Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ способов и средств приготовления гранул-окатышей 12
1.1. Эффективность скармливания пчелам подкормок 12
1.2. Анализ способов приготовления подкормок пчелам 17
1.3. Анализ средств механизации приготовления тестообразных подкормок 22
1.3.1. Анализ технологических линий приготовления тестообразных подкормок 22
1.3.2. Анализ устройств для получения гранул-окатышей 26
1.3.3. Анализ дозаторов сухих компонентов 32
1.3.4. Анализ дозаторов жидких компонентов 37
1.4. Анализ выполненных исследований по приготовлению гранул-окатышей 43
1.5. Постановка проблемы, цель работы и задачи исследования 46
2. Физико-механические и реологические свойства материалов для приготовления тестообразной подкормки для пчел и гранул из нее.. 49
2.1. Программа исследования 49
2.2. Методика и результаты определения угла естественного откоса и коэффициента трения сахарной пудры и ледяных шариков по пищевому алюминию 50
2.3. Методика и результаты определения плотности медового сиропа 53
2.4. Методика и результаты определения вязкости медового сиропав зависимости от концентрации меда 56
2.5. Методика и результаты исследования распределения влаги в грануле подкормки 61
2.6. Методика и результаты определения потерь массы гранулами от времени хранения 65
Выводы 66
3. Теория процесса получения гранул-окатышей подкормки для пчел ..68
3.1. Конструктивно-технологическая схема линии для получения шарообразных гранул подкормки для пчел 68
3.2. Обоснование устройства для получения ледяных шариков 71
3.3. Общая характеристика процесса гранулирования окатыванием. 76
3.4. Механизм формирования гранул при гранулировании окатыванием 78
3.5. Обоснование конструктивно-режимных параметров устройства для получения гранул 81
3.6. Обоснование уплотнения материала при окатывании 91
3.7. Выбор количества и места подачи дозаторами сухих и жидких компонентов 94
3.8. Определение производительности и мощности на привод установки для гранулирования окатыванием 97
Выводы 99
4. Исследование процесса получения гранул-окатышей с ледяным шариком внутри в лабораторных условиях 101
4.1. Программа и задачи исследования 101
4.2. Общая методика исследования 102
4.3. Методика и результаты исследования влияния угла наклона и частоты вращения чаши на качественные и энергетические показатели процесса гранулирования 112
4.4. Методика и результаты исследования влияния заполнения чаши на качественные и энергетические показатели процесса гранулирования 116
4.5. Методика и результаты исследования влияния подачи дозаторов сухих и жидких компонентов на качественные и энергетические показатели процесса гранулирования 119
4.6. Методика и результаты исследования влияния подачи дозатора сухих компонентов, частоты вращения и заполнения чаши на качественные и энергетические показатели процесса гранулирования 123
Выводы 127
5 . Исследование процесса приготовления гранул в производственных условиях. Результаты внедрения и экономическая эффективность ...128
5.1. Программа и методика исследования 128
5.2. Результаты исследования процесса окатывания в производственных условиях 131
5.3. Результаты внедрения 132
5.4. Экономическая эффективность внедрения 134
Выводы 142
Общие выводы и предложения производству 143
Литература 145
Приложения 153
- Анализ способов приготовления подкормок пчелам
- Методика и результаты определения вязкости медового сиропав зависимости от концентрации меда
- Обоснование устройства для получения ледяных шариков
- Общая методика исследования
Введение к работе
Пчелы, как и другие представители животного мира, более продуктивны при полноценном кормлении. Приготовление кормов в больших количествах и в короткий срок без специального оборудования - трудоемкая операция.
Линия приготовления подкормок для пчел, разработанная в НИИ Пчеловодства [83, 84], экономически не эффективна из-за ее больших габаритов, металлоемкости и сложности. Тестообразная подкормка, приготовленная на этой линии высыхает в процессе скармливания, что приводит к недокорму пчел и возможной гибели пчелиной семьи. Линия, разработанная в Рязанской государственной сельскохозяйственной академии [29, 52], лишена указанных недостатков, но подкормка, изготавливаемая на ней, имеет низкую влажность и плохо поедается пчелами.
Целью данной диссертационной работы является повышение эффективности использования тестообразных подкормок для пчел путем разработки технологии и механизированной линии приготовления их в виде гранул шаровидной формы с ледяным шариком внутри для повышения конечной влажности подкормки с последующим нанесением на них защитного покрытия из воска.
С целью определения влияния физико-механических и реологических свойств материалов, используемых для приготовления тестообразной подкормки, в виде гранул, на процесс получения такой подкормки пчелам проведены лабораторные исследования.
Для обоснования устройства для получения ледяных шариков, конструктивно-режимных параметров устройства для получения гранул и времени технологического процесса гранулирования окатыванием проведены теоретические исследования.
Для проведения лабораторных исследований создана лабораторно-производственная установка. В процессе лабораторных исследований полу 6
чены рациональные режимы работы установки.
В процессе производственных исследований получены технико-эксплуатационные показатели предлагаемой технологической линии.
При сравнительном анализе экономических показателей предложенной и существующей технологии приготовления тестообразной подкормки для пчел получен экономический эффект, показывающий, что применение усовершенствованной технологии экономически выгодно.
Анализ способов приготовления подкормок пчелам
xВ 1828 г., было экспериментально установлено, что при отсутствии меда самым лучшим кормом является сахар, его достаточно широко стали использовать пчеловоды во всем мире [6, 7, 26, 36, 76, 77, 85]. Пчелы длительное время могут жить, питаясь только чистым сахарным сиропом, но они не могут в этом случае выращивать расплод, выделять воск и строить соты, интенсивно и в больших количествах перерабатывать нектар и выполнять многие другие работы. Мед значительно богаче по своему химическому составу, чем сахар. В нем кроме углеводов (моносахаров) содержится в общей сложности до 50 различных веществ. Сахар — чисто углеводный корм и не содержит других веществ, жизненно важных для пчел. Поэтому пчеловоды давно предпринимали попытки сдабривания сахарного сиропа продуктами, содержащими белок и другие питательные вещества. Из всех испытанных добавок лучшими оказались коровье молоко и дрожжи [85]. Коровье молоко содержит весь набор веществ, необходимых для жизни животного организма, и пчелы хорошо используют эту добавку.
Как было отмечено в пункте 1.1 по консистенции подкормки бывают жидкими (сиропы) и тестообразными (сахарное, сахарно-медовое, белковое тесто). Для приготовления сиропа наливают в емкость воду и нагревают ее до кипения, снимают с огня и насыпают сахар, тщательно размешивая его до полного растворения кристаллов. После этого сироп охлаждают до 35—40 С и добавляют в него (в зависимости от цели кормления) лекарственные или другие вещества. Пчелы активнее забирают сироп с оптимальной температурой для его переработки (34—36 С) [36]. Во время вышеуказанной операции нельзя допускать подгорания сахара, так как при этом происходит карамелизация и образуются вредные для пчел вещества. Сахарный сироп готовят из доброкачественного пищевого сахара. Сахар-сырец непригоден. Сахарные сметки, различные отходы, сахар с посторонними примесями пригодны только в том случае, если в них не содержатся вредные для пчел вещества: кислоты, соли, удобрения и т. д. Для приготовления сиропа следует использовать воду, по качеству соответствующую питьевой. Вода с большим количеством минеральных веществ, имеющая более 30 мг/л жесткости по ГОСТ 151-72, непригодна. Можно использовать чистую дождевую или снеговую воду. Чтобы облегчить пчелам переработку сахарного сиропа (инвертирование сахарозы и придание корму кислой реакции), на 10 кг сахара добавляют 3—4 г уксусной кислоты. Сахарный сироп дают пчелам в кормушках или в сотах, ячейки которых им предварительно наполняют. Применяют кормушки в основном трех типов: верхние, боковые и внешние, рассчитанные на одну или несколько семей. Последние устанавливают на задней стенке улья с внешней стороны.
Для приготовления тестообразной подкормки используется высококачественная сахарная пудра с размерами частиц не более 0,20 мм и без комков. Для изготовления пудры берут сахар с влажностью не более 0,15 %. Из более влажного нельзя получить достаточно мелкий помол. Если смесь готовят вручную, то вначале перемешивают сухие компоненты и потом постепенно в замес добавляют жидкие. При механизированном изготовлении поступают наоборот: вначале в бак тестомесительной машины помещают жидкие компоненты и далее, по мере перемешивания, добавляют сухие, предварительно размолотые до величины 0,20 мм. Сахар можно размолоть на молотковой мельнице М8 (или ММ8), применяемой в табачной промышленности. Небольшие количества сахара (не более чем для пяти семей) можно размолоть на кофейной мельнице [36].
Стандартные сухие белковые ингредиенты, например дрожжи, сухое молоко, имеют более грубый, чем пудра, помол. Поэтому их также предварительно размалывают, добавив равное или лучше двойное по объему или массе количество сахарного песка.
Мед используют с пасек, благополучных по гнильцам, нозематозу, микозам. Закристаллизованный мед выдерживают на водяной или воздушной бане в течение 12—24 ч при температуре 35-40 С до полного расплавления кристаллов. Готовность меда определяют по пробе со дна. Пробу растирают в пальцах, и при этом не должны ощущаться твердые частицы.
Методика и результаты определения вязкости медового сиропав зависимости от концентрации меда
Ввиду того, что на определение вязкости меда и медовых сиропов нет ГОСТов, то за основу была взята методика по ГОСТ 33-2000 «Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости», с учетом некоторых отличий меда от нефтепродуктов. - правое колено; 2 - левое колено; 3 - отводная трубка; 4, 5, 6 - резервуары; 7 - вискозиметр; 8 - водяная баня; 9 - секундомер.
Стандарт устанавливает метод определения кинематической вязкости у жидких нефтепродуктов, прозрачных и непрозрачных жидкостей измерением времени истечения определенного объема жидкости под действием силы тяжести через калиброванный стеклянный капиллярный вискозиметр. Динамическая вязкость вычисляется как произведение кинематической вязкости жидкости на ее плотность.
Для исследований использовался вискозиметр типа ВНЖ (Канон-Фенске-Опакв) (рисунок 2.5). Порядок работы с вискозиметром следующий. На отводную трубку 3 надевают резиновую трубку. Переворачивают вискозиметр, опускают колено 1 в сосуд с медовым сиропом и засасывают его до метки М}, следя за тем, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха.
В тот момент, когда уровень жидкости достигает метки М,, вискозиметр вынимают из сосуда и быстро перевертывают в нормальное положение. Снимают с внешней стороны конца колена 1 избыток жидкости и надевают кусочек резиновой трубки длиной 8-15 см с присоединенным закрытым краном или зажимом. Затем открывают кран для заполнения жидкостью резервуара 6 и вновь его закрывают, когда жидкость заполнит приблизительно половину резервуара 6. Вискозиметр устанавливают в термостат и после выдержки в нем (20 мин) открывают колено 1 и, пользуясь двумя секундомерами, измеряют время течения жидкости от метки Мі до Мг и от метки Мг до М3.
Сущность метода заключается в измерении времени истечения в секундах определенного объема испытуемой жидкости через калиброванный стеклянный вискозиметр под влиянием силы тяжести при постоянной температуре. Для поддержания постоянной температуры жидкости вискозиметр помещают в водяную баню.
Опыт проводился следующим образом. Вискозиметр заполнялся испытуемым веществом (медовый сироп), канал 1 закрывался пробкой, затем вискозиметр закреплялся в держателе и помещался в баню. Наполненный вискозиметр выдерживался в бане для прогрева медового сиропа до температуры испытания. После того, как образец достиг температурного равновесия, открывался канал 1 вискозиметра. При свободном истечении образца опреде 58 лялось время с точностью до 1 с, необходимое для перемещения мениска от первой до второй метки. Если время истечения меньше установленного минимального для данного вискозиметра, подбирался вискозиметр с меньшим диаметром капилляра и повторялось определение. По измеренному времени прохождения жидкости от метки Мі до метки Мг вычисляют вязкость. Измеренное время заполнения резервуара 4 служит для контроля. Кинематическая вязкость v рассчитывалась по формуле (2.6), а динамическая вязкость ц рассчитывалась по формуле (2.7). v = C,MM2/c (2.6) где С - калибровочная постоянная вискозиметра, мм /с ; t - среднее арифметическое значение времени истечения, с. г = у.р-10"3,МПа-с (2.7) где р - плотность при той же температуре, при которой определялась кинематическая вязкость, кг/м . Испытания проводились при концентрации меда в сиропе 60-100% с шагом 10%, при температуре 20-40С с шагом 10С. Повторность опыта была трехкратной. Результаты опытов по определению кинематической вязкости представлены в приложении Б. В таблице 2.5 представлены результаты расчетов динамической вязкости. По результатам опытов и расчетов сделана графическая зависимость кинематической вязкости (рис. 2.6) и динамической вязкости (рис. 2.7) медовых сиропов от концентрации меда.
Обоснование устройства для получения ледяных шариков
В соответствии с разработанной технологией получения гранулированной подкормки пчелам окатывание производится вокруг ледяного шарика, который затем тает и увеличивает влажность подкормки. Для получения ледяных шариков было разработано устройство, схема которого изображена на рисунке 3.2. - нижняя пластина; 2 - верхняя пластина; 3 - ячейка; 4 - отверстие для за ливки воды; 5 - линия разъема; 6 - фиксатор Рисунок 3.2. Форма для получения ледяных шариков Устройство представляет собранную из пластин 1 и 2 форму, каждая из частей которой имеет углубления, составляющие половину сферы. При соединении этих пластин образуется полость шарообразной формы. Для предотвращения возможного смещения пластин относительно друг друга и, следовательно, искажения формы полости, предусмотрены фиксаторы, обеспечивающие правильную ориентацию пластин при их соединении. Для получения ледяных шариков ячейки 3 через отверстия 4 заполня 72 ются водой и форму помещают в морозильную камеру. После замерзания воды форму по линии разъема 5 разделяют на две половины и вынимают готовые шарики, которые подаются в гранулятор. Диаметр ледяного шарика, необходимый для получения гранулы подкормки определенной влажности, можно рассчитать исходя из следующих соображений. Конечную влажность гранулы подкормки можно определить по известной формуле для определения влажности смеси компонентов wK=- 4 % (3-і) где WK - конечная влажность смеси, %; Wj - влажность і-ого компонента смеси, %; mj - масса і-ого компонента смеси, кг; і - количество компонентов. Рассматривая гранулу подкормки, как смесь сухих и жидких компонентов с дополнительным увлажнением от ледяного шарика, можно рассчитать диаметр ледяного шарика, необходимый для получения заданной влажности подкормки. Выразим массу компонентов подкормки через плотность и объем. Для ледяного шарика 7t-d3 о где тл - масса ледяного шарика, кг; рл - ПЛОТНОСТЬ льда, кг/м3; 6Л - диаметр ледяного шарика, м. Для остальных компонентов подкормки =с;.Р (а;-ал),кг, (з.з) где mi - масса і-ого компонента, кг; Cj - концентрация і-ого компонента в грануле, %; Pi - плотность і-ого компонента, кг/м3; dr - диаметр гранулы, м. Подставим выражения (3.2) и (3.3) в формулу (3.1) и после преобразования и упрощения получим формулу для расчета диаметра ледяного шарика, необходимого для получения конечной влажности подкормки WK -И г , м, (3.4) ал=аг з Тогда при диаметре гранулы 40 мм и потребной конечной влажности подкормки 10% диаметр ледяного шарика составит 12 мм.
Известно, что объем воды при замерзании увеличивается в 1,087 раза [3, 18], т.е. на форму для получения ледяных шариков действуют значительные разрушающие нагрузки. Определим напряжения, возникающие в материале формы. Величина относительного изменения объема тела при объемной деформации рассчитывается по формуле [4,19, 73] _ AV 1-2ц, ч ,. сч 9 = — = _(Cl+o2+a3), (3.5) где 9 - относительное изменение объема; AV - абсолютное изменение объема, м3; V - исходный объем тела, м ; ц - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости, МПа; G\, &2, СУЗ - напряжения в трех главных плоскостях, МПа. В нашем случае для шарообразной формы напряжения в трех плоскостях равны между собой 01=02=0-3=0, выразим это напряжение 0 Е а=——, МПа (3.6) 3-6ц Такие напряжения возникают в ледяном шарике при его замерзании в абсолютно недеформируемой форме. В реальных условиях напряжения бу 74 дут несколько меньше, поскольку деформируется как материал, так и изменяются геометрические размеры формы
Общая методика исследования
С целью выполнения программы исследований в Проблемной научно-исследовательской лаборатории гранулирования и брикетирования кормов Рязанской государственной сельскохозяйственной академии была разработана и изготовлена лабораторно-производственная установка для получения гранул-окатышей. Общий вид данной установки представлен на рисунках 4.1 и 4.2. - стойка; 2 - поворотная рама; 3 - мотор-редуктор; 4 - цепная передача; 5 -чаша; 6 - вал; 7 - сменные звездочки; 8 - винтовой механизм. Рисунок 4.1. Общий вид лабораторно-производственной установки (вид спереди). 103 Обозначения см. рис. 4.1. Рисунок 4.2. Общий вид лабораторно-производственнои установки (вид сзади). Лабораторная установка состоит из двух стоек 1, шарнирно установленной на них поворотной рамы 2. На раме расположен мотор-редуктор 3, и 104 вал 6, на котором закреплена чаша 5, ее привод осуществляется цепной передачей 4 со сменными звездочками 7. Угол наклона платформы и соответственно чаши изменяется винтовым механизмом 8. В лабораторных исследованиях использовалась чаша диаметром 520 мм и высотой 275 мм.
Важным моментом для получения качественных окатышей является точная дозировка сухих и жидких компонентов. Для выполнения условия постоянства подачи компонентов по времени и в определенном соотношении были разработаны лабораторные варианты дозатора сухих компонентов и дозатора жидких компонентов. Фотография дозатора сухих компонентов представлена на рисунке 4.3. - бункер; 2 - ворошилка; 3 - вал шнека; 4 - привод ворошилок; 5 корпус шнека; 6 - электродвигатель; 7 - клиноременная передача.
Дозатор сухих компонентов шнекового типа. Он состоит из бункера 1, в котором для предотвращения образования свода расположены две прутковые ворошилки 2. Привод ворошилок осуществляется от вала шнека 3 посредством резиновых жгутов 4. Бункер закреплен на корпусе шнека 5. Привод шнека осуществляется от электродвигателя постоянного тока 6 при помощи клиноременной передачи 7.
Работа дозатора не отличается от работы подобных шнековых устройств, т.е. шнек захватывает материал из бункера, переносит его и выгружает. Дозирование осуществляется изменением частоты вращения шнека, что достигается различными передаточными числами клиноременной передачи, путем перестановки клинового ремня с одной ступени шкива на другую, а также путем изменения частоты вращения электродвигателя за счет изменения резистором питающего напряжения (рисунок 4.4, поз. 11).
На рисунке 4.4 представлен дозатор жидких компонентов. Он состоит из бачка с жидкостью, внутри которого расположен центробежный насос с приводом от электродвигателя 2. Под давлением, создаваемым насосом, жидкость по питающей трубке 3 подается к распылителю 4. Распылитель создает струю конусообразной формы состоящую из мелких капель жидкости и в таком виде она попадает на гранулируемый материал. Дозатор работает в периодическом режиме. Дозирование количества подаваемой жидкости осуществляется путем изменения времени работы насоса и времени пауз между включениями. Для обеспечения такого режима работы насоса был изготовлен электронный узел, схема которого и описание работы представлены в приложении Е. Режим работы дозатора задается рукоятками на блоке управления 5 (рис. 4.4): рукоятка 6 регулирует время включения насоса, а рукоятка 7 регулирует время пауз между включениями насоса. Также на блоке управления расположены: тумблер общего включения блока управления 8, тумблер включения дозатора сухих компонентов 9, тумблер включения дозатора жидких компонентов 10, рукоятка 11 регулировки частоты вращения электродвигателя привода дозатора сухих компо 106 нентов. - бачок; 2 - электродвигатель насоса; 3 - питающая трубка; 4 - распылитель; 5 - блок управления; 6 - рукоятка регулировки времени включения насоса; 7 - рукоятка регулировки пауз между включениями насоса; 8 -тумблер общего включения блока управления; 9 - тумблер включения дозатора сухих компонентов; 10 - тумблер включения дозатора жидких компонентов; 11 - рукоятка регулировки частоты вращения электродвигателя привода дозатора сухих компонентов. Рисунок 4.4. Общий вид дозатора жидких компонентов с блоком управления В общем виде процесс получения тестообразной подкормки пчелам в виде гранул шаровидной формы методом окатывания протекает следующим образом. Чаша гранулятора приводится во вращение и в нее загружаются ледяные шарики. Вращение наклонно расположенной чаши установки создает восходящий винтообразной поток смеси. Затем дозировано подают сухие компоненты (сахарную пудру) и жидкие компоненты (медовый сироп). В результате происходит покрытие ледяных шариков оболочкой, что приводит к их росту. Когда гранулы достигают требуемого размера - процесс останавливается. Компоненты, необходимые для приготовления гранул подкормки, получали в лабораторных условиях. Сахарную пудру получали путем измельчения сахарного песка. Медовый сироп получали путем смешивания меда с водой в пропорции 4:1 по массе (80% медовый сироп) при одновременном его роспуске при температуры до 40С (в случае если мед закристализовы-вался и его необходимо распустить). Далее медовый сироп остужали до комнатной температуры. Ледяные шарики изготавливались с помощью устройства, описанного в пункте 3.2. Фотография лабораторного образца устройства для получения ледяных шариков представлена на рисунке 4.5. - верхняя пластина; 2 - нижняя пластина; 3 - ячейка; 4 - отверстие для заливки воды.
