CC BY
49
УДК 631.363.2:636.085.622
А. В. ЧЕРВЯКОВ, П. Ю. КРУПЕНИН
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ РОТОРНО-ИМПУЛЬСНОГО КАВИТАЦИОННОГО
АППАРАТА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ
(Поступила в редакцию 10.03.14)
В статье рассмотрена целесообразность применения The article examines expediency of application of cavitation
кавитационных роторно-импульсных аппаратов для при- rotor-impulse apparatus for making liquid fodder mixtures in
готовления жидких кормовых смесей в условиях крупных conditions of large pig-breeding farms. On the basis of analysis
свиноводческих предприятий. На основании анализа условий of conditions of work of apparatus and earlier obtained results
работы аппарата и ранее полученных результатов иссле- of research, we have suggested algorithm for optimization of
дований предложен алгоритм по оптимизации конструк- construction-technological parameters of the device. We have
тивно-технологических параметров устройства. Приведе- presented results of theoretical and experimental research into
ны результаты теоретических и экспериментальных ис- the optimization of parameters of rotor-impulse apparatus. We
следований по оптимизации параметров роторно- have determined indicators of efficiency of the use of disperser
импульсного аппарата. Определены показатели эффектив- in conditions of a large pig-breeding farm. ности использования диспергатора в условиях крупного свиноводческого предприятия.
Введение
Современные тенденции развития кормоприготовительного оборудования показывают, что интенсификация технологических процессов должна быть направлена не только на физико-механическое преобразование материала, но и на его структурное изменение на клеточном уровне, раскрывающее природный потенциал корма [1]. Перспективное оборудование для приготовления жидких кормовых смесей должно совмещать стандартные процессы измельчения и смешивания с углубленной обработкой зернового сырья в одном устройстве. Подобные разработки базируются на принципиально новых инженерных решениях, в основе которых лежит интенсивное импульсное воздействие на обрабатываемую среду [2]. Авторами статьи разработана технология приготовления жидких кормовых смесей из плющеного зерна [3] с использованием кавитационного измельчителя-диспергатора, принадлежащего к классу роторно-импульсных аппаратов. Устройства данного типа применяются для измельчения растительного и животного сырья, приготовления суспензий, эмульсий, гомогенизации и обеззараживания жидкостей [4].
Анализ источников
В связи с тем, что диспергатор совмещает два технологических процесса: механическое разрушение частиц зерна и кавитационную обработку кормосмеси, то и обоснование его параметров необходимо проводить по двум критериям оптимизации, каждый из которых характеризует интенсивность кавитационного или механического воздействий. Однако применение в данном случае стандартной методики планирования эксперимента по двум критериям оптимизации [5], включающей постановку многофакторного эксперимента, определение оптимальных значений факторов для каждого критерия оптимизации и последующее решение компромиссной задачи может привести к неудовлетворительным результатам. Это связано с тем, что основной целью кавитационной обработки является биохимическое улучшение корма (декстринизация крахмала, инактивация антипитательных веществ, обеззараживание кормосмеси), которая независимо от продолжительности обработки не будет достигнута при существенном снижении интенсивности кавитационного воздействия [6]. В отличие же от кавитационной обработки, процессом измельчения зерна, - который обеспечивается за счет механического воздействия рабочих органов - ротора и статора, можно управлять, изменяя время диспергирования кормовой смеси [7]. Таким образом, мы полагаем, что следует проводить оптимизацию параметров, влияющих одновременно на оба технологических процесса, преимущественно по интенсивности кавитационной обработки, а вероятное снижение эффективности измельчения скомпенсировать продолжительность обработки кормовой смеси.
Основная часть
С учетом вышеозначенного принят следующий алгоритм поиска оптимальных значений конструктивно-технологических параметров кавитационного измельчителя-диспергатора. На первом этапе проводились теоретические исследования влияния параметров на интенсивность кавитационной обработки и эффективность измельчения частиц кормосмеси. По итогам данного этапа определены три группы параметров диспергатора (рис. 1): 1) влияющие только на интенсивность кавитационного процесса: длина каналов ротора (1Р, м) и статора (4, м), угол наклона стенок канала статора (р. рабочее давление (р0, кПа), температура обрабатываемой кормовой смеси (Т, °С); 2) влияющие исключительно на эффективность диспергирования кормосмеси: ширина канала статора (ас, м), радиальный зазор между ротором и статором (5, м); 3) влияющие одновременно на оба критерия оптимизации: окружная скорость ротора {ур, м/с), перепад давления между полостью ротора и отводом диспергатора (Ар рр р„_ кПа) [7, 8].
Рис. 1. Кавитационный роторный измельчитель-диспергатор кормов: 1 - ротор, 2 - статор, 3 - корпус (отвод)
На втором этапе определялись оптимальные значения параметров по критерию интенсивности кавитации, посредством проведения многофакторного эксперимента в лабораторных условиях. После обработки данных оптимальные значения исследуемых параметров составили: 1Р = 0,01 м, 1С = 0,024 м, р = 2,23°,р0 = 180 кПа, 7= 20...60°С, ур = 22,8 м/с, Ар = 120 кПа [8].
Далее, на третьем этапе исследований, осуществлялся поиск оптимальных значений параметров, влияющих на эффективность диспергирования кормовой смеси: ширины канала статора ас и величины радиального зазора между ротором и статором 5. Данный этап состоял из теоретической и экспериментальной частей.
В процессе теоретического моделирования измельчения частиц зерна в кормосмеси использовалась методика определения гранулометрического состава кормосмеси [7]. Ее сущность состоит в том, что непрерывная функция/0 распределения размеров частиц исходного сырья разбивается на г интервалов длиной И, после чего определяется выход частиц в каждом интервале /'0 ; т1 + И , где т, -начало интервала, м. Долю частиц в интервале размеров +/?_ после п-ой обработки определя-
ли по методике, предложенной в работе [7]. На теоретической стадии исследований проводилось моделирование процесса однократного диспергирования кормовой смеси, состоящей из частиц, начальное распределение размеров которых описывается функцией Лапласа [9]:
(р-Мр .
/о«|>—2£7° ' (!)
где т0 - средний размер частиц, м; о0 - среднеквадратическое отклонение, м.
Для моделирования процесса диспергирования принимали абстрактный материал со следующими параметрами: т0 = 0,003 м; о0 = 0,001 м, который по своему гранулометрическому составу близок к плющеному зерну. В качестве критерия оптимизации использовали средневзвешенный диаметр частиц М после однократной обработки, определяемый по формуле [10]:
г _
М = 10"3 1;,;//;, +/;/2~\ мм, (2)
7=1
где /', ]р1',т1 +й - доля частиц в /-том интервале после обработки; +А/2 - средний размер частиц в /-том интервале, м; г - количество интервалов.
В результате исследований получена зависимость ширины канала статора ас от средневзвешенного диаметра частиц М, определяемая графиком на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость ас от М и 5
Как видно из графика на рис. 2, для получения кормовой смеси с наименьшим размером частиц, следует уменьшать ширину канала статора ас. Однако чрезмерное уменьшение ас может привести к неработоспособности диспергатора, вследствие забивания каналов частицами обрабатываемой среды. Для гарантированного исключения этого явления следует принимать ас в два раза больше максимального размера частиц в исходном сырье. При разработке экспериментального диспергатора принимали ас = 0,018 м, т.к. максимальный размер частиц обрабатываемого консервированного плющеного зерна кукурузы достигал 0,009 м.
Теоретическая зависимость зазора 5 от критерия оптимизации М изображена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость 5 от М и ас
Из анализа графика следует, что наилучшее качество измельчения достигается при минимальном зазоре. При обосновании величины 5 следует принимать во внимание тот факт, что механическому разрушению подлежат только те частицы обрабатываемой среды, размеры которых больше радиального зазора, так как в противном случае они проскочат в зазор между рабочими органами, поэтому целесообразно принимать значение 5 не менее желаемого среднего размера частиц в готовом продукте. При разработке экспериментального диспергатора для производства жидких кормов с дисперсностью 1,01,4 мм, соответствующей зоотехническим нормам [11], радиальный зазор 5 составил 0,001 м.
Значения прочих параметров диспергатора (окружная скорость ротора ур и перепад давления между полостью ротора и статора Ар), одновременно влияющих на процессы кавитации и измельчения, фиксировались на уровнях, при которых обеспечивается максимальная интенсивность кавитационно-го воздействия на обрабатываемую кормовую смесь: ур = 22,8 м/с, Ар = 120 кПа [8].
Экспериментальная часть третьего этапа исследований заключалась в производственных испытаниях линии диспергирования плющеного зерна, внедренной в технологический процесс приготовления и раздачи жидких кормов откормочному поголовью свинокомплекса ОАО «Совхоз-комбинат «Сож»» Гомельского района [3].
Задачей экспериментального этапа являлось подтверждение результатов теоретических исследований и определение влияния влажности кормовой смеси Ж на процесс диспергирования плющеного зерна кукурузы. Диапазон варьирования влажность кормовой смеси принимали на основании зоотехнических норм [11], согласно которым он должен находится в пределах 65-75 %, а оптимальной влажностью является 72 %.
Определение гранулометрического состава диспергированной кормовой смеси проводилось методом ситового анализа с применением способа мокрого рассева проб в воде [12]. Его особенностью является получение фракций с различной влажностью, в связи с чем экспериментальные данные приводились к абсолютному базису - массе сухого вещества.
Теоретические и экспериментальные кривые распределения размеров частиц кормосмеси влажностью 72 % в зависимости от кратности ее обработки показаны на рис. 4.
Размер частиц ш, м
Рис. 4. Динамика изменения гранулометрического состава кормосмеси
Сравнивая полученные распределения, можно отметить, что теоретические и экспериментальные кривые имеют схожую конфигурацию, однако имеется ряд отличий:
- доля мелких частиц (размером менее 1 мм) в кормосмеси,Ю согласно экспериментальным данным, больше, чем ожидаемая по теоретическим расчетам, поскольку разработанная модель [7] не учитывает взаимодействие частиц зерна друг с другом, а также удельный вклад кавитации в процесс диспергирования;
- на экспериментальных кривых после 4-й и 10-й обработки имеет место определенное количество крупных частиц (с размерами от 2,5 до 5,0 мм), однако согласно теоретической модели, таких частиц быть не должно - данное расхождение можно объяснить, влиянием конструкции кормоприготови-тельного бака [3], который не в состоянии обеспечить одинаковую кратность обработки для каждого отдельно взятого объема кормосмеси.
Экспериментальные кривые распределения частиц кормосмеси по размерам дают подробную информацию о ее гранулометрическом составе, однако определение с их помощью содержания частиц в заданном диапазоне размеров затруднительно. Наибольший интерес представляет содержание в кормовой смеси частиц с размерами менее 1 мм, которые в полной мере соответствуют зоотехническим нормативам по жидкому типу кормления свиней [11]. График, отображающий динамику изменения количества таких частиц в кормосмесях различной влажности, представлен на рис. 5.
Рис. 5. Содержание частиц размером менее 1 мм в кормосмеси
Проанализировав полученный накопительный график, можно сделать следующие выводы:
- в общем случае, изменение влажности диспергируемой кормовой смеси не оказывает значительного влияния на скорость измельчения частиц зерна;
- образование мелких частиц зерна происходит со скоростью, превышающей теоретическую, что можно объяснить дополнительным разрушающим воздействием за счет кавитации;
- в начале обработки (при кратности от 1 до 4) интенсивнее диспергируется кормовая смесь с меньшей влажностью, так как при этом увеличивается взаимодействие между частицами зерна, что приводит к их более быстрому разрушению.
Кратность обработки кормовой смеси влияет не только на качественные, но и на технические показатели оборудования - производительность и величину удельных энергозатрат (табл.).
Качественные и энергетические показатели измельчителя-диспергатора
Наименование показателя Кратность обработки
2 4 6 8
Содержание частиц зерна с размерами менее 1 мм в кормосмеси, % 51,0 67,2 77,0 86,0
Производительность: по кормосмеси влажностью 72 %, м3/ч; по измельчению плющеного зерна кукурузы, т/ч 19,83 9,12 9,92 4,56 6,61 3,04 4,96 2,28
Энергозатраты: на производство кормосмеси, кВт-ч/м3' на измельчение плющеного зерна, кВт-ч/т 1,93 4,19 3,86 8,39 5,78 12,58 7,71 16,78
Экономический эффект от внедрения технологии диспергирования кормовых смесей на основе плющеного зерна обеспечивается за счет снижения удельных энергозатрат и повышения продуктивности животных. В сравнении с традиционной технологией производства комбикормов, применение кавитационного диспергирования плющеного зерна позволяет снизить энергоемкость 1000 кормовых единиц на 3-12 кВт-ч электроэнергии плюс 9-19 м3 природного газа, путем исключения операций по очистке и сушке зернофуража [3]. Также кавитационная обработка повышает биодоступность питательных веществ, изначально содержащихся в зерне в трудноусвояемых формах, что обеспечило в условиях опытного хозяйства ОАО «Совхоз-комбинат «Сож»» увеличение среднесуточного прироста свиней на откорме с 550-570 до 650-680 граммов [3].
Заключение
Кавитационный роторный измельчитель-диспергатор, являясь устройством многофакторного воздействия, должен обеспечивать измельчение компонентов кормовой смеси, за счет механического воздействия со стороны рабочих органов, одновременно с ее углубленной кавитационной обработ-
кой. Достижение указанных характеристик возможно оптимизацией параметров диспергатора, которую целесообразно проводить в несколько этапов.
В результате моделирования процесса измельчения зерна, установлены оптимальные значения ширины канала статора и зазора между рабочими органами диспергатора, которые составили 0,018 и 0,001 м соответственно.
Производственные испытания оборудования позволили определить влияние влажности кормосме-си на процесс диспергирования, а также получить значения качественных и энергетических показателей измельчителя-диспергатора.
Положительный экономический эффект от внедрения экспериментальной линии диспергирования плющеного зерна позволяет рекомендовать данную технологию для применения на свиноводческих предприятиях с жидким типом кормления поголовья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Биохимические и биофизические предпосылки для внедрения технологий углубленной переработки сырья при производстве комбикормов / В. А. Шаршунов [и др.] // Известия Академии аграрных наук Республики Беларусь. - 1999. - № 2. -С. 6-10.
2. Кардашев, Г. А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г. А. Кардашев. - М.: Химия, 1990. - 208 с.
3. Червяков, А. В. Диспергирование плющеного зерна кукурузы / А. В. Червяков, П. Ю. Крупенин // Комбикорма. -2009. - № 5. - С. 36-37.
4. Промтов, М. А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика / М. А. Промтов. - М.: Издательство машиностроение-1, 2001. - 247 с.
5. Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: Колос, 1982. - 168 с.
6. Алексеев, В. А. Критерии импульсной кавитации при обработке вязких продуктов пищевой промышленности / В. А. Алексеев, Л. В. Чичева-Филатова, В. Ф. Юдаев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. - № 12. - С. 61.
7. Червяков, А. В. Моделирование процесса диспергирования зерновых кормов / А. В. Червяков, С. В. Курзенков, П. Ю. Крупенин // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2010. - № 3. - С. 122-126.
8. Червяков, А. В. Обоснование конструктивных параметров измельчителя-диспергатора для интенсификации кави-тационной обработки кормосмесей / А. В. Червяков, П. Ю. Крупенин // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2011. - № 4. - С. 143-149.
9. Гусак, А. А. Справочник по высшей математике / А. А. Гусак, Г. М. Гусак, Е. А. Бричикова. - Минск: ТетраСи-стемс, 1999. - 640 с.
10. Техническое обеспечение процессов в животноводстве / В. К. Гриб [и др.]. - Минск: Беларуская навука, 2004. - 831 с.
11. Шейко, И. П. Свиноводство / И. П. Шейко, В. С. Смирнов. - Минск: Новое знание, 2005. - 384 с.
12. Крупенин, А. В. Исследование рабочего процесса лотковой самотечной системы удаления навоза из коровников: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.01 / А. В. Крупенин. - Ленинград-Пушкин, 1974. - 180 с.
УДК 631.353.6:53.052.731.3
С. С. СИДОРЧУК, В. Р. ПЕТРОВЕЦ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОЙ МАССЫ ПЛЮЩЕНИЕМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РАЗРЯДАМИ
(Поступила в редакцию 07.04.14)
В статье приводятся теоретические исследования тех- The article presents theoretical research into technical and
нических и конструктивных параметров устройства для construction parameters of device for combined treatment of
комбинированной обработки растительной массы плющени- vegetative mass by crushing and electric charges
ем и электрическими разрядами (электроплазмолизатор). (electroplazmolizator). We have come to conclusion which helps
Сделан вывод, позволяющий определить параметры вальцов to determine parameters of rollers of electroplazmolizator and
электроплазмолизатора, а также время обработки расти- the time of treatment of vegetation mass by electric charges. тельной массы электрическими разрядами.
Введение
Государственная программа развития села на 2011-2015 гг. № 342 от 01.08.2011 г. подразумевает повышение эффективности сельскохозяйственного производства за счет реализации системных мер, предусматривающих: приведение затрат на производство сельскохозяйственного сырья и продовольствия к нормативному уровню. Для реализации данной цели предусматривается внедрять интенсивные системы кормопроизводства, обеспечивающие получение сбалансированных по элементам питания кормов [1].
Анализ источников
По данным исследований, хорошо приготовленное и сохраненное сено представляет собой высокопитательный, ценный корм для жвачных животных, способен обеспечить животное необходимыми питательными элементами, благотворно влияет на их здоровье и воспроизводительные функции. В 1
