CC BY
23
636.085.54:662.6/.9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТА ТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА точности УСТОЙЧИВОСТИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КОМБИКОРМОВ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД
КЕЕ РАЗВИТИЮ
A.A. ШЕВЦОВ, Л.И. ЛЫТКИНА, P.M. МАДЖИДОВ,
A.B. ПОНОМАРЕВ, Л.В. БУТАКОВА
Воронежская государственная технологическая академия
Совершенствование пищевых технологий непосредственно связано с увеличением производительности оборудования за счет интенсификации теплообменных процессов при снижении уделшых теплоэнергетических затрат [1,2]. Поэтому эффективное использование теплотехнологических процессов в комбикор-
Рис. 1
мовом производстве является важной и актуальной задачей.
Цель настоящей работы - оценка точности и устойчивости функционирования традиционной технологии комбикормов, выявление систематической и случайной погрешностей технологического потока и компенсация погрешностей за счет управляемости технологией в пределах соответствующих полей допусков на показатели качества готовой продукции на основе структуризации тепловых объектов.
В производственных условиях ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод» рассматривалась технология [1, 2], включающая выполнение следующих технологических операций: смешивание горячих гранул с рассыпным комбикормом, термо- и влаговыравнивание полученной смеси; ее охлаждение и измельчение; фракционирование рассыпного комбикорма и измельченных гранул на крупную, среднюю и мелкую фракции с выводом средней фракции в качестве готовой продукции
В соответствии с этой технологией охлаждение смеси горячих гранул с рассыпным комбикормом осуществляется воздухом, забираемым из атмосферы, что не позволяет обеспечить стабильность показателей качества промежуточных продуктов. Изменяющиеся погодно-климатические условия непосредственно влияют на параметры воздуха, а малейшее отклонение от заданного режима охлаждения может привести к нежелательным последствиям, в первую очередь, негативно отразиться на последующих процессах измельчения и сортирования, снизить качество и выход готовой продукции.
Исследование и математические расчеты по определению точности и устойчивости существующей технологии выполняли по методике [3]. Операторная модель производства комбикорма заданной крупности с применением пароэжекторной установки была представлена четырьмя подсистемами (рис. 1): А4 - подсистема дозирования рассыпного комбикорма и гранул мелкой фракции, операторы: смешивания пара и гранул мелкой фракции, дозирования рассыпного комбикорма; Аз - подсистема термовлаговыравнивания, операторы: смешивания, термовлаговыравнивания смеси, соединения смеси с холодным воздухом без сохранения раздела фаз, охлаждения смеси, смешивания смеси
Таблица 1
Выходные параметры
Опти-
Подсис- мальное Допус-
тема Наименование значе- ти мые
ние на отклоне-
выходе, НИИ.
%
Влажность смеси горячих гранул и крупной фракции комбикорма Гранулометрический состав продукта: содержание средней фракции (сход с сита с отв. 0 1,0 мм) Однородность смешивания средней фракции комбикорма с жиром
14
85
10
0,50
10
1,25
с горячими гранулами крупной фракции; Л2 - подсистема измельчения и сортирования смеси, операторы: измельчения смеси, сортирования смеси на фракции; А\ - подсистема дозирования и смешивания рассыпного комбикорма с жиром, операторы: дозирования жидкого компонента, соединения компонентов с сохранением поверхности раздела, смешивания гранул заданной крупности с жидким компонентом
Оценка функционирования технологического потока проводилась по показателям качества промежуточных продуктов трех наиболее важных подсистем, оказывающих существенное влияние на качество готовой продукции: термовлаговыравнивания Аз, измельчения и сортирования и дозирования-смешивания А\ (табл. 1). Каждый качественный показатель характеризовался абсолютным значением, которое изменялось в некотором интервале его максимального и минимального значений. Этот интервал изменения ограничивался допустимой величиной колебаний (полем допуска) единичного показателя. Оценка качества продукции основывалась на сравнении значения единичного показателя качества комбикорма с соответствующим базовым значением.
Текущие значения показателей качества определялись опытным путем в производственно-технологической лаборатории ОАО «Воронежский экспериментальный комбикормовый завод». Замеры проводились в течение 6 сут с интервалом 12ч для каждой из иссле-
дуемых подсистем по 20 мгновенным значениям в каждый момент замера.
На первом этапе весь диапазон полученных значений был разбит на классы, число которых определено по правилу Штюргеса [4]:
к = 1,32+ 1§ и,
где к - число классов; т - объем выборки, / = ^ 1,20
По гистограммам и полигонам распределений отражаются центры группирования значений показателей качества и их разброс, наглядное изображение которых выполнено для подсистемы А3 в момент времени (рис. 2: гистограмма 2, полигон 3 и кривая нормального распределения 1). Для каждой из подсистем по проведенным замерам получены расчетные величины коэффициента смещения Е, определяющего величину систематических производственных погрешностей, и коэффициента точности Т, определяющего точность функционирования технологического потока при действии случайной составляющей производственной погрешности. По этим коэффициентам определена вероятность выхода Р качественной продукции каждой из рассматриваемых подсистем в пределах установленного поля допуска (табл. 2).
Рис. 2
Таблица 2
№ за- Подсистема / з (влажность) Подсистема 2 (крупность) Подсистема А1 (однородность)
мера №с„ 5 е Е, % Т, % Р, % Лер 5 е Е, % Т, % Р, % ж-р 5 е Е, % Т, % Р, %
1 14,02 0,29 0,02 2 57 91,2 84,22 7,24 0,78 4 46 83,1 10.07 0,80 0,07 3 52 88,1
2 14,15 0,31 0,15 15 54 85,2 80,96 6,93 4,04 20 48 78,0 10,30 0,69 0,30 12 60 89,8
3 14,21 0,26 0,21 21 64 86,0 79,96 7,23 5,04 25 46 73,7 9,90 0,86 0,10 4 48 84,2
4 14,13 0,34 0,13 13 49 82,8 79,01 6,80 5,99 30 49 71,1 10,02 0,86 0,02 1 48 84,4
5 14,19 0,30 0,19 19 56 84,4 82,97 7,42 2,03 10 35 69,6 9,70 0,90 0,30 12 46 80,8
6 14,16 0,32 0,16 16 52 83,6 80,47 8,48 4,53 23 39 69,4 9,48 0,68 1,06 42 61 61,0
7 14,06 0,37 0,06 6 45 81,6 78,37 6,79 6,63 33 49 68,7 10,52 1,02 0,52 21 41 72,9
8 14,30 0,26 0,30 30 64 77,6 79,09 7,88 5,91 30 42 67,4 9,14 0,67 0,86 34 62 72,7
9 14,32 0,31 0,32 32 54 70,9 79,32 8,70 5,68 28 38 65,3 10,55 1,13 0,55 22 37 67,8
10 14,34 0,29 0,34 34 57 70,9 78,42 8,05 6,58 33 41 64,6 10,75 0,86 0,75 30 48 70,4
11 14,31 0,22 0,31 31 76 73,7 79,12 9,40 5,88 29 35 62,3 10,66 1,15 0,66 26 36 64,9
12 14,31 0,38 0,31 31 44 66,0 79,12 8,45 5,88 29 39 58,8 11,06 0,68 1,06 42 61 61,0
2
0,40
0,30
0,20
Е р р
0,6 0,8
~ 0,5
0,7
0,4 у
т 0,6' к Е
24
72
96 120 I. ч
Рис. 3
На втором этапе выполнена проверка нормальности полученного распределения случайной величины (показатель качества) по ^'-критерию [4] и вычислены значения аргумента и функции кривой стандартного нормального распределения для каждого из 12 замеров в течение 6 сут наблюдения:
у=Дг) =
1
: 0,4 е
(1)
дукции, качественные показатели которой не вписываются в поле технологического допуска системы. При этом вероятность выхода кондиционной продукции (годных проб) для всех трех исследуемых подсистем значительно снижается за исследуемый временной период в среднем с 85-90 до 60%.
Следует отметить, что оценка технологии комбикормов только по коэффициенту смещения и коэффициенту точности недостаточна, необходимо еще определить устойчивость технологического потока, т. е. стабильность его функционирования во времени.
Для решения этой задачи были построены и проанализированы точностные диаграммы функционирования подсистем А3 (а), Л2 (б) и А\ (в) до применения пароэжекторной холодильной машины (рис. 4). В поле координат точностной диаграммы изображаются зависимости центров группирования (средних значений), средних квадратичных отклонений и полей рассеяния мгновенных распределений погрешностей показателя качества от аргумента (времени ?)■ Условием построения диаграмм считалось, что за рассматриваемый промежуток времени А?законмгновенного распределения
где _ = (л- — (Д.) а; л--середина интервала; (I- математическое ожидание теоретического распределения; а - среднее квадратичное отклонение теоретического распределения.
Для подсистемы А\ по полученным данным построены графики зависимостей Е =/(?), Т=/(?), Р = =/(?) (рис. 3). Установлено, что коэффициент точности и вероятность выхода качественной продукции уменьшаются по времени, а коэффициент смещения возрастает, что свидетельствует о существенном влиянии систематических и случайных производственных погрешностей на стабильное функционирование технологии.
В подсистемах А3 и А2 коэффициент смещения Е возрастает на всем временном интервале довольно быстро (2 ... 31% и 4 ... 29% соответственно), а в подсистеме А\ - резко возрастает в первые 1,5 сут замеров (рис. 3). Зависимость £ =/(?) в подсистеме А1 аппроксимирована логарифмической функцией вида
Е = ^Х(Т) +Е, о, (2)
где £д) - коэффициент смещения В момент времени ¿0.
Графики функций £ =/(?) в подсистемах Аз и/Ь изменяются по линейному закону, а значение коэффициента смещения увеличивается по времени. Величина коэффициента точности Т за 6 сут наблюдения снижается на 9-13%. Наиболее резкое снижение коэффициента точности наблюдается в подсистеме дозирования и смешивания.
Анализ функцииР =/(?) подсистем.43, Аг,А\ свидетельствует о выпуске определенного количества про-
Рис. 4
2
2
е
случайнойвеличины не менялся. Об устойчивости технологического процесса судили по интенсивности изменения функций: центров группирования а (?), средних квадратичных значений Ъ (?) и полей рассеяния с (?) мгновенных распределений значения показателя качества отдельных подсистем.
Количественную оценку интенсивности изменения функций а (?) и Ъ (?) определяли по соотношениям
Ха - //5о; Хь - 1ь''Зо:
(3)
где /а и 4 - половина диапазона изменения функций; ¿"о ~ среднее квадратичное значение показателя качества в момент времени ?о.
Исследование точностных диаграмм устойчивости функционирования подсистем.43, А2,А\свидетельствует, что за исследуемый временной интервал производственная ошибка е в подсистеме А3 возрастаете 0,29 до 0,38, а в подсистеме Л2 - с 7,24 до 8,45. В подсистеме дозирования и смешивания такого значительного роста погрешности не наблюдается. Выявлено, что прогрессирующая погрешность в подсистеме термо-влашвыравнивания А3 связана с тем, что на устойчивость и точность ее фу нкционированиязаметное влияние оказывают случайные изменения параметров наружного воздуха, используемого для охлаждения смеси горячих гранул и рассыпного комбикорма.
Для повышения точности функционирования технологического потока и снижения производственной погрешности предложен научный подход исследования с использованием методологии системного анализа при разрешении узла противоречий рассматриваемой технологии [1-3].
Противоречие технологической системы, как правило, заключается в конфликте технико-экономических показателей [3]. Показано, что неэффективное использование энергии влажного воздуха при охлаждении смеси горячих гранул и рассыпного комбикорма отражается на качестве промежуточных продуктов, нестабильности их структурно-механических характеристик после измельчения. В результате неоправданно увеличивается доля межой и крупной фракций при просеивании, как следствие, снижается производи-тельностьпо готовому комбикорму [1].
Разрешение узла противоречий заключалось в уравновешивании противоречивых показателей функционирования технологического потока производительность-качество, которое достигалось с использованием нетрадиционных способов подвода энергии к обрабатываемому объекту. Методика основана на новом компоновочном решении энергосберегающей технологии комбикормов с учетом формирования тепловых объектов. Для совершенствования функционального назначения технологической системы в структуру операторной модели введена новая подсистема (операторы: изменение агрегатного состояния, соединения сред с сохранением поверхности раздела фаз, охлаждения), обеспечивающая стабилизацию параметров холодного воздуха с применением холодильной техники
(рис. 1). Нами рассмотрены возможные технические варианты решения задачи с применением холодильной техники [5, 6].
В данной работе предложено инновационное решение в технологии комбикормов на основе применения пароэжекторной холодильной машины (ПЭХМ), технологическая схема которой представлена на рис. 5: 1 -гравитационный смеситель, 2 - теплообменник, 3 - охладитель, 4 - валковый измельчитель, 5 - просеиваю-пщя машина, 6 - пресс-гранулятор, 7- смеситель, 8 -циклон, 9 - эжектор, 10 - испаритель, 11 - теплообменник-рекуператор, 12 - конденсатор, 13 - регулирующий вентиль, 14 -сборник конденсата, 15 -насос, 16-парогенератор, 17 - предохранительный клапан, 18 -вентилятор, 19 - регулирующий вентиль.
Обладая большой холодопроизводительностью, ПЭХМ менее громоздки и энергоемки, чем парокомпрессорные. В них электроэнергия затрачивается только на привод перекачивающих, циркуляционных, рассольных насосов и в системах автоматики. Они способны регенерировать отработанное тепло низкого потенциала, в частности теплоту выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, газотурбинныхусгановок и котельных агрегатов; также они весьма перспективны как дешевые экологически чистые теплоиспользующие аппараты при одновременной выработке тепла и холода [7, 8]. Кроме этого, применение ПЭХМ целесообразно в сочетании с другими технологиями, так как они позволяют оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей.
В предлагаемой технологии рассыпной комбикорм направляют на смешивание с горячими гранулами, вышедшими из пресса-гранулятора 6, в гравитационный смеситель 1, обрабатывающий продукт без механического воздействия. Затем смесь попадает в теплообменник 2\ тепло горячих гранул используется для нагрева рассыпного комбикорма, что позволяет обеспечить его обеззараживание и повысить прочность гранул
В охладителе 3 смесь гранул и рассыпного комбикорма охлаждают воздухом с температурой 4-7°С, предварительно охлажденным в ПЭХМ. Смесь охлажденных гранул и рассыпного комбикорма направляют на измельчение, а затем фракционируют на просеиваю-щеймашине 5. Крупную фракцию (сходверхнего сита) направляют на доизмельчение в валковый измельчитель мелкую фракцию (проход нижнего сита) подают на гранулирование в пресс-гранулятор 6. Среднюю фракцию (проход верхнего и сход нижнего сига), представляющую собой комбикорм выровненного гранулометрического состава, подают в смеситель 7, где покрывают жиром с помощью форсунок и выводят в виде готовой продукции.
При подогреве жира перед форсунками снижается его вязкость и создаются благоприятные условия для равномерного распыливания, обеспечивается надежная работа форсунок с минимальными потерями времени на регенерацию рабочих поверхностей, снижается нагрузка на насос подачи жира в смеситель.
Техническая характеристика ПЭХМ при использовании в линии производства комбикорма производи-
тельностью 16 т/ч:
Холодопроизводительность, кВт До 100
Температура кипения, °С:
в испарителе 4
в парогенераторе 170
Температура конденсации, °С 127
Температура жира на входе в конденсатор, °С 20
Коэффициент эжекции 4
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К) 12
Площадь охлаждающей поверхности испарителя, м2 30
Хладагент Вода
По результатам производственных испытаний и обработки экспериментальных данных по методике [3] получена информация о точности и устойчивости всех
подсистем технологического потока производства комбикормов.
Рис. 6
Точностная диаграмма подсистемы А\ с применением ПЭХМ (рис. 6), отражающая функционирование технологической системы в целом, показывает значительное снижение производственного брака за счет компенсации случайных и систематических погрешностей со стороны внешних возмущающих воздействий на технологический поток. Установлены преимущества предлагаемой технологии: стабильное качество готового продукта за счет высокой надежности при эксплуатации ПЭХМ, снижение стоимости вырабатываемого комбикорма выровненного гранулометрического состава на 5-10%, экономия удельных энергозатрат на 10%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шевцов А.А., Остриков А.Н., Лыткина Л.И., Сухарев А.И. Повышение эффективности производства комбикормов. -М.: ДеЛипринт, 2005. -243 с.
2. Шевцов A.A., Лыткина Л.И., Шенцова Е.С., Маджи-дов P.M. Совершенствование теплотехнологических процессов в производстве комбикормов. - Воронеж: ВГТА, 2007. - 188 с.
3. Панфилов В.А. Технологические линии пищевых производств. -М.: Колос, 1993. -288 с.
4. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. - М.: Высш. шк, 1988. -246 с.
5. Пат. 2251885 РФ. МКИ7 А 23 К 1/00. А 23 N 17/00. Способ обработки комбикорма для птицы / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, Е.С. Шенцова и др. // БИПМ. -2005. - № 14.
6. Пат. 2268527 РФ. МПК7 А 23 К 1/00. А 23 N 17/00. Способ упр авления процессом приготовления комбикормов / A.A. Шевцов, Л.И. Лыткина, О.П. Коломникова и др. //БИПМ. -2006. - № 18.
7. Холодильные машины / H.H. Кошкин, И.А. Сакун и др.-Л.: Машиностроение, 1985. - 512 с.
8. Холодильная техника и технология / С.А. Большаков,
В.Ф. Лебедев и др. - М.: Инфра-М, 2000. - 288 с.
Кафедра технологии хранения и переработки зерна
Поступила 03.10.07 г.
