Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ I Общая характеристика проблемы 11
Глава 1 Состояние вопроса 11
1.1 Обзор существующих технологий проращивания и подготовки зерна к скармливанию
1.1.1 Обзор технологий получения пророщенного зерна 11
1.1.2 Существующие технологии приготовления зерновых кормов животным
1.2 Обзор устройств и технических решений в технологии проращивания и подготовки зерна к скармливанию
1.2.1 Технические средства для проращивания зерна методомгидропоники
1.2.2 Обзор устройств периодического действия для проращивания зерна
1.2.3 Обзор конвейеров для проращивания зерна 38
1.2.4 Обзор конвейерных сушилок 44
1.2.5 Обзор дробилок зерна 52
1.2.6 Обзор дозаторов корма 59
1.2.7 Обзор смесителей-раздатчиков корма 63
1.3 Цель и задачи исследований 68
РАЗДЕЛ II Исследование физико-механических свойств пророщенного зерна
Глава 2 Исследование физико-механических свойств пророщенного зерна
2.1 Экспериментальные исследования физико-механических свойств пророщенного зерна
2.2 Выводы 80
РАЗДЕЛ III Теоретические исследования 81
Глава 3 Теоретические исследования процессов проращивания и введения в комбикорм пророщенного зерна
3.1 Общая постановка теоретических вопросов 81
3.2 Теоретические исследования технологических операций при проращивании и подготовке зерна к скармливанию
3.2.1 Теоретические исследования процесса замачивания зерна 84
3.2.2 Теоретические исследования обеспечения равномерности распределения зерна на ленте конвейера при проращивании
3.2.3 Теоретические исследования процесса сушки пророщенного зерна
3.2.4 Теоретические исследования процесса измельчения 100
пророщенного зерна
3.2.5 Теоретические исследования процесса приготовления и раздачи корма
3.2.6 Математическая модель оценки влияния кормов с добавлением пророщенного зерна на процесс роста свиней
3.3 Выводы 124
РАЗДЕЛ IV Экспериментальные исследования 126
Глава 4 Программа и методика экспериментальных исследований 126
4.1 Методические основы и программа экспериментальных 126
исследований
4.2 Методика экспериментальных исследований процесса проращивания зерна на установке периодического действия
4.2.1 Экспериментальная установка периодического действия для проращивания зерна
4.2.2 Методика проведения экспериментальных исследований установки для проращивания зерна периодического действия
4.3 Методика проведения экспериментальных исследований 140
процесса проращивания зерна на конвейере
4.3.1 Экспериментальная конструкция конвейера для проращивания 140
зерна
4.3.2 Методика проведения экспериментальных исследований конвейера для проращивания зерна
4.4 Методика проведения экспериментальных исследований процесса сушки пророщенного зерна
4.4.1 Экспериментальная конструкция конвейерной сушилки пророщенного зерна
4.4.2 Методика проведения экспериментальных исследований конвейерной сушилки пророщенного зерна
4.5 Методика проведения экспериментальных исследований химического состава пророщенного зерна
4.6 Методика проведения экспериментальных исследований процесса измельчения пророщенного зерна
4.6.1 Экспериментальная конструкция дробилки для измельчения пророщенного зерна
4.6.2 Методика проведения экспериментальных исследований дробилки для измельчения пророщенного зерна
4.7 Методика проведения экспериментальных исследований дозатора пророщенного зерна
4.7.1 Экспериментальная конструкция дозатора пророщенного зерна 160
4.7.2 Методика проведения экспериментальных исследований дозатора пророщенного зерна
4.8 Методика проведения экспериментальных исследований смесителя-раздатчика корма
4.8.1 Экспериментальная конструкция смесителя-раздатчика корма 165
4.8.2 Методика проведения экспериментальных исследований смесителя-раздатчика корма
4.9 Выводы 170
Глава 5 Результаты экспериментальных исследований технических средств для приготовления кормовых смесей
5.1 Результаты экспериментальных исследований процесса проращивания зерна на установке периодического действия
5.2 Результаты экспериментальных исследований процесса проращивания зерна на конвейере
5.3 Результаты экспериментальных исследований процесса сушки пророщенного зерна
5.4 Результаты экспериментальных исследований химического состава пророщенного зерна
5.5 Результаты экспериментальных исследований процесса измельчения пророщенного зерна
5.6 Результаты экспериментальных исследований процесса дозирования пророщенного зерна
5.7 Результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения кормовой смеси
5.8 Результаты экспериментальных исследований влияния кормовых смесей с использованием пророщенного зерна на продуктивность свиней и оценка адекватности математической модели роста
5.9 Результаты сравнения комбикорма и пророщенного зерна
5.10 Выводы 202
РАЗДЕЛ V Разработка технологии и оборудования, внедрение результатов исследований и анализ экономической эффективности кормовых смесей с использованием пророщенного зерна
Глава 6 Разработка комбинированной технологической линии проращивания, подготовки и скармливания кормовых смесей свиньям с использованием пророщенного зерна, и внедрение результатов исследований
6.1 Разработка машин и оборудования для проращивания и подготовки пророщенного зерна к скармливанию
6.2 Комбинированная технологическая линия проращивания и подготовки к скармливанию пророщенного зерна
6.3 Внедрение результатов исследований 215
6.4 Выводы 217
Глава 7 Анализ экономической эффективности производства кормовых смесей с использованием пророщенного зерна
7.1 Технико-экономический анализ эффективности применения технологических процессов проращивания и подготовки к скармливанию пророщенного зерна
7.2 Выводы 229
Заключение 230
Использованная литература
- Обзор технологий получения пророщенного зерна
- Экспериментальные исследования физико-механических свойств пророщенного зерна
- Теоретические исследования технологических операций при проращивании и подготовке зерна к скармливанию
- Методика проведения экспериментальных исследований установки для проращивания зерна периодического действия
Введение к работе
Актуальность темы. Развитию животноводства и устойчивому росту отраслей агропромышленного комплекса России в последнее время уделяется большое внимание. С этой целью Министерством сельского хозяйства Российской Федерации издан приказ «Об утверждении стратегии развития мясного животноводства в Российской Федерации до 2020 года» и принято постановление Правительства Российской Федерации «О внесении изменений в Государственную программу развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы».
Свиноводство - важная отрасль сельскохозяйственного производства и один из основных поставщиков мяса для населения, и сырья для перерабатывающей промышленности.
В настоящее время развито свиноводство на промышленной основе с безвыгульным содержанием свиней при скармливании комбикормов.
В условиях промышленной технологии выращивания свиней существенно возрастает потребность в макро-микроэлементах и витаминах.
Повышение витаминной ценности кормов возможно за счет добавления витаминной травяной муки. Однако в условиях высокой стоимости энергоресурсов производством витаминной травяной муки хозяйства практически не занимаются. В связи с этим, одним из простых и доступных способов повышения витаминной полноценности рационов животных может быть скармливание пророщенного зерна ячменя.
Согласно применяемым технологиям, в настоящее время пророщенное зерно получают следующим образом. Замачивают зерно в емкости, затем размещают на площадке с твердым покрытием под навесом в гряды и периодически поливают водой. Полученное таким образом зерно выдают напрямую в кормушки. Недостатками этих технологий являются возможное загнивание отдельных порций зерна, неравномерность прорастания зерна, большие затраты ручного труда и низкая производительность.
Пророщенное зерно - скоропортящийся продукт, следовательно важно обеспечить эффективность его использования и сохранность до скармливания. Это возможно за счет разработки технологий и технических средств, обеспечивающих предварительную сушку пророщенного зерна и смешивание его с комбикормом.
Поэтому производство кормовых смесей с использованием пророщенного зерна является важной народно-хозяйственной проблемой.
Степень разработанности темы. Огромный вклад в развитие направлений исследования процессов подготовки кормов к скармливанию внесли: Коба В.Г., Мельников С.В., Пономарев А.Ф., Завражнов А.И., Походня Г.С., Бахарев Г.Ф., Зазуля А.Н., Егоров С.В., Сыроватка В.И., Тишанинов Н.П., Труфанов В.В., Коновалов В.В., Артюшин А.А., Доценко С.М., Мухин В.А., Грачева Л.И., Брагинец Н.В., Булавин С.А., Краснов И.Н., Купреенко А.И., а также другие отечественные и зарубежные ученые.
Несмотря на значительное количество научных работ, посвященных разработке и обоснованию различных мероприятий подготовки зерновых кормов к скармливанию, вопросы, связанные с разработкой средств механизации для при-
готовления кормовых смесей с использованием пророщенного зерна, остаются нерешенными по настоящее время.
Работа выполнена в рамках следующих планов, договоров, программ НИР:
по плану НИР ФГБОУ ВПО «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Я. Горина» в 2011 г по теме: «Совершенствование средств механизации приготовления пророщенного зерна на витаминный корм животным»;
по плану НИР ФГБОУ ВПО «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Я. Горина» по заказу Министерства сельского хозяйства Российской Федерации в 2013 г на тему: «Разработка энергосберегающей технологии и комплекта оборудования проращивания, приготовления и скармливания пророщенного зерна свиньям».
По заказу департамента агропромышленного комплекса Белгородской области в 2012 г. научно-исследовательская работа на тему: «Обоснование конструкции измельчителя смесителя раздатчика кормов для КФХ V 500 кг» №2-05.
Цель работы - повышение эффективности технологических процессов получения кормовых смесей с использованием пророщенного зерна путем совершенствования технологии и технических средств.
Задачи исследований:
-
разработать технологию приготовления кормовых смесей с использованием пророщенного зерна в условиях промышленного ведения свиноводства;
-
исследовать физико-механические свойства пророщенного зерна;
-
разработать новые конструктивно-технологические схемы: установки периодического действия и конвейера для проращивания зерна; конвейерной сушилки; дробилки; дозатора; смесителя-раздатчика корма;
-
разработать математические модели, учитывающие влияние конструктивных и конструктивно-режимных параметров технических устройств технологической линии приготовления и раздачи кормовых смесей на качественные показатели процессов;
-
провести экспериментальные исследования и оптимизацию конструктивных и режимных параметров машин и оборудования для приготовления кормовых смесей с использованием пророщенного зерна;
-
установить закономерности и разработать математическую модель оценки влияния кормовых смесей с использованием пророщенного зерна на рост и развитие свиней;
-
провести производственную проверку и расчет технико-экономических показателей производства кормовых смесей с использованием пророщенного зерна.
Объект исследования. Технологические процессы проращивания и подготовки к скармливанию пророщенного зерна, включая сушку пророщенного зерна, измельчение и смешивание.
Предмет исследования. Закономерности процессов проращивания зерна, сушки пророщенного зерна, измельчения пророщенного зерна, увлажнение кормовой смеси, и выдачи готового корма в кормушку, а также взаимодействия рабочих органов машин и устройств с сырьем, и готовым продуктом.
Научная новизна.
-
Разработана новая технология приготовления кормовых смесей с использованием пророщенного зерна, включающая проращивание зерна и подготовку его к скармливанию.
-
Исследованы физико-механические свойства пророщенного зерна.
-
Разработаны новые конструктивно-технологические схемы: установки периодического действия и конвейера для проращивания зерна; конвейерной сушилки; дробилки; дозатора; смесителя-раздатчика корма.
-
Разработаны математические модели учитывающие влияние конструктивных и конструктивно-режимных параметров технических устройств, технологических линий приготовления и раздачи кормовых смесей на качественные показатели процессов.
-
Аналитически обоснованы и оптимизированы конструктивные и режимные параметры: установки периодического действия и конвейера для проращивания зерна; конвейерной сушилки; дробилки; дозатора; смесителя-раздатчика корма.
-
Разработана математическая модель оценки влияния кормовых смесей с использованием пророщенного зерна на рост и развитие свиней.
Теоретическую и практическую значимость имеют:
-
разработанная технология приготовления кормовых смесей с использованием пророщенного зерна, включающая проращивание зерна и подготовку его к скармливанию;
-
результаты теоретических исследований процессов проращивания, сушки, измельчения пророщенного зерна и увлажнения кормовой смеси;
-
результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств пророщенного зерна, а также процессов распределения зерна на ленте конвейера, сушки, дробления и увлажнения кормовой смеси;
-
разработанный комплекс машин для получения пророщенного зерна и подготовки его к скармливанию, с целью приготовления кормовых смесей, обеспечивающих увеличение привесов свиней на 8-10%;
-
полученные результаты исследований могут быть использованы для модернизации существующего и разработки нового оборудования при проращивании и подготовки к скармливанию пророщенного зерна.
Реализация результатов исследований.
Результаты исследований рассмотрены на заседании технического совета департамента АПК Белгородской области и рекомендованы к внедрению на свиноводческих комплексах и комбикормовых заводах. Результаты исследований процесса проращивания и подготовки к скармливанию пророщенного зерна были рассмотрены в техническом отделе ЗАО «Алексеевский комбикормовый завод», и приняты к использованию.
Технологическая линия проращивания и введения в комбикорм пророщен-ного зерна прошла производственную проверку на свиноводческих предприятиях Белгородской области: ЗАО «Свинокомплекс Березовский» Ивнянского района, индивидуальный предприниматель глава КФХ Бобылева О.Н. Ивнянского района, ООО «Прогресс-Инвест» Ивнянского района, ЗАО «Алексеевский комбикормо-
вый завод» Алексеевского района, а также в ООО «Пристенская зерновая компания» Пристенского района Курской области, и показала высокую эффективность и надежность работы оборудования.
Материалы исследований по разработке средств механизации проращивания и подготовки зерна к скармливанию используются в качестве методических пособий в учебном процессе ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ.
Методология и методы исследования. Решение поставленных научных задач осуществлялось с использованием фундаментальных физических законов и математических методов исследования. Теоретический анализ процесса приготовления кормовых смесей на основе пророщенного зерна проводили с использованием законов классической механики и математического анализа, оптимизацию параметров и режимов работы технических средств - с использованием методов регрессионного анализа и оценкой достоверности результатов. Экспериментальные исследования выполнены с использованием стандартных и частных методик, приборов и оборудования, обработкой результатов на ПЭВМ.
Положения, выносимые на защиту:
-
математические модели и результаты теоретических исследований влияния конструктивных и конструктивно-режимных параметров технических устройств, технологических линий приготовления и раздачи кормовых смесей на качественные показатели процессов;
-
теоретическая модель оценки влияния кормовых смесей с использованием пророщенного зерна на рост и развитие свиней;
-
обоснование технологии и технических средств получения кормовых смесей с использованием пророщенного зерна при промышленном ведении свиноводства;
-
результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств пророщенного зерна;
5. результаты экспериментальных исследований установки периодическо
го действия и конвейера для проращивания зерна, конвейерной сушилки, дробил
ки пророщенного зерна, дозатора пророщенного зерна и смесителя-раздатчика
корма;
6. результаты производственных испытаний и оценки технико-
экономических показателей, связанных с затратами на производство кормовых
смесей с использованием пророщенного зерна.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена корректностью постановки и решения задач с использованием фундаментальных положений теорий тепловла-гообмена и резания, обработкой экспериментальных данных общепринятыми методами с использованием многофакторного анализа, математических программных пакетов для ПЭВМ: «Microsoft Office Excel 2010», «Statistica-2010», хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов АПК БелНИИСХ в 2009 г, научно-практических конференциях молодых ученых в Харьковском национальном техническом университете сельского хозяйства име-
ни Петра Василенко 2010-2013 г, научной конференции профессорско-преподавательского состава и специалистов в ФГБОУ ВПО БелГСХА им.В.Я. Горина 2012-2014 г., на XIX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития агротехнологий» ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ 2015 г., расширенном заседании кафедры «Машин и оборудования в агробизнесе» ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ 2016 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 17 статей объемом 5,625 п.л. в изданиях рекомендованных ВАК РФ, тринадцать патентов на изобретение РФ, одно свидетельство о государственной регистрации программы, объем публикаций составил 26 п.л., из которых 9,15 п.л. принадлежат лично автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 269 страницах машинописного текста, содержит 117 рисунков, 35 таблиц и приложения на 62 страницах. Список использованной литературы включает 316 наименований, из них 7 на иностранном языке.
Обзор технологий получения пророщенного зерна
В настоящее время применяют различные нетрадиционные виды обработки зерна перед скармливанием животным [4, 5]. Перспективным способом подготовки зерна на корм животным является его предварительное проращивание. Для правильного применения того или иного вида обработки зерна необходимо знать свойства конечного полученного продукта. Поэтому, процессы проращивания зерна изучают специалисты различных областей науки (врачи, зоотехники, агрономы, технологи по переработке сельскохозяйственной продукции и др.) [4, 5].
Наиболее технологично повышения витаминного комплекса в рационах кормления животных можно достичь добавляя пророщенное зерно в комбикорм. Этот способ является простым и экономичным [2, 3].
Пророщенное зерно является диетическим кормом, так как в нем увеличивается содержание протеинов, незаменимых аминокислот, макро и микроэлементов по сравнению с исходным [6]. Существует несколько технологий проращивания зерна. Кратковременное проращивание зерна — новая технология. Специалисты рекомендуют проращивать зерно около 24…72 ч, но наибольший результат получают, если зерно проращивают в течение суток, так как не успевает развиться вредная микрофлора [7, 8].
Как отмечают ученые СибНИИ кормов и СибНИПТИЖ, в пророщенном зерне активизируются многие ферменты [8, 9], поэтому, в случае его применениия, из рациона кормления животных можно исключить дорогостоящие ферментные препараты микробиологического синтеза. Эффективность использования такого корма для увеличения продуктивности животных (на 16...28 %) доказана СибНИИ кормов и СибНИПТИЖ [7, 10]. При этом указывается, что полученный корм в 15-30 раз дешевле комбикорма [8].
Согласно рассмотренной технологии, увлажненное зерно становится мягким спустя 4…7 ч. В течение 22...24 ч оно начинает прорастать, а через 48 ч длина ростков пророщенного зерна составляет 10...15 мм. Но если зерно проращивать и замачивать в емкости, то при неполном удалении на дне остается вода, которая затем способна приводить к загниванию нижнего слоя зерна. Установлено также, что в результате присутствия воды слой зерен, находящийся внизу, набухает, масса не прорастает, а верхний слой, хотя и становится мягким, но высыхает сильнее и практически не прорастает. Это приводит к неравномерному прорастанию вверху и внизу слоя зерна.
Повышение равномерности проращивания можно достичь за счет переворачивания верхних и нижних слоев зерна, подачи в слой зерна воздуха и уменьшения массы оставшейся воды.
Для подачи воздуха в пророщенное зерно можно использовать бункер, вмещающий 3800 кг, который применяют для приготовления пивного солода [11] и небольшой аэратор «Росток» НПФ «МагНЭТика» (г. Новосибирск) для предпосевной обработки любых семян [5].
Технология проращивания и применение пророщенного зерна хорошо представлена в работах Егорова С.В., Мегель С.С., Фомина С.М. [8, 10]. Технология проста, не нуждается в значительных материальных затратах и доступна практически для любого сельскохозяйственного предприятия.
В Белгородской государственной сельскохозяйственной академии разработана другая технология получения пророщенного зерна из злаковых и бобовых культур [3].
Технология заключается в следующем. Вначале необходимо замочить зерно ячменя или пшеницы в течение суток, а гороха или сои - в течение двух суток. После замачивания зерно размещается на площадке с твердым покрытием. В первый и второй день зерно размещают в кучах высотой до 0,35-0,4 м, а в последующие дни высоту снижают до 0,15-0,3 м. Для замачивания одной тонны зерна средний расход воды составляет около 900 кг. Чтобы не было самосогревания в кучах зерна поддерживают температуру 14-200С периодическим ворошением через 2-3 ч.
Время проращивания зерна составляет около 5 дней. Затем пророщенное зерно необходимо сушить на АВМ.
Недостатком такой технологии является выполнение большинства операций вручную. Это обуславливает низкую производительность.
По утверждению Бахарева Г.Ф., Дроловой Л.И., Емельяновой Л.Н., производство продукции животноводства в большой степени зависит от оснащенности ферм новейшими техническими средствами и технологиями производства, которые позволят механизировать тяжелый ручной труд, увеличить производительность и, самое главное, позволят обеспечить животных полноценными кормами [12]. Некоторые из технических средств разработаны и выпускаются серийно, а машинная технология биоактивации зерна находится в стадии исследования.
Биоактивация - это процесс влагонасыщения зёрен, сопровождающийся под действием воды, тепла и воздуха началом прорастания, в ходе которого происходит трансформация высокомолекулярных веществ в легкодоступные формы - ферментативная деполимеризация [1]. Процесс должен длиться, желательно, не более суток, когда зёрна ещё без плесени, грибов и обладают сыпучестью.
В настоящее время практически отсутствует информация о реальных показателях работы и эффективности технологии приготовления биоактивированных кормов, являющихся новинкой в сельском хозяйстве не только России, но и в мире. Машинные технологии производства таких кормов ещё не разработаны.
Наиболее дешевым и доступным способом повышения биологической полноценности рационов является скармливание биоактивированного зерна любых злаков и бобовых культур (биоактивированного корма) [12]. Замена комбикорма биоактивированным кормом возможно потребует введения в рацион премикса, если он не применяется в составе других кормов.
Экспериментальные исследования физико-механических свойств пророщенного зерна
Устройство для получения проростков Патент на изобретение DE 3242037 электродвигателя (на рисунке не показан) происходит вращение винтов 2. На винтах нарезана ходовая резьба. Емкости 4 установлены в держателях 7 и закреплены на гайках 3. В ванне 6 налита вода. При вращении винтов 2 гайки 3, установленные на них, перемещаются вверх или вниз, погружаются в ванну 6. При пересыхании песка емкости 4 опускают в ванну 6 для увеличения влажности. Сначала в емкости 4 засыпают песок и уже на песок помещают зерно. Влага, которая постоянно будет находиться в песке, используется зернами для прорастания.
Недостатком предложенного устройства является необходимость длительной промывки зерна для удаления всего песка.
В 1990 г. Крымским сельскохозяйственным институтом имени М.И. Калинина В.Э. Магэ и А.И. Дрок разработали «Установку для гидропонного выращивания зеленого корма» (рисунок 1.2.10) [34].
Патент на изобретение SU 1561911 На направляющей установлена ходовая тележка с возможностью поворота вокруг оси рамы. На раме с возможностью вращения установлены растильни. Тележка выполнена подвесной. При работе тележка перемещается по рельсовому пути и последовательно проходит различные технологические участки.
На восьмые сутки (конец цикла выращивания гидропонного зеленого корма из семян ячменя) тележка подается на участок разгрузки. Здесь в обратной последовательности вручную производится поворот рамы 3 в плоскость рельсового пути 1 и поворот каркаса 5 в горизонтальную плоскость. Растильни 7 с кормом располагаются в плоскости горизонтально зафиксированного каркаса 8. Недостатками конструкции являются: ручная загрузка и выгрузка зерна, а также необходимость большой площади, на которой будет установлена теплица и оборудование. Кроме того, строительство большой площади теплицы связано с большими затратами на закладку фундамента. Floeck Franz; Sojer Josef; Otto Manfred-Karl; Wiesner Wolfgang предложили «Устройство для прорастания зерновых с целью избегания гнили» [35]. Недостатком рассмотренного устройства является возможное отрывание корешков и ростков от семян во время перемешивания механической мешалкой. Это может привести к загниванию семян, т.е. уменьшению выхода пророщенного зерна.
Савельев В.А. на базе Курганской ГСХА имени Т.С. Мальцева разработал «Устройство для проращивания семян» [36]. Устройство представляет собой растильню с расположенными внутри емкостями.
К недостаткам представленной конструкции следует отнести: цикличность процесса проращивания зерна, небольшие объемы производства и невозможность механизации процесса (загрузка, выгрузка).
В отличие от рассмотренных устройств, конвейерные технологии позволяют уменьшить применение ручного труда, повысить выход зеленой массы, устранить цикличность процесса и ежедневно получать выход пророщенного зерна.
На базе Тюменской ГСХА Свидерским В.И., Волковым Н.А. разработано устройство для проращивания зерна [37]. Устройство схематично представлено на рисунке 1.3.1. Оно состоит из бункера для замачивания зерна 1, вибротранспортера 2, установленного на рессорах 3, решетки 4, которая предназначена для перемещения слоя пророщенного материала 5 и вентилятора 7, который предназначен для подачи воздуха под решетку. Электродвигатель 6 с дебалансами на валу приводит в работу вибротранспортер 2. Длина вибротранспортера 2 зависит от времени проращивания массы, а также циклов работы.
К недостаткам рассмотренной конструкции следует отнести: высокую шумность при работе и достаточно высокий уровень вибраций, что может привести к уменьшению ресурса агрегата.
6 1 2 4 5 3 7 - бункер для замачивания зерна; 2 – вибротранспортер; 3, 4 - решетка, 5 – слой проростков; 6 – электродвигатель; 7 – вентилятор. Рисунок 1.3.1 – Схема устройства для проращивания зерна На рисунке 1.3.2 изображена вертикальная конвейерная теплица [27]. Их используют в странах, в которых ощущается нехватка сельскохозяйственных угодий. – ангар; 2 – корзина; 3 – трос; 4 – лампа; 5 – шахта вентиляционная; 6 – устройство обогрева;
Теплица вертикальная Вертикальные теплицы имеют малую площадь опоры и, соответственно, снижают затраты на закладывание фундамента. Это особенно важно учитывать в условиях холодного климата и вечной мерзлоты.
Представленные сооружения являются важной составляющей при создании закрытых безотходных технологий ведения сельского хозяйства, в частности, животноводства. Навоз и стоки с животноводческих объектов, после проведения процесса обеззараживания, способны обеспечить хорошее питание для растений. В конвейерных теплицах снижается доля ручного труда по сбору урожая. Подбирая культуры растений можно добиться максимального выхода продукции в течение всего года.
Вертикальные теплицы были предложены Рутнером [27]. В 1971 г. одна вертикальная теплица была построена в Ереване. Ее размеры 6618 м. Полезная площадь емкостей с материалом 160 м2.
В вертикальных сооружениях на конвейерах в контейнеры-растильни, находящиеся в корзинах, помещают субстрат на основе опилок, рисовой шелухи, высаживают туда подготовленный обеззараженный материал, а подкормку осуществляют питательными растворами. В субстрат можно заранее добавить сухое концентрированное удобрение. Для подкормки растений такой субстрат достаточно смочить водой [27].
Недостатком вертикальных теплиц, является сложность обслуживания на высоте (смазывание звездочек, замена ламп и т.д.).
Известно устройство для электростимуляции семян перед проращиванием [38], состоящее из бункера для семян, рабочего транспортера, опрыскивателя, прикатывающего валика, токопроводящих пластин, емкости для сбора жидкости (рисунок 1.3.3).
Для обеспечения работы семена из бункера 1 поступают на транспортер 2 и падают на неэлектропроводящую полосу, сверху выравниваются валиком 4, затем из опрыскивателя 3 орошаются водой. Семена с намоченной поверхностью и мокрым поролоном замыкают электрическую цепь между токопроводящими полосами. Электрический ток напряжением 10…12 В через токопроводящие пластины подводится к электропроводящим полосам. При движении семян по транспортеру 2 слабый электрический ток проходит по водной пленке на поверхности семян. В результате происходит стимуляция в прорастающем посевном материале. Количество подаваемой воды, зависит от массы семян, находящихся между электропроводящими полосами, расположенными на ленте транспортера, то есть от величины тока.
Теоретические исследования технологических операций при проращивании и подготовке зерна к скармливанию
На основе полученного уравнения (3.4.29) был проведен анализ зависимости угловой скорости ножа со от степени измельчения материала X. На рисунке 3.4.5 представлены расчетные значения со при следующих значениях - максимальный радиус ножа, 9,5x10 м; Го - минимальный радиус ножа, 3x10 м; г - текущий радиус взаимодействия ножа и измельчаемого материала, 0,055 м; ОРАЗР - предел усилия на разрыв, 6x10 Па; L - длина ростка пророщенного зерна, 0,032 м; I - длина неизмельченной части ростка пророщенного зерна (после процесса измельчения), 0,0015 - 0,004 м; р - плотность пророщенного зерна, 585 кг/м ; Уз - поступательная скорость частиц пророщенного зерна, входящих в аппарат вторичного измельчения, 0,15 м/с; кд -коэффициент динамичности, 1,6 [65].
Также проводили расчеты при различных максимальных радиусах ножа. - максимальном радиус ножа, 12x10 м; г - текущем радиусе взаимодействия ножа и измельчаемого материала, 0,06 м; R ч, 1 л-2 - максимальном радиус ножа, 9,5x10 м; г - текущем радиусе взаимодействия ножа и измельчаемого материала, 0,05 м; R ч, 1 л-2 - максимальном радиус ножа, 8,5x10 м; г - текущем радиусе взаимодействия ножа и измельчаемого материала, 0,05 м; R ч, 1 л-2 - максимальном радиус ножа, 7,5x10 м; г - текущем радиусе взаимодействия ножа и измельчаемого материала, 0,04 м.
Анализ зависимости показывает, что с увеличением степени измельчения пророщенного зерна с 8 до 21,33 единиц угловая скорость ножей, обеспечивающая резание материала, возрастает с 157,35 до 191,42 с-1. Это можно объяснить тем, что в камере измельчения происходит бесподпорное резание ростков, которое возможно за счет движущегося с высокой угловой скоростью ножа, взаимодействующего с ростком. При этом росток должен обладать необходимой упругостью и массой. В процессе измельчения ростов уменьшается его длина и масса, поэтому после некоторой длины ростка дальнейшее взаимодействие с ножом будет приводить не к перерезанию, а к отбрасыванию ростка в сторону. Поэтому для уменьшения конечных размеров ростков необходимо повышать угловую скорость ножей.
Расчеты показывают, что при начальной длине ростка пророщенного зерна 0,0032 м, с измельчением до размеров частиц 0,0015 м, угловая скорость ножа должна составлять =191,42 с-1 или n = 1828 мин-1. Это следует учитывать при выборе размеров ножей и их привода. Для обеспечения степени измельчения материала 8 единиц при максимальном радиусе ножа 7,510-2 м угловая скорость ножа должна составлять =343 с-1, а при максимальном радиусе ножа 1210-2 м угловая скорость ножа должна составлять =143 с-1.
Заметим, что изложенные теоретические исследования предполагают однократное взаимодействие ножа с измельчаемым материалом. В тоже время на измельчающем барабане может быть установлено несколько ножей, что повысит эффективность измельчения. Кроме того, в процессе измельчения материал перемешивается и многократно подвергается воздействию ножей, а это положительно сказывается на степени измельчения материала и энергоемкости процесса: где NИЗМ - мощность, расходуемая на измельчение (за вычетом потерь холостого хода), кВт; Q - производительность измельчающего аппарата, т/ч; - степень измельчения пророщенного зерна (3.4.25).
Энергоемкость различных типов машин можно оценить в зависимости от достигнутой степени измельчения (рисунок 3.4.6), при равной мощности и производительности. Зависимость энергоемкости процесса измельчения от степени измельчения материала На рисунке 3.4.6 представлены расчетные значения энергоемкости процесса измельчения от степени измельчения материала при следующих значения параметров: NИЗМ - мощность, расходуемая на измельчение, 4,5 кВт; Q -производительность измельчающего аппарата, 0,11 т/ч; - степень измельчения пророщенного зерна, изменялась от 21,33 до 8 ед.
Анализ графика показывает, что при постоянной мощности электропривода, с достижением большей степени измельчения пророщенного зерна (от 8 до 21,33 единиц), энергоемкость процесса измельчения снижается от 5,06 до 1,9 кВт ч/т.
111 Это можно объяснить тем, что в предполагаемой конструкции, попадая в аппарат вторичного резания, ростки пророщенного зерна увлекаются во вращательное движение потоком воздуха, создаваемым вращающимися ножами. В процессе вращения ростки многократно взаимодействуют с внутренней поверхностью камеры измельчения, с боковой поверхностью ножей или режущей кромкой ножей, в результате последнего достигается хорошая степень измельчения (16-21 ед.).
По Мельникову С.В. энергоемкость технологического процесса резания зависит от количества частей измельченного продукта [65]. Процесс измельчения можно охарактеризовать как получение новых частиц материала. С уменьшением размеров частиц их количество возрастает. Поэтому, при одинаковой мощности электрического привода NИЗМ и производительности Q, с увеличением количества частиц, полученных после измельчения, энергоемкость процесса измельчения будет снижаться.
Для получения заданных размеров измельченного пророщенного высушенного зерна 0,9…1,4 мм необходимо две ступени измельчения: дробление молотками и резание полученной массы ножами. Толщина кромки лезвия ножа на второй ступени измельчения должна быть не более 100 мкм. Угол заточки ножа рекомендуется 14-170. При радиусе ножей 0,095 м частота вращения режущего барабана должна составлять 1800-2000 мин-1.
Методика проведения экспериментальных исследований установки для проращивания зерна периодического действия
Коэффициент корреляции для данного уравнения регрессии составляет R=91,8 %. Полученная математическая модель была подвергнута проверке по критерию Фишера FР = 13,68 FТАБЛ = 2,95 [308, 309]. Сравнение расчетного и табличного критерия Фишера показало адекватность полученной математической модели, значимость их коэффициентов и достоверность проведенных исследований.
На удельную энергоемкость процесса сушки ЭУ существенное влияние оказывает tАГ - температура агента сушки; vС - скорость движения агента сушки.
Анализ уравнения регрессии (5.3.2) показал, что наименьшее значение удельной энергоемкости процесса сушки пророщенного зерна, в области исследуемых факторов, составляет 6,82 кВт ч/т и достигается при: hПР - высоте слоя пророщенного зерна на ленте, 0,022-0,03 м; tАГ - температуре агента сушки, 50-510С; vС - скорости движения агента сушки, 5,7-5,9 м/с. Результаты расчета приведены в приложении 4.
На рисунке 5.3.2 представлена поверхность отклика удельной энергоемкости процесса сушки пророщенного зерна от температуры агента сушки и скорости движения агента сушки при постоянном значении hПР, и ее двумерные сечения.
Кривые сушки Из графика видно, что процесс сушки пророщенного зерна начинается с незначительного снижения влажности с 56 до 54%. В это время пророщенное зерно интенсивно прогревается с 24-250С до 40-410С. По мере прогрева пророщенного зерна будет усиливаться испарение влаги до 30-32%. В это время будет максимальная скорость сушки до 0,45 %/мин. После достижения влажности 30-32% происходит замедление процесса испарения влаги, скорость сушки снижается до 0,08 %/мин. Такая закономерность может быть объяснена различной связью влаги с белками и крахмалом зерна. Гигроскопичность белкового комплекса значительно выше гигроскопичности крахмала, а скорость сушки белков соответственно ниже. В более влажном зерне влага связана с белками прочнее. В результате удаления влаги крахмала скорость сушки в начале процесса значительна, однако первый период заканчивается примерно через 90-95 мин. и практически весь процесс сушки определяется сушкой белкового комплекса. После 90-95 мин. с начала сушки температура пророщенного зерна будет повышаться до достижения равновесия с температурой агента сушки 50-510С. Общее время сушки пророщенного зерна с 56 до 14% составляет около 300-312 мин.
Удельная нагрузка влияет на равномерность сушки следующим образом. С увеличением высоты слоя пророщенного зерна производительность будет возрастать, но до определенного значения, после чего будет происходить снижение производительности сушильного оборудования. Также, при увеличении на ленте высоты слоя пророщенного зерна, необходимо будет продувать большее количество агента сушки. Это может быть обеспечено применением более мощного вентилятора, что приведет к повышению затрат на электроэнергию.
На рисунке 5.3.4 представлена зависимость равномерности сушки (%) от удельной нагрузки на конвейер (кг/м2).
Из графика видно, что наибольшая равномерность сушки пророщенного зерна наблюдается при начальной влажности 45% и удельной массовой нагрузке на конвейер от 4 до 8-8,5 кг/м2. Затем равномерность сушки снижается. Это связано с тем, что увеличение удельной массовой нагрузки на ленту сушилки происходит за счет увеличения толщины слоя.
Учитывая, что в процессе сушки влага поднимается из нижних слоев в верхние слои, а испаряется влага с поверхностного слоя зерна, то при увеличении удельной массовой нагрузки свыше 8,5 кг/м2 толщина слоя зерна будет такой, что с поверхностного слоя пророщенного зерна агент сушки будет удалять влагу, а со 185 средних и нижних слоев влага не будет успевать подниматься к поверхностным слоям. После перебрасывания пророщенного зерна с верхнего транспортера на нижний транспортер верхний слой зерна окажется внизу, а нижний, наоборот, вверху и влага уже будет удаляться с него, т.е. направление движения влаги внутри слоя зерна изменится. По окончании процесса сушки средняя влажность слоя зерна составила 14-15%. На рисунке 5.3.5 представлена зависимость производительности (кг/ч) конвейерной сушилки от скорости (м/с) движения агента сушки.
Зависимость производительности конвейерной сушилки от скорости движения агента сушки При малой скорости движения агента сушки производительность небольшая вследствие низкой интенсивности процесса сушки. С увеличением движения скорости агента сушки интенсивность сушки повышается, что влияет на производительность.
Однако, скорость движения агента ограничивается возможностью выдувания отдельных зерен из слоя и уноса их вместе с теплоносителем из зоны сушки. Поэтому скорость движения агента сушки нужно ограничить в пределах 5,7-5,9 м/с. Выводы Разработанная конвейерная сушилка пророщенного зерна в качестве агента сушки позволяет использовать горячий воздух. В результате экспериментальных исследований установлено.
Наименьшее время сушки пророщенного зерна до конечной влажности 14%, в области исследуемых факторов, составляет 4,91 ч и достигается при: hПР 186 высоте слоя пророщенного зерна на ленте, 0,022-0,03 м; tАГ - температуре агента сушки, 50-510С; vС - скорости движения агента сушки, 5,7-5,9 м/с.
Минимальное значение удельной энергоемкости процесса сушки пророщенного зерна, в области исследуемых факторов, составляет 6,82 кВт ч/т и достигается при: hПР - высоте слоя пророщенного зерна на ленте, 0,022-0,03 м tАГ -температуре агента сушки, 50-510С; vС - скорости движения агента сушки, 5,7-5,9 м/с.