CC BY
69
УДК 631. 363.082. 622 Л.А. Ковалева, С.П. Волков,
С.М. Доценко, В.А. Широков
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВО-МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ
И ЛИНИИ ДЛЯ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА
В статье обоснованы технологическая линия, а также параметры получения белково-минеральной добавки для сельскохозяйственной птицы, базовой машиной которой является смесительгранулятор.
Ключевые слова: кормовая добавка, технология, процесс, смеситель-гранулятор, линия, экономическая эффективность.
L.A.Kovaleva, S.P.Volkov, S.M.Dotsenko, V.A.Shirokov
THE SUBSTANTIATION OF THE PROCESS PARAMETERS FOR OBTAINING PROTEIN-MINERAL ADDITIVE
AND THE LINE FOR ITS PRODUCTION
The production line and the parameters for obtaining protein-mineral additive for the agricultural poultry where the role of the basic machine is performed by the mixer-granulator are substantiated in the article.
Key words: feed additive, technology, process, mixer-granulator, line, economic efficiency.
Введение. Соевое зерно и продукты его переработки широко используются в питании людей, а также кормлении животных и птицы во многих странах мира. В нашей стране соя не нашла должного применения как фуражная культура. Однако включение сои в рационы молодняка сельскохозяйственной птицы в количестве до 30 % от массы концентрированных кормов позволит исключить дефицит белка, незаменимых аминокислот, микроэлементов, жиров и витаминов. Анализ литературных источников по материалам, полученным отечественными и зарубежными учеными, показал, что использование сои в виде белковой добавки эффективно для сельскохозяйственной птицы всех видов и всех возрастов.
Однако наличие в нативной сое антипитательных веществ, таких как ингибитор трипсина, уреаза и т.д., не позволяет применять ее в неподготовленном виде.
Учеными и практиками разработан ряд способов, позволяющих снизить уреазную активность сои и продуктов ее переработки. При этом реализация таких способов затруднительна из-за отсутствия специального технологического оборудования и технических средств.
Так, в настоящее время отсутствуют технологии и технические средства, позволяющие получить формованный продукт в виде гранул из влажной белковой массы для молодняка сельскохозяйственной птицы.
В связи с изложенным исследования, направленные на разработку технических средств для получения белкового гранулята для птицы, являются актуальными.
Цель исследования. Обоснование параметров процесса получения белково-минеральной кормовой добавки и линии для ее получения.
Задачи исследования:
- теоретически обосновать параметры смесителя-гранулятора;
- на основе данного обоснования предложить конструкцию смесителя-гранулятора;
- получить математические модели процесса и научно обосновать оптимальные параметры смесителя-гранулятора;
- разработать схему линии для производства белково-минеральной добавки и определить ее технико-экономическую эффективность.
Материалы и методы исследования. В основу рабочего процесса получения гранул влажного прессования положен принцип колебательного воздействия на двухкомпонентную влажную высокобелковую
смесь с последующим ее транспортированием и продавливанием через отверстия формующей матрицы. Колебательные воздействия на смешиваемую массу обеспечиваются шнековым рабочим органом, ось вращения которого не совпадает с его продольной осью, а смещена на величину эксцентриситета е (рис. 1) [1]. Из рисунка 1 следуют зависимости:
l = h ■ cosa; (1)
е = l■ tga ; е = h■ sma = ^g^, (2)
где l - длина корпуса шнека, м; h - длина винтовой поверхности шнека, м.
Для обычного горизонтального шнекового смесителя производительность определяется по известной формуле, кг/с
Q = 0,25п(D2 - d2)vpS, (3)
где D - наружный диаметр шнека, м; d - внутренний диаметр шнека, м; v - осевая скорость движения продукта, м/с; р - плотность кормовой смеси, кг/м3; S - коэффициент наполнения шнека.
Анализ показывает, что в отличие от обычного горизонтального смесителя коэффициент наполнения 5 рассматриваемого нами винтового шнекового смесителя является переменной величиной в течение периода Тустановившегося режима работы, определяемого зависимостью Т = ■
Проведя мысленное поперечное сечение шнека на расстоянии Ъ от начала оси оЪ (рис.2), получаем
в(2) I - Z I - Z
зависимость:-= —-— или е(1)=—-— е ■ (4)
е I I
О
Z ^^^^ CD CD
ОГО 1 Z О
Рис. 2. Схема к определению производительности шнекового смесителя
Для поперечного сечения шнека в момент времени t, когда вектор в (Z) (или вектор в ) находится под углом y=0í к оси х (рис. 3), определим коэффициент наполнения 5 (у) при заданной величине y и уровне массы Н.
Выделим отрезок A(y), определяющий глубину погружения нижней кромки винтовой поверхности шнека в белковую массу.
Рассмотрим сегмент Вг С 2 В 2 Сг Вг высотой Сг С 2 = Д (y) и радиусом R2. Высота Д (y) сегмента при заданных значениях Н, y и R2, согласно рисунку 3, равна, м
Д (y) = R2 + (е • sin y) - Н. (5)
При этом угол в ( угол В 2 Ог С 2) определяется по зависимости
п R2 -А(г)
в = arceos—r v/'. (6)
Площадь сегмента Вг С 2 В 2 Сг Вг определяет активную площадь поперечного сечения шнека, воздействующую на белковую массу, а поэтому необходимо найти эту площадь.
Рис. 3. Схема к определению коэффициента наполнения шнека
Площадь сегмента B1C2 B 2 C1B1 равна разности площадей сектора 0161С1 б 2 01 и треугольника
В 2 01 В1 С 2 В 2
Площадь сектора 01В 1С 1В 2 01 равна
^ОДС^О, - ß ' R
(7)
Площадь треугольника В 2 01В1С 2 В 2 определяется как
5
B2O1B1C 2B2 ^ 2
- (R2 - A(y)) ^2R2 -A(y) -A2(y)
(8)
Тогда площадь сегмента B1С2 B 2 С1B1 найдем как
H_^ sin х 1-
sb1c2b2c1b1 = (arccos---)R2 + (H _ e sin ytyR _ (H _ e sin y)2 . (9)
R2
В равенстве (9) первое слагаемое примем равным А, а второе - В.
В конечном итоге получим формулу для определения коэффициента наполнения шнека смесителя в следующем виде:
S(G)t) -
А + В
п(R22 - R2)
(10)
С учетом выражения (10) формула для определения производительности шнекового смесителя со смещенной осью вращения шнека имеет вид
Q(gé) - п(R22 - R2) • vp ■ S(G)t) - vp(А + B).
(11)
Из рисунка 3 следует, что 5 (ut) изменяется в пределах от max значения до min. При этом: max 5 (ut)
п
при Y-Gt - — + к-2п, где к = 0, 1, 2,
min
¡п 5(ш1) у = Ш = "2"п + к-2п, где к = 0, 1, 2, 3, ... Тогда средний коэффициент наполнения шнека определится как
1 1 г
(Ш >■ Т |( л+В)Л
Производительность смесителя за период Т установившегося режима работы п 1
О см = ТУР
(12)
(arccos H 6' sin(Gt))R22 + (H - e ■ sin(Gt)^R22 - (H - e ■ sin(Gt))2 Rt
dt. (13)
На основании проведенного анализа разработана конструктивно-технологическая схема смесителя-гранулятора (рис. 4) [2-4] .
СоеВая бе/жобая масса
Мел (скорлупа яиц)
—
Л Л Л ДА -ДА
■1- ! V V \1" \1* V V У
ДА А Ш ЛЛ/^
Рис. 4. Схема смесителя-гранулятора: 1 - дозаторы; 2 - ворошители; 3 - шнековый смеситель;
4 - гранулятор; 5 - лоток
Смеситель-гранулятор обеспечивает получение гранул различного диаметра в зависимости от их назначения. Полученный в таком смесителе-грануляторе продукт направляется на сушку, а затем по назначению. Принцип его действия заключается в следующем.
Предварительно полученный соевый белковый продукт загружается в бункер-дозатор 1. В этот же бункер-дозатор загружается мел или скорлупа яиц в порошковой форме, согласно применяемому рациону для птицы. В дозе, определенной рационом, компоненты подаются в шнековый смеситель кормов 3. При этом шнек 3 сконструирован таким образом, что при транспортировке указанных выше компонентов он обеспечивает их смешивание путем периодического встряхивания компонентов, один из которых имеет консистенцию, близкую к творожной массе.
Далее смесь направляется в прессующий узел гранулятора 4, откуда в виде влажных гранул попадает на лоток 5. После этого лоток с влажными гранулами устанавливается в сушильный шкаф «Универсал» с девятью режимами сушки.
Производительность гранулирующего узла данного технического средства определили из условия
Осм * Огф2 Г - б2 Г) •Бг• ш Г •р Г 5 Г /8, (14)
где ОГ ,бГ - соответственно внешний диаметр винта и вала, м; Бг - шаг винта гранулятора, м; ш Г - угловая скорость вращения винта гранулятора, с-1; р Г - плотность гранул, кг/м3; 5 Г - коэффициент заполнения винта гранулятора.
С учетом формулы (11), при шt = п/2, получили выражение для определения плотности влажных гранул
8гр[(агссо8)Я22 + (Н - е)^Я22 - (Н - е)2 ]
РГ =-22-2-■ (15)
Мощность, затрачиваемая на привод смесителя-гранулятора, равна
ХСМГ = (Хсм + N + )/Птр 'Лдв, (16)
где Nсм - мощность, затрачиваемая на процессы смешивания и транспортировки белковой массы, кВт; NГ - мощность, затрачиваемая на процесс гранулирования (уплотнения) массы, кВт; N^ - мощность
холостого хода, кВт; Птр, Пдв - КПД трансмиссии и электродвигателя при нормальной нагрузке.
В результате обработки априорной информации и проведения поисковых исследований выделены значимые факторы, оказывающие наибольшее влияние на исследуемый процесс: длина кривошипа - е, мм; шаг винта шнека - 1, мм; угловая скорость вращения шнека - ы, с-1.
Обозначения и уровни варьирования факторов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Факторы и уровни их варьирования
Факторы
Уровень факторов Длина кривошипа Шаг винта шнека Угловая скорость вращения шнека
Х1//, мм X2/f, мм X3/w, с-1
Верхний 7,5 25 15
Основной 5 20 10
Нижний 2,5 15 5
Интервал варьирования 2,5 5 5
После реализации эксперимента по матрице 3х-уровневого плана и получения значений критериев оптимизации для откликов (0 - однородность смеси, % и № - энергоемкость, кВгс/кг) проведена обработка полученных результатов и построены математические модели в виде уравнений регрессии: для однородности смешивания
0 = -59,677+8,892e+8,869t+5,509w-0,280et-0,240ew-0,180tw-0,124t2 —► max; (17)
для энергоемкости
N э=38,705+1,054е+5,4381+0,888ш-0,123t2 -► min. (18)
Таблица 2
Результаты регрессионного анализа
Критерий а0 а1 а2 аэ а12 а 13 а23 а22 Заключение об адекватности
Fr Ft
Y1/0 91,472 2,231 3,451 3,548 -3,500 -3,000 -4,500 -3,112 5,2864 3,79
Y2/N э 112,130 2,636 2,442 4,442 - - - -3,094 8,2636 5,96
Анализ частных коэффициентов корреляции показал, что на процесс получения гранулированной смеси наибольшее влияние оказывают длина кривошипа e (фактор Х1) и шаг винта шнека Г (фактор Х2).
Адекватность моделей подтверждается с вероятностью Р=0,95 при коэффициентах корреляции ^=0,92 и Р2=0,93 неравенством Р^Ру = 5,28>3,79 и 8,26>5,96 (табл. 2).
Проведенный анализ и решение полученных уравнений регрессии позволили определить оптимальные значения параметров, которые равны: длина кривошипа - 2,5 мм; шаг винта шнека - 24,15 мм; угловая скорость вращения шнека - 13,8 с-1.
При указанных выше значениях параметров однородность смешивания равна 95,0 %, а энергоемкость - N э=39,3 кВтс/кг.
В ходе эксперимента установлена зависимость прочности гранул Пр от времени их сушки I Данная зависимость, после соответствующей математической обработки, аппроксимирована уравнением следующего вида:
Пр=96,07-147,79е-а1Ш.
(19)
Учитывая тот факт, что прочность гранул - это параметр, который задается технологическими требованиями, необходимо пользоваться выражением, с помощью которого можно определить время сушки [5]
М3,9-8,8!п(96,07-Пр).
(20)
Производственные испытания проводились в кормоприготовительном цехе ЗАО «Никольская птицефабрика» Амурской области. Кормосмесь готовилась по рецепту ПК-5-1 -89, в котором соевый и подсолнеч-никовый шрот, рыбная и мясокостная мука заменялись соевой белковой массой.
Соевая белковая масса, получаемая на оборудовании цеха, соответствовала требованиям ТУ 929110001-22192276-96 "Белок соевый", гигиенический сертификат №103 от 05.07.96.
Технологический процесс производства данного кормового продукта осуществлялся по следующей схеме: замачивание семян сои ^ измельчение ^ экстракция белка ^ нагрев суспензии ^коагуляция ^ отжим ^ дозирование белковой массы и мела (скорлупы яиц) ^ смешивание ^ гранулирование ^ сушкам хранение ^ реализация.
На рисунке 5 представлена конструктивно-технологическая схема линии получения гранулята [6].
скорлупа яци ж
Вода Замоченные семена сои
I I
Семена сои Вода
Г Коагулянт (аскорбиновая кислота, янтарная _кислота и т. д)
з
Рис. 5. Конструктивно-технологическая схема линии приготовления белково-минерального гранулята для птицы: 1- ванна; 2 - измельчитель-экстрактор; 3 - котлы; 4 - насос; 5 - пресс; 6 - смеситель-гранулятор; 7 - сушильный шкаф; БП - белковый продукт
Выводы. В результате анализа установлено, что наиболее рациональным и перспективным направлением в разработке шнековых смесителей для получения белково-минеральных композиций является создание смесителей-грануляторов со смещенной осью вращения шнекового рабочего органа.
Теоретические исследования рабочего процесса смесителя-гранулятора со шнеком, имеющим смещенную ось вращения, позволили обосновать конструктивно-режимные параметры смесителя-гранулятора и получить аналитическое выражение для расчета плотности влажных гранул на стадии проектирования указанных технических средств.
В результате экспериментальных исследований получены математические модели процесса смешивания белково-минеральных компонентов рациона птицы, на основании которых обоснованы оптимальные параметры смесителя-гранулятора.
Экспериментальным путем установлена зависимость прочности белково-минеральных гранул от времени их сушки, с учетом начальной и конечной плотности.
В результате сравнительной технико-экономической оценки разработанного смесителя-гранулятора установлено, что он имеет на 25 % меньшую металлоемкость, на 92-144 % меньшую энергоемкость в сравнении с оборудованием ОГМ-0,8. Годовой экономический эффект по приведенным затратам равен 866886,6 руб. для птицефермы на 10666 бройлеров. При этом верхняя лимитная цена комплекта оборудования разработанной линии составляет 464895,2 рублей.
Литература
1. Доценко С.М., Ковалева Л.А. Расчет технологической линии производства соевой белковой добавки для цыплят // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 9. - С. 21-22.
2. Доценко С.М., Ковалева Л.А. Обоснование технологических и конструктивно-режимных параметров смесителя-гранулятора // Сб. науч. тр. / РАСХН, Дальневост. науч.-метод. центр. ВНИИ сои. - Благовещенск, 2007. - С. 181-190.
3. Рекомендации по разработке технологической линии и технических средств получения высокобелковых гранулированных кормовых смесей для с.-х. птицы / С.М. Доценко, С.П. Волков, Л.А. Ковалева [и др.]. - Благовещенск: Тип. УВД по Амурской области, 2007. - 30 с.
4. Ковалева Л.А. Обоснование технологии и параметров линии получения высокобелковой соевой добавки с.-х. птице в виде гранулята // Вестник ДальГАУ. - Благовещенск, 2007. - № 3. - С. 99-102.
5. Доценко С.М., Ковалева Л.А. Методика расчета технологической линии получения белкового гранулята // Сб. науч. тр. / РАСХН, Дальневост. науч.-метод. центр. ВНИИ сои. - Благовещенск, 2007. -С. 191-193.
6. Научные основы повышения эффективности приготовления кормовой добавки с использованием соевого компонента для с.-х. птицы / С.Н. Воякин, С.М. Доценко, Л.А. Ковалева [и др.]. - Благовещенск: Изд-во ДальГАУ, 2013. - 206 с.
