автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Механизация приготовления жидких коллоидных кормов в животноводстве с использованием гидрокавитационных преобразователей

/

г

МОРДОВСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.П. ОГАРЕВА

На правах рукописи УДК 636.085.6.

САЛМИН Олег Николаевич

МЕХАНИЗАЦИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКИХ КОЛЛОИДНЫХ КОРМОВ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОКАВИТАЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность: 05.20.01. - механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

Профессор П. П. Лезин

Саранск 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ..................4

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОКАВИТА-ЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ КОРМОВ ................10

1.1. Зоотехнические требования, предъявляемые к приготовлению кормов.......... 10

1.2. Физические основы приготовления коллоидных кормов . 14

1.3. Анализ существующих технических средств, способов приготовления кормов ......... 19

1.4. Существующие способы приготовления дрожжеванных жидких кормов в гидрокавитационных установках с лопаточными

и магнитострикционными преобразователями ... 29

1.5. Существующие приборы, датчики для оценки и проверки технологии приготовления коллоидных кормов .... 35

1.6. Цели и задачи исследований ...... 38

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ .... 39

2.1. Основы процесса образования кавитационных пузырьков, каверн лопаточными преобразователями и механизм защиты их от кавитационных разрушений . . . . . . . 39

2.2. Воздействие, в обрабатываемой среде, магнитного поля ультразвукового магнитострикционного преобразователя на кавитационные процессы ......... 45

2.3. Математическое моделирование ультразвукового магнитострикционного преобразователя с распределенной измерительной средой 62

2.3.1. Характеристика магнитного поля проводника тока . . 62

2.3.2. Характеристика источника излучения с точки зрения колебания упругих систем ........ 67

2.3.3. Математическое моделирование распределителя среды магнито-стрикционного преобразователя ..... 69

2.4. Физико-математическое моделирование измерительного преобразователя (датчика) и обоснование выбора измерительного комплекса 99

2.4.1. Геометрическая модель измерительного преобразователя . 99

2.5. Обоснование параметров измерительного комплекса . 104

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ..................113

3.1. Программа исследования . . . . . . 113

3.2. Методика исследования кавитационных процессов и технических характеристик гидрокавитационных установок с лопаточными преобразователями . . . . . . . 115

3.2.1. Разработка установки и выбор измерительного оборудования для исследования лопаточных преобразователей . . . 115

3.2.2. Изучение рабочей гипотезы по формированию кавитационных пузырьков при вращательном движении преобразователей . 118

3.2.3. Обоснование рабочей конструкции установки с лопаточными преобразователями для приготовления питательных кормов 122

3.3. Методика экспериментальных исследований кавитационных процессов в магнитном поле ультразвукового магнитострикционного преобразователя ........ 124

3.3.1. Влияние магнитного поля ультразвукового магнитострикционного преобразователя на формирование кавитационного пузырька

и каверны ......... 124

3.3.2. Установление зависимости формы кавитационной каверны от режи-

мов работы ферромагнитных пластинок . . . . 131 3.3.3. Разработка измерительного комплекса для контроля кавитационных

процессов в эксплуатационном режиме работы . 140

3.4. Разработка способов результирующей погрешности измерительного преобразователя ........ 144

3.4.1. Составляющие результирующей погрешности измерений . 144

3.4.2. Способы снижения методических погрешностей . . 151

3.5. Обработка полученных опытных данных с использованием измерительного комплекса . . . . . . . 161

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЛОПАТОЧНЫХ И МАГНИТО-СТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С РАВНОМЕРНОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ЗОНОЙ ОБРАБОТКИ ... 182

4.1. Технология приготовления жидких кормов с использованием зернофуража в установке с лопаточными преобразователями . 182

4.2. Расчет экономической эффективности комплекса машин и оборудования для механизации процессов дрожжевания кормов . 186

4.3. Технология приготовления заменителей цельного молока для молодняка крупного рогатого скота на гидрокавитационных установках

с лопаточными и магнитострикционными преобразователями 190

ВЫВОДЫ ...................198

ЛИТЕРАТУРА..................200

ПРИЛОЖЕНИЯ..................206

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей стоящей перед производителями сельскохозяйственной продукции, является увеличение производства продуктов животноводства. На современном этапе развития этой отрасли является создание и разработка новой технологии для кормоприготовления, которая наряду с оптимальными теплоэнергетическими показателями давали бы лучшие технологические свойства при приготовлении кормов.

В настоящее время для приготовления тонкодисперстных жидких коллоидных кормов на животноводческих фермах и комплексах применяют варочные котлы и смесительные установки, которые энергоемки, малоэффективны и использование в них высокотемпературных режимов обработки снижают питательные свойства конечного продукта (витамины, ферменты и ростовые вещества). Так же для приготовления коллоидных кормов используют различные гидрокавитационные установки - струйные, лопаточные и магнитострикцион-ные. Использование энергии кавитационного взрыва, который обладает громадной разрушительной силой и сопровождается взрыв электрическими разрядами для приготовления тонкодиспергированных жидких кормов в животноводстве является своевременным и актуальным. С ее помощью можно существенно интенсифицировать основные технологические процессы приготовления жидких кормов в животноводстве и в ряде случаев получить качественно новые показатели.

Недостаток перечисленных гидрокавитационных установок заключается в том, что они организуют кавитационную каверну с пиком интенсивности, где процессы разрушения корма происходят на молекулярном уровне с образованием перекиси водорода, азотной , азотистой кислот и других окислителей присутствие которых в приготовленном корме крайне не желательно.

В специальной литературе имеется большое число публикаций, посвященных кавитационной обработке разных материалов. Они отражают теоретические и экспериментальные результаты исследований в данной области.

Определенный вклад в развитие данного вопроса внесли такие ученые и руководимые ими коллективы как Б.А. Агранат, М.П. Вукалович, Г.И.Эскин, М.Н. Дубровин, H.H. Хавский, С.П. Зубрилов, Ю.Е. Боголюбов. Из зарубежных специалистов наиболее близкими по тематике являются публикации Е. Кикучи (Япония), Р. Кнепп (Англия), А. Куэтта (США).

Таким образом, можно сформулировать принципиально иной подход к проблемам создания как технологических преобразователей кавитационной энергии для повышения качества эксплуатационных характеристик, которые основаны на предложенной в данной работе концепций и методах исследования. Эти методы исследования и концепция учитывают совокупность работы технологических преобразователей в эксплуатационных условиях на различных режимах. В связи с изложенным, указанные выше проблемы являются весьма актуальными и представляют большой научный и практический интерес.

Цель работы. Снижение затрат труда, энергоемкости при приготовлении жидких кормов в животноводстве и повышение качества кормов с использованием гидрокавитационных установок.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследований:

1. Исследовать закономерность образования кавитационных пузырьков и кавитационных каверн за лопаточными, перемещающимися по круговой траектории и ультразвуковыми преобразователями цилиндрической формы в процессе жидкофазной обработки кормов.

2. Обосновать технологические параметры ультразвуковых магнитост-рикционных преобразователей с равномерной зоной кавитационного разрушения в процессе тонкого диспергирования кормов.

3. Создать методическое обеспечение и провести экспериментальные исследования процесса образования кавитационной каверны по проверке теоретических закономерностей и обоснование параметров опытных образцов лопаточных и магнитострикционных преобразователей в эксплуатационном режиме работы.

4. Разработать и внедрить в производство лопаточные и ультразвуковые магнитострикционные преобразователи для приготовления жидкофазных питательных кормов в животноводствеб и оценить их экономическую эффективность.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования,

к* и ^

изложенные в настоящей диссертационной работе, основаны на использовании расчетно-экспериментальных методах исследований с элементами моделирования и методов теории подобия физических и электрических процессов.

Проверка достоверности предложенных исследований в диссертационной работе проводилась на разработанных моделях и созданных в соответствии с этими моделями макетных и промышленных образцах.

Научная новизна. Новые научные результаты и положения состоят в следующем:

1. Предложена рабочая гипотеза по формированию кавитационных пузырьков и каверн при работе лопаточных и магнитострикционных преобразователей, на основе которой разработаны технологические гидрокавитационные установки.

2. Впервые с единой позиции предлагаются новые методы и современное приборно-измерительное обеспечение исследований для создания эксплуатационных гидрокавитационных установок с равномерной зоной кавитации для тонкого диспергирования твердых компонентов корма и уничтожения вредных микроорганизмов.

3. Разработана установка с широким диапазоном режимных изменений и произведен выбор измерительного оборудования, с учетом зарубежного опыта

для исследования лопаточных преобразователей при перемещении их в жид-кофазной среде по круговой траектории в кавитационном режиме, при том среда приближена к реальным условиям работы установки в производственных условиях.

4. Рассмотрены и предложены альтернативные варианты защиты лопаточных преобразователей и камеры обработки от кавитационного разрушения с учетом результатов исследований.

5. Произведен выбор, на базе производственных исследований, рабочей конструкции установки с лопаточными преобразователями для приготовления жидких, тонкодиспергированных коллоидных кормов в животноводстве.

6. Подтверждена результатами исследований рабочая гипотеза о влиянии магнитного поля ультразвукового магнитострикционного преобразователя на формирование кавитационного пузырька и каверны.

7. Установлено результатами исследований влияние режимов работы ферромагнитных пластинок на процессы ультразвукового излучения внутри кави-тационной каверны.

8. Предложена методика определения эксплуатационной погрешности работы ультразвукового магнитострикционного преобразователя.

Практическая ценность. Практическая значимость выполненных работ (исследований) и полученных данных при эксплуатационных испытаниях непосредственно в кормоцехах животноводческих ферм заключается в создании для промышленного производства гидрокавитационных установок с лопаточными, ультразвуковыми магнитострикционными преобразователями с равномерной зоной кавитации для приготовления питательных, сбалансированных жидких кормов в животноводстве в автоматическом режиме обработки, а именно:

- предложена, изготовлена на основании данных расчетно-эксперименталь-ных исследований и успешно прошла эксплуатационные испытания гидрокави-тационная установка с лопастными преобразователями для приготовления сбалансированных по рациону жидких кормов в животноводстве, а конструкция

которой надежно защищена от кавитационного саморазрушения (новизна в 1998 году защищена патентом Российской Федерации);

- предложена и практически подтверждена на гидрокавитационных установках с лопаточными преобразователями с равномерной зоной кавитации новая технология приготовления дрожжеванного корма, сбалансированного по микроэлементам питьевой воды, с учетом зарубежного опыта и достижений биотехнологии в науке за последнее время;

- предложена гидрокавитационная установка с ультразвуковым магнитост-рикционным преобразователем для приготовления заменителей цельного молока в равномерной зоне кавитации и в присутствии магнитного поля преобразователя (новизна защищена в 1998 году патентом Российской Федерации).

Основные положения выносимые на защиту.

1. Обоснование выбора кавитационного способа приготовления жидких кормов в животноводстве в качестве оптимального принципа получения тонко-диспергированных коллоидных кормов для разработки гидрокавитационных установок с равномерной зоной кавитационного разрушения.

2. Способ и устройства для приготовления жидких дрожжеванных коллоидных кормов и заменителей цельного молока для телят, позволяющие повысить усвояемость приготовленных сбалансированных кормов.

3. Схема установки для определения основных параметров гидрокавита-ционной установки с лопаточными, ультразвуковыми магнитострикционными преобразователями и прогнозирование режимов работы в зоне кавитационной обработки в технологическом процессе приготовлекния кормов.

4. Теоретическое моделирование образования кавитационных пузырьков и каверн для лопаточных и магнитострикционных преобразователей.

Реализация работы. Результаты исследований и разработанные на базе этих работ гидрокавитационные установки с лопаточными и магнитострикционными преобразователями внедрены в совхозах «Заветы Ильича», «Пригородный», «Волжанка» Ульяновского района Ульяновской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на региональной научно практической конференции «Агро-Волга-97» (г. Ульяновск 1997 г.);

- на Всероссийской научно-практической конференции ( с участием стран СНГ) «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (г. Ульяновск 1998 г.);

- на научно-практической конференции с международным участием «Новые методы, средства и технологии в науке, в промышленности и экономике (НМСТ-97)» (г. Ульяновск 1997 г.);

- на 30, 31 и 32-й научно - технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (г. Ульяновск 1996, 1997, 1998 гг.).

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОКАВИТАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ КОРМОВ

1.1. Зоотехнические требования, предъявляемые к приготовлению кормов

Все жизненные процессы, каждая химическая и биологическая реакция в отдельной клетке тела связаны с превращением энергии и поэтому требуют поступления ее в организм. Основным источником получения энергии у животных является биологическое окисление питательных веществ, происходящее в клетках. Лишь относительно малая часть присутствующей в корме валовой энергии используется организмом в качестве продуктивной энергии. Прежде чем животное сможет использовать энергию для образования новых структур веществ своего тела, ему требуется достаточное количество энергии, что бы обеспечить поддержание жизни. В соответствии с этим в практике кормления различают поддерживающий и продуктивный корм /76/.

Многовековой опыт животноводов показывает, что недокорм (голодание), так и обильное питание (откорм), то есть недостаточное и избыточное поступление энергии, снижает плодовитость сельскохозяйственных животных. У коров секреция молока и развитие плода предъявляют большие требования к обмену веществ.

Одним из основных условий интенсификации животноводства и поднятия уровня рентабельности отрасли является сбалансированное по всем необходимым питательным веществам кормление животных. Лучше всего оно достигается при скармливании им кормовых смесей. Это объясняется тем, что при использовании оного естественного корма, особенно растительного происхождения, не удовлетворяются потребности животных в питательных веществах, так как он не содержит все нужные для организма элементы питания. При смешивании кормовых средств в различных комбинациях и соотношениях, когда недостающее количество питательных веществ в одних компонентах восполняет-

ся наличием их в других, получают полноценные корма. Они широко используются в практике животноводства. Их готовят на комбикормовых предприятиях (комбикорма) и в кормоцехах хозяйств (чаще всего полнорационные кормо-смеси) /77/.

Комбикорм представляет собой сложную сухую смесь из очищенных и измельченных до необходимого размера различных кормовых средств и микродобавок, составленную с учетом научных данных о кормлении сельскохозяйственных животных и свойств кормов. Комбикорм имеет более высокую питательность, чем отдельные корма или простые кормовые смеси, которые, как правило