CC BY
10
УДК 631.363.7
РАСЧЕТ МОЩНОСТИ, ЗАТРАЧИВАЕМОЙ НА ПРОЦЕСС СМЕШИВАНИЯ В СМЕСИТЕЛЕ ЗЕРНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ
КОМБИКОРМОВ
С.Е. Сахаров, М.Ю. Колобов
Ивановский государственный химико-технологический университет
В.В. Колобова
Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени академика
Д.К. Беляева
Разработан смеситель непрерывного действия для зерновых компонентов комбикормов. Приведен теоретический расчет мощности, затрачиваемой на процесс смешивания, подтвержденный экспериментальным путем.
Ключевые слова: смеситель, комбикорма, расчет, мощность.
Основными направлениями ресурсосбережения в кормопроизводстве следует считать повышение качества измельчения и смешивания различных компонентов. Реализация этих направлений позволит существенно снизить энергоемкость кормоприготовления, повысить качество кормов и как результат - продуктивность животных.
Предлагаем технологию приготовления комбикормов [1, 2] на животноводческих фермах и комплексах, содержащую загрузочный бункер, измельчитель, транспортеры, бункеры-дозаторы, смеситель непрерывного действия, бункер-накопитель.
Смешивание компонентов - один из основных процессов производства комбикормов. Однородность состава обеспечивает одинаковую питательную ценность комбикорма во всех частях его объема.
Установка для приготовления комбикормов содержит разработанный смеситель непрерывного действия гравитационного типа (рис. 1) [3].
Материалы, которые необходимо смешать, дозируются в загрузочный конус (1). Далее поток материалов поступает на направляющий конус (3). Сформировавшийся круговой поток материалов попадает под поток воздуха создаваемого диском с лопатками (9). За счет лопаток диска между защитным кожухом (11) и корпусом
смесителя (8) создается закрученный поток материала и начинается его смешивание по площади поперечного сечения. Сухие микродобавки (при необходимости) поступают через центральный загрузочный патрубок (2) на вращающийся диск с лопатками. Окончательное перемешивание происходит за счет лопаток (12), закрепленных на свободно подвешенной оси (13).
Разработаны теоретические положения по обоснованию конструктивно-технологических параметров смесителя непрерывного действия [4].
Получены конструктивные параметры машины: диаметр основания направляющего конуса - 250 мм, длина наклонной поверхности направляющего конуса -206 мм, диаметр основания загрузочного конуса - 145 мм, длина наклонной поверхности направляющего конуса - 273 мм, углы наклона конических поверхностей смесителя - 60о, диаметр диска - 230 мм, количество лопаток на диске смесителя - 8. Масса смесителя - 60 кг, мощность электродвигателя - 0,8 кВт, напряжение - 220 В, частота вращения диска - 8000 мин-1.
Мощность, затрачиваемая на процесс смешивания в разработанном смесителе за счет создания воздушного турбулентного потока диском с лопатками, составит:
Км = N + N, + N сж + N кэв 1 (1)
где Nq - мощность, затрачиваемая на холостой ход двигателя, Nq = 100 Вт, исходя из предварительных исследований; значение получено опытным путём при помощи измерительного комплекта К - 505; Np - мощность, затрачиваемая на трение диска о воздух, Вт;
Ncjk - мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха, Вт;
N^®- мощность, затрачиваемая лопатками диска на создание кинетической энергии потока воздуха, Вт.
Рис. 1. Смеситель 1 - конус загрузочный; 2 - патрубок загрузочный; 3 - конус направляющий; 4 - крышка; 5 -корпус; 6, 7 - прокладка; 8 - корпус смесителя; 9 - диск с лопатками; 10 - электродвигатель; 11 -кожух защитный; 12 - лопатки направляющие;
13 - ось
Мощность (кВт), затрачиваемую на трение диска о воздух, определим [4, 5, 6]:
N = k -I — I • Dд2 • р р ',100 ' д Ив
(2)
где ^ - коэффициент, зависящий от критерия Рейнольдса; Vе - переносная скорость периферии диска, м/с; Dд - диаметр
плотность воздуха,
диска, м; рв ре =1,293 кг/м3.
кр=J35
Re0,2
(3)
где Re - условное число Рейнольдса.
V • DД ■ Рв, (4)
Re =-
где ц - динамическая вязкость воздуха, ц = 1,7210-5 кг/мс.
Переносная скорость периферии диска будет равна:
(5)
V = w fí = — fí
е д 30 д
где ю - угловая скорость, с ; п - частота вращения диска, мин-1; ^ - радиус диска, м.
Мощность (Вт), затрачиваемую на сжатие воздуха, определим [4, 5, 6]:
(6)
м = Е
где Е - энергия политропного сжатия воздуха, Дж; ^ - время движения воздуха по лопатке, с.
Е = Еу ■ тв, (7)
где Еу - удельная энергия политропного сжатия, Дж/кг;
тв - масса воздуха, разгоняемого лопатками диска, кг.
Е
k -1
Pj I' -1
• P • Qe
(8)
где k - показатель политропы, для воздуха к = 1,23;
Рк - давление воздуха на выходе из смесителя (конечное), Н/м2; Рн - давление воздуха на входе в смеситель (начальное), Н/м2; Р1 - нормальное давление, Р1 = 1 атм = 105 Н/м2;
Qв - удельный объём воздуха, м3/кг.
Рк
Р„
1 + (k - !)•
V:
k • R • T
k k-1
k-1
где Rr - универсальная газовая постоянная воздуха, Rг = 287 кДж/кг • °К; Т- температура воздуха, при 20 °С - Т = 293 °К.
Q. = —
Рв
(10)
Объем воздуха, разгоняемый лопатками диска [4, 5, 6]:
бв. = И•[*•(ТИ2 -гв2)-7• Ь• /| , (11)
где И - высота лопатки, м; гн - наружной радиус лопаток, м; гв - внутренней радиус лопаток, м; г - количество лопаток, шт.; Ь - толщина лопатки, м; / - длина лопатки, м.
т = ол • р (12)
Для того чтобы определить время движения воздуха по лопатке воспользуемся уравнениями [7]:
уг('л) = (>, • е^ -• е^
V ('л) = (е^2 ' - е^)
—
Г • •
— ^2
(13)
(14)
где г - расстояние от оси вращения до начала лопатки, м;
А1 и Х2 - корни характеристического уравнения.
Л =(- Г + ,
Л =(- Г- ^/г+7т)•® ,
(15)
(16)
где / - коэффициент трения воздуха о лопатку, / = 0,015.
Дальнейшее решение системы двух уравнений у() и Vг(t) (15, 16) было осуществлено с использованием компьютерной программы MathCAD.
Мощность, затрачиваемую лопатками диска на создание кинетической энергии потоку воздуха, определим:
Кв = тл -V,2 + v22) , (17)
где твпл - масса воздуха в прилопаточном слое, кг/с; V1 - скорость вылета воздуха с лопатки, м/с; V2 - скорость воздуха на входе на лопатку, м/с.
твпл = ^^, (18)
3600
где Qвпл - объем воздуха в прилопаточном слое, м3/ч.
Q = (/ • И • Ь ) • г • п • 60, (19)
впл V пл ' ' х у
где / - длина лопатки, м; И - высота лопатки, м; Ь - ширина воздушного слоя, увлекаемая лопаткой, м.
V = . (20)
У2 = ю-Гн. (21)
Ниже приведен расчет мощности, затрачиваемой на процесс смешивания.
КСм = Nд + Nтр + + Nкэв
5
Ыд = 100 Вт, значение получено опытным путём.
I V V 2 ТЛ п т п 3,14 • 8000 .
N = к -1-^-1 • Dд2 • р, V = «• Кд = — ,Яд = --0,115 = 96,3м/с
р I 1001 д в е д 30 д 30
Яе =
тр
Ve • Dд • Рв
96,3 • 0,23 • 1,293 1,72 -10-5
. 3
1 67 106 к 13,5 13,5
:1'67•10 , =^=(1,67• 106)02
= 0,769
N = 0,769 • | — | • 0,232 • 1,293 = 0,04697кВт = 46,97Вт , Ncж = —,
тр I 100) t
Р
Р..
1 + (к -1)
к • Яг • Т
к
к-Г
1 + (1,23 -1) •
96,32
1,23 • 287 • 293
1,23 1,23-1
: 1,00011
0>е = — = = 0,77 м3/ кг,
Рв
1,293
—у = Г-1
к-1 к
- 1
1 23 Г, , 1,23-1 1
• Р1 • Qв = ^—--1^(1,00011 - 11 • 10 5 • 0,77 = 8,47 Дж / кг
д^ = и•[т(гИ2 -гв2)-7• Ь• /|= 0,01[э,14• (0,1152 -0,0192)-8• 0,002^0,096] = 38,85740
5 ,„3
м
т = О • р = 38,857^ 10 5 • 1,293 = 50,2440-5 кг
2
р
Е = Е • m = 8,47 • 50 ,24 • 10 -5 = 42 ,55 • 10 -4 Дж , хт 42 ,55 • 10 -5
у . > > ' ^ N = ---= 1,42 Вт
сж 0,003
N„, = швпл •(v12 + V22)
Q m = (l • h • bm ) • z • n • 60 = (0,096 • 0,01 • 0,0017 ) • 8 • 8000 • 60 = 6,27 м 3 /ч _ Qena • рв 6,27 -1,293 „„e„ .
3600 3600
= 22,52 "10-4 кг / с,
V1 = -7Ve2 + Vr2 = V96 ,32 + 94 ,0 2 = 134 ,57 м / с , V2 = a • rH = 3,14 •8000 0,019 = 15,9 м/с
Nme = 22,52-10-4 -(134,572 +15,92)= 41,35Вт
30
NCM = Nd + Nmp + Ncx + Nme = 100,0 + 46,97 +1,42 + 41,35 = 189,74 Вт
Проведены исследования по смешиванию зерновых компонентов комбикормов (пшеница, ячмень, овес) в разработанном смесителе. Получали зерносмеси в пропорции 0,6:0,2:0,2 соответственно пшеницы, ячменя и овса (пшеница «Приок-ская», ячмень «Одесский 100», овёс «Бо-рус»). Производительность смесителя -1000 кг/ч. Качество смеси оценивали по коэффициенту неоднородности (вариации).
Были получены математические модели процесса смешивания зерновых компонентов комбикормов в смесителе непрерывного действия.
Мощность, затраченная на создание воздушного потока диском с лопатками при смешивании компонентов, составила 197 Вт, что согласуется с расчетными данными. Погрешность составила 3,7 %.
Энергоемкость процесса смешивания производственных смесители непрерывного действия гравитационного типа - 0,3-1,0 кВтч/т.
Таким образом, разработан смеситель с низкой энергоёмкостью рабочего процесса, который позволяет осуществлять приготовление кормосмесей из фуражного зерна. Равномерность смешивания получаемой смеси составляет не менее 90 %,
что удовлетворяет зоотехническим требованиям к приготовлению кормов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент № 71861, МПК А23М7/00. Установка для приготовления комбикормов / Колобов М.Ю., Лапшин В.Б., Сахаров С.Е.; заявитель и патентообладатель ИГСХА им. академика Д.К. Беляева. - № 2007113333/22; заявл. 09.04.2007; опубл. 27.03.2008, Бюл. № 9. - 1 с.
2. Колобов М.Ю., Сахаров С.Е., Сахарова С.Г. Технология приготовления комбикормов // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. - Иваново, 2013. - № 1. - С. 71-75.
3. Патент № 2336122, МПК В0Ш 3/12. Смеситель / Лапшин В.Б., Колобов М.Ю., Сахаров С.Е., Боброва Н.В.; заявитель и патентообладатель ИГСХА им. академика Д.К. Беляева. - № 2005132865/15; заявл. 25.10.2005; опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29. - 5 с.
4. Сорокин Н.С., Талиев В.Н. Аспирация машин и пневмотранспорт в текстильной промышленности. -М.: «Лёгкая индустрия». 1978.- 216 с.
5. Чистяков Ф.М. Центробежные компрессорные машины. - М.: «Машиностроение», 1969. - 328 с.
6. Бутаков С.Е. Воздухопроводы и вентиляторы. -Свердловск: «Машгиз», 1958.- 352 с.
7. Лапшин В.Б. Интенсификация механо-химических процессов в гетерогенных средах на основе дезинтеграторов с плоскими рабо чими элементами: автореф. дис. ...докт. техн. наук/ В.Б. Лапшин. - Иваново, 2005. - 34 с.
Рукопись поступила в редакцию 21.01.2015.
CALCULATION OF POWER SPENT ON THE MIXING PROCESS IN THE FEED GRAIN COMPONENTS
MIXER
S. Sakharov, M. Kolobov, V. Kolobova
The mixer of continuous operation for combined feed grain components is offered. The theoretical calculation of power expended on mixing process and experimentally approved is carried out. Key words: mixer, combined feed, calculation, power.
