CC BY
16
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.363
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УВЛАЖНЕННОЙ КРОШКИ ОЗИМОЙ РЖИ
Е. В. Пепеляева; Н. В. Трутнев, канд. техн. наук, доцент;
ФГБОУ ВО Пермская ГСХА,
ул. Петропавловская, 23, г. Пермь, Россия, 614990
E-mail: [email protected]
Е. В. Славнов, д-р техн. наук, профессор,
Институт механики сплошных сред УрО РАН,
ул. Академика Королева, 1, г. Пермь, Россия, 614013
Аннотация. На качество кормов, получаемых методом экструдирования, влияют технологические параметры, свойства перерабатываемого сырья и закономерности их изменения в процессе обработки. Предложены метод и установка, которые могут быть использованы для определения реологических свойств увлажненной крошки зерна озимой ржи. Экспериментальная установка разработана на базе лаборатории Института механики сплошных сред УрО РАН совместно с сотрудниками Пермской ГСХА и защищена патентом на изобретение. В процессе экструзии на продукт осуществляется воздействие сдвигом, давлением, повышенными температурами. Установка позволяет моделировать физико-механические воздействия, оказываемые на материал в процессе экструзии. Температура определяется термостатированием рабочей камеры, сдвиг - частотой вращения нижнего диска и зазором между дисками, давление - величиной поджатия образца за счет перемещения верхнего диска в вертикальном направлении. Также можно задать время этих воздействий и необходимую влажность продукта. Экспериментальная установка оборудована датчиками, позволяющими с определенной точностью задавать и контролировать усилие на верхнем плунжере и его перемещение, момент на нижнем плунжере и его угловую скорость вращения, температуру цилиндра. Показания датчиков каждую секунду фиксируются в памяти ПК и отслеживаются на мониторе. Полученные значения служат исходными данными для определения давления в рабочей камере, эффективных скорости сдвига и вязкости. В качестве исследуемого материала использовали дробленое зерно озимой ржи влажностью 23%, температура в рабочей камере 130°С. Эффективную скорость сдвига задавали в диапазоне от 4,6 до 45,3 с"1 с помощью регулирования частоты вращения нижнего диска и определенной массы навески, влияющей на расстояние между дисками при давлении 0,1 МПа. В ходе исследований определена зависимость вязкости исследуемого материала от скорости сдвига. Полученные экспериментальные исследования характеризуют свойства увлажненной крошки озимой ржи (при влажности 23% и температуре 130°С) как нелинейной вязкой жидкости, вязкость которой можно описать степенным уравнением. Полученные результаты можно использовать для расчетов и проектирования пресс-экструдеров.
Ключевые слова: экструзия, физико-механические воздействия, озимая рожь, вязкость.
Введение. В чистом виде зерно озимой ржи практически не используется в рационах животных [1, 2, 4, 17], его предварительно подвергают механической, термической или термомеханической обработке. В результате влияния внешних факторов, воздействующих на зерно в процессе обработки, изменяется как структурный, так и биохимический состав конечного продукта.
Экструдирование - один из перспективных способ переработки зерновых продуктов,
позволяющий получить качественные корма с высокой кормовой ценностью [1, 2, 9-14, 16].
На качество получаемого продукта влияют как технологические параметры, создающие условия для протекания тех или иных структурно-механических изменений в перерабатываемом материале, так и свойства перерабатываемого сырья и закономерности поведения материала при их обработке в рабочих зонах машин и аппаратов.
В процессе экструзии происходит изменение физико-механических свойств обрабатываемого сырья, т.е. материал переходит из сыпучего в вязко-пластичное состояние, а на выходе из экструдера вспучивается [6]. Следовательно, под действием физико-механических факторов, воздействующих на материал внутри экструдера, изменяется вязкость обрабатываемого биопродукта. Определение закономерностей её изменения необходимо для проектирования оборудования и прогнозирования качества готового продукта.
Изучение структурно-механических
свойств сырья базируется на принципах инженерной реологии [20], в которой исследуется деформационное поведение обрабатываемых материалов в зависимости от различных внутренних и внешних факторов.
Необходимость измерений вязкости различных материалов привела к созданию множества экспериментальных методов ее определения. Наиболее широко для технологической оценки и нахождения вязкости различ-
ных материалов применяются капиллярная и ротационная вискозиметрия [6, 15, 18, 19].
Методика. В процессе экструзии на продукт осуществляется воздействие сдвигом, давлением, повышенными температурами. В самом процессе экструзии нет фиксированных значений температуры, давления, а для конических шнеков и сдвига они меняются вдоль канала шнека и в широком пределе. Кроме того, изменять в экструдере один из параметров, не изменяя остальные, практически невозможно. Основные характеристики экструдера закладываются при проектировании, поэтому заранее необходимо представлять, какие воздействия и как влияют на физико-механические свойства перерабатываемого материала. Эти же воздействия, но только фиксируя и контролируя их изменение в процессе эксперимента, позволяют приложить к продукту разработанную экспериментальную установку (рисунок 1). Кроме того, можно задать время этих воздействий и необходимую влажность продукта.
а) б)
Рис. 1. Общий вид а) и схема лабораторной установки б): 1 - основание; 2 - рабочая камера; 3 - цилиндр; 4 - нижний плунжер; 5 - верхний плунжер; 6 - электродвигатель; 7 - редуктор; 8 - захваты; 9,10 - сменные диски; 11 - электронагреватель; 12 - датчик усилия; 13 - датчик перемещения; 14 - датчик крутящего момента; 15 - датчик частоты вращения нижнего плунжера; 16 - датчик температуры цилиндра; 17 - компьютер; 18 - блок управления; 19 - уплотнительные кольца.
В установке прикладываемые физико-механические воздействия практически «развязаны». Температура определяется термоста-тированием рабочей камеры, сдвиг определяется частотой вращения нижнего диска и зазором между дисками, давление определяется величиной поджатия образца за счет перемещения верхнего диска в вертикальном направлении. Воздействие на образец осуществляется в определенный интервал времени, по истечении которого оно прекращается.
Экспериментальная установка снабжена комплексом датчиков, позволяющих с определенной точностью задавать и контролировать усилие на верхнем плунжере и его перемещение, момент на нижнем плунжере и его угловую скорость вращения, температуру цилиндра, и регистрировать текущее время. По измеренным параметрам вычисляют давление, эффективную скорость сдвига, эффективную вязкость. Способ и установка защищены патентом [6].
Для определения вязкости исследуемого материала необходимо предварительно приготовить образцы заданной влажности и массы. Массу образца заранее подбирают такой, чтобы после его уплотнения в рабочей камере 2 иметь необходимый зазор между дисками. Этот зазор определяет диапазон скоростей сдвига. Предварительно выбирается интересующий диапазон скоростей сдвига. Величина сдвига на установке в пределах одного десятичного порядка может задаваться изменением частоты вращения нижнего диска. Это выполняется без замены образца. При необходимости расширения диапазона можно увеличить или уменьшить зазор между дисками, изменив навеску самого образца.
Подготовленный образец помещали в рабочую камеру, состоящую из термостатируе-мого цилиндра 3 и двух плунжеров 4 и 5. Задавалось гидростатическое поджатие образца в рабочей камере в пределах 0,05 - 0,1 МПа. В конце поджатия по прибору регистрировалась величина зазора между дисками. В режиме заданной частоты вращения нижнего диска регистрировались текущие параметры экспери-
мента: время, угловая скорость и силовой момент нижнего диска, температура камеры. Затем устанавливали более высокую частоту вращения нижнего диска, и процесс повторялся. Параметры эксперимента с дискретностью в 1 секунду записывались в память компьютера и в дальнейшем обрабатывались.
Полученные значения служат исходными данными для определения давления в рабочей камере, эффективных скорости сдвига и вязкости. Набор значений вязкости образца при различных скоростях сдвига в выбранном диапазоне определяет кривую течения материала т] = /(у).
Давление в рабочей камере определяется по формуле:
P =
F
ж г
(1)
где ^ - усилие, создаваемое верхним плунжером, Н;
г - внутренний радиус рабочей камеры, м. Эффективная скорость сдвига:
Y = ■
a r ~h
(2)
где ю - угловая скорость вращения нижнего плунжера, с-1;
к - расстояние между дисками, м. Эффективная вязкость
Л =
2Th
жг4 a
(3)
где Т - крутящим момент, Н*м. Таким образом, предлагаемая установка позволяет моделировать физико-механические воздействия, оказываемые на материал в процессе экструдирования.
Результаты. В качестве исследуемого материала использовалось дробленое зерно озимой ржи влажностью 23%, температура в рабочей камере 130°С. Результаты исследований обрабатывались с помощью программы Microsoft office Excel. Данные эксперимента и полученные результаты представлены в таблице. Зависимость вязкости от скорости сдвига приведена на рисунке 2.
Таблица
Результаты экспериментальных исследований
Параметры № эксперимента
1 2 3 4 5 6
n, об/мин 5,1 10,6 19 30,5 40,3 49,2
М, Нм 1,86 2,33 2,99 3,33 3,63 3,79
f , сек-1 4,6 9,1 17,9 27,1 35,9 45,3
П, Н сек/м2 104010 130020 167300 186020 202908 211781
Полученные результаты характеризуют свойства увлажненной крошки зерна озимой ржи как нелинейной вязкой жидкости, которую со степенью достоверности 0,99 можно описать степенным уравнением Оствальда де Виля:
230000
ц = 64812 ■ у-°-3175, Н сек/м2 (4)
Этот результат хорошо согласуется с данными, полученными капиллярной вискозиметрией [15].
0) о
к
-1
у, с
Рис. 2. Зависимость эффективной вязкости увлажненной крошки зерна озимой ржи
от эффективной скорости сдвига
Выводы. Полученные экспериментальные исследования характеризуют свойства увлажненной крошки озимой ржи (при влажности 23% и температуре 130°С) как нелиней-
ной вязкой жидкости, вязкость которой можно описать степенным уравнением. Полученные результаты можно использовать для расчетов и проектирования пресс-экструдеров.
Литература
1. Зверкова З. Н. Использование зерна озимой ржи в кормлении крупного рогатого скота // Кормопроизводство. 2008. №9. С. 24-25.
2. Коробов А., Мишанин А., Эффективность использования экструзионной ржи в рационах свиней на откорме // Свиноводство. 2005. №2. С. 17-18.
3. Малкин А. Я., Исаев А. И. Реология: концепции, методы, приложения. СПб.: Профессия, 2007. 560 с.
4. Наноструктурные изменения зерна озимой ржи в процессе экструзии / Е.В. Славнов [и др.] // Аграрный вестник Урала. 2010. № 5. С. 75-78.
5. Остриков А. Н., Абрамов О. В., Рудометкин А. С. Экструзия в пищевой технологии. СПб. : ГИОРД, 2004.
288 с.
6. Способ определения зависимости пищевой ценности биопродукта от параметров физико-механического воздействия на него и устройство для этого : пат. 2408883 Рос. Федерация № 2009102462/13; заявл. 26.01. 09 опубл. 10.08.10, Бюл. № 22. 8 с.
7. Пепеляева Е. В., Трутнев М.А., Славнов Е.В. Установка для определения влияния параметров процесса экс-трудирования на пищевые качества конечного продукта // Сборник научных трудов (Молодежная наука: технологии и инновации). Пермь : Пермская ГСХА, 2008. Ч. 2. С. 58-60.
8. Пепеляева Е. В., Трутнев М.А. Влияние параметров экструзионной переработки на содержание свободной глюкозы в зерне озимой ржи // Пермский аграрный вестник. 2013. №4. С. 28-32.
9. Пепеляева Е. В. Влияние параметров экструзионной переработки на содержание аминоазота в зерновых продуктах // LXXIII Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов (11-15 марта 2013 г.) (Молодежная наука 2013: технологии и инновации). Пермь : Пермская ГСХА, 2013. Ч.3. С. 342-345.
10. Перов А. А. Термодинамическая обработка кормов в экспантрудере // Кормопроизводство. 2003. № 9. С. 10-12.
11. Производство и скармливание экструдированного зерна озимой ржи : рекомендации / В.А. Ситников [и др.]. Пермь : Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012. 32 с.
12. Ситников В. А., Морозков Н. А. Использование зерна озимой ржи экструзионной обработки в кормлении коров : монография. - Пермь : ИПЦ «Прокростъ», 2016. 134 с.
13. Ситников В. А., Морозков Н.А., Славнов Е.В. Нетрадиционный способ подготовки концентрированных кормов и результаты скармливания их животным // Аграрный вестник Урала. 2008. № 3. С. 52-55.
14. Ситников В. А., Морозков Н. А. Использование зерна озимой ржи экструзионной обработки в кормлении коров : монография. Пермь : ИПЦ «Прокростъ», 2016. 134 с.
15. Славнов Е. В., Судаков А. М., Шакиров Н. В. Исследование реологических свойств увлажненной крошки озимой ржи // Аграрный вестник Урала. 2007. №6. С. 57-60.
16. Славнов Е. В., Коробов В.П., Лемкина Л.М. Получение концентрированных кормовых добавок экструзионной обработкой зерна озимой ржи с оценкой пищевой ценности // Аграрный вестник Урала. 2008. № 3 С. 80-83.
17. Сысуев В. А., Кедрова Л. И. Итоги выполнения научных исследований конкурсного проекта МНТП «Рожь» // Нива Урала. 2012. № 6. С. 7-9.
18. Чугуевская. О. А., Пепеляева Е. В. К выбору датчиков для лабораторной установки // Сборник материалов Всерос. науч. -практ. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов (Молодежная наука 2012 : технологии и инновации). Пермь : Пермская ГСХА, 2012. Ч. 3. С. 296-299.
19. Tadmore Z., Klein I. Engineering principles of plasticating extrusion. Krieger, 1970. - 500 c.
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF WINTER RYE MOISTENED CRUMB
E. V. Pepelyaeva; N. V. Trutnev, Cand. Tech. Sci., Associate Professor
Perm State Agricultural Academy,
23, Petropavlovskaya St., Perm, 614990 Russia
E-mail: [email protected]
E. V. Slavnov, Dr. Tech. Sci., Professor
Institute of Continuous Media Mechanics of RAS Ural branch
1, Akademika Koroleva St., Perm 614013 Russia
ABSTRACT
The quality of the feed produced by the extrusion process is affected by technological parameters, properties of the processed material and the regularities of their changes in the process. The paper describes method and installation, which can be used to determine the rheological properties of the moistened crumb of winter rye grain. The experimental setup was developed at the laboratory of the Institute of Continuous Media Mechanics RAS UB together with the staff of the Perm State Agricultural Academy and is protected by the patent. In the process of extrusion the product is under effect of shear, pressure and elevated temperatures. The unit allows simulating the physical and mechanical action exerted on the material during extrusion. The temperature is determined by the thermostating of the shift - frequency of rotation of the lower disc and the clearance between the disks,pressure, magnitude of the preload of the sample by moving the upper disk in vertical direction. It is also possible to set these impacts and the necessary humidity of product. The experimental setup is equipped with sensors, allowing a certain degree of accuracy to set and control the force on the upper plunger and move it, point on the lower plunger and the angular velocity of rotation, the temperature of the cylinder. Sensor readings every second are recorded in the memory of the PC and monitored on the monitor. The values obtained provide baseline data for determining the pressure in the working chamber, the effective shear rate and viscosity. As the test material used cracked corn winter rye humidity 23%, the temperature in the working chamber 130 ° C. The effective shear rate was set in the range from 4.6 to 45.3 s-1 by adjusting the frequency of rotation of the lower disc and a specific mass of sample, affecting the distance between the disks at a pressure of 0.1 MPa. The studies determined the dependence of the viscosity of the test material shear rate. Experimental studies characterize the properties of the moist crumb of winter rye (at a humidity of 23% and a temperature of 130 ° C) as a nonlinear viscous fluid whose viscosity can be described by the exponential equation. The obtained results can be used for calculations and design of extruder machines. Key words: extrusion, physical and mechanical action, winter rye, viscosity.
References
1. Zverkova Z. N. Ispol'zovanie zerna ozimoi rzhi v kormlenii krupnogo rogatogo skota (Use of winter rye grain for feeding cattle), Kormoproizvodstvo, 2008, No. 9, pp. 24-25.
2. Korobov A., Mishanin A., Effektivnost' ispol'zovaniya ekstruzionnoi rzhi v ratsionakh svinei na otkorme (Efficiency of extruded rye grain in diets of fattened swine), Svinovodstvo, 2005, No. 2, pp. 17-18.
3. Malkin A. Ya., Isaev A. I. Reologiya: kontseptsii, metody, prilozheniya (Rheology: concepts, methods, applications), Saint-Petersburg, Professiya, 2007, 560 p.
4. Nanostrukturnye izmeneniya zerna ozimoi rzhi v protsesse ekstruzii (Nano-structure changes in winter rye grain in extrusion process), E.V. Slavnov [etc.], Agrarnyi vestnik Urala, 2010, No. 5, pp. 75-78.
5. Ostrikov A. N., Abramov O. V., Rudometkin A. S. Ekstruziya v pishchevoi tekhnologii (Extrusion in food technol-ogy),Saint-Petersburg, GIORD, 2004, 288 p.
6. Sposob opredeleniya zavisimosti pishchevoi tsennosti bioprodukta ot parametrov fiziko-mekhanicheskogo vozde-istviya na nego i ustroistvo dlya etogo (Determination method for dependence of product food value on physical and mechanical effect and setup for it), pat. 2408883 Ros. Federatsiya No. 2009102462/13, zayavl. 26.01. 09 opubl. 10.08.10, Byul. No. 22, 8 p.
7. Pepelyaeva E. V., Trutnev M.A., Slavnov E.V. Ustanovka dlya opredeleniya vliyaniya parametrov protsessa ekstrudirovaniya na pishchevye kachestva konechnogo produkta (Setup for determining influence of extrusion process parameters on food qualities of finished product), Sbornik nauchnykh trudov (Molodezhnaya nauka: tekhnologii i innovatsii), Perm, Permskaya GSKhA, 2008, Ch. 2, pp. 58-60.
8. Pepelyaeva E. V., Trutnev M.A. Vliyanie parametrov ekstruzionnoi pererabotki na soderzhanie svobodnoi glyu-kozy v zerne ozimoi rzhi (Influence of extrusion processing on content of clear glucose in winter rye grain), Permskii agrar-nyi vestnik, 2013, No. 4, pp. 28-32.
9. Pepelyaeva E. V. Vliyanie parametrov ekstruzionnoi pererabotki na soderzhanie aminoazota v zernovykh produk-takh (Influence of extrusion treatment parameters on content of aminonitrogen in grain products), LXXIII Vseros. nauch.-prakt. konf. molodykh uchenykh, aspirantov i studentov (11-15 marta 2013 g.) (Molodezhnaya nauka 2013: tekhnologii i innovatsii), Perm, Permskaya GSKhA, 2013, Ch.3, pp. 342-345.
10. Perov A. A. Termodinamicheskaya obrabotka kormov v ekspantrudere (Thermodynamic processing of fodders in expantrader), Kormoproizvodstvo, 2003, №No. 9, pp. 10-12.
11. Proizvodstvo i skarmlivanie ekstrudirovannogo zerna ozimoi rzhi (Production and feeding extruded winter rye grain), rekomendatsii, V.A. Sitnikov [etc.], Perm, Izd-vo FGBOU VPO Permskaya GSKhA, 2012, 32 p.
12. Sitnikov V. A., Morozkov N. A. Ispol'zovanie zerna ozimoi rzhi ekstruzionnoi obrabotki v kormlenii korov (Use of extruded winter rye grain for feeding cows), monografiya, Perm, IPTs «Prokrost", 2016, 134 p.
13. Sitnikov V. A., Morozkov N.A., Slavnov E.V. Netraditsionnyi sposob podgotovki kontsentrirovannykh kormov i rezul'taty skarmlivaniya ikh zhivotnym (Non-conventional way to prepare concentrated fodders and results of feeding them to animals), Agrarnyi vestnik Urala, 2008, No. 3, pp. 52-55.
14. Sitnikov V. A., Morozkov N. A. Ispol'zovanie zerna ozimoi rzhi ekstruzionnoi obrabotki v kormlenii korov (Use of extruded winter rye grain for feeding cows), monografiya, Perm, IPTs «Prokrost"», 2016, 134 p.
15. Slavnov E. V., Sudakov A. M., Shakirov N. V. Issledovanie reologicheskikh svoistv uvlazhnennoi kroshki ozimoi rzhi (Research on rheological features of moistened winter rye crumb), Agrarnyi vestnik Urala, 2007, No. 6, pp. 57-60.
16. Slavnov E. V., Korobov V.P., Lemkina L.M. Poluchenie kontsentrirovannykh kormovykh dobavok ekstruzionnoi obrabotkoi zerna ozimoi rzhi s otsenkoi pishchevoi tsennosti (Obtaining concentrated feed supplements by extrusive treatment of winter rye grain with the evaluation of food nutrient value), Agrarnyi vestnik Urala, 2008, No. 3, pp. 80-83.
17. Sysuev V. A., Kedrova L. I. Itogi vypolneniya nauchnykh issledovanii konkursnogo proekta MNTP «Rozh'» (Results of scientific research in the competition MNTP "Rozh"), Niva Urala, 2012, No. 6, pp. 7-9.
18. Chuguevskaya. O. A., Pepelyaeva E. V. K vyboru datchikov dlya laboratornoi ustanovki (To the choice of sensors for a laboratory setup), Sbornik materialov Vseros. nauch.-prakt. konf. molodykh uchenykh, aspirantov i studentov (Molodezhnaya nauka 2012 : tekhnologii i innovatsii), Perm, Permskaya GSKhA, 2012, Ch. 3, pp. 296-299.
19. Tadmore Z., Klein I. Engineering principles of plasticating extrusion. Krieger, 1970, 500 p.
УДК 631.354
РАЗДЕЛЕНИЕ ЗЕРНОВОГО ВОРОХА НА ФРАКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛОПАСТНОГО МЕТАТЕЛЯ ЗЕРНА
С. Н. Шуханов, д-р техн. наук, профессор, Филиал ФГБОУ ВО Иркутский НИТУ,
ул. Менделеева, 65, г. Усолье-Сибирское, Иркутская обл., Россия, 665470 E-mail: Shuhanov56@mail .ru
Аннотация. При обработке зернового вороха, поступающего от комбайнов, имеющего повышенную влажность и засоренность, используют ленточные метатели. Они сочетают предварительную очистку, подсушку и охлаждение зерна с погрузочно-разгрузочными операциями.
