автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка ресурсно- и энергосберегающего электромагнитного способа механоактивации витаминизированной биологически активной кормовой добавки

На правах рукописи Волков Владимир Сергеевич // >

РАЗРАБОТКА РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПОСОБА МЕХАНОАКТИВАЦИИ ВИТАМИНИЗИРОВАННОЙ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ КОРМОВОЙ ДОБАВКИ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1" май гт

005548380

Санкт-Петербург-2014

005548380

Диссертация выполнена на кафедре «Энергообеспечение производств н электротехнологии в АПК» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (ФГБОУ ВПО СПбГАУ)

Научный руководитель: Беззубцева Марина Михайловна

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Энергообеспечение производств и электротехнологии в АПК» (ФГБОУ ВПО СПбГАУ)

Официальные оппоненты: - Касаткин Владимир Вениаминович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств»

(ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Аллояров Константин Борисович кандидат технических наук, начальник отдела научных исследований и интеллектуальной собственности (ФГБОУ ВПО МГТУ)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Пермская государственная

сельскохозяйственная академия им. академика Д.Н. Прянишникова

Защита диссертации состоится «24» июня 2014 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 в Санкт - Петербургском государственном аграрном университете, по адресу: 196601, Санкт - Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, д.2 (2-й учебный корпус, ауд 2.719)

С диссертацией можно ознакомиться и в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Автореферат разослан «£,(} » апреля 2014 г.

Автореферат размещен на сайтах http://vak2.ed.gov.nl, http://spbgan.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.п., профессор Смирнов Василии Тимофеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность и степень разработанности проблемы исследования

Обеспечение качественными кормами животноводческих, птицеводческих л рыбных хозяйств является одним из приоритетных направлений в системе производства сельскохозяйственной продукции и определяющим фактором при формировании ценовой политики. В рецептурных смесях комбикормов, производимых по традиционным технологиям, от 60 до 80% составляют зерновые компоненты, которые сопоставимы с продуктами, пригодными для питания человека. Наряду с этим во всех странах имеются также и постоянно накапливаются запасы малоиспользуемых или вообще не используемых отходов пищевых и других производств, которые после соответствующей обработки могут приобретать свойства в 1,5-3 раза превосходящие фуражное зерно хорошего качества, а также обладают рядом полезных свойств для нормального функционирования организма животных. Потенциально возможные доходы от реализации продукции, полученной из различных отходов, могут многократно превосходить доходы от продажи основного продукта и позволят поднять общую рентабельность производства на 300 - 400%. Что касается отходов пищевой промышлености, то они богаты питательными веществами, легко поддаются ферментативной и микробиологической биоконверсии, различным видам переработки. Эта ресурсы рассматриваются как наиболее перспективные для развитая альтернативных технологий кормопроизводства.

В соответствии с приоритетными направления развития науки и техники в Российской Федерации «Рациональное природопользование», «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», утвержденными Указом Президента Российской Федерации 7 июля 2011 года, а также в соответствии с Федеральным законом «Об энеросбережении и о повышении энергетической эффективности» от 23 ноября 2009 г. № 261 - ФЗ и распоряжением правительства РФ «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.» для обеспечения роста экономики и повышения качества жизни населения страны необходимо максимально эффективно использовать ее энергетические и сырьевые ресурсы. При этом одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии» является снижение удельных затрат энергетических ресурсов путем рационализации их потребления и применения энергосберегающих технологий.

Агропромышленный комплекс Российской Федерации является одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов, в том числе электроэнергии, которая часто используется нерационально. Данное явление обусловлено множеством факторов, одним из которых является завышенная энергоемкость различных технологических процессов, в том числе одного из основополагающих процессов в кормопроизводстве - процесса измельчения.

Энергоемкость процесса измельчения главным образом зависит от типа применяемого оборудования. В кормопроизводстве это, в основном, аппараты механического принципа действия - молотковые дробилки. Отличительной их особенностью является низкая энергоэффективность.

Одним из перспективных направлений интенсификации процесса измельчения является внедрение в его аппаратурно - технологические системы методов физической механоактивации с применением электромагнитных полей.

Целыо исследований является решение проблемы рационального использования вторичных ресурсов в кормопроизводстве путем создания энергоэффективного способа мехаиоактивацип витаминизированной биологически активной кормовой добавки (БАД-К) с разработкой оборудования нового типа, обеспечивающего интенсификацию процессов, улучшение качественных показателей перерабатываемой продукции при одновременном повышении энергоэффективности и ресурсосбережения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить механизм и провести теоретическое обоснование способа формирования диспергирующего усилия, основанного на использовании энергии постоянного по знаку электромагнитного поля;

2. Оценить эффективность способа по энергонапряженности силовых нагрузок и регулированию механических воздействий;

3. Изучить энергетику и динамику физико-механических процессов электромагнитного способа механоактнвации и на основании полученных данных разработать математические модели силовых и энергетических воздействий между магнитным полем, рабочими органами и обрабатываемым материалом;

4. Выявить принципы и условия реализации способа в аппарате нового типа -дисковом электромагнитном механоактлваторе (ЭДМА). Разработать методику расчета устройства, основанную на использовании современных компьютерных технологий и создать конструкцию ЭДМА для кормопроизводства;

5. Установить технологические возможности ЭДМА и области его практического применения;

6. Внедрить ЭДМА в технологию производства БАД-К с использованием нетрадиционного вторичного сырья - какаовеллы, карбамида и интенсифицировать классические схемы производства комбикорма.

Объектом исследования является электромагнитный способ механоактнвации БАД-К в технологической схеме переработки вторичного сырья кормопроизводства и устройство, его реализующее. Предметом исследования является механизм формирования диспергирующих нагрузок в магнитоожиженном слое ферротел ЭДМА и процесс электромагнитной механоактнвации компонентов смеси БАД-К в аппаратурно-технологических схемах кормопроизводства.

Научная новизна. Разработан ресурсосберегающий и энергоэффективный способ электромагнитной механоактнвации вторичного сырья в технологии производства комбикорма, в основу построения которого положено применение магнитоожиженного слоя, создаваемого в слое ферромагнитных размольных элементов под действием постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля.

Электромагнитный способ механоактнвации реализован в аппарате нового типа — электромагнитном механоактиваторе дискового исполнения (ЭДМА), принцип действия которого и конструктивное исполнение защищено патентом РФ на изобретение.

Исследоваиьт физико-механические процессы, происходящие в магнитоожижешюм слое ферротел и установлен механизм формирования управляемых энергонапряженных силовых и энергетических взаимодействий между магнитным полем, размольными элементами и перерабатываемым материалом.

Исследовано строение магнитоожиженного слоя при формировании диспергирующих нагрузок при различных (до предельно допустимых) скоростных режимах работы ЭДМА. Получена математическая зависимость, позволяющая в процессе проектирования, расчета и эксплуатации типовых рядов ЭДМА устанавливать оптимальное соотношение между режимами его работы, обеспечивающими оптимизацию степени измельчения рецептурной кормовой смеси и выравниванию гранулометрического состава продуктов помола.

На основании моделирования структуры магнитоожиженного слоя установлен оптимальный коэффициент заполнения рабочего объема электромагнитных механоактиваторов размольными ферротелами.

Б

На основании математического моделирования динамики рабочего процесса формирования диспергирующего усилия определены условия целенаправленной н регулируемой переориентации ферроэлементов в средней части магнитоожиженного слоя, обеспечивающие заданные технологией производства силовые и энергетические параметры процесса механоактивацни компонентов БАД-К.

Разработана и апробирована методика построения трехмерного стационарного поля электромагнитной системы ЭДМА в интерактивном режиме программы АЫЭУЗ.

Составлена математическая модель процесса диспергирования смеси компонентов БАД-К в электромагнитном механоактиваторе дискового исполнения, на основании которой определены оптимальные режимы работы аппарата и разработана ресурсосберегающая технология переработки вторсырья в готовую продукцию кормопроизводства.

Получено уравнение кинетики, положенное в основу моделирования процессов промышленного диспергирования в лабораторных условиях и определения относительных затрат энергии на обработку продуктов до установленной технологией степени измельчения компонентов БАД-К в ЭДМА.

Практическая ценность. Изготовлен опытный образец дискового электромагнитного механоактиватора для переработки вторичного сырья в аппаратурно-технологических системах производства высококачественного корма (БАД-К) для сельскохозяйственных животных.

Методика построения трехмерного стационарного поля электромагнитной системы аппарата нового типа в интерактивном режиме программы А№УБ может быть использована при расчете, проектировании и эксплуатации типовых рядов электромагнитных механоактиваторов различного целевого назначения.

Алгоритм расчета и проектирования электромагнитного механоактиватора, построенный на базе результатов теоретических исследований и разработанных математических моделей, может быть использован при проектировании новых конструкций аппаратов с магнитоожиженным слоем.

Основные положения, выносимые на защиту:

— механизм формирования электромагнитного способа механоактивацни в магнитоожиженном слое ферромагнитных размольных элементов, создаваемым постоянным электромагнитным полем и его теоретическое обоснование;

- кинетические и энергетические закономерности процесса механоактивацни компонентов смеси витаминизированной биологически активной кормовой добавки электромагнитным способом.

Внедрение результатов работы. Опытный образец ЭДМА внедрен в технологический процесс производства комбикорма в «Комбикормовый завод Кирова» -Филиал ОАО «ЛКХП Кирова», что подтверждается соответствующим актом. Срок окупаемости внедряемых мероприятий по механической активации витаминизированной биологически активной кормовой добавки (БАД-К) составляет 2,7 года.

Разработан и внедрен в учебный процесс кафедры «ЭОП и ЭТ в АПК» Института технически систем, сервиса и энергетики СПбГАУ экспериментальный стенд ЭДМА.

Материалы исследования ЭДМА опубликованы в методических указаниях и учебных пособиях и используются в процессе обучения студентов специальностей 110302.65 и 140106.65, а также магистрантов направления 110800. 68 «Агрог шжененрия ».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научно - практических конференциях ФГБОУ ВПО СПбГАУ: на секциях энергетического (2007 — 2012 гг.), инженерно — технологического (2007 -2008 гг.) факультетов, а также секции «Энергоэффективности и электротехнологий» Института технических систем, сервиса и энергетики (2013-2014 гг.). Материалы работы

доложены и обсуждены на конференциях различного уровня: Международной научно -практической конференции молодых ученых «Аграрная наука XXI века» на секции «Технические науки» (2013 г.); Международной научной конференции « Приоритетные направления развития науки, технологий и техники» 10 — 17 апреля 2012 г. Италия (Рим

- Флоренция);Международной научной конференции «Современные наукоемкие технологии» 13-22 апреля 2012 г. Доминика!гская республика; Международной научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» 21 — 23 мая 2012 г. Москва; Международной научной конференции «Современные наукоемкие технологии» 28 июля

- 4 августа 2012 г. Испания — Франция. Основные тезисы работы представлены в программе международного агропромышленного конгресса «Агрорусь» (2007, 2008, 2009, 2010, 2013 гг.), Санкт-Петербург, ВЦ. «Ленэкспо».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 47 научных работ, в том числе 4 монографии , 42 научные статьи, 11 из которых опубликованы в рецензируемых журналах ВАК. Научная новизна работы подтверждена патентом РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа выполнена на 179 страницах машинописного текста, содержит 67 иллюстраций и 17 таблиц. Список литературы включает 280 наименований, в том числе 8 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, обозначены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы положения, выносимые на защиту диссертации.

В первой главе обоснована актуальность поиска новых энергоэффективных и ресурсосберегающих способов и технологий производства кормовых продуктов, состоящих из альтернативных (по питательной ценности) кормовых компонентов -продуктов вторичного (побочного) сырья пищевых производств. На основании анализа технологических схем кормопроизводства выявлена возможность использования в качестве кормового компонента вторичных ресурсов (отходов) пищевых производств какаовеллу, арахисовую шелуху, имеющих высокую питательную ценность и низкую себестоимость. Использование какаовеллы ограничено низким качеством какаовеллы молотой и высокой энергоемкостью ее переработки на стадии измельчения. Этим обусловлено ограничение широкого внедрения в кормопроизводство энергетически ценной и перспективной технологии производства продукта из смеси ржаных отрубей, арахисовой шелухи, азотосодержащих добавок и какаовеллы. Выявлено, что измельчение смеси какаовеллы и арахисовой шелухи до размера 10-30 мкм необходимо для равномерного распределения механически активированного карбамида. Снижение крупности ниже указанной приводит к перерасходу карбамида и способствует перенасыщению компонентов биологически активной добавки (БАД) небелковыми азотсодержащими соединениями, что нежелательно, так как может приводить к падежу животных.

На основании всестороннего анализа способов и техники измельчения выявлено, что проблема может быть решена способом применения механоактивации и нетрадиционного вида измельчения с использованием электромагнитного поля, возбуждаемого постоянным по знаку и регулируемым по величине электрическим током. Разработке электромагнитного измельчителя - механоактиватора для нужд кормопроизводства, обеспечивающего интенсификацию процессов переработки, улучшение качественных показателей продукции при одновременном повышении энергоэффективности и ресурсосбережении посвящена данная работа.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований физико-механических процессов в магннтоожиженном слое электромагнитных

механоактиваторов. На основании теоретических и экспериментальных исследований выявлен механизм формирования диспергирующего усилия в электромагнитных механоактиваторах дискового исполнения (рисунок 1).

1

И,

шш

Рисунок 1 - Физическая сущность процесса электромагнитной механоактивации: 1 -подвижный диск;

2 - неподвижный диск; 3 - приводной вал; 4- структурные группы из ферромагнитных размольных органов; а- образование структурных построений из ферромагнитных элементов в постоянном электромагнитном поле (Й/П; л=0);

6- достижение критического угла деформации структурных построений {Вф0; п^О); в - организация «слоя скольжения» (5^0; п^О)

Под действием сил постоянного по знаку электромагнитного поля размольные ферромагнитные сферические элементы магнитоожижепного слоя организуются в различные структурные построения и осуществляют силовое взаимодействие между собой и поверхностями, образующими рабочий объем устройства. При вращательном движении одного из дисков в средней части рабочего объема образуется «слой скольжения» из ферромагнитных элементов, которые в актах энергонапряженных многоточечных контактных силовых взаимодействий передают кинетическую энергию своего движения перерабатываемому продукту. Установлено, что с помощью малых затрат мощности на создание магнитного поля можно создавать значительные по величине силовые взаимодействия между размольными ферромагнитными элементами и осуществлять эффективное управление физическими свойствами магнитоожижепного слоя в рабочем объеме механоактиватора.

Электродвигатель, вращающий диск ЭДМА, служит возмущающим фактором, вызывая деформацию и разрушение структурных построений из мелющих тел и их переориентацию в рабочей камере с созданием силовых контактов. Мощность, необходимая для реализации рабочего процесса создания механических воздействий в магнитоожиженном слое ферротел, интерпретирована как мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления заполнителя рабочего объема, Р2 = (М,+М2+М3) со (здесь М!— момент, необходимый для преодоления бокового распора магнитного поля; М2 -момент от присутствия мелющих тел в объеме обработки продукта; М3 - момент от силового взаимодействия мелющих тел; со - угловая скорость вращения диска). Выполнение равенства между моментами, развиваемыми двигателем на своем валу и моментом, необходимым для преодоления бокового распора магнитного поля и взаимодействия размольных элементов, обеспечит энергоэффективность процесса формирования диспергирующего усилия в ЭДМА.

Об эффективности управления силовыми нагрузками по частицам обрабатываемого продукта можно судить по отношению мощности Р,, передаваемой от электродвигателя к "слою скольжения" ферромагнитных измельчающих элементов, к мощности Р., = £/,./,.затраченной на управление ЭДМА (здесь и- напряжение и сила

Р /

электрического тока в обмотках управления). Установлено, что отношение ур может достигать значений порядка 10...103, т.е. электромагнитные механоактиваторы можно

рассматривать как усилители мощности, позволяющие передавать значительную по величине энергию к частицам обрабатываемого продукта при небольших значениях тока (0,1... 0,8 А), управляющего магнитным полем.

Преодоление энерпш взаимодействия размольных элементов по аналогии с гипотезой Д.К. Максвелла о вязкости газа интерпретировано как преодоление некоторой вязкости. Для коэффициента вязкости (при представлении его молекул в виде абсолютно

упругих шаров) Д.К. Максвелл получил формулу уг /7гЛЛ,Ки (здесь рг - плотность

газа; Ьм - средняя длина пробега молекул; Ум - средняя скорость молекул. По аналогии с этой формулой для зоны взаимодействия размольных тел в ЭДМА рассмотрено выражение:

У^^О^Э^Э, С1)

где N3 - число размольных элементов; - масса одного размольного элемента; ¿э иэ— соответственно средняя длина пробега и скорость размольных элементов в рабочей камере ЭДМА.

Выражение для эквивалентной вязкости представлено в виде:

Я,

(2)

где Л ,ЛД— соответственно ширина и радиус рабочей камеры ЭДМА, К<> — радиус размольного элемента.

Принята рабочая гипотеза о независимости скорости шаров от их количества. Механоактивация протекает с наибольшей интенсивностью при максимальном значении эквивалентной вязкости. Эквивалентная вязкость исследована как функция от числа размольных элементов на экстремум. Выявлено, что оптимальный коэффициент заполнения рабочей камеры ЭДМА размольными элементами в «слое скольжения» К7" = 4^/81-В зонах оснований структурных групп коэффициент заполнения равен

Кгэ =

Средний оптимальный коэффициент объемного заполнения для трех зон рабочей камеры ЭДМА (рисунок 1) определен выражением:

4ж л

~сг = КРЭ +2КЮ _ 81_1-04. (3)

з з

Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальными данными, полученными в результате анализа процесса механоактивации компонентов БАД-К в ЭДМА.

Выявлено, что магнитное сопротивление рабочего объема увеличивается под действием центробежной силы, оттесняющей размольные элементы к периферийной (боковой) части устройства, что уменьшает величину индукции, а, следовательно, и сцепляющее усилие между феррошарами. Допустимая частота вращения диска, при которой осуществляется целенаправленная переориентация размольных элементов в «слое скольжения», определена но формуле:

где K¡ - коэффициент компенсации действия центробежной силы увеличением м.д.с. ОУ.

Использование математической зависимости (4) позволит в процессе расчета, проектирования и эксплуатации типовых рядов ЭДМА устанавливать оптимальные соотношения между электромагнитным и скоростным режимами их работы, при которых обеспечивается максимизация дисперсности перерабатываемой смеси.

Третья глава посвящена математическому моделированию электромагнитного способа механоактивации. На основании гипотезы Д.К. Максвелла силовое взаимодействие между ферромагнитными размольными элементами (феррошарами) рассмотрено, как взаимодействие диполей во внешнем невозмущенном магнитном поле. В результате моделирования получены формулы для определения сил F, и моментов Mv, действующих на размольные элементы в рабочем объеме ЭДМА:

К - у—З/i +11) + 9(3// + 5)cos2v], (5)

lob [ß. 4-2)

+ (6)

где - магнитная проницаемость; //„ - напряжённость магнитного поля; R0 - радиус размольных элементов; v — угол деформации структурной цепочки.

Анализ показывает, что сила притяжения будет принимать максимальное значение при величине угла деформации v = 0:

(7)

При вращательном смещении дисков относительно друг друга происходит изменение угла деформации от 0 до vKp . При критическом значении угла деформации

vv = ±—[л- - arceos ' У' +1 \ l (8)

* 2 9(3// + 5)

сила притяжения ферроэлементов Fr (vKp) = 0 и при дальнейшем увеличении угла v обратится в силу отталкивания. Цепочка из ферротел разрушается.

При V = линия, соединяющая центры шаров, перпендикулярна вектору

напряженности электромагнитного поля. Сила взаимодействия определена выражением:

4f + (9)

При этом феррошары, отталкиваясь друг от друга, организуют «слой скольжения».

В процессе деформации цепочки при увеличении угла v на систему ферроэлементов начинает действовать момент, стремящийся вернуть цепочку в первоначальное (совпадающее с направлением силовых линий) положение. Приняв во внимание наличие продукта между размольными элементами, величину момента можно определить по формуле:

Mr =—HlR; (м~1) sin(2у)[-(31 +17/0 + -^(5 + 3/0] » (Ю)

12S 0 (¡U + 2)' R„

где г„- радиус частицы.

При V = 0 и при V = л/2 момент обращается в ноль. При достижении утла деформации критического значения г = v цепочки разрушаются и вся потенциальная энергия переходит в кинетическую. В процессе переориентации размольных элементов частицы измельчаемого продукта испытывают ударную и истирающую нагрузку. Работа

Асж = А, + А ■>, затрачиваемая на механоактивацию продукта электромагнитным способом от"исходного'размера зерна г„, до конечного размера гч2 статическим сжатием и ударным воздействием Л„ определена выражениями:

,,, -гдл; (И)

64 (¡1 + 2) 2

(М + 2) 2 2Л0

А = № г-' (13)

= гл» +ЛН. (14)

где Л/.Л;? - работа сжатия в первом и втором периодах формирования диспергирующих усилий; пс- количество структурных групп из ферроэлементов.

На основании решений дифференциальных уравнений Лагранжа И рода = (здесь д, - обобщенные координаты; 6, - обобщенные силы),

Л Э<71 Эу,

составленных с учетом физических аспектов создания силовых контактов в слое ферротел, получены дифференциальные уравнения движения цепочки. Численное интегрирование дифференциальных уравнений проведено методом Лиг^е-сиП с постоянным выбором шага интегрирования. Установлено (рисунок 2 и 3) , что решающее значение на процесс разрушения структурной комбинации из ферротел сферической формы оказывает параметр / = /0 (здесь /0 - коэффициент трения 0-го шара о стенку рабочей емкости). При значениях /0< 0,8 не достигается равенство V = укр и цепочка из ферротел не подвергается разрушению. При / > 1 угол V в процессе деформирования цепочки достигает своего критического значения V = Уц, , что обуславливает ее разрушение. Доказано, что одним из основных условий эффективной работы аппаратов с магнитоожиженным слоем является создание устойчивых оснований структурных построений из феррочастиц.

В четвертой главе представлены методики экспериментальных исследовании электромагнитного способа механоактивации.

На основании анализа теоретических исследований, математического моделирования электромагнитного способа механоактивации с использованием методики анализа трехмерного стационарного поля электромагнитной системы ЭДМА в интерактивном режиме программы ДИЗУЭ разработан алгоритм проектного расчета и изготовлен электромагнитный механоактиватор дискового исполнения, представляющий предмет изобретения.

П-/ /

! I

{ ;

J

и.

Н, II

1

ч

Ч\ V 2

3 ^

\ 3 ч — V,

\ -- \

\ \

\ \

Рисунок 2 - Схема движения структурных групп из ферромагнитных элементов в однородном магнитном поле

Смешение

Рисунок 3- Анализ деформации и разрушения структурной

группы из ферротел в рабочем объеме аппаратов с магнитоожиженным слоем:1 ~/и< 0,8; 2 ~/ц= 0,8; 3 -/а> 0,8 при устойчивом (VI) и неустойчивом (V;.) основании структурной группы

Конструктивная схема устройства и общий вид испытательного стенда представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 5 - Лабораторный стенд ЭДМ А, укомплектованный контрольно -измерительными приборами

из которых 13. Обмотки

Рисунок 4 - Схема экспериментального стенда ЭДМ Л (вариант 1): I-подвижный дик; 2 - неподвижный диск; 3 -рабочий объем; 4 - ферромагнитные размольные органы; 5 -обмотка управления неподвижного диска; 6 - обмотка управления подвижного диска; 7 - система «щетки-кольца» питания обмотки подвижного диска; 8 - источники питания обмоток управления; 9 - бункер- дозатор; 10 - система перемещения дисков в горизонтальном направлении; 11 -бесконтактный тахометр; 12 - метка бесконтактного тахометра; 13 - электродвигатель; 14 - частотный регулятор двигателя; 15 - миллитесламетр

Рабочий объем 3 образован двумя ферромагнитным дисками, один неподвижен 1, а второй 2 приводится во вращение электродвигателем управления 5 и 6 размещены на дисках устройства. Каждая обмотка управления питается от собственного источника питания постоянного тока. При этом питание обмотки подвижного диска осуществляется через систему «щетки-кольца»7. Частота вращения электродвигателя регулируется с помощью частотного регулятора 14 и контролируется с помощью тахометра 11. Величина электромагнитной индукции регулируется посредством изменения величины тока в обмотке управления и измеряется с помощью миллитесламетра 15. Дисперсионный анализ механоактивированной смеси проводили стандартными методами с использованием седиментографа БКС - 2000 Б.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследовании электромагнитного способа механоактивации биологически активной добавки (БАД-К),

производимой по схеме, представленной на рисунке 6. Технология производства БЛД-К разработана для получения высокопитательной витаминизированной биологически активной кормовой добавки, обеспечивающей пролонгированное высвобождение небелковых азотсодержащих соединений в 1шщеварительном тракте животных, что благотворно влияет на их привес. Выявлено, что степень измельчения компонентов БАД-К составляет от 10 до 30 мкм.

Какэовелла Арахисовая шелуха

□яешиеэмие перед |

(( _ . Механическая экшаэция

" | - [дисперсиост* от 10 до 30

I

Высокопитателькэя кормовая добавка (6АД-К) с

пролонгированным высвобождением небелковых азотистых соединений

Рисунок 6 - Схема получения высокопитательной кормовой добавки БАД-К с пролонгированным высвобождением

небелковых азотистых соединений

Поиск конструктивных решений типовых рядов ЭДМА проведен с использованием метода конечных элементов в среде программного комплекса А№ На рисунке 7 представлена трехмерная модель электромагнитной системы ЭДМА.

Рисунок 7 - Градиентная картина Рисунок 8 - Зависимость В= (р (И) по высоте

электромагнитного поля исследуемой модели рабочей камеры: 1-данные расчета в программном ЭДМА при 1-0,7 А комплексе АИБУБ; 2 - экспериментальные

данные

По результатам анализа расчетных данных определены размеры лабораторного ЭДМА: диаметр диска - 90 мм, расстояние между дисками - 12 мм, количество витков в обмотке управления -1000, ток обмотки управления - 0,7 А, количество обмоток управления - 2. Полученные результаты подтверждены экспериментальными исследованиями на лабораторном образце ЭДМА (рисунок 8) с использованием портативного миллитесламетра.

Математическое моделирование процесса измельчения компонентов кормовой добавки на ЭДМА проведено методом факторного эксперимента. В качестве выходного

параметра принят параметр дисперсности ОдМ.Основные факторы, определяющие моделируемый объект: величина индукции в рабочем объеме В (X,), частота вращения п (Х2), коэффициент заполнения мелющими телами К„,(Хз). По результатам планирования эксперимента с варьированием факторов на двух уровнях рассчитаны коэффициенты регрессии и проведен ее статический анализ. Установлена адекватность линейной модели, которая с учетом незначительности коэффициентов имеет следующий вид:

О<530 =93+1,695+ 1,057л + 0,517(5 • Кр0) + 0,53250; • Кю). (15)

Дана логическая интерпретация модели, подтверждающая теорию электромагнитного способа механоактивации БАД-К. В результате оптимизации процесса измельчения методом градиентного восхождения с использованием полученной модели получены следующие оптимальные режимы работы ЭДМА: В = 0,37 Тл, п = 22 с"', Кро = 0,4, при которых достигается оптимальное соотношение между однородностью компонентов комбикорма и оптимальной дисперсностью.

С целью выявления кинетических и энергетических закономерностей процесса электромагнитной механоактивации БАД-К были проведены серии опытов на аппаратах типового ряда ЭДМА (патенты РФ № 2045195 и № 84263) при различных режимах работы. Математической обработкой экспериментальных данных получено эмпирическое уравнение, позволяющее определить степень измельчения исследуемого продукта в любой момент времени обработки:

е • —1 + и

где степень измельчения материала по контролируемым фракциям в начальный момент времени; Г - время измельчения; — коэффициент, характеризующий прочность продукта, его измельчаемость и условия измельчения; коэффициент, характеризующий скорость измельчения в начальный момент времени и определяющий наклон кинетической кривой к оси абсцисс в начале процесса.

Продолжительность обработки БАД-К в ЭДМА до содержания готового класса (30 мкм) от 30 % до 90 % определена по формуле:

(17)

Аш(зо> As(зо)~ степень измельчения продукта в начальный и конечный моменты времени обработки в ЭДМА.

Коэффициенты уравнения кинетики процесса механоактивации БАД-К в ЭМДА определены аналитическим путем по двум точкам кинетической кривой, т.е. по двум значениям «остатков» R}0 и 7?10 при времени обработки 6 = 2t:

1 + R»

1 1

Rj,........ R

R

In

/7?„,G

J^JL-G +1

n ä ¿'10,10 _J

Q __VJV30imU) 30,10(1) у Q - _4_-

G.t >

-1

R,

'00,41(1)

где -остаток неизмельченного материала (контролируемого крупного класса) в любой момент времени измельчения г, R¿¡н - содержание крупного класса в начальный момент времени (? =0).

По формулам (18) определены коэффициенты Си С, и составлены уравнения кинетики, описывающие содержание контролируемых фракций измельченной в ЭДМА

смеси в любой момент времени обработки. Относительное возрастание затрат энергии при измельчении частиц смеси от степени измельчения D5h30 = х (0 <х< 90%) до заданной технологией D630 = 90% определено только отношением времени измельчения до 90% ко времени измельчения до D6ii) = х, так как мощность рабочего процесса в ЭДМА при делении сократится. Установлено, что относительное возрастание затрат энергии при снижении крупности смеси компонентов БАД-К в типовых рядах аппаратов ЭДМА имеют одинаковые значения что позволяет моделировать промышленное измельчение в лабораторных условиях (рисунок 9) при условии адекватности силовых и энергетических воздействий на частицы продукта в магнитоожиженном слое рабочих объемов ЭМДА.

В результате анализа полученных данных установлено, что удельный расход энергии на образование единицы поверхности продукта в ЭДМА в 1,7 раза меньше по сравнению с энергозатратами на измельчение аналогичных продуктов такой же крупности традиционным способом. При этом по качеству продуктов помола и экономическим параметрам электромагнитный способ механоактивации имеет более высокие показатели по сравнению с традиционными способами измельчения кормовой смеси на механическом оборудовании.

\

\

3

—.—

Е,,.

«О 70 Л

4

--расчетные

\

-Л у.

=== 35 ss

Рисунок 9 - Зависимость относительных затрат энергии при механоактивации компонентов кормовой добавки электромагнитным способом от содержания готового класса (30 мкм): 1 — смесь компонентов кормовой добавки; 2 — арахисовая шелуха; 3 - какаовелла

3.0 3-5 '1.0 4.5 5,0 5,5 е-10 м/кг

Рисунок 10 - Удельная энергия механоактивации компонентов кормовой добавки электромагнитным способом: 1 - арахисовая шелуха; 2 - какаовелла; 3 — смесь компонентов

В шестой главе представлено технико-экономическое обоснование внедрения способа электромагнитной механоактивации витаминизированной биологически активной кормовой добавки в кормопроизводство. Срок окупаемости в базовом варианте составляет 3,3 года, при внедрении нового способа механоактивации - 2,7 года. Рентабельность базового варианта - 7 %, внедряемого варианта - 8 %. С учетом повышения качества продукции можно сделать прогноз о ее дальнейшем росте.

Выводы:

1. Разработан энергоэффективный способ механоактивации кормовой БАД-К в магнитоожиженном слое ферротел с использованием энергии постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля. Выявлен механизм формирования диспергирующих усилий. Установлено, что использование энергии постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля в процессах механоактивации технологического процесса позволяет формировать легкоуправляемые энергонапряженные многоточечные механические воздействия наиболее экономичным способом и обеспечивает равномерную передачу механической энергии в перерабатываемую среду.

2. На основании развития гипотезы Д.К. Максвелла о дипольном взаимодействии ферромагнитных сферических тел в магнитном поле получены математические модели

силовых взаимодействий между деформированным магнитным полем в объемах обработки продукта ЭДМА, ферромагнитными размольными элементами магнитоожиженного слоя и частицами смеси перерабатываемых компонентов БАД-К.

3. В результате исследований движения ферромагнитных частиц сферической формы в постоянном электромагнитном поле при относительном смещении дисковых поверхностей рабочего объема аппарата, получена математическая модель, описывающая динамику рабочего процесса формирования диспергирующего усилия. На основании анализа решений дифференциальных уравнений Лагранжа II рода, составленных с учетом физических аспектов создания силовых контактов в магнитоожиженном слое ферротел, определены принципы конструктивного оформления аппаратов для электромагнитной механической активации БАД-К.

4. В результате исследований физико-механических процессов в магнитоожиженном слое механоактиваторов дискового исполнения определено оптимальное значение коэффициента объёмного заполнения рабочего объема мелющими телами и получена математическая зависимость, позволяющая в процессе расчета, проектирования и эксплуатации типовых рядов ЭДМА устанавливать оптимальные соотношения между электромагнитным и скоростным режимами их работы, при которых обеспечивается максимизация дисперсности компонентов БАД-К.

5. Выявлены кинетические и энергетические закономерности процесса электромагнитной механоактивации смеси компонентов БАД-К, позволяющие моделировать процесс промышленного измельчения в лабораторных измельчителях — механоактиваторах дискового исполнения и проводить оценку энергоэффективности промышленного оборудования.

6. Составлена схема проектного расчета, на основании которой разработан, исследован и внедрен в технологическую схему кормопроизводства БАД-К аппарат нового типа -дисковый электромагнитный механоактиватор. Конструктивная схема и принцип действия ЭДМА представляет предмет изобретения и защищен патентом РФ.

7. На основании метода факторного планирования эксперимента определены оптимальные режимы работы ЭДМА, при которых достигается заданный технологией фракционный состав дисперсности компонентов БАД-К.

8. Разработана технологическая схема производства витаминизированной БАД-К для кормопроизводства, обеспечивающая условия пролонгированного высвобождения из механически активированных компонентов небелковых азотсодержащих соединений, являющихся перспективной заменой протеина. Выявлено, что энергоемкость продукции уменьшается в 1,7 раза по сравнению с энергозатратами на измельчение аналогичных продуктов такой же крупности традиционным способом. При этом улучшается качество получаемого продукта и снижается его себестоимость за счет использования богатого витаминами вторичного сырья (отходов) пищевой промышленности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Журналы, указанные в перечне ВАК:

1. Беззубцева М.М., Волков B.C., Прибытков П.С. Энергетика электромеханических процессов переработки сельскохозяйственной продукции // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2007. - №5. - С. 183184.

2. Беззубцева М.М., Волков B.C., Платашенков И.С. Интенсификация технологических процессов переработки сельскохозяйственной продукции с использованием электромагнитных механоактиваторов постоянного тока // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2008. -№9.-С. 190-192.

3. Беззубцева М.М., Платагаенков PI.С.,Волков B.C. Классификация электромагнитных измельчителей для пищевого сельскохозяйственного сырья // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2008. - №10. - С. 150-153.

4. Беззубцева М.М., Волков B.C., Платашенков И.С Метод расчета стационарного теплового поля электромагнитного криоизмельчителя // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2009. - №13. - С. 118122.

5. Беззубцева М.М., Волков B.C., Прибытков П.С. Расчет электромагнитного механоактиватора с применением программного комплекса ANSYS // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2009. - №15. -С. 150-153.

6. Волков B.C., Прибытков П.С. Дисковый электромагнитный механоактиватор постоянного тока вертикального исполнения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2009. - №16. - С. 172-177.

7. Волков B.C. Разработка и исследование энергетики оборудования, отвечающего современным требованиям // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2009. - №17. - С. 123-126.

8. Беззубцева М.М., Волков B.C. Прикладная теория способа электромагнитной механоактивации // Известия международной академии аграрного образования. -СПб.: МААО, 2013. - С. 93-96.

9. Беззубцева М.М., Волков B.C., Зубков B.B. Исследование аппаратов с магнитоожиженным слоем // Фундаментальные исследования. - 2013. - №6 (часть 2). - С. 258-262.

10.Беззубцева М.М., Волков B.C. Исследование эпергоэффективности дискового электромагнитного механоактиватора путем анализа кинетических и энергетических закономерностей // Фундаментальные исследования. - 2013. - №6 (часть 9).-С. 1899-1903.

11.Беззубцева М.М., Волков B.C. Исследование физико-механических процессов в магнитоожиженном слое феррочастиц // Фундаментальные исследования. - 2014. -№1. - С. 13-17.

Другие издания

1. Беззубцева М.М., Волков B.C. Механоактиваторы агропромышленного комплекса. Анализ, инновации, изобретения: монография. - СПб.: СПбГАУ, 2014. - 161 с.

2. Волков B.C. Электромагнитный измельчитель // Патент России № 84263, 2009.

3. Bezzubtzeva М.М., Volkov V.S., Gubarev V.N. The physical and mechanical processes study in ferro-bodies' magneto — liquefied layer of electromagnetic mechano - activators (EMMA) . International Journal Of Applied And Fundamental Research. - 2013. - № 2 -URL: www.science-sd.com/455-24425 (16.11.2013).

4. Беззубцева M.M., Волков B.C. Электромагнитные мешалки. Теория и технологические возможности: монография. - Saarbrucken: Palmarium Academic Puplishing, 2013. - 141 с.

Подписано к печати 23.04.14 г. Формат 60x84'Лб. Печ. л. 1. Тираж 100. Заказ 27

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленных оригиналов

в типографии ООО «ЛИТЕРА» г. Пушкин, Академический пр., д. 31

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный аграрный университет»

РАЗРАБОТКА РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПОСОБА МЕХАНОАКТИВАЦИИ ВИТАМИНИЗИРОВАННОЙ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ

КОРМОВОЙ ДОБАВКИ

Специальность: 05.20.02. - «Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201459412

На правах рукописи

ВОЛКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Беззубцева М.М.

Санкт-Петербург-2014

*

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................!................................................................. 4

Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР................................................................ 13

1.1 Нетрадиционные виды сырья и перспективные технологии производства комбикорма....................................................................................... 13

1.1.1 Технология производства комбикорма на основе нетрадиционного сырья для сельскохозяйственных животных и птицы............................................... 16

1.1.2 Азотсодержащая добавка для комбикормов и технология ее приготовления.... 19

1.2 Механическая активация. Теоретические основы и технологические возможности..................................................................................... 21

1.3 Классификация измельчителей - механоактиваторов.................................. 25

1.4 Классификация гетерогенных процессов по целевому назначению.................. 28

1.5 Критический анализ электромагнитных механоактиваторов......................... 31

Выводы;..............:........................................................................................................................52

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В МАГНИТООЖИЖЕННОМ СЛОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МЕХАНОАКТИВАТОРА ДИСКОВОГО ИСПОЛНЕНИЯ

(ЭДМА).......................................................................................... 54

2.1 Физическая сущность процесса формирования диспергирующего усилия в магнитоожиженном слое ЭДМА............................................................ 54

2.2 Оптимизация коэффициента объемного заполнения рабочего объема магнитоожиженным слоем.................................................................... 63

2.3 Исследование строения магнитоожиженного слоя в рабочем объеме ЭДМА

при формировании диспергирующих усилий............................................. 65

Выводы.......................................................................................... 67

Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

СПОСОБА МЕХАНОАКТИВАЦИИ...................................................... 69 '

3.1 Моделирование сил и моментов, действующих на ферромагнитные элементы магнитоожиженного слоя в рабочей камере ЭДМА.................................... 69

3.2 Определение работы дискового электромагнитного измельчителя-механоактиватора при статическом и ударном воздействии.......................... 73

3.3 Определение вероятности измельчения частиц продукта в дисковом электромагнитном измельчителе-механоактиваторе.................................... 77

3.4 Математическое моделирование динамики рабочего процесса при формировании диспергирующего усилия................................................. 80

Выводы.............................................................................................. 85

Глава 4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПОСОБА МЕХАНОАКТИВАЦИИ ВИТАМИНИЗИРОВАННОЙ КОРМОВОЙ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ДОБАВКИ........................................................................................ 87

4.1 Разработка методики исследования магнитной системы измельчителя — активатора с использованием программных комплексов.............................. 87

4.2 Разработка экспериментального стенда и методик проведения экспериментальных исследований.......................................................... 93

4.3 Методика определения дисперсности измельченных компонентов.................. 96

Выводы........................................................................................... 97

Глава 5 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПОСОБА МЕХАНОАКТИВАЦИИ ВИТАМИНИЗИРОВАННОЙ КОРМОВОЙ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ДОБАВКИ........................................................................................ 98

5.1 Разработка технологии производства высокопитательной биологически активной кормовой добавки (БАД-К) с пролонгированным высвобождением небелковых азотистых соединений......................................................... 98

5.2 Анализ трехмерного стационарного поля электромагнитной системы ЭДМА в интерактивном режиме программы ANS YS.............................................. 99

5.3 Математическое описание и оптимизация процесса измельчения смеси компонентов комбикорма в электромагнитном механоактиваторе

ЭДМА............................................................................................. 113

5.4 Кинетические и энергетические закономерности процесса механоактивации в ЭДМА............................................................................................ 122

5.5 Анализ эффекта намола в измельчителях с электрофизическими методами

активации........................................................................................ 142

Выводы............................................................................................ 146

Глава 6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВНЕДРЕНИЯ СПОСОБА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ МЕХАНОАКТИВАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОРМОВОЙ ДОБАВКИ............................ 148

6.1 Определение конкурентоспособности витаминизированной биологически активной кормовой добавки БАД-К..................................................... 14g

6.2 Расчет срока окупаемости капитальных затрат....................................................... 150

Выводы............................................................................................ 153

Выводы по диссертационной работе................................................................... 154

Список литературы......................................................................................... 157

Приложения.................................................................................................. 179

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение качественными кормами животноводческих, птицеводческих и рыбных хозяйств является приоритетным направлением в системе производства сельскохозяйственной продукции и определяющим при формировании его ценовой политики. В рецептурных смесях комбикормов, производимых по традиционным технологиям, от 60 до 80% составляют зерновые компоненты, которые сопоставимы с продуктами, пригодными для питания человека.

Наряду с этим во всех странах имеются и постоянно накапливаются большие запасы малоиспользуемых или вообще не используемых отходов сельского хозяйства, растениеводства, животноводства, зерноперерабатывающих, пищевых и других производств, которые после соответствующей обработки могут приобретать свойства в 1,5-3 раза превосходящие фуражное зерно хорошего качества, а также обладают рядом полезных свойств, которыми не обладает фуражное зерно.

В среднем на 1 кг фуражной зерносмеси приходится 5 кг растительных отходов, 4 кг отходов животного происхождения и 1 кг отходов пищевых производств, не считая технических производств. Количество вторичных ресурсов в пищевой промышленности составляет 60-80% от перерабатываемого сырья, а в некоторых случаях достигает 95%. При этом потенциально возможные доходы от реализации продукции, полученной из различных отходов, могут многократно превосходить доходы от продажи основного продукта и позволят без затрат на выращивание зерна поднять общую рентабельность производства на 300 - 400%. Что касается отходов пищевой промышленности, то они богаты питательными веществами, легко поддаются ферментативной и микробиологической биоконверсии, различным видам переработки. Эти ресурсы рассматриваются как наиболее перспективные для развития альтернативных технологий кормопроизводства.

В связи с этим весьма важной задачей является разработка и исследование новых технологий и технических средств/ способных сократить до минимума энергетические затраты при производстве продукции, отвечающей самым высоким требованиям качества.

Все сельскохозяйственные технические средства должны отражать собой передовые достижения науки в вопросах функциональности, технологичности и экономичности; необходимо использование инновационного опыта таких динамично развивающихся областей науки, как информационные технологии и электротехнологические методы воздействия с применением нетрадиционных видов энергии и т.д.

Именно такой инновационно — разносторонний подход и разработка технических средств для сельскохозяйственного производства позволят вывести их на более высокий технический уровень, что поможет добиться увеличения производительности оборудования, улучшения качества производимой продукции и снижения энергоемкости технологических процессов.

В соответствии с приоритетными направлениями развития науки и техники в Российской Федерации «Рациональное природопользование», «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», утвержденными Указом Президента Российской Федерации 7 июля 2011 года, а также в соответствии с федеральным законом об* энеросбережении и о повышении энергетической эффективности от 23 ноября 2009 г. № 261 — ФЗ и распоряжением правительства РФ «Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.», для обеспечения роста экономики и повышения качества жизни населения страны необходимо максимально эффективно использовать ее энергетические и сырьевые ресурсы. При этом одним из главных приоритетов «Энергетической стратегии» является высокая значимость снижения удельных затрат энергетических ресурсов путем рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования.

Агропромышленный комплекс (АПК) Российской Федерации является

одним из крупнейших потребителей топливно - энергетических ресурсов, в том

числе электрической энергии, которая часто используется нерационально. Данное явление обусловлено множеством факторов, одним из которых является завышенная энергоемкость различных технологических процессов, в том числе, одного из основополагающих процессов в кормопроизводстве - измельчения.

Энергоемкость процесса измельчения главным образом зависит от типа применяемого оборудования. В кормопроизводстве это в основном аппараты механического принципа действия - молотковые дробилки. Отличительной особенностью данного вида оборудования является высокая энергоемкость и низкая энергоэффективность.

Одним из перспективных направлений интенсификации процесса измельчения является внедрение в его аппаратурно - технологические системы методов физической механоактивации с применением электромагнитных полей.

Целью исследований является решение проблемы рационального использования вторичных ресурсов в кормопроизводстве, путем создания эффективных способов механоактивации с разработкой оборудования нового типа, обеспечивающего интенсификацию процессов, улучшение качественных показателей продукции при одновременном повышении энергоэффективности и ресурсосбережения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. установить механизм и провести теоретическое обоснование способа формирования диспергирующего усилия, основанного на использовании энергии постоянного по знаку электромагнитного поля;

2. оценить эффективность способа по энергонапряженности силовых нагрузок и регулированию механических воздействий;

3. изучить энергетику и динамику' физико-механических процессов электромагнитных способов измельчения и механоактивации и на' основании полученных данных разработать математические модели

силовых и энергетических воздействий между магнитным полем, рабочими органами и обрабатываемым материалом;

4. выявить принципы и условия реализации способа в аппарате нового типа -дисковом электромагнитном механоактиваторе (ЭДМА). Разработать методику расчета устройства, основанную на использовании современных компьютерных технологий и создать конструкцию ЭДМА для, кормопроизводственного предприятия;

5. Установить технологические возможности ЭДМА и области его практического применения;

6. Внедрить ЭДМА в технологию производства витаминизированной биологически активной кормовой добавки с использованием нетрадиционного сырья - какаовеллы и карбамида и интенсифицировать классические схемы производства биологически активных кормовых добавок.

Объектом исследования является способ электромагнитной механоактивации витаминизированной биологически активной кормовой добавки (БАД) и устройство его реализующее (ЭДМА).

Научная новизна заключается в следующем:

Разработан ресурсосберегающий и энергоэффективный способ электромагнитной механоактивации вторичного сырья в технологии производства витаминизированных биологически активных добавок, в основу построения которого положено применение магнитоожиженного слоя, создаваемого в слое ферромагнитных размольных элементов под действием постоянного по знаку и регулируемого по величине электромагнитного поля.

Электромагнитный способ механоактивации реализован в аппарате нового типа - электромагнитном механоактиваторе дискового исполнения (ЭДМА), принцип действия которого и конструктивное исполнение защищено патентом РФ.

Исследованы физико-механические процессы, происходящие в магнитоожиженном слое ферротел и установлен механизм формирования управляемых энергонапряженных силовых и энергетических взаимодействий' между магнитным полем, размольными элементами и перерабатываемым материалом.

Исследовано строение магнитоожиженного слоя при формировании диспергирующих нагрузок при различных (до предельно допустимых) скоростных режимах работы ЭДМА. Получена математическая зависимость, позволяющая в процессе проектирования, расчета и эксплуатации типовых рядов ЭДМА устанавливать оптимальное соотношение между режимами его работы, обеспечивающими максимизацию степени 'измельчения рецептурной кормовой смеси и выравниванию гранулометрического состава продуктов помола.

На основании моделирования структуры магнитоожиженого слоя установлен оптимальный коэффициент заполнения рабочего объема электромагнитных механоактиваторов размольными ферротелами.

На основании математического моделирования динамики рабочего процесса формирования диспергирующего усилия определены условия целенаправленной и регулируемой переориентации ферроэлементов в средней части магнитоожиженного слоя, обеспечивающие заданные технологией производства силовые и энергетические параметры процесса механоактивации компонентов смеси БАД.

Разработана и апробирована методика построения трехмерного стационарного поля электромагнитной системы ЭДМА в интерактивном режиме программы ANS YS.

Составлена математическая модель процесса измельчения смеси компонентов БАД в электромагнитном механоактиваторе дискового исполнения, на основании которой определены оптимальные режимы работы аппарата и разработана ресурсосберегающая технология переработки вторичного сырья в готовую продукцию кормопроизводства.

Получено уравнение кинетики, положенное в основу моделирования процессов промышленного диспергирования в лабораторных условиях и определения относительных затрат энергии на производство БАД до установленной технологией степени измельчения компонентов смеси в ЭДМА.

Практическая ценность. Изготовлен опытный образец дискового электромагнитного механоактиватора для переработки вторичного сырья в

аппаратурно-технологических системах производства высококачественного корма

»

(БАД) для сельскохозяйственных животных.

Методика построения трехмерного стационарного поля электромагнитной системы аппарата нового типа в интерактивном режиме программы АЫЗУБ может быть использована при расчете, проектирования и эксплуатации типовых рядов электромагнитных механоактиваторов различного целевого назначения.

Алгоритм расчета и проектирования электромагнитного механоактиватора, построенный на базе результатов теоретических исследований и разработанных математических моделей может быть использован при проектировании новых конструкций аппаратов с магнитоожиженным слоем.

Внедрение результатов работы. Опытный образец ЭДМА внедрен в технологический процесс производства витаминизированной биологически активной кормовой добавки в «Комбикормовый завод Кирова» - Филиал ОАО «ЛКХП Кирова», что подтверждается соответствующим актом. Срок окупаемости мероприятий по внедрению ЭДМА в процесс производства кормовой добавки на основе нетрадиционного вторичного сырья составляет 115 дней.

Разработан и внедрен в учебный процесс кафедры «ЭОП и ЭТ в АПК» Института технических систем, сервиса и энергетики СПбГАУ экспериментальный стенд ЭДМА, применяемый в качестве лабораторной установки в курсе изучения энергосберегающих установок АПК.

Материалы исследования ЭДМА отражены в опубликованных методических указаниях, учебных пособиях, которые используются в процессе обучения студентов специальностей 110302.65 и 140106.65, а также магистрантов по направлению 110800. 68 «Агроинженерия».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодных научно - практических конференциях ФГБОУ ВПО СПбГАУ на секциях энергетического (2007 - 2012 гг.), инженерно -технологиче