных рационов 8...16 | и за цикл (загрузка, смешивание, выгрузка) 4,8...7,1 ^.

При этом они позволяют получать кормосмеси с показателем неравномерности смешивания 14,2...35,1%, что не удовлетворяет зоотехническим требованиям.

К этой группе относятся и шнековые смесители с ленточной навивкой /22, 51, 52/, которые имеют существенный недостаток. Он заключается в том, что материал, находящийся в периферийной зоне между валом и лентой, не подвергается эффективному воздействию рабочего органа.

В циркуляционных смесителях смешивание осуществляется за счёт движения массы по одному или нескольким замкнутым контурам, в результате чего происходит конвективный разнос частиц смешиваемых компонентов из одного места в другое, перемещение отдельных слоев или объёмов различных компонентов относительно друг друга через свежеобразованную границу раздела. В таких смесителях /53/ уже при конвективном смешивании достигается требуемое значение показателя неравномерности смешивания, а как известно из ряда работ /54, 55/, здесь процесс идет наиболее интенсивно в сравнении с диффузионным смешиванием.

Циркуляционные смесители можно разделить на вертикальные и горизонтальные.

Вертикальные представлены одновальними шнековыми смесителями СП-І, F-928 (ГДР), фирмы "Саймон-Баррон" (Великобритания) и другими. Основным их преимуществом /43, 55/ является рациональное использование производственных площадей и относительно небольшая длительность смешивания (8...20 мин.). Однако явление сводообразова-ния при приготовлении влажных кормосмесей и склонность к сегрегации ограничивает область их применения.

Вертикальные одновальные смесители с лопастным рабочим органом используются на приготовлении жидких кормов.

В последнее время в нашей стране и за рубежом широкое распространение на фермах КРС получили горизонтальные циркуляционные смесители-раздатчики со шнековыми рабочими органами, расположенными на двух уровнях. Это раздатчики-смесители фирм США щдсСІК% ", *Butoe/[. и, и J-azmhana», итальянской фирмы "Менгеле и Стейнер", а также отечественные АРС-10, РСП-І0М и стационарный смеситель СК-Ю.

Они имеют большое преимущество перед другими смесителями, поскольку процесс в них завершается уже на участке конвективного смешивания за счёт интенсивной циркуляции материала по двум или нескольким замкнутым контурам. Вследствие этого длительность смешивания не превышает /39/ 3,5...4,0 мин.

Однако имеющийся опыт их применения на фермах и комплексах КРС не может быть полностью использован на свиноводческих фермах в силу значительного отличия физико-механических свойств используемых кормов /24, 25, 56/. Кроме этого, в работах /13...17/, посвященных исследованию процесса смещивания в циркуляционных смесителях, есть ряд нерешенных вопросов. Это выбор числа рабочих органов в конструктивно-технологической схеме, вида и шага навивки шнеков, величины межшнекового "просвета" и некоторые другие.

1.3. Анализ результатов исследования процесса смешивания кормов, цель и задачи исследования

Процессу смешивания различных компонентов посвящено достаточно большое количество работ. Однако они затрагивают различные аспекты теории смешивания применительно к конкретным конструкциям смесителей.

На основе анализа работ /18, 34, 56, 57/ процесс смешивания можно представить в виде отдельных элементарных процессов:

конвективного смешивания (перемещение групп смежных частиц из одного места рабочей камеры в другое и образование новых пограничных поверхностей);

диффузионного смешивания (перераспределение частиц различных компонентов через свежеобразованную границу раздела);

сегрегации (сосредоточение частиц с одинаковой массой).

С учётом всего этого уравнение кинетики смешивания можно /22/ представить в виде:

Ш-Ш-Ш, «"

где С(4-) ~ концентрация частиц контрольного компонента; Тп ' " скорость процесса собственного смешивания; То (і) ~ скорость процесса сегрегации.

Из этого уравнения следует, что интенсивность смешивания можно повысить, уменьшая второе слагаемое в правой части. Это означает, что смешивание нужно прекращать, когда процессы диффузионного смешивания и сегрегации уравновесятся.

Многими исследованиями установлено, что кинетика смешивания подчиняется экспоненциальному закону.

Так, Ояма и Аяки /59/ предложили следующую формулу:

= -AY2-«-г)

Вейденбаум и Бонилла /60/ представили это как:

(1.3)

где о , ^>i - соответственно текущее и максимально возможное в статистическом смысле среднеквадратичное отклонение концентрации контролируемого компонента в смеси;

Нь И - константы скорости смешивания. Ряд исследователей вводят в рассмотрение изменение во времени площади поверхности раздела между частицами смешиваемых материалов на единицу объёма и предлагают ряд уравнений кинетики смешивания. Согласно А.К.Мальцеву /41/ это выражено в виде:

\ - е^ (1.4)

Sm *>

где о, Sm Н^ "* соответственно текущее и максимальное значение

поверхности раздела, некоторый безразмерный эмпирический коэффициент. По Коулсону и Мантре /61/:

(1.5)

dec ~ K(s0-s)9

где 0 u Q - соответственно имеют тот же смысл, что Sm

и S в предающей формуле. В /62/ предложена зависимость вида:

Уъ-Уг+к«-Уг), (1'6)

ТЫ ^ J*

где Ljg. - отношение граничной поверхности между компонентами спустя время Ч, к максимально возможной поверхности; п. - константа смешивания. Все приведенные выше уравнения можно записать в общем виде по формуле, представленной в /63/ Б.А.Комаровым как:

М=^-Є~НІ, (1.7)

где і I - какая-то форма, характеризующая качество смешивания;

H - безразмерный эмпирический коэффициент, учитывающий зависимость процесса смешивания от физико-механических свойств материалов, от геометрии и режимов работы смесителя; L - длительность смешивания. Все вышеприведенные формулы обладают тем существенным недостатком, что коэффициент И является различным в каждом конкретном случае, а поэтому он не вскрывает влияния отдельных факторов на показатели процесса смешивания.

Таким же недостатком обладает и чисто эмпирический подход к определению однородности смешивания, осуществленный Е.А.Раска-товой /24/:

Vc =#(б){)~в+Щ (С0І)} (1.8)

где СО - частота вращения рабочего органа; t - длительность смешивания; n,StD ~ постоянные величины, зависящие от физико-механических свойств ингредиентов и технологических факторов смесителя. Расчётные данные в этом случае согласуются с экспериментальными лишь тогда, когда начинает преобладать перемешивание частиц в микрообъемах, т.е. зависимость (1.8) удовлетворительно описывает процесс диффузионного смешивания и для её практического использования требуется накопление большого объёма экспериментальных данных.

Кинетика процесса смешивания может быть описана и чисто диффузионными моделями /34/ однопараметрической:

де в вс ,f)llc . (19)

двухпараметрической: __

де _ ід/Л» , л № . 3z.JLfpfc\ (і ю)

где С - концентрация ключевого компонента; X - координата рассматриваемого объёма; \л/ - линейная скорость потока; Dj U " коэффициенты соответственно продольного и поперечного перемешивания; К - радиус поперечного сечения аппарата. Эту модель можно использовать для описания процесса смешивания в любых смесителях. Однако уравнения (1.9) и (1.10) также неуниверсальны, так как требуется в каждом конкретном случае определять коэффициенты D^ и 2j# и, кроме этого, зависимости по формулам (1.1)...(1.10) учитывают только часть процесса смешивания;а именно: диффузионное смешивание. В работе /64/ сделана попытка учесть конвективное и сдвиговое смешивание введением поправочного коэффициента Н :

CI.II)

где б ц (Jo - соответственно общая и диффузионного смеши-

вания концентрации контрольного компонента.

Однако и это уравнение не лишено отмеченных выше недостатков, так как требует большой экспериментальной работы.

Значительная сложность явлений, происходящих в смесителе, затрудняет строго детерминированное их описание, поэтому многие исследователи, особенно в последнее время, стали использовать вероятностный подход к рассматриваемому процессу.

Ряд исследователей описывают процессы смещивания, исходя из

того, что распределение концентрации компонентов в смеси подчиняется какому-то определенному закону: нормального распределения /65, 66/, биноминальному /67, 68/, распределения Пуассона /69, 70/.

Для описания исследуемого процесса авторы используют параметры этих законов в качестве критериев при оценке качества смешивания. Так, О.Б.Пашевкин /67/ предлагает критерий, по которому можно сравнить показатели неравномерности смешивания, определённые при различном числе частиц индикатора в пробах по формуле:

\ - V у* у-р '

р ? (I.I2)

где уп - значение коэффициента вариации при ҐІ частиц

контрольного компонента в пробе; Г - концентрация контрольного компонента в пробе. Используя закон нормального распределения, В.А.Короткевич и Н.И.Кулешов /71/, определяют длительность смешивания по формуле:

tr-T*(w)n^^, а.»)

где - удельная интенсивность смешивания; с]Ь(Ж.\ - нормированная функция Лапласа;

к!Тср- среднеарифметическое значение безразмерного кри
терия качества смеси;
КТп ~ предельное значение критерия при "с —*- <=**
Однако практически с рассчитывается /72/ по гра-

фической зависимости, построенной по шести точкам:

При этом определяют Нтп и на типичных смесях.

Аналогичный метод использован и в ранее упомянутой работе /69/. Здесь приводится формула для расчёта продолжительности смешивания в виде:

где t.i % - текущее значение длительности процесса;

6у 6*2 - соответствующее времени среднеквадратичное

отклонение (СКО) содержания контрольного компонента; J3 - постоянный опытный коэффициент; Gq - конечное значение СКО, определяемое по расчётному числу частиц контрольного компонента ОСр в пробах, исходя из их распределения по закону Пуассона:

Ga^VcvI.

. (I.I6)

При применении формулы (I.I5) нужно делать минимум две выборки.

Несколько другой подход использовали Л.М.Батунер и М.Е.По-зин /73/. Они взяли за основу уравнение из /62/ и предположили, что результат смешивания можно оценить в конечном счёте вероятностью того, что элемент поверхности раздела находится в любом элементарном объёме. В результате получены зависимости для вероятности, определяющей ту часть общего количества элементарного объёма, где содержится по крайней мере один из элементов поверх-

/

ности раздела:

-*Sp(V-fr)

(I.17)

и вероятности, определяющей долю общего объёма, где тлеются объёмы с контролируемым компонентом:

(4 W-

«spC+e*)

(I.18)

где А^С - коэффициенты пропорциональности;

Sp - максимально возможная поверхность раздела при длительности процесса ^С—*~ ехэ ; О, - число единиц объёма, содержащих контролируемый

компонент; Q - анализируемые объёмы. Делая две выборки через чГ.у и чГ^ , можно из (I.I7) определить KSp , а из (I.I8) длительность достижения такого состояния, когда, например, 95% всех проб будет содержать расчётное количество контролируемого продукта.

Общим недостатком подхода к исследованию кинетики смешивания представленного формулами (1.12)...(1.18), является формализация его, не позволяющая проследить взаимосвязь факторов, определяющих рассматриваемый процесс, а принятие какого-либо закона распределения случайной величины требует более глубокого обоснования.

В последнее время для описания процесса смешивания используется математическое моделирование. Суть этого метода /34, 74, 75/ заключается в том, что реальный смеситель представляют в

виде совокупности отдельных зон (ячеек) идеального смешивания, вытеснения с учётом возможных способов их соединения. Далее по плотности распределения времени пребывания (ПРВП) частиц контрольного компонента в отдельных зонах получают значение ПРВП всего смесителя. В конечном счёте рассчитывают показатель качества смешивания.

При этом в ряде случаев /53, 76/ для определения концентрации ключевого компонента на выходе из ячейки использован стохастический метод с использованием цепей Маркова. В работе же /77/ эта величина определяется с применением преобразования Лапласа и для циркуляционного смесителя с одним контуром может быть выражена уравнением:

фН&\(«$^\«[<»%Я+ф(*-/>}4

+. (I.I9)

если если

А/ - четное - нечетное

К I - номера ячеек;

N - число ячеек идеального смешивания; 7" - постоянная времени ячейки. Учитывая, что реальные процессы в смесителях не в полной ме-ро описываются идеальными математическими моделями, В.И.Гуссейнов /ЧВ/ предложил динамическую модель смесителя из ряда последовательно соединенных участков. Она представлена апериодическим ззеном с двумя обратными связями.

Используя принцип структурного подхода, В.А.Максименко /13/ проанализировал возможные схемы циркуляции материала в трехшнеко-

вом порционном смесителе.

Такой подход дает достаточную сходимость расчётных и экспериментальных данных /53, 77/. Он позволяет оценить предваритель любой смеситель с учётом известных ПРВП характерных зон и способа их соединения и в этом его достоинство.

В работах Л.И.Штельмаха /79...81/ также осуществлен вероятностный подход к процессу смешивания. Рассматривая изменение концентрации контрольного компонента в центре первоначального его распределения и в любом элементарном объёме, определяемом радиусом-вектором ft с началом в центре ввода частиц индикатора, автором получены зависимости для средней концентрации в любой момент времени и в любой точке

для центра первоначального расположения:

(1.20)

для любого другого элементарного объёма, например, для условия ft "~ т Ф О:

eitt't0l -js

rfiHo)

y-e

(I.21) J?

і,

где Qq Qc - соответственно средняя концентрация в центре ввода и в идеальной смеси контрольного компонента;

to > І - соответственно время попадания частиц в рассматриваемый объём и текущее время;

П'/> fi - коэффициенты, характеризующие в конечном счёте

поступление частиц из центра ввода, выхода их из рассматриваемого объёма и переход в соседние объёмы.

Эти зависимости позволяют установить в общих чертах влияние основных параметров системы "смеситель-смесь" на кинетику смесеобразования.

Кроме описания кинетики рассматриваемого процесса в большинстве известных работ были затронуты различные аспекты смешивания кормов лопастными смесителями непрерывного действия. При этом изучено влияние частоты вращения рабочих органов /50, 82, 84/, их длины /41, 84, 85/, параметров лопастей /50, 86...89/ и некоторых других факторов, определяющих процесс смешивания. Наиболее полно эти исследования представлены в работах Л.И.Штельмаха /50, 90, 91/. Сложность явлений, происходящих в смесителе, и невозможность аналитического учёта ряда параметров привели к тому, что в ряде работ /91...93/ для оптимизации процесса использовалась математическая теория планирования многофакторного эксперимента.

Вопросам исследования порциональных смесителей уделено значительно меньше внимания. Это, в первую очередь, уже упоминавшаяся /50/ и более поздняя работа того же автора /94/, а также /54/. Кроме этого в /95/ приведены аналитические зависимости для расчёта потребной мощности на смешивание.

Первой крупной работой, посвященной смешиванию кормов в шне-ковом смесителе периодического действия для свинопоголовья, явилась работа В.А. Кохно /51/. Им был исследован биконический смеситель с противоточной ленточной навивкой. Исходя из известных представлений о характере движения материальной точки сыпучего тела по поверхности витка шнека при чистом транспортировании, им получены зависимости для объёмной производительности смешивания и крутящего момента на валу смесителя.

Проведенные в дальнейшем исследования /13...17/ позволили

установить ряд параметров порционных смесителей со шнековыми рабочими органами. Так в /13/ определена оптимальная схема движения кормов в 3-х вальном смесителе, в /14, 15/ получены зависимости энергетических показателей процесса смешивания для него и в /16/ - рациональное соотношение частот вращения рабочих органов для 4-х вального смесителя кормов.

Все остальные факторы, влияющие на рассматриваемый процесс при использовании шнекового рабочего органа, определены для смесителей непрерывного действия на кормах для крупного рогатого скота. Так, Ивановым Г.Ф. /52/ в результате многофакторного эксперимента установлены оптимальное значение вида и шага навивки шнека, а также его частота вращения и длина. В работах Э.И.Погосяна /48, 96/ проведены аналитические исследования параметров шнека, используемого в качестве смесительного органа. В частности критическая частота вращения шнека определена как:

rfy%-(fc*sr+slnfi'),

(1.22)

9Л / -I. ^ - . /.

где Zt «f, К" УЗ *~ соответственно радиус расположения рассматриваемой частицы относительно оси вращения; коэффициент внешнего трения; углы, определяющие положение частицы на поверхности витка. Однако зависимость (1.22) получена без учёта взаимодействия рассматриваемой частицы кормосмеси с окружающими частицами и из условия начала относительного её перемещения по поверхности шнека, что может привести к снижению скорости потоков циркуляции и к снижению эффективности смесителя.

Одним из показателей эффективности является неравномерность

смешивания, характеризуемая коэффициентом вариации содержания контрольного компонента (индикатора) в кормосмеси.

Существуют различные способы по определению концентрации индикатора в пробах.

Один из них состоит в выделении из анализируемых проб контролируемого или контрольного компонента ручной разборкой, на ситовом классификаторе, промывкой проб. Трудоёмкость способа привела к тому, что был предложен ряд (рис. 1.2) способов по так называемому разделяющему признаку /18/. Это, в первую очередь, метод, использованный О.Б.Пашевкиным /67/ и получивший название флуориметрического. Он основан на регистрации и анализе распределения предварительно окрашенных флуорисцирующих частиц (слабокислым водным раствором реваноля) на выходе из смесителя. При очевидном преимуществе данного метода (не надо брать и разбирать пробы) он требует все-таки специального оборудования, например, фотоэлектронного умножителя ФЭУ-35 и предварительной подготовки контрольного компонента. В последнее время широкое применение находит метод разделяющего признака (по влажности) И.А.Уланова /48, 85/ согласно которому

c_nt-yf* (1.а)

где /?7 в jfY\ - соответственно масса воды в навеске и масса

навески до высушивания, г; ^7. - относительная влажность исходных компонентов в долях единицы. Этот метод применим с достаточной точностью, если разность власностей исходных компонентов превышает 20% /44/ и смешиваются только два компонента или несколько, но все, кроме одного,

Недостатки


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net