CC BY
29
12. RF patent № 2539516, IPC А01С 7/00, А01С 5/06 (2006.01) Sowing unit of grain drills / K. M. Roberto Carlos, R. P. Carlos Alberto - publ. 20.01.2015. Bull. No. 2
13. RF patent№ 2407267, IPC А01С7/00, А0С 7/20, (2006.01) Agricultural machine with a compact opener and harrow-maker / M. Nathan, F. Ronald, F. Michael - publ. 27.12.2010. Bull. No. 36
14. The Klenin, N. I. Agricultural and reclamation machines / N. I. Klenin, V. A. Sakun. - M.: Kolos, 1994. - 751 p.: illustr.
15. GOSt 26244-84. Pre-sowing soil treatment. Quality requirements and methods of determination. - 1 p.
УДК 631.363.7
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА С КОНИЧЕСКИМ НАПРАВИТЕЛЕМ
В. В. Новиков, канд. техн. наук, профессор; И. Л. Орсик, соискатель;
С. В. Денисов, канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВО Самарская ГСХА, Россия, т. 8-927-202031-87, е-mail: [email protected]
Статья посвящена вопросам исследования процесса экструзионной переработки рыбных отходов в смеси с отрубями, в частности стабильности процесса экструдирования кормовой массы. Описано влияние коэффициента уплотнения смеси на производительность пресс-экструдера и представлен его расчет. Представлена формула расчета производительности пресс-экструдера с учетом поправочного коэффициента уменьшения производительности для приготовления кормовой массы, а также его конструктивных параметров и режимов работы.
Ключевые слова: пресс-экструдер, производительность, экструзия, рыбные отходы, переработка, кормовая масса.
Одной из основных проблем рыбохо-зяйственного комплекса страны остается переработка рыбного сырья, в частности утилизация отходов. По мнению экспертов [9, 12, 14], отходы составляют 20... 30 % от поступающего сырья, при этом в лучшем случае из общей массы образовавшихся рыбных отходов перерабатывается 20 %, а остальная часть сбрасывается либо в море, либо в канализацию, хотя большая часть этих отходов законодательно запрещена к захоронению [10, 11, 12].
Анализ способов переработки рыбных отходов в корма для животных показывает, что наиболее эффективным является экс-трудирование [10, 12, 13, 15, 16]. Но основную проблему для использования данного способа обработки рыбных отходов представляет их высокая влажность (до 85 %), так как для нормального протекания процесса рекомендуется влажность исходного сырья не более 30 % [11, 17].
В процессе экструзионной переработки исходное сырье дозатором пресс-экструде-ра с соответствующей производительностью подается в зону загрузки основного шнека, где осуществляется захват материала и его подача<2п в зону сжатия, затем в зону гомогенизации и далее через фильеру матрицы на выход, причем производи-
тельность дозатора должна быть не менее производительности пресс-экструдера (фильеры) [1-3].
Для обеспечения стабильности процесса экструдирования кормовой массы целесообразно обеспечить плавный переход от этапа подачи к этапу прессования экструдата. Наиболее рациональным рабочим органом для этого может быть конический направитель [4, 5].
Целью исследования является совершенствование процесса переработки рыбных отходов и отрубей методом экструзии. Для достижения поставленной цели необходимо:
- аналитически определить производительность пресс-экструдера для переработки рыбных отходов в смеси с отрубями;
- лабораторным путем определить поправочный коэффициент уменьшения производительности Ко на трех видах смеси с различным соотношением в них рыбных отходов и отрубей и, соответственно, различной влажностью.
На рис. 1 изображена схема конического шнекового направителя с основными параметрами.
В общем случае производительность зоны подачи будет определяться массой материала в объёме последнего витка шнека направителя в единицу времени.
Нива Поволжья № 1 (38) февраль 2016 73
Рис. 1. Схема конического шнекового направителя
Масса материала, заключённого в объёме последнего витка шнека, определится следующим образом:
т=УРтх , (1)
где V - объём материала, заключённого в последнем витке шнека, м3.
Ртах - максимальная плотность материала, кг/м .
Максимальная плотность ртах обеспечивается за счёт постепенного сдавливания поступающего материала коническим направителем:
Ртах =Рп ку , (2)
где рн - насыпная плотность материала, кг/м ;
ку - коэффициент уплотнения корма.
Насыпная плотность, в свою очередь, будет зависеть от свойств поступающего материала. В нашем случае поступающий материал представляет собой смесь рыбных отходов и отрубей, при этом
Рн =Рр.оСр.о+Ро. Со., (3)
где РРо.,Ро. - соответственно насыпные плотности рыбных отходов и отрубей, кг/м3;
Сро Со - соответственно доли содержания рыбных отходов и отрубей в смеси (в сумме составляют единицу).
Плотности рыбных отходов и отрубей колеблются в широких пределах и зависят от содержания сухого вещества и влаги:
Р = Р " Сс-е +Р С"■ ;
' р. о. / р.о р.о. / е. р.о. '
Р =Р. е Сс е +р Се.,
'о. ' о о. ' е. о.'
(4)
где рР0,р0 . - соответственно плотности сухого вещества в рыбных отходах и отрубях, кг/м3;
Сср"0,Сс„". - соответственно доли содержания сухого вещества в рыбных отходах и отрубях;
Ре - плотность воды, 1000 кг/м ;
С"0 ,С". - содержание воды в рыбных
отходах и отрубях.
Таким образом, насыпная плотностчь поступающей в экструдер смеси рн составит
РнСо. +РСро. )Сро.+(РРС ".+РС). (5)
Коэффициент уплотнения ку в нашем
случае будет постепенно возрастать от начального до максимального, так как от витка к витку шнека конического направи-теля будет происходить уменьшение меж-виткового объёма. Одновременно с этим на характер изменения коэффициента уплотнения по длине конического направите-ля будут оказывать влияние угол наклона витка шнека, его соотношение с углом трения транспортируемого материала (что влияет на проскальзывание), влажность материала, а также величина давления в зоне прессования пресс-экструдера.
kу= f (W ,a,vmp,P).
(6)
Таким образом, коэффициент уплотнения представляется сложной функцией, требующей дополнительного изучения.
Для практических расчётов коэффициента уплотнения в наших условиях мы использовали методы имитационного моделирования [6, 7].
Объём корма, заключенного в последнем витке шнека определим из схемы, представленной на рисунке 2.
Объём V будет равен объёму цилиндра диаметром В шириной, равной одному шагу шнека Б, уменьшенному на объём усечённого конуса (часть конического напра-вителя) и объём, занимаемый витком шнека:
V=К -V2 -V3. (7)
где V - объём цилиндра, м3;
V2 - объём усечённого конуса, м3;
V3 - объём, занимаемый витком шне-
3
ка, м .
Объём V1 определим следующим образом:
V=
nD S 4
(8)
Объём V2 определим, используя интег-
рирование:
S
v =f (tg(êx+(d2r+(Lk-S)tg(-2))2dx . (9) 0 2 2 2 Выполнив необходимые вычисления, окончательно получим
V2=п
tg\2+tg(e-)(dL+(Lk-S)tg(ee))S2(+d+(Lk-S)tg(ee)fS
Объём, занимаемый витком шнека У3, определим как площадь развёртки витка шнека на толщину витка [8]:
V=SS3.
(360-а) . 360
(11)
Зная частоту вращения шнека экстру-дера n (мин-1), определим время Т (с) одного оборота, за которое материал из зоны подачи переместится в зону прессования экструдера:
T=60, (12)
n
где n - частота вращения шнека пресс-экструдера, мин.-1.
Подставляя полученные значения в общеизвестную формулу Q = m/t, кг/с, окончательно определим производительность зоны подачи:
ÖL=- (V-V)x
(13)
Vpp С +р С )С +РР в С в+р Се )С > .
^у^р.о р.о. г в. р.о.J р.о. о. г в. о.' о. \ у
Из условия Qdo3 >Qпресс определим производительность пресс-экструдера:
(14)
Используя (13), определим
Q„,ï3600n (V-V-V)x
хГ(Р"С. +р С )С +(р.еС.". +р С.С k
I р.о р.о. ' в. р.о. р.о. V ' о о. 'в. о.' о.| у
(15)
.(10)
где 3600 - переводной коэффициент из кг/с в кг/ч.
Для уравнивания правой и левой частей необходимо установить причины уменьшения производительности, получаемой на выходе из пресс-экструдера, и производи-тельностьи зоны подачи. Одной из таких причин является испарение влаги из нагретого до 100 °С экструдата при резком перепаде давления от рабочего давления в экструдере до атмосферного.
Необходимо отметить, что после экс-трудирования количество сухого вещества в готовом продукте остаётся таким же, каким оно было в исходной смеси, изменяется лишь содержание влаги.
Рассмотрим уравнение плотности смеси (5), включающее параметр «влажность», и перепишем его в виде
р=р..Св.С +р.вс.вС +р (С С +СвС ).(16)
гн г р.о р.о. р.о. го о. о. г.Л р.о. р.о. о. о. ' V f
Заменим рс"СсеС +рсв.Сс.вС =рсвСс.в. -
г р.о р.о. р.о. го о. о. г
содержание сухого вещества в смеси,
(СРо0СРо0+С:С0)=Св - содержание воды в смеси.
После подстановки получим
рн=рс.в. С.в +рвСв. (17)
Нива Поволжья № 1 (38) февраль 2016 75
Рис. 3. Коэффициент производительности
Таким образом, мы разделили уже готовую смесь не по составу компонентов, а по принципу агрегатного состояния. Экс-трудирование исходной смеси приводит к изменению соотношения сухого вещества и влаги, т. е. изменяются величины Сс". и С", причём таким образом, что Сс ". возрастает по сравнению с исходным, а С" уменьшается. Запишем зависимость для экструдированного корма:
Р. =Р.. е . с.. е+Ре . с;., (18)
где Ссэе.,Се - содержание сухого вещества и влаги в экструдате.
Зная исходные и конечные влажности экструдируемых смесей, можно с достаточной вероятностью предположить снижение производительности за счёт испарения влаги, при этом коэффициент влажности определится как
К =Р =Р°СГ +р"С; (19)
№ Рн р-с-.+рС" у '
Исходя из того, что количество сухого вещества не изменяется при экструдиро-вании, справедливо равенство
рР е . =Р е . Сс. е ., при этом
К = р°СГ +р.С1 (20)
№ с. е./~*с.е. е. , _ е у '
р С С +ре С
Таким образом, вводимый коэффициент влажности позволит учесть потерю влаги при экструдировании и тем самым
К0 в зависимости от влажности смеси
сдвинуть неравенство (15) в пользу равенства левой и правой частей.
Однако, кроме потери влажности существуют и другие причины снижения производительности экструдирования. К ним относится перепад давления при продвижении исходной смеси в экструдере, препятствующий свободному её продвижению, но вызывающий нагрев до рабочей температуры. Перепад давления по длине шнека пресс-экструдера неравномерный и зависит от многих факторов (физико-механические свойства смеси, площадь выходного отверстия фильеры и др.) что приводит к невозможности аналитическим путём определить степень снижения производительности из-за влияния этих факторов.
Однако для учёта влияния таких сложных в определении параметров используем экспериментальный поправочный коэффициент уменьшения производительности Кв, определяемый в каждом конкретном случае экспериментальным путём. На основании экспериментальных исследований были получены следующие зависимости для коэффициента уменьшения производительности при фиксированных значениях угла в при вершине конического на-правителя:
К^10 =0,0016№2 -0,1134№+2,7078; (21)
Кв=20 =0,0024№2 -0,1371 №-2,4192;
Кв=30 =0,0028№2 -0,156№+2,4909.
(22) (23)
Графически уравнения (21-23) изображены на рисунке 3.
Тогда окончательно формула для определения производительности запишется в виде
вп,э=60пКвКшрнку (-V (24)
Рисунок 3 позволит быстро, с достаточной для расчетов точностью определить значение коэффициента производительности Ко, необходимый для расчета производительности в конкретных услови-
ях по аналитической зависимости (24).
Таким образом, полученные экспериментальные зависимости по коэффициенту уменьшения производительности, вводимому в аналитическое выражение (24), позволяют адекватно описывать зависимость производительности пресс-экструдера от выбранных конструктивных параметров, а также подтвердить теоретические исследования предложенной разработки, в частности аналитическое выражение для производительности.
Литература
1. Новиков, В. В Обоснование потребной подачи дозатора пресс-экструдера / В. В. Новиков, В. В. Успенский, Д. В. Беляев // Нива Поволжья. - 2009. - № 2. - С. 58-61.
2. Новиков, В. В. Обоснование потребной производительности отдельных участков шнекового пресса / В. В. Новиков, Д. В. Беляев, А. Л. Мишанин // Вестник СГАУ им. Н. И. Вавилова. - 2007. -№ 4. - С. 48-49.
3. Коновалов, В. В. Определение подачи цилиндрического шнекового пресса / В. В. Новиков, Д. В. Беляев, Л. В. Иноземцева // Нива Поволжья. - 2010. - № 2. - С. 51-56.
4. Патент № 131948 РФ, МПК7 А23К1/00, В02С13/00. Экструдер для приготовления кормовой массы / В. В. Новиков, В. В. Коновалов, И. Л. Орсик, А. Л. Мишанин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВО Самарская ГСХА. - № 2013112063/13; заявл. 18.03.13, Бюл. № 25. - 5с.
5. Орсик, И. Л. О влиянии конусности направителя на продвижение смеси в пресс-экструдере / И. Л. Орсик// Нива Поволжья. - 2014. - № 3(32). - С. 73-78.
6. Карпов, Ю. Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с Any-Logic 5 / Ю. Г. Карпов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 400 с.
7. Рыжиков, Ю. И. Имитационное моделирование. Теория и технологии / Ю. И. Рыжиков. -СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А. - 2004. - 384 с.
8. Остриков, А. Н. Математическая модель процесса экструзии при неизотермическом течении вязкой среды в одношнековых экструдерах / А. Н. Остриков, О. В. Абрамов // Известия вузов. Пищевая технология. - 1999. - № 1. - С. 49-52.
9. Антипова, Л. В. Чешуя прудовых рыб - источник пищевого продукта / Л. В. Антипова, Ву Тхи Лоан [Электронный ресурс]. URL: http://www. tstu. ru/education/elib/pdf/st/2009/antipova. pdf; режим доступа: свободный.
10. Гарзанов, А. Л. Экструдирование мясокостных отходов - современная технология производства кормов / А. Л. Гарзанов, С. В. Капустин // Мясная индустрия. - 2011. - № 9. - С. 84-86.
11. Дальний Восток опробовал новую технологию переработки рыбных отходов [Электронный ресурс]. URL: http://www. ecoindustry. ru/news/view/33446. html; режим доступа: свободный.
12. Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации (утв. Указом Президента РФ от 30 января 2010 г. № 120) [Электронный ресурс]. URL: http://base. garant. ru/12172719/#block_1000; режим доступа: свободный.
13. Зубкова, Т. М. Повышение эффективности работы одношнекового экструдера для производства кормов на основе параметрического синтеза: дис. ... доктора. техн. наук / Т. М. Зубкова. - Оренбург, 2006. - 320 с.
14. Итоги деятельности федерального агентства по рыболовству в 2012 году и задачи на 2013 год [Электронный ресурс]. URL: http://fish. gov. ru/agency/Documents/Росрыболовство Итоги 2012 - 18.03.2013. pdf; режим доступа: свободный.
15. Кадыров, Д. И. Непищевые отходы - в доходы / Д. И. Кадыров // Мясная индустрия. -2011. - № 6. - С. 66-69.
16. Кадыров, Д. И. Экструзионная переработка биологических отходов в корма / Д. И. Кадыров, А. Гарзанов [Электронный ресурс]. URL: http://www. almaz-spb. com/news/21/; режим доступа: свободный.
17. Орсик, И. Л. Обоснование рационального состава смеси рыбных отходов с отрубями для экструзионной переработки / И. Л. Орсик // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России. - Пенза: РИО ПГСХА, 2014. - Т.2. - С. 44-46.
Нива Поволжья № 1 (38) февраль 2016 77
UDK 631.363.7
METHODOLOGICAL ASPECTS OF DETERMINING THE PRODUCTIVITY OF PRESS-EXTRUDER
WITH CONICAL WIRE
V. V. Novikov, candidate of technical sciences, professor; I. L. Orsic, postgraduate;
S. V. Denisov, candidate of technical sciences, assistant professor
FSBEE HPT «Samara SAA», Russia, 8-927-202031-87, e-mail: orsik@russia. ru
The article is devoted to research of the process of extrusion processing of fish waste mixed with bran, in particular the stability of the extrusion process of forage mass. The influence of coefficient of density of the mixture on the productivity of press-extruder and its calculation are described in the article. The formula for calculating the performance of the press extruder is presented in the article taking into account the correction factor decreasing the productivity for making forage based on its design parameters and modes of operation.
Key words: press-extruder, productivity, extrusion, fish waste, processing, forage base.
References:
1. Novikov, V. V. Reasoning for the required feed dispenser press extruder / V. V. Novikov, V. V. Uspensky, V. D. Belyaev, // Niva Povolzhya. - 2009. - No. 2. - P. 58-61.
2. Novikov, V. V. reasoning for the required performance of individual sections of the screw press / V. V. Novikov, D. V. Belyaev, A.L. Mishanin A. L. // Vestnik of Samara state aerospace university n. Vavilova. - 2007. - No. 4. - P. 48-49.
3. Konovalov, V. V. Determination of the feeding screw press / V. V. Novikov, D. V. Belyaev, V. L. Inozemtsev // Niva Povolzhya. - 2010. - No. 2. - P. 51-56.
4. Patent No. 131948 of the Russian Federation, IPC 7 AC/00, WC/00, Extruder for preparation of a fodder / V. V. Novikov, V. V. Konovalov, I. L. Arsic, mishanin A. L.; applicant and patentee Federal state educational institution IN the Samara state agricultural Academy. No 2013112063/13; Appl. 18.03.13, bull. No. 25. - 5C.
5. Orsic, I. L. The effect of taper on the guide wire advancement of the mixture in the extruder / I. L, Orsic// Niva Povolzhya. - № 3(32). - Penza: RIO fsbei HPO Penza state agricultural Academy, 2014. -P. 73 - 78.
6. Karpov, Yu. G. Simulation systems. Introduction to modeling with AnyLogic 5/ Y. G. Karpov. -SPb.: BHV-Petersburg, 2005. - 400 p.
7. Ryzhikov, Y. I. Simulation. Theory and technology / Y. I. Ryzhikov. - SPb.: CROWN print; M: Al-tex-A. - 2004.
8. Ostrikov, A. N. Mathematical model of extrusion process for non-isothermal viscous environment in single-screw extruders / A. N. Ostrikov, O. V. Abramov// Izvestiya vuzov. Food technology. 1999. -No. 1. - P. 49-52.
9. Antipova, L. V. Scales pond fish - a source of food [Electronic resource] / L. V. Antipova, Vuch-elen. - Access mode to article: http://www. tstu. ru/education/elib/pdf/st/2009/antipova. pdf, free.
10. Karzanov, A. L. Extrusion waste - the modern technology of feed production / A. L. Karzanov, S. V. Kapustin // Meat industry. - 2011. - No. 9. - P. 84-86.
11. The far East tested the new technology for the processing of fish waste [Electronic resource]. -Access mode to article: http://www. ecoindustry. ru/news/view/33446. html free.
12. The food security doctrine of the Russian Federation (appr. The presidential decree from January, 30 2010 № 120) [Electronic resource]. - Access mode to article: http://base. garant. ru/12172719/#block_1000 free.
13. Zubkova, T. M. Improving the efficiency of single screw extruder for the production of feed based parametric synthesis: thesis.... doctor. tech. Sciences: 05.20.01 / T. M. Zubkova. - Orenburg, 2006. - 320 p.
14. The results of the activities of the Federal fisheries Agency in 2012 and tasks for 2013. [Electronic resource]. - Access mode to article: http://fish. gov. ru/agency/Documents/Rosrybolovstvo the 2012 - 18.03.2013. pdf, free.
15. Kadyrov, D. I. Non-profit from waste / D. I. Kadyrov // Meat industry. - No. 6, 2011. - P. 66-69.
16. Kadyrov, D. I. Extrusion processing of biological waste in the feed [Electronic resource] / D. I. Kadyrov, A. Karzanov. - Access mode to article: http://www. almaz-spb. com/news/21/ free.
17. Orsic, L. I. Rationale of composition of the mixture of fish waste with bran extrusion processing / I. L. Orsic//. - 2014 - Pp. 44 - 46.
