CC BY
90
Совершенствование методики исследования
роторного диспергатора
А.К. Курманов, д.т.н., Т.И. Исинтаев, к.т.н, Костанайский ГУ; К.С. Рыспаев, соискатель, Костанайский ИЭУ
Современный этап развития животноводства основан на производстве новых высококачествен-
ных легкоусвояемых поликомпонентных продуктов с высокой пищевой и биологической ценностью.
Скотоводство — ведущая отрасль животноводства, и одним из решающих факторов получения максимальной и качественной продукции является
сохранение и выращивание здорового поголовья молодняка крупного рогатого скота. За последние годы наука о кормлении животных накопила большое количество экспериментальных данных о влиянии различных питательных веществ, а также незаменимых аминокислот, витаминов, ма-кро- и микроэлементов, антибиотиков, гормонов, ферментов и других факторов на обмен веществ, эффективность использования корма. Эти данные служат для дальнейшего совершенствования теории и практики кормления сельскохозяйственных животных. Они обеспечивают реализацию генетического потенциала продуктивности животных. Чем выше уровень кормления, тем выше продуктивность животных и ниже затраты корма на единицу продукции. Для повышения эффективности кормов применяется диспергация, которая наряду с повышением питательной ценности молочных и комбинированных продуктов улучшает их качество, а именно консистенцию и вкус. Улучшение вкусовых характеристик продуктов при диспергации связано с уменьшением размеров частиц дисперсных фаз и соответственном увеличении суммарной площади их поверхности. В результате интенсифицируется их воздействие на вкусовые рецепторы, что усиливает вкусовое восприятие [1].
Сущность процесса диспергации заключается в дроблении частиц дисперсной фазы до размеров, равных нескольким микрометрам, и их равномерном распределении в пространстве (перемешивании) [2].
Эффективность процесса диспергации можно оценить, подвергнув образец молока отстаиванию или центрифугированию и замерив жирность полученных фракций.
Цель данного исследования заключалась в выявлении механизма диспергации частиц ЗЦМ (заменителя цельного молока) механическим воздействием смеси. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Анализ различных этапов процесса дис-пергации полученных компьютерной обработкой материалов эксперимента с целью выявления механизмов дробления частиц дисперсной фазы.
2. Определение параметров обработки ЗЦМ путём их измерения.
Методика экспериментальных исследований предусматривает:
1. Определение качества разделения смеси на фракции от частоты вращения ротора, продолжительности обработки смеси, количества окон внутренней обечайки статора и концентрации ЗЦМ в смеси.
2. Изучение влияния комплекса факторов на эксплуатацию роторного диспергатора, предназначенного для переработки ЗЦМ, и определение оптимальных режимов его работы.
3. Возможность с помощью сравнительных экспериментов установить влияние одного фактора на качество диспергации при постоянных трёх факторах.
4. Оценку качества измельчения смеси и степени её однородности.
В соответствии с принятой методикой экспериментальные исследования включали: создание дисперсионной среды, генерирование механических возмущений и воздействий на ЗЦМ. Установка оснащалась средствами измерения параметров создаваемых возмущений.
Результаты измерений обрабатывались как вручную, так и на компьютере.
Схема экспериментальной установки, созданной для достижения поставленных целей, представлена на рисунке 1.
В качестве плана реализации эксперимента выбран некомпозиционный план Бокса-Бенкина для четырёх факторов, варьируемых на четырёх уровнях [3]. В качестве критерия оптимизации выбрали качество измельчения смеси, которое количественно оценивалось толщиной слоя выделенного жира при центрифугировании и измерялось в мм.
При использовании плана эксперимента сделали кодировку параметров. Замеры качества измельчения смеси проводили при 3-кратной повторности для всех опытов.
Результаты исследований. На основании результатов исследований, проведённых по частной методике, получено уравнение регрессии в зависимости от оборотов ротора (Х1), продолжительности обработки смеси (Х2), количества окон внутренней обечайки статора (Х3) и концентрации ЗЦМ в смеси (Х4). Критерием отклика эксперимента является качество измельчения смеси (у):
у = 3,2 - 0,569Х1- 0,093Х2 + 0,356Х3 + 0,10Х4-1,9875X1X2- 0,595Х^Х4+ 0Д95ХД +
+ 0,18Х2Х4- 0,309Х2 - 0,3315X2 +1,2335Х2
1
I
Рис. - 1 - вариатор скоростей; 2 - электродвигатель; 3 - роторный диспергатор; 4 - крепление корпуса диспергатора; 5 - ёмкость
Доверительные интервалы приняты по табличному значению критерия Стьюдента, адекватность проверена по табличному значению критерия Фишера [3]. Адекватность моделей подтверждается с вероятностью Р = 0,99 при ¥т> (при ¥т = 19,42;
= 1,32). Модель адекватна.
Проведённый эксперимент, адекватность полученного уравнения регрессии подтвердили работоспособность выбранных параметров измельчения материала, т.е. создания однородной смеси ЗЦМ с заданными параметрами обработки.
Для обработки результатов эксперимента была применена программа «MathCAD12». Критерием отклика эксперимента являлось качество измельчения смеси.
На основании анализа полученных данных при использовании компьютерной программы определены значения в кодированном варианте.
При оптимальном значении критерия оптимизации являются следующие значения: частота вращения ротора 258,5 с-1, продолжительность обработки 320 с., количество окон внутренней обечайки статора 12 шт. и концентрация ЗЦМ в смеси 0,110 ± 0,005 кг.
Степень однородности смеси (X) в проведённых экспериментах определялась по методике Г.М. Кухты [4]. Результаты статистической обработки данных степени однородности приведены в таблице 1.
Степени однородности смеси: Xс =91%; X . = 83%; X =98%.
тт ’ тах
X<85% — в 2 экспериментах смесь плохого качества, что составляет 7% от общего количества экспериментов; 85% < X < 90—92% — в 8 экспериментах смесь удовлетворительного качества, что составляет 30% от общего количества экспериментов; X > 92% в 17 экспериментах, что составляет 63% от общего количества экспериментов.
Установлено, что всего в 93% проведённых экспериментах однородность смеси удовлетворительного и хорошего качества.
1. Коэффициенты корреляции экспериментальных исследований
Коэффициент корреляция
У(хі) 0,99
У(Х2) 0,98
У(хз) 0,80
У(Х4) 0,98
Графическая реализация и коэффициенты корреляции экспериментальных исследований подтвердили теоретические выводы (табл. 1).
Экспериментальный роторный диспергатор внедрён в производство. В таблице 2 приведены показатели экономической эффективности применения роторного диспергатора.
Выводы. 1. Проведённый анализ существующих исследований по приготовлению диспергированных структурированных смесей, разработанная классификация технических решений позволили обосновать новую конструкцию роторного дис-пергатора для приготовления заменителя цельного молока. Такое устройство и технология на её основе обладают преимуществом перед существующими и являются актуальными для современного сельского хозяйства при выращивании молодняка крупного рогатого скота.
2. Теоретические и экспериментальные исследования позволили получить математическую модель процесса приготовления смеси ЗЦМ с вероятностью 0,99 в зависимости от частоты оборота ротора, продолжительности обработки смеси, количества окон внутренней обечайки статора, концентрации ЗЦМ в смеси.
3. Для определения качества приготовления смеси в лабораторных условиях были разработаны:
— стенд для исследования параметров роторного диспергатора в зависимости от различных уровней варьирования;
— стенд для определения качества приготовления смеси ЗЦМ методом центрифугирования.
4. Разработанная методика позволила определить технологические параметры — качество измельчения смеси ЗЦМ, степень её однородности и концентрацию, конструктивно-режимные параметры — частота оборота ротора, продолжительность обработки смеси, количество окон внутренней обечайки статора.
5. Выбранный некомпозиционный план Бокса-Бенкина на четырёх уровнях дал возможность получить математическую модель — уравнение регрессии, в зависимости от частоты оборота ротора, продолжительности обработки смеси, количества окон внутренней обечайки статора, концентрации ЗЦМ в смеси. Оптимальные значения получены при частоте вращения ротора 258,5 с-1, продолжительности обработки смеси 320 с., количестве окон
2. Показатели экономической эффективности применения роторного диспергатора
Показатель Серийный АВМ-0,8 Экспериментальный роторный диспергатор
Производительность, т/ч 0,275 0,313
Эксплуатационные расходы, руб/кг 74,79 51,23
Затраты труда, чел/ч/кг 2,00 2,00
Приведённые затраты, руб/кг 86,89 59,67
Экономический эффект, руб/кг - 27,12
Срок окупаемости машины, лет - 1,7 года
внутренней обечайки статора 12 шт. и концентрации ЗЦМ в смеси 0,110 + 0,005 кг.
6. С помощью поисковых исследований получены оптимальные режимы работы центрифуги: частота вращения ротора 628 с1), время центрифугирования — 300 с., которые обеспечивали наиболее оптимальное определение качества приготовления смеси ЗЦМ в экспериментальных исследованиях.
7. Разработанные исходные требования на изготовление и проектирование роторного диспергатора позволяют изготовить роторный диспергатор со следующими параметрами: средний диаметр ротора 50 мм, зазор между режущими кромками не более 0,5 мм, ширина прорезей не более 4 мм, высота прорезей 12 мм, число прорезей 12 шт., толщина стенок и образующих не более 2 мм.
8. Годовой экономический эффект от внедрения роторного диспергатора составил 27120 руб. на т ЗЦМ за счёт снижения приведённых затрат на 31,3%, эксплуатационных затрат — на 31,5% при высоком качестве приготовляемой смеси. Срок окупаемости роторного диспергатора — 1,7 года.
Литература
1. Воропаева B.C. Производство заменителей цельного молока для сельскохозяйственных животных. М.: Пищевая промышленность, 1977. 130 с.
2. Малахов Н.Н., Плаксин Ю.М., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств. Орел: Орловский государственный технический университет, 2001. 687 с.
3. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, София: Техника, 1980. 237 с.
4. Кухта Г.М. Технология переработки и приготовления кормов. М.: Колос, 1978. С. 240-286.
