CC BY
71
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
УДК 631.363
В.Ф. ВТОРЫЙ, д-р техн. наук; АС. МИХАЙЛОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОГО ЗАМЕНИТЕЛЯ ЦЕЛЬНОГО МОЛОКА
Приведены результаты исследований физико-механических свойств сухого заменителя цельного молока (ЗЦМ), представлена схема установки для приготовления жидкого ЗЦМ и результаты экспериментальных исследований по оптимизации ее параметров и режимов работы.
В настоящее время все большее распространение в России получает выращивание молодняка КРС с использованием заменителей цельного молока (ЗЦМ).
Заменители цельного молока представляют собой готовые высокопитательные сухие кормовые смеси, разработанные на основе последних достижений физиологии пищеварения и кормления, обеспечивающие надлежащий рост и развитие молодняка. Непременным условием производства любых ЗЦМ является использование высококачественных кормовых средств, содержащих легкодоступные питательные вещества [1].
Основными преимуществами этого способа кормления являются сбалансированное питание животных, устранение факторов распространения болезней от взрослых животных к молодняку и, самое главное, более низкая себестоимость этих кормов по сравнению с цельным молоком. Так, в 2008 году средняя себестоимость производства молока в сельскохозяйственных предприятиях Ленинградской области составила 11 руб. 18 коп., в то же время себестоимость 1 кг жидкого ЗЦМ в декабре 2008 года составляла от 5 руб. 63 коп. (производство Россия) до 6 руб. 25 коп. (производство Голландия). Использование ЗЦМ позволяет снизить стоимость молочной составляющей рациона молодняка на 44-50%.
Однако отсутствие эффективных и недорогих средств механизации приготовления и раздачи ЗЦМ на российском рынке приводит к нерациональному использованию этого продукта и значительным затратам ручного труда.
136
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2009. Вып. 81.
Для оптимизации процессов дозирования и растворения сухого ЗЦМ требуется знать физико-механические свойства продукта. С этой целью проведены исследования по определению физико-механических свойств сухого ЗЦМ по известным методикам [2, 3]. Результаты исследований приведены в таблице.
Физико-механические свойства сухого ЗЦМ
Показатели Оптилак Гроулак 12 Кальволак 12
3 Плотность, кг/м 600 513 564
Влажность, % 5,1 5,0 5,6
Средний размер частиц, мм 0,20 0,31 0,32
Угол обрушения, град Динамический угол естественного 76 73 70
откоса, град Статический угол естественного от- 50 55 55
коса, град 30 30 30
Коэффициент внутреннего трения Коэффициент внешнего трения: 0,51 0,51 0,56
по стали 0,37 0,38 0,40
по пластику 0,47 0,45 0,40
Для исследования процессов приготовления жидкого ЗЦМ изготовлена лабораторная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.
Работает установка следующим образом. Вода, очищенная фильтром 6 и нагретая до температуры 45-500С проточным водонагревателем 5, через электрокран 3 поступает в бак смесителя, наполняя его до определенного уровня. Одновременно с подачей воды в работу включаются дозатор 1 и смеситель 2. Смеситель, состоящий из бака, мешалки и привода, работает в течение всего процесса, образуя однородную жидкую питательную смесь. Дозатор лабораторной установки для дозирования сухого ЗЦМ состоит из бункера и шнекового дозирующего органа.
137
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторной установки для приготовления жидкого ЗЦМ:
1 - дозатор; 2 - смеситель; 3 - электрокран; 4 - блок управления; 5 - водонагреватель проточный; 6 - фильтр
С целью обоснования оптимальных параметров и режимов работы дозатора проведены исследования с использованием планирования двухфакторного эксперимента по двухуровневому плану второго порядка Бокса-Бенкина [4]. Переменными факторами являются шаг винта шнека s = 30, 50, 70 мм (-1, 0, +1); частота вращения шнека n1 = 70, 100, 130 мин-1 (-1, 0, +1). Диаметр шнека й=60мм, выбран аналитическим путём с учётом физико-механических свойств материала. Критериями оптимизации приняты производительность дозатора Q, г/с; погрешность дозирования 5, %; энергоемкость процесса W1, кВтс/кг.
138
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
_________ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2009. Вып. 81._______
С учетом физико-механических свойств дозируемого материала и конструктивных особенностей установки, диаметр шнека d дозатора принят постоянным, равным 60 мм.
После исключения незначимых факторов уравнение (1) регрессии производительности дозатора Q имеет вид:
Q = 0,0943 + 0,0127s + 0,0227n - 0,019s2 + 0,0035sn + 0,002пД (1)
2
Коэффициент детерминации R = 0,986.
Зависимость влияния шага винта s и частоты вращения шнека n на производительность дозатора Q представлена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость влияния шага винта s и частоты вращения шнека n1 на производительность дозатора Q
После исключения незначимых факторов уравнение регрессии
(2) погрешности дозирования 5 имеет вид:
5= 0,289 + 0,203s - 0,095n1 +0,217s2 + 0,028sn1 + 0,122n12. (2)
2
Коэффициент детерминации R = 0,945.
Зависимость влияния шага винта s и частоты вращения шнека n1 на погрешность дозирования 5 представлена на рис. 3.
139
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Рис. 3. Зависимость влияния шага винта s и частоты вращения шнека п на погрешность дозирования 5
После исключения незначимых факторов уравнение регрессии
(3) для энергоемкости процесса дозирования W1 имеет вид:
Wi= 0,986 - 0,283s - 0,428nj + 0,34s2 + 0,04sn + 0,225пД (3)
2
Коэффициент детерминации R = 0,968.
Зависимость влияния шага винта шнека s и частоты вращения шнека п1 на энергоемкость процесса W1 представлена на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость влияния шага винта шнека s и частоты вращения шнека n1 на энергоемкость процесса W1
140
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2009. Вып. 81.
Путем компромиссного решения задачи с использованием программного пакета Excel оптимизированы параметры и режимы работы дозатора, которые при диаметре шнека d = 60 мм имеют следующие значения: шаг винта шнека s = 58 мм, частота вращения шнека ni = 118 мин-1. При этом производительность дозатора Q = 0,097 кг/с, энергоемкость процесса W1 = 0,095 кВтс/кг при погрешности дозирования 5 < 1%, что соответствует зоотехническим требованиям.
Для определения качества приготовленного жидкого ЗЦМ использовалась методика Н.Н. Липатова [5], заключающаяся в выделении центрифугированием нерастворенного осадка, выраженного в процентах к общей массе смеси - показатель полноты растворения (ПНР). Чем меньше численное значение этого показателя, тем выше эффективность растворения.
Основными факторами, определяющими полноту растворения, является интенсивность и продолжительность смешивания, зависящие от конструкции активатора, частоты вращения его вала и длительности процесса. Однако эти факторы оказывают существенное влияние на энергоемкость процесса, что также накладывает определенные ограничения.
Активатор конструктивно выполнен в виде турбины с углом наклона лопаток а=90;60;30 град (+1, 0, -1). Частота вращения вала активатора n2 = 50; 33,4; 16,6 с-1 (+1, 0, -1). Длительность процесса
смешивания равнялась t =300; 180; 60 с (+1, 0, -1). Критериями оптимизации приняты: показатель полноты растворения - ППР, % и энергоемкость процесса смешивания - W2, кВтс/кг смеси.
После исключения незначимых факторов уравнение регрессии
(4) ППР имеет вид:
ППР = 13,56 + 0,579а - 0,48n2 - 0,151t - 0,578а2 + 0,683an2 + 1,02at -- 1,245n22 - 0,528n2t - 1,078t2. (4)
2
Коэффициент детерминации R = 0,84.
Анализ уравнения (4) и зависимостей (рис. 5) показал, что увеличение угла наклона лопаток активатора а снижает полноту растворения ЗЦМ, частота вращения вала активатора n2 и длительность процесса смешивания t имеют оптимальные значения, соответственно, n2 = 30 c-1, t = 180 c.
141
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
Рис. 5. Зависимость влияния угла наклона лопаток активатора а, частоты вращения вала активатора n2, длительности процесса смешивания t на ППР
После исключения незначимых факторов уравнение (5) регрессии энергоемкости процесса смешивания W2 имеет вид:
W2 = 0,221 + 0,2а + 0,059n2 + 0,041t + 0,151а2 + 0,119ап2 -- 0,053at - 0,116n22 - 0,066n2t + 0,033t2. (5)
2
Коэффициент детерминации R = 0,95.
Зависимость влияния угла наклона лопаток активатора а, частоты вращения вала активатора n2, длительности процесса смешивания t на энергоемкость процесса смешивания W2представлена на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость влияния угла наклона лопаток активатора а, частоты вращения вала активатора n2, длительности процесса смешивания t на энергоемкость процесса смешивания W2
142
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.
ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2009. Вып. 81.
Анализ уравнения (5) и зависимостей (рис. 6) показал, что основное влияние на энергоемкость процесса смешивания оказывают угол наклона лопаток активатора а и частота вращения вала активатора n, имеющие оптимальные значения, соответственно, а = 40°, n = 32 о"1. Длительность процесса смешивания t существенного влияния не оказывает.
Проведены исследования скорости выпадения нерастворенной части ЗЦМ в осадок. Приготовленный жидкий ЗЦМ помещался в литровую колбу с делениями. Было установлено, что осадок активно выпадает в первые 10 мин., а затем процесс замедляется, и через 20-25 мин. практически прекращается (рис. 7).
Рис. 7. Величина объема осадка в % от объема смеси в зависимости от времени осаждения
Необходимо отметить, что объем выпавшего осадка (12-14%) приблизительно равен показателю ППР. Этот метод, видимо, также может использоваться для определения показателя полноты растворения ЗЦМ.
ВЫВОДЫ
Сухой заменитель цельного молока - порошкообразный материал со средним размером частиц 0,2-0,3 мм, что определяет его высо-
143
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.
кую слеживаемость, низкую сыпучесть, при интенсивном сводообразовании. Это предъявляет особые требования к дозирующим устройствам.
Шнековый дозирующий орган удовлетворительно выполняет процесс формирования заданной порции материала при диаметре шнека не менее 60 мм, шаге винта шнека 58-60 мм, частоте вращения шнека 118-120 мин-1, при производительности 0,097-0,1 кг/с и соответствии зоотехническим требованиям.
Для обеспечения необходимого качества готового продукта в процессе смешивания сухого ЗЦМ с водой необходимо обеспечить частоту вращения вала активатора 30-32 с-1, угол наклона лопаток активатора 35-40°, время смешивания не менее 3 мин.. Готовый жидкий ЗЦМ необходимо выпоить животным в течение 5 мин. или организовать его постоянное перемешивание для устранения выпадения осадка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ли Виталий. Использование ЗЦМ - залог успешного выращивания молодняка / Виталий Ли // Животноводство России. - 2003. - №6. - С. 23-26.
2. Кулаковский И.В., Кирпичников Ф.С., Резник Е.И. Машины и оборудование для приготовления кормов. Ч.1. / И.В.Кулаковский, Ф.С. Кирпичников, Е.И. Резник. - М.: Рос-сельхозиздат, 1987.
3. Зенков Р.Л., Ивашков И.И., Колобов Л.Н. Машины непрерывного транспорта - 2-е изд., перераб.и доп./Р.Л. Зенков, И.И. Ивашков, Л.Н. Колобов. - М.: Машиностроение, 1987.
4. Хайлис Г.А., Ковалев М.М. Исследования сельскохозяйственной техники и обработка опытных данных / Г.А. Хайлис, М.М. Ковалев - М.: Колос, 1994. - ISBN 5-10-003090-9.
5. Липатов Н.Н., Тарасов К.И. и др. Интенсификация процесса растворения сухого молока / Н.Н. Липатов, К.И. Тарасов и др. - М.: Мясомолпром, 1984.
Получено 29.07.2009.
144
