автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Интенсификация процесса и обоснование параметров рабочего органа для дезинтеграции сокосодержащих структур сеяных трав

5 ОД

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ. ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ " ' ПОЛИТИКИ РСФСР

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УЙ в31.355.02.001.24

ВЕЛАСКЕС КАСТАНЬОС ХУЛИО ЛУКС

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ОРГАНА ДЛЯ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ СОКОСОДЕРНАЦИХ СТРУКТУР СЕЯНЫХ ТРАВ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства

Автореферат

диссертации на сойсканне ученой степени кандидата технических|наук

Ростов-на-Дону 1994

Работа выполнена в Донском государственном техническом университете на кафедре СХИП

академик Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор ДОЛГОВ И. А.

доктор технических наук, профессор. КРАСНОВ И.Н.

кандидат технических наук, ассистент КИРЩИЕВ O.P.

Всероссийский научно-иссдедователь ский проектно-технологический институт механизации и электрофикации сельского хозяйства (г.Зерноград, Ростовская область)

Защита состоится jj декабря 1994 г. в 10.00 часов на заседании специализированного Совета Д.063.27.02 при Донское государственном техническом университете, а.252. Адрес: 344708. г.Ростов-на-Дону. ГСП-8. пл.Гагарина,1. ДГТУ.

С диссертацией можно ознакоиться в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в 2-х экз., заверенный печатью, просим выслать в специализированный Совет по указанному адресу.

Автореферат разослан 46 ноября 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета д-р техн. наук, професрор

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Население Боливийской республики составляет около 8 млн.человек. Для удовлетворения собственных нужд в животноводческой продукции ежегодно требуется 6.7 млн. тонн молока и молочных продуктов, 260 тыс.тонн мяса, 2.7 млрд. яиц. Потребности в продукции животноводства Республика Боливии полностью удовлетворяет собственными силами.

В силу природно-климатических условий Республики Боливия, одним из основных направлений ее сельского хозяйства является животноводство. После проведения аграрной реформы, в последние года в стране широко развивается кооперативное движение. Средний кооператив имеет до 500 га земли, поэтому остро стоит вопрос обеспечения землепользователей малогабаритной и высокоэффективной сельскохозяйственной техникой, в особенности для приготовления кормов.

Наиболее перспективным направлением развития кормопроизводства является приготовление высоковитамииных кормов с применением влажного фракционирования сеяных трав, в основе которого лежит процесс отжима сока из растительного сырья.

Учитывая то, что сельское хозяйство Республики Боливия мало-механизировано и подобная технология приготовления кормов практически отсутствует, создание эффективных рабочих органов для получения высокопротеиновых добавок кормового назначения с использованием технологии влажного фракционирования является очень актуальной проблемой.

Первый обязательный этап влажного фракционирования состоит в дезинтеграции (разрушении) сокосодержащих структур сеяных трав. Наилучшие качество дезинтеграции (разрушении) достигается при применении рабочего органа матрично-кольцевого типа, поэтому исследование направлено на определение рациональных параметров и режимов работы такой установки, отвечающей современным агротребо-ваниям и обеспечивающей снижение энергозатрат.

Подобное решение задачи актуально и для Российской Федерации в связи с реформами, проводимыми в сельском хозяйстве в настоящее время.

Цель исследования. Целью настоящей работы является теорети-

чески-экспериментальное обоснование параметров рабочего органа матрично-кольцевого типа, обеспечивающих выполнение агрозоотребо-ваний к качеству разрушения сокосодержащих структур при влажном фракционировании сеяных трав с целью получения наибольшего количества сока при рациональных энергозатратах.

Задачи исследования. Теоретические исследования процесса дезинтеграции (разрушения) сокосодержащих структур для дальнейшего получения сока при влажном фракционировании зеленых кормов, экспериментальные исследования показателей, определяющих степень разрушения сокосодержащих структур, обоснование оптимальных параметров и режимов работы установки матрично-кольцевого типа, используемых для дезинтеграции (разрушения) водонасыщенных клеток.

Объект исследования. Установка матрично-кольцевого типа состоящая из перфорированной матрицы, ролика, привода, двигателей и компрессионной камеры со съемным дном.

Методика исследования. Теоретически исследовался процесс разрушения сокосодержащих структур с помощью математического моделирования и законов механики, планирования многофакторного эксперимента, обработки экспериментальных данных при помощи ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на специально изготовленных установках.

Научная новизна. Разработана математическая модель разрушения сокосодержащих структур, позволяющая выбирать оптимальные параметры рабочего органа и режимов его работы с учетом физико-механических свойств обрабатываемого материала; разработана инженерная методика расчета для ЭВМ. позволяющая определить основные параметры рабочего органа,обеспечивающие минимальную энергоемкость процесса.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработана конструкция установки матрично-кольцевого типа. обеспечивающая качественное разрушение сокосодержащих структур и оптимальную энергоемкость процесса;

- разработана инженерная методика, позволяющая рассчитать основные конструктивные, кинематические и технологические параметры рабочего органа матрично-кольцевого типа;

- определены оптимальные параметры установки матрично-кольцевого типа для разрушения сокосодержащих структур с производительностью 1-3 т/ч;

- разработан комплект рабочей конструкторской документации рабочего органа матрично-кольцевого типа:

- создан и испытан опытный образец рабочего органа матрично-кольцевого типа.

Апробация. Результаты исследований докладывались на научных конференциях Донского государственного технического университета 1991-1993 г.Г.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 2-х научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников (96 наименований) и 4 приложений. Изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика проблем приготовления высокопротеиновых кормов и изложены положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ агрозоотребований к качеству дезинтеграции (разрушения) материала при влажном фракционировании, в результате установлено, что эффективнее и перспективнее применять рабочие органы, с помощью которых после дезинтеграции сокосодержащих* структур при отжиме извлекается оптимальное количество сока в зависимости от назначения получаемого конечного продукта. Рассмотрены научные исследования по получению сока из зеленых растений, позволившие определить основные предпосылки использования рабочего органа матрично-кольцевого типа при влажном фракционировании зеленых корнов.

Обзор и анализ теоретических исследований по разрушению (дезинтеграции) сокосодержащих структур сеяных трав, выполненных Г.К.Васильевым, И.А.Долговым, В.И. Особовым. Н.В.Порилой, Г.Я. Сарбманом, В.И.Фоминым и В.Н.Щербиной показал, что при дезинтеграции сокосодержащих структур происходит деформация волокнистого скелета и этот процесс может описать на базе теории деформации вязко-упругого материала с помощью двухфазной модели.

На основе анализа конструкторских разработок и агрозоотребований к дезинтеграции зеленых растений, следует, что наиболее эффективным рабочим органом является установка матрично-кольцевого

типа, в результате изучения его применения при разрушении сокосодёржащих структур были определены основные параметры и режимы работы.

Исходя из проведенного анализа сформулирована цель настоящего исследования - теоретически-экспериментальное обоснование параметров выбранного рабочего органа матрично-кольцевого типа, используемого для разрушения сокосодёржащих структур сеяных трав в процессе приготовления высоковитаминных кормов при влажном фракционировании с производительностью до 3 тонн/час и с достаточно низкой энергоемкостью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически исследовать процесс дезинтеграции сокосодёржащих структур сеяных трав в рабочем органе матрично-кольцевого типа для получения сока, с определением его параметров:

- экспериментально исследовать влияние конструктивных, кинематических параметров и режимов работ установки матрично-кольце-вого типа для дезинтеграции сокосодёржащих структур при механическом обезвоживании многолетних сеяных трав;

- теоретически и экспериментально исследовать процесс экструзии с помощью компрессионной камеры:

- определить оптимальные значения параметров и режимов работ установки матрично-кольцевого типа для разрушения сокосодёржащих структур, обеспечивающих требуемое качество материала при влажном фракционировании сеяных трав с учетом технологии кормозаготовки.

Во второй главе представлены теоретические подходы к исследованию и моделированию процессов экструзии и дезинтеграции сокосодёржащих структур сеяных трав при влажном фракционировании в лабораторных условиях. В п.2.1. 2.2 рассмотрены вопросы исследования некоторых физико-механических свойств травяной массы, как основополагающих при реализации процесса моделирования травяной массы при влажном фракционировании.

В п.2.3. излагается подход к математическому моделированию процесса экструзии травяной массы в лабораторных условиях. С этой целью в качестве исходной была рассмотрена плоская задача о выдавливании жестким поршнем из цилиндрической компрессионной камеры (Я = 1/2) с отверстием в его дне (<1 - Ь - а) растительного материала (рис. 1).Растительный материал моделируется упругой сплошной средой, заполняющей компрессионную камеру. Под действием силы

"xi

Рис.1. Схема компрессионной камеры Р поршень смещается на величину 5 . Через отверстие в дне камеры от а до Ь (а < Ь) материал поступает во вне. Решение поставленной задачи с помощью методов разделения переменных и интегральных преобразований сводится к решению сингулярного интегрального уравнения 1 рода.

(1)

Неизвестной функцией, определяемой из интегрального уравнения. является Высота поверхности выходящего через отверстие материала

(2)

р. (Ьгл &(р) .

и н >

л ^ С.тг1а-Ь)1 Оо

.у"_ постоянные Лямэ,. упругого материала, - высота цилиндрической камеры. Масса материала вышедшая через отверстие определяется по формуле

та)-/

7г/о

г* & г

У - плотность материала. Там же представлены и другие важные для исследования процесса формулы. Отметим, что нормальные напряжения на кромках отверстия в дне камеры имеют особенность. Исследования показали, что при

7у/БГ

зтт у/

(а - диаметр отверстия) на кромках отверстия достигаются максимальные напряжения, свидетельствующие об эффективно решении в этом случае растительного материала.

В п.2.4. представляется схема моделирования процесса дезинтеграции сокосодержащих структур в лабораторных условиях состоящей из пяти стадий: (рис.2)

а - выход газовой фракции из сжимаемого материала: б - упругое сжатие материала; в - упругое сжатие и появление сока в материале (в

части материала); г - упругое сжатие материала, состоящего из двух

фаз: твердой и жидкой; |Д - отделение сока сжатием двухфазного материала.

* №

Р4

т-кг.и^т

|р»

л « I

а\

51 . И V 3)

Рис.2. Схема моделирования ВФРМ по стадиям

Математическое моделирование каждой их вышеназванных стадий дается в п.2.5. Указаны простейшие модели упругой и двухфазной

среды.

В п.2.6. дается математическая модель процесса на стадиях

г.д. Поведение двухфазной среды (упругого скелета и жидкости) описывается моделью Био. В этом пункте была поставлена задача в выдавливании поршнем, на который действует сила Р, жидкости и составляющей (сока) их двухфазной среды, расположенной в компрессионной камере (В = Ь/2. И - высота камеры). Нижнее дно камеры перфорировано и сквозь него проходит сок, масса которого подсчи-тывается по формуле

4

м-// v. жо > (ж0) (4)

А

В результате решения поставленной задачи методом разделения переменных и интегрального преобразования Лапласа (трением в задаче пренебрегается) получены некоторые важные формулы:

- формула для силы Р. действующей на поршень,б и выраженной через смещение поршня и массу выделившегося к этому моменту сока

Ми«] <•>

- формула для определения массы полеченного сока

ж [/т^ * г % /е^« -Ульшт] г" ¿я- (е*и)мыля а

^РгИ) - перепад (приращение) парового давления по высоте камеры, Ь - коэффициент Дарси, X ,/> - упругие постоянные скелета, ¡1, 0 - постоянные жидкости (сока), Р - коэффициент пористости /' - плотность сока.

- другие формулы, такие как боковое давление р^ , смещения жидкой и твердой фаз М2 и и1,и2. напряжения в упругом скелете и т.п.

В п.2.7. даны описания построения модели для третьей стадии (в). когда часть материала уже находится в двухфазном состоянии (упругий скелет и жидкость), тогда как другая часть в однофазном - упругом состоянии. Модель такой среды предполагает границу между фазами в объеме компрессионной камеры. На основании этого

поставлены соответствующие математические задачи и описаны методы их решения.

В п.2.8. даны общие математические постановки задач для моделирования процесса отжима травяной массы в рабочем органе мат-рично-кольцевого типа.

Граничные и начальные условия рассмотренной задачи имеют

вид:

Х,=0 ; Ш-Р(Хи) , /г£(с,У <г«--о} хг£(-~.<)и(М

Хг-Н, Си--0} Хгб(-о.а)

РГ-О} ХгИ-а>а)

Я'0;Хг е (-«'-а) и (а,со)

(7)

Н" рис.3 указана общая схема для расчета, как процесса де-зинтограции, так и экструзии в рабочем органе матрично-кольцевого типа. Указаны постановки задач, с учетом сил трения, так и без их учета.

Рис.3. Схема установки матрично-кольцевого типа - 10 -

Для решения поставленных задач, когда материал представляет из себя двухфазную среду, применяются разностные методы решения систем дифференциальных уравнений двухфазной среды Био. Результата численного решения рассматриваемых задач приведены в приложении 3.

В третьей главе изложена программа и методика экспериментальных исследований.

Программой экспериментальных исследований предусматривалось решение следующих задач:

- исследование дезинтергацни растительной массы методом экструзии и. анализ качества показателей разрушения (дезинтеграции) сокосодержащих структур;

- исследование процесса дезинтеграции сокосодержащих структур при влажном фракционировании с помощью установки матрично-кольцевого типа;

- исследование процесса отжима растительной массы в компрессионной камере:

- определение оптимальных значений исследуемых параметров обеспечивающих выполнение агротребований;

- исследование влияния конструктивных и кинематических параметров установки матрично-кольцевого типа для дезинтеграции сокосодержащих структур сеяных трав;

- исследование энергоемкости процесса дезинтеграции растительной массы с помощью установки матрично-кольцевого типа.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на специальных установках с использованием люцерны влажностью 76-80 %. В качестве основного параметра, характеризующего исследуемый процесс была принята степень разрушения сокосодержащих структур, которая определялась по количеству полученного сока из обрабатьваемого материала при идентичных условиях отжима.

Для выполнения программы исследования использована методика многофакторного и однофакторного эксперимента. Из оприорной информации и результатов теоретических исследований были определены основные независимые факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на процесс дезинтеграции сокосодержащих структур на установке матрично-кольцевого типа. К ним отнесены:

- число оборотов матрицы;

- скорость подачи материала;

- диаметр отверстий матрицы.

В качестве энергетических критериев приняты:

- удельная энергоемкость рабочего процесса установки матрич-но-кольцевого типа;

- удельная энергоемкость подающего транспортера;

- потребная мощность рабочего процесса установки матрич-но-кольцевого типа;

- потребная мощность подающего транспортера.

Работа экструзионного дезинтегратора оценивается по удельной энергоемкости процесса дезинтеграции (г\ ) и по качественному, комплексному показателю (}> ) характеризующему степень выхода СЗ из измельченной ИЗ при идентичных условиях отжима.

где К» Ио&ц-Н** - мощность расходуемая на процесс дезинтеграции. кВт;

ЫвЬщ- потребляемая мощность. кВт;

Ы*х ~ мощность холостого хода. кВт; Ц - подача МЗ. т/ч;

масса СЗ. выделенного из 100 гр МЗ при идентичных условиях ее отжима, кг; ППнг масса пробы измельченной МЗ. кг; \л(и- влажность исходной МЗ; СВ£|- содержание сухого вещества в СЗ. %;

Исследовался также процесс дезинтеграции сокосодержащих структур в компрессионной камере. Была установлена закономерность сжатия обрабатываемого материала с учетом его физико-механических свойств.

При планировании многофакторного эксперимента были получены уравнения регрессии, проверена значимость коэффициентов и адекватность найденных уравнений эксперименту.

Обработка статистических данных проводилась на ЭВМ РС ХТ 386.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований, представлен их анализ.

(8)

При исследовании процесса дезинтеграции растительной массы методом экструзии в рабочем органе матрично-кольцевого типа и анализе качества показателей разрушения был использован метод многофакторного эксперимента.

В качестве варьируемых, использовались независимые, легко реализуемые и. как показали результаты анализов предварительных исследований, оказывающие наибольшее влияние на процесс дезинтеграции, факторы:

- число оборотов матрицы;

- подача материала;

- диаметр отверстий в матрице.

Анализы результатов исследований показали, что изучаемый технологический процесс может быть описан следующими выражениями

Уд-Шьхао

(9)

Они описываются линейными уравнениями:

= 0.425 + 0.0676X1 - 0,0502X2 - 0.0981X3 (10)

6.781 + 1.653X1 + 1,862X2 - 1,060X3 (11)

На функцию отклика наибольшее влияние оказывает фактор ХЗ - диаметр отверстия перфорации матрицы. Математическая модель (И) определяет зависимость удельных энергозатрат исследуемого процесса дезинтеграции сокосодержащих структур растительной массы от данных факторов с таким же уровнем варьирования.

Удельные энергозатраты процесса дезинтеграции сокосодержащих структур растительного материала возрастают с увеличением производительности установки и числа оборотов матрицы кольцевого типа, а с увеличением диаметра отверстий уменьшается.

Исследование процесса дезинтеграции сокосодержащих структур люцерны влажностью 76.555 на установке матрично-кольцевого типа показали, что при частоте вращения ведущего ролика 700 - 1100 об/мин, изменения толщины слоя от 0.12 М до 0.20 М и диаметра отверстия матрицы от 0.01 М до 0.014 1! возможно регулирование выхо-

да количества сока при его дальнейшем отжиме в пределах от 20 X до 29 % при этом энергоемкость процесса не превышает 0,5 кДж/кг. Это значительно ниже, чем у известных промышленных и экспериментальных образцов для дезинтеграции сокосодержащих структур сеяных трав волокнистых материалов /18.57/.

Таким образом, установка матрично-кольцевого типа может быть использована в технологии влажного фракционирования зеленых кормов. как имеющая низкую энергоемкость и позволяющая регулировать количество получаемого сока при его дальнейшем отжиме в широких диапазонах.

На рис.4 представлен график экспериментально-опытных резуль-

татов.

ЩС"' <■20}

$00 <00 300

т

350

360 370 380 /Кг/М*

Рис.4. График значений экспериментально-опытных результатов

Результаты исследования процесса экструзии растительной массы в компрессионной камере представлены на рис. 5. ЯГПс.Гр1'

5 Р, Г

Рис.5. График результатов исследования процесса экструзии растительной массы

После анализа графика пришли к выводу, что для проведения инженерных расчетов особый интерес представляет установление оптимальных конструктивно-технологических параметров процесса механического обезвоживания зеленой массы. Эти анализы показали, что и качестве критерия оптимизации данного процесса целесообразно использовать функцию отклика линейного типа, характеризующую выход зеленого сока при деформации сжатия зеленой массы.

Результаты влияния исследуемых параметров на качество показателей дезинтеграции сокосодержащих структур растительной массы показали, что в начале процесса деформации зеленого растительного материала происходит предварительное уплотнение без получения сока.

Обработка результатов экспериментов проводилась по методу наименьших квадратов.

После сравнения значимости коэффициентов регрессии, определенных с помощью критерия Стьюдена, уравнения регрессии приобретают следующий вид:

0.165 - 2.4, Ю'гХе (12)

у = 0.76 ♦

(13)

Проверка адекватности этих уравнений проводилась по критерию Фишера (П для уровня значимости 0,1 при числе степеней свободы числителя И = 1 . и знаменателя 12 ■ 1. Расчетное значение для первого уравнения составляет Гс - 1,36, для второго - ГЕ = 1,72, что меньше табличного = 3,23. Это указывает на адекватность полученных уравнений (12) и (13) реальному процессу.

Анализ вышеуказанных уравнений в диапазоне производительности установки от 1 до 3 т/ч показывает, что энергоемкость зависит лишь от величины относительной деформации.

регулирование относительной деформации можно осуществлять за счет изменения частоты вращения (п) приводного элемента рабочего органа постоянной производительности.

На рис.6 показан график потребляемой мощности установки мат-рично-кольцевого типа используемой для дезинтеграции сокосодержащих структур сеяных трав.

Е,к1т

3

2

500

т

300

ноо п,с*

Рис.6. График изменения значений потребляемой мощности установки матрично-кольцевого типа

В пятой главе представлена инженерная методика расчета основных конструктивных, технологических и кинематических параметров рабочего органа матрично-кольцевого типа для дезинтеграции сокосодержащих структур сеяных трав.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате исследований по теме диссертации можно сделать следующие выводы:

1.Установка матрично-кольцевого типа, используемая для дезинтеграции (измельчения) растительного материала является наиболее рациональным устройством, обеспечивающим:

- максимальное разрушение сокосодержащей микроструктуры травяной массы:

- максимальное увеличение объемной плотности растительной массы при ее отжиме:

- сохранение длины волокна,обеспечивающее фактор грубости волокнистой фракции;

2. Специфической особенностью установки матрично-кольцевого типа по сравнению с другими типами установок является возможность с ее помощью создать больший перепад давления (градиент давления). Это обеспечивает максимальное разрушение сокосодержащих структур.

3. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены технологические, конструктивные, энергетические параметры, обеспечивающие заданную производительность установки,используемой для разрушения сокосодержащих сеяных трав при влажном фракционировании.

4. Для моделирования процесса дезинтеграции сокосодержащих структур (экструзии) травяной массы разработана специальная схема, основанная на изменении физико-механических свойств травяной массы в процессе отжима. Системно-схемный подход позволил:

- изучить некоторые физико-механические свойства травяной массы (в лабораторных условиях):

- поэтапно смоделировать процесс разрушения травяной массы на основе механики двухфазных сред;

- получить расчетные формулы, связывающие силовые, геометрические, физические и физико-механические параметры травяной массы.

5. Разработанные научные основы анализа процесса дезинтеграции (разрушения) сокосодержащих структур с использованием рабочего органа матрично-кольцевого типа дают возможность оценить качество его функционирования.

6. Разработанная методика расчета параметров установки матрично-кольцевого типа учитывает ее конструктивные и кинематические параметры, а также физико-механические свойства обрабатываемого материала.

7. В результате лабораторных испытаний установлено, что экспериментальный рабочий орган матрично-кольцевого типа обеспечивает выполнение агрозоотребований. предъявляемых к качеству разрушения сокосодержащих структур сеяных трав при влажном фракционировании.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Веласкес X.JI. Чемкинов C.B. Экспериментальное исследование процесса дезинтеграции зеленых кормов на кольцевом рабочем органе Сб.: Производство протеиновых концентратов зеленых кормов. -Ростов Н/Д. РИСХМ. 1992.- С. 9-11.

2. Долгов И.А. Веласкес Х.Л. Математическая постановка задачи о продавливании растительного материала через отверстие с использованием модели Био. - Сб.: Производство протеиновых концентратов зеленых кормов. - Ростов н/Д. РИСХМ. 1992 г. - С. 3-5.