автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Сокращение энергозатрат при приготовлениикомбикормов для птицы с прогнозируемой точностью дозирования компонентов

Р Г Б ОД

На правах рукописи

1 6 МАР 1РЯЯ

Семенов Владимир Иванович

Сокращение энергозатрат при приготовлении комбикормов для птицы с прогнозируемой точностью дозирования компонентов

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург. 1998

Рабога выполнена в Оренбургском ордена Трудового Красного Знамени государственном аграрном университете.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.Ю.Полищук,

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт мясного скотоводства.

Защита состоится 21 марта 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 120.95.01 при Оренбургском государственном аграрном университете.

Адрес: 460795, ГСП, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, ОГАУ, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского государственного аграрного университета.

наук, профессор, С.А.Соловьев.

кандидат технических наук А.В.Шпинев.

Автореферат разослан

сор

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профес-

уЯ?) П.И.Огородников

Общая характеристика работы

На 580 птицефабриках Российской Федерации, потребляющих 7800 тыс. тонн в год комбикорма: 28% обеспечиваются кормами, приготовленных на собственных комбикормовых цехах. При завершении реконструкции еще 95 цехов, более половины комбикорма будет выпускаться непосредственно на птицефабриках.

Эксплуатация современных комбикормовых цехов затрудняется большой энергоемкостью оборудования при высокой стоимости энергоносителей. Кроме того, из-за отсутствия централизованных поставок сырья приходится прибегать к использованию местных ресурсов, включая пшеницу, ячмень, мясокостную муку, подсолнечный шрот и т.д.

Любой комбикормовый цех оснащен многочисленными дозатор-ными устройствами, которые не всегда согласованы по времени работы друг с другом и с работой основной машины - смесителем. При этом, имея в виду, что потребляемая мощность дозаторами и смесителем составляет не менее 14,8%, становится понятным, что сокращение потребления на несколько процентов дает существенную экономию электроэнергии.

При совместном использовании дозаторов и смесителей следует учитывать показатели точности дозирования, которые в конечном итоге оказывают большое влияние на потребляемую мощность. Таким образом, совершенствование технологических мероприятий - сокращение энергозатрат и повышение точности дозирования - улучшит эксплуатационные характеристики работы комбикормового производства и снизит себестоимость конечного продукта.

К сожалению, среди многочисленных работ, посвященных данной тематике, отсутствует обоснование технологических параметров, направленных на обоснование требуемой точности дозирования и сокращения энергоемкости работы оборудования.

В связи с этим, целью настоящей работы является сокращение энергозатрат при транспортировке, дозировании и смешивании компонентов комбикорма при прогнозировании точности дозирования.

Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи:

1. Провести анализ существующих технологических мероприятий и выявить перспективные методы повышения эксплуатационных характеристик комбикормовых предприятий.

2. Определить особенности движения частиц компонентов комбикорма в шнековых дозаторах.

3. Разработать теоретические модели смешивания компонентов комбикорма при совместной работе смесителя с дозатором.

4. Предложить методику прогнозирования точности дозирования компонентов при совместной работе шнековых дозаторов и смесителей.

5. Оценить экономические показатели предложенных технологических мероприятий.

Объект исследования: процесс транспортировки, дозирования и смешивания компонентов комбикорма в комбикормовом цехе.

Научная новизна заключается:

- в комплексном подходе к сокращению энергозатрат при приготовлении комбикорма с учетом прогнозирования точности дозирования на основе разработки теоретической модели движения материальной частицы в шнековом дозаторе с последующим смешиванием компонентов.

- в методике испытаний дозаторов с помощью специальной лабораторной установки, новизна которой подтверждена положительным решением на выдачу патента на изобретение;

- в методе оценки качества смешиваемых компонентов комбикорма на основе структурного массового гранулометрического анализа.

На защиту выносится:

- теоретическое обоснование движения материальной частицы в дозаторе;

- обоснование параметров совместной работы дозаторов и смесителей;

- метод оценки качества дозирования компонентов комбикорма на основе структурного массового гранулометрического анализа.

Апробация:

- основные положения работы были доложены на конференциях профессорско-преподавательского состава Оренбургского государственного аграрного университета (1991 - 1997 гг.).

Практическую ценность имеют:

- теоретическое обоснование совместного использования оборудования для транспортировки, дозирования и смешивания компонентов комбинированного корма;

- методы оценки точности дозирования и качества смешивания компонентов.

Реализация результатов:

- предложенные технические решения по совершенствованию процесса дозирования компонентов изготовлены и установлены в комбикормовых цехах АОЗТ Птицефабрика "Степная" и других предприятиях объединения "Птицепром" Оренбургской области.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 3 работах и одном положительном решении на выдачу патента на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений .

Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, включая список литературы из 122 наименований (в том чис-

ле 2 на иностранных языках), содержит 7 таблиц, 43 рисунка, 4 4 страницы приложений.

Содержание работы

Введение. Дано краткое состояние проблемы совершенствова-нмя процесса приготовления комбинированного корма, сформулирована цель исследования, изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе "Анализ эффективности технического оснаще-н-ия предприятий по приготовлению комбинированных кормов на г: птицефабриках" показано, что одной из наиболее значимых статей П; затрат на птицефабрике "Степная" Оренбургской области, как и -S на остальных подобных предприятиях, является стоимость приго-■£Г товления комбикорма. Существующее оборудование определяет не-î. обходимость совершенствования процессов транспортировки, дози-ç рования и смешивания компонентов комбинированного корма.

С точки зрения сокращения затрат электроэнергии наиболее Г перспективным вариантом является использование усовершенство-Е"- ванной конструкции шнековых дозаторов и их совместная эксплуа-•С тация со смесителями. При этом снижение энергоемкости не должно повлиять на точность дозирования отдельных компонентов г комбикорма.

В настоящее время разработана и выпускается достаточно большое количество оборудования для дозирования и смешивания кормов. Большой вклад в разработку технологических приемов приготовления комбинированных кормов, теорию вопроса дозирования и смешивания внесли такие ученые как Евсеенков C.B., Блед-& ных В.В., Каптур З.Ф., Коба В. Г., Сыроватка В.И. и др.

К сожалению, отсутствуют надежные методики оценки прогно-. зирования точности дозирования и качества смешивания материа-~ лов, вследствие чего в производственных условиях практически >: невозможно выдержать наиболее рациональную организацию тех-нситогического процесса и соответственно получить требуемое ка-че;ство продукта.

Таким образом, необходимо разработать способы оценки эффективности работы дозаторов и смесителей на основе существующего набора исходного сырья, сложившегося в Оренбургской области.

Во второй главе «Анализ энергоемкости процесса приготовления корма» Процесс дозирования рассматривается с точки зрения снижения его энергоемкости при сохранении высоких качественных показателей, требуемого структурного состава кормосме-си. Для этого необходимо представить модель движения материальной частицы (частицы корма) по дозатору, совершающей как переносное движение вдоль горизонтальной оси шнека, а также по ленте винта до встречи с неподвижным слоем на дне кожуха дозатора .

Составление дифференциального уравнения движения материальной частицы в шнеке проводили в цилиндрической системе координат. Расположение силы тяжести по осям И; 0 и Ъ цилиндрической системы координат может быть представлено в виде:

(70 = ¡3 соб0

Gв = mgcos/}cos9

(?2 = mgs т ¡3

где И, 0, Ъ - координаты материальной частицы в цилиндрической системе координат;

|3 - угол наклона шнека к горизонту;

0 - угол отклонения материальной частицы по отношению к наинизшей образующей кожуха шнека.

Перемещение потока материальных частиц происходит при их сложном движении по ленте винта - сползании. При этом часть материальных частиц попадает в зазор между кожухом и винтом, и образуют слой на дне горизонтально-расположенного шнека. Величина этого слоя и характер его поверхности определяются, очевидно, скоростными характеристиками винта, его геометрическими

размерами и взаимодействием материальных частиц, сползающих по ленте винта с частицами, образующими слой на дне кожуха.

Рассмотрим схему сил, действующих на материальную частицу, расположенную на ленте винта (рис.1). На материальную частицу действует сила тяжести mg и центробежная сила mca2R. Сила тяжести раскладывается на силу нормального давления на ленту mg sinH' и касательную mg cosy, которая обеспечивает сползание материальной частицы по ленте вниз. Центробежная сила раскладывается на силу нормального давления на ленту винта - ma2R sina и силу нормального давления на кожух - ma>2R cosa. В дальнейшем значение этой силы учитывается при рассмотрении взаимодействия материальной частицы со слоем материальных частиц на дне кожуха.

Рис.1. Схема сил, действующих на материальную частицу, расположенную на ленте винта

В данном случае на процесс сползания материальной частицы по ленте указанная сила существенного влияния не оказывает и ее значением можно пренебречь.

Нормальное давление на ленту винта вызовет существенную силу трения, которая стремится удержать материальную частицу на ленте и увлечь ее во вращательное движение.

Отсутствие сползания частицы будет при выполнении следующего условия:

/*т*а2 *Rs^na>m*gcosy/-/*m^gs^í\у/,

где у - угол между кромкой винта и вертикалью (у=а+А.=а);

а - угол подъема винтовой линии;

Я - радиус шнека;

X - угол наклона шнека (Я=0);

£ - коэффициент трения движения материальной частицы по ленте винта.

Из уравнения определяем значение угловой скорости, при которой максимальное число частиц будет перемещаться шнеком, то есть участвовать во вращательном движении винта:

При движении массы корма по шнековому дозатору в горизонтальном направлении, частицы срываются с ленты винта и ударяются о неподвижный слой материала. При этом в зависимости от характера взаимодействия, материальная частица может внедриться в неподвижный слой или увлекаться в горизонтальное движение всей массы при упругом ударе.

Используя известные положения теории напряжения в телах при импульсивном нагружении, получено условие внедрения материальной частицы в неподвижный слой.

03 =

I

¿»соб^-/*ьту/ Яв'та

Вертикальная составляющая скорости Чв определяет наличие

; внедрения и его глубину. Внедрение имеет место в случае, если:

где ев - значение интенсивности деформаций предела прочности материала природы;

К - модуль объемного сжатия;

81 - предел прочности материала преграды.

Данное выражение применимо при допущении, что слой неподвижного материала на дне кожуха дозатора ведет себя как сплошная преграда, составленная из материальных частиц, соразмерных с ударяющей частицей.

Связь между дозированием и смешиванием не ограничивается лишь точностью дозирования. Следует подразумевать существование единого и неразрывного процесса смесеобразования. То есть ] роль дозаторов более значительна с точки зрения повышения эф-• фективной работы существующих смесителей путем применения оп-; ределенной укладки компонентов до начала смешивания.

( формы (рис.2) элементарную работу смешивания можно определить:

Например, для укладки из четырех массивов неправильной

dA =

6*sina

4*cos la

Общая работа будет равна:

а

4

2f b*sma

г. -

о 4*cos а

2 а

tga = 2

Рис. 2. Исследование влияния геометрической формы массивов компонентов на характеристики процесса смешивания.

По мере увеличения числа малых объемов работа на смешивание уменьшается. С ростом числа массивов, каждый из них все более приближается к ровному плоскому слою.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований шнековых дозаторов» для выбора рационального варианта дозатора и его эксплуатационных характеристик для соответствующего проекта комбикормового цеха следует определить эффективность с точки зрения соотношения производительности и точности дозирования, конструктивных параметров и затрат энергии. В качестве показателя производительности мы выбрали время подачи определенной дозы корма с соответствующим типом дозатора.

Из-за существующих трудностей выравнивания испытуемого корма по гранулометрическому составу, мы воспользовались спе-

циальными имитаторами компонентов комбинированного корма. В качестве имитаторов корма мы взяли полиматериалы различных размерных фракций аналогичных по физико-механическим характеристикам реальным компонентам комбинированного корма. Для проведения последующих лабораторных экспериментов мы предложили специальную лабораторную установку (рис.3). Новизна способа и оборудования подтверждена положительным решением на выдачу патента на изобретение.

Рис. 3. Схема лабораторной установки.

На рис.4, 5 представлено графическое изображение полученных зависимостей.

Для оценки действительного влияния различных компонентов корма на затраты энергии дозатором мы провели многофакторный эксперимент. В ходе эксперимента определили степень влияния на

Рис. 4 Зависимость времени выгрузки от числа оборотов шнека.

X длина шнеха !/ тотос/па доыроЬки

Рис. 5. Зависимость точности дозирования от положения выгрузного окна.

искомую величину затрат электроэнергии от частоты вращения шнека дозатора и его длины. В качестве испытуемых материалов мы выбрали следующие виды кормов: ячмень, пшеница, шрот подсолнечный и гранулированный комбикорм. В результате проведенного анализа выяснилось, что выражение уравнения регрессии выглядит следующим образом:

У = 0.28+ 9.79*1 О*4 *х, + 1.08*10~4 *х2

где У - затраты электроэнергии;

XI, - частота вращения и длина шнека.

Таким образом, расход электроэнергии в большей степени определяется длиной шнека, нежели частотой вращения шнека.

При увеличении длины шнека происходит увеличение расхода энергии (по линейному закону), поэтому длина шнека должна иметь ограниченную длину. Однако, при увеличении длины шнека, возрастает точность расхода дозируемого материала (вследствие эффекта уменьшения инерционности). Влияние числа оборотов можно уменьшить посредством соответствующего редуктора.

Для совершенствования оценки качества смешивания материалов комбинированного корма, также снижения энергоемкости процесса мы разработали специальную методику. Методика включает в себя забор проб, смешиваемого продукта на определенной глубине массива и за соответствующее время работы смесителя. Вторая часть методики заключается в предложенном порядке оформления статистической обработки результатов.

Смесь называется гомогенной (однородной) при наличии объемной однородности по каждой из представленных в ней фракций (в нашем случае 5 фракций 3,0, 2,5, 2,0, 1,5, 1,0 мм).

Объемная неоднородность (по каждой из фракций) определяется следующей формулой:

„ _ Р, + Р: + Р,

Рср --2-

Можно получить коэффициент интегральной неоднородности, как корень квадратный из суммы квадратов парциальных (отдельных) коэффициентов по фракциям.

сг = ^a-j 2 + сг22 +сг33 +crt2 + ст,2

Близость коэффициента неоднородности к нулю или скорость его уменьшения во времени говорит о степени однородности.

У = 15,6* 0,74' а = 15,6 ; Ь=0, 75 У —а*Ь' У; =а*1пЬ*Ь* =15,6 »(-0,28)* 0,75", ДУ

— <5%, при t)3* m* h,

— = Inb* (Ь"~Ь"2) = inЪ * (1 - —) = Inb - (1 - б"2-").

Y bx

В качестве компьютерной версии предложенного метода обработки разработана программа.

В результате обработки экспериментальных данных получена зависимость, характеризующая коэффициент неоднородности смеси, как показатель оценки качества смешивания от времени работы смесителя (рис. 6).

Таким образом, анализ полученных результатов говорит о возможности получения качественной смеси компонентов комбикорма уже за три - четыре минуты работы смесителя при условии соответствующей загрузки его шнековыми дозаторами. Возможное сокращения времени работы смесителя, при высокой его энергоемкости, резко снижает затраты электроэнергии на весь процесс приготовления комбикорма.

В главе «Реализация результатов исследований» приводится описание технологического решения комбикормового цеха птицефабрики "Степная" Оренбургской области с учетом усовершенство-

ванного оборудования на основе конструктивных и параметрических изменений шнековых дозаторов.

г. ООО У ('to) • _

/. ¡00 teoo /.too /100 f 000 о. too О. боо o.too о . го о

0.000 о/ой 0.200 0.500 О too 0.500 0.600 О?О О а ¿00 Q90O ¿ООО

X: бремя перемешивания У-коэффициент неоднородности

Рис. 6. Зависимость коэффициента неоднородности от времени

смешивания.

Особенностью современного состояния птицефабрики "Степная" является замена поголовья породы «Смена» на породу «Авиафармз». Последняя предпочтительна с точки зрения скороспелости и хороших мясных качеств. Данный эффект может быть реализован только при наличии высококачественного комбикорма.

После рассмотрения сравнительных экономических показателей выращивания птицы пород Смена и Авиафармз выяснилось, что экономический эффект:

- по породе Смена составил 534 руб/т;

- по породе Авиафармз 97 4 руб/т;

при этом расход электроэнергии сократился на 18,7%.

Общие выводы и предложения

1. Проведенный анализ литературных данных и передового опыта показал, что, несмотря на достаточно большую номенклатуру оборудования для приготовления комбинированного корма одним из существенных резервов снижения энергоемкости процессов и повышения качества получаемого продукта является совершенствование машин и их эксплуатационных характеристик для дозирования компонентов и смешивания. При этом точность дозирования и качество смешивания следует определять по специальным лабораторным методикам.

2. Теоретический анализ работы шнекового дозатора позволил установить особенности перемешивания корма на примере материальной частицы корма, участвующей в переносном движении вдоль винта и материальной частицы, перемещающейся по ленте винта вниз до попадания в неподвижный слой на дне дозатора.

3. Сокращение энергозатрат при совместной работе дозатора и смесителя, на основе рассмотренной теоретической модели, может быть достигнуто путем соответствующей укладки массивов, например при увеличении числа малых объемов в случае одновременной подачи компонентов дозатором через разные выгрузные окна или в зависимости от месторасположения подаваемого компонента относительно середины объема смешивания.

4. Предложен способ и лабораторная установка для оценки точности дозирования и энергозатрат шнекового дозатора, новизна которых подтверждена положительным решением на выдачу патента на изобретение.

5. Проведенные испытания шнековых дозаторов показали, что расход электроэнергии в большей степени определяется длиной шнека, нежели числом оборотов. При увеличении длины шнека возрастает точность дозирования, но по линейному закону происходит и увеличение расхода электроэнергии.

6. Для оценки качества смешивания компонентов комбикорма разработана методика структурного гранулометрического весового анализа.

7. При достаточном качестве приготавливаемой смеси, оцениваемом коэффициентом неоднородности, время смешивания составляет три минуты.

8. Экономический эффект от использования предложенных

технических и технологических мероприятий составил по породе «Смена» 534 руб/т, по породе «Авиафармз» - 974 руб/т; при этом расход электроэнергии сократился на 18,7%.

Список опубликованных работ

1. Семенов В. И. Повышение качества комбикормов при реконструкции комбикормового цеха на птицефабрике «Степная» ассоциации «Оренбургптицепром». Ж. «Комбикормовая промышленность» №6, 1995 г.

2. Семенов В. И. Теоретический анализ рабочего процесса гомогенизатора. (Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых и специалистов. Оренбург, 1997).

3. Семенов В.И. Методика определения параметров шнекового дозатора кормов. Тр. ОГАУ. Т. 1, Оренбург, 1997 г.