Усовершенствованная технология и смеситель для приготовления сырых кормов из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта
На правах рукописи
ПОЛУНКИН Андрей Алексеевич
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ
ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЫРЫХ КОРМОВ ИЗ ОТЖАТОЙ МЕЗГИ И
СГУЩЕННОГО КУКУРУЗНОГО ЭКСТРАКТА
05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Мичуринск-наукоград РФ 2014 2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.Костычева» на кафедре «Механизация животноводства»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Утолин Владимир Валентинович
Официальные оппоненты: Колобов Михаил Юрьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановский химико технологический университет», кафедра механики и компьютерной графики, профессор Курочкин Анатолий Алексеевич, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», кафедра пищевых производств, профессор
Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства Российской академии сельскохозяйственных наук
Защита диссертации состоится 17 апреля 2014 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул.
Интернациональная, д.101, зал заседаний диссертационных советов, тел./факс (47545) 5-32-13, E-mail: [email protected].
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» и на сайте www.mgau.ru, с авторефератом – на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные и скрепленные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан «_» _ 2014 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,доцент В.Ю. Ланцев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. При переработке зерна кукурузы на крахмал в качестве побочных продуктов получают мезгу в отжатом виде и сгущенный кукурузный экстракт. Данные побочные продукты обладают высокими кормовыми показателями, так как богаты белками, углеводами и другими питательными элементами.
В настоящее время большая часть побочных продуктов крахмалопаточного производства, особенно, экстракта не используется, и сбрасывается в окружающую среду, создавая большую экологическую проблему.
Причиной ограниченного использование побочных продуктов крахмалопаточного производства на кормовые цели является значительные транспортные издержки, недостаточная однородность продукта при их смешивании и высокая кислотность.
Поэтому задача, направленная на повышение эффективности использования побочных продуктов крахмалопаточного производства путем приготовления из них качественных сырых кормов сельскохозяйственным животным в соответствии с зоотехническими требованиями при снижении энергетических затрат и экологического ущерба, являются актуальной.
Степень разработанности темы.
Анализ способов, технологий и технических средств для переработки побочных продуктов крахмалопаточного производства на корм сельско хозяйственным животным, изложенные в работах В.А. Федяковой, М.В.
Орешкиной, В.М. Ульянова, А.П. Гилядова, А.П. Богданова, С.А. Трофимова, Н.А. Богданова, А.П. Колпакчи, В.Н. Романенко, И.Ф. Филипповой и других авторов, показал, что, остается узким вопросом использование в полном объеме кукурузного экстракта. Так ввод его в состав кормовой смеси приводит к значительному повышению е кислотности и не соответствии зоотехническим требованиям. При этом на практике отсутствует высокоэффективное оборудование для смешивания сгущенного кукурузного экстракта с отжатой мезгой.
Поэтому изыскание современных технологий переработки побочных продуктов крахмалопаточного производства в качественные корма сельскохозяйственным животным и разработка высокоэффективного смесителя требует дальнейших исследований и изучения.
Цель и задачи. Повышение эффективности приготовления из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта в разработанном смесителе сырых кормов за счет улучшения их качества, снижения энергетических и материальных затрат при сокращении вредного воздействия на окружающую среду.
Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:
1 – изучить физико-механические свойства сырого корма из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта;
2 – определить направление совершенствования технологии приготовления сырых кормов из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта;
3 – разработать конструктивно-технологическую схему смесителя сырого корма;
4 обосновать теоретически и экспериментально конструктивные и режимные параметры смесителя сырого корма;
5 – провести проверку разработанного смесителя в составе технологической линии приготовления сырых кормов в производственных условиях и определить экономическую эффективность результатов исследований, предложить рекомендации производству.
Научная новизна диссертационной работы:
обосновано в технологии получения сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства, таких как отжатая мезга и сгущенный кукурузный экстракт, введение в кормовую смесь последнего с предварительной нейтрализацией его кислотности оксидом кальция и гидроксидом натрия;
численные значения физико-механических и теплофизических свойств сырого корма;
конструктивно-технологическая схема смесителя;
теоретические положения по обоснованию технологии приготовления сырого корма и конструктивно-режимных показателей смесителя;
результаты экспериментальных исследований смесителя и технологии приготовления сырого корма.
Техническая новизна подтверждена патентами на изобретение РФ №2336722 «Способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства» и № 2454273 «Комбикормовый агрегат».
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана технология приготовления сырого корма для сельскохозяйственных животных из побочных продуктов крахмалопаточного производства с предварительной нейтрализацией сгущенного кукурузного экстракта и теоретические положения для е обоснования. Данная технология решает проблему утилизации побочных продуктов крахмалопаточного производства. Разработан смеситель отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта и получены теоретические зависимости для расчета конструктивно-технологических параметров и режимов его работы, которые подтверждены лабораторными и производственными испытаниями.
Полученные результаты имеют большую практическую значимость для научных и проектных учреждений, сельскохозяйственных, пищевых и перерабатывающих предприятий.
Методология и методы исследования. При проведении теоретических исследований были использованы известные законы химии, теоретической механики и математики. При выполнении экспериментальных исследований использовали известные методики и разработанные на их основе – частные.
Качественные показатели получаемых кормов определяли по гостированным методикам. Для осуществления лабораторных и производственных испытаний использовались современные приборы и установки. Обработку данных в экспериментальных исследований осуществляли методом математической статистики с использованием ПЭВМ и современных компьютерных программ.
Положения, выносимые на защиту:
– показатели физико-механических и теплофизических свойств сырого корма;
– усовершенствованная технология приготовления сырого корма из отжатой мезги и кукурузного сгущенного экстракта и е теоретическое обоснование.
– конструктивно-технологическая схема смесителя сырого корма;
теоретические зависимости, обосновывающие параметры и режимы работы смесителя сырого корма результаты лабораторных исследований по обоснованию и оптимизации конструктивно-технологических параметров смесителя;
– результаты проверки разработанного смесителя и усовершенствованной технологии в производственных условиях.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждена достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, применений современных методик и средств обработки результатов экспериментов.
Усовершенствованная технология приготовления сырого корма из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта с использованием разработанного смесителя внедрена в ОАО «Ибредькрахмалпатока» Шиловского района Рязанской области.
Корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства, приготовленные по разработанной технологии, реализовываются производителями животноводческой продукции Рязанской, Владимировской и Московской областей.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Рязанского ГАТУ (2008 – гг.), ФГБОУ ВПО Мордовский ГУ (2012 г.), ФГБОУ ВПО Орловского ГАУ ( г.) и опубликованы в 11 научных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и 4 патентах РФ на изобретения.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и задачи, е народнохозяйственное значение. Представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе «Анализ способов и средств механизации приготовления кормов из побочных продуктов пищевых производств» дан обзор и анализ способов, средств механизации и выполненных исследований по проблеме использования побочных продуктов пищевых производств, в качестве кормов сельскохозяйственным животным.
Вопросами совершенствования технологий и средств механизации приготовления кормов занимались: А.И. Ладур, Е.А. Штыркова, Н.Г. Гилюк, В.Н. Романенко, Н.И Филиппова, Н.Д. Лукин, Л.Г. Мигорская, В.Ф.
Некрашевич, М.В. Орешкина, В.В. Утолин, М.А. Коньков и другие.
Не смотря, на значительное количество научных исследований вопросы эффективного использования побочных продуктов крахмалопаточного производства в качестве кормов остаются актуальными и недостаточно изученными. Обоснована необходимость в усовершенствовании технологии приготовления качественных сырых кормов из отжатой мезги и сгущенного экстракта с применением смесителя для снижения материальных затрат и сокращения экологического ущерба.
Во втором разделе «Исследование физико-механических и теплофизических свойств сырого корма приготовленного из побочных продуктов крахмалопаточного производства» изложены программа и методика исследований, приведены методы определения динамического и статического коэффициента трения корма, угла его естественного откоса, объемной массы, коэффициентов тепло- и температуропроводности, тепломкости сырого корма. Представлено описание используемых для проведения опытов приборов и измерительной аппаратуры.
В результате проведенных исследований установлено, что угол откоса при изменении влажности корма от 40 до 70% повышается, а в диапазоне его влажности 70 … 80% стабилизируется.
Изменение динамического коэффициента по сталям 45 и 08Х13 с повышением влажности корма увеличивается и достигает максимума при влажности 70…80%.
Величина статического коэффициента при повышении влажности корма от 40 до 80% возрастает и достигает максимальных значений при его влажности 75…80%.
При изменении влажности от 40 до 80% объемная масса сырого корма увеличивается с 234 до 796 кг/м3.
Коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости с повышением влажности от 20 до 90% соответственно увеличиваются с 0,162 до 1,301 м2/с, с 0,250 до 0,573 Вт/(м·К) и с 2140 до 4010 Дж/(кг·К).
Результаты исследований физико-механических и теплофизических свойств сырого корма использованы при обосновании параметров технологического оборудования.
В третьем разделе «Теоретическое обоснование усовершенствованной технологии приготовления сырых кормов сельскохозяйственным животным из отжатой мезги и сгущенного экстракта» дано описание предлагаемого смесителя и технологии приготовления сырого корма. Представлено обоснование применения числа реагентов и их оптимального сочетания для нейтрализации кислотности сгущенного кукурузного экстракта.
Технологическая линия приготовления сырого корма из отжатой мезги и сгущенного экстракта, как побочных продуктов крахмалопаточного производства, работает следующим образом. Предварительно осуществляется нейтрализация кислотности сгущенного кукурузного экстракта. В качестве реагентов предлагается использовать оксид кальция и гидроксид натрия из расчета 19 кг СаО и 12 кг NаОН на одну тонну сгущенного кукурузного экстракта. Внутренняя емкость нейтрализатора 1 (рис.1) заполняется водой, а внешняя – сгущенным кукурузным экстрактом. Затем во внутреннюю емкость нейтрализатора 1 поочердно подаются реагенты оксид кальция из бункера-дозатора 2 и гидроксид натрия из бункера дозатора 3. В результате реакции реагентов с водой выделяется тепловая энергия, которая нагревает экстракт, находящийся во внешней мкости нейтрализатора.
После приготовления водного раствора реагентов, он смешивается со сгущенным кукурузным экстрактом и перекачивается во внешнюю емкость нейтрализатора 1.
Вследствие химической реакции водного раствора реагентов с органическими кислотами сгущенного кукурузного экстракта происходит нейтрализация его кислотности до рН=6,0…6,5. Далее нейтрализованный сгущенный кукурузный экстракт из нейтрализатора 1 и отжатая мезга из бункера накопителя 4 совместно подаются в смеситель 6, где происходит смешивание. Приготовленный сырой корм направляется в бункер накопитель 7.
Сырой корм, полученный из отжатой мезги и сгущенного экстракта, с предварительным нейтрализации его кислотности перед смешиванием (патенты РФ № №2396838, №2422039) по содержание кальция и натрия не превышает допустимых зоотехнических норм.
1 нейтрализатор;
2 бункеры-дозаторы реагентов, оксида кальция и гидроксида натрия;
3, 4 бункер-дозатор отжатой мезги;
5 транспортр отжатой мезги;
6 смеситель;
7бункер накопитель сырого корма Рисунок 1 Технологическая линия приготовления сырого корма из отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта.
Конструктивно-технологическая схема предлагаемого смесителя сырого корма (патент РФ № 2454273) представлена на рисунке 2.
В корпусе 1 установлен основной рабочий орган шнек-смеситель 2, он состоит из полого вала 3 на котором, последовательно расположены шнековый конвейер 4 и полые лопасти 5, установленные по винтовой линии. Вал шнека-смесителя 2 установлен таким образом, что он совершает вращательные движения, передаваемые от привода (привод не показан) и возвратно поступательные в направлении осевой линии. Для прима отжатой мезги корпус 1 смесителя имеет входную горловину 6, на которую установлен примный бункер 7. В торце, со стороны входной горловины смеситель имеет устройство подачи нейтрализованного сгущенного экстракта, содержащие камеру 8 для сгущенного экстракта с мембраной 9, которая имеет опору 10 для крепления вала шнека смесителя. Внутри камеры 9 установлена пружина 11, таким образом, что один ее конец закреплен на неподвижном корпусе, а второй на опоре 10. Камера 9 соединена с емкостью 12 для временного хранения нейтрализованного сгущенного экстракта трубопроводом с обратным клапаном 13.
Смеситель работает следующий образом. Отжатая мезга через примный бункер 7 и входную горловину 6 подается к рабочему органу смесителя. И далее транспортируется в зону смешивания, при этом шнек-смеситель 2 – стремится переместиться, преодолевая усилие пружины 11, по направлению к камере 8. При выгибании мембраны 9 уменьшается объм в камере 8, что ведет к повышению там давления. Клапан 13 закрывается и сгущенный экстракт через полости вала 3 и лопастей 5 подается в зону смешивания. Корпус смесителя 2, при работе, заполняется отжатой мезгой примерно на 50%. При выходе конца шнековой навивки 4 из транспортируемой порции отжатой мезги сила воздействия на шнек-смеситель 2 уменьшается, и за счет воздействия пружины он перемещается по направлению к выгрузной горловине. При этом в камере 8 происходит понижение давления, клапан 13 открывается. В камеру из емкости 12 поступает сгущенный экстракт. Далее конец шнековой навивки 4 входит в следующую порцию мезги, транспортируемой по направлению к камере 8. За один оборот шнек-смеситель совершает одно колебательное движение. Смешивание с одновременным перемещением отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного экстракта осуществляется за счет лопастей 5.
Рисунок 2 – Схема разработанного смесителя (позиции в тексте).
Исходя из конструкции смесителя, его производительность можно определить так;
= +, кг/с (1) где подача отжатой мезги, кг/с;
подача сгущенного экстракта, кг/с.
Определим подачу отжатой мезги.
Известно выражение, для определения производительности шнековых машин:
( Dшн d тр ) ср 1, кг/с Q 2 (2) где: – средняя осевая скорость перемещения массы, м/с;
– наружный диаметр шнека, м;
– диаметр внутренней трубы шнека, м;
– коэффициент заполнения;
1– объемная масса отжатой мезги, кг/м3.
Производительность смесителя по сгущенному экстракту определяли как, кг/с (3) где: V – объем сгущенного кукурузного экстракта подаваемого за один оборот шнека-смесителя, м3 ;
n – частота вращения шнека, ;
– плотность сгущенного кукурузного экстракта, кг/м3.
Подставим в выражение (1) в выражение (2) и (3), получим:
( Dшн d тр ) ср 3600Vn 2, кг/с Q1 2 (4) Для определения средней осевой скорости перемещения сырого корма (vср), необходимо рассмотреть характер движение частицы по шнековой навивке смесителя.
На рисунке 3 представлена поверхность геликоида, заменяющая поверхность шнека.
Рисунок 3– Поверхность геликоида. Рисунок 4 – Схема для расчта векторных уравнений.
Уравнения прямого геликоида в параметрической форме имеет вид:
x хu1 u cos y y u1 u sin (5) z u1 b Начальные условия для определения положения частицы перемещаемой шнеком.
u F t, u,, ;
u,,, G t, u,, ;
u,,, H t, u,, ;
u,,.
Полученные дифференциальные уравнения:
u b u b b u b u u b 2 2 u b u 2 b 2 2 g sin 2u 2u, (6) u2 b2 b bu bu u 2 u b 2 2 u 2 b2 u b2 u b g sin 2u 2u, (7) u 2 b2 b u u 2 b2 u 2 b 2 u b u 2 b2 g sin 2u 2u.
(8) Полученные уравнения затруднительно решить аналитическим способом, поэтому решение было выполнено численным методом с использованием компьютерной программы « Mathcad 14», в результате получили выражение для определения средней осевой скорости перемещения корма ср 7,87 ( n 12,5)0,064 9,25 (9) Для определения производительности подающего устройства сгущенного кукурузного экстракта была рассмотрена схема 5. Объем сгущенного экстракта вытесняемый за один оборот шнека можно определить по выражению 13, Vк можно определить как объем усеченного конуса, образуемый при прогибе мембраны и Vц объем занимаемый цапфой. В результате решения получили выражение 14 для определения производительности экстракта.
Объем сгущенного экстракта, вытесняем за один цикл, найдем как объем усеченного конуса за исключением объема занимаемый цапфой.
V=VkVц (10), где радиус камеры подающего устройства экстракта, м;
радиус цапфы, м;
высота усеченного конуса h = A, м (12),м3 (13) Рисунок 5 – Схема подающего устройства сгущенного кукурузного экстракта.
В результате производительность подающего устройства нейтрализованного сгущенного экстракта определяется по следующему выражению:
,кг/с (14) В четвртом разделе «Исследование процесса смешивания мезги и сгущенного кукурузного экстракта в лабораторных условиях» изложены программа и методики исследований, приведено описание лабораторной установки (рис 6), оборудования и приборов, представлены результаты исследований. Обработка полученных данных проводилась согласно приведенной методике программ «Mathematika 4.2» и «Statistica 6.0» с помощью ЭВМ.
Рисунок 6 – Общий вид лабораторной установки.
В результате лабораторных исследований процесса смешивания отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта были получены графические зависимости.
Анализируя полученную графическую зависимость (рис. 7), производительности смесителя от частоты вращения рабочего органа, следует отметить. С повышением частоты вращения рабочего органа смесителя от до 120мин-1 производительность повышается с 3,0 до 4,2т/ч. При дальнейшем повышении частоты вращения рабочего органа от 120 до 140 мин- производительность повышается с 4,3 до 4,5т/ч. Замедление роста производительности, связано с уменьшением интенсивности подачи сгущенного экстракта. Это происходит из-за уменьшения амплитуды, осевого перемещения мембраны подающего устройства сгущенного экстракта.
Q, т/ч 4, 3, n, об/мин 60 70 80 90 100 110 120 130 Рисунок 7 – Графическая зависимость производительности (Q) смесителя от частоты вращения рабочего органа (n).
Из графической зависимости (рис. 8) следует, что при увеличении частоты вращения рабочего органа (рис. 8) с 60 до 100 мин -1, его амплитуда осевого перемещения возрастает: при массе груза возвратного устройства 5,0 кг от 34 до 41мм, при 10,0 кг от 50,0 до 60 мм и при 15кг от 24 до 28 мм. При дальнейшем увеличении частоты вращения рабочего органа с 100 до 140 мин- амплитуда его осевого перемещения уменьшается при 5,0кг от 41 до 33мм, при 10кг от 60 до 53мм и при 15,0кг от 28 до 24мм.
Из графической зависимости, (рис. 9) видно, что при повышении частоты вращения рабочего органа от 60 до 100 мин-1 производительность подающего устройства экстракта увеличивается при диаметре отверстий жиклеров смешивающих лопастей 2мм от 0,53 до 0,66т/ч;
при 4мм от 0,63 до 0,79т/ч;
6мм от 0,71 до 0,86т/ч. При дальнейшем повышении частоты вращения рабочего органа модели смесителя, от 100 до 140мин-1производительность подающего устройства экстракта снижается при диаметре отверстий жиклеров смешивающих лопастей 2 мм от 0,66 до 0,59т/ч;
при 4мм от 0,79 до 0,70 т/ч;
6мм от 0,86 до 0,81т/ч.
Рисунок 8 – Графические зависимости амплитуды осевого перемещения рабочего органа смесителя (А), от его частоты вращения (n) и массы груза возвратного устройства (m).
Рисунок 9 – Графические зависимости производительности (Q) подающего устройства экстракта, от частоты вращения () рабочего органа смесителя.
Для выявления оптимальных конструктивно-технологических параметров и режимов работы модели смесителя при смешивании сгущенного кукурузного экстракта и отжатой мезги был проведн трхфакторный эксперимент.
Конструктивно-технологические параметры, при которых реализуется работоспособность модели смесителя зависят, в первую очередь от частоты вращения рабочего органа, амплитуды колебаний мембраны подающего устройства и диаметра отверстий лопастей, через которые происходит подача кукурузного экстракта в зону смешивания.
В результате обработки результатов эксперимента на ЭВМ получены следующие адекватные модели регрессии.
Для определения времени нагревания сырого корма = – 9,0 + 0,50625x – 0,0021875x2 + 1,925y – 0,0025 xy – 0,015y2 + + 11,5 z + 0,05xz – 0,05yz – 1,65625 z где x, y, z значение факторов, в матрице плана они были обозначены х1, х2, х соответственно.
Для определения затрачиваемой удельной энергии N = – 0,19375 – 0,0345x + 0,0002125x2 + 0,09275y – 0,000125xy – 0,00007y2 – 0,108125z + 0,0000625xz + 3,40931 102yz + + 0,013125z Полученные математические модели позволяют расчетным путем найти численные значения степени однородности получаемой смеси и затрачиваемой удельной мощности в пределах варьирования уровней факторов эксперимента.
Модель регрессии второго порядка, адекватно отражающая процесс смешивания кукурузной мезги и сгущенного экстракта, была исследована для выявления оптимальных параметров степени однородности смеси и удельного расхода энергии. С этой целью с помощью компьютерной программы «Statistica» построены графические зависимости частных сечений степени однородности смеси и удельного расхода энергии при фиксированных значениях частоты вращения рабочего органа смесителя, амплитуды колебания мембраны и диаметра отверстий лопастей (рис. 10).
0, 0,72 0, 0,7 0, 0,68 0, 0,66 0, 0,64 0, 0, 0, А. Б.
0, 0, 0, Рисунок 10 – Поверхность отклика, характеризующая степень однородности смеси (А) и удельный расход энергии (Б) от амплитуды колебаний мембраны и диаметра отверстия лопастей при частоте вращения рабочего органа 80 мин-1.
Исходя из результатов, проведенных лабораторных исследований процесса смешивания отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного экстракта следует, что полученная степень однородности смеси соответствует зоотехническим требования, предъявляемым к подобным кормам. В дальнейшем оптимизацию факторов, таких как частота вращения рабочего органа (n), его амплитуда колебаний (A) и диаметр отверстия смешивающих лопастей (d), проводили по удельному расходу энергии затрачиваемой на процесс смешивания.
Определение численных значений факторов, при которых реализовано условие минимального удельного расхода энергии, проводили путм шаговой обработки данных с учетом принятых ограничений. В результате анализа полученных графических зависимостей были установлены диапазоны изменения значений факторов и шаг их изменения: частота вращения рабочего органа 95…105 мин-1, шаг 5 мин-1;
амплитуда колебаний 50…54мм, шаг 2мм;
диаметр отверстия смешивающих лопастей 2…6мм, шаг 1 мм.
В результате шаговой обработки были выявлены следующие числовые значения оптимальных факторов:
– при частоте вращения рабочего органа 95 мин-1, его амплитуда колебаний 50мм, диаметр отверстия лопастей 4мм;
– при частоте вращения рабочего органа 100 мин-1, его амплитуда колебаний 50 мм, диаметр отверстия лопастей 4мм;
– при частоте вращения рабочего органа 105 мин-1, его амплитуда колебаний 50 мм, диаметр отверстия лопастей 4мм.
Из анализа полученных численных оптимальных значений факторов установлено, что минимальный расход энергии при амплитуде колебаний рабочего органа 50 мм и диаметре отверстий смешивающих лопастей 4 мм, удельные затраты энергии составляют с 0,54… 0,56 кВтч/т.
В пятом разделе «Исследование смесителя в производственных условиях» изложена программа, методика и расчт экономической эффективности разработанного смесителя и технологии приготовления сырого корма.
На основании результатов теоретических и лабораторных исследований процесса смешивания мезги и сгущенного кукурузного экстракта была разработана техническая документация и изготовлен опытный образец смесителя.
Разработанный смеситель и технология приготовления сырого корма из отжатой мезги и сгущенного экстракта внедрены в производство ОАО «Ибредькрахмалпатока» Шиловского района, Рязанской области (рис. 11).
Производственные испытания покали, что применение разработанного смесителя отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта в технологической линии приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства позволяет производить качественные корма, отвечающие зоотехническим требованиям.
В результате производственных испытаний разработанный смеситель, используемый в комплекте оборудования для приготовления сырого кора подтвердил свою работоспособность. Производительность разработанного смесителя составила 5,4 т/ч. Удельный расход энергии на смешивания отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта составил 0, кВтч/т. Средняя степень однородности приготовленного сырого корма составила 93%.
Рисунок 11 – Общий вид разработанного смесителя в цехе приготовления сырого корма.
За время производственных испытаний смесителя был приготовлен сырой корм из отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта в объме 125 тонн, который реализовывался производителям сельскохозяйственной продукции Рязанской, Владимировской и Московской областей.
Расчет показателей экономической эффективности показал, что внедрение разработанной технологии приготовления сырого корма позволит получить дополнительную прибыль от реализации, ранее сбрасываемого в окружающую среду сгущенного кукурузного экстракта, в размере 5067732 рубля. Внедрение в производство разработанного смесителя позволит сократить себестоимость сырого корма при этом годовой экономический эффект составит 53069 рубля.
Срок окупаемости разработанного смесителя составит 2,2 года.
Заключение 1. Установлено, что численные значения физико-механических свойств сырого корма, приготовленного из отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта, зависят от относительной влажности. При е повышении с 40 до 80% угол естественного откоса увеличивается с 44 до 490. Также повышаются статический и динамический коэффициенты трения по стали 45 ГОСТ 1050-88 и стали 08Х13 ГОСТ 56532-72. Статический коэффициент трения увеличивается с 0,7 до 1,2 и с 0,54 до 0,74, а динамический коэффициент с 0,74 до 1,0 и с 0,66 до 0,78 соответственно.
При повышении относительной влажности сырого корма с 20 до 80% происходит увеличение тепломкости с 2140 до 4010Дж/(кг·К), коэффициентов температуропроводности с 0,162 до 1,301Вт/(м·К) и теплопроводности с 0, до 0,573 Вт/(м·К).
2. Предложенная технологическая схема приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства заключается в смешивании отжатой мезги и сгущенного кукурузного экстракта с предварительной нейтрализацией его кислотности до pH=6.0…6.5.
3. Конструктивно-технологическая схема смесителя должно содержать корпус, снабженный мембраной с возвратным устройством, которая защемлена по периметру в зоне входной горловины с образованием камеры сгущенного экстракта и шнек-смеситель. Шнек-смеситель выполнен в виде винтового конвейера и полых лопастей, последовательно расположенных на общем валу, полости которых сообщены между собой и с камерой сгущенного экстракта.
Шнек-смеситель установлен в опорах мембраны и корпуса с возможностью совершать вращательные и возвратно-поступательные движения вдоль своей оси.
4. Установлено, что производительность разработанного смесителя зависит от его геометрических параметров, диаметра отверстий полых лопастей, частоты вращения и амплитуды колебаний шнека-смесителя.
С повышением частоты вращения шнека-смесителя с 1,0 до 1,83 с- производительность смесителя повышается 3,0 до 4,2 т/ч, дальнейшее увеличение частоты вращения рабочего органа ведет к незначительному увеличению производительности из-за снижения амплитуды, осевого перемещения мембраны подающего устройства сгущенного экстракта.
Амплитуда осевого перемещения шнека-смесителя при увеличении его частоты вращения с 1,0 до 1,67 с-1 возрастает при массе груза возвратного устройства 5,0 кг с 0,034 до 0,041 м, 10,0 кг – с 0,05 до 0,06 м и 15 кг – с 0, до 0,028 м соответственно. При дальнейшем увеличении частоты вращения шнека-смесителя с 1,67 до 2,33 с-1 амплитуда его колебаний уменьшается при массе груза возвратного устройства 5,0 кг с 0,041 до 0,033 м, 10,0 кг – с 0,06 до 0,053 м и 15,0 кг – с 0,028 до 0,024 м соответственно. Максимальное значение амплитуды достигается при частоте вращения от 1,5 до 1,83 с-1 и массе груза возвратного устройства 10,0 кг.
При повышении частоты вращения шнека-смесителя с 1,0 до 1,67 с-1 и диаметрах отверстий жиклров полых лопастей 0,002м, 0,004м и 0,006м подача сгущенного экстракта из камеры сгущенного экстракта смесителя увеличивается с 0,53 до 0,66 т/ч;
с 0,63 до 0,79 т/ч;
с 0,71 до 0,86 т/ч соответственно, а при частоте вращения шнека-смесителя от 1,67 до 2,33 с- подача сгущенного экстракта снижается. Так при диаметрах отверстий жиклров полых лопастей 0,002, 0,004 и 0,006м подача сгущенного экстракта изменяется с 0,66 до 0,59 т/ч;
с 0,79 до 0,70 т/ч;
с 0,86 до 0.81 т/ч соответственно. Максимальное значение подачи экстракта из камеры экстракта смесителя достигается при частоте вращения в диапазоне 1,5…2,0 с-1 и диаметре отверстий жиклров полых лопастей 0,006 м.
5. В результате многофакторного эксперимента установлены следующие оптимальные параметры разработанного смесителя: при частоте вращения шнека-смесителя 1,58с-1 –амплитуда колебаний 0,05 м, диаметр отверстия жиклров полых лопастей 0,004 м;
при частоте вращения шнека-смесителя 2с- – амплитуда колебаний 0,05 м, диаметр отверстий жиклров полых лопастей 0,004 м;
при частоте вращения шнека-смесителя 1,75с-1 –амплитуда колебаний 0,05 м, диаметр отверстия жиклров полых лопастей 0,004 м. Эти параметры обеспечивают степень однородности смеси от 90 до 96% при удельном расходе энергии от 0,54 до 0,59 кВт·ч/т.
6. Применение разработанной технологической схемы и смесителя для приготовления сырых кормов позволяют готовить корм, отвечающий зоотехническим требованиям и исключает экологический ущерб окружающей среде. Годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологической схемы приготовления сырого корма из смеси отжатой мезги и нейтрализованного сгущенного кукурузного экстракта с применением смесителя при приготовлении 45749 тонн составил 5067732 и 53069 руб соответственно. Срок окупаемости разработанного смесителя составит 2,2 года.
Перспективы дальнейшей разработки темы В дальнейшей перспективе научных исследований необходимо уделить внимание разработке технологий и технических средств, направленных на комплексное использование всех получаемых побочных продуктов крахмалопаточного производства, таких как отжатая мезга, сгущенный кукурузный экстракт, пелева, дробленое зерно кукурузы, жмых с целью приготовления полнорационных комбинированных кормов как рассыпных, так и гранулированных для различных видов и половозрастных групп сельскохозяйственных животных.
Основные положения опубликованы в следующих работах в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Полункин А.А. Нейтрализатор кислотности сгущенного экстракта / Ульянов В.М., Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А. /Механизация и электрификация сельского хозяйства, – 2011. – № 2. – С. 15 – 17.
2. Полункин А.А. Шнеково-лопастной смеситель для приготовления кормов / Ульянов В.М., Утолин В.В., Полункин А.А., Гришков Е.Е. /Механизация и электрификация сельского хозяйства, – 2013. – № 6. – С. 11 – 12.
в патентах на изобретения 3. Патент на изобретение РФ №2396838, А23К,1/00,1/16/. Способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства /Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А., Счастливова Н.В. – №2009109478/13;
Заявл. 16.03.2009;
опубл. 20.08.2010, Бюл.№23. – 3с.: ил.
4. Патент на изобретение РФ № 2454273, A23N17/00/ Комбикормовый агрегат/ Ульянов В.М., Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А., Счастливова Н.В. – № 2010116889/05 Заявл. 28,04,10., опубл. 27.06.2012, Бюл.№18. – 3с.: ил 5. Патент на изобретение РФ № 2473292 A23N17/00/ Устройство для приготовления известкового молока/ Ульянов В.М., Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А., Счастливова Н.В. – №2010102045/13 Заявл. 22,01,2010., опубл 27.01,2013, Бюл.№ 21. – 3с.: ил 6. Патент на изобретение РФ №2422039, А23К,1/00,1/16/. Способ приготовления сырого корма из побочных продуктов крахмалопаточного производства /Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А., Счастливова Н.В. – №2009109478/13;
Заявл. 02.03.2010;
опубл. 27.06.2011, Бюл.№24. – 3с.: ил В других изданиях:
7. Полункин А.А. Физико-механические и реологические свойства сырого кукурузного корма /Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А, Счастливова Н.В. //Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава и аспирантов инженерно экономического института: Сб. науч. тр. // Ряз. гос.
агротех. ун-т. – Рязань, 2009. – С. 119 – 126.
8. Полункин А.А. Способ выделения белковой массы из кукурузного экстракта /Утолин В.В, Коньков М.А., Счастливова Н.В., Полункин А.А. //Актуальные проблемы и их инновационные решения в АПК: Сб. науч. тр. //Ряз. гос. агротех.
ун-т. – Рязань, 2011. – С. 78 – 81.
9. Полункин А.А. Смеситель для приготовления сырых кормов из побочных продуктов крахмалопаточного производства / Утолин В.В., Коньков М.А., Полункин А.А., Счастливова Н.В. //Инновационные технологии и средства механизации в растениеводстве и животноводстве: Сб. науч. тр. по мат.
международ. практ. конф.// Ряз. гос. агротех. ун-т. – Рязань, 2011. – С. 114 – 118.
Полункин А.А. Физико-механические свойства сырого корма 10.
приготовленного из побочных продуктов крахмалопаточного производства./ Утолин В.В., Полункин А.А., Гришков Е.Е. // Инновационные направления и методы реализации научных исследований в АПК: Сб. науч. тр. преп. и асп.// Ряз. гос. агротех. ун-т. – Рязань, 2012. – С. 103 – 106.
11. Полункин А.А. Агрегат для приготовления кормов из вторичных продуктов крахмалопаточного производства./ Утолин В.В., Полункин А.А.// Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы.// Сб. науч.
тр. по мат. международ. практ. Конф// Сар. гос. агротех. ун-т. – Саранск, 2012.
– С. 249– 251.
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная Усл. печ. л.1 Тираж 100 экз. Заказ № Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева»
390044 г. Рязань, ул. Костычева, Отпечатано в издательстве учебной литературы и учебно-методических пособий ФГБОУ ВПО РГАТУ 390044 г. Рязань, ул. Костычева,