Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1 Состояние использования рыбных отходов 12
1.2 Способы переработки рыбных отходов в корм 14
1.3 Формы связи воды в рыбных отходах 22
1.4 Анализ существующих методов и машин для дегидратации рыбных отходов 25
1.5 Анализ исследований по дегидратации рыбных отходов 36
1. 6 Цель и задачи исследований 42
2 Теоретическое обоснование параметров ножевого пресса 44
2.1 Методологические основы и обоснование структурно-функциональной схемы дегидратации рыбных отходов 44
2.2 Обоснование конструктивной схемы ножевого пресса. Схема проведения исследований 45
2.3 Динамический анализ взаимодействия перерабатываемого материала с подвижным ножом 50
2.4 Выбор формы рабочего органа 54
2.5 Расчёт потребной мощности для стационарного компрессионного процесса 59
2.5.1 Коррекция формы ножа 65
2.6 Особенности удаления влаги из рабочего пространства 66
2.7 Математическая модель определения величины выхода влаги 69
2.8 Определение производительности установки 72
Выводы 75
3 Программа и методика экспериментальных исследований 76
3.1 Программа экспериментальных исследований 76
3.2 Общая методика экспериментальных исследований
3.3 Описание лабораторной установки 80
3.4 Частные методики лабораторных исследований
3.4.1 Методика исследований физико -механических свойств 88
3.4.2 Методика определения производительности 92
3.4.3 Методика определения удельной энергоёмкости 94
3.5 Методика исследований ножевого пресса в производственных условиях... 95
Выводы 96
4 Результаты и анализ экспериментальных исследований ... 97
4.1 Результаты определения физико-механических свойств сырья 97
4.2 Определение зависимости влажности продукта переработки от конструктивных и режимных параметров 98
4.3 Определение производительности процесса 105
4.4 Определение энергоёмкости процесса 111
4.5 Оптимизация параметров ножевого пресса 116
Выводы 118
5 Исследования устороиства в производственных условиях. экономическая опенка результатов исследований 120
5.1 Результаты исследования ножевого пресса в производственных условиях 120
5.1.1 Описание производственной установки 120
5.1.2 Описание технологической линии 121
5.1.3 Результаты исследований в производственных условиях 122
5.2 Определение экономических показателей и сравнительной
эффективности оборудования 122
Выводы 127
Общие выводы 128
Список используемой литературы
- Анализ существующих методов и машин для дегидратации рыбных отходов
- Динамический анализ взаимодействия перерабатываемого материала с подвижным ножом
- Частные методики лабораторных исследований
- Определение зависимости влажности продукта переработки от конструктивных и режимных параметров
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Основной проблемой, стоящей перед животноводством, является нехватка концентрированных кормов, и особенно кормов животного происхождения. По данным Минсельхоза России, обеспеченность концентрированными кормами на период 2014...2015 гг. в целом по стране составила 8,9 млн. тонн кормовых единиц, что соответствует лишь 94 % от общей их потребности. Таким образом, интенсивный рост производства продукции животноводства невозможен без опережающего роста производства концентрированных кормов. В настоящий момент сдерживающими факторами роста производства концентрированных кормов является нехватка производственных мощностей и дефицит кормов животного происхождения. При этом остро стоит вопрос с рыбной мукой, которая является источником незаменимых аминокислот и витаминов, отсутствующие в других кормах животного происхождения. Перспективной технологией для переработки рыбных отходов на корм с.-х. животным является экструдирование. За счёт баротермиче-ского воздействия на перерабатываемый продукт, экструдирование позволяет в короткие сроки переработать рыбные отходы в питательные корма, обладающие большим сроком хранения и, тем самым восполнить потребность в кормах животного происхождения при производстве комбикормов. Экструдирование рыбных отходов напрямую невозможно, так как они имеют большую влажность, достигающую 80 %. В связи с этим возникает техническая задача - дегидратация рыбных отходов при их экструдировании, т. е. частичное удаление влаги из рыбных отходов до значений (25 ... 30%), требуемых для экструзион-ного процесса переработки смеси рыбных отходов с зерновыми отходами.
Таким образом, разработка устройств, позволяющих осуществлять процесс дегидратации рыбных отходов перед экструдированием при производстве комбикормов, является актуальной научной и практически значимой задачей.
Степень разработанности темы. Проблемами совершенствования процесса переработки продуктов рыбной промышленности занимались российские и зарубежные учёные. Ими предложены различные способы переработки рыбных отходов в кормовые продукты (измельчение на кормовой фарш, измельчение с последующей инфракрасной сушкой в вакууме или СВЧ-сушкой при производстве ферментированной рыбной муки, гидролитическое извлечение ферментов и т.д.), обоснованы режимы работы предложенных установок. Вместе с тем, ряд исследователей отмечают эффективность применения экструзи-онной технологии при переработке рыбных отходов на корм, однако недоисс-ледованными остаются вопросы эффективной подготовки сырья по влажности перед подачей в экструдер.
Основной задачей при подготовке рыбных отходов к экструдированию является их дегидратация, так как при высокой влажности достичь требуемого качества процесса экструзии невозможно. Для решения данной проблемы исследователями предлагается ряд способов: двойное экструдирование - последовательная обработка рыбных отходов на двух экструдерах, экструдирование измельчённых рыбных отходов в смеси с сухими растительными компонентами, а также предварительное измельчение или прессование до требуемой влаж-
ности. При этом авторами рассматриваются отдельные конструктивные параметры измельчителей, что не учитывает комплекс технологических параметров агрегатов, удовлетворяющих современным требованиям с. х. производства. Однако эти способы и устройства для их реализации трудоемкие и энергозатратные. Поэтому в диссертационной работе предлагается использовать ножевой пресс для дегидратации рыбных отходов.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВО Самарская ГСХА.
Цель исследований - разработка ножевого пресса для удаления влаги из рыбных отходов при производстве комбикормов методом экструзии.
Задачи исследований:
-
Разработать перспективную схему и конструкцию ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов, обеспечивающего доведение влажности рыбных отходов до 25 ... 30% при производстве комбикормов методом экструзии.
-
Теоретически обосновать конструктивные и режимные параметры ножевого пресса и оценить их влияние на влажность конечного продукта, энергоёмкость процесса дегидратации и производительность ножевого пресса.
3. Изготовить опытный образец ножевого пресса, экспериментально
уточнить его оптимальные конструктивные и режимные параметры в лабора
торных условиях.
4. Провести исследования разработанного ножевого пресса с оптималь
ными конструктивными и режимными параметрами в производственных усло
виях и оценить экономическую эффективность применения результатов иссле
дований на производстве.
Объект исследований. Технологический процесс дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов.
Предмет исследования. Закономерности, условия и режимы дегидратации рыбных отходов на разработанном ножевом прессе.
Научную новизну работы составляют:
аналитические зависимости по определению формы рабочего органа (подвижного ножа) ножевого пресса, величины выхода влаги, мощности на привод подвижных ножей и производительности ножевого пресса;
оптимальные значения конструктивных и режимных параметров ножевого пресса, комплексно влияющих на процесс дегидратации, его энергоёмкость и производительность ножевого пресса;
конструкция ножевого пресса.
Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на полезную модель № 139850.
Практическая значимость результатов исследований. Использование ножевого пресса в условиях с.-х. предприятия позволяет обеспечить производительность ножевого пресса 0,30...0,35 т/ч и энергоемкость процесса дегидратации 5,7 кВтч/т при влажности конечного продукта 25... 30%, уменьшить приведённые затраты на дегидратацию рыбных отходов по сравнению с базовым вариантом устройства (силовым измельчителем ИК-500).
Реализация результатов исследований. Опытный образец ножевого пресса прошел эксплуатационную проверку в условиях ООО «СамараЮгКор-ма» Самарской области
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
аналитические зависимости по определению формы рабочих органов (подвижных ножей) ножевого пресса, влажности конечного продукта, производительности ножевого пресса и потребляемой мощности;
конструкция ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов;
функциональные зависимости влажности рыбных отходов, производительности ножевого пресса и энергоёмкости процесса дегидратации от частоты вращения ножевого вала и угла расположения загрузочной горловины ножевого пресса;
регрессионные модели, характеризующие зависимость влажности конечного продукта, производительности и энергоёмкости от конструктивных и режимных параметров ножевого пресса, а также их оптимальные и рациональные значения.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждена сравнительными исследованиями разработанного ножевого пресса и базового силового измельчителя ИК - 500; сходимостью теоретических расчетов производительности ножевого пресса с результатами экспериментальных исследований; использованием методов математической статистики и теории много факторного эксперимента; применением современных приборов и средств измерения, отвечающих требованиям соответствующих стандартов.
Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА (2010...2014 гг.), ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Пензенский ГТУ», ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Иркутская ГСХА» (2014 г.), ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П. А. Столыпина» (2014 г.) и опубликованы в периодических изданиях «Наука центральной России» (Тамбов, 2014 г.), «Сельский механизатор» (2015 г.) и др.
Технические решения и результаты исследований демонстрировались на региональных и всероссийских выставках. По итогам работы XIV Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (2012г., Москва, ВВЦ), автор награжден Золотой медалью за разработку «Экструдера по переработке мясорыб-ных отходов», XVI Поволжской агропромышленной выставки (2014г., п.г.т. Усть-Кинельский) Серебреной медалью. В 2014 году работа, выполненная в рамках научных исследований на получение гранта, стала победителем конкурсной программы «Молодой ученый 2014» Самарской области в номинации аспирант.
Публикации. По теме работы опубликовано 15 научных работ, из них 5 статей опубликованы в рецензируемых изданиях, получен патент на полезную
модель №139850 и патент на изобретение № 2490928, без соавторов опубликованы 3 статьи. Общий объем публикаций составляет 4,08 п.л., из них автору принадлежит 2,18 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 155 с, состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка используемой литературы из 127 наименований и приложения на 11 с, содержит 65 рис. и 27 табл..
Анализ существующих методов и машин для дегидратации рыбных отходов
Данный способ переработки рыбных отходов и обеспечивающие его устройства имеют ряд недостатков. Так, при использовании котлов периодического действия процесс получения готового продукта растягивается на длительное время (до 12 часов), при этом многочасовая обработка приводит к денатурации 70...75 % протеина, что приводит к снижению кормовой ценности продукта, наряду с высокой энергоёмкостью и загрязнением неприятно пахнущими и токсическими веществами окружающей среды [52, 129].
Сушка в щадящих условиях, в рыбомучных установках непрерывного действия, позволяет сохранить все питательные вещества в нативном виде, стабилизировать качественные показатели в нерегулируемых условиях хранения, создать ассортимент доступных по цене и удобных в использовании продуктов с минимальными затратами времени на их приготовление [6]. Однако используемые ры-бомучные установки морально устарели и не позволяют производить рыбную муку по мировым стандартам.
На смену устаревающим технологиям переработки рыбных отходов приходят более перспективные методы. Одними из современных методов переработки рыбных отходов в кормовые продукты являются: метод экстрагирования белков кислотами или щелочами, удаление нерастворимого осадка (костей, хрящей, чешуи) и очистка, включающая обезжиривание с использованием изопропилового спирта и сушку, а также получение белковых продуктов путём переработки микроорганизмами [69, 73, 92].
Биотехнологические методы подразумевают использование химических веществ (консерванты, ферменты, кислоты и пр.) при одновременном воздействии на сырьё физическими методами, таких как нагрев до определённых температур, ультразвук, инфракрасное световое излучение и т.п. Полученные продукты имеют различные свойства, зависящие от свойств и состава исходного сырья, методов обработки, что определяет их разнообразие и область применения (кормовой продукт, сырьё для дальнейшей переработки) [70, 106, ПО].
Примером биотехнологического метода является способ, предусматривающий измельчение рыбных отходов, ферментирование их с добавлением в качестве фермента - внутренностей растительноядных рыб, вводимых в количестве 15... 45 % к общей массе рыбных отходов, в присутствии консерванта, в качестве которого используют отходы переработки плодоовощного сырья с уровнем рН = 3, затем - инактивация ферментов путём нагревания [93, 116].
Также известен способ получения кормов из рыбного сырья жирностью до 18 % для использования в рыбной и сельскохозяйственной промышленностях, предусматривающий измельчение рыбного сырья, его нагревание, ферментолиз одновременно с ультразвуковым воздействием при частоте 22...50 кГц и мощности генератора до 3 кВт в течение 5...30 мин и внесение дополнительного компонента. Полученный ферментолизат нагревают и выдерживают при температуре 80... 85 С в течение 3... 7 мин, затем центрифугируют с отделением твёрдой фазы, в которую вносят антиокислитель и дополнительный компонент в пропорции 1,00:0,50:0,03... 1,00:1,50:0,08 соответственно, после чего экструдируют [99].
В качестве фермента применяют водный раствор протеолитических ферментов, вырабатываемые бактериями рода Bacillus при гидромодуле 1:0,5...1:1,5 соответственно, в качестве дополнительного компонента - отходы растительного происхождения [99].
Недостатками биотехнологических способов переработки рыбных отходов являются необходимость использования дорогостоящих препаратов, оборудования; сложность в определении необходимых режимов обработки в зависимости от различного сырья.
Развитие экструзионной технологии позволило предложить более совершенный способ переработки отходов рыбной отрасли, в основе которого лежит способ «сухой» экструзии, предусматривающий нагрев перерабатываемого материала за счёт его внутреннего и внешнего трения о детали экструдера под большим давлением. Основную проблему для использования данного способа обработки рыбных отходов представляет их высокая влажность - до 85 %, в то время как для нормального протекания процесса рекомендуется влажность исходного сырья не более 28 % [18, 19, 36, 52, 44].
Данная проблема частично решается способом двойной экструзии, преду 22 сматривающий следующий порядок операций: дозирование компонентов, их измельчение, перемешивание, экструдирование и охлаждение. Затем проводят быстрый принудительный отвод пара и воздуха из экструдата за счёт создания вакуума. При влажности экструдата выше 30 % проводят повторное экструдирование с быстрым принудительным пневмоотводом пара и воздуха [72, 95].
Способ обеспечивает переработку отходов практически в неподготовленном виде и даже при значительной влажности исходных продуктов обеспечивается получение продукта, пригодного для длительного хранения [95]. Однако для поддержания требуемой температуры обработки в экструдере требуется дополнительный энергоподвод, что в свою очередь повышает энергоёмкость всего процесса. Основными преимуществами данного процесса являются его непрерывность и разнообразие кормовых продуктов получаемых на выходе.
Таким образом, на сегодняшний день наиболее перспективной технологией, позволяющей переработать значительные объёмы рыбных отходов является экструдирование. В пользу выбора данной технологии переработки рыбных отходов говорит многообразие получаемых на выходе продуктов, возможность их использования в корм сельскохозяйственным животным, рыбам, восполнить нехватку белковых компонентов, которая на сегодняшний день удовлетворяется максимум на 30 % от потребности. Однако высокая исходная влажность рыбных отходов не позволяет их сразу экструдировать, в связи с чем возникает необходимость в эффективных, непрерывных способах и устройствах обезвоживания, научном обеспечении этого процесса с целью оптимизации параметров [38, 51, 83, 129].
Для рассмотрения возможности снижения влажности рыбных отходов до значений, при которых возможно будет произвести их экструдирование на корм, рассмотрим формы нахождения воды в тканях рыбы.
Как показывают химико-биологические исследования, вода в рыбных тканях находится в свободном и связном состояниях. Структурно-свободная вода -это обычная вода, являющаяся растворителем минеральных и органических ве 23 ществ, в которой протекают биохимические процессы. Находится преимущественно в межклеточном пространстве, плазме, крови и лимфе, кроме того присутствует в макро- и микрокапиллярах под воздействием сил поверхностного натяжения - иммобилизованная вода, а также в клетках тканей под действием давления растворов. Процентное содержание структурно-свободной воды составляет в пределах 6...8 %. С точки зрения выделения влаги - это наиболее просто выделяемая влага, так как выделяется методом прессования и центрифугирования [14, 114].
Связанная вода, имеющая адсорбционную форму связи удерживается в гид-ратных оболочках, при которой происходит присоединение молекул под влиянием молекулярного силового поля. Наибольшей энергией адсорбционной связи обладает мономолекулярный слой. Последующие слои жидкости удерживаются менее прочно, и свойства их постепенно приближаются к свойствам обычной воды.
Связанная вода, будучи трудноотделимой, не принимает участия в реакциях ферментативного или микробиологического характера, она тем самым способствует консервации продукта. Не замерзает при низких температурах, не вытекает при размораживании, оставаясь постоянным агентом тканей, формирует их структуру вместе с другими составными частями. Чем больше связанной воды, тем устойчивее продукт при хранении. Имеются данные, согласно которым адсорбционная вода в животных тканях составляет 2...6 % массы влажного вещества. [14, 114].
Кроме того, существует осмотическая форма связи - это связь воды в виде коллоидных растворов в клеточной структуре в виде полупроницаемых мембранных оболочек. Удаление воды с данным видом связи возможно высушиванием, при этом под действием разности осмотических давлений растворимой фракции происходит последовательно по слоям перенос воды на поверхность, где она испаряется [14].
Динамический анализ взаимодействия перерабатываемого материала с подвижным ножом
Оценочными критериями работы ножевого пресса технологической линии дегидратации [27] выступают ряд факторов рабочего процесса: Количественные -производительность ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов. Учитывая поставленную задачу для достижения цели исследований, основное внимание и контроль следует вести за работой ножевого пресса. Энергетическим показателем работы ножевого пресса является затрачиваемая мощность привода и энергоёмкость процесса. Качественными показателями работы ножевого пресса следует считать остаточную влажность переработанных рыбных отходов. Дополнительным критерием оптимизации процесса используется показатель степень измельчения. Основным критерием оптимизации параметров ножевого пресса следует применять влажность рыбных отходов [61, 64].
Для дегидратации рыбных отходов были разработаны две конструкции ножевого пресса (патент № 2490928 и № 139850): с вертикальным и горизонтальным расположением рабочих органов. (Приложения А и 3) [90, 100].
На основании анализа эффективности осуществления технологического процесса дегидратации рыбных отходов при производстве комбикормов методом экструзии был изготовлен и исследован ножевой пресса с горизонтальным расположением рабочих органов (рисунок 2.2).
Ножевой пресс состоит из корпуса 7, на котором установлен загрузочный бункер 2, а внутри находятся рабочие органы: подвижные ножи 5 на приводном валу 3 и неподвижные криволинейные ножи (резисторы) 4 прикрепленные к неподвижному диску, образующему днище корпуса 1. Сбоку в корпусе предусмотрено выгрузное окно б с лотком 7, а в днище корпуса сливное отверстие 8 [28, 29, 76,90,89,100,129]. CO
Устройство работает следующим образом. Исходный материал, подлежащий переработке из загрузочного бункера 2 поступает в корпус 7, захватывается подвижными ножами 5, а затем, попадая в пространство между подвижным ножом 5 и неподвижным криволинейным ножом 4, начинает перемещаться к стенке корпуса (за счёт действия центробежной силы). Одновременно с этим измельчённая масса, оказавшись в пространстве - в плоскости между подвижным ножом и неподвижным криволинейным ножом, подвергается сжатию за счёт уменьшения объёма пространства. При этом происходит отток (выжимание) жидкой фракции от составляющей основу продукта. Обезвоженная масса через выгрузное окно 6 и лоток 7 сбрасывается в отгрузочную тару, а жидкая фракция через сливные отверстия 8 в канализацию [28, 29, 90, 100, 129].
Разработанная структура экспериментальных исследований соответствует общепринятой методике проведения исследований по научной специальности и общей функциональной схеме технологического процесса дегидратации и экстру-дирования. В силу ряда причин она представляет собой комбинацию и сочетание проведения факторного анализа и теории много факторного планирования [78]. Структурная схема проведения экспериментальных исследований изображена на рисунке 2.3, а схема выполнения расчётов приведена на рисунке 2.4.
Проведённый обзорный анализ патентов, научных статей, авторефератов диссертаций и других источников, позволил обосновать конструктивную схему предлагаемого ножевого пресса, а также выявить основные предъявляемые технологические требования. Априорно установлен перечень показателей, влияющих на технологический процесс ножевого пресса для дегидратации.
В результате проводимых экспериментальных исследований уточнялись: перечень, уровни варьирования и интервалы изменения конструктивных факторов, а также перечень основных показателей рабочего процесса предлагаемого ножевого пресса. Выявлялось влияние конструктивных и технологических параметров на показатели технологического процесса [58, 129].
1. Анализ литературных источников и априорный отсев факторов1.1 Обоснование перспективной структурной схемы ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов.1.2 Априорное определение показателей, влияющих на технологический процесс, собоснованием интервала и уровней варьирования факторов.
2. Теоретический анализ и обоснование параметров ножевого пресса для дегидратации рыбных отходов2.1. Методологические основы и обоснование структурно-функциональной схемыдегидратации рыбных отходов2.2. Обоснование конструктивно-технологической схемы ножевого пресса. Схемапроведения исследований2.3 Динамический анализ дегидратационного процесса2.4 Обоснование формы рабочего органа.2.5 Расчёт необходимой мощности для стационарного компрессионного процесса.2.6 Определение величины выхода влаги и производительности установки.
3. Экспериментальные исследования ножевого пресса3.1. Разработка методики проведения экспериментальных исследований3.2. Проведение поисковых лабораторных опытов и интерполяционных исследованийпо выявлению интервалов и уровней варьирования независимых факторов, характераизменения оценочных критериев процесса дегидратации, в зависимости от параметров ножевого пресса по определению ориентировочного расположения зоны работоспособности устройства, и оптимальных режимов и параметров.3.3 Получение регрессионных моделей и обоснование оптимальных значений конструктивно-кинематических и рациональных уровней режимно-технологических параметров ножевого пресса.3.4 Проверка соответствия опытных и расчётных значений.
Частные методики лабораторных исследований
Ножевой пресс функционирует следующим образом. В приёмный бункер 2 загружаются рыбные отходы, с помощью коммутационной аппаратуры (не показана на схеме) электродвигатель подключается к электрической сети, после выхода его на рабочий режим, открывается заслонка, расположенная внизу приёмного бункера, после чего загруженное сырьё поступает в рабочее пространство устройства. По мере прохождения рабочего пространства и взаимодействия с рабочими органами 4, 5 сырьё измельчается, из него выделяется влага и за счёт центробежной силы происходит сепарирование влаги и твёрдой фракции. Жидкая фракция отводится через дренажные отверстия, расположенные в дне корпуса 1 и затем через трубопровод 7, а твёрдая фракция выбрасывается через выгрузной лоток 6. После переработки требуемого объёма сырья электродвигатель отсоединяется от электрической сети и после его полной остановки производится снятие верхней крышки корпуса 1 с приёмным бункером 2, затем следует очистка и санитарная обработка деталей.
Частотный преобразователь ESQ-1000 - это универсальный многофункциональный векторный малогабаритный частотный преобразователь с управлением по ШИМ для большинства типов нагрузок. Данный частотный преобразователь рассчитан на подключение электродвигателей мощностью до 15 кВт. В нашей установке используется двигатель мощностью 7 кВт. Схема коммутации двигателя и частотного преобразователя приведена на рисунке 3.6 [107].
Схема подключения и управления электродвигателем установки с использованием частотного преобразователя ESQ-1000 Выбор частотного преобразователя в качестве коммутационного устройства обусловлен рядом причин: - использование частотного преобразователя позволяет автоматизировать всю работу электродвигателя, включая пуск, изменение скорости вращения, торможение и реверс. Плавное включение пусковых сопротивлений в автоматическом режиме, а также возможность регулировки тока в широких пределах, позволяет повысить производительность всей системы в целом [107]; - частотное регулирование создает возможность управления скоростью электродвигателя в соответствии с характером нагрузки, что в свою очередь позволяет избегать сложных переходных процессов в электрических сетях, обеспечивая работу оборудования в наиболее экономичном режиме [107]; - плавное частотное регулирование скорости вращения электродвигателя позволяет отказаться от использования редукторов, вариаторов, и другой регулирующей аппаратуры, так как при изменении частоты тока мощность изменяется незначительно в сравнении с регулированием по напряжению; - частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный без повышенных пусковых токов и механических ударов разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации; - встроенный микропроцессорный регулятор позволяет реализовать системы регулирования скорости управляемых двигателей и связанных с ним технологических процессов; - применение частотно-регулируемого электропривода позволяет экономить электроэнергию за счёт сокращения затрат, которые имеют место при альтернативных способах регулирования и применения механических регулирующих устройств.
Таким образом, применение частотного преобразователя в цепи управления электродвигателем ножевого пресса, позволяет без особых проблем регулировать режимы работы электродвигателя установки с одновременным контролем текущих показателей, что, безусловно, облегчает процесс исследования.
Кроме исследуемого ножевого пресса и частотного преобразователя в лабораторную установку (рисунок 3.7) входили ноутбук, лабораторные весы и приёмные ёмкости для жидкой и твёрдой фракций.
Возможность контроля текущих параметров (частота тока в обмотках двигателя, сила тока, напряжение, частота вращения двигателя и т.п.) имеется
Ноутбук 4 (рисунок 3.7) использовался для отображения текущего плана многофакторного эксперимента, в котором занесены текущие настройки ножевого пресса и электропривода, а также для оперативной фиксации полученных в результате опыта значений контролируемых параметров с записью их в соответствующие ячейки электронных таблиц.
Электронные лабораторные весы 5 марки ВК-1500 позволяют оперативно взвешивать отбираемые пробы и через прилагаемое к ним программное обеспечение передавать данные напрямую в электронные таблицы на ноутбуке 4.
Для обеспечения варьирования принятых для исследования конструктивных и режимных параметров (таблица 3.4) в конструкции установки были предусмотрены следующие конструктивные решения.
Как отмечалось ранее, изменение и контроль частоты вращения ножей п осуществляется с помощью частотного преобразователя по расположенному на нём дисплею.
Установка требуемого угла атаки подвижных ножей а обеспечивается поворотом ножей (рисунок 3.8) на оси крепления. Таблица 3.4 - Конструктивные и режимные параметры и принимаемые ими значения
Варьирование угла установки загрузочной горловины относительно выгрузного окна у, обеспечивается снятием и поворотом верхней крышки с бункером до совмещения соответствующих меток со значениями на ней с меткой на корпусе (рисунок 3.9). Контроль, замеры зависимых контролируемых параметров (производительность, мощность, влажность, энергоёмкость) осуществлялся по существующим методикам, регламентируемые нормативными документами, а также по разработанным частным методикам.
Значения физико-механических и химических свойств рыбных отходов варьируются в очень широких диапазонах и зависят от видового состава рыбной продукции, сезона вылова, места промысла, а также от соотношения частей рыбы, так как в них присутствуют рыбные головы, части тканей рыбы, кости, кожа, внутренние органы рыб [128].
Основным нормативным документом, регламентирующим методы исследования физико-механических, химических свойств рыбных продуктов является ГОСТ 7636-85 «Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Методы анализа» [23].
При оценке и исследовании процесса отделения влаги, происходящих в ножевом прессе, нас интересуют в большей степени физико-механические, нежели химические свойства рыбных отходов. При отжиме и изменении исходного материала в ножевом прессе возникают силы трения между материалом и ножами, которые играют немало важную роль на процесс отжима влаги (изменение величин давления).
Определение касательных напряжений осуществили через коэффициенты внешнего и внутреннего трения, трения покоя и движения кормов [125].
Численное значение коэффициентов определяли по известным методам с использованием сдвигающих стальных колец. Перед началом опытов тарировали установку, сдвигая незаполненные кольца по поверхности трения и по поверхности колец (рисунок 3.10) [125].
Определение зависимости влажности продукта переработки от конструктивных и режимных параметров
На основании разработанной структурно-функциональной схемы функционирования линии дегидратации рыбных отходов (п.п. 2.1) основным критерием оптимизации принят качественный показатель - влажность готового продукта W, значение которого, как отмечалось ранее, не должно превышать 30 %. Дополнительными критериями оптимизации приняты энергетический показатель - удельная энергоёмкость Е и производительность установки Q.
Основываясь на полученных экспериментальных данных и в соответствии с разработанной структурно-функциональной схемой, составили сводную таблицу рациональных интервалов варьирования по всем критериям оптимизации (таблица 4.8).
Как видно из таблицы 4.8 требуемая влажность готового продукта достигается при всех значениях угла у, но при этом в широких пределах варьируются угол а и частота вращения ножей п, таким образом, возникает задача выбрать значения углов а, у, и частоты вращения ножей п, чтобы энергоёмкость была минимальной удельная энергоёмкость Е и максимальной производительность Q. Таблица 4.8 - Рациональные конструктивные и кинематические параметры ножевого пресса
Рассматривая возможность увеличения углов а до значений соответствующих максимальной производительности (таблица 4.5: п = 1000 мин"1, а = 20,86 град., у = 261,30 град.), т.е. 18 а 20,86, обращаем внимание на изменение энергоёмкости: при значении а = 20,86 энергоёмкость составит Е = 15,48 Втч/кг. В процентном выражении увеличение энергоёмкости составит 3,6 %, что вполне допустимо.
Окончательные данные сведены в таблице 4.9. Таблица 4.9 - Рациональные значения конструктивных и режимных параметров
Как видно из таблицы 4.9 конечная влажность готового продукта при данных настройках составит 25...30 % при этом энергоёмкость Е = 14,92...14,98 Вт ч/кг, что на 0,4 % выше минимального значения и производительность Q = 325... 327 кг/ч, что ниже на 8,75... 9,06 % в сравнении с максимальным значением.
1. В результате реализации лабораторных экспериментов определены необходимые для расчётов физико-механические свойства рыбных отходов, выявлены уравнения регрессии для производительности, влажности готового продукта и энергоёмкости процесса. Получена зависимость для определения коэффициента производительности.
2. Основным показателем, определяющим эффективность рассматриваемого технологического процесса, является влажность конечного продукта, которая имеет технологическое ограничение в диапазоне 25...30 %. Проведённые эксперименты позволили выявить уравнение регрессии, адекватно описывающее зависимость влажности готового продукта от выбранных факторов, определить рациональные диапазоны их изменения: варьирование угла установки загрузочного бункера относительно выгрузного окна у возможно во всём диапазоне (180...270), угол атаки подвижных ножей а также варьируется во всём диапазоне, однако при уменьшении угла у до 180 угол а варьируется в диапазоне 18...30, так как при значениях ниже 18 не обеспечивается требуемое значение влажности; также необходимо отметить, что при возрастании угла у снижается значение минимально необходимой для качественного протекания процесса частоты вращения с 940 до 560 мин"1.
3. Исследуя полученную зависимость производительности устройства от выбранных независимых факторов при переработке рыбных отходов, определены рациональные значения конструктивных и режимных параметров соответствующие максимальной производительности Q = 357 кг/ч: угол рабочего сектора относительно выгрузного окна у = 261,3; угол атаки ножей а = 20,86, частота вращения ножей 702,8 мин"1. Диапазон изменения производительности при варьировании независимыми факторами составил 308...357 кг/ч. Полученные экспериментальные данные позволили подтвердить достоверность теоретических рассуждений и зависимостей, что подтверждается коэффициентом вариации равным 0,991, а также определить зависимость для поправочного коэффициента, вводимого в аналитическое выражение производительности.
4. Замеряемая в процессе экспериментов потребляемая установкой мощность и соотнесение её с производительностью, позволили определить значения удельной энергоёмкость процесса, получить уравнение регрессии, анализ которого выявил рациональный режим с точки зрения минимальной энергоёмкости (14,92 кВт ч/кг): угол рабочего сектора относительно выгрузного окна у = 180; угол атаки подвижных ножей а = 10, частота вращения подвижных ножей 1000 мин"1.
5. Совокупный анализ полученных экспериментальных данных, позволил выявить рациональный режим и рациональные интервалы конструктивных параметров, при которых влажность остаётся в заданных технологических рамках -25...30 %, производительность стремится к максимальному значению, а энергоёмкость к минимальному: угол рабочего сектора относительно выгрузного окна у = 180; угол атаки подвижных ножей а = 18...20,9, частота вращения подвижных ножей 1000 мин"1; при этом энергоёмкость Е = 14,92... 14,98 Втч/кг, что на 0,4 % выше минимального значения и производительность Q = 325...326 кг/ч, что ниже на 8,75... 9,06 % в сравнении с максимальным значением.
В ходе лабораторных исследований, установка имеет следующие оптимизированные параметры: угол у (угол рабочего сектора относительно выгрузного окна) 260 град, угол атаки подвижного ножа а 15 град, частота вращения подвижных ножей п 1000 мин А в зависимости от производительности установки.
Подготовленное сырье загружалось в бункер устройства. В корпусе происходит разделение сырья на две составляющих: на жидкую и квазитвердую фракции.
Принципиальная схема технологического процесса производства экструди-рованного корма из рыбных отходов представлена на рисунке 5.2 и включает в себя: бункеры с рыбными отходами 7, ножевой пресс 2, бункер для зернового сырья 3, магнитный сепаратор 4, смеситель кормов 5, пресс-экструдер 6 и приёмный бункер готового корма [31, 34].
Линия работает следующим образом. Из бункеров 1 поступают рыбные отходы по транспортёру в ножевой пресс 2, далее измельчённая и отжатая рыба поступает в смеситель 5 туда же подаются из бункера 3 отруби. В смесителе происходит смешивание всех исходных компонентов далее смесь транспортируется в модернизированный пресс-экструдер б, затем экструдированный корм отгружается в приёмный бункер приготовленного корма 7 [31, 34].