Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследований 8
1.1. Технологические линии производства экструдированных продуктов 8
1.2. Технологический процесс экструдирования материалов растительного происхождения 11
1.3. Конструкции и анализ пресс-экструдеров 16
1.4. Выводы по разделу: 33
1.5. Цели и задачи исследований 35
2 Теоретические предпосылки совершенствования процесса экструдирования зернового материала и обоснование основных параметров предлагаемогошнека 36
2.1. Энергоемкость процесса экструдирования зернового материала известными экструдерами 36
2.2. Снижение энергоемкости процесса экструдирования материала .. 42
2.2.1. Процесс сжатия материала в ступенчатом канале 42
2.2.2. Процесс сжатия материала в предлагаемом канале 49
2.3. Обоснование основных параметров предлагаемого шнека 53
2.4. Сравнительный анализ энергоемкости пресс-экструдера со ступенчатым каналом и пресс-экструдера с предложенным каналом 60
Выводы по разделу: 63
3 Программа и методика экспериментальных исследований 65
3.1. Программа экспериментальных исследований 65
3.2. Объект исследований 65
3.3. Общая методика экспериментальных исследований 66
3.4. Экспериментальные образцы формы рабочего канала 66
3.5. Описание экспериментальной установки 68
3.6. Методика определения физико-механических свойств исследуемого зернового материала 71
3.6.1. Определение влажности материала 71
3.6.2. Определение плотности сырья 72
3.6.3. Определение коэффициента трения зернового материала по
шнеку и зееру пресс-экструдера 73
3.6.4. Определение коэффициента внутреннего трения 75
3.7. Методика проведения исследований на экспериментальных образцах формы рабочего канала 78
3.8. Методика проведения исследований на экспериментальном пресс-экструдере 79
3.8.1. Определение частоты вращения шнека 79
3.8.2. Измерение затрат энергии и производительности пресс-
экструдера 83
3.9. Методика обработки результатов исследований 87
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 89
4.1. Определение физико-механических свойств исследуемого зернового материала 89
4.1.1. Определение коэффициентов трения зернового материала по поверхности шнека и зеера пресс-экструдера 90
4.2. Анализ лабораторных исследований экспериментальных образцов формы рабочего канала 93
4.3. Результаты и анализ исследований на экспериментальном пресс-экструдере 94
4.3.1. Влияние частоты вращения шнека и объемной плотности
материала на производительность пресс-экструдера 97
4.3.2. Исследование энергетических характеристик пресс-экструдера 101
4.4. Сравнительный анализ экспериментального пресс-экструдера с серийно выпускаемыми пресс-экструдерами 111
Выводы по разделу: 114
5. Производственные испытания пресс-экструдера, внедрение и экономическая оценка результатов исследований 116
5.1. Производственная проверка пресс-экструдера 116
5.2. Экономическая оценка результатов исследований 120
Выводы по разделу: 130
Общие выводы 131
Литература 133
- Технологические линии производства экструдированных продуктов
- Снижение энергоемкости процесса экструдирования материала
- Методика определения физико-механических свойств исследуемого зернового материала
- Определение коэффициентов трения зернового материала по поверхности шнека и зеера пресс-экструдера
Введение к работе
Развитие животноводства, повышение его продуктивности и высокие результаты от реализации продукции животноводства теснейшим образом связаны с улучшением кормопроизводства .
Сложная социально-экономическая ситуация в стране усилила негативные процессы в развитии кормопроизводства, привела к резкому спаду производства кормов- Одной из основных причин этого является высокая стоимость энергоресурсов и отсутствие современных энергосберегающих технологий.
Перевод животноводства на промышленную основу требует прогрессивной технологии заготовки кормов.
Экструдирование - один из перспективных технологических процессов, позволяющих получать разнообразные корма для сельскохозяйственных животных, снизить затраты на подготовку кормов к скармливанию животным, транспортирование и хранение, обеспечить сбалансированное питание животных, повысить переваримость и энергетическую ценность продукции, улучшить экологическое состояние ферм.
Экструдеры позволяют совместить ряд операций в одной машине, производить их быстро и непрерывно (составлять композиции из нескольких компонентов, перемешивать, сжимать, нагревать, варить, стерилизовать, формовать практически одновременно).
Шнековые пресс-экструдеры, применяемые в настоящее время для производства экструдированных кормов, имеют большие энергозатраты на производство единицы продукции
7 (100-300 кВт-ч/т), что сдерживает их внедрение в отечественное кормопроизводство [14;52;66;67;95;99].
Поэтому разработка эффективной энергосберегающей технологии и технических средств для производства экс-трудированных продуктов является перспективным направлением.
В связи с этим целью настоящей работы является: снижение энергозатрат технологического процесса экстру-дирования зернового материала за счет совершенствования конструктивных параметров шнека пресс-экструдера.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с комплексной темой НИР ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ им Н.И. Вавилова" №4 "Разработка технического обеспечения аграрных технологий", подраздел 4.4.2 "Разработка и исследование машин и технологий для приготовления и раздачи кормовых продуктов животноводства".
На защиту выносятся следующие научные положения: обоснование направления снижения энергоемкости процесса экструдирования зернового материала; теоретическое обоснование технологического процесса энергосберегающего пресс-экструдера и определение его параметров;
результаты экспериментальных исследований технологического процесса экструдирования зернового материала;
сравнительные исследования энергетических показателей работы серийного и предлагаемого шнековых пресс-экструдеров.
Технологические линии производства экструдированных продуктов
Пресс-экструдеры, используемые в сельском хозяйстве, нашли свое применение в технологических линиях для производства масла и жмыха из масличных культур, для приготовления комбикормов, карбамидных концентратов (рис. 1.1-1. 3).
Технологический процесс производства комбикормов с экструдированным зерном осуществляется по традиционной схеме [51;72;77;91] (рис. 1.1), в которой основной технологической операцией является экструдирование.
В последние годы широкое распространение получил прогрессивный метод приготовления высокопротеинового концентрата методом экструзии смеси крахмалосодержащего продукта, например зерна злаковых, и карбамида на пресс-экструдерах [33;67;7 6;88].
Технологический процесс получения амидоконцентрат-ных добавок представлен на рис.1.2.
Экструзия масличных семян позволяет получить высококачественное растительное масло с длительным сроком хранения. Полученный при этом жмых не требует дополнительной тепловой обработки для скармливания животным и птице [10;63;78].
Проанализировав энергетические показатели известных технологических линий [33;50;51;63;67;69;76-78;88;91], можно заключить, что экструдирование является наиболее энергоемким процессом в технологической линии.
Обработка давлением материалов растительного происхождения является основой многих технологий производства кормов и продуктов сельского хозяйства.
В настоящее время наиболее изученным в теоретическом и экспериментальном плане является процесс экструзии полимеров, который всесторонне отражен в ряде зарубежных и отечественных работ [4;16;39;4 6;57;71;73;80; 8 6; 89].
Ряд работ посвящен прессованию растительных материалов с выделением влаги (масло, сок) [5;9;10;18;19; 2б;29;32;43;68;87].
Для приготовления кормов методом экструдирования используют фуражное зерно, бобовые, отходы зерноперера-батывающего производства (лузги гречихи, отрубей, семян трав), жмых масличных культур (подсолнечника, рапса).
До экструдирования этот материал можно считать сыпучей, упруго-пластичной средой с незначительными силами связи между отдельными элементами. Зерновой материал по структуре - капиллярно-пористое тело. Между клетками и тканями зерна имеются макрокапилляры, микрокапилляры и поры. По макро- и микрокапиллярам перемещаются ожи-женные пары. Физико-механическая влага располагается в неопределенных соотношениях в виде жидкости. Жидкость капиллярах и порах удерживается под действием сил поверхностного натяжения.
В процессе прессования происходит отжим жидкой части продукта из твердой части. Физическая сущность данного процесса заключается в следующем.
При отжиме происходит сближение внешних и внутренних поверхностей частиц отжимаемого материала под действием прилагаемого давления (рис. 1.4). Вследствие сближения этих поверхностей происходят два процесса, относящиеся соответственно к жидкой и к твердой частям: 1) выжимание жидкости из промежутков между сближающимися внешними и внутренними поверхностями и 2) соединение («сплавление») внешних и внутренних поверхностей - частиц материала, приводящее к образованию при глубоком отжиме более или менее прочного брикета - жмыха.
Первоначальный этап - отделение жидкости от твердой части - выполняется следующим образом. При сближении внутренних и внешних поверхностей происходит выжимание жидкой части из промежутков между поверхностями до тех пор, пока толщина слоя жидкости не уменьшится до некоторых очень малых величин. Вытекание выдавливаемой (выжимаемой) влаги подчиняется гидродинамическим законам течения вязкой жидкости, мономолекулярные слои которой удерживаются на поверхностях их силовым молекулярным полем и неподвижны.
На втором этапе происходит соединение отдельных частиц с образованием брикета. Под действием давления частицы сближаются за счет имевшихся между ними промежутков (рис. 1.4). После того как частицы вступают в непосредственное соприкосновение, они оказывают друг на друга все возрастающее давление, начинается деформация отдельных частиц и их соединение в местах разрыва.
Снижение энергоемкости процесса экструдирования материала
Давление в рабочем канале пресс-экструдера создается за счет уплотнения материала и сопротивления, оказываемого материалом этому уплотнению, происходящему вследствие конструктивных особенностей пресса [10]: площадь сечения выходной кольцевой щели меньше, чем площадь сечения пространства между валом и внутренней поверхностью зеера, вследствие чего возникает значительное сопротивление при проходе материала через выходную кольцевою щель. Регулирование ширины выходной кольцевой щели может изменять в известных пределах давление в пресс-экструдере. в большинстве конструкций шаг витков уменьшается в направлении движения материала, так что каждый последующий виток с меньшим шагом может передвинуть за один оборот шнекового вала меньший объем, чем предыдущий виток с большим шагом. в большинстве конструкций площадь сечения рабочего пространства между валом и внутренней поверхностью зеера уменьшается в направлении движения материала в одних конструкциях за счет увеличения диаметра вала, в других — за счет увеличения диаметра вала и изменения диаметра зеера, так что рабочий канал имеет несколько ступеней различного диаметра. Следовательно, давление в рабочем канале пресс-экструдера будет резко возрастать в местах перехода от одной ступени большего объема к следующей ступени с меньшим объемом. Это можно описать следующей схемой (Рис. 2.4).
Тогда время прохождения материала из одной ступени в следующую ступень можно вычислить по формуле: где t - время прохождения материала из одной ступени в следующую ступень, с; S - путь, который проходит материал при переходе из одной ступени в следующую, м.
Проводя вычисления по формуле (2.12) для существующих пресс-экструдеров, выяснилось, что время прохождения материала из одной ступени в следующую ступень составляет 0,05...0,006 секунды (приложение 2).
Быстро изменяющаяся нагрузка в сопротивлении материалов - это ударная нагрузка [1;83].
То есть, можно принять, в местах перехода материала из одной ступени в следующую, материал будет испытывать непрерывную ударную нагрузку.
Тогда процесс сжатия материала в канале пресс-экструдера (рис. 2.4) в местах перехода от одной ступени в следующую ступень можно описать следующей механической моделью [1;83] (рис. 2.5).
В этой модели пружина заменяет деформируемый материал [10], находящийся в местах перехода из одной ступени в следующую ступень, а поршень моделирует процесс движения зерновой массы в винтовом канале.
Рассмотрим, как воспринимается ударная нагрузка. Поршень массой т (рис. 2.5) движется в горизонтальном направлении со скоростью и0 и останавливается упругим элементом, изображенным на рис. 2.5 в виде пружины. Массу пружины будем считать малой по сравнению с массой поршня. После того как поршень коснулся пружины, скорость его начнет уменьшаться. Когда вся кинетическая энергия поршня перейдет в потенциальную энергию сжатой пружины, поршень остановится, а сила, сжимающая пружину, достигнет максимума.
Наибольшая величина силы, сжимающей пружину, Ртах может быть определена из условия энергетического баланса [83].
Методика определения физико-механических свойств исследуемого зернового материала
Влажность зернового материала определяли методом высушивания навески массой 5г при температуре 130±2С в электрическом сушильном шкафу СЭШ-1 в течение 4 0 мин. Влажность рассчитывали по формуле [31]: W - 00, (3.1, b-a где a - масса бюксы с крышкой, г; Ъ - масса бюксы с крышкой и навеской размолотого зерна до высушивания, г; с - масса бюксы с крышкой и навеской размолотого зерна после высушивания, г.
Для каждой пробы проводили два параллельных определения влажности. Влажность исследуемой пробы выводили как среднее арифметическое из этих двух определений. Расхождение между двумя параллельными определениями не более ±0,25%.
Плотность определялась [12] с помощью прибора (рис. 3.7), включающего мерный сосуд 1, штырь 2, прикрепленный к сосуду 1 и рамку 3, которая может поворачиваться около штыря 2. При определении плотности материал насыпается в сосуд 1 через рамку 3 до ее верха. По окончании заполнения сосуда, рамка поворачивается в положение «а», причем излишек насыпного материала срезается и падает в поднос 4, затем рамка снимается со штыря и сосуд с насыпным материалом взвешивается. Плотность определяется по формуле: Р= , кг/м3, (3.2) где G0 - масса сосуда с насыпным материалом, кг; G, - собственная масса сосуда, кг; Vx - объем сосуда, м3.
В процессе движения материала по винтовому каналу пресс-экструдера наблюдается два вида трения: внутреннее трение - между слоями материала и внешнее трение -материала по поверхности зеера и шнека.
В процессе экструзии зернового материала происходит разрушение целых зерен в зазоре между кромкой винтовой линии шнека и ребрами зеера. Поэтому коэффициент трения материла по поверхности зеера правильно называть коэффициентом сопротивления движения материла.
Исследования трения различных материалов о стальную поверхность отражены во многих работах [11;38;41;53;81].
В наших опытах по определению коэффициента трения зернового материала и коэффициента сопротивления движения смеси по поверхности зеера использовалась специальная установка (рис. 3.8).
Установка состоит из стальной со шлифованной поверхностью плиты 1, установленной на роликах в направляющих 2. Плита 1 соединена тросом 3 с образцовым динамометром 4 и с блоком 5, установленным на валу редуктора б и синхронным электродвигателем 7. Зерновая смесь помещалась в квадратную рамку 8 без дна, неподвижно установленную в вертикальных направляющих колонках 9. Изменение нормальной нагрузки на зерновую смесь 20000 Н производилось набором грузов, устанавливаемых на шток 10 поршня, помещенного непосредственно на поверхность зернового материала.
Скорость движения плиты была равна 0,08 м/с, что соответствовало окружной скорости вращения шнека. Время движения плиты регистрировалось электросекундомером 12, включение и выключение которого производилось контактными выключателями 13.
При определении коэффициента сопротивления движения по поверхности зеера устанавливали плиту с поверхностью, соответствующей поверхности зеера пресс-экструдера. Максимальную силу трения при движении зернового материала по контактирующим поверхностям определяли по формуле И.В. Крагельского: где F - сила тяги; К*. ~ усилие холостого хода тележки; N - сила нормального давления; f - коэффициент внешнего трения.
С целью повышения достоверности результатов, опыты проводили с многократной повторностью в зависимости от устойчивости данных экспериментов.
Определение коэффициентов трения зернового материала по поверхности шнека и зеера пресс-экструдера
Расчет коэффициентов трения зернового материала по стальной шлифованной поверхности, соответствующей поверхности шнека и по ребристой, соответствующей внутренней поверхности зеера пресс-экструдера, в зависимости от величины нормального давления при постоянной скорости движения (0,08 м/с) проводили по формуле (3.4). Полученные результаты представлены в таблице 4.2.
Анализируя зависимости рис. 4.1 (кривая 2), можно заключить, что величина коэффициента внешнего трения движения исследуемого материала по поверхности шнека (шлифованная сталь) при увеличении нагрузки до 785 Н понижается. Это объясняется тем, что при нагреве зерна происходит выделение влаги, которая при повышении нормальной нагрузки образует жидкостную пленку на контактирующих поверхностях. Дальнейшее увеличение нормальной нагрузки (свыше 785 Н) не влияет на величину коэффициента трения.
Величина коэффициента трения при движении материала по ребристой поверхности (зеера) при увеличении нормальной нагрузки от 196 Н до 1373 Н увеличивается (рис. 4.1, кривая 2). Это можно объяснить влиянием коэффициента внутреннего трения, так как целые зерна, попадая на грань ребра, производят смещение слоев исследуемого материала, то есть увеличивается напряжение сдвига, следовательно, (см. формулу 3.6) в результате происходит увеличение коэффициента трения зернового материала по поверхности зеера. При последующем увеличении нагрузки до 2158 Н коэффициент трения движения зернового материала по ребристой поверхности практически остается постоянным.
Аналогично были проведены исследования коэффициентов трения для пшеницы и проса: средние значения коэффициента трения по шлифованной поверхности для пшеницы - 0,3, для проса - 0,2 9; средние значения коэффициента трения по стальной ребристой поверхности для пшеницы -0,58, для проса - 0,52.
Для определения влияния угла между образующей переменных сегментов и высотой цилиндра ух (см. рис. 2.8) были созданы экспериментальные образцы формы рабочего канала с углами у = 0,0087...0,0349 рад (30 ...2) .
В первой серии опытов проводили сравнение по характеру процесса движения зерна в образцах рабочего канала при различных углах yt на различных зерновых культурах под действием силы тяжести, без приложения дополнительной нагрузки. При исследовании не наблюдалось значительного влияния данного угла на процесс прохождения зернового материала по образцу рабочего канала. Отмечено влияние только физико-механических свойств зернового материала, особенно размерных характеристик зерен. Так, просо проходило по каналу за меньшее время, чем пшеница и ячмень.
При уплотнении зернового материала в образцах прохождение материала через канал в основном определялось влиянием размерных характеристик зерна и коэффициентами внутреннего и внешнего трения.
Так как при увеличении угла ух уменьшается площадь выходного отверстия, то при этом увеличивается степень сжатия в канале, что требует больших усилий для движения материала по каналу. Следовательно, угол ух должен быть минимальным для лучшего продвижения материала по винтовому каналу с меньшими затратами энергии, но обеспечивать необходимую степень сжатия экструдируемого материала. То есть при проектировании шнека данный угол может определяться из условия необходимой степени сжатия материала и длиной шнека. Длина шнека будет определяться требуемым временем нахождения материала в канале.
