автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка технологии обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира и обоснование режимов работы технических средств для ее реализации

На правах рукописи

Казанцева Елена Ильинична

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЖАРИВАНИЯ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ В СРЕДЕ НАГРЕТОГО КОРМОВОГО ЖИРА И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ)

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Антонов Николай Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова», заведующий кафедрой «Детали машин и подъемно-транспортные машины» Павлов Павел Иванович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой «Технологические процессы и техносферная безопасность» Щербаков Сергей Юрьевич

Ведущая организация: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде

Защита состоится «15» декабря 2014 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д220.008.02 на базе ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002,г. Волгоград, пр. Университетский, 26, зал заседаний диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном интернет-сайте ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ».

Автореферат разослан » ноября 2014 года и размещен на официальных интернет-сайтах ВАК РФ и ВолГАУ.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ряднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение производства зерна является одной из главных задач сельскохозяйственного производства, позволяющих решить проблему продовольственной безопасности страны. По данным Россгата в 2013 году производство зерна составило 92,4 млн. тонн, а в 2014 году соответственно 94,2 миллиона тонн. Наметившийся прирост производства зерна создает условия для ускорения темпов развития сельскохозяйственного производства в целом и в частности животноводства.

Успешное развитие животноводства возможно на основе развитой кормовой базы, где важную роль играет комбикормовая промышленность. Зерно является одним из основных компонентов комбикормов, на его долю приходится от 30 до 70% по массе, в зависимости от рациона кормления. Известно, что тепловая обработка зерна положительно сказывается на увеличении его питательной ценности и усвояемости, снижая его расход. Ячмень является улучшигелем качества .мяса и сапа при откорме свиней. Тепловая обработка ячменя (поджаривание) существенно повышает питательную ценность комбикорма. Так, при скармливании комбикорма поросятам раннего отъема получено, что их среднесуточные привесы возрастают более чем на 60%, а при кормлении телят—на 20% по сравнению с комбикормом, в котором ячмень не подвергался тепловой обработке.

Согласно зоотехническим требованиям и технологии выращивания поросят сосунов до двухмесячного возраста в их рацион кормления необходимо вводить 50... 120 грамм поджаренного ячменя в сутки.

В настоящее время имеются высокопроизводительные средства механизации процесса обжаривания зерна Однако применение существующих установок для тепловой обработки зерна с большой пропускной способностью нерентабельно в условиях небольших фермерских хозяйств, так как это связано с большими капитальными вложениями. В связи с этим разработка новых технологий и технических средств, сравнительно небольшой пропускной способности, интенсифицирующих процесс тепловой обработки зерна с учетом энергоресурсосбережения является актуальной и важной научно-технической задачей.

Степень разработанности темы. Совершенствованию технологического процесса обжаривания зерна и средств механизации данного процесса уделено большое внимание в работах Н.П. Булыгина, A.B. Лыкова, В.В. Красникова, А.П. Ворошилова и многих других учёных.

Несмотря на большое число выполненных научных работ, в теории и практике тепловой обработки и обжаривания зерна ячменя до сих пор имеется ряд нерешенных

вопросов, имеющих важное и актуальное значение для АПК.

Цель исследований - разработка технологии обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира и обоснование режимов работы технических средств для ее реализации.

В соответствии с поставленной целью в работе сформулированы следующие задачи исследований:

1. Выполнить анализ существующих технологий и средств механизации производства комбинированных кормов и их компонентов, процессов тепловой обработки зерна, выявить основные направления их совершенствования.

2. Разработать технологию и принципиальную схему устройства для обжаривания зерна ячменя в нагретой среде кормового жира и выполнить теоретическое обоснование его технологических режимов и конструктивных параметров.

3. Разработать алгоритм и программное обеспечение расчета координат движения материальной частицы зерна в жировой среде рабочего органа устройства

4. Экспериментальными исследованиями определить оптимальные технологические режимы и конструктивные параметры устройства д ля обжаривания зерна ячменя в нагретой среде кормового жира.

5. Обосновать экономическую целесообразность внедрения пред лагаемой технологии и технических средств обжаривания зерна и на основе анализа результатов производственных испытаний разработать рекомендации к их внедрению.

Научную новизну работы представляют:

-усовершенствованная технология и принципиальная схема предлагаемого устройства для обжаривания зерна в среде нагретого кормового жира;

-алгоритм и программное обеспечение для расчета координат движения материальной частицы зерна в жировой среде рабочего органа устройства;

- регрессионные модели и соответствующие им графические зависимости, описывающие влияние конструктивных и режимных параметров на критерии оптимизации;

-результаты экспериментальных исследований физико-химических свойств зерна ячменя при его одновременном транспортировании с перемешиванием рабочим органом в нафегой жировой среде.

Теоретическая и практическая значимость работы. Исходя из результатов проведенных исследований, разработана усовершенствованная технология (патент на изобретение 1Ш 2485790 С1) и устройство для исследования процесса обжаривания зерна ячменя в нагретой жировой среде (патенты на полезные модели ГШ 1013321Л и

RU 111988 U1), позволяющие повысить питательность и усвояемость готового корма. Обоснованы оптимальные параметры и режим работы устройства для обжаривания зерна ячменя.

Методология и методы исследования. Данные опытов, полученные с использованием методики планирования экспериментов, статистически обрабатывались с помощью программ «Excel», «Statistika-б» и «Derive-5». Установка для обжаривания зерна ячменя прошла испытания в лабораторных условиях ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ.

Испытания установки для обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира проводились в лабораторных условиях на основе ОСТ 70.10.8-84 «Испытания сельскохозяйственной техники. Программы и методы испытаний» и ГОСТ 2405588 «Методы эксплуатационно-технологической оценки».

Положении, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованная технология и принципиальная схема устройства для обжаривания зерна ячменя и теоретически обоснованные технологические режимы;

2. Алгоритм и программное обеспечение расчета координат движения материальной частицы зерна в жировой среде рабочего органа устройства;

3. Результаты экспериментальных исследований по определению оптимальных технологических режимов и конструктивных параметров устройства для обжаривания зерна ячменя в нагретой среде кормового жира;

4. Результаты экспериментальных исследований физико-химических свойств зерна ячменя при его одновременном транспортировании с перемешиванием рабочим органом в нагретой жировой среде;

5. Технико-экономическая оценка эффективности исследования разработанной технологии и устройства для ее реализации.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, которая составляет 95,1 %. Технология приготовления корма с применением устройства для обжаривания зерна внедрена в КХ «Медведи» Михайловского района Волгоградской области.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы изложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ (2009-2013 г.г.), региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2009-2013 г.г.), а также представлены на XVI Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» и отмечены Бронзовой медалью. Основные по-

ложения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одном патенте на изобретение № 248579 и двух патентах на полезные модели № 101332, № 111988. Общий объём опубликованных работ составляет 2,49 пл., из них автору принадлежит 1,57 пл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена краткая характеристика состояния проблемы продовольственной безопасности, изложен технологический процесс обжаривания зерновой массы, обоснована актуальность выбранной темы, цель исследования, научная новизна, практическая значимость, отражены основные положения, выносимые на защиту, реализация результатов исследований, апробация устройства для обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира.

В первой главе «Состояние вопроса. Цели и задачи исследования» представлен анализ библиографической и патентной информации, известных технических решений, проведен анализ способов тепловой обработки зерна, а также представлена классификация средств механизации тепловой обработки зерна.

В историю развития современной техники и технологии тепловой обработки зерна внесли огромный вклад такие ученые как А. П. Грежой, Г. С. Зелинский, В. Ф. Самочегов, Н. И. Денисов, В. И. Курдюмов, Г. С. Окунь, В. И. Анискин, В. И. Жидко, Ф. Т. Гоголев, Н. Я. Попов и многие другие. На основе анализа информации сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе «Теоретическое обоснование технологического процесса обжаривания зерновок ячменя в среде нагретого кормового жира» дано подробное описание предложенной и запатентованной технологии обжаривания зерна ячменя в нагретой среде кормового жира с устройством рабочего органа для транспортирования с одновременным перемешиванием обработанного корма (патент на изобретение 1Ш 2485790 С1).

Принцип данной технологии, представленной на рисунке 1, заключается в том, что зерновая масса с влажностью зерна 12... 14% через приемный парубок и желоб поступает в емкость с кормовым жиром. Нагретый до определенной температуры (150...160 °С) электронагревателями кормовой жир обжаривает зерно в течение 80... 100 секунд до хрустящей ковдиции. Обжаренное зерно через выгрузной патрубок направляется на расфасовку и реализацию. Полученный корм может быть широко ис-

пользован в свиноводческих крестьянских, фермерских хозяйствах и комплексах при откорме поросят и при кормлении поросят — отьемышей согласно технологии содержания. Предлагаемый способ менее энергоемок, имеет более высокую производительность, позволяя значительно увеличить питательную ценность корма

Рисунок 1 - Технологическая схема способа обжаривания зерна ячменя

В связи с указанным положительным влиянием тепловой обработки на качество корма в Волгоградском ГАУ было разработано устройство для приготовления корма новизна которого подтверждена двумя патентами на полезную модель ГШ 101 332 Ш и 1Ш 111 988 Ш (рисунок 2).

Установка работает следующим образом. Зерновая масса из накопительного бункера 6 через дозатор 5 подается в перфорированный желоб 4 и под действием гравитационных сил поступает в ёмкость, где находится жидкий теплоноситель, то есть кормовой жир. Жир постоянно подогревается при помощи нескольких электрических нагревателей 10 (тэнов), установленных в нижней части рабочей ёмкости. При попадании зерна в ёмкость с нагретым до определённой температуры кормовым жиром, оно нагревается, обжаривается, а затем при помощи винтового выгрузного транспортера 7 поступает в предварительно подготовленную тару для последующего транспортирования и реализации. Повышение эффективности обжаривания достигается за счёт наличия нескольких электрических нагревателей 10, а также за счёт равномерного и плавного поступления зерновой массы в ёмкость. При выгрузке прожаренной зерновой массы (через выгрузной патрубок 8) остатки жира медленно стекают в лоток 9.

Производительность выгрузного винтового транспортера (шнека) можно определить по общей формуле:

Q = 3600kFyFvs, (1)

где kF- коэффициент использования площади сечения кожуха; F — площадь сечения материала в кожухе; v - средняя осевая скорость.

В общем виде теоретическая производительность шнека будет равна:

QT=3600yFcVS> (2)

где у - насыпная масса; Fc - средняя площадь поперечного сечения потока; vs - действительная осевая скорость материала.

Учитывая шаг винта шнека Sn, а также коэффициенты влияния на производительность угла наклона шнека - кр и конструкции загрузочного устройства - к3 и заменяя Vs= kvVsr, где Vsi=S,/60, получаем:

Q = 60k3kpyFcSn. (3)

Все безразмерные коэффициенты, как и их произведение, практически могут иметь значение, равное или меньшее единицы. Расчетным путем установлено, что производительность шнека составляет 250 кг/ч. Такая производительность увязана с технологической потребностью содержания поголовья поросят-отьемышей (всех стадий отъема) в количестве 5000.. .9000 голов. При этом согласно рациону, каждому поросенку в сутки необходимо в среднем 600 г. поджаренного зерна ячменя. Коэффициент влияния угла наклона шнека - кр принимается по данным многочисленных исследований. Соответственно интервал значений угла наклона шнека составляет 30,0...30,5 град.

Диаметр шнека определяем по следующей формуле:

D = J Q- . (4)

у 47-кп-у/у-п

где к0 —коэффициент заполнения шнека; у —коэффициент шага винта шнека; п — количество оборотов шнека.

Опытным путем была установлена зависимость скорости передвижения материала от количества оборотов шнека, представленная на рисунке 3.

Vs,m/c

Рисунок 3 - Зависимость скоросш передвижения материала от частоты вращения шнека

Исходя из полученных экспериментальным и расчётным путём данных, диаметр шнека равен 0,14.. .0,16 м. Соотношение диаметра шнека к шагу с учетом коэффициента трения и составляет 1,3.

Также установлено, что скорость вращения шнека равна 10... 12 мин , а скорость

зерна в шнеке У5= 1,102 м/с.

При вращении шнека на материальную частицу действуют силы, направленные

вдоль радиуса витка шнека (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема сил, воздействующих на частицу

На частицу действует центробежная сила Fup направленная к периферии, а также сила трения Ftp, направленная к оси шнека. При установившемся равновесии в движении частицы, вышеуказанные силы равны между собой (Fup - Ftp)-

По определению ^ • Рд <*>

Бцопробежн = ГП0 ■ <W2 ' Я, ®

где: к -коэффициент тренда внутри массы; Fa - сила давления, оказываемая на частицу перпендикулярно оси шнека; т0 — масса частицы, кг.

Рд определяется формулой F^ — m-g-COSCC,

где: т. - масса корма в загрузочном корпусе; а - угол наклона шнека.

Равновесие сил устанавливается на отрезке длины шнека в загрузочном корпусе, поэтому ш—масса зерна в загрузочном корпусе (кожухе).

т= гс-р-^--Н, (8)

где р — плотность корма, кг/м3; <1 — диаметр кожуха, м; Н — высота загруженного корма внутри кожуха шнека

(9)

где: т0 — масса частицы, кг; V0 —объем частицы, м3; К— скважность корма, причем К€[0;1].

О,«

К = — = 0,46 (для корма в жировой среде).

Подставляя в выражение Fqp = Ftp формулы (5) и (6), с учетом имеющихся формул (7), (8), (9) получим:

---— т0 - oi ■ R. (Ю)

^ п К-л-fi-d2 -Н-a-cos а

Отсюда получаем, И = ---. (ш

4-ojZ v '

Таким образом, в цилиндрической системе координат радиус-вектор материальной точки имеет координаты:

<р — а> • t,

К• 7Г ■ [I • dz • Н ■ д • спяят

1--

V.

(12)

Вектор скорости материальной частицы на поверхности шнекового рабочего органа в цилиндрической системе координат имеет вид:

- _ Зг <£с Л<р _ dR _

+ (и)

где: Т, е^, ся — базисные вектора в щгагащрической системе координат.

• Отсюда следует, что координатами являются v ; R • ta; (14)

H-cj

где: — — скорость движения материальной частицы вдоль оси шнека; R • ft> - скорость вращательного движения материальной частицы относительно оси; vR — радиальная скорость движения частицы.

Радиальная скорость частицы имеет место только внутри загрузочного корпуса. На этом участке на частицу действуют силы Fj^ и Fw выше нами описанные.

Разность этих сил определяет радиальное ускорение материальной частицы, равное:

«R (15)

По мере продвижения частицы относительно оси шнека Fip будет увеличиваться и в некоторый момент времени компенсирует центробежные силы Рпентробежа При попадании (подаче) частицы в кожух шнека радиальная скорость частицы погаснтся достаточно быстро дополнительной силой со стороны кожуха. Поэтому мы можем считать, что vR = 0. Отсюда следует вывод, что внутри кожуха шнека

координаты v ; Д •

Для создания математической модели расчета координат движения частиц зерна была разработана программа Scnecl, где предусмотрено построение графической зависимости изменения координат частицы с течением времени сразу после проведения автоматизированного расчета координат на основании значений введенных исходных данных. Используя разработанную программу на ПЭВМ, была установлена математическая зависимость изменения поступательной скорости движения зерна в среде нагретого кормового жира.

Тепловой расчет установки для тепловой обработки зерна ячменя производился на основании имеющихся теплотехнических и теплофизических закономерностей по определенным формулам.

В качестве теплоносителя использовался животный кормовой жир, начальная масса зерна GH составила 250 кг, начальная влажность зерновой массы Uh=12%, а конечная влажность зерна UK (после проведения тепловой обработки в жировой среде) около 7%. Установлено также, что удельный вес кормового жира р при температуре его нагрева 155... 160°С составляет 150 Н/м3.

Количество влаги, выделяемое при тепловой обработке зерновой массы определяли по формуле:

Получили, что количество данной влаги W составляет 13,4 кг.

Вынос жира в результате поглощения его сырьем шв составляет для различных видов сырья при различном интервале температур 5.. .33%. В результате проведенных экспериментов получили, что для зерна ячменя данный показатель составляет 6% от изначальной массы зерна.

Массу выноса жира зерном т„ определяли по формуле:

тв=^'6%. (17)

Масса выноса составила 15 кг (в расчете на 250 кг произведенной продукции).

Потери жира в результате испарения составляют для различных видов зерна 0,5.. .2,0%. Непосредственно для зерна ячменя данный показатель составил 0,5%.

Шисзс=1оо " °'5%- (18)

Потери жира составили 1,25 кг.

Тепловой КПД сушки определяли по формуле:

Лсуш=^Ч (!9)

Яуд.

где г - удельная теплота парообразования воды, кДж/кг.

тТсуш в нашем случае составил 0,93.

Количество жира, необходимого для обработай сырья (зерна ячменя) определяли по формуле:

^Р^сж-С^' (20)

где Ор - количеспю теплоты, поглощаемое установкой с учетом коэффициента запаса, кДж.

Шж-ра^ЗОЗ кг.

Объем жира определяли по формуле:

(21)

где р - плотность Ж1фа, кг/м3.

В итоге получили, что V* составил около 0,03 м3.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» рассмотрены общая методика проведения экспериментальных исследований, методики проведения поисковых опытов, приведена программа экспериментальных исследований, дано описание лабораторного оборудования и приборов. Опытные данные, полученные с использованием метода планирования экспериментов, статистически обрабатывались с помощью программ «Excel», «Derive-5» и «Statistika-б».

Лабораторные исследования, а также анализ корма, полученного при тепловой обработке зерна ячменя в среде нагретого кормового жира и обработка экспериментальных данных проводилась в лаборатории «Анализ кормов и продукции животноводства» (per. № РОСС RU.0001.517982) Волгоградского ГАУ.

Исследования корма проводились по следующим методикам:

• Определение первоначальной воды ГОСТ 134963-92;

• Определение сырой клетчатки ГОСТ 13496.2-91;

• Определение содержания азота и сырого протеина по Кьельдалю ГОСТ Р 51417-99 (ИСО 5988-97);

• Определение сырого жира ГОСТ 13496.15-97;

• Определение сырой золы ГОСТ 13979.6-69;

. • Аминокислотный анализ корма проводился по методике, разработанной ООО «Люмэкс» № ФР.1312005.01499.

В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований» подробно изложены результаты влияния обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира на его физико-химические показатели, представлены графические зависимости содержания сырого жира, сырого протеина и сырой клетчатки от температуры и продолжительности нагрева; проведена оптимизация технологических режимов установки для тепловой обработки зерна ячменя; представлено обоснование конструктивно-режимных параметров установки для тепловой обработки зерна.

В соответствии с принятой нами методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 3-х факторного эксперимента. Критерием оптимизации являлась питательность, Дж (таблица 1).

Таблица 1 - Факторы, их уровни и интервалы варьирования

Факторы Уровни фактора Интервал варьирования, е

0 -1 +1

X] — температура нагрева зерна, С 160 150 170 10

х2 — время нагрева зерна, с 100 80 120 20

х3 - угол наклона шнека, град 30 25 35 5

На основании экспериментальных данных по предложенной программе рассчитаны коэффициенты Во, В„ В,, и В„ уравнения регрессии:

+ТРЛ ■ (22)

Значимость коэффициентов уравнения (22) оценивалась по критерию Сгьюден-та. В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде: Кот=20,619-0,07Ц +0,136^ -0.002х, -0.072^-0,00Цх, -

-0^001x^-0,091^-0,206^-0,163^ У^=12,77—0,044*; +0,395^ -0,00ц -0,02x^+0,00 Цх, -$,001x^-0,176*?-0,455л*-0,252х*

=3,202-0,573^-0,078^-0,005^ -0,055^+0,003^ --0,002^-0,330й?-0,045^-0,077^ Уп=16859-696^7^ -26, Зх^ -123,5х, -148,7^х, -275,2*^ -575,26^ -329,7x^-578,5^

Адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера. Во всех случаях Ро.м^ (здесь ¥005=2,1646 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5 %).

С помощью предложенной программы были определены оптимальные значения факторов (таблица 2).

(23)

(24)

(25)

(26)

Показатель Доля сырого протеина СП, % Доля сырого жира СЖ, % Доля сырой клетчатки СК,% Доля питательности П,%

X] -0,60 -0,15 -0,84 -0,6

х2 0,40 0,44 -0,35 -0,04

Хз 0,00 0,00 -0,04 -0,04

Для анализа и систематизации, полученные математические модели второго порядка привели к типовой канонической форме вида:

где Y — значаще критерия оптимизации; Ys — значение критерия оптимизации в оптимальной точке; ХьХг,..., Xt-новые оси координат, повернутые относительно старых xi, Х2,.x¿ Вц, Вп, ■■■, Bn¡ — коэффипценгы регрессии в канонической форме.

В результате проведенных расчетов получены коэффициенты регрессии в канонической форме Вц, В22, В33, В44 и значения критерия оптимизации в оптимальной точке Ys. Уравнения регрессии (23), (24), (25) и (26), представленные в канонической форме, имеют вид:

Ycn -20,647= -0,08 IX,2-0,216Х2 -0Д63Х,2, (28)

Гсж-Ц86=-0,175-0,45-ОД 52**, (29)

YCK -3,633=-0,332¥,2 -0,042Г2 -0,071X1, (30)

Yn -170697=-51 <$X¡ -26§6Х2 -695ЗХ3. (31)

При этом решалась компромиссная задача, в которой требовалось найти значения факторов, дающих максимальное значение питательности при заданном уровне процентного содержания сырого протеши СП (20,64%), сырого жира СЖ (12,80 %), сырой клетчатки СК (3,40 %). Для того, чтобы достигнуть максимального использования питательных веществ зерна ячменя, необходимо принять следующие оптимальные значения факторов: x¡=-0,6... -0,5 (154 °С... 155 °С), х2= + 0,3 ...+ 0,4(106 ... 108 с) и х3 = 0 ...+ 0,1 (30,0.. .30,5 град). При этом питательность составит 17000 Дж, а % сырого протеина СП = 20,64 %, сырого жира СЖ = 12,80 %, сырой клетчатки СК = 3,40%.

С целью определения оптимальных значений конструктивных параметров работы установки для тепловой обработки зерновой массы ячменя, также был реализован план Рехтшафнера д тя 3-х факторного эксперимента. Факторы, их уровни и интервалы варьирования представлены в таблице 3.

Факторы Уровни фактора Интервал варьирования, 6

0 -1 +1

XI - диаметр шнека, м 0,17 0,15 0,19 0,02

2 — шаг винта шнека, м 0,14 0,12 0,16 0,02

Хз -частота вращения шнека, мин"' 10,50 9,50 11,50 1,00

В качестве критерия оптимизации в данном случае были выбраны удельные затраты энергии У (кДж/кг), которые определялись с учетом затрат на нагрев среды, привода выгрузного шнека установки и её производительности по зерну, равной 250 кг/ч.

На основании данных, полученных экспериментальным путем по предложенной программе рассчитаны коэффициенты Во, В;, В, и Вц уравнения регрессии:

У = Во +ЁВуХ;Х] +£ВцХ? , (32)

В результате расчетов, проведенных на ПЭВМ, получены коэффициенты регрессии в канонической форме В1Ь В22, В33 и значения критерия оптимизации в оптимальной точке У5.

Уравнение регрессии (31), представленное в канонической форме, имеет вид:

Ур - 203,8 = 0,65л:,2 + 0,44х22 + 0,92х;, (33)

При подробном рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (33), относительно диаметра шнека (х,) и шага винта шнека (х2), фактор - частота вращения шнека находится на оптимальном значении х,=0,91. В итоге, рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х,= -0,65 ...-0,75 и х2 =-0,7 ...-0,8.

Анализ двумерных сечений показал, что для того, чтобы удельные затраты энергии У были минимальными, рекомендовано соблюдать следующие оптимальные значения факторов: х,= - 0,65 ...- 0,75 (0,157...0,155 м), х2 = - 0,7 ...- 0,8 (0,125...0,124 м), х3 = 0,85...0,95 (11,35... 11,45 мин"1). В данном случае, удельные затраты энергии У составят 203,9 кДж/кг.

В пятой главе «Экономическая эффективность процесса обжаривания зерна с использованием разработанной установки» определена экономическая эффективность применения предложенной технологии и устройства для обжаривания зерна ячменя.

Производственные исследования установки (рисунок 5) проведены в условиях Крестьянского Хозяйства «Медведи» Михайловского района Волгоградской области и подтверждены соответствующим актом о внедрении.

Общие расхождения значений основных показателей процесса тепловой обработки зерна, полученных в лабораторных условиях не превысили 5 %. Годовая экономия составила 100098,28 руб, экономический эффект составил 444,9 руб/т, срок окупаемости всего 0,5 года.

Рисунок 5 - Устройство для обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира;

I - корпус установки; 2 - теплоизоляционный слой; 3 - загрузочный желоб; 4 - дозатор; 5 - загрузочный бункер; 6 - перфорированный выгрузной желоб, 7 - винтовой выгрузной транспортер; 8 - электропривод установки

Заключение

1. Анализ существующих способов и средств механизации тепловой обработки зерна показал, что доя снижения затрат энергии и эксплуатационных затрат целесообразно разрабатывать оборудование сравнительно небольшой пропускной способности, основанное на процессах обжаривания зерна в среде нагретого кормового жира.

2. Разработана технология обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира, принцип действия которой основан на воздействии жидкого теплоносителя на зерновую массу при ее одновременном транспортировании с перемешиванием рабочим органом.

3. Теоретические исследования показали, что диаметр выгрузного шнека устройства варьирует в пределах 0,14.. .0,16 м; шаг винта шнека 0,12. ..0,17 м; частота вращения шнека 10...12 мин"1; скорость зерна в шнеке равна 1,102 м/с; соотношение шага шнека к диаметру с учетом коэффициента трения в жировой среде равно 13.

4. На основании имеющихся теплотехнических и теплюфизических закономерностей выполнен тепловой расчет установки для обжаривания ячменя с получением количественных значений: количества влаги, выделяемой при обжаривании зерновой массы (13,4 кг); массы выноса жира зерном (15 кг из расчета на 250 кг произведенной продукции); потери жира в результате испарения (1,25 кг); затрат тепла на выделение влаги из зерна (2,59 кДж); затрат тепла на нагрев емкости (0,184 кДж); расхода тепла в окружающую среду (0,45кДж); удельного расход тепла на выделение влаги (0,26кДж); теплового КПД обжаривания (93%); необходимой мощности нагревательных элементов устройства (5,6.. .6 кВт).

5. В результате экспериментальных исследований с использованием методики планирования эксперимента получены адекватные математические модели процесса тепловой обработки зерна ячменя в среде нагретого кормового жира, анализ которых позволил выявить оптимальные значения технологических режимов независимых факторов: температура обжаривания 154...156 °С, время выдержки 106... 108 секунд при угле наклона выгрузного шнека 30,0...30,5 град. При этом максимальная питательность зерна при данных оптимальных значениях факторов составляет 17000 Дж, что превышает средний показатель питательности зерна ячменя в 13 раза.

6. Экспериментальные исследования позволили установить следующие рациональные конструктивные параметры устройства для обжаривания зерна ячменя: шаг винта шнека=0,124...0,125 м.; диаметр шнека = 0,157...0,157 м.; частота вращения шнека=11,35... 11,45 мин . Удельные затраты энергии при работе разработанной установки с указанными технологическими режимами, конструктивными параметрами и производительностью 250 кг/ч составляют 203,9 кДж/кг.

7. Разработанное программное обеспечение расчета координат движения материальной частицы зерна Scnec l позволяет определить местоположение частицы корма в любой момент времени от момента загрузки продукта до его выгрузки по истечении 100... 110 с. Скорость движения частицы корма по оси X с течением времени для указанных режимов снижается от и =1,102 м/с до v = 0,902 м/с, то есть в 1,22 раза до выхода из выгрузного шнека.

8. Реализация предлагаемой технологии и устройства для обжаривания зерна ячменя в среде нагретого кормового жира позволяет получить годовой экономический

эффект в сумме 444,9 руб/т в сравнении с установкой Б6-ДСЖ. Срок окупаемости капитальных вложений 0,5 года.

Рекомендации производству:

1. Производить поджаривание зерна ячменя влажностью не более 14% в среде нагретого кормового жира с целью увеличения его питательной ценности.

2. Для снижения удельных затрат энергии производить поджаривание зерна ячменя согласно предлагаемой технологии (патент на изобретение 1Ш 2485790 С1).

Перспективы дальнейшей разработки темы:

- разработать технологический процесс очистки кормового жира от образующихся при длительной работе установки канцерогенных частиц;

- использовать процесс рециркуляции жировой среды с перемешиванием, особенно в зоне теплопередачи и контакта теплоагента с зерном при обжаривании.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ;

1 .Антонов, Н. М. Оптимизация технологических режимов установки для тепловой обработки зерна / Н. М. Антонов, С. В.Тронев, Е. И. Макевнина // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2011. - №4 (24). - С. 191-196.

2. Антонов, Н. М. Обоснование конструктивно-режимных параметров установки для тепловой обработки зерна / Н. М. Антонов, С. И. Богданов, Е. И. Макевнина // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование.-2012.-№1 (25).—С. 135-138.

3. Антонов, Н. М. Тепловая обработка зерна ячменя / Н. М. Антонов, Е. И. Макевнина, И. А. Коробов // Сельский механизатор. — Москва, 2012.—№8. — С.26.

4. Антонов, Н. М. Оптимальные параметры тепловой обработки фуражного зерна / Н.МАнгонов, С. В.Тронев, Е. И.Максвннна // Сельский механизатор. — Москва, 2012. - №9. - С.30-31.

патентах РФ:

5. Пэт. № 2485790 Российская Федерация, А23 К1/14; А23 К1/00; В02 В5/00. Способ тепловой обработки зерна / Н. М Антонов, Е. И. Макевнина, Ю. В. Искус-нов, Г. И. Ивко, И. А. Коробов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Волгоградская ГСХА. - № 2011153224/13; заявл. 26.122011 г, опубл. 27.06.2013 г. Бюл. №18.

6. Пат. № 101 332 Российская Федерация, А23 N17/00. Устройство для приготовления корма / Н. М. Антонов, Ю. В. Искусное, Г. И. Ивко, А. Ю. Искусное, Е. И. Макевнина, Д. С. Никулин; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА. — № 2010123563/13; заявл. 09.062010 г, опубл. 20.01.2011 г. Бюл. №2.

7. Пат. № 111988 Российская Федерация, А23 N17/00. Устройство для приготовления корма / Н. М. Антонов, Г. И. Ивко, Ю. В. Искусное, Е. И. Макевнина, И.А. Коробов, Д. А. Дьяков, М. Н. Сьгтилин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Волгоградская ГСХА. - № 2011132012/13; заявл. 29.07.2011 г, опубл. 10.01.2012 г. Бюл.№1.

в других изданиях:

8. Антонов, Н. М. Изменение свойств зерна при его тепловой обработке / Н. М. Антонов, Ю. В. Искусное, К И. Макевнина // Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий. Материалы Международной научно-практической конференции молодых исследователей, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне. — Волгоград: ФГОУ ВПО ВГСХА ИПК «Нива», 2010. - С240-243.

9. Антонов, Н. М. Использование жиров, погонов дезодарации, отбельных глин и фосфагидов при кормлении сельскохозяйственных животных / Н. М. Антонов, Ю. В. Искусное, Е. И. Макевнина // Технология и продукты здорового питания. Материалы IV Международной научно-практической конференции Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» Издательство «КУБиК», 2010. - С.14-16.

10. Антонов, Н. М. Влияние температуры на изменение питательных свойств и микрофлоры зерна ячменя / Н. М. Антонов, Ю. В. Искусное, Е. И. Макевнина // Наука и молодежь: новые идеи и решения. Материалы IV Международной научно-практической конференции молодых исследователей, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне - Волгоград: ФГОУ ВПО ВГСХА ИПК «Нива», 2010. — С.85-87.

11. Антонов, Н. М. Процесс дексгринизации крахмала зерна при выращивании поросят / Н. М. Антонов, Ю. В. Искусное, Е. И. Макевнина // Биотехнология растительного сырья, качество и безопасность продуктов питания. Материалы докладов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию ИрГТУ Иркутск: Издательство ИрГТУ, 2010. - С.87-89.

12. Антонов, Н. М. Различные виды зерна в рационах при откорме поросят / Н. М. Антонов, Е. И. Макевнина // Биотехнология растительного сырья, качество и безопасность продуктов питания. Материалы докладов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию ИрГТУ - Иркутск: Издательство ИрГТУ, 2010.—С.171-173.

Казанцева Елена Ильинична

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЖАРИВАНИЯ ЗЕРНА ЯЧМЕНЯ В СРЕДЕ НАГРЕТОГО КОРМОВОГО ЖИРА И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.20.01 —Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

В авторской редакции

Подписано в печать 13.10.2014 г. Формат60x84 1Л6. Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 332 ИПК ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ «Нива». 400002, Волгоград, пр. Университетский, 26.