Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Современное состояние технических объектов свиноводства и основные направления их развития .11
1.2 Физико-механические и реологические свойства полужидких кормосмесей и их компонентов .12
1.2.1 Упруговязкие свойства полужидких кормосмесей .12
1.2.2 Анализ теплофизических свойств кормосмесей .16
1.3 Основные расчетные зависимости смешивания и теплового воздействия на влажные высоковязкие среды 18
1.3.1 Движение жидкости в аппарате с мешалкой .18
1.3.2 Расход энергии на перемешивание .20
1.3.3 Основные расчетные зависимости теплового воздействия на обрабатываемые кормосмеси 21
1.4 Основные технические средства воздействия на кормосмеси 24
1.4.1 Анализ смесительного оборудования для приготовления полужидких кормосмесей 24
1.4.2 Классификация и морфологический анализ структуры смесителей для получения полужидких кормосмесей в животноводстве .29
1.4.3 Анализ теплового оборудования для приготовления полужидких кормосмесей 33
1.4.4 Классификация и анализ структуры запарников полужидких кормов .39
1.5 Выводы по главе .42
2 Определение 3 основных параметров смесителя - запарника полужидких кормов с горизонтальной мешалкой .43
2.1 Обоснование выбора конструкции смесителя-запарника для получения полужидких кормосмесей с горизонтальной мешалкой 43
2.2 Гидродинамический расчет смешивания в смесителе-запарнике с горизонтальной мешалкой .47
2.2.1 Определение потребной мощности смесителя-запарника 47
2.2.2 Определение производительности смесителя-запарника 54
2.3 Тепловой расчет в смесителе-запарнике 56
2.3.1 Аналитический метод определения количества теплоты, необходимой для тепловой обработки кормосмеси в смесителе-запарнике 2.4 Выводы по главе .60
3 Программа и методика экспериментальных исследований смесителя - запарника полужидких кормов с горизонтальной мешалкой 61
3.1 Программа экспериментальных исследований 61
3.2 Экспериментальная установка для исследования смешивания и теплового воздействия на полужидкие кормосмеси .62
3.3 Методика проведения и анализ экспериментальных исследований смесителя-запарника полужидких кормосмесей 70
3.3.1 Методика определения качества смешивания 70
3.3.2 Методика определения влажности кормосмеси .71
3.3.3 Методика определения потребной мощности .72
3.3.4 Методика экспериментального определения производительности..76
3.3.5 Методика экспериментального определения количества пара .77
3.4 Планирование экспериментов смешивания кормосмесей в горизонтальном пропеллерном смесителе-запарнике кормов 81
3.5 Определение погрешностей измерений 85
3.6 Выводы по главе .86
4 Анализ результатов экспериментальных исследований смесителя-запарника с горизонтальной мешалкой 87
4.1 Результаты экспериментальных исследований смесителя-запарника с горизонтальной мешалкой .87
4.2 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 97
4.3 Производственные испытания и внедрение в производство смесителя-запарника с горизонтальной мешалкой 100
4.4 Выводы по главе .102
5 Энергетическое и экономическое обоснование смесителя-запарника полужидких кормов с горизонтальной мешалкой 103
5.1 Энергетический расчет и сравнение разработанного смесителя-запарника с базовой конструкцией смесителя СКО-Ф-3 .103
5.2 Расчет экономической эффективности внедрения смесителя-запарника с горизонтальной мешалкой 107
5.3 Выводы по главе .111
Общие выводы 112
Библиографический список
- Физико-механические и реологические свойства полужидких кормосмесей и их компонентов
- Гидродинамический расчет смешивания в смесителе-запарнике с горизонтальной мешалкой
- Экспериментальная установка для исследования смешивания и теплового воздействия на полужидкие кормосмеси
- Производственные испытания и внедрение в производство смесителя-запарника с горизонтальной мешалкой
Физико-механические и реологические свойства полужидких кормосмесей и их компонентов
Среди отраслей животноводства сельскохозяйственных предприятий наиболее эффективным является свиноводство. Развитие свиноводства в хозяйствах позволяет в короткий срок значительно увеличить производство мяса [93].
При кормоприготовлении на свиноводческих предприятиях наибольшее распространение получили такие процессы как: измельчение, увлажнение, смешивание, тепловая обработка, а также транспортирование кормов.
Основными принципами кормления являются нормированное кормление рассыпчатыми полнорационными кормами поросят с десятидневного возраста до достижения ими массы 35-40 кг и нормированное кормление влажными кормами всех остальных групп свиней с 2-х или 3-х разовой раздачей их [93].
Особенностью кормосмесей для свиней является то, что их можно скармливать при различной влажности. Влажные кормосмеси лучше поедаются свиньями, при этом увеличивается их усваиваемость.
При влажности кормосмеси 75-85% достигается наибольшая производительность, меньшая себестоимость производимой продукции и минимальные затраты энергии.
Запаривание кормов улучшает их вкусовые качества и увеличивает их поедаемость. Кроме того, запаривание и варка обеспечивают почти полную их стерилизацию и значительно снижают их бактериальную обсемененность, а также в ряде случаев обезвреживают их от токсичных веществ.
Физико - механические свойства кормов и их реологические свойства зависят от состава кормов и принятого рациона. Основные требования, предъявляемые к кормам для свиней и особенности их подготовки, определяется зоотехнических требований.
Влажность кормосмеси, как правило, определяется в процентах, является базовой для большинства физико-механических параметров и значительно влияет на энергозатраты процессов.
Наряду с влажностью: - плотность кормовой смеси рассматривается как фактор, определяющий выталкивающую силу, которая действует на твердые частицы; - упругость твердых веществ необходима, чтобы охарактеризовать механические свойства обработанных и транспортируемых кормовых смесей; - вязкость является одной из основных причин гидравлического сопротивления и потерь энергии движущихся кормовых смесей.
Физико-механические свойства кормосмесей существенно меняются в зависимости от степени измельчения исходных компонентов корма, особенности их влажности и термической обработки. Эти свойства, в дополнение к меняющемуся качеству продукции, определяют характер многих из наиболее важных процессов: движение материалов в рабочих органах машин и оборудования, термической обработки и т.д.
Структурно-механические свойства кормовых смесей явились предметом изучения многих ученых. Вопросам изучения состава и свойств кормосмесей посвящены работы [18, 30, 31, 51, 56, 58, 59, 68, 73, 95, 100, 101, 102] и многих других.
Отличие от свойств кормов на свойства ньютоновских жидкостей вызывает дальнейшие осложнения в решении гидродинамические и тепловые проблем. В отличие от ньютоновской жидкости, твердые частицы, находящиеся в кормосмесях турбулизируют поток при движении. Присутствие твердых частиц зависит от содержания сухих веществ, при увеличении содержания которого свойства кормосмесей всё больше начинают отличаться от свойств ньютоновских жидкостей.
В работе [101] отмечено, что вязкость при течении кормосмесей обычно называют "структурной". Кормосмеси приобретают способность удерживать во взвешенном состоянии куски материалов значительных размеров, т.е. приобретают так называемую несущую способность. Основной режим движения таких смесей - турбулентный.
В работе [66] приведены наиболее полные исследования вязкостного течения кормосмесей, выполненные в лабораторных и производственных условиях. Кормовые смеси, как и большинство грубодисперсных жидкостей, относят к вязкопластичным системам. Для грубодисперсных жидкостей характерно то, что для приведения их в движение требуется некоторая сила сдвига или предельное напряжение сдвига. Прочность структуры определяется силой сцепления частиц при сдвиге, которая характеризуется динамическим сопротивлением сдвигу и вязкостью системы. Эти величины входят в уравнение вязкопластичного потока, представленного Бингамом в виде [66]:
Гидродинамический расчет смешивания в смесителе-запарнике с горизонтальной мешалкой
Тихоходные (лопастные, ленточные, якорные и шнековые) имеют частоту вращения около 30 - 90 мин-1 и окружную скорость на конце лопасти для вязких жидкостей - 2 - 3 м/с.
Достоинствами лопастных мешалок являются их невысокая стоимость и простота устройства. Недостаток — слабый; осевой поток жидкости, который не обеспечивает эффективного перемешивания во всем объеме смесителя [85].
Якорные мешалки имеют форму днища аппарата и используются для смешивания и перемешивания вязких жидкостей. Достоинство этих мешалок в том, что они очищают дно и стенки смесителя от загрязнений.
Шнековые мешалки имеют форму винта и применяются, как и ленточные, для смешивания и перемешивания вязких жидкостей.
К быстроходным относятся пропеллерные и турбинные мешалки с частотой вращения от 100 до 3000 мин-1 при окружной скорости около 10 м/с.
Пропеллерные мешалки изготавливают с двумя или тремя пропеллерами. Достоинства пропеллерных мешалок: высокая интенсивность перемешивания при умеренном расходе энергии, невысокая стоимость. Недостатки: малая эффективность перемешивания вязких жидкостей (ju 0.6 Пас), ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости. Турбинные мешалки применяются для смешивания и перемешивания жидкостей вязкостью до 500 Па с, а также грубых суспензий. В химической промышленности часто используют винтовые мешалки с направляющей трубой-диффузором для смешивания в циркуляционном контуре (рисунок 1.4) [39]. - пропеллерная мешалка; 2 - туба-диффузор с теплообменной камерой;
3 - рубашка; Т - теплоноситель; Ж - перемешиваемая жидкость Рисунок 1.4 - Аппарат с винтовой мешалкой и трубой-диффузором
В этом случае, в смесителе создается замкнутый циркуляционный контур, и винтовая мешалка практически служит насос. Смесители с циркуляционным контуром в режиме резервуар-насос-резервуар обычно снабжают трехлопастными мешалками, лопасти которых изогнуты по винтовой линии. Они применяются в пищевой, химической и др. промышленностях для смешивания и перемешивания жидких сред.
Применение их целесообразно при проведении реакций с высоким удельным тепловыделением.
Также в промышленности используется машины или смесители специальных конструкций. К ним относятся устройства, использующие вибрацию и пульсацию при смешивании. Вибрационные мешалки выполняют в форме дисков, закрепленных на вертикальных штангах и совершающих возвратно-поступательное движение. Пульсирующие мешалки представляют собой распределительную камеру и систему сопел, погруженных в аппарат. Эта камера соединена с пульсатором - устройством, которое генерирует пульсацию давления газа.
Рассмотрение различных типов смесителей, с различными конструкциями мешалок, таких как лопастные, турбинные, пропеллерные и другие показывает, что пропеллерной мешалки обеспечивают наибольший циркулирующий поток.
Пропеллерные мешалки считаются наиболее эффективными в широком диапазоне параметров при смешивании смесей, имеющих вязкость /л = 0,5-5 Па-с в емкостях объемом до 10 м3, также они создают значительную осевую циркуляцию при минимальном расходе энергии.
В качестве пропеллерных мешалок можно использовать трехлопастные мешалки с углом наклона лопаток к плоскости вращения а = 24 -=- 450 и их шириной b = 0,2d. Эти мешалки имеют характеристики, близкие к винтовым смесителям.
Важную роль в процессе перемешивания, наряду с конструкцией мешалки, играет форма и пространственная ориентация смесительной емкости, наличие в ней внутренних устройств. Так, аппарат с вертикальным расположением мешалки обеспечивает иной режим перемешивания, чем аппарат с горизонтальным расположением мешалки, даже если в нем установлена одна и та же мешалка.
На базе пропеллерного смесителя кормов, спроектирован горизонтальный смеситель-запарник полужидких кормосмесей с эксцентрично расположенным пропеллером [89, 91]. 1.4.2 Классификация и морфологический анализ структуры смесителей для получения полужидких кормосмесей в животноводстве
Для выявления основных тенденций развития технических средств смешивания полужидких кормосмесей и определения перспективных направлений развития и исследований, нами предлагается классификационная схема. Она составлена с учётом описаний устройств и машин для смешивания.
При составлении классификационных схем смесителей для сельскохозяйственного производства, были использованы принципы, применяемые при классификации процессов в химическом машиностроении, перерабатывающих производствах других отраслях промышленности. Эти принципы отражены в работах Л.М. Батунера [11], Н.И. Гельперина [28], В.Г. Кобы, Д.Н. Брагинца, Д.Н. Мурусидзе, В.Ф. Некрашевича [51], В.В. Кононова [52], Рудакова А.И. и других.
На рисунке 1.5 приведена классификационная схема смесителей [91, 93], используемых для получения полужидких кормосмесей, составленная с учетом единых принципов классификации [22, 37].
Наряду с морфологическим анализом структуры, классификация смесителей, помогает выявить пути создания новых аппаратов и использования уже имеющихся, выпускающихся промышленностью и находящихся на стадии проектирования. Классификации, морфологические таблицы и матрицы удобны для анализа конкретных аппаратов [37, 38, 56, 83].
Например, означает, что смеситель или мешалка Мл2IIА это аппарат с лопастным рабочим органом (на что указывает Мл), предназначенный для получения влажной высоковязкой среды (2), полученной в результате смешивания влажной высоковязкой среды с жидкостью (II), являющимися равнофазными средами (А).
Экспериментальная установка для исследования смешивания и теплового воздействия на полужидкие кормосмеси
Совместное решение уравнений при средней логарифмической разности температур и постоянном коэффициенте теплопередачи дает следующее расчетное уравнение для определения удельной теплопроизводительности теплообменника;
Дальнейший расчет аппарата сводится к определению конечных температур корма. При этом известными являются следующие величины; поверхность теплообмена F, коэффициент теплопередачи К, теплоемкости массовых расходов пара и корма, начальная температура корма, давление пара и температура конденсата. Искомыми величинами являются конечные температуры корма и количество переданного тепла через поверхность теплообмена.
Со временем меняются следующие температуры: tj и t2 неизменной остается температура конденсации пара ts. Уравнения позволяют определить следующие параметры: 1. Температуру нагревания корма t2: Расход пара и разность температур (tj - t2) в процессе нагрева уменьшаются. В пределе при т — оо можно получить, что температуры ti и t2 будут равны ts. Поэтому давление греющего пара должно быть таким, чтобы t2 всегда было ниже предельно допустимой по условиям нагрева t2nped. Для определения давления греющего пара положим tj= tKOH и из выражения найдем температуру ts:
Зная t2nped из последнего выражения находим максимальную температуру ts,, по которой из таблиц определяем давление греющего пара.
В приведенных выше уравнениях следует учесть изменение влажности кормовой смеси, изменяющееся за счет разбавления ее конденсатом. В этом случае энергетические затраты на смешивание пропеллерной мешалкой, используемой в аппарате, будут ниже, но необходимо проверить как изменится качество приготавливаемого корма. 0,32 0,30 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0, На рисунке 2.9 представлена зависимость теоретического расхода пара DT от времени тепловой обработки т.
В разделе разработаны математические модели (уравнения 2.22, 2.24, 2,29, 2.36, 2.37).
На основании математических моделей определены расчетные зависимости: момента и мощности, производительности, продолжительности прогрева и количества пара, а также конструктивные параметры смесительной емкости и пропеллера.
Выявлено, что для подтверждения достоверности расчетных параметров необходимо провести экспериментальные исследования по определения действующих значений мощности, производительности, продолжительности прогрева и количества пара.
Из технологических процессов получения кормосмесей в свиноводстве нами выбраны процессы их смешивания и тепловой обработки. Эти процессы основные при кормоприготовлении. Основная часть экспериментальных исследований смешивания и тепловой обработки кормосмесей проведена в лабораторных условиях.
Согласно целям и задачам исследований проведены экспериментальные исследования в следующей последовательности: - разработка программы проведения экспериментов; - разработка экспериментальной лабораторной установки для смешивания и тепловой обработки; - выбор контрольной аппаратуры и измерительных приборов; - разработка методики проведения экспериментов; - оценка погрешностей измерений. - обработка и анализ результатов, установление адекватности разработанных математических моделей процессов смешивания и теплового воздействия;
Программа экспериментальных исследований Объектом лабораторных испытаний явились техническое средство смешивания и тепловой обработки (смеситель-запарник с горизонтальной мешалкой) для технологической линии кормоприготовления в свиноводстве. Задачей экспериментальных исследований было выявление качественного показателя однородности смеси (J) в смесителе-запарнике, изучение технологических энергетических показателей (Q, N), физико-механических свойств взаимодействующих потоков (W). В соответствии с поставленной задачей программа экспериментальных исследований смесителя-запарника предусматривает определение следующих параметров: времени приготовления кормосмеси t, влажности кормосмеси W, диаметр пропеллера d, частота вращения n.
Экспериментальная установка для исследования смешивания и теплового воздействия на полужидкие кормосмеси
Установка предназначена для исследований процессов смешивания и теплового воздействия при приготовлении полужидких кормосмесей, выявления особенностей работы пропеллера в горизонтальной смесительной емкости при его эксцентричном расположении [61, 103, 119]. На установке проводился замер частоты вращения пропеллера, времени приготовления кормосмеси определенной концентрации, потребляемой мощности, количества пара.
На рисунке 3.1 представлена схема экспериментальной установки для исследования процессов смешивания и теплового воздействия при приготовлении полужидких кормосмесей [61].
Установка состоит из смесителя-запарника с эксцентрично расположенным пропеллером (рисунок 3.2) [89, 92, 103], оснащенного гидроприводом (рисунок 4.3) [35, 36, 88], она снабжена автономным оборудованием для получения пара (рисунок 3.6) [109], позволяющим осуществлять запаривание кормосмесей.
Производственные испытания и внедрение в производство смесителя-запарника с горизонтальной мешалкой
Отверстие сужающего устройства определили, задавшись модулем сужающего устройства для диаметра трубопровода 25 мм равным 0,64. диаметры проходных сечений сужающего устройства и трубопровода при температуре измеряемой среды. Значение наименьшей допустимой длины прямого участка трубопровода до сужающего устройства с местным сопротивлением как для полностью открытой задвижки:
Диафрагма помещена между двумя фланцами, приваренными к трубе. Присоединительные фланцы изготовлялись по ГОСТ 12821-80 (исполнение I). Отбор перепада давления от диафрагмы при измерении расхода водяного пара производили через уравнительные конденсационные сосуды. Трубки соединительных линий, по которым статическое давление передается в дифференциальный манометр, имели диаметр 10 мм и были изготовлены с плавными изгибам. Общая длина каждой трубки не более 0,5 м.
На рисунке 3.14 представлен общий вид установки для замера расхода пара. 1 - манометр МТП-160; 2 - вентиль; 3 - дроссельный расходомер ДКС 0,6-25; 4 - паропровод; 5 - соединительные трубки 6 - дифференциальный манометр ДСП 160-М1; 7 - уравнительные сосуды СКУР-100-а
Для снижения количества экспериментов использован метод оптимального планирования эксперимента, метод полного факторного эксперимента [3, 72, 105]. Этот метод дает возможность получить математическое описание процесса, проверить адекватность разработанной математической модели, в той или иной локальной области факторного эксперимента, который находится в непосредственной близости от выбранной точки.
В ходе полного факторного эксперимента, все факторы варьируют на двух уровнях, соответствующих значениям кодированных переменных «+1» и «-1». В результате, получается система экспериментов, которая содержит все возможные комбинации уровней варьирования факторов. Ряд Тейлора, с достаточной точностью, описывает функцию отклика, в локальной области факторного пространства. В качестве функции отклика (Г), принята величина индекса смешивания, мощности привода, производительности от влажности кормосмеси, времени смешивания, частоты вращения, и определяемая из уравнения:
Теоретический анализ процесса смешивания горизонтальным пропеллерным смесителем-запарником показал, что многофакторную математическую модель вида J = f(W,p,n,d,a,s,K ,KM,z) можно интерпретировать в модель вида J = f(t,I,W).
Уровни факторов и интервалы варьирования смесей, полученных в горизонтальном пропеллерном смесителе-запарнике, представлены в таблице 3.4. Таблица 3.4 - Уровни факторов и интервалы варьирования
Наименование факторов Wndtt Влажность, % 6,0 88,0 76,0 82,0 Частота вращения пропеллера, мин-1 100 400,0 200,0 300 Диаметр пропеллера, м 0,075 0,35 0,2 0,275 Время смешивания, мин 7,5 25,0 10,0 17,5 Время смешивания и запаривания, мин 7,5 50 35 42,5 Исследования проводились в лаборатории кафедры машин и оборудования в агробизнесе Казанского ГАУ со средней температурой окружающей среды +200С. Производительность смесителя-запарника определяли по зависимости (3.10), мощность привода измеряли измерительным комплектом К-51, частоту вращения вала пропеллера измеряли цифровым лазерным тахометром DT2234C, температуру кормосмеси измеряли ртутным термометром и манометрическим показывающим сигнализирующим термометром типа ТСМ-100. Расход пара измеряли камерной диафрагмой ДКС 0,6-25 и дифференциальным манометром типа ДСП-160-М1.
Практическая ценность результатов исследований с использованием методов планирования экспериментов определялась заданием области эксперимента и приведена в приложении А, т.е. факторного пространства [21, 23, 41, 77, 107, 117, 118] - соотношением:
Оценка погрешностей измерения произведена на основании анализа погрешностей измеряемых величин. Из отмеченных в [7, 42, 79, 111, 116] способов определения погрешностей, нами использован метод абсолютной и относительной погрешности.
Общая погрешность измерения мощности и массовой производительности при получении влажных кормосмесей в смесителе-запарнике энергозатрат составила + 1 - 2,5 %. Выводы по главе
При использовании существующих методик и приведенных технических средств измерения можно получить достоверные результаты с достаточно высокой точностью для определения таких параметров, как потребная мощность привода смесителя-запарника, его производительность, а также расход пара на тепловую обработку кормосмеси
Первая группа экспериментов была проведена с целью определения влияния диаметра мешалки dМ на мощность N и производительность Q смесителя-запарника. Вторая группа экспериментов была проведене с целью определения влияния времени смешивания tСМ на качественные (степень однородности J ) и энергетические (затраты мощности N ) параметры в зависимости от числа оборотов пропеллера n, а также количестве пара D от времени обработки t. С целью выявления этих параметров были проведены однофакторные эксперименты для смесей различной влажности W . Частота вращения привода n поддерживалась равной 400, 350, 300, 250 и 200 мин-1. Физико-механические и реологические параметры кормосмесей соответствовали параметрам, приведенным в таблице 4.1, влажность W их соответствовала значениям 76, 80, 84 и 88%. По результатам, представленным в приложении Б, построены зависимости мощности привода и производительности смесителя-запарника от диаметра мешалки.
Похожие диссертации на Разработка конструкции и совершенствование рабочего процесса смесителя-запарника полужидких кормов с горизонтальной мешалкой
