Введение к работе
:,. .,
„'Л-- -
Актуальность проблемы. Одной из задач кормоприготовитэяь-ной промышленности и механизации отрасли животноводства является совершенствование методов и процессов подготовки зернового сырья к скрамливании путем применения принципиально новых технологий, расширение возможностей технологического оборудования', снижение потерь, улуїшзения потребительских свойств готовой продукции. Особенно высокие тербования предъявлены к снижений энергозатрат, теплозых потерь, снижения мощности и ыеталлозм -кости оборудования, его универсальности. Суцествупцие методы и процессы тепловой обработки зернового сырья НЗ 3 ПОЛНОЙ M'jpS отвечают возраставши?' санитарно-гигиеническим требованиям и качественным показателям готового продукта.
В связи с чем возникает необходимость поиска новых я совершенствование имеющихся процессов тепловой обработки и технических решений. К таким процессам относятся вяаготеплсвш обработка, термообработка, цнкрояиэация. Последнее осуществляется органами винтового типа с изменяемой и регулируемой гео -цэтрией..
К постоялицу времени не достаточно широко изучены реоло -гкчес.-сле свойе ва зернового сырья, отсутствуют данные об использовании регулируемых органов винтового типа а процессах тап.та -вой обработки методические "чхої іендации к расчету характеристик регулируеі/нх рабочих органов винтового типа, их энергети -ческих показателП.
В связи с этим, работа, посвященная п^учэшш влияния температуры,' давления, пги определенной влажности и времени зоз -' действия в процессе тепловой обработки зернового сырья и раз -. работке конструкции устройства с регулируемым рабочим оргачоы винтового типа івляетея актуальной.
Цель работы. Снижение энергоемкости процесса г :струдиро -
вания зернового сырья, затрат труда и средств путем универса -'
лнззции оборудования и совершенствогания технологических резн-
мов и рабоч:іх органов.
Научна-г новизна работы состоит в слздукцем:
- 'точнены технологические режимы тепловей обработки зернового сырья как взаимосвязанные процессы - термичвегай, вла -готепловой и экструзия ;
. -4-
- разработана математическая модель процесса зкструдиро -
вакия с регулироьанием в .винтовом рабочем органе;
обоснованы взаимосвязи геометрических параметров винтовых поверхностей, формирующихся на телах вращения и , в част -нести, на конической поверхности разработан способ определения геометрических параметров регулируе:. ore винта; і
обоснованы технологические, кинематические и конструк -тквн: 5 параметры регулируемого винтового рабочего органа экотрудора; обеспечивающего снижение энергозатрат и уменьшение бактериальной обсемененности.
Научная новизна результатов исследовании подтверждена и&їьа авторсюши свидетельствами на изобретения устройств для тепловой обработки зернового сырья и на винтовой рабочий орган с 'регулируемой геометрией.
Объекты исследования. Технологический процесс тепловой об-рабсїкк, вклвчахший' термообработку, ьлагстегяовую обработісу и экструаив; экспериментальный окструдер для исследовакіш процесса гошшвой обработки с внесенными конструктивными изменениями; зерновое сырье - кукуруза, пшеница, ячмень.
. Практическая ценность заключается в следующем: ' в результате теоретических и экспериментальных исследова -ний обоснованы регулируемое параметры, и рехимы виитовых'рабочих 'органов для. совмещенного выполнения технологических процессов обработки зерна - термического, влаготепло^ого и экструзии ; разработан универсальный опытны*, окструдер; позволящиз сни -сить энергоемкость и металлоемкость.
Экструдер прйпел производственную проверку на Лошницком комбикормовом заЕоде Минской области и Бериславскои аграрно -промышленном комплексе Херсонской области.
Апробация работы".'Основные лолонения и результаты диссертации докладызались на. сешшаре "Роль молодых ученых области в реализации продовольственной программы" (Херсон, 1987 г.); областной научно-приктической конференции "Творчество молодых ученых и специалистов - ускоренно научно-технического прогресса" (Хе^ .он, 1*«37г.); научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава Одесского сельскохозяйственного института (Одесса, 1986, 1907, 1968, 1969 гг.), конференции "Вклад молодых ученых к специалистов в ускорение научно -техь .ческого про зесса и интенсификации «ародного хозяйства "
(Севастополь, 1989 г.); тучно -теоретической конференции профессорско-преподавательского состава Херсонского индустриаль -ного института (Херсон, 1989 г.); научно-практической кснфо -ренции, посвященной GO-леткю со дня рождения академика Верещагина Л.<5. (Херсон, 1990 г.); юбилейной научной конференции , посвященной 10-летию Херсонского индустриального института (Херсон, 1991г);объеаиненнон заседании кафедр механизации сельскохозяйственного производства и эксплуатации машинотракторного парка Одесского СХИ (Одесса-, 1992 г.).
Опитная установка экспонировалась на выставке достижений народного хозяйства УССР (Киев, 1986 г.).
Публикация. По результатам выполненных исследований опубликовано десять работ и пять авторских свидетельств.
На защиту выноса.ся: обоснование технологических режимов взаимосвязанных процессов тепловой обработки зернового сырья-термического, влаготеплового и экструзии; математическая ио -дель процесса экструди^ования в регулируемом винтоеом рабочей органе; обоснование геометрических параметров винтовой спирали, формирующейся на конической поверхно-ти, показатели работы опытного экструдер.. шогоцелевого назначения. Работа состоит из 5 глав, введения, еыводов, списка литературы и приложений. Общий (.Лем 21? стр. основного текста, в том числа 62 иллюстраций.
СОДЕРКАй:, РАБОТЫ
В первой глаі>е приведена общая .характр"іистика процессов
тепловой обработки зернового сырья и расс.'/этрены технические
средства их осуществления. Проанализированы направления соЕзр-
шенствования процесса тепловой обработки в потоке. Дана крити
ческая сценка конструктивным особенностям рабочих органов .чин-
тового типа. Отмечено, что практически не изучены универсальные
рабочие органы Бітового типа с регулируегдки взрсмитраїзі.
.. . Исходя из анализа расчетов энергетики в бпдоеых рабочих
орггнах в процессах перемещения, про ісовакия и экструднрозания
рассмотрены расчетные формулы дія- случая, когда рогу чруїуся
параметри тепловой обработки и характеристики винтовых раосчих
органов. "
Основными параметрами егулировагош винтового рабочего органа является ширина зыхедной щели В^ , саг еинтовой спира-
-б-
ли Н, наружный и jh> ренний диаметры спирали J)u і Dj і
угол подьема винта d ; регулирующим фактором является пере -
мщение составных частей винтового и конического валов & ,
Сформулирована цель и.определены задачи исследования:
I. Определить некоторые физико-механические свойства зернового сырья, связанные с процессом экструдирозания ;
2. Разработать : аТематическув модель процесса тепловой обработки зернове.'о сырья,.в екструдере многоцелевого назначения с регулируещы винтовым рабочим органом;
3. Установить взаимосвязь основных геометрических параметров регулируемого рабочего органа винтового типа;
4; Исследо: ль энергетические характеристики применительно технологических, конструктивных, кинематических и силовых параметров тепловой обработки зернового сырья и режимов экструдера многоцелевого назначения.
5., Произвести производственную проверку усовершенствованного экструдера многоцелевого назначения с регулируй м винтовым рабочим органом и определить технико-экономические показатели оффективности результатов выполненных разработок.
.Во второй главе из.г -жены реїультаты теоретических исследований структурного, параметрического, реологического анализов меделей тепловой обработки зернового сырья в винтовых рабочих органах. Установлены теоретические зависимости параметров теп -ловой обработки:-кинематические -частота крещения винта и скорость перемещения частиц .у границы винт-корпус; технологи -ческио - температура нагрева материала, развиваемое давление, собственная и вводимая'влажность, время обработки, гранулометрический состав зернового сырья; геометрические параметры ра -бочего органа - щелевой зазор на выходе между валом винта и корпусом, щаг винта; энергетические - изменение потребляемой мощ -ности электропривода; реологические - вязкость обрабатываемого. Сырья, остальные зависимости расчетные и является функционально зависимыми от выбранных параметров.
Ра-чаботь.-Ы схемы совершенствования процессов тепловой обработки в регулируемом винтовом рабочем органе (рис. 1а, б)
гр. і*>>«
Рисі. а)структуркая схеїла: І-І5-бункер, 2-дозатор, 3-смеси -тель-прспатіватєль, 4-уэла.тлктзль, 5-нагревательный элемент, ІЗ-охлгдитель', 14-циклсн, Іб-установка тепловой обработки;
б)аппаратурно-технологическая схема установки тепловой обработки.
В третьзй главе проведен анализ винтовых рабочих органов, их конструктивных особенностей и исследоЕалы геометрические свойства образования винтовых поверхностей. Разработана кон « струкция регулируемого винтового рабочего органа (рис.2) , выполненного составным из частей: сплошного винтового ьала I , конического вала 2, плоскостной вин^-шой спирали 3.
Рис.2.- Регулируемой винтовой рабочий орга-.і: I-сплошной винте- . вой вал, 2-конкческий вал, 3-плоскостная винтовая , спираль.
Приведены результаты взаимосвязи паранетров гинтовой спирали , образованной на поверхностях тел вращения. Игхоїіл из основ развертки винтовой линии из теле гранения определена рзгу-лируемая-взаимосвязь ряга, наружного и внутреннего диамэтров, .угла подъема осевого растятенип или сяатия винтовой спирали на регулируецу:з величину Дс . ' '
Олисанз иатеиатическая модель процессов тепловой обработки и экструзии. Расчетная схема представлена ка рис.3
Рис.З, Расчетная схема
Введены следующие допущения: I. Течение установившеесы, ла&шарное. изотермическое; 2. Материал ьесжимаеыый, сплошной и обладает свойствами вязкой ньютоновской среды; 3. Соблюда -етскграничное условие прилипания материала к'твердым границаы. Дгижение материала,, неразрывность потока и реологического со -стояния мояно определить системой уравнений
.. 13.1)
Q- fVfc/tf; (3,2)
">*#
(3. 3)
При граничных условиях ^0,іГхвіГ;^/>,д-х"0;Х-ОгР-^;Х"^ Р*0. (3.4)
После итерирования уравнения (3.1) к преобразований распредьления скорости течения материала получат еид
(3.5)
/ с/Р 2 с/ А / е/Р /г)
Из интеграл- шго уравнения -неразрывности потока (3.2) имеем .,"- . ,
tr.'A-
Л'
Q'
(3.6)
if.
Следовательно
ДГ = №/Ч—р- (3.7)
Учитывал тот факт, что геометрия течения подобна "гидрав
лическому клину" принято Х~Х*^ а\/Р"О Р= Р
тогда ^
ых-- J~3 ' ( }
где Л"А +X-fy.c/. ^ ц
После внода безразкер}шх переменных J> = т~ jf "" "7—
найдено распределение удельного давления ' 2
__/_. .__Z! .7;. ,
При допу^гиных значення" J) * 0, ?-?sag , j" =./| ,P ** G и выполненных преобразованиях полученп удельная технологическая новость
Полная мощность имеет ВИД :
A/r ~Л'- з, (злі)
где В - рабочая сирина канзла, В. = ^f- ffig)
-ю-
\-.і уравнен-й 3.1 - 3.12 видно, что определяющими параметрам энергозатрат является скорость течения обрабатываемого материала, ширина выходного канала, вязкость материала, геометри-чэскиз характеристики винта, для подтверждения которых прове -деньг экспериментальные исследования.
В четвертой главе приведена характеристика измерительно -регистрирующей annaj туры, тензометрического датчика давления ь»о;.*їрсішого типа, разработанной конструкции нагревательного блока, позволяющеп регулировать интенсивное.ь температурчого по.ия, обоснованы температурные режимы в процессах тепловой обработки.
.Разработана'методика определения регулируемых геометри -ческих характеристик винтового рабочего органа,, основным элементом которого является, винтовая спираль.
Для проведения исследований регулируемых характеристик винтового рабочего органа разработано специальное устройство (рис.4), состоящее из: основы І, неподвиані*.": опоры 2, подвижно!! споры 3, лимба 4, приспособления нанесения красителя 5.
Через каждый оборот винта изменяли осепсе перемещение д^7 конического вала и сплошного винтового вала, получали характеристики винтового рабочего органа М.-В^аС, L„ .
По результатам исследований построена номограмма определения зависимости шага К, наружного диаметра Д^ , длины дуги винтовой- линии Lff» размера результирующей щели $^ , гео -метрической степени снатия Сеж от осевого перемощения & конического вала в г ,;не выходного отверстия.
Ка ycTaHOF-э с регулируемым винтовым рабочим органом обрабатывав наиболее употребимое зерновое ы сырье - кукурузу , пшеницу, ячмень. Параметрами состояния зерн зого сырья учиты -вались гранулометрический состав, исходная влажность.
Основными кинематическими параметрами учитывались частота . зращькия винта . /,. и скорость перемещен! : частиц .у границы винт корпус, Технологическими параметрами - температура нагрева Т,
-II-
н, 0
Рис.4. Устройство для определения геометрических характеристик регулируемого вкнтовсго рабочего органа: а - приспособление ; б - фрагмент геометрических характеристик
Саг ІЇ,№і у\ В к
\
р SO ZO 4-0 50 бо ?0 ЗО 90 , JO -«О f20
Pkc.5. Номограма зависимости reoi..jTpiir?cu:ix
параметров у еьтсодного отверстия: вщ~ щелевой зочор.Ь - шаг,.0Л - текущий ^аието конического вала, Со*- степень сжатия, &Є -осёвсе перемещение конического вала.
подводимая через корпус, вводимая влага \Ja , развиваемое дав -ление в корпусе и меквитковом пространстве Р, вреїш обработ -ки 'С Геометрическими параметрами - зазор живого сечения на выходе $ между валом винта и корпусом, энергетическим - из - меняемая на электроприводе мощность /V , реологической - вяз -кость обрабатываемого сырья у?' , остальные зависимости расчетные и являются функционально зависимыми от выбранных параметров.
Проведенная математическая обработка результатов показала высокую идентичность ъеорзтических расчетов и экспериментальных результатов (погрешность в пределах 3...5 при доверительной вероятности 0,95).
Получены зависимости мощности от кинематических параметров обработки при заданных технологических режимах и геометрических параметров регулируемого винтового рабочего органа для цельного и дробленого зернового сырья: кукурузы, пшеницы, ячменя (рис.6).
Определена вязкость продукта обработки в режимах влаготеп-ловом и экструзии (рис.7).
В яі. й главе приведены результаты тепловой обработки при различных режимах: терілическом - микробное и бактериальное обеззараживание продукта; влаготеплсвом и окструзии - микробное и бактериальное обеззараживание и физико-механические изменения.
Образцы зернового сырья содержали сравнительно небольшое количество микробных клеток: микромицетов рода Pene'cld7-ft'и.*г маслянокислих и других анаэробных микроорганизмов, а также грибы родов flsperat&i/s , Cfac/'osp^rtu/v.
Результаты проведенных исследований показывают на тесную взаимосвязь загрязненности продуктов микроорганизмами от про -должительности и температурного уровня термической, влаготеп -ловой обраоотки и экструзии в результате которой остаточная бактериальная микрофлора составила 0,01...0,5 % от исходне1*, а обсемензнность микромицетами снизилась в 60...120 раз. Обнаруженные немногочисленные грибы, везмоано, являются следствием вторичного загрязнения.
После влаготепловой обработки и экструзии r.-лучени еле -дувяцие результаты физикэ-механическпх свойств зернового сырья, которые характеризуются по сравнению с исходными, следующими показателями: увеличением обьемной массы у пшеницы и ячменя на 5...6 и уменьшением у кукурузы на 4,552; увеличением коэф -
фициента уплотнения у пшеницы на 30 % и уменьшением у кукурузы на 30 %; снижением среднего размера частиц обработанных образцов на 20...60 %; увеличением сорбционньа свойств обработанного продукта.
0,1?0 <Х22Я O.ZOO 0,350 Q405
Рис.6. Зависимость .-затрат мощности от кинематических пара метров и режимов обработки: " ' """ " 0,17- 0,3 м.с-' ; Т = т*пі
симость яатр;
im; ^=
Wc = 20% : бш. = 150С ; I - ВД ; Й - НЦ ;
ов и режимов
„,if- 0,3 м.с-':
llf - Щ ; ІУ - ЯД
q/FO Q225 О^ЪОО 4&Ъ 0403'0.4вО~*~ %Мс
hic.7. Зависимость вязкости продукта от кинематических па-
аметров и режима обработки-: wc "90% * r-=/Soc слоаныа обозначэния: Щ - кукуруза к. эбленая;
НЦ - куг"фуза цельная; Щ - пленит цельная ;
ЯЦ - ячмень цельный.
-I't-
-
Одним из эффективных способов повышения использования зернового сырья при скармливании животным является его тепловая Обработка в процессах термическом, влэготепловом и экстру-зионнои. Однако применение отих процессов сдерживается высокой их энергоемкостью и затратами,. Анализ имеющихся результатов выполненных исследований показывает, ч^с уменьшение значения этих фьктороп возможно путем совершенствования -технологических ренимов и параметров рабочих органов экструдеров.
-
Установлено, что количественная характеристика давления в экструдере зависит от геометрических параметров винто -вого рабочего органа, скорости вращения винта, вязкости обрабатываемого материала, величины выходного зазора (отверстия) и мокет быть определена по формуле (3.9).
-
Затраты энергии на влаготег.ловую обработку и экструзию пропорциональны квадрату окружной скорости, вязкости обраба -тызаемог-) ;.ітериала, рабочей ииргчи канала, геометрическим характеристикам винта и определяется по уравнении (3.12).
-
Для получения продукта с физикс-механическими и хими -ческодш изменениями в направлении заданной декстринигации в зависимости от сорта и исходных характеристик зернового сырья, процессы Следует вести в диапазонах параметров: влаготепловой обработки Т = 130-1„0С ; Р = 0,5-1,5 МДа; ^=250-350 л/т; Wc = Io % и болег: П * 57-91 об/мин; Z - 35-60 с; Д^= 5 -
- В мм; экструзии T0j- = I20-I90C; / =1-2,5; 2,5-5 ; 5-Ю МПа, U^= 200-300 л/т ; Wc = 10 % и более; S^ = 1-7 мм ; /7 = 33--57 об/мин; t = 10-50 с; ? - 50-70. Для_более глубокой обработки - ввести кратковременный Г = 5-Ю с интенсивный наг -рев Т = J80-200C в зоне чыхода продукта.
5. Эффективным режимом термической обработки пшеницы, ку
курузы, ячменя по остаточному количеству и качественному соста
ву штосфдоры является технологический Т = I50-I90C ; Wc =
15-17 1о\ Г = 30-60 с ; кинематический режим вш^ового рабоче
го органа /7 = 33-91 об/мин; при еієлєвом зазоре дщ = 8-Ю ми.
'Все параметры процессов влаготеплового и экструзии являются эффективными длч микробиологического обеззаракивания, так остаточ-
-15'
нал бактериальная микрофлора составила 0,01-0,5 % от исходной, а обсе^знонность микрсмицетами снизилась в 60-120 раз. Нэспо-роносныэ возбудители лицевых отравлений не были обнаружены.
6. Несло дробления окструдота остаток продукта на ситах
диаметром 0,5 и 1,6 мм практически но изменяется, а проход на
сите 0,5 им для обработанных образцов увеличивается почти в
2 раза. Тают измзнился гранулометрический состав - средний размер частиц обработанных образцов снижается по сравнению с необработанными: для ппеницы на 20-25 %, кукуруси - 55-60 %, ячменя 5-30 %.
Обьемная масса увеличивается пшеницы на 5 %, ячизня - б %, а для кукурузи уменьшается на 4,5 %. '
Коэффициент уплотнения по обработке ппеницы "ьша на 30 %, а у кукурузы ните на 30 %, чей у исходного сырья.
7. Годовой экономический аффект применения разработанной
аппарзтурно-технологической линии тепловой обработки зернового
сырья на Лошницком комбикормовом заводе составил 138,7 тас.руб,
в'том числе пргаинение экструдера многоцелевого назначения -
15 тыс. руб. (в ценах 1988 г.).
