автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Энергосберегающие технологии извлечения перги из сотов специализированными средствами механизации

На правах рукописи

КАШИРИН Дмитрий Евгеньевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПЕРГИ ИЗ СОТОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫМИ СРЕДСТВАМИ МЕХАНИЗАЦИИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

-1 АВГ 2013

Рязань-2013

005531802

005531802

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» (ФГБОУ ВПО РГАТУ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Бышов Николай Владимирович

Официальные оппоненты: Кол чин Николай Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ГНУ ВСТИСП Россельхозакадемии, ведущий научный сотрудник экспериментально-конструкторского центра механизации трудоемких процессов в садоводстве

Левцев Алексей Павлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева», заведующий кафедрой «Теплоэнергетических систем»

Горшенин Василий Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МичГАУ», заведующий кафедрой «Тракторы, автомобили и охрана труда»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению

агропромышленного комплекса» (ФГБНУ «Росинформагротех»)

Защита состоится «24» октября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Япга, ул. Российская, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева».

Автореферат разослан и размещен на официальных сайтах Минобрнауки РФ http://vak2.ed.еоу.гч и ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» http://www.irirsu.nl 24 июля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Величко С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Пчеловодство является важнейшей отраслью сельского хозяйства, от развития которой в значительной мере зависит урожайность основных сельскохозяйственных культур. Опыление пчелами сельскохозяйственных растений повышает их урожайность на 30-60 %. Известно, что прибыль от увеличения ресурсов земледелия посредством пчел в 10-12 раз превышает прибыль от реализации всех продуктов пчеловодства.

О современном состоянии отрасли пчеловодства в нашей стране можно судить по количеству производимого товарного меда. Медовый потенциал нашей страны составляет 3,4 миллиона тонн, в то время как на протяжении последних 18 лет производство отраслью товарного меда составляет 50-55 тыс. тонн в год.

В значительной мере такое положение дел связано с недостаточной механизацией основных производственных процессов в пчеловодстве.

Пыльцевая обножка и перга - важнейшие пчеловодческие продукты, широко применяемые в апитерапевтической практике благодаря их многостороннему положительному воздействию, оказываемому на организм человека. Эти продукты успешно используются для профилактики и лечения заболеваний сердечно-сосудистой, иммунной систем, органов пищеварения, дыхания, гинекологических заболеваний.

Заготовка и дальнейшее использование пыльцевой обножки представляется малоэффективным по целому ряду объективных причин, в частности, отбор из пчелиного гнезда обножки посредством пыльцеуловителей существенно ослабляет пчелиную семью и препятствует ее эффективному развитию, в то время как заготовка в период активного медосбора перговых сотов не оказывает существенного влияния на жизнь пчелиной семьи, а напротив, побуждает ее к более активной заготовке этого продукта.

Во время формирования пчелиного гнезда на зиму пчеловоды традиционно выбраковывают старые перговые соты, которые подлежат дальнейшей переработке в качестве воскового сырья. Наличие перги в выбракованных сотах приводит к потерям воска и существенно ухудшает его качество, в то время как на рынке существует постоянный спрос на пергу и воск.

Такое положение дел связано с отсутствием высокоэффективных механизированных технологий извлечения перги из пчелиных сотов и специальных средств механизации.

Наиболее широкое распространение в настоящее время имеют ручные или частично механизированные технологии, в связи с чем перга, извлекаемая из сота, часто подвергается влиянию химических и физических воздействий, приводящих к нарушению качества получаемого продукта, высокой энергоемкости и трудоемкости технологических процессов.

На основании вышеизложенного возможно заключить, что разработка и внедрение в производство высокоэффективных энергосберегающих способов извлечения перги из сотов и специальных средств механизации является важной хозяйственной проблемой.

Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку механизированных способов извлечения перги из перговых сотов на протяжении последних 30 лет внесли работы известных ученых JL Т. Ахметовой, И. В. Бойко, В. И. Бронникова, А. М. Валеева, Т. В. Вахониной, С. В. Винокурова,

A. А. Григоряна, И. А. Дудова, Ю. В. Донченко, Н. М. Жарикова, Н. Н. Зарецкого, Е. К. и Т. П. Иваненко, Т. А. Ильясова, И. П. Иориша, Е. К. Космовича, Н. И. Кривцова, В. И. Лебедева, В. Ф. Некрашевича, С. Н. Румянцева, И. А. Шарина, С. С. Сокольского, С. А. Стройкова, Ж. Ж. Сибгатулина.

Несмотря на наличие различных подходов к способам и средствам извлечения перги из сотов, в работах вышеупомянутых авторов недостаточное внимание уделено влиянию многих технологических факторов на биологически активные свойства получаемого продукта.

Анализ исследований, выполненных перечисленными выше авторами, позволяет выделить три основные технологические операции, требующие механизации и дальнейшего совершенствования: сушка перги в сотах, измельчение сотов и отделение перги из измельченной воскоперговой массы сотов.

Дальнейшее совершенствование механизированных технологий извлечения перги из сотов и средств механизации возможно проводить на основе результатов исследований работ как непосредственно направленных на исследование изучаемого вопроса, так и на основе анализа работ, близких по тематике. Исследования, на основании которых можно совершенствовать механизированные технологии извлечения перги, проведены в работах известных ученых: В. Ф. Бабичева, И. В. Бибикова, Н. В. Бышова, И. И. Блехмана, JI. К. Бондаря, Л. А. Бурмистровой, В. В. Волошенко, В. И. Горшенина, Ю. Н. Кирьянова, Н. Н. Колчина, В. Н. Кривобокова, А. В. Ларина, А.П. Левцева, И. А, Левченко, Р. А. Мамонова, А. Н. Малика, Г. А. Шаповалова, Н. К. Шокуна,

B. В. Смирнова, М. Н. Харитоновой, В. Г. Чудакова.

Работа выполнена в соответствии с комплексной темой НИР № б (№ гос. per. 01201174434) ФГБОУ ВПО РГАТУ на 2011-2015 гг. «Совершенствование энергосберегающих технологий и средств механизации в области животноводства», раздел 6.4 «Технологии и технические средства для производства подкормок для пчел и переработки продуктов пчеловодства (воска, перги, прополиса)».

Цель работы - повышение эффективности процесса извлечения перги из перговых сотов путем разработки и обоснования высокоэффективных энергосберегающих технологий, сохраняющих биологически активные свойства продукта, а также создание специального оборудования, предназначенного для выполнения основных технологических операций.

Объектом исследования являются технологии извлечения перги из перговых сотов и оборудование, применяемое для выполнения технологических операций.

Предмет исследования - закономерности процессов механизированного извлечения перги из перговых сотов.

Научная проблема заключается в создании энергосберегающих высокоэффективных технологий извлечения перги из перговых сотов и специальных средств механизации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты систематизации и анализа технологических операций известных способов извлечения перги из пчелиных сотов.

2. Результаты исследования влияния физических воздействий, оказываемых на пергу в процессе ее извлечения из сотов, на изменение биологических свойств получаемого продукта, а также на изменение его свойств в процессе последующего хранения.

3. Новые технические решения, на основе которых создано эффективное энергосберегающее оборудование для извлечения перги из пчелиных сотов.

4. Результаты теоретического и экспериментального исследования процесса энергосберегающей конвективной циклической сушки перги, измельчения кусков перговых сотов и отделения перги от восковых частиц.

5. Оценка экономической эффективности и применяемости результатов работы в механизации переработки продуктов пчеловодства.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

1. Предложены оригинальные способы извлечения перги из пчелиных сотов на основании классификации известных.

2. Определены границы допустимых физических воздействий, оказываемых на пергу в процессе ее извлечения из сотов, и рациональные условия переработки перговых сотов.

3. Разработана теоретическая модель функционирования процесса энергосберегающей конвективной циклической сушки перги, позволяющая минимизировать энергоемкость технологического процесса.

4. Получены математические модели, описывающие влияние параметров энергосберегающей конвективной циклической сушки перги на энергоемкость исследуемого процесса и изменение влажности продукта в процессе его сушки.

5. Получены аналитические зависимости, описывающие влияние конструктивно-технологических параметров штифтового измельчающего аппарата на процесс измельчения кусков перговых сотов.

6. Получены математические модели, устанавливающие влияние конструктивно-технологических параметров штифтовых измельчителей на гранулометрические показатели получаемого в результате измельчения продукта, а также на энергоемкость технологического процесса и производительность измельчителей.

7. Разработана теоретическая модель процесса отделения перги от восковых частиц из измельченной воскоперговой массы на вибрационном решете, позволяющая установить кинематический режим устройства, обеспечивающий максимально возможную чистоту получаемого продукта.

8. Получены математические модели, описывающие процесс отделения перги от восковых частиц на вибрационном решете.

Научная гипотеза. За счет использования ограниченного объема теплоносителя, периодически заменяемого (по мере насыщения влагой), сокращается энергоемкость процесса сушки перги.

Практическая значимость. Предложен ряд высокоэффективных энергосберегающих способов извлечения перги из пчелиных сотов, позволяющих получать пергу высокого качества. Новизна технических решений защищена патентами РФ на изобретение № 2297763, № 2326531, № 2360407, № 2397639.

Предложены технические средства, предназначенные для выполнения основных операций извлечения перги из пчелиных сотов: установки для проведения энергосберегающей конвективной циклической сушки перги (патенты РФ на изобретение №2275563, №2391610), а также установки для извлечения перги из сотов (патенты РФ на изобретение №2171715, №2412590, №2367150, патент РФ на полезную модель № 93302).

Разработаны методы и алгоритмы расчета сушильных установок, позволяющих проводить энергосберегающую циклическую сушку перги.

Разработаны методы расчета основных рабочих органов установок для извлечения перги из перговых сотов.

Методы исследования. При выполнении исследования использовался теоретический анализ рабочих процессов сушильных установок, измельчителей перговых сотов и вибролотка, выполненный на основе методов интегро-дифференциального исчисления, численного решения дифференциальных уравнений и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись на основе методов планирования эксперимента и математического моделирования.

Реализация результатов исследований. Оборудование и разработанные технологии, позволяющие извлекать пергу, внедрены и используются следующими хозяйствами: ГНУ НИИ пчеловодства Россельхозакадемии (г. Рыбное Рязанской области), ПТУ «Краснополянская опытная станция пчеловодства» (г. Сочи), ФГУП Племенное пчелоразвиденческое хозяйство «Майкопское» (г. Майкоп, Республика Адыгея), ГБУ «Управление по пчеловодству» Министерства сельского хозяйства и продовольствия республики Татарстан (г. Казань), ООО «Азбука пчелы» (г. Рыбное Рязанской области), КФХ «Бортники» (Рыбновский район Рязанской области), в пчеловодческом хозяйстве А. Б. Барышникова Напольновского сельского поселения Рязанской области, в пчеловодческом хозяйстве В. П. Воронкова (с. Сараи Рязанской области).

Разработанное учебно-методическое обеспечение внедрено в учебный процесс кафедры «Технологии производства продукции животноводства» ФГБОУ ВПО Пермской ГСХА им. академика Д. Н. Прянишникова, кафедры «Механизация технологических процессов в АПК» ФГБОУ ВПО Оренбургского ГАУ, кафедры «Механизация животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции» ФГБОУ ВПО Костромской ГСХА, кафедры «Механизация переработки и хранения сельскохозяйственной продукции» ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Академии пчеловодства при ФГБОУ ВПО Рязанский ГАТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены: на конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО РГАТУ в 1998-2013 гг.; на межвузовской НПК, Костромской ГСХА в 2000 г.; Международных конференциях «Интермёд 2000, 2001, 2005», г.Москва; на НПК, г.Пенза, 2002 г.; на НПК по пчеловодству, г. Орел, 2003 г.; на Международных НПК в Академии Пчеловодства, г. Рыбное, 1999, 2002, 2005...2008 гг.; на Международной НПК «Роль молодых ученых в реализации национального проекта "Развитие АПК"», г. Москва, 2007 г.; на Международной НПК, г. Мичуринск, 2009 г.; на Всероссийской НК молодых ученых, г. Орел, 2012 г.; на Международной НПК, г. Саранск, 2012 г.

Автор работы - победитель всероссийского конкурса «Инженер года-2008» (г. Москва, 2008 г.). Награжден Почетной Грамотой Министерства образования Рязанской области.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 63 печатные работы, в том числе: 18 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 монографии, 15 патентов на изобретение и 1 на полезную модель. Общий объем публикаций - 23,5 п.л., 16,2 пл. принадлежат соискателю.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, семи глав, общих выводов, списка литературы из 237 наименований, в том числе 8 на иностранном языке и приложения. Работа изложена на 467 страницах, из которых 369 страниц - основной текст, содержит 18 таблиц и 179 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная гипотеза и цель, поставлены задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы и задачи исследования» дана краткая характеристика перги. Уделено внимание возможностям использования перги в пчеловодстве и апитерапевтической практике. На основе анализа результатов ряда научных работ выполнено сравнительное исследование технологических возможностей заготовки пчелиной обножки и перги.

Проведен анализ способов и средств сушки перги. Намечены пути совершенствования процесса сушки перги путем снижения энергоемкости технологического процесса.

Выполнен обзор исследований процесса измельчения перговых сотов. На основании анализа результатов исследований намечены пути совершенствования процесса измельчения и применяемых при этом средств механизации.

Проанализированы известные способы очистки перги. Намечены пути совершенствования применяемых технологических процессов.

Анализ результатов выполненных исследований показал, что переработка перговых сотов, а также старых выбракованных перговых сотов с целью

получения перги, является дополнительным средством повышения рентабельности пасек.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Совершенствование механизированных способов извлечения перги из перговых сотов.

2. Обосновать границы допустимых физических воздействий, оказываемых на продукт посредством предложенных высокопроизводительных энергосберегающих технологий.

3. Исследовать влияние температуры и условий приложения нагрузки на прочностные свойства восковой основы перговых сотов.

4. Провести исследование процесса энергосберегающей конвективной циклической сушки перги.

5. Провести исследование вакуумной сушки перги.

6. Провести исследование процесса измельчения кусков перговых сотов посредством измельчителей штифтового типа.

7. Провести исследование процесса отделения перги из измельченной воскоперговой массы на вибрационном решете.

8. Произвести проверку предложенных технологий и технических средств, позволяющих извлекать высококачественную пергу из сотов в производственных условиях, и определить экономическую эффективность результатов исследований.

Во второй главе «Классификация и пути совершенствования способов извлечения перги из пчелиных сотов» приведены современные требования, предъявляемые к механизированным технологиям переработки продуктов пчело-

Рисунок 1 - Механизированные энергосберегающие способы извлечения перги с проведением предварительной конвективной циклической сушки (предлагаемые операции выделены тоном (патенты РФ № 2297763, № 2397639)).

Рисунок 2 - Механизированные энергосберегающие способы извлечения перги из сотов (с выполнением конвективной циклической и вакуумной сушки в конце рабочего цикла (патенты

РФ № 2326531, № 2360407))

водства. Намечены возможные пути повышения эффективности, увеличения уровня механизации и снижения энергоемкости способов извлечения перги из сотов (рис. 1, 2).

В третьей главе «Исследование физико-механических и биологически активных свойств перги и восковой основы перговых сотов» представлены результаты исследования, проведенного совместно с лабораторией отдела технологии переработки и стандартизации продуктов пчеловодства ГНУ НИИ пчеловодства Россельхозакадемии.

Цель исследования заключается в обосновании границ допустимых физических воздействий, оказываемых на пергу в процессе ее извлечения из сотов, так как исследуемый продукт содержит большое количество термолабильных биологически активных веществ. Результаты представлены в таблице 1.

Для обоснования рациональных режимов и параметров механизированной энергосберегающей технологии извлечения перги также необходимо иметь точные данные, характеризующие изменение физико-механических свойств перги и восковой основы сота в зависимости от его влажности и температуры.

В частности было решено исследовать влияние температуры на прочностные свойства восковой структуры перговых сотов.

Методика проведения исследования основывалась на требованиях ТУ 10 РФ 505-92 «Перга сушеная».

Таблица 1 - Влияние различных способов сушки, охлаждения и консервации на биологически активные свойства перги в процессе ее хранения

Показатель Перед постановкой опыта Перга с медом Перга, высушенная различными способами Перга натнвная (свежая из пчелиного гнезда), сохраняемая прн различных температурах

3 мес б мес прн температуре +40«С с вентиляцией при те.члературе ^50°С под вакуумом -б°С -б«С -18»С

3 мес б мес 3 мес б мес 3 мес б мес 3 мес б мес 3 мес б мес

Влажность. % 19,8 - 12,8 13,5 12,0 13,2 20,8 21,0 21,0 21,3 21,0 20,8

Ошсляемость.с 25,0 22,0 22.0 25,0 25,0 24,0 25,0 30,0 28,0 25.0 25,0 25,0 25,0

ФлавонопдныеДб 3,0 2,8 2,5 2 7 2,5 2,5 2,0 3,0 2,5 3,1 2,8 3,1 3,0

рН 4,01 4,05 4,03 4,01 4,01 4,00 4,00 4,07 4,18 4,03 4,10 4,01 4,04

Сырой протеин, % 22,8 23,4 23.2 20.0 20,1 19.5 19.7 17,8 175 18,1 18,0 21,7 19Л

Установленные в результате проведенных опытов зависимости прочностных свойств восковой основы перговых сотов представлены на рис. 3 и в виде уравнений (1...3), устанавливающих влияние температуры восковой основы сота и его структуры на величину давления, вызывающего 10% деформацию восковой основы.

/|(Г) = 135,48-1,51-Г-0,0615'Г2 Р2(Г)=41,53-1,19-Г-0,0138-Г2

(1) (2)

Р3(Т) = 8,809-0,2141 • Г-0,0011 • Т1

где Р1, Р2, Р3 - давление, вызывающее 10% деформацию восковой основы пергового сота, кПа, при разном направлении воздействия на поверхность сота; Т-температура воскового сырья, °С.

150 140

ио 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

)., ..... ........ .......

".........

------ >н ...... "Н------

-- ?--—-

Рисунок 3 - Графическая зависимость давления, вызывающего 10 %

деформацию восковой основы пергового сота, от температуры перги в соте при разном направлении воздействия на поверхность сота

О О

-10 -5 0 5 10 15 20

температура воска Т, °С

- воздействие перпендикулярно поверхности ячеек

- воздействие на вощину п ячейки

- воздействие только на боковые поверхности ячеек

- средние значения экспериментальных данных

В четвертой главе «Исследование энергосберегающих способов сушки перги» описаны конструкции сушильных установок (патенты РФ № 2275563, № 2391610), разработанных для выполнения предложенного энергосберегающего конвективного циклического способа сушки (рис. 4, 5).

Для получения минимальной энергоемкости технологического процесса теоретически обоснованы следующие параметры:

- оптимальная продолжительность периодов циркуляции ограниченного объема теплоносителя относительно конечного количества продукта сушки при известных конструктивно технологических параметрах сушильной установки;

- оптимальная продолжительность периодов замены влажного теплоносителя свежим атмосферным воздухом;

- изменение влажности и температуры перги в соте в процессе сушки.

На основании теоретически полученных результатов было экспериментально исследовано:

- влияние теоретически установленных режимов сушки на энергоемкость технологического процесса;

- влияние режимов циклической конвективной сушки на изменение влажности перги при ее сушке в соте и россыпью.

Для обоснования возможности снижения энергоемкости сушки перги под вакуумом экспериментально исследованы:

- возможность сушки перги, освобожденной от восковой основы сота;

- возможность сушки перги, освобожденной от восковой основы сота и дополнительно измельченной;

- изменение температуры продукта во время сушки.

Рисунок 4 - Общий вид и схема энергосберегающей установки для сушки перги: 1 - сушильная камера; 2 - опоры; 3 - электрокаларифер; 4 - ТЭНы; 5 - полки для сот; 6 -защитная сетка; 7, 8 - электровентиляторы; 9 - направляющие; 10 - щит; 11 - воздуховоды; 12-конфузор; 13-держатель конфузора; 14-дверца; 15-замки; 16 - термодатчик.

4

3 2

Рисунок 5 - Схема и общий вид модернизированной энергосберегающей установки для сушки перги: 1 — дверь; 2, 3, 8 — направляющие воздушного потока; 4 - направляющие планки; 5 — сушильная камера; 6 — блок управления; 7 — термодатчик; 9, 12 — вентиляторы; 10 — обратный воздухопровод; 11 - пневмоклапан; 13 — ТЭН; 14 — перегородка; 15 — корпус; 16 - ручка; 17 -замки.

Поскольку устройство и рабочий процесс установок во многом схожи, было решено описать рабочий процесс и устройство только модернизированной сушильной установки (рис. 5). Установка состоит из корпуса 15, внутренний объем которого посредством перегородки 14, установленного под углом к горизонту вентилятора 9, и направляющих воздушного потока 2, 3, 8 разделен на сушильную камеру 5 и обратный воздухопровод 10. Сушильная камера представляет собой вертикально расположенный воздушный канал, на боковых стенках которого изнутри, поярусно размещены направляющие планки 4. Передняя стенка сушильной камеры выполнена в виде двери 11, снабженной замками 17 и ручкой 16. Обратный воздухопровод представляет собой воздушный канал, на задней стенке которого установлен вентилятор 12 и пневмоклапан 11. Внутри воздухопровода расположен ТЭН 13. В сушильную камеру помещен датчик температуры 7, электрически связанный с блоком управления 6.

Рабочий процесс происходит следующим образом. Перговые соты помещают в сушильную камеру установки. Для этого соторамки располагают на направляющих планках 4 сушильной камеры 5, на расстоянии 30...40 мм друг от друга на каждом ярусе. При сушке перги в виде гранул или кусков перговых сотов, отделенных от рамок, продукт размещают на противнях с сетчатым дном, которые вместо соторамок располагают на направляющих планках. Дверь 1 закрывают и обеспечивают ее плотное прилегание посредством замков 17.

Выбирают необходимую программу сушки в блоке управления 6 и включают его в работу, при этом вентилятор 9 создает воздушный поток, который устремляется вниз по воздухопроводу 10 в зону действия ТЭНа 12, где разогревается и поступает в сушильную камеру 5. Циркуляцию теплоносителя внутри сушильной установки обеспечивают направляющие воздушного потока 2, 3, 8. В процессе сушки влага из продукта испаряется, а температура, утрачиваемая

теплоносителем, поддерживается благодаря датчику температуры 7, замыкающему и размыкающему цепь питания ТЭНа. Периодически, когда влажность теплоносителя достигает запрограммированных значений, блок управления отключает ТЭН 13 и включает вентилятор 12, при этом влагонасыщенный теплоноситель удаляется из сушильной установки и заменяется свежим атмосферным воздухом, поступающим в воздухопровод через пневмоклапан 11.

По окончании продувки электронный блок управления отключает вентилятор 12 и опять вводит в работу ТЭН 13. Смена циклов продолжается на протяжении всего периода сушки.

Для теоретического обоснования рабочего процесса установки были сформулированы исходные предпосылки для построения модели процесса сушки:

1) наблюдаемые закономерности тепло- и массопереноса в экспериментальной установке для сушки;

2) условия, при которых эти закономерности получены;

3) тепловое поле определяется значительно более мощным источником по сравнению с тепловыми возможностями перги. Это значит, что тепловое поле (температура агента сушки) полностью или в очень большой степени определяется возможностями нагревателя и теплофизическими свойствами устройства. Влиянием процесса испарения влаги из перги на тепловое поле пренебрегаем.

Каждый цикл сушки состоит из двух последовательных этапов. Первый этап - нагрев и собственно сушка перги. Теплоноситель, периодически проходя над пергой, нагревает ее, влага с поверхности перги испаряется и удаляется потоком теплоносителя. В результате этого температура перги повышается и приближается к температуре теплоносителя, которая поддерживается с помощью нагревателя, влага из перги удаляется, а влажность теплоносителя увеличивается. Наблюдается монотонное уменьшение относительной влажности перги и одновременно монотонное увеличение относительной влажности теплоносителя.

На втором этапе (этап вентиляции) нагрев прекращается, влажный теплоноситель удаляется из сушильной камеры и заменяется свежим атмосферным воздухом. Одновременно температура перги уменьшается, испарение, хоть в меньшей степени, с поверхности перги продолжается.

Таким образом, если текущее время I принадлежит 1-му периоду сушки, то

температура на момент начала работы нагревателя в ¡-м периоде С^) будет вычисляться по следующим рекуррентным формулам.

На этапе работы нагревателя закон изменения температуры в ¡-м периоде следующий:

Происходит нагрев, который прекращается в момент отключения нагревателя. В конце работы нагревателя она поднимется до величины:

(4)

После прекращения нагрева температура будет понижаться по закону:

Т (О = т; + (Гсреды - Т,'). (1 - . (6)

В конце этапа вентилирования температура примет значение:

Г,- = г; + (гсреды-т;).(1-е-"'""). (7)

где а - коэффициент, определяющий скорость изменения температуры (1/с); тсрезы ~ температура окружающей среды, °С; Тнлгг - температура нагревателя, °С.

Испарение влаги из перги, очевидно, не происходит, если влажность перги не превышает влажность агента сушки. С другой стороны, испарение будет происходить до тех пор, пока давление водяного пара, растворенного в агенте сушки, не станет равным давлению насыщенного пара при заданной температуре. Это произойдет тогда, когда масса пара не достигнет некоторой предельной величины. Поэтому наблюдаемая закономерность принимает мультипликативный вид:

с1\У

= -0.00592-(1 - (8)

где f - относительная влажность воздуха, %.

Для сушилок, в которых производится полное обновление агента сушки (прямоточные сушилки), множитель (1 - (р) постоянен и близок к единице. Более того, этот множитель неотрицателен и само уравнение описывает физические процессы массопереноса только для этих значений множителя.

В самом начале сушки происходит интенсивный вынос свободной влаги из перги. Это влага, которая либо находится на самой поверхности перги, либо непосредственно под поверхностью. Эта влага достаточно слабо связана и скорость ее удаления велика. В дальнейшем скорость испарения несколько уменьшается. Включается механизм транспортировки основной свободной части воды из внутренних частей коконов перги. После испарения свободной влаги кокона перги происходит ее высвобождение из связанного состояния и транспортировка к поверхности кокона, откуда собственно и происходит испарение. Скорость сушки вновь снижается. Исходя из изложенного, выбирается следующий закон испарения:

^¡^ЬЛУ + сЛУ2-1 + <1-\У2-5 (9)

При построении модели дополнительно было введено одно наблюдение при 45 часах сушки. Это позволило распространить модель на диапазон относительных влажностей от 13 % до 20 %, что представляет особенную практическую ценность.

с

VdJ

Решая уравнение (21) относительно неизвестной функции, получаем модельное решение W(t; b, с, d ) как функцию параметров модели:

W(t)

"_dW__

. b-W + c-W2-1 +d-W2-5_t ('10->

WHa4

Функционал качества решения - квадрат евклидова расстояния между моделью и наблюдаемым законом в точках наблюдения:

J(b,c,d) = ^(W(ti;b,c,d)-Wi)2 (11)

i

Минимизация функционала качества по переменным Ь, с и d

ЛЛ

= argmin J(b, с, d), (12)

(b, с, d)

позволяет определить оптимальные параметры модели Ь =-0.057, с = 2.38 и d = -4.139 .

Для линейной модели задача оптимизации имеет единственное решение. В случае нелинейной модели задача становится некорректной: существует более одного решения. Для восстановления корректности применим регуляризацию. Для этой цели выберем допустимое множество, на котором и будет искаться решение. Рассмотрим функцию:

dW(W) = b-W + c-W2-1 + d-W2-5 (13)

Выбор коэффициентов функции обусловим следующими ограничениями.

Во-первых, если влажность перги равна нулю, то и скорость испарения также равна нулю. Это значит, что справедливо условие dW(0) = 0.

Во-вторых, в проведенных экспериментах всегда наблюдалось только уменьшение влажности перги. Это значит, что справедливо неравенство во всем диапазоне допустимых значений влажности перги:

b-W + c-W2-1 + d-W2-5 < 0 из диапазона (Wmin; Wmax).

И в-третьих, наблюдаемое в эксперименте уменьшение скорости сушки во времени является отражением того факта, что скорость сушки монотонно убывает. Это означает неотрицательность производной функции, то есть справедливо:

b + 2.1-c-W1-1 + 2.5-d-W1-5 < 0 из диапазона (Wmin; Wmax).

На рис. 6 показано совпадение наблюдаемой относительной влажности перги и восстановленной влажности с помощью регрессионной модели. Это согласие с экспериментом более тесное, чем для линейной модели, причем оно

наблюдается не только в середине промежутка сушки, но и на всем протяжении сушки.

Рисунок 6 — Зависимость влажности перги от времени сушки

Зависимость влажности перги от времени сушки

О О Эксперимент ♦ Модель

Время сушки, ч

ск =

с!\У ск =

Приходим к следующим уравнениям испарения в режиме нагрева:

Рнп(Тсреды) рУнач^(0)-М ^ Фнач' Рнп(Т) + Рнп(Т)"У

•(ь-\У + с-МУ2-1 + с!-\У2-5), (14)

и в режиме вентиляции:

Фнач(ТСреды)Р"Пр1^(Т)Ы') - 1 .'0^ + сЛу2.1 + <1Лу2.5)

(15)

Нижний индекс "-" у скобок в правых частях предыдущих двух уравнений -знак усеченной функции. Эти дифференциальные уравнения нелинейные и могут быть решены только численными методами. Результаты такого моделирования приведены на рис. 7 (только часть периода сушки).

Отсюда следует, что длительность периодов нагрева следует выбирать таким образом, чтобы сушка производилась достаточно сухим агентом. Если не следовать этому требованию, скорость сушки замедляется.

Временная диаграмма изменения температуры перги

I_I—:-

Рисунок 7 - Изменение температуры и относительной влажности нелинейной модели сушки перги

Наиболее критическим является начало процесса сушки. Поэтому для оптимального расчета длительности циркуляции нагретого теплоносителя следует так подобрать его режим, чтобы относительная влажность агента сушки не превышала заданную величину. Для этой цели достаточно решить функциональное уравнение (найти верхний предел интегрирования в левой части уравнения):

Рнп(Тсреды) ФнаЧ' Рнп(Т)

1нагр

V)

Ах

•ёт

■М

РнпСО'У

" Фпред>

(16)

предельно допустимое значение относительной влажности

Твеит , мин

где Фпред сушки.

Для уяснения ситуации рассчитаем значения остаточной относительной влажности перги в конце 45 часовой сушки при различных значениях продолжительности нагрева и вентиляции (рис. 8).

Рисунок 8 - Зависимость остаточной влажности перги, % от продолжительности периодов нагрева и вентиляции

В результате проведенной оптимизации установлено, что минимальная энергоемкость 73,08 квт ч обеспечивается в режиме сушки при котором:

т°птнагр = 11.3мин ;

топтвент = 0.19645-11.3 =2.22мин.

По данным эксперимента установлены зависимости влияния скорости воздушного потока на остаточную влажность перги в соте, результаты представлены на рис. 9 а также в виде полиномов:

= 21,657 -0,192 • /+0,001857 • /2 (г) = 21,918-0,244-г+0,002339

(17)

(18)

Щ() = 21,2-0,239 /+0,002286-/2 (19)

где Иг1; ]У2\ 1У3 - остаточная абсолютная влажность перги (%) при скоростях циркуляции теплоносителя V, принадлежащих интервалам: 1,3...1,6 м/с; 2,2...2,5 м/с; 3,4...3,7 м/с соответственно; / -продолжительность сушки (часов).

Процесс конвективной циклической сушки перги россыпью (извлеченной из сота) наиболее точно описывается полиномом логарифмического вида:

^(0 = 15,707-1,182 • 1п(/) (20)

где Ш3 - остаточная абсолютная влажность перги (%), / - продолжительность сушки продукта (часов).

Таблица 2 — Зависимость энергетических и физических показателей процесса сушки от скорости циркуляции потока теплоносителя

Показатели Скорость воздушного потока, м/с

1,3-И,6 2,2+2,5 3,4-3,7

Теоретически вычисленное энергопотребление за время сушки партии сотов (Эт) , кВт ч 72,08 73,08 79,08

Экспериментально установленное энергопотребление за время сушки партии сотов (Эф) , кВт" ч 72,5 74,4 82,9

Разница(Р),% 0,6 1,8 4,8

Количество влаги, удаленное за период сушки, % 4,9 6,1 6,7

- при У=1,3..1,6 м/с

..... при У=2,2..2,5 м/с

---при У=3,4..3,7 м/с

время сушки 1, час.

время сушки 1, час. эмпирическая кривая

средние значения экспериментальных данных

Рисунок 9 — Графическая зависимость остаточной влажности гранул перги (\У,%) от продолжительности конвективной циклической сушки (I, часов) при разных скоростях циркуляции теплоносителя

Рисунок 10 — Графическая зависимость остаточной влажности гранул перги (\У, %) от продолжительности конвективной циклической сушки россыпью (I, часов)

В результате экспериментального исследования энергосберегающего вакуумного способа сушки перги получены следующие результаты.

время сушки I, час. ' эмпирическая кривая

' средние значения экспериме1гтальиых данных

время сушки 1, час.

- Эмпирическая кривая

• • • средние значения экспериментальных данных

Рисунок 11 - Графическая зависимость: а - остаточной влажности перги в соте и б -

температуры перги в соте (Т,°С) от продолжительности сушки в вакууме (I,часов)

Зависимость влажности продукта от времени сушки под вакуумом (рис.11а) с наибольшей точностью удается описать полиномом третьей степени:

^с(0 = 24,908-4,31-/ + 0,386-/2-0,011-/3

где 1¥пс — остаточная абсолютная влажность перги в соте (%); / -продолжительность сушки (часов).

Зависимость температуры продукта от времени сушки под вакуумом (рис. 116) наилучшим образом поддается описанию степенной функцией:

Тпс(0 = 35,775-/Ч34 (22)

где ТПс - температура перги в соте (°С);! - продолжительность сушки (часов).

Второй этап исследования вакуумной сушки был направлен на изучение возможности сушки извлеченных из сота гранул перги и измельченной перги.

Установленные зависимости представлены в виде графиков на рисунке 12 и в виде математических моделей:

0^(0 = 16,832 - 3,942-111(0 (23)

Ж25(0 =16,585 - 3,944-1п(0 (24)

^1,5 (0 = 15,223 - 4,107 • 1п(0 (25)

ВД = 14,235 -4,567-1п(0 (26)

где Жцг; ^2.5', Щ,¡; Щ,з - остаточная абсолютная влажность перги (%) в виде целых гранул, а также фракций со средним диаметром частиц 2,5; 1,5; 0,3 мм соответственно; I - продолжительность сушки (часов).

Проведенное исследование показывает, что на теплоподводящей поверхности, разогретой до температуры 50±0,5 °С под вакуумом, величиной 0,098...0,099 МПа, возможно высушить предварительно замороженные целые гранулы перги до влажности 14... 15 % в течение 2.. .2,5 часов.

время сушки I, час.

- для среднего диаметра частиц 0,3 мм

•••• для среднего диаметра частиц 1,5 мм "" для среднего диаметра частиц 2,5 мм для целых гранул перги

Рисунок 12 - Графическая зависимость остаточной

влажности перги (\*/,%) от продолжительности сушки

(1,часов) под вакуумом разных фракций и целых гранул перги

В пятой главе «Исследование процесса измельчения перговых сотов» описаны конструктивно-технологические схемы измельчителей перговых сотов вертикального типа (патенты РФ №2412590, № 93302 и др.), а также установка для извлечения перги из перговых сотов, содержащей горизонтально расположенную рабочую камеру (патенты РФ №2367150). Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструктивно-технологических параметров измельчителей на производительность и энергоемкость процесса измельчения, а также процент выхода в измельченном продукте целых гранул перги. Установлены рациональные параметры штифтовых измельчителей перговых сотов.

Измельчитель перговых сотов (рис. 13) (патент РФ № 93302) состоит из рамы 1, на которой расположен электродвигатель 17, сдвоенная подшипниковая опора 4 и рабочая камера 5.

Измельчитель работает следующим образом. Приводят в действие электродвигатель 17, который раскручивает через клиноременную передачу 18 рабочий вал 7. Заранее подготовленные куски перговых сотов порциями загружают в горловину 13, закрывая ее после загрузки заслонкой 14. Под действием силы тяжести куски сотов опускаются внутрь дополнительной камеры 11 и попадают в зону действия штифтов 9. Под ударным воздействием штифтов восковая основа сотов разрушается, при этом высвобождаются перговые гранулы. Вращающиеся в воздушно-продуктовом слое гранулы взаимодействуют с сетчатыми стенками дополнительной камеры 10, при этом коконы, в которых они заключены, отслаиваются. Образующаяся в результате дробления сотов воско-перговая масса проходит через отверстия решета 8 и опускается на наклонный поддон 6, двигаясь по которому, направляется в выгрузной патрубок 3.

Описанный выше измельчитель позволяет получать измельченную воскоперговую смесь, состоящую из гранул перги и восковых частиц, поэтому необходимо применять дополнительное оборудование для отделения перги из образовавшейся измельченной массы.

Рисунок 13 - Измельчитель перговых сотов:

1 - рама; 2 - постоянный магнит; 3 -выгрузной патрубок; 4 — подшипниковая опора; 5 - рабочая камера; 6 - поддон; 7 - рабочий вал; 8

- решето; 9 - лопатки (штифты); 10 -сетка; 11 — дополнительная камера; 12

— демпферные сегменты; 13 — загрузочная горловина; 14 - заслонка; 15 — крышка; 16 - воздушный зазор; 17 — электродвигатель; 18 -клиноременная передача.

Для решения этой задачи предложен ряд установок, объединяющих в своей конструкции измельчитель перговых сотов и устройство, позволяющее отделять перговые гранулы от восковых частиц.

На рисунке 14 изображена установка для извлечения перги из перговых сотов (патент РФ № 2412590), объединяющая в своей конструкции измельчитель штифтового типа, аспирационный канал и циклон.

~да -Ж^СТЗ • В

-ж !1§

1 "I

Рисунок 14 - Установка для извлечения перги из перговых сотов: А - схема; Б -производственный образец; 1 - рама; 2 - циклон; 3 - аспирационный канал; 4 - рабочая камера измельчителя перговых сотов; 5 - загрузочный бункер.

При извлечении перги из перговых сотов работа установки осуществляется следующим образом. Куски перговых сотов измельчают таким же образом, как и в установке, представленной на рис. 13. Образовавшаяся в результате измельчения

сотов смесь перговых гранул и восковых частиц поступает в аспирационный канал 3, где разделяется на составляющие за счет различных скоростей витания. В аспирационном канале восковые частицы под действием воздушного потока увлекаются в циклон 2, а перговые гранулы под действием преобладающей силы тяжести выходят из аспирационного канала и выгружаются.

Конструкции установок, представленные на рисунках 15, 16, содержат в своей основе вертикально расположенную камеру измельчения, что накладывает жесткие ограничения на площадь выгрузного решета, а как следствие, на производительность измельчителя. Для устранения обозначенного выше недостатка был разработан измельчитель перговых сотов горизонтального типа (рис.15) (патент РФ №2367150). Существенным отличием измельчителя горизонтального типа от измельчителя вертикального типа является возможность выполнения цилиндрической поверхности рабочей камеры в виде выгрузного решета. Предложенное конструктивное решение позволяет существенно увеличить отношение площади выгрузного решета к общей площади поверхности камеры измельчения, что обеспечивает высокую производительность измельчителя при относительно компактных размерах.

Рисунок 15 - Общий вид и схема установки для извлечения перги из перговых сотов: 1 - рама; 2 - рабочая камера; 3 - загрузочная горловина; 4 - вал; 5 - ряд неподвижных зубьев; 6 -решето; 7 - пружинный подвес решета; 8 - вибровозбудитель; 9 - выгрузной лоток; 10 -клиноременная передача; 11 - электродвигатель; 12 - приемный бункер; 13 - подшипниковые опоры; 14 - решето рабочей камеры; 15 - пазы рамы; 16 - штифты; 17 - рамка сепаратора; 18 -боковые стенки решета сепаратора.

Установка состоит из рамы 1, на которой горизонтально установлена цилиндрическая рабочая камера 2, нижняя часть которой выполнена в виде

решета 14 с круглыми отверстиями, а в верхней части расположена загрузочная горловина 3.

Работа установки осуществляется следующим образом. Включают приводной электродвигатель 11, который через клиноременную передачу 10 вращает вал 4 измельчителя с требуемой частотой, одновременно включают и электродвигатель вибратора 8, который через рамку 17 передает вибрацию на решето 6 сепаратора с продолговатыми отверстиями. В процессе вращения вала его штифты 16 взаимодействуют с неподвижными У-образными штифтами 5, в зазоре между ними образуется зона измельчения. Отделенные от соторамок и охлажденные куски перговых сотов загружают в горловину 3 так, чтобы они опустились на внутреннюю сторону неподвижных У-образных штифтов. Под ударным воздействием штифтов 16 вала куски перговых сотов разламываются и опускаются между неподвижными штифтами 5 внутрь цилиндрической рабочей камеры 2, где подвергаются дальнейшему измельчению штифтами 16 до тех пор, пока образовавшаяся воскоперговая смесь не пройдет через круглые отверстия решета 14. Пройдя через отверстия решета 14, воскоперговая смесь опускается под действием силы тяжести на решето 6 сепаратора. Перемещаясь по поверхности решета, восковые частицы проваливаются через его продолговатые отверстия и попадают в приемный бункер восковых частиц 12, а целые перговые гранулы остаются на просеивающей поверхности решета и под действием вибрации и наклона решета движутся к выгрузному лотку 9 между боковыми стенками 18 и выгружаются из установки.

Для обоснования параметров процесса измельчения кусков перговых сотов было проведено теоретическое исследование.

Дифференциальное уравнение движения элементарной частицы куска сота постоянной массы описывается дифференциальным уравнением второго порядка

Л2

где /ц - масса куска сота, кг; 7, - радиус-вектор куска сота, м; - сила

тяжести, Н; ^ - сила реакции на удар била, Н; - сила увлечения куска

сота воздушно-продуктовым слоем, Н; Е^.....- сила трения о воздушно-

продуктовый слой, Н; \ т - сила реакции от удара по корпусу измельчителя, Н.

В векторной форме уравнение движения принимает вид:

4

Усреднение по углу приводит в формуле (29) к появлению множителя —,

где с! - радиус штифта, мм.

Запишем это уравнение в координатной форме. Введем полярную систему координат. Полярный центр поместим в центр рабочей камеры, полярную ось

т,—± = Е +Е +Е +Е +Е, (27)

' 'тяжести 'уда/а 'уюгче/шя 'ш/ышя 'корте 9 V /

направим горизонтально вправо. Пусть координаты куска сота равны [р,(р], где р - расстояние от центра измельчителя, <р - угол, отсчитываемый от полярной оси.

Поскольку нас интересуют установившееся движение, то следует выполнить усреднение по всему ансамблю траекторий.

т = -mg cos <р + к — - a — aAtf(p;D), dt dt dt

+ = wig Sin <p + ~~~~ MaSlpAtf (p sin (Sit - ?>)) +

^ dt2 dt dt) nd Q.

Выход измельченного продукта через отверстия решета штифтового измельчителя представляет собой случайный процесс. Конечным итогом такого процесса является выгрузка измельченного продукта из рабочей камеры.

Интегрирование этого уравнения позволяет получить интегральный закон изменения плотности кусков сот:

N{t) = N0e-k«"vcosoS' (30)

Разрешая это уравнение относительно времени, получаем оценку времени работы измельчителя: 100

, _ °100-р (31)

kanv cos aS

Задача экспериментального исследования рабочего процесса измельчителей штифтового типа заключалась в определении рациональных конструктивно-технологических параметров измельчителей и условий переработки продукта, обеспечивающих получение максимально возможного процента целых гранул перги в измельченной массе сотов.

Проводить исследование было решено в два этапа. Первый этап исследования был направлен на изучение рабочего процесса штифтовых измельчителей, содержащих вертикально расположенную рабочую камеру. Второй этап исследования заключался в изучении рабочего процесса измельчителя перговых сотов, содержащего горизонтально расположенную рабочую камеру.

В процессе исследования была проведена серия многофакторных экспериментов, в частности получена адекватная математическая модель для измельчителей вертикального типа, устанавливающая зависимость процента выхода целых перговых гранул РцГ, % от диаметра штифтов d, мм, расстояния между плоскостями их вращения h, мм и частоты вращения рабочего вала п, об/мин:

Рщ. =-^624 + 2,331-А + 16,525-и + 0,018-d-n-0,469 d2 -

7 , (32)

-0,0б5-Л2-0,014728-и2 v ;

Оптимизация, проведенная в среде МаЛСаё 11, позволила определить уровни сочетания факторов, обеспечивающих максимальное значение Рцг = 85 % в точке (¿/= 10,671 мм; к = 17,86 мм; и = 567 об/мин).

Графическая зависимость критерия оптимизации от двух исследуемых факторов при фиксированном значении третьего на оптимальном уровне (частоты вращения вала п = 567 об/мин) представлена на рис. 16.

В результате исследования технологических возможностей измельчителя перговых сотов вертикального типа и диапазона физико-механических свойств продукта, при которых возможно его измельчение, получены следующие адекватные модели регрессии, аппроксимирующие зависимость трех величин (производительности установки 2, кг/сек; потребляемой электродвигателем максимальной мощности Л^, Вт; процента выхода целых перговых гранул Рцг, %) от массы порции кусков сотов, загружаемых в измельчитель т, кг при температуре материала 0...+3°С и влажности перги 13. ..18 %:

0(от) =0,035641-0,006467 • т + 0,00947 • т2 (33)

Шп(т) = 1/(0,01-0,006448-т) (34)

Р1цг(т) = 85,146 -18,333 ■ от +10,417 • от2 (35)

(I, мм

Рисунок 16 - Зависимость процента целых гранул перги, содержащихся в измельченной массе сотов от диаметра штифтов с/ и расстояния между плоскостями вращения штифтов А при оптимальном значении частоты вращения вала п = 567 об/мин

В эксперименте, проведенном при температуре измельчаемого материала -13...-18 °С и влажности перги 18... 19 %, установлены следующие адекватные модели:

(32(/я) =0,036512—0,011227-772+0,014501-от2 (36)

0,009753-0,005823-от Р2ЦГ (т) = 82,708 - 5 • т - 4,167 • т2 (38)

И2п(т) = ппппп1гп птси,_ (37)

Установленные зависимости представлены в виде графиков на рис. 17.

Второй этап исследования заключался в определении рациональных конструктивно-технологических параметров измельчителя горизонтального типа.

Результаты исследования представлены в виде графических зависимостей на рис. 18. Полученная математическая модель в результате проведения двухфакторного эксперимента, описывающая исследуемый процесс, представлена в виде эмпирической зависимости:

Рцг = 0,080365 - и-0,004967 - к2 -0,00001996 •п2 (39)

где РцГ - процент выхода целых перговых гранул в измельченной массе сотов, %; к - расстояние между плоскостями вращения штифтов, мм; п - частота вращения рабочего вала, об/мин.

Оптимизация функции позволила установить, что РцГ достигает максимума равного 80,5 % при А = 5 мм, и = 1900 об/мин.

2, кг/сек 0.039

0.03838

0.03775

0.03713

0.0365

0.03588

0.03525

Nп. Вт

250 231.25 212.5 193.75 175 156.25 137.5 118.75

Ч-.

\

, 1

2

0.2 0.3 0.4

0.5 0.6 В

0.7 0.8 0.9

Обозначение линий на графиках:

1 - при температуре измельчаемого материала 0..+3°С и влажности перги 13..18 %

2 - при температуре измельчаемого материала -13..-18°С и влажности перги 18..19 %

Рисунок 17 — Зависимость от степени загрузки измельчителя (массы навески т, кг): а -производительности <2, кг/сек; б - максимальной мощности, потребляемой электродвигателем Л'и, Вт; в - процента выхода целых гранул перги РцГ, %

Установлено влияние противорезов на производительность измельчителя горизонтального типа. Получена математическая модель линейного вида, описывающая исследуемый процесс:

2 = 0,009 + 0,0000453 -Ъ + 0,00139 с (40)

где Ь - глубина внедрения противорезов в рабочую камеру, мм; с - количество противорезов, шт.

Экспериментально установлено, что в рабочей камере измельчителя должно находиться два противореза, внедренных на глубину не более 10 мм, большее заглубление противорезов приводит к переизмельчению перги.

и, об/мин

Рисунок 18 — Зависимость процента целых гранул перги, содержащихся в измельченной массе сотов, от расстояния между плоскостями вращения штифтов А и частоты вращения вала п

В результате исследования технологических возможностей и фактической производительности измельчителя горизонтального типа получен ряд гистограмм, приведенных на рис. 19.

N11, Вт

Рцг, %

Рисунок 19 - Зависимость производительности горизонтального измельчителя, максимальной мощности, потребляемой электродвигателем, и процента выхода целых гранул перги от массы измельчаемого материала при температуре 0...+3°С и влажности перги 13... 14 %

В частности установлено, что при загрузке в измельчитель 0,6 кг продукта вместо расчетных 0,3 кг производительность измельчителя увеличивается незначительно (на 0,001 кг/с), несущественно увеличивается и количество измельченных гранул перги, присутствующих в измельченной массе сотов (не более чем на 2 %).

В шестой главе «Исследование процесса отделения перги из измельченной массы преговых сотов» проведено теоретическое исследование процесса отделения перги от восковых частиц на вибрационном решете с обоснованием рационального кинематического рабочего режима вибрационного решета и его конструктивных параметров, экспериментально обоснованы рациональный размер отверстий вибрационного решета и кинематический режим.

В результате измельчения перговых сотов образуется смесь частиц перги 30...80 %, воска 20...70 % и органических загрязнений 0...3 %. По требованиям ТУ 10 РФ 505-92 «Перга сушеная» наличие в перге механических примесей (воска, ульевого сора) не должно превышать 5 %.

Для решения поставленной задачи предложена операция отделения перги из измельченной воскоперговой массы на вибрационном решете. Операция введена в отличительную часть формулы изобретения (патента РФ № 2360407) «Способ извлечения перги из сотов». Виброрешето выполнено в виде вибролотка (рис. 20), являющегося рабочим органом установки для извлечения перги из перговых сотов (патент РФ №2367150). Конструкция и рабочий процесс вибролотка описаны в главе 5.

Рассмотрим модель движения вибрирующей поверхности на которой двигается масса измельченного сота (рис. 21). Начало координат совмещено с осью вращения электродвигателя.

Рисунок 20 — Вибролоток измельчителя горизонтального типа

Рисунок 21 — Координатная система модели вибролотка

Момент вынуждающей силы относительно центра масс, Н м\

_ _ Т 7

Мъ = = Jtíiу2 s s\n<p + d cos<p- hsmcp -scosp + d sm(p + h eos (i

cos(flr+fí>) sin (a+<p)

= Jj^Q2 ((s -h)cosa+dsin a)k

Уравнения движения первого рода записываются в векторном виде. Изменение импульса лотка равно сумме всех внешних сил, действующих на тело:

P = Ft+F2 + P + R; изменение момента импульса лотка равно сумме моментов всех внешних сил: М = М, + М2 + MR

Запишем эти уравнения в координатной форме:

г f ( РЛ

тх = кЛ 1 - — (х, - х - s sin <р + cos <р) + к2 \ 1 - — (х2 - х - s sin (р - Ьг cos (р) +

<

.К. , ..

+ J/:Úr cos(Q.t + а0+ср) - 2ухх\ ту = /с, - -y-j (Я, - у + s cos ср + Ц sin <р) + к2 - y-j (Я2 - у + j cos (р - L2 sin <р) - ^^

— mg + У/(£22 sin(£2í + а„ + <р) - 2 ууу; Jip = кх f 1 - у-J (-(х - x¡ )(s cos (р + L[ sin (p) - (y - )(s sin cp-L{ cos <v)) +

+ k2 fl - -Ч (-(* _ xi )(J cos V~L2 sin <P) ~ (У ~ H2 )(s sin V + Li cos <P)) +

V + ■/д^2 ((s -h) cos « + tf sin «) - 2yv<p

Дифференциальные уравнения относительного движения частицы в осях хОу, жестко связанных с вибрирующей плоскостью, имеют вид: тх = тАсо2 eos ¡i sin cot - mg sin a + F

1 r> v^"-5/

my = mA(o sin p sin cot + mg cos a + TV

где m - масса частицы, кг; А и ш - соответственно амплитуда (м) и круговая частота вынужденных колебаний плоскости, Гц-, р - угол наклона траектории колебаний относительно плоскости (угол вибрации), pad; а - угол наклона плоскости к горизонту, рад\ g - ускорение свободного падения, м/с ; N -нормальная реакция, Н; F - сила сопротивления движению частицы, которую вначале будем считать силой сухого (кулонова) трения, Н.

Просеивание отдельной частицы при движении над отверстием решета -явление случайное, вероятность которого для безотрывного движения подчинятся нормальному закону:

лю-'-аЬГ«"^* (44)

где V- скорость центра масс частицы относительно решета; критическое значение скорости при р0 = 0.5.

Средняя скорость движения определяется выражением:

т, ■ па

vm = -Acüz sm —

сР 2

где Z = = ^ (45)

z2 4 2 ЯСТ Лй>2 /

cos — J

2

Во всем диапазоне частот происходит движение смеси без отрыва (перга и частицы воска не витают). Для проверки этого факта достаточно вычислить коэффициент перезагрузки:

w=Aa? sm/7 =0 379<1 g cos a

Это означает, что рабочая точка соответствует режиму, при котором происходит периодическое чередование движения вперед (вниз) по лотку с относительным покоем на поверхности лотка.

Переключение между этими двумя режимами происходит в моменты времени, определяемые фазовыми углами:

%р = Ь\Р и (Pp0-cos((pp0)-cos(Spi)-(<pp0-0pl)cos(Sp)^0

Выполненные расчеты позволяют установить следующие конструктивно технологические параметры вибролотка. Ширина канала лотка 220 мм; длина его просеивающей части 200 мм, максимальная массовая производительность по исходной смеси 200 г/с; количество прохода в исходной смеси (примерно 30 % от общего количества) 60 г/с; средняя плотность движущегося сыпучего продукта 0.4 г/см3.

Экспериментальное исследование проводили с вибролотком, изготовленным в соответствии с теоретически определенными конструктивными параметрами.

Исследование проводили в два этапа. На первом этапе необходимо было установить рациональный размер отверстий вибролотка, на втором этапе предстояло установить рациональный режим его работы.

Для определения рационального размера отверстий решета вибролотка исследовали гранулометрический состав измельченной массы сотов.

Опыты проводили на классификаторах, сформированных из сит, снабженных круглыми пробивными отверстиями диаметром 1; 2; 3; 5; 7; 9 мм, и сит, снабженных продолговатыми отверстиями размером 6x20, 4x20, 3x20, 2x20, 1,5x20 мм.

Полученные после статистической обработки результатов эксперимента зависимости распределения частиц воска и перги по фракциям представлены в виде гистограмм на рис. 22.

80 70

ео

50 40 30 20 10 О

зВоск аПерг

п гая Я гА

%

80 70

ео 50 40 30 20 10 О

□ Воск в Перга

--

0,5 1,5 2,5

4 б 8

Крупность частиц, мм

0,75 1,75 2,25 2,75 3,5 5 6

Крупность частиц, мм

Рисунок 22 — Гистограммы распределения частиц воска и перги по крупности, полученные после просеивания измельченной массы перговых сотов: а - на решетах с круглыми отверстиями; б - на решетах с продолговатыми отверстиями

Установленные зависимости показывают, что получать пергу в количестве 82..85 % от общего ее содержания в соте возможно путем просеивания измельченной воскоперговой массы на решетах с размером отверстий 4x20 мм, при этом засоренность продукта восковыми частицами не превышает 2 %.

В результате второго этапа исследования установлены экспериментальные зависимости (46), (47), (48) влияния частоты вибрации вибролотка у,Гц на его производительность <3, г/сек, мощность, потребляемую электродвигателем вибровозбудителя А^,Вт, и остаточную загрязненность получаемого схода Р, % (рис. 23).

V, Гц

О - средние значения опытных данных

Рисунок 23 - Зависимость загрязненности получаемого продукта Р(у), % от частоты

вибрации V, Гц

Q(y) = 19,595- 0,301 • V+О,0037 -У2 (46)

Щу) =12,768- 0,373 ■ v+0,00437 • у2 (47)

P(v) = 2,977 - 0,123 • v+0,001375 • V2 (48)

Полученные зависимости показывают, что повышение частоты вибрации вибролотка от 33 Гц до 100 Гц приводит к увеличению его производительности от 12,2 г/сек до 27,9 г/сек, но при этом увеличивается и загрязненность схода от 0,3 % до 5 %.

Принимая во внимание требования ТУ 10 РФ 505-92 «Перга сушеная», наиболее рациональным для практического использования представляется частота вибрации вибролотка, равная 33...40 Гц.

В седьмой главе «Производственные испытания и экономическая эффективность внедрения разработанных технологий и технических средств извлечения перги из перговых сотов» приведена методика и результаты производственных испытаний, проведены экономические расчеты эффективности внедрения предложенных способов и средств извлечения перги из сотов.

Производственные испытания проходили в соответствии со специально разработанной технологической картой. Оценку качества получаемой перги проводили в лаборатории стандартизации и сертификации продуктов пчеловодства ГНУ НИИ пчеловодства Россельхозакадемии. По заключению ГНУ НИИ пчеловодства, полученная в результате производственной проверки в соответствии со способами (патенты РФ №2297763, №2360407, №2397639) перга соответствует требованиям ТУ 10 РФ 505-92 «Перга сушеная». Протоколы испытаний представлены в приложении к диссертации.

В работе проведен расчет экономической эффективности внедрения предлагаемых разработок. Обоснованы рациональные условия использования оборудования в зависимости от размера пасеки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен ряд механизированных способов извлечения перги из перговых сотов, позволяющих проводить энергосберегающую конвективную циклическую сушку перги и ее отделение от восковых частиц на вибрационном решете.

2. Исследования биологически активных свойств перги при различных способах ее консервации показали, что наилучшими способами консервации продукта, существенно продляющими срок его хранения, являются конвективная сушка при температуре +40°С, а также его сушка под вакуумом при температуре +50°С.

3. Экспериментально установлено, что прочностные характеристики восковой основы пергового сота зависят от его температуры и способа приложения нагрузки. Так, для получения 10 % остаточной деформации при

температуре испытуемого образца -15°С перпендикулярно поверхности сотов необходимо приложить давление 144,0 кПа, а при воздействии на боковые стороны ячеек сота усилие составляет 11,2 кПа. При температуре +20°С для получения 10 % остаточной деформации перпендикулярно поверхности сота требуется усилие, равное 81 кПа, а при воздействии на боковую поверхность ячеек сота необходимо приложить усилие 5,0 кПа.

4. Разработан математический аппарат, позволяющий определять рациональное время циркуляции замкнутого объема теплоносителя и его замены в процессе энергосберегающей конвективной циклической сушки перги.

При сушке перги в соте теплоносителем, разогретым до +40...42°С, ее влажность изменяется от 21,6% до 15,5% в течение 50 часов, при этом общие затраты энергии составили 74,4 кВт ч. При сушке перги россыпью влажность продукта изменяется от 18,3% до 11,0% в течение 50 часов, при этом энергоемкость процесса составляет 0,55.. .0,7 кВт ч/кг.

Расхождение между теоретическими и экспериментальными исследованиями не превышает 4,9 %.

5. Экспериментально установлено, что при сушке перги в соте под вакуумом величиной 0,098...0,099 МПа на теплоподводящей поверхности, разогретой до +50±0,5°С, влажность продукта снижается от 25,2 % до 7,7 % в течение 14 часов. При сушке предварительно извлеченных из сота гранул перги под вакуумом величиной 0,098...0,099 МПа на теплоподводящей поверхности, разогретой до +50±0,5°С, влажность перги снижается от 25,2 % до 6,5 % в течение 14 часов.

6. Получена аналитическая модель выхода измельченного продукта из рабочей камеры измельчителя.

Получены уравнения регрессии, позволяющие определять рациональные конструктивно-технологические параметры измельчителей штифтового типа, которые обеспечивают получение целых гранул перги, присутствующих в измельченной массе сотов, 82..85 % от общего их количества в перговом соте.

7. Установлено, что отделение перги от восковых частиц из измельченной воскоперговой массы целесообразно проводить на вибрационном решете, снабженном прямоугольными отверстиями размером 4x20 мм. При ширине канала вибролотка 220 мм и длине его просеивающей части 200 мм наиболее чистую пергу (сход с решета), содержание восковых частиц в которой не превышает 1 %, удается получить при частоте вибрации решета 33...40 Гц и амплитуде 0,2...0,3 мм, производительность при этом составляет 13,8 гр/с.

8. Производственная проверка и опыт эксплуатации предложенных способов и средств механизации извлечения перги показал, что способы извлечения перги из сотов (патенты РФ на изобретение № 2297763, № 2360407, № 2397639) позволяют получать продукт, соответствующий требованиям ТУ 10 РФ 505-92 «Перга сушеная». При размере пасеки 100 пчелосемей годовая экономия от использования установки для сушки перги составляет 39,1 %, от использования измельчителя с горизонтально расположенной рабочей камерой 92,3 % руб. и от использования измельчителя с вертикально расположенной рабочей камерой 87,2 % в сравнении с серийно выпускаемым оборудованием.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ

1. Некрашевич В. Ф. Измельчение перговых сотов /В. Ф. Некрашевич, Д. Е. Каширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004. - № 7. - С. 17-18.

2. Каширин Д. Е. Энергосберегающая установка для сушки перги в сотах / Д. Е. Каширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2009. — № 10. — С. 24— 25.

3. Каширин Д. Е. Обоснование параметров установки для извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - № 11. - С. 2627.

4. Каширин Д. Е. Энергосберегающая установка для сушки перги / Д. Е. Каширин // Вестник КрасГАУ. - 2009. -№ 12. - С. 189-191.

5. Каширин Д. Е. Усовершенствование технологического процесса отделения перги от восковых частиц / Д. Е. Каширин // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ имени В. П. Горячкина. - 2009.

- №4 (35).-С. 24-26.

6. Каширин Д. Е. К вопросу отделения перги из измельченной воскоперговой массы / Д. Е. Каширин //ВестникКрасГАУ.-2010,- № 1.-С. 138-139.

7. Каширин Д. Е. Исследование массы и геометрических параметров перговых сотов / Д. Е. Каширин // Вестник КрасГАУ. - 2010. - № 5. - С. 152-154.

8. Каширин Д. Е. Исследование рабочего процесса измельчителя перговых сотов / Д. Е. Каширин // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ имени В. П. Горячкина. - 2010. - № 1 (40). -С. 24-27.

9. Каширин Д. Е. Способ и устройство для извлечения перги / Д. Е. Каширин // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2010. - № 5. - С. 34-36.

10. Каширин Д. Е. Установка для извлечения перги из ячеек пчелиного сота / Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011.

— № 7. — С. 26-28.

11. Каширин Д. Е. Исследование некоторых прочностных характеристик восковой основы пчелиных сотов / Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов // Вестник КрасГАУ. - 2011. - № 8. -С. 199-202.

12. Бышов Н. В. Обоснование параметров измельчителя перговых сотов / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин //Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2012. -№ 1. - С. 29-30.

13. Бышов Н. В. Исследование установки для извлечения перги из сотов / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. - № 2. - С. 31-32.

14. Бышов Н. В. Модернизированная энергосберегающая установка для сушки перги / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. - № 1. - С. 26-27.

15. Бышов Н. В. Экспериментальное исследование режимов циклической конвективной сушки перги в соте / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин // Вестник КрасГАУ. - 2012. - № 5. - С. 283285.

16. Бышов Н. В. Обоснование рациональных параметров измельчителя перговых сотов / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин // Вестник КрасГАУ. - 2012. - № 6. - С. 134-138.

17. Бышов Н. В. Исследование гигроскопических свойств перги / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин, М. Н. Харитонова // Вестник КрасГАУ. - 2013. - № 2. - С. 122-124.

18. Бышов Н. В. Исследование отделения перги от восковых частиц / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин //Техника в сельском хозяйстве. -2013. - № 1. - С. 26-27.

Патенты па изобретения и полезные модели

19. Пат. № 2171715 РФ. МПК В02С 13/284. Измельчитель перговых сотов / В. Ф. Некрашевич, В. И. Бронников, Д. Е. Каширин. - Заявл. 05.07.1999; опубл. 10.08.2001, бюл. №22.-4 с.

20. Пат. № 2275563 РФ. МПК Р26В 3/04; Р26В 21/04. Установка для сушки перги в сотах/Д. Е. Каширин. - Заявл. 29.11.2004; опубл. 27.04.2006, бюл. № 12.-5 с.

21. Пат. №2275800 РФ. МПК А01К 59/00. Установка для извлечения перги из перговых сотов/Д.Е. Каширин,- Заявл. 28.12.2004; опубл. 10.05.2006, бюл. № 13.-6с.

22. Пат. № 2280981 РФ. МПК А01К 59/02. Установка для скарификации перговых сотов / В. Ф. Некрашевич, Д. Е. Каширин, А. В. Ларин. - Заявл. 15.02.2005; опубл. 10.08.2006, бюл. № 22. - 5 с.

23. Пат. № 2309797 РФ. МПК В02С 2/04. Измельчитель перговых сотов / Д. Е. Каширин. - Заявл. 04.04.2006; опубл. 10.11.2007, бюл. № 31. - 6 с.

24. Пат. № 2302729 РФ. МПК А01К 59/00; В07В 1/40. Вибрационная установка для извлечения перги из ячеек сот / Д. Е. Каширин, Н. Г. Кипарисов, А. М. Лавров. - Заявл. 14.11.2005; опубл. 20.07.2007, бюл. № 20. - 6 с.

25. Пат. № 2297763 РФ. МПК А01К 59/00. Способ извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин. - Заявл. 05.12.2005; опубл. 27.04.2007, бюл. № 12. - 4 с.

26. Пат. № 2326531 РФ. МПК А01К 59/00. Способ извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин, А. В. Ларин, М. Е. Троицкая. - Заявл. 19.12.2006; опубл. 20.06.2008, бюл. № 17. -4с.

27. Пат. № 2360407 РФ. МПК А01К 59/00. Способ извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин. - Заявл. 02.04.2008; опубл. 10.07.2009, бюл. № 19. - 5 с.

28. Пат. № 2367150 РФ. МПК А01К 59/00. Установка для извлечения перги из перговых сотов / Д. Е. Каширин. - Заявл. 19.05.2008; опубл. 20.09.2009, бюл. № 26. - 7 с.

29. Пат. № 2391610 РФ. МПК Р26В 9/06. Установка для сушки перги / Д. Е. Каширин. - Заявл. 16.03.2009; опубл. 10.06.2010, бюл. № 16.-7 с.

30. Пат. № 2397639 РФ. МПК А01К 59/00. Способ извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин. - Заявл. 17.04.2009; опубл. 27.08.2010, бюл. № 24. - 5 с.

31. Пат. № 2412590 РФ. МПК А01К 59/00. Установка для извлечения и очистки перги из сотов / Д. Е. Каширин. - Заявл. 07.12.2009; опубл. 27.02.2011, бюл. №6.-9 с.

32. Пат. № 93302 РФ. МПК В02С 13/02. Измельчитель перговых сотов / Д. Е. Каширин. -Заявл. 26.01.2010; опубл. 27.04.2010, бюл. № 12. -2 с.

33. Пат. № 2483811 РФ. МПК В07В 1/40 А01К 59/00. Вибрационная установка для очистки пчелиных сотов от загрязнений / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов. -Заявл. 23.11.2011; опубл. 10.06.2013, бюл. №16.-7 с.

34. Пат. № 2483812 РФ. МПК В07В 1/40 А01К 59/00. Способ очистки пчелиных сотов / Н.В. Бышов, Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов. - Заявл. 20.12.2011; опубл. 10.06.2013, бюл. № 16.-4 с.

Монографии

35. Бышов И. В. Вопросы теории энергосберегающей конвективной циклической сушки перги: монография / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин. - Рязань: Изд-во РГАТУ, 2012. - 70 с.

36. Бышов Н. В. Вопросы теории механизированной технологии извлечения перги из перговых сотов: монография / Н. В. Бышов, Д. Е. Каширин. — Рязань: Изд-во РГАТУ — 2012. — 113 с.

Другие издания

37. Некрашевич В. Ф. Извлечение перги из пчелиных сотов / В. Ф. Некрашевич, Д. Е. Каширин, С. В. Винокуров // Пчеловодство. - 2002. - № 5. - С. 47—48.

38. Некрашевич В. Ф. Устройство для измельчения перговых сотов / В. Ф. Некрашевич, Д. Е. Каширин // Пчеловодство. - 2003. - № 2. - С. 52-53.

39. Каширин Д. Е. Вакуумная сушка перги / Д. Е. Каширин // Пчеловодство. - 2006. -№4.-С. 50.

40. Каширин Д. Е. Конвективная сушка перги / Д. Е. Каширин // Пчеловодство. - 2009. - № 8. - С. 46-47.

41. Некрашевич В. Ф. К вопросу измельчения перговых сотов / В. Ф. Некрашевич, В. И. Бронников, Д. Е. Каширин // Проблемы экологии и развития пчеловодства России: материалы научно-практической конференции, (25 - 27 августа 1999г.) - Рыбное, 1999. - С. 8687.

42. Каширин Д. Е. Совершенствование технологии извлечения перги / Д. Е. Каширин // Пчеловодство 21 век: материалы международной научной конференции, 4-5 сентября 2000 г. -М„ 2000.-С. 161-162.

43. Некрашевич В. Ф. Некоторые результаты исследования процесса измельчения перговых сотов / В. Ф. Некрашевич, В. И. Бронников, Д. Е. Каширин // материалы межвузовской научно-практической конференции - Кострома: КГСХА, 2000. - Т. 2. - С. 59-60.

44. Некрашевич В. Ф. Механизированная технология извлечения перги / В. Ф. Некрашевич, В. И. Бронников, Д. Е. Каширин, С. В. Винокуров // Интермед-2001: материалы 2-й международной научной конференции. - Рыбное, 2001. - С. 72-73.

45. Некрашевич В. Ф. Совершенствование технологии извлечения перги / В. Ф. Некрашевич, Д. Е. Каширин // сборник науч. трудов, посвященный 50-летию инженерного факультета. - Пенза, 2002. - С. 256-258.

46. Некрашевич В. Ф. Исследование механизированной технологии извлечения перги из перговых сотов / В. Ф. Некрашевич, Д. Е. Каширин, С. В. Винокуров // Сборник научных трудов по пчеловодству. - Орел, 2003. - С. 95-99.

47. Некрашевич В. Ф. Промышленная технология получения перги / В. Ф. Некрашевич, Д. Е. Каширин // Передовые технологии в пчеловодстве: материалы научно-практической конференции, 19 ноября 2002 г. - Рыбное, 2003. - С. 93-95.

48. Каширин Д. Е. Исследование работы измельчителя перговых сотов / Д. Е. Каширин, Н. Г. Кипарисов, В. Н. Кривобоков // 160-летию проф. П. А. Костычева посвящается: сборник материалов конференции. - Рязань: РГСХА, 2005. - С. 95-97.

49. Каширин Д. Е. Качество перги, стабилизированной различными способами, в процессе ее хранения / Д. Е. Каширин, М. Н. Харитонова // Инновационные технологии в пчеловодстве: материалы научно-практической конференции, 21-23 ноября 2005 г. - Рыбное, 2006.-С. 195-197.

50. Каширин Д. Е. К вопросу вакуумной сушки перги / Д. Е. Каширин, М. Н. Харитонова // Инновационные технологии в пчеловодстве: материалы научно-практической конференции, 21-23 ноября 2005 г. - Рыбное, 2006. - С. 177-179.

51. Каширин Д. Е. Скарификатор перговых сотов / Д. Е. Каширин, А. В. Ларин, В. Н. Кривобоков // Инновационные технологии в пчеловодстве: материалы научно-практической конференции - Рыбное, 2006. - С. 179-182.

52. Каширин Д. Е. Способ извлечения перги из сотов / Д. Е. Каширин // Роль молодых ученых в реализации национального проекта развитие АПК: материалы Международной научно-практической конференции, - Москва, 2007. - С. 200-201.

53. Каширин Д. Е. Вибрационная установка для извлечения перги из ячеек сот / Д. Е. Каширин // Роль молодых ученых в реализации национального проекта развитие АПК: материалы Международной научно-практической конференции. - М., 2007. - С. 201-202.

54. Каширин Д. Е. Установка для извлечения перги из перговых сотов / Д. Е. Каширин // Роль молодых ученых в реализации национального проекта развитие АПК: материалы Международной научно-практической конференции. — М., 2007. — С. 202—204.

55. Каширин Д. Е. Способ заготовки перги / Д. Е. Каширин, М. Н. Харитонова // Интенсивные технологии переработки продуктов пчеловодства, их переработка и применение: материалы научно-практической конференции, 22-24 ноября 2006 г.- Рыбное, 2007. - С. 68-70.

56. Харитонова М. Н. Микробиологическая чистота лыльцовой обножки и перги / М. Н. Харитонова, Д. Е. Каширин // Успехи апитерапии: материалы 13 Всероссийской научно-практической конференции. - Рыбное, 2008. - С. 148-150.

57. Каширин Д. Е. Сушка перги в сотах / Д. Е. Каширин, М. Н. Харитонова // Успехи апитерапии: материалы 13 Всероссийской научно-практической конференции. - Рыбное, 2008. -С. 183-186.

58. Каширин Д. Е. Исследование процесса измельчения перговых сотов / Д. Е. Каширин // Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий АПК: материалы Международной научно-практической конференции, 4-5 мая 2009 г. - Мичуринск: Мичуринск-наукоград, 2009.-С. 181-183.

59. Ильин М. В. Феноменологическая модель массопереноса / Д. Е. Каширин, М. В. Ильин // Математические методы в научных исследованиях: межвузовский сборник. -Рязань: РГРТУ, 2010. - С. 25-31.

60. Каширин Д. Е. К вопросу определения прочности восковой основы пчелиных сотов / Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов // Инновационные технологии и средства механизации в растениеводстве и животноводстве: сборник научных трудов. - Рязань, 2011. - С. 105-107.

61. Каширин Д. Е. Исследование пластических свойств восковой основы пчелиных сотов / Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов // Актуальные проблемы и их инновационные решения в АПК: сборник научных трудов, посвященный 60-летию инженерного факультета. - Рязань, 2011.-С. 84-86.

62. Каширин Д. Е. Исследование процесса вибрационной очистки суши пчелиных сотов от загрязнений / Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов // материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых, 24-25 апреля 2012 г. - Орел, 2012. - С. 294-297.

63. Каширин Д. Е. К вопросу очистки суши пчелиных сотов от загрязнений перед перетопкой / Д. Е. Каширин, А. В. Куприянов // материалы международной научно-практической конференции, посвященной 55-летию Института механики и энергетики, 16-19 октября 2012. - Саранск, 2012. - С. 235-236.

Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная Усл. печ. л.2 Тираж 120 экз. Заказ № 984 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологнческий университет имени П. А. Костычева» 390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1 Отпечатано е издательстве учебной литературы и учебно-методических пособий ФГБОУ ВПО РГАТУ 390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1

05201351737

На правах рукописи

КАШИРИН ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПЕРГИ ИЗ СОТОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫМИ СРЕДСТВАМИ МЕХАНИЗАЦИИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.20.01 - ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: д.т.н., профессор Н.В. Бышов

Рязань - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................9

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........ 16

1.1. Роль пыльцы, обножки и перги в пчеловодстве и народном хозяйстве... 16

1.1.1. Пыльца растений как сырье для производства перги пчелами............ 16

1.1.2. Значение пыльцы растений для жизнедеятельности пчел.................. 21

1.1.3. Использование пыльцы и перги для нужд человека.........................26

1.2. Анализ существующих способов заготовки цветочной пыльцы и обножки....................................................................................... 30

1.3. Анализ существующих способов заготовки перги............................. 34

1.4. Анализ существующих механизированных технологий извлечения

перги из пчелиных сотов.................................................................. 39

1.4.1. Анализ способов сушки перги................................................... 47

1.4.2. Исследование процесса скарификации перговых сотов.................... 54

1.4.3. Анализ исследований процесса измельчения перговых сотов............ 55

1.4.4. Исследование процесса отделения перги из измельченной

воскоперговой массы...................................................................... 60

Постановка проблемы, цель работы и задачи исследования..................... 63

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПЕРГИ ИЗ ПЕРГОВЫХ СОТОВ....................................................................................65

2.1. Требования, предъявляемые к механизированным технологиям в пчеловодстве.................................................................................. 65

2.2. Предлагаемые способы извлечения перги из перговых сотов............... 66

2.3. Классификация механизированных способов извлечения перги из

пчелиных сотов............................................................................. 71

Выводы....................................................................................... 76

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИ-АКТИВНЫХ СВОЙСТВ ПЕРГИ И ВОСКОВОЙ ОСНОВЫ ПЕРГОВЫХ СОТОВ....................................................................................... 78

3.1. Цель и программа исследований................................................... 78

3.2. Сравнительное исследование микробиологической чистоты обножки и перги.......................................................................................... 79

3.3. Исследование изменений биологически-активных свойств перги при различных способах сушки, охлаждения и консервации........................... 81

3.4. Методика исследования некоторых физико-механических свойств

перги и восковой основы перговых сотов............................................. 84

3.4.1. Методика исследования усилия, удерживающего гранулы перги в ячейках сота................................................................................. 84

3.4.2. Методика исследования гигроскопических свойств перги................ 87

3.4.3. Методика определения прочностных свойств восковой основы перговых сотов.............................................................................. 88

3.5. Результаты исследования некоторых физико-механических свойств перги и восковой основы перговых сотов............................................. 91

3.5.1. Результаты исследования усилия, удерживающего гранулы перги в ячейках сота................................................................................. 93

3.5.2. Результаты исследования гигроскопических свойств перги.............. 93

3.5.3. Результаты исследования прочностных свойств восковой основы

перговых сотов.............................................................................. 95

Выводы....................................................................................... 96

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СПОСОБОВ СУШКИ ПЕРГИ........................................................................................ 98

4.1. Анализ способов снижения энергоемкости процесса сушки перги........ 98

4.2. Предлагаемые конструкции энергосберегающих установок для сушки перги.......................................................................................... 101

4.3. Программа исследования энергосберегающих способов сушки перги... 111

4.4. Теоретическое исследование процесса конвективной циклической сушки перги................................................................................. 112

4.4.1. Скорость сушки как функция температуры агента сушки................. 114

4.4.2. Температура перги в сотах как функция времени нагрева................. 116

4.4.3. Относительная влажность перги как функция времени сушки........... 117

4.4.4. Универсальные закономерности................................................ 120

4.4.5. Закон изменения температуры перги........................................... 120

4.4.6. Закон изменения относительной влажности перги.......................... 122

4.4.7. Решение и исследование уравнения массопереноса......................... 126

4.4.8. Нелинейный закон изменения относительной влажности перги......... 127

4.4.9. Математическая модель сушки.................................................. 134

4.4.10. Основные результаты численного моделирования для заданного набора параметров модели, описывающей процесс сушки........................ 136

4.4.11. Оптимизация параметров процесса сушки по конечной влажности продукта...................................................................................... 143

4.4.11.1. Вариант построения оптимального режима сушки...................... 147

4.4.11.2. Оптимизация параметров сушки путем минимизации энергозатрат. 150

4.5. Методика экспериментальных исследований................................... 153

4.5.1. Методика экспериментального исследования циклической конвективной сушки перги в сотах..................................................... 153

4.5.2. Методика экспериментального исследования циклической конвективной сушки перги россыпью................................................ 155

4.5.3. Методика экспериментального исследования вакуумной сушки перги

в соте........................................................................................... 156

4.5.4. Методика экспериментального исследования вакуумной сушки освобожденной от восковой основы сота и измельченной перги................ 159

4.6. Результаты экспериментальных исследований................................. 160

4.6.1. Результаты экспериментального исследования процесса конвективной циклической сушки перги в соте..................................... 160

4.6.2. Результаты исследования конвективной циклической сушки гранул перги россыпью............................................................................. 164

4.6.3. Результаты исследования вакуумной сушки перги в соте.................. 166

4.6.4. Результаты исследования процесса вакуумной сушки освобожденной

от восковой основы сота и измельченной перги..................................... 169

Выводы....................................................................................... 170

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПЕРГОВЫХ СОТОВ... 173

5.1. Требования, предъявляемые к процессу измельчения и измельчителям перговых сотов.............................................................................. 173

5.2. Разработка конструктивно технологических схем измельчителей перговых сотов.............................................................................. 175

5.3. Теоретическое обоснование процесса измельчения перговых сотов...... 188

5.3.1. Анализ сил действующих на продукт в рабочей камере штифтового измельчителя................................................................................ 188

5.3.2. Вывод уравнения движения куска сота в рабочей камере измельчителя................................................................................. 190

5.3.3. Теоретическое исследование процесса выхода измельченного продукта из рабочей камеры измельчителя........................................... 194

5.3.3.1. Первая модель выхода измельченного продукта из рабочей камеры.. 195

5.3.3.2. Вторая модель выхода измельченного продукта из рабочей камеры.. 198

5.4. Программа и методика лабораторных исследований штифтовых

измельчителей перговых сотов.......................................................... 201

5.4.1. Описание конструкции лабораторной установки, с вертикально расположенной рабочей камерой, предназначенной для исследования

схемы размещения штифтов на рабочем валу....................................... 202

5.4.2 Методика проведения опытов по измельчению перговых сотов в лабораторной установке.................................................................. 206

5.4.3. Методика определения процента целых гранул перги, содержащихся

в измельченной массе перговых сотов................................................. 207

5.4.4. Планирование многофакторного эксперимента.............................. 209

5.4.5. Описание конструкции полномасштабной лабораторной установки, содержащей вертикально расположенную рабочую камеру..................... 216

5.4.6. Методика проведения опытов по измельчению перговых сотов в полномасштабной лабораторной установке, содержащей вертикально расположенную рабочую камеру....................................................... 221

5.4.7. Планирование многофакторного эксперимента.............................. 222

5.4.8. Методика определения производительности измельчителя перговых сотов и энергоемкости процесса измельчения....................................... 224

5.4.9. Методика исследования технологических возможностей измельчителя перговых сотов и диапазона физико-механических свойств продукта, при которых возможно его измельчение................................. 226

5.4.10. Описание конструкции лабораторной установки для извлечения перги из перговых сотов, содержащей горизонтально расположенную рабочую камеру............................................................................. 229

5.4.11. Анализ конструктивно-технологических параметров измельчителя горизонтального типа, подлежащих экспериментальному исследованию..... 238

5.4.12. Методика измельчения перговых сотов в измельчителе горизонтального типа..................................................................... 240

5.4.13. Планирование многофакторного эксперимента, направленного на определения рациональных параметров рабочего вала измельчителя горизонтального типа..................................................................... 241

5.4.14. Планирование многофакторного эксперимента, направленного на определение рационального количества противорезов и схемы их размещения в рабочей камере измельчителя горизонтального типа............ 243

5.4.15. Методика исследования технологических возможностей и

фактической производительности измельчителя горизонтального типа....... 245

5.5. Результаты лабораторного исследования........................................ 246

5.5.1. Результаты исследования схемы размещения штифтов на рабочем

валу измельчителя вертикального типа................................................ 246

5.5.2. Результаты определения рациональных конструктивно-технологических параметров полномасштабной лабораторной установки вертикального типа......................................................................... 248

5.5.3. Результаты исследования технологических возможностей измельчителя перговых сотов вертикального типа и диапазона физико-механических свойств продукта, при которых возможно его измельчение... 252

5.5.4. Результаты исследования конструктивно-технологических параметров рабочего вала измельчителя горизонтального типа.................. 254

5.5.5. Результаты исследования рационального количества противорезов и схемы их размещения в рабочей камере измельчителя горизонтального

типа............................................................................................ 256

5.5.6. Результаты исследования технологических возможностей и

фактической производительности измельчителя горизонтального типа....... 257

Выводы....................................................................................... 258

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТДЕЛЕНИЯ ПЕРГИ ИЗ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ МАССЫ ПЕРГОВЫХ СОТОВ................................. 261

6.1. Цель и программа исследования................................................... 261

6.2. Теоретическое исследование процесса отделения перги от восковых частиц на вибрационном решете........................................................ 264

6.2.1. Уравнение движения вибрационного решета................................. 269

6.2.2. Исследование уравнения движения вибрационного решета............... 270

6.3. Результаты численного моделирования исследуемого процесса........... 273

6.4. Исследование движения частицы на наклонной плоскости.................. 286

6.5. Движение твердых тел по вибрирующей поверхности........................ 293

6.5.1. Самоориентация..................................................................... 294

6.5.2. Сыпучее тело под действием вибрации........................................ 295

6.5.3. Исследование процесса просеивания сыпучего тела по действием вибрации...................................................................................... 296

6.5.4. Модель просеивания сыпучей массы........................................... 297

6.5.5. Расчет движения смеси по лотку................................................ 302

6.6. Методика экспериментального исследования.................................. 307

6.6.1. Методика экспериментального определения рационального размера отверстий вибрационного решета...................................................... 307

6.6.2. Методика экспериментального исследования режимов вибрации решета......................................................................................... 310

6.7. Результаты экспериментального исследования................................. 313

6.7.1. Результат исследования гранулометрического состава измельченной массы перговых сотов..................................................................... 313

6.7.2. Результаты экспериментального исследования режимов вибрации

решета......................................................................................... 316

Выводы....................................................................................... 319

7. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПЕРГИ ИЗ ПЕРГОВЫХ СОТОВ....................................................................................... 321

7.1. Программа и методика производственных испытаний....................... 321

7.2. Результаты сравнительных производственных испытаний.................. 327

7.3. Определение рыночной стоимости предлагаемых установок............... 331

7.4. Определение показателей экономической эффективности внедрения предлагаемых установок для извлечения перги и установки для сушки

перговых сотов в сравнении с существующими серийными установкам...... 333

Выводы....................................................................................... 340

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................... 342

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................ 344

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 366

ВВЕДЕНИЕ

Пчеловодство является важнейшей отраслью сельского хозяйства, от развития которой в значительной мере зависит урожайность основных сельскохозяйственных культур. Опыление пчелами сельскохозяйственных растений повышает их урожайность на 30...60% [100-102]. Известно, что прибыль от увеличения ресурсов земледелия посредством пчел в 10... 12 раз превышает прибыль от реализации всех продуктов пчеловодства [105, 160]. Эффективно развивать эту отрасль возможно только при наличии достаточного количества белкового корма в пчелиной семье. Единственными незаменимыми источниками белков, витаминов и липидов для медоносных пчел является пыльцевая обножка и приготавливаемая из нее пчелами перга [105, 160].

Пыльцевая обножка и перга широко применяются в апитерапической практике благодаря их многостороннему положительному воздействию, оказываемому на организм человека. Эти продукты пчеловодства успешно используются для профилактики и лечения заболеваний сердечнососудистой, иммунной систем, органов пищеварения, дыхания, гинекологических заболеваний [221, 223].

О современном состоянии отрасли пчеловодства в нашей стране можно судить по количеству производимого товарного меда. Медовой потенциал нашей страны составляет 3,4 миллиона тон, в то время как на протяжении последних 18 лет производство отраслью товарного меда составляет 50...55 тысяч тон в год [101, 223].

В значительной мере такое положение дел связанно с тем, что зоны произрастания растений пыльценосов имеют существенную неоднородность, в связи, с чем существует необходимость перераспределения белковых кормов, главным образом перги или подкормок, приготовленных на ее основе, из зон, где имеется их изобилие, в зоны, в которых пчелы испытывают белковое голодание [203, 204].

Заготовка и дальнейшее использование пыльцевой обножки представляется малоэффективным по целому ряду объективных причин, в частности отбор из пчелиного гнезда обножки посредством пыльцеуловителей существенно ослабляет пчелиную семью и препятствует ее эффективному развитию, в то время как заготовка в период активного медосбора перговых сотов не оказывает существенного влияния на жизнь пчелиной семьи, а напротив, побуждает ее к более активной заготовке этого продукта [203, 204].

Во время формирования пчелиного гнезда на зиму пчеловоды традиционно выбраковывают старые перговые соты, которые подлежат дальнейшей переработке в качестве воскового сырья. Наличие перги в выбракованных сотах приводит к потерям воска и существенно ухудшает его качество, в то время как на рынке существует постоянный спрос на пергу.

Такое положение дел связанно с отсутствием высокоэффективных механизированных технологий извлечения перги из пчелиных сотов и специальных средств механизации.

Наиболее широкое распространение в настоящее время имеют ручные или частично механизированные технологии, в связи, с чем перга, извлекаемая из сота, часто подвергается влиянию химических и физических воздействий, приводящих к нарушению качества получаемого продукта, высокой энергоемкости и трудоемкости технологических процессов [60, 107].

На основании вышеизложенного возможно заключить, что разработка и внедрение в производство высокоэффективных энергосберегающих способов извлечения перги из сотов и специальных средств механизации является актуальной проблемой механизации пчеловодства.

Цель