Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы, цель и задачи исследований 7
1.1 Кормовая ценность послеспиртовой барды 7
1.2 Кормовая ценность соевого семени 9
1.3 Технические средства для подготовки кормов из послеспиртовой барды и сои 19
1.3.1 Анализ существующих технологических схем приготовления концентрированного корма из послеспиртовой барды и сои
1.3.2 Анализ существующих машин для измельчения семян сои 29
1.3.3 Выводы из анализа состояния вопроса 39
1.4 Цель и задачи исследования 39
2 Теоретические исследования процесса измельчения семян сои конусной инерционной дробилкой с нагнетательными лопастями 41
2.1 Теоретическое обоснование эффективного измельчения семян сои конусной инерционной дробилкой с нагнетательными лопастями
2.2 Работа, затрачиваемая на измельчение семян сои конусной ииерционной дробилкой - 69
3 Методика экспериментальных исследований 80
3.1 Общие положения 80
3.2 Методика определения размерных характеристик семян сои 80
3.3 Методика определения физико-механических свойств семян сои 82
3.4 Методика определения гранулометрического состава соевого размола 85
3.5 Методика определения производительности и мощности дробилки при измельчении семян сои 86
3.6 Методика определения ресурса конусной инерционной дробилки... 90
3.7 Методика многофакторного эксперимента по оптимизации конструктивных параметров и режимов работы конусной инерционной дробилки при измельчении семян сои 91
3.8 Методика лабораторно-производственных испытаний опытного 98
образца измельчителя семян сои
4 Результаты экспериментальных исследований 101
4.1 Лабораторные испытания экспериментальной установки получе- 101 ния концентрированного корма на основе послеспиртовой барды и семян сои
4.2 Определение размерных характеристик семян сои 102
4.3 Влияние конструктивных параметров дробилки на процесс из- 107
мельчения семян сои
5 Экономическая эффективность конусной дробилки при приго- 135
товлении концентрированных кормов ,
Выводы и предложения 140
Список использованной литературы 141
Приложения 153
- Кормовая ценность послеспиртовой барды
- Технические средства для подготовки кормов из послеспиртовой барды и сои
- Теоретическое обоснование эффективного измельчения семян сои конусной инерционной дробилкой с нагнетательными лопастями
- Методика определения производительности и мощности дробилки при измельчении семян сои
Введение к работе
За период с 1991 по 2005 год в стране резко сократилось поголовье сельскохозяйственных животных - в 8-Ю раз, а по Амурской области - в 14,2 раза. Причиной снижения поголовья скота стало отсутствие кормовой базы. Следует отметить, что не все кормовые ресурсы, как в России, так и конкретно в области, используются рационально. Так, например, в полном объеме не используются отходы послеспиртового производства - барды и пивного производства - пивной дробины. А эти два вида отходов - барда и дробина - содержат в своем составе в сухом виде до 27% протеина, витамины группы В (Ві,В2, В3,В4, В5, В6, Віг) и другие питательные вещества.
Современные спиртозаводы производят сушку барды и на основе сухого концентрата готовят полноценный комбикорм для всех видов сельскохозяйственных животных.
Соя - ценная кормовая культура. Она содержит в своем составе до 40% протеина, наиболее ценного из всех растительных протеинов. Но ввиду того что в сырой сое содержатся антипитательные вещества (ингибитор трипсина, гемогглютенин, липоксидаза и др.), перед скармливанием ее необходимо подвергать термообработке при температуре 80-110 С в течение 20-40 минут, а при 120-140С-10-15 минут. Эту обработку можно выполнить с помощью послеспиртовой барды, которая имеет температуру 100С при выходе ее из брагоректификационного аппарата или при сушке барды - вводом соевого размола в сушильную камеру, где поддерживается температура 130-140С. В сушильной камере происходит как инактивация антипитательных веществ в соевом размоле, так и ее перемешивание с послеспиртовой бардой до однородной массы. Эти технологические операции позволяют получать высококонцентрированную кормовую добавку, при этом экономится тепловая энергия для инактивации сои, поэтому нет необходимости содержать в хозяйствах специальные установки по подготовке сои к скармливанию.
При исследовании процесса тепловой обработки семян сои выявлено, что при более тонком и однородном ее помоле качество инактивации значительно выше, чем в цельных семенах и неоднородно помолотых.
Для размола семян сои нами разработана для технологической линии получения концентрированного корма конусная инерционная дробилка с нагнетательными лопастями и обратным конусом.
Объектом исследования являлся технологический процесс получения концентрированного корма на основе сои и послеспиртовой барды. Предметом исследования - конусная инерционная дробилка с нагнетательными лопастями и обратным конусом для измельчения семян сои.
Работа выполнялась в лаборатории оборудования пищевых технологий ДальГАУ и является одним из пунктов выполнения региональной программы 07/512 «Разработка технологии переработки сои на пищевые и кормовые цели для создания соевой перерабатывающей промышленности на Дальнем Востоке» [111].
В результате исследований выявлена эффективность измельчения семян сои на конусной инерционной дробилке с нагнетательными лопастями и обратным конусом, обоснованы оптимальные конструктивные параметры и кинематические режимы дробления семян сои, проведены лабораторные испытания дробилки и экспериментальной установки для получения концентрированного корма на основе послеспиртовой барды и семян сои.
Лабораторные и производственные испытания опытного образца конусной инерционной дробилки показали, что она обеспечивает более высокое качество готовой продукции и значительно меньше расходует электроэнергии на тонну переработанной сои по сравнению с аналогом, обеспечивая получение концентрированного корма и инактивацию соевого помола в зоне сушки послеспиртовой барды.
Расчетный экономический эффект от внедрения в технологию конусной инерционной дробилки составляет 17135,78 рублей в год при приготовлении концентрированного корма. Поэтому использование конусной инерци-
онной дробилки в технологической линии при приготовлении концентрированного корма сельскохозяйственным животным - задача актуальная.
По исследуемой теме опубликовано 8 печатных работ, общим объемом 28 печатных листа, получено 2 патента на изобретения. Оформлена заявка на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения:
научная новизна и практическая значимость использования технологической линии приготовления концентрированного корма на основе послес-пиртовой барды и семян сои и конусной инерционной дробилки с нагнетательными лопастями и обратным конусом для измельчения семян сои;
взаимосвязь основных параметров при измельчении семян сои с качественными и количественными показателями: производительности, удельного расхода электроэнергии и количества пылевидных фракций в измельченном продукте;
заданные параметры: зазор между ротором и статором, длина рабочей поверхности ротора, угловая скорость вращения ротора;
математическая модель, характеризующая производительность и параметры дробилки;
результаты экспериментальных исследований по обоснованию оптимальных, конструктивных параметров конусной инерционной дробилки с нагнетательными лопастями и обратным конусом для измельчения семян сои;
результаты лабораторных и производственных испытаний опытного образца конусной инерционной дробилки с обратным конусом и нагнетательными лопастями при измельчении семян сои.
Автор выражает благодарность А.Б. Жирнову, В.В. Самуйло, ТА. Краснощековой, А.В. Парубенко, В.Н. Якименко, Я.А. Осипову и другим, принявшим участие в решении отдельных задач исследований.
Кормовая ценность послеспиртовой барды
Послеспиртовая барда - мутная неоднородная жидкость от серого до коричневого цвета. Химический состав ее меняется в зависимости от исходного сырья, идущего на производство спирта. Химический состав и питательность различных видов барды приведены в таблице 1.1 (по Тищенко А.В. 1978 и Петрухину КВ. 1989).
Ценным свойством барды является содержание в ней витаминов группы В, никотиновой и фолиевой кислот, биотина холина, а также провитамина Д2 -эргостерина. Наряду с указанными веществами, барда содержит органические кислоты (молочную, уксусную, масляную и др.), хорошо усваи- ваемые животными. Эти кислоты не встречаются в исходном сырье, а образуются при брожении из составных частей сусла [68,126].
Питательность барды зависит от сырья, перерабатываемого на спирт, при этом, чем больше в сырье зерна, тем выше её кормовая ценность. Наиболее высокое достоинство имеет зерновая (хлебная) барда. Зерновая барда, полученная из зернового сырья, в 1 декалитре содержит от 0,9 до 1,5 корм.ед., картофельная - от 0,4 до 0,6 корм. ед. [68].
Барда легко переваривается пищеварительным трактом животных, так как большая часть питательных веществ находится в растворённом состоянии. Свежая картофельная барда имеет коэффициент переваримости органического вещества 60%, сырого протеина - 55%), ржаная - соответственно 60 и 64%, пшеничная - 46,9 и 44,0%. По данным М.Ф. Томмэ (1964), свежая картофельная барда имеет коэффициент переваримости сырого протеина 52%, жира -40, клетчатки -28, БЭВ - 64% [102,103,129].
Зола барды имеет кислую реакцию, она бедна солями кальция и натрия, в то же время содержит значительное количество калийных и фосфор-но-калийных солей [6].
Недостатком барды как корма является низкое содержание в ней витаминов А и Д, что ведёт к расстройству обмена веществ, снижению продуктивности, появлению клинических признаков заболеваний животных, А- и Д- авитаминозам, которые чаще возникают в зимнее время и весенние месяцы [118].
Исследования по использованию сухой барды в качестве заменителя части соевого шрота и кукурузы в рационе свиней на откорме были проведены в Югославии. Они показали, что добавление сухой барды в откормочные смеси привело к получению одинакового прироста живой массы, лучшему использованию корма и снижению затрат кормов по сравнению с контрольной группой, в рационе которой барда не присутствовала. При этом уменьшались и общие затраты кормов на голову [37,127].
Коэффициент переваримости кормового белка жидкой барды низкий (в среднем 44 -54%). Более рациональный путь использования барды, позволяющий добиться экономии белка, - это производство высокобелковых кор мовых дрожжей, обогащенного бардяного концентрата (ОБК) и сушеной барды [36,128].
При бардяном откорме крупного рогатого скота большое значение имеют витамины А и Д, которые, в отличие от витамина В, не могут синтезироваться в преджелудочках жвачных животных. В рационах, где барда по питательности занимает 40-50%, ощущается большой дефицит каротина, поэтому в осенне-зимний период откорма, когда животные находятся в помещении, они испытывают потребность в витамине Д, так как барда бедна им. С этим связано появление признаков остеодистрофии у откармливаемого скота [124].
По рекомендациям крупному рогатому скоту при откорме при живой массе 250-300 кг с рационом должно поступать 50-70 мг каротина или 20-30 тыс. ИЕ витамина А. При бардяном откорме животных содержание каротина в рационе не превышает 10-15 мг, а витамина А -10-15 тыс. ИЕ, поэтому при откорме скота рекомендуется в рацион вводить препараты витаминов А и Д, чтобы не допускать гиповитаминоза [118]..
В последние годы во многих странах мира проводятся исследования по изучению питательной ценности и норм скармливания животным сухой барды. Результаты опытов, проведенных на Кубе, в США, Франции и других странах, показали, что высушенная барда может заменить 25-30% сухого вещества рациона, являясь хорошим источником протеина и фосфора [28,126,127,128,129].
Технические средства для подготовки кормов из послеспиртовой барды и сои
Существующие сегодня в хозяйствах типы кормления не позволяют сбалансировать рационы по важнейшим показателям - энергии и протеину, вследствие чего генетически обусловленный потенциал продуктивности животных используется только на 50-60 процентов. Несбалансированность рационов приводит к значительному (на 25-30 процентов) перерасходу кормов и, соответственно, росту удельного веса зернофуража. Кроме того, экономические трудности в стране и нарушение хозяйственных связей привели к резкому снижению использования хозяйствами покупных полнорационных комбикормов. В их структуре растет доля грубых кормов, в то время как для подъема быстро восстанавливаемых отраслей животноводства - свиноводства и птицеводства - необходимы в первую очередь концентрированные корма.
Разработанная в ВНИИПБТ технология [82,85] переработки послеспиртовой барды в концентрированные и сухие кормопродукты показана на рисунке 1.2, на котором изображена технологическая схема получения концентрированного (СВ=40-50 % объема) и сухого кормопродукта (СВ=90 % объема) из послеспиртовой барды.
Барда (рисі.2) СВ=6-7 % объема поступает в сборник барды 1, который снабжен миксерной мешалкой 2,отсюда барду направляют в центрифугу 3, где она разделяется на жидкую - фильтрат барды, с содержанием СВ=3 % и дисперсную фазу с содержанием СВ=25-30 %. Фильтрат барды стекает в сборник 4, который снабжен миксерной мешалкой 5 и центробежным насосом 7, из сборника фильтрат подается в выпарной аппарат 8, а из него обезвоженный концентрат с содержанием СВ-40-50 % объема идет на реализацию или на сушку в роторно-дисковую сушилку 12. Из центрифуги 3 осадок барды СВ=25-30% объема поступает на шнековый транспортер 6, который подает осадок в шнековый фильтр-пресс 9, часть фильтрата со шнекового транспортера 6 стекает в сборник фильтрата барды 10. Сюда же стекает фильтрат со шнекового фильтр-пресса 9, откуда он центробежным насосом 11 направляется на повторное применение в спиртовом производстве, а осадок СВ-35-40 % объема со шнекового фильтр-пресса 9 поступает на сушку в роторно-дисковую сушилку 12. Процесс сушки идет при температуре 130 140С 20-30 мин. Из роторно-дисковой сушилки сухой кормопродукт с СВ-90 % поступает на дробилку 14 и пневмотранспортером подается в циклон 15, затем поступает в емкость 16.
Таким образом, по данным ВНИИПБТ [82,85], при производительности спиртового завода 3000 дал/сутки при исходном объеме послеспиртовои барды в количестве до 17 тонн в час (390 тонн в сутки) при концентрации сухих веществ 7,68 % (объемный процент при исходном сырье: 70 % -пшеницы, 30 % - ячменя) выход сухой барды составит 1,2 т в час при содержании протеина 25-30%. Выход сконденсированной воды - 15,7 т в час. Вода впоследствии может быть использована как в технологических целях, так и в питьевых при соответствующей ее очистке, а барда сухая - на корм скоту (приложение 3).
С экономической точки зрения, использование сухих продуктов имеет высокую рентабельность. Так как сухая барда - продут переработки отходов производства, то стоит она существенно дешевле фуражного зерна, что в целом снижает затраты на корм и, соответственно, уменьшает себестоимость продукции
В нашей стране для гидротермической обработки зерна налажен серийный выпуск агрегатов ПЗ-3, ПЗ-8 на Ахтырском сельхозмашзаводе, в комплект входит плющилка [3,56].
Агрегат для влаготепловой обработки и плющения зерна ПЗ-3 (рис. 1.3) включает плющильные вальцы 10, шахтный пропариватель 5, барабанный дозатор 9, загрузочный и разгрузочный шнековый конвейеры 1, 7, датчик уровня зерна 4, эжектор 6, шнековый питатель 8.
Зерно или зерносмесь загрузочным конвейером 7 и дозирующим шне-ковым питателем 8 подают в эжектор 6, который по вертикальной трубе 3 струей пара подает продукт в пропарочную камеру 5. По истечении 15-20 минут от начала загрузки включают вальцы, а затем дозатор 9 подает пропаренное зерно к плющильным вальцам.
Учитывая, что зерно или зерносмесь в пропарочной камере находится до 20 мин. при температуре 110-120 С, можно допустить, что в этих условиях возможно проводить и термообработку сои, после чего произойдет инактивация антипитательных веществ.
По данным испытаниям плющилок, в ряде хозяйств Украины применение влаготепловой обработки и плющения зерна позволяет уменьшить удельный расход зерна в рационах крупного рогатого скота на 6-12 % по сравнению с дробленным на молотковых дробилках. Толщина хлопьев после охлаждения должна быть 0,8-1 мм [561].
При запаривании и плющении зерна (флокировании) скармливание его сельскохозяйственным животным повышает прирост на 5-Ю % в сравнении с использованием в составе комбикорма измельченного зерна [2]. Потребляемая мощность - 25-35 кВт при производительности 3-5 т/ч.
Недостаток этого способа в том, что приготовленный корм необходимо скармливать сразу, так как при 2-3 часах хранения начинается процесс его окисления и меняются питательные его свойства.
Теоретическое обоснование эффективного измельчения семян сои конусной инерционной дробилкой с нагнетательными лопастями
Представленные выше результаты исследований по работе нескольких измельчителей сухих кормов (зерна, шротов, жмыхов и др.) показывают, что каждый в отдельности не полностью удовлетворяет требованиям приготовления кормов к скармливанию [45, 54, 55, 58, 63, 94, 106].
Для удовлетворения зоотехнических требований при измельчении зерновых культур, и особенно сои, на корм сельскохозяйственным животным нами разработана конусная инерционная дробилка с обратным конусом и нагнетательными лопастями (см. рис.1.11).
Дробилка состоит из станины 1, корпуса 2, электродвигателя 3, шкивов 4 и 5 с клиноременной передачей, рабочего вала 6, бункера 7, статора 8, крышки 9, ротора 10, откидных болтов 11, нагнетательных лопастей 12, регулировочных колец 13, сбрасывателя 14, разгрузочного устройства 15, пружин 16.
Дробилка работает следующим образом. Семена сои подаются в бункер 7, включается электродвигатель 3, который через шкивы 4 и 5 и клиноремен-ную передачу передает вращательное движение валу 6, на котором насажен подвижной ротор 10. Зерно, попадая на коническую крышку 9 ротора 10, стекает в зазор между ротором 10 и статором 8. Одновременно часть семян сои за счет центробежной силы отбрасывается на статор 8, обкатывается по его поверхности, захватывается установленными на ротор нагнетательными лопастями 12, которые нагнетают его в рабочую зону измельчителя.
Зазор между ротором и статором уменьшается к основанию дробилки и регулируется кольцами 13, и продукт, проходя по образующей конуса к основанию, измельчается до необходимой степени размола. При выходе из ра бочей зоны измельченный продукт сбрасывателем 14 перемещается в разгрузочное устройство 15 и удаляется из дробилки. Корпус дробилки 2 установлен на станине 1, которая опирается на пружины 16, закрепленные к бетонному основанию анкерными болтами.
Рабочие органы, ротор и статор изготовлены с обратным конусом, диаметр верхней части внутреннего ротора и внешнего статора выполнены больше диаметров в основании (для упрощения конструкции дробилки), В прототипах таких дробилок с прямым конусом, чтобы уменьшать шаг рифлей и их глубину к основанию выполняют кольцевые элементы, которые затем крепят к ротору и статору. Такое конструктивное решение довольно сложное при изготовлении, да и при эксплуатации отрицательно влияет на производительность и гранулометрический состав продукта [39,41].
Недостатком такой конструкции является то, что нарезать рифли непосредственно на рабочую поверхность ротора и статора одним проходом резца невозможно, поэтому рифли нарезают на кольцевых элементах отдельно с резким уменьшением шага и глубины рифлей в вершине каждого кольцевого элемента по отношению к вышестоящему, но тем не менее шаг и глубина рифлей у отдельно взятого кольцевого элемента к его основанию увеличиваются. Поэтому рифли кольцевых элементов не совпадают, то есть каждый кольцевой элемент обособлен.
Кольцевые элементы крепят к ротору и статору. Из-за несовпадения рифлей сопрягаемых кольцевых элементов стыки их забиваются продуктом, а продукт вдоль рабочих органов продвигается рывками [39,41].
В предлагаемой конструкции рифли на рабочих поверхностях ротора и статора нарезаются одним проходом резца. К основанию шаг и глубина рифлей уменьшаются. Продукт при измельчении в рабочей зоне равномерно продвигается вдоль образующей конуса, гранулометрический состав соответствует стандарту, производительность с установкой нагнетательных лопастей увеличилась, снизился расход электроэнергии на 1 кг выпущенной продукции. Эффективность измельчения семян сои, как известно, оценивается степенью измельчения, удельным расходом энергии и удельной нагрузкой на рабочий орган [61,97].
Методика определения производительности и мощности дробилки при измельчении семян сои
Для определения производительности и мощности дробилки берем за основу методики, рекомендованные Г.В. Веденяпиным, И.Г. Зедгинидзе, Г.М. Кукта, В.Н. Лавренчик, Л.В. Подгорелым, В.А. Ясенецким и в их работах [21,64,71,88,98,99,110,112,123,124].
В загрузочное устройство дробилки (рис. 1.11)загружали кормовой продукт (соя). Угловую скорость вращения ротора изменяли в интервале 78,12, 114,46, 150,80 с" заменой шкивов на рабочем валу дробилки (рис. 3.3, 3.4).
Зазор между ротором и статором изменяли регулировочными кольцами, устанавливая их на посадочный выступ корпуса дробилки высотой 3, 4, 5 мм. Длину рабочей поверхности ротора меняли в интервалах 20, 60, 100 мм заменой роторов (3.3).
Производили по три опыта с изменением угловой скорости вращения ротора, зазора между ротором и статором и заменой роторов по длине, пото му что наибольшей ошибкой для технических измерений экспериментально установлено Дп = За. Надежность опытов принята равной 0,95.
Производительность дробилки определяли взвешиванием порции измельченного продукта за определенный промежуток времени. где М - масса, измельчаемых семян сои, кг; t - время, затраченное на измельчение семян сои, с.
Измерение времени производили секундомером. Измерение мощности, силы тока, напряжения на холостом ходу и в нагрузке при измельчении продукта производили с помощью измерительного комплекта К 505 (3.4).
Определяем удельный расход энергии по формуле Nw = (Np-NXJt)/Q, (3.3) где Np - мощность, затрачиваемая на привод дробилки, кВт; Nxx - мощность, затраченная на холостой ход дробилки, кВт; Q - производительность дробилки, кг/с. Мощность, затрачиваемую на измельчение продукта, определяли по показаниям ваттметра. Цена деления ваттметра равна 10 Вт/дел. Мощность рассчитывали по формуле N = 3-a-n% (3.4) где а - цена деления шкалы ваттметра, а-10 Вт; п - показания ваттметра; т) - коэффициент полезного действия установки, тр =0,87, Чх)[ - 0,91.
Показания ваттметра снимали на рабочем и холостом ходу дробилки при установившемся режиме.
При проведении эксперимента на холостом и рабочем ходу работы дробилки фиксировали мощность по показаниям ваттметра измерительного комплекта К-505, частоту вращения рабочего вала определяли по тахометру.
При установившемся режиме работы дробилки в нагрузке снимали показания ваттметра и определяли мощность N, собирали в функциональную емкость измельченный продукт, взвешивая его на весах, затем определяли производительность дробилки Q=G/T, где т - время работы дробилки с.
Зазор между ротором и статором изменяли с помощью регулирующих колец, угловую скорость вращения рабочего вала - заменой шкивов привода в пределах 78,12, 114,46, 150,80 с"1, длину рабочей поверхности - заменой ротора L=100 мм на L=60 мм и L=20 мм.
При определении ресурса дробилки измеряли ее геометрические размеры. Замеряли диаметры роторов и статоров, их высоты, угол конусности, диаметры роторов - с помощью микрометра типа МК с пределом погрешности + 10 мкм в интервале измерений от 50 до 200 мм. Внутренний диаметр статора замеряли нутрометром и штангенциркулем с пределом погрешности + 10 мкм в интервале измерений от 50 до 250 мм, конусность - транспортиром. Зазор а между ротором и статором определяли по формуле Й = ЧС -чр, где чс, Чр - средние радиусы статора и ротора, м.
Ротор и статор изготовили из Ст. 45 ГОСТ 1050-74. Скорость изнашивания Ст.45 (ии) составляет 3,2...3,4-105 мм/ч [26,84] при измельчении зерновых культур.
Учитывая, что для средней степени измельчения продукта шаг рифлей в основании ротора и статора t =0,6 мм, глубина впадин рифлей ан=0,3 мм, а качество измельчения ухудшается при глубине впадин рифлей ак=0,1 мм, ресурс дробилки Т(ч) определяли по формуле
