Исследование технологического процесса и определение рациональных параметров шнекового экструдера для производства комбикормов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Рудой Дмитрий Владимирович

• Рудой Дмитрий Владимирович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Рудой Дмитрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА КОМБИКОРМОВ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ АКВАКУЛЬТУРЫ

1.1 Обзор и анализ свойств комбикормов для объектов аквакультуры

1.2 Обзор конструкции машин для гранулирования комбикормов

1.3 Обзор теоретических исследований, выполненных в области экструдирования

1.4 Цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭКСТРУДИРОВАНИЯ КОМБИКОРМОВ

2.1 Теория движения и прессования комбикормовой смеси, как тиксотропной неньютоновской среды

2.2 Определение производительности двухшнекового экструдера

2.3 Определение формы отверстия матрицы по ее длине

2.4 Определение мощности двухшнекового экструдера, необходимой для его работы

Вывод по главе

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Исследование реологических характеристик комбикормовой смеси с использованием протеиновых зеленых концентратов

3.2 Определение кинетики деформации комбикормовой смеси

3.3 Исследование процесса гранулирования через отверстия различной формы

3.4 Исследования технологического процесса экструдера

3.4.1 Зависимость производительности и энергоемкости от геометрических и кинематических параметров шнека

3.4.2 Сравнение теоретических и экспериментальных данных производительности и энергоемкости двухшнекового экструдера с экспериментальной матрицей

3.5 Оценка качества гранул

Вывод по главе

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Методика инженерного расчета двухшнекового экструдера

4.2 Разработка модельной конструкции двухшнекового экструдера

4.3 Методика расчета рецепта комбикормов с использованием программы для ПК

4.4 Расчет годового экономического эффекта для модернизированного двухшнекового экструдера и использования комбикормовой смеси с протеиновыми зелеными концентратами

Вывод по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование технологического процесса и определение рациональных параметров шнекового экструдера для производства комбикормов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: в 2014 году объем производства рыбы в РФ оказалось равным производству говядины. По затратам (труд и сырье) производство рыбы гораздо выгоднее. Для того чтобы вырастить 1 тонну рыбы требуется 177 тыс. рублей, а говядины 190 тыс. рублей [51,75]. Кроме того, мясо рыбы по ряду показателей лучше говядины. Производство рыбы осуществляется по двум технологиям: выращивание в естественных водоемах (пруды, озёра и т.п.) и искусственных водных сооружениях (ванны, водоемы под крышей).

Выращивание товарной рыбы осуществляется, как в крупных хозяйствах, так и в небольших и средних фермерских хозяйствах (кстати, в 2014 году в этих хозяйствах было выращено около 50 % всей рыбной продукции).

Для поддержания и развития рыбоводства и рыболовства в 2013 году был принят Федеральный закон Российской федерацией 2 июля 2013 года № 148-ФЗ, об аквакультуре (рыболовстве).

При любой технологии главным фактором, определяющим качество и количество рыбной продукции, является кормление рыб, в основном их кормят гранулированным комбикормом. Этот способ является универсальным, так как позволяет осуществлять сбалансированное и лечебное кормление [27,73,96].

Однако, процесс производства гранул для рыб, особенно в фермерских хозяйствах, сдерживается отсутствием грануляторов небольшой производительности с высокими технико-экономическими показателями [63,75].

Поэтому научное обеспечение и разработка такой машины является очень актуальной темой.

Анализ технологии и оборудования для гранулирования показал, что машиной, удовлетворяющей перечисленным требованиям, является шнековый экструдер.

Много исследований было выполнено по экструдированию пластмасс и очень мало по приготовлению комбикормов методом экструдирования.

Данная работа была выполнена в рамках комплексной программы по развитию биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года от 24.04.12 № 1853п - П8-ДГТУ.

Целью данной диссертации является исследование технологического процесса и определение рациональных параметров шнекового экструдера для производства комбикормов.

Задачами исследования является:

- Разработка теории, описывающей движение и прессование комбикормовой смеси в двухшнековом экструдере, как тиксотропной неньютоновской среды.

- Разработка теории определения формы отверстия матрицы по ее длине для равномерной производительности.

- Определение рациональных параметров экструдера.

- Разработка инженерной методики расчета двухшнекового экструдера.

- Разработка макетного образца двухшнекового экструдера.

- Разработка вычислительной программы по расчету рецептов комбикормов.

Объект исследования: шнековый экструдер.

Предмет исследования: технологический процесс шнекового экструдера.

Рабочая гипотеза: принимается, что при влажности 25-30 % комбикормовая смесь представляет из себя тиксотропную среду, у которой вязкость при увеличении скорости деформации уменьшается. Это было положено в основу исследования.

Научная новизна заключается: в разработке теории работы шнекового экструдера для производства комбикормов на основе реологических характеристик смеси; в разработке теории построения профиля отверстии матрицы по ее длине для равномерной производительности.

Практическая значимость заключается:

- В разработке инженерной методике расчетов параметров экструдера.

- В разработке макетного образца экструдера и документации в формате 3D для его производства.

- В разработке нового формующего рабочего органа, а именно, матрицы с отверстиями постоянной пропускной способности (патент на полезную модель от 23.04.2013 № 135484 «Матрица экструдера»).

- В разработке рецепта комбикормовой смеси для производства гранул с использованием белкового концентрата, полученного из зеленых растений (подана заявка на патент изобретение «Комбикорм для рыб» № 2015123532 от 18.06.2015). Этим также решается частично и вопрос импортозамещения дорогостоящих компонентов (мясокостной и рыбной муки).

- В разработке программы для расчета рецептов комбикормов с ПЗК на основе заданной питательной ценности и содержания сырого протеина.

Достоверность научных положений: подтверждена результатами экспериментальных исследований, проведённых с использованием современной измерительной аппаратуры, обеспечивающей приемлемую точность измерений, обработкой экспериментальных данных с использованием компьютерных математических программ, адекватностью полученных теоретических выражений. Так же подтверждается патентом на полезную модель от 23.04.2013 № 135484 «Матрица экструдера» и подана заявка на патент изобретение «Комбикорм для рыб» № 2015123532 от 18.06.2015.

На защиту выносятся результаты представленые в разделах научная новизна и практическая значимость.

Апробация: Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях: профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета, г. Ростов-на-Дону (2009 - 2015 гг.); СКНИИМЭСХ, г. Зерноград (2010 - 2015 гг.); международной научно-практической конференцией «Состояния и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» ВЦ «ВертолЭкспо», г Ростов-на-Дону (2009-2015 гг.); международной научно-методической конференцией «Инновационные технологии в науке и образовании», п. Дивноморское (2014 - 2015 гг.).

Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и отмечены дипломами:

Диплом победителя конкурса научных проектов Программы по поддержке высшего образования компании «PepsiCo», г. Москва, 2012 г.

Диплом в рамках 16-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш - 2013», г. Ростов-на-Дону, 2013., «За разработку рецептуры комбикормов для рыб на основе замены дорогостоящих компонентов на протеиновые концентраты из зелёных растений».

Диплом в рамках 16-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш - 2013», г. Ростов-на-Дону, 2013., «За разработку технологического оборудования для получения комбикормов для рыб на основе замены дорогостоящих компонентов на протеиновые концентраты из зелёных растений».

Диплом в рамках 17-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш - 2014», г. Ростов-на-Дону, 2014 г., «За разработку экструдера и рецептуры для получения комбикормов на основе протеиновых зеленых концентратов».

Диплом первой степени и золотая медаль в рамках 17-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш - 2014», г. Ростов-на-Дону, 2014 г., «Прогрессивные виды сельскохозяйственной техники и оборудования для АПК».

Диплом участника международной научной конференции, приуроченной к пятилетию открытия базовой кафедры ЮНЦ РАН «Технические средства аквакультуры» в ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, 2014 г.

Сертификат победителя в стипендии «Фонда ALCOA» 2014г-2015 гг.

Диплом в рамках 18-й международной агропромышленной выставки «Интерагромаш - 2015», г. Ростов-на-Дону, 2015 г., «За разработку двухшнекового экструдера комбикормов для рыб».

Диплом победителя конкурса "Лучший преподаватель 2015", г. Ростов-на-Дону, 2015г.

Диплом участника международной научно-методической конференции

«Инновационные технологии в науке и образовании - 2015», п. Дивноморское, 2015 г.

Патент на полезную модель от 23.04.2013 № 135484 «Матрица экструдера» [69]. Подана заявка на патент изобретение «Комбикорм для рыб» № 2015123532 от 18.06.2015.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 143 страницах, содержит 86 рисунков, 24 таблицы и 44 страницы приложений. Список использованных источников включает 119 наименования, в том числе 5 - иностранных.

Публикация результатов: по теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК, а также патент на полезную модель и подана заявка на изобретение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА КОМБИКОРМОВ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ АКВАКУЛЬТУРЫ

1.1 Обзор и анализ свойств комбикормов для объектов аквакультуры

В процессе жизнедеятельности человек несет определенные энергозатраты, которые учитываются чаще всего в потраченных калориях.

Кроме того, в результате обменных (метаболических) процессов, которые усиливаются при физической и умственной работе, происходит обновление белков организма.

Катализаторами в метаболических процессах являются витамины и микроэлементы [12,61].

Однако, помимо количества существенное значение имеет и качество белка. В процессе пищеварения молекула белка разлагается (гидролизуется) до составляющих её аминокислот. Именно из них органы и ткани тела синтезируют свои белки. Часть аминокислот может быть синтезирована в организме человека, но имеется 10 аминокислот, которые не могут быть заменены другими и синтезированы и они получаются, главным образом, из продуктов животного происхождения. Как видно из таблицы 1.1 продукция из рыбы имеет существенные преимущества по сравнению с мясными продуктами полученных из сельскохозяйственных животных. Кроме того, мясо рыбы содержит гораздо меньше холестерина, чем у говядины, баранины, свинины и даже кур. Поэтому мясо рыбы используются при лечебном питании [10,11].

Компенсация энергетических, белковых и витаминных потерь в организме человека осуществляется за счет потребляемой им пищи. Согласно теории сбалансированного питания взрослый человек в сутки должен в среднем

потреблять 2 литра воды, 80-100 граммов различных белков, 400-500 граммов углеводов, 90-100 граммов жиров (из них 10% за счет растительных масел), до 0,1 граммов витаминов, до 20 граммов солей (в том числе около 10 граммов поваренной соли) [61,73].

Необходимые 100 грамм белка человек может получить из продуктов животного и органического происхождения, представленых в таблице 1.1 [10,11,61,118].

Таблица 1.1 - Содержание компонентов веществ в различных продуктах

Наименование продукта в 100 гр. продуктов содержится (в гр.)

Белка Жиров Углеводов Клетчатки Золы

Говядина 19,0 25,0 следы - 0,9

Баранина 17,0 29,0 следы - 0,9

Свинина 18,0 84,5 следы - 1,0

Рыба 20,0 10,0 - - -

Куры 2,8 8,8 0,6 - -

Масло сливочное 0,8 21,0 0,5 - 0,2

Яйцо 14,0 11,0 0,6 - 0,9

Молоко 3,4 3,4 4,77 - 0,75

Хлеб ржаной 6,5 1,0 51,0 1,5 1,4

Рис 8,0 0,5 77,0 0,5 0,8

Капуста кач. 1,5 следы 4,0 1,2 0,9

Помидоры 1,0 следы 4,0 0,8 0,6

Картофель 2,1 0,1 21,0 0,7 1,1

Бобы, горох, фасоль 23-26 2,0 47-57 1,3-3,3 3,0

В 2015 году состоялась Международная научно-методическая конференция «Инновационные технологии в науке и образовании - «ИТНО-2015», на которой академик РАН Ю.Ф. Лачуга привел данные о производстве рыбной продукции, которое превысило производство говядины [51].

Для получения рыбной продукции используют ограниченный набор видов рыб, а именно: атлантический осётр, клариевый сом, радужная форель, обыкновенный сиг, муксун и чир. [38,75]

Атлантический осётр Атлантический осётр (от лат. Acipenser sturio) (рисунок 1.1) — вид рыб семейства осетровых. Самый большой представитель рода осетров.

Рисунок 1.1 - Атлантический осётр

Исторически, область распространения атлантического или европейского осетра располагалась от Балтийского и Северного морей до Средиземного и до Чёрного морей.

В настоящее время этот вид включен в Красную книгу России, Франции, Испании, Польши, Германии и в целом, в Европе, считается под угрозой полного исчезновения.

Это крупный осётр, который может достигать длины более 6 м и массы 400 кг. Максимальный зарегистрированный возраст - 100 лет [75].

Клариевый сом

Африканский клариевый сом (рисунок 1.2), или мраморный клариевый сом, или нильский клариас (лат. Qarias gariepmus).

Рисунок 1.2 - Клариевый сом

Встречается по всей Африке, включая водоёмы Сахары, в бассейне реки Иордан, в реках Южной и в Юго-Восточной Азии.

В длину представители этого вида достигают 170 см и веса 60 кг. Живут около 8 лет [75].

Радужная форель

Радужная форель (рисунок 1.3) или Микижа, или (также упоминается как камчатская сёмга, но сейчас это название учёные используют для вида Parasalmo penshinensis) (лат. Parasalmo mykiss) - рыба семейства лососёвых [75]

Рисунок 1.3 - Радужная форель

В Азии радужная форель распространена главным образом в реках Камчатки, единично встречается в водоёмах материкового побережья Охотского моря, в Амурском лимане к югу от устья Амура и на Командорских островах. В Америке вид известен от Аляски до Калифорнии. В Южную Америку была ввезена человеком. Очень быстро распространилась по всем водоемам Патагонии, как и с Аргентинской, так и с Чилийской стороны. Также активно разводится для коммерческих целей.

В естественных водоёмах радужная форель достигает 40-50 см длины и 0,81,6 кг массы. Продолжительность жизни не более 11-12 лет.

Обыкновенный сиг

Обыкновенный сиг (рисунок 1.4), или Сиг проходной (лат. Coregonus lavaretus) - чрезвычайно полиморфный вид рыб семейства лососёвых, занесённый в международную Красную Книгу. В Красную Книгу России занесены два подвида - волховский Coregonus lavaretus baeri (Kessler, 1864) и баунтовский Coregonus lavaretus baunti.

Рисунок 1.4 - Обыкновенный сиг

Достигает до 75 см длиной и 8 кг массой — поднимается из моря в реки европейского севера и Сибири (от Кары до Колымы), в Норильских озерах живет его пресноводная форма [75].

Муксун (лат. Со^опш muksun) (рисунок 1.5) - пресноводная рыба из рода сигов семейства лососёвых.

Встречается в реках Сибири, опреснённых заливах Северного Ледовитого океана, в озёрах на полуострове Таймыр. Наиболее многочисленен в Обь-Иртышском бассейне, где вылов превышал 1,5 тыс. тонн.

В длину достигает 0,75 м, весом до 8 кг. Рацион состоит из моллюсков и придонных ракообразных. Живет муксун до 20 лет. [75].

Чир (рисунок 1.6), или щокур (лат. Со^опш nasus) - пресноводная рыба из рода сигов.

Муксун

Рисунок 1.5 - Муксун

Чир

Рисунок 1.6 - Чир

Распространена в реках и озёрах на севере России (в Сибири и на Камчатке) и в северных провинциях Канады. Может обитать в полупресной воде заливов Северного Ледовитого океана.

Размером достигает 0,8 м, весом -16 кг, хотя в среднем весит 2 - 4 кг. Рацион чира состоит в основном из донных беспозвоночных [75].

В таблице 1.2 приведены показатели, соответствующие ГОСТ Р 52346-2005, характеризующие качество комбикорма для рыб продукционного возраста выращиваемых и воспроизводимых в аквакультуре: атлантический осётр, клариевый сом, радужная форель, обыкновенный сиг, муксун и чир [22,38,63].

Рыбоводство является отраслью животноводства. Наибольший эффект в этой области достигается при полной механизации всех процессов и он (эффект) существенно зависит от качества и количества кормов, потребляемых рыбой.

Корма для рыб делятся на следующие типы: стартовый, продукционный и ремонтный. Наш интерес в данной работе представляют продукционные корма [22,27,38,52,63].

Чтобы удовлетворить потребность рыб в веществе и энергии корм должен содержать все необходимые элементы питания белок, жир, углеводы, минеральные вещества, витамины и другие, биологически активные вещества в необходимом количестве и в соотношении между собой [35,38,109].

Количественно эффективность кормления оценивается кормовым коэффициентом, под ним понимается отношение массы потребляемого корма к приросту массы потребителей. Данный коэффициент рассчитывается по фактическим показателям прироста рыбы. Низкий кормовой коэффициент

свидетельствует о высоком качестве корма и правильности составления рецептуры. Кормовой коэффициент зависит не только от качества корма, но и условий содержания рыбы, а также вида рыб [38,52,75,109].

В качестве источника питательных веществ в кормах для рыб используют продукты животного и растительного происхождения рисунок 1.7 [52].

Рисунок 1.7 - Источник питательных веществ

Получают сбалансированные корма для рыб на основе рецептов, поскольку их кормление довольно специфическое (корма должны вносится в водную среду), то единственным видом таких кормов являются гранулированные [63].

Комбикорма для рыб должны соответствовать ГОСТ Р 51899-2002 «Комбикорма гранулированные. Общие технические условия» [20].

Гранулированные комбикорма должны вырабатываться в соответствии с требованиями стандарта и правилами организации и ведения технологических процессов производства продукции комбикормовой промышленности, утвержденными в установленном порядке [20,109].

В таблице 1.2 представлены показатели, характеризующие качество комбикормов для рыб продукционного возраста, выращиваемых и воспроизводимых в аквакультуре [23, 24, 25,38,63].

Таблица 1.2 Показатели, характеризующие качество комбикормов для рыб продукционного возраста, выращиваемых и

воспроизводимых в аквакультуре

Показатель Порода рыб

Атлантический осётр Клариевый сом Радужная форель Обыкновенны й сиг Муксун Чир

Плотность -5 комбикорма, г/дм 1000-1400 1000-1400 1000-1400 1000-1400 1000-1400 1000-1400

Среда обитания, 0С 18-20 26-28 15-18 15-20 0,2-4 0,2-5

Размер гранул, мм 3-9 4,5-6,5 3,5-9 1,7-7 1,2-4,5 1-4,5

Сырой протеин, % 44-45 25-30 36-45 40-48 45-48 35-45

Сырой жир, % 20-35 6-12 28-35 22-30 8-15 8-18

Углеводы, % 12-22 25-30 15-30 6,0-7,2 6-9 6-15

Зола, % 8-10 7 10-15 14-17 13 7-10

Клетчатка, % 2 2 2-5 2-3 0,5-2 2-3

Питательность корма (общая энергия), ккал/МДж 4840/20,24944/20,7 4660/19,54776/19,9 4944/20,75826/24,3 4725/235132/24 4725/235132/24 4725/235132/24

В соответствии со спецификой кормления рыб комбикорма для них разделяют на три вида, а именно [1,14,38]:

- «донный» (тонущий и долго сохраняющий свою структуру на дне, удельный

Л

вес 1000-1400г/дм ): рыбы забирают корм со дна водоёма, например карп, а также креветки и другие ракообразные (поедают корм только со дна);

- «тонущий»: (медленно опускающийся корм): предназначен холодноводных и хищных рыб (лосось, форель, осетр);

-5

- «плавающий» (с поверхности воды, удельный вес 900-1000г/дм ): корм для тепловодных рыб, так как они едят в 6 раз медленнее, чем хищные рыбы, им требуется стабильность корма в воде.

Требования к качеству комбикормов приведены в таблице 1.3 [20, 26]. Таблица 1.3 - Органолептические и физические показатели комбикормов для осетровых пород рыб продукционного возраста в соответствии с ГОСТ Р 518992002

Наименование показателя Характеристика и нормы

Внешний вид Гранулы цилиндрической формы с глянцевой или матовой поверхностью без трещин

Цвет Соответствующий цвету рассыпного комбикорма, из которого готовят гранулы или темнее.

Запах Соответствующий набору доброкачественных компонентов исходного комбикорма без затхлого плесневелого запаха

Плотность гранул, г/дм 1000-1400г/дм3

Массовая доля влаги, % не 13,5

более

Диаметр гранул, мм 2,5-4,7

Длина гранул, мм не более Два диаметра

Крошимость гранул, %, не более 5

Проход через сито с

отверстиями диаметром 2 мм, %, не более 5

Водостойкость гранул, мин 15

Разбухаемость гранул, 25

мин, не менее

Если рыбу выращивают в условиях, где нет естественной для нее пищи, например, в бассейнах, небольших бетонированных прудах, сетчатых садках (то есть, в индустриальных условиях), комбикорм должен содержать все питательные вещества в нужном количестве и соотношении, то есть быть полноценным и сбалансированным. Если же рыбу выращивают в земляных прудах, озерах, водохранилищах и других водоемах с достаточно развитой фауной (и флорой) кормовых организмов, рыбу можно кормить комбикормом более простого состава, не полноценным и не сбалансированным по питательным веществам, даже в том случае если комбикорм является основным источником пищи (как, например, в прудовом рыбоводстве) [38,75].

Кормление рыб необходимо строго дозировать. При избыточном кормлении рыба нерационально использует питательные вещества, при недостаточном кормлении растет медленнее, чем может расти. Суточная норма кормления рыбы зависит от температуры воды (прямая, но не пропорциональная зависимость), массы и возраста (обратная зависимость) и калорийности корма (обратная зависимость) [19,38].

В зависимости от назначения (стартовые, производственные и ремонтные) комбикорма характеризуются размерами рисунок 1.8 [22].

I-1-*-1-1

(стартовые) (производственные) (ремонтные)

Рисунок 1.8 - Характеристика типов комбикормов для рыб по крупности

1.2 Обзор конструкции машин для гранулирования комбикормов

Классификация прессующих устройств представлена на рисунке 1.9 [1,14,28,32,34,40,60,79,99,107,110,111,115-117].

Рисунок 1.9 - Классификация прессующих устройств

На рисунке 1.10 показан принцип действия прессов [1,28,31,32,40,45,58,6568,80,99,110,111,115-117].

а) б) в)

н) о) п)

Рисунок 1.10 - Принцип действия прессов:

_- исходный продукт; 0 » - прессованный продукт; \ ^ - жидкость

а) - гидравлический; б) - шнековый с матрицей; в) - шнековый с сетчатым цилиндром; г)

- шнековый с сетчатым цилиндром и валом; д) - лопастной; е), л), м) - валковые (роликовые); ж)

- эксцентриковый; з) - ротационный; и) - кольцевой; к) - штемпельный; н) - комбинированный;

о) - пневматический; п) - ленточный. 1 - гидроцилиндр; 2 - плунжер; 3 - прессующая плита; 4 - шнек; 5 - матрица; 6 - сетчатый цилиндр; 7 - вал; 8 - сетчатый вал; 9 - валик; 10 - брикет; 11 - пуансон; 12 - ротор; 13 - гранула; 14 - поршень; 15 - ролик;16 - прессуемый материал; 17 - лента; 18 - лопасть

Существует много способов гранулирования. представлены на рисунках 1.11-14 [32,35,41,42,48,99].

Основные из них

1 - основание; 2 - привод пресса; 3 - опора; 4 - смеситель; 5 - привод смесителя; 6 - люк; 7 - патрубок; 8 - откидная крышка; 9 - зажим

Рисунок 1.11 - Внешний вид пресса-гранулятора Б6-ДГВ/1

1 - станина; 2 - корпус; 3 - шарниры откидной дверки; 4 - зажимы; 5 -выходное отверстие гранул; 6 - откидная (передняя) дверка; 7 - сборник; 8 - люк; 9 - патрубок; 10 - привод подъемника матрицы; 11 - механизм подъема матриц; 12 - смеситель; 13 - привод питателя; 14 - питатель; 15 - коллектор подвода пара и жидких компонентов; 16 - приборы контроля; 17 - ограждение ременной передачи; 18 - главный привод; 19 - натяжное устройство

Рисунок 1.12 - Пресс-гранулятор типоразмерного ряда ПМВ (с ременным

приводом)

а - схема установки центрального питателя; матрицы и прессующих роликов; б - установка прессующих роликов в матрице; в - специальная тележка для съема и установки матриц; г - ось с фигурной планшайбой для крепления трех прессующих роликов; 1 - планшайба для установки роликов; 2 -центральный питатель; 3 -прессующий ролик; 4,8 - наружная и внутренняя стенки; 5 - фланец; 6 -кольцо; 7 - держатель; 9 - торец фланца; 10 опорная плита; 11 - спица; 12 - ось ролика; 13 - фланец крепления крыльчатки; 14 - регулировочный винт; 15 - блок матрицы; 16 - скребок; 17 - конусный патрубок; 18 -механизмы управления тележки; 19 -шлицевой хвостик; 20 - посадочные места подшипников; 21 - места установки осей роликов; 22 - места крепления опорной плиты

Рисунок 1.13 - Отдельные узлы прессов-грануляторов "Спроут-Бауэр"

1 - приемный патрубок; 2 - съемная цилиндрическая крышка; 3 -распределительное устройство; 4 -прессующие ролики; 5 - плоская матрица; 6 - отрезной нож; 7 -выход гранул; 8 - главный вал; 9 -приводной механизм; 10 - патрубок вывода гранул; 11 - червячно-винтовой привод; 12 -трубопроводы принудительной смазки; 13 - основание пресса; 14 -диск с лопастями

Рисунок 1.14 - Пресс-гранулятор с плоской матрицей фирмы «Амандус Каль»

Анализ способов повышения эффективности основных рабочих органов в

экструдере комбикормов для рыб

Классификация рабочих органов прессов грануляторов

Прессы для гранулирования можно подразделить на пять основных типов, отличающихся конструктивными особенностями [1,13,18,41,42,47,48,81].

К первому типу (рисунок 1.15, а) относят прессы, формирующие гранулы в ячейках двух вращающихся навстречу друг другу валков, имеющих ячейки на поверхности. В этих ячейках исходный продукт обжимается, а затем выпадает из формирующих валков. Такой пресс не обеспечивает высокой прочности и плотности гранул, имеет низкую производительность, потребляет много электроэнергии [16].

Ко второму типу (рисунок 1.15, б) относят шестеренчатые грануляторы. Продукт, поступающий на шестерни, выдавливается через отверстия у основания зубьев. Неподвижный нож срезает гранулы. На прессах этой конструкции вырабатывают в основном гранулы 010 - 14 мм [16,110].

К третьему типу (рисунок 1.15, в) относят прессы, имеющие неподвижные матрицы с различными диаметрами отверстий, через которые шнек продавливает продукт. Полученные гранулы срезают ножом. Такие прессы используют в основном для выработки комбикормов- влажного прессования. Они имеют низкую производительность и требуют применения специальных сушилок для гранул [16,44].

К четвертому типу (рисунок 1.15, г) относят прессы, имеющие горизонтальные плоские матрицы и неподвижные ножи. Гранулы выдавливаются под действием роликов, вращающихся от соприкосновения с матрицей. На таких прессах наблюдается неравномерный износ матриц и роликов вследствие различия их окружных скоростей. Центробежные силы относят продукт к периметру матрицы, что нарушает равномерность нагрузки на ее рабочую поверхность [41,42].

Прессы пятого типа (рисунок 1.15, д) наиболее распространены. Они имеют вращающуюся горизонтальную или вертикальную кольцевую матрицу с радиальными отверстиями. Продукт поступает в камеру прессования, где подается скребком в пространство между матрицей и прессующими роликами. Последние выпрессовывают продукт через отверстия матрицы, где он срезается неподвижным ножом, образуя гранулы. Такие прессы имеют высокую производительность и относительно небольшой расход электроэнергии. Выпускает их как отечественная, так и зарубежная промышленность [34,47].

г) д)

Рисунок 1.15 - Классификация рабочих органов пресс-гранулятров:

а - с двумя валками, вращающимися навстречу друг другу; б - шестеренчатые; в - неподвижные матрицы с различными диаметрами отверстий, через которые шнек продавливает продукт; г - с горизонтальными плоскими матрицами; д - с горизонтальной или вертикальной кольцевой

матрицей с радиальными отверстиями.

Исходя из того, что гранулы для перечисленных выше видов рыб должны быть тонущими и иметь плотность не менее 1400 г/дм , наиболее подходящими для таких комбикормов будут шнековые грануляторы (тип 3 рисунок 1.15, в). На рисунках 1.16-1.18 представлены самые распространенные пресс-экструдеры [32,99,42].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рудой Дмитрий Владимирович, 2016 год

- / •

где / - число степеней свободы.

Числом степеней свободы в статистике называется разность между числом опытов и числом коэффициентов, которые уже вычислены по результатам этих опытов независимо друг от друга. Для композиционного плана 33 / = 5. Уравнение (3.9) принимает вид:

N

мод

2 — _£=3_

5ад =

Е, мод \2

(Ум - У,)

/

(3.10)

где уМ°д - значение параметра давления, полученное с помощью модели.

Дисперсия воспроизводимости вычисляется по формуле:

N п

II (У, - У)2

4=—-. (3Л1)

{У} N (п -1)

Табличное значение F-критерия для уровня значимости 5 % и для числа степеней свободы дисперсии адекватности 5 и дисперсии воспроизводимости 3, F=3,7. Таким образом, рассчитанная модель являются адекватной.

В результате были получены регрессионные уравнения (3.12), позволяющие вычислить давление от заложенных параметров экструдирования:

Р = 0,9535 + 0,0064 • й - 0,0019 • й2 - 0,0008 • п + 0,0001 • п2-

-0,0153 • Ж +0,0002 • Ж2 - 0,0001 • й • п + 0,0003 • й • Ж - 0,0001 • п • Ж, (316)

2

Сведём все расчётные значения регрессионного уравнения в таблицу 3.12. Таблица 3.12 - Таблица расчётных значений регрессионного уравнения для

матрицы со стандартными отверстиями

Номер опыта У1 у1мод ЛУ1 (ЛУ)2 2 ад 2 5{у} А эксп

1 0,623 0,625 -0,0019 0,00000359

2 0,609 0,608 0,0004 0,00000017

3 0,658 0,658 0,0007 0,00000047

4 0,633 0,633 -0,0002 0,00000003

5 0,602 0,602 0,0004 0,00000020

6 0,594 0,595 -0,0011 0,00000114

7 0,624 0,622 0,0014 0,00000184

8 0,616 0,618 -0,0012 0,00000142 0,00000114 0,00000034 3,35

9 0,614 0,613 0,0016 0,00000258

10 0,635 0,633 0,0017 0,00000284

11 0,515 0,514 0,0012 0,00000137

12 0,605 0,605 0,0004 0,00000020

13 0,619 0,618 0,0010 0,00000105

14 0,629 0,629 0,0006 0,00000031

15 0,598 0,600 -0,0023 0,00000508

16 0,616 0,623 -0,0073 0,00005291

Представим полученные результаты в графическом виде. Для этого

зафиксируем один или два фактора, сделав равными среднему значению (рисунок 3.20 - 3.22).

Рисунок 3.20 - Зависимость изменения давления от диаметра отверстий матрицы и числа оборотов шнеков ^ = 30%) и постоянной подаче Q=100 кг/час

Рисунок 3.21 - Зависимость изменения давления от диаметра отверстий матрицы и влажности (п = 120 мин-1) и постоянной подаче Q=100 кг/час

Рисунок 3.22 - Зависимость изменения давления от числа оборотов шнеков и влажности ^=3,6) и постоянной подаче Q=100 кг/час

Сравнение экспериментальных и теоретических значений давления показано на рисунках 3.23 - 3.25.

Делая сечения представленных трех координатных поверхностей, получим двух параметрические графики зависимости давления, создаваемого шнековым экструдером от диаметра отверстия d матрицы, от оборотов шнека п и от влажности (рисунки 3.23-3.25).

На эти же графики нанесены теоретические кривые, построенные по уравнению 2.58. Представление экспериментальных данных по описанной методике расширяет возможности оценки результатов, поскольку графики, полученные рассечением поверхностей, дают возможность оценивать по любым выбранным точкам. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов приведено в таблице 3.13.

По мнению экспертов [2,4], рациональными параметрами конструкции считается соответствие максимальной кривизны зависимости р = р(ы, п,ж) при фиксации пары управляющих параметров (^-п), (п^)).

2 2.8 3.6 4.8 5 б 7.2 8.4 9.2 10

Диаметр отверстий, мм

экспериментальные значения; - теоретические значения Рисунок 3.23 - Зависимость изменения давления от диаметра отверстий матрицы (п = 120 мин-1; W = 30%); коэффициент корреляции теоретических и экспериментальных значений ~0,97, (А=13%)

экспериментальные значения; - теоретические значения Рисунок 3.24 - Зависимость давления от числа оборотов шнеков ^ = 3,6 мм; W=30%) ; коэффициент корреляции теоретических и экспериментальных

значений -0,97, (Д=12%)

экспериментальные значения; - теоретические значения Рисунок 3.25 - Зависимость давления от влажности ^=3,6 мм; п = 120 мин-1); коэффициент корреляции теоретических и экспериментальных значений -0,97,

(Л=П%)

Сравнение значений давлений рассчитанных по формуле 2.29 с

экспериментальными данными, дает оценку коэффициент парной корреляции 0,97. Это свидетельствует о качественно верном воспроизведении реальных данных предложено в диссертационной работе (см. гл. 2 п. 2.1).

Сравнение значений давлений теоретической модели с экспериментальными значениями представлены в таблице 3.13.

Таблица 3.13 - Сравнение значений давлений теоретической модели с

экспериментальными значениями

№ Экспер. точки Диаметр отверстий матрицы d , мм Число оборотов шнеков п , мин'1 Влажнос ть Ж, % Давление Р, МПа (эксперим ент. значения) Давление Р, МПа (теоретич. значения) Абсолют ное отклоне ние, АР, МПа Относите льное отклонен ие, %

1 3,6 120 30 0,632 0,802 0,107 17

2 3,6 120 40 0,612 0,679 0,067 11

3 3,6 180 30 0,655 0,721 0,066 10

4 3,6 180 40 0,630 0,7056 0,076 12

5 8,4 120 30 0,583 0,67 0,088 15

6 8,4 120 40 0,579 0,637 0,058 10

7 8,4 180 30 0,602 0,728 0,126 21

8 8,4 180 40 0,593 0,67 0,077 13

9 6,0 150 35 0,613 0,705 0,092 15

10 2,0 150 35 0,617 0,728 0,111 18

11 10,0 150 35 0,546 0,606 0,060 11

12 6,0 99,5 35 0,610 0,689 0,079 13

13 6,0 200,5 35 0,642 0,758 0,116 18

14 6,0 150 26,6 0,639 0,741 0,102 16

15 6,0 150 43,4 0,612 0,794 0,122 20

16 6,0 150 35 0,614 0,749 0,135 22

Среднее 0,093 15,125

Среднее относительное отклонений значений теоретической модели от результатов эксперимента составляет около 15 %.

Поскольку регрессионный анализ является процедурой рационализации, то из графиков (рисунки 3.23-3.25) можно определить и рациональные значения параметров экструдера, поскольку на кривых есть точки перегиба [57].

Таким образом, получается, что рациональным диаметром отверстия

матрицы будет 5 мм, рациональные обороты шнека ~ 140 мин-1 и наилучшая влажность для получения гранул должна находиться в пределах 33 - 34 %.

Существенным показателем работы шнекового экструдера является энергоемкость. Поэтому, прежде всего, определялась затраченная мощность от тех же параметров, т.е. от диаметра отверстий матрицы, числа оборотов шнека и влажности при фиксированной подаче.

Для проведения этих экспериментов использовался измерительный комплект К50 (рисунок 3.26), тахометр со съемными насадками типа PCE-VT 204, (рисунок 3.27). Для более тонкого и плавного регулирования оборотов электродвигателя применялся стандартный тиристорный привод.

Рисунок 3.26 - Измерительный комплект К50

- Тахометр ручной PCE-VT 204

Проводилась статистическая обработка результатов по методикам, описанным ранее [37].

Основные результаты представлены на графиках (рисунках 3.28-3.29).

N кВт

и

V 0,8

0,5 О

1

ЛГ

100 150 200 250 п мин

-1

Рисунок 3.28 - Зависимость потребной эффективной мощности от скорости вращения шнека при постоянной подаче 0= 100 кг/ч:

• - экспериментальные значения;- - теоретические значения: 1 -

влажность \У= 25%; 2 - влажность \У= 30%; 3 - влажность \У= 35%

N кВт

1А

1,1 0,8

0,5 0

7 N

3

2,0 3,6 5,0 8,4 10,0 ¿/

мм

Рисунок 3.29 - Зависимость потребной эффективной мощности от диаметра

отверстий матриц:

* - экспериментальные значения;-- теоретические значения: 1 - влажность

W= 25%; 2 - влажность W= 30%; 3 - влажность W= 35%

3.4.1 Зависимость производительности и энергоемкости от геометрических и

кинематических параметров шнека

Сначала эти опыты проводились на матрице с цилиндрическими отверстиями. Для определения зависимости производительности Q и энергоемкости Ы, использовали метод подобия и размерности [29,92,97].

Этот метод позволяет правильно определить рациональные параметры целой серии подобных машин на основании исследования и испытания одной машины (модели). Для этого необходимо определить критерии и масштабы моделирования.

Масштабы моделирования исследуемого двухшнековых экструдеров были определены на основе результатов исследования шнековых экструдеров для пластмасс [97]. Соответствующие соотношения и значения параметров, масштабов и функции отклика представлены в таблице 3.14-3.16. Принимая условие полного геометрического и кинематического подобия базового и модельного образцов. Наиболее подходит критерий Фруда при равнозначном геометрическом и кинематическом подобии.

Таблица 3.14 - Сопоставление экспериментальных и расчетных значений мощности привода экструдера по масштабам моделирования

Диаметр шнека, мм Геометрический масштаб модели С, = Д Д т Мощность, кВт

По данным эксперимента, N 0 Согласно масштабам моделирования N, = Nт ■ сг2

Исходный Д, Модели

60 45 0,66 2 0,87

60 90 1,5 2 4,5

60 100 1,66 2 5,5

Таблица 3.15 - Моделирование шнековых экструдеров

По критерию Коши с поправками при Е 0 = Ет ;

Р0 = Рт; М0 = Мт и числе оборотов шнека, червяка,

дисков

Масштабы моделирования В случае полного геометрического подобия шнековых машин В случае неполного геометрического подобия червячных прессов при высоте витков червяка По критерию труда Фруда при g0 = gm . Р0 =Pm

h0 = К ho = KC^

П0 = ПмС11 n0 = nm П0 = nm п-0,5 n0 = nmCl

Диаметр шнеков С1 = Б0 С1 С1 С1 С1 С1

Высота витков червяка С к = к0 кт1 С1 С1 1 Г* 0,5 С1 С1

Число оборотов Сп = С/ с г1 1 1 Г*-0,5 С1 п- 0,5 С1

Скорости Су = С1С{ 1 1 С1 С1 Г* 0,5 С1 Г* 0,5 С1

Сил сР=^ гт1 с2 С 1 С/ С ? С 1,5 С 1 С

Давления С = С рС51 1 1 С1 1 С,

Мощности С н = С рСу с 2 с 1 С 3 С 3 С 2 С1 Г* 3,5 С1

Производительности Се = С С ¡С 1 1 с 2 с 1 С 3 С С 2 С1 Г* 2,5 С1

Удельного расхода мощности привода Сд, = Сд,Се 1 2 1 1 С, 1 С1

Таблица 3.16 - Сопоставление экспериментальных и расчетных значений производительности шнекового экструдера, определенные по масштабам моделирования

Диаметр шнека, мм Геометрическ ий масштаб модели С, - ^ 1 Б т Скорость вращения шнека, п„ -1 мин Поправочный коэффициент числа оборотов к, - ^ Пт Высота витков шнека, мм Поправочн ый коэффициен т высоты витков Кт 1 К„ Производительность экспериментальная б„, кг/ч Производительность согласно масштабам моделирования, кг/ч б„ - бт * С ■ к, ■ кк

п„ Пт К„ К

Модели Б т Образца Б„

45 60 0,66 90 100 1,1 25 10 0,4 100 30

90 60 1,5 90 100 1,1 25 37,5 1,5 100 240

100 60 1,66 90 100 1,1 25 42 1,8 100 328

Полные результаты моделирования приведены на графиках (рисунки 3.303.31).

Согласно проведенным испытаниям на экспериментальной установке с двухшнековым экструдером при использовании диаметра шнеков 60 мм, можно смоделировать следующие диаметры шнеков 45 и 90 мм в соответствии с таблицей 3.10 и получить значения производительности (рисунок 3.30) и удельной энергоемкости (рисунок 3.31).

• - экспериментальные значения;- - теоретические значения

Рисунок 3.30 - Зависимость производительности шнекового экструдера от диаметра шнека по опытным и расчетным данным, полученные методами моделирования при различных скоростях вращения шнеков. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений (Д=5%)

N. кВт

6

5

4

3

2

1

О

з//

2 А

99 120 150 200 п

мин

-1

9 - экспериментальные значения; - теоретические значения: Рисунок 3.31 - Зависимость потребляемой мощности шнекового экструдера от числа оборотов шнека: шнек диаметром 45 мм (кривая 1), 60 мм (кривая 2) и 90 мм (кривая 3) по опытным и расчетным данным, полученным методом моделирования от скорости шнеков. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений (Д=5%)

3.4.2 Сравнение теоретических и экспериментальных данных производительности и энергоемкости двухшнекового экструдера с

экспериментальной матрицей

Первой функцией отклика была производительность, которую определяли следующим образом: за определенные промежутки времени были взяты образцы готового продукта, которые взвешивали на технических весах, находили производительность как массу образца за одну секунду экструдирования по формуле [88,92]:

2 =

* (3.17)

где Мг - масса гранул, кг;

I - время работы, с.

Варьируемыми параметрами являлись: диаметр отверстий (, число оборотов шнеков п и влажность ж.

Для проведения этих экспериментов в «Южном центре модернизации машиностроения» при ДГТУ были изготовлены пять матриц с отверстиями диаметром: 2; 3,6; 5; 8,4 и 10 мм (акт ЮЦММ от 16.01.2015) и запатентованной формой сечения по ширине матрицы (патент «Матрица экструдера» № 135484 от 23.04.2013) .

Фотографии этих матриц приведены на рисунке 3.32.

Обработка результатов проводилась по стандартным методикам планирования эксперимента и регрессионного анализа. Все необходимые этапы и процедуры, в том числе на проверки уравнений регрессии приведены в приложении Б.

В конечном итоге регрессионное уравнение для производительности экструдера с матрицей экспериментальной формы отверстия выглядит следующим образом:

QЛÍ = 16.36554 + 0.551753 • й - 0.039966 • й2 + 0.001457 • п - 0.002630 • Ж + 0.000365 • Ж2 + 0.000295 • й • п -0.001146 • й • Ж,

(3.18)

1, 3, 4 - матрицы с экспериментальными отверстиями; 3, 5 - матрица с цилиндрическими отверстиями

Рисунок 3.32 - Матрицы экспериментальной установки с различными видами отверстий (диаметры выходных отверстий d=2; 3,6; 5; 8,4 и 10)

Также проводилось исследование производительности QS экструдера с матрицей цилиндрической формы отверстия от таких же варьируемых параметров.

Регрессионное уравнение для этого случая приведены ниже (первичные материалы представлены в приложении Б):

Qs = 15.978 + 0.61123 • й - 0.042596 • й2 + 0.0013254 • п - 0.002530 • Ж +

0.000371 • Ж2 + 0.000283 • й • п -0.001215 • й • Ж ^ щ

Сравнение расчетных и экспериментальных значений производительности от варьируемых параметров приведены на рисунках 3.33-3.35.

* - матрица с экспериментальным и отверстиями;

- матрица с цилиндрическими отверстиями;

-- теоретическое

значение

производительности

Рисунок 3.33 - Изменение производительности экструдера в зависимости от

диаметра и формы отверстия матрицы (п = 140 мин-1, W= 33 %), (Д=14%)

- матрица с экспериментальным и отверстиями;

я - матрица с цилиндрическими отверстиями;

- теоретическое значение

производительности

Рисунок 3.34 - Изменение производительности экструдера от частоты вращения

шнека (ё = 5 мм, W= 33 %), (Д=13%)

О. кг/ч

^ - матрица с экспериментальным и отверстиями;

- матрица с цилиндрическими отверстиями;

-- теоретическое

значение

производительности

26

30

35

40

43

IV, %

Рисунок 3.35 - Изменение производительности экструдера от влажности смеси

(ё =5 мм, п = 140 мин-1), (Д=10%)

Среднее относительное отклонений значений теоретической модели от результатов эксперимента составляет около 15 %.

Исследование энергоемкости процесса экструдирования. За функцию отклика были приняты затраты энергии в кВт на осуществление процесса, а варьируемыми параметрами, как и в предыдущем случае, были диаметр отверстий а , число оборотов шнеков п и влажность Ш [94].

Планирование и обработка результатов экспериментов проводилась по стандартным методикам. Вся первичная информация приведена в приложении Б.

В конечном итоге, регрессивные уравнения зависимости энергоемкости процесса экструдирования от изменяемых факторов выглядит так.

Для матрицы с экспериментальными отверстиями:

(3.20)

^ = 4,672 - 0,791 • а + 0,255 • а2 + 0,164 • п + 0,025 • п2 -1,24 • Ш

+1,306 • ш 2 - 0,05 • а • п - 0,137 • а • ш - 0,114 • п • ш ,

Для матриц с цилиндрическими отверстиями:

= 4,315 - 0,812 • а + 0,235 • а2 + 0,155 • п + 0,021 • п2 -1,23 • Ш +1,312 • Ш2 - 0,044 • а • п - 0,127 • а • Ш - 0,105 • п • Ш, р 2\)

Сравнительные результаты приведены на графиках (рисунка 3.36-3.38).

/V, кВт

и 1.1 0,8

0,5 О

^ 7 ^Ч А

3

* - матрица с экспериментальными отверстиями;

ш - матрица с цилиндрическими отверстиями;

- теоретическое значение энергоемкости, рассчитанное по уравнению (2.87)

2,0 3,6 5,0 8,4 10,0 ¿¡.мм

Рисунок 3.36 - Зависимость потребляемой мощности приводом экструдера от

диаметра отверстий матрицы, при р= 100 кг/час; п=140 мин-1; W=33%

- матрица с экспериментальными отверстиями;

- матрица с цилиндрическими отверстиями;

- теоретическое значение энергоемкости, рассчитанное по уравнению (2.87)

Рисунок 3.37 - Зависимость потребляемой мощности привода экструдера от частоты вращения шнека, при р= 100 кг/час; ё=5 мм; W=33%

* - матрица с экспериментальными отверстиями;

- матрица с цилиндрическими отверстиями

Рисунок 3.38 - Зависимость потребляемой мощности привода экструдера от влажности массы при Q= 100 кг/час; d=5 мм; п=140 мин-1

Разница между расчетными и экспериментальными значениями потребляемой мощности составила 15-20 %.

3.5 Оценка качества гранул

Эта оценка также проводилась с использованием методов планирования

экспериментов и регрессивного анализа.

Функцией отклика являлась плотность гранул р, варьируемыми

параметрами: были диаметр отверстий ^ , число оборотов шнеков п и влажность ж.

Фотография полученных гранул с матрицами различных диаметров выходных отверстий d=2; 3,6; 5; 8,4 и 10 предоставлена на рисунке 3.39.

Рисунок 3.39 - Фотография полученных гранул для матрицы различных диаметров выходных отверстий d= 2; 5 и 10 мм.

Конечные регрессивные уравнения, связывающие функции отклика с

варьируемыми параметрами выглядит следующим образом: уравнение для

цилиндрических отверстий и для экспериментальных отверстий:

р8 = 1879.07 - 75.06 ■ й + 3.02 ■ й2-1.57 ■ п -10.77-Ж + 0.11 -Ж 2+ 0.24 ■ й-Ж (3-22)

рм= 1935.12-77.31 ■ й + 3.12 ■ й2-1.62 ■ п -11.09-Ж + 0.243 ■ й-Ж (3-23)

Графическая интерпретация результатов регрессионного анализа представлена на рисунке 3.40-3.41.

Рисунок 3.40 - Зависимость изменения плотности гранул от диаметра отверстий стандартной матрицы и числа оборотов шнеков ^ = 33%)

Рисунок 3.41 - Зависимость изменения плотности гранул от диаметра отверстий экспериментальной матрицы и числа оборотов шнеков (W = 33%)

Сечением этих поверхностей по различным осям были получены оценки

качества гранул в зависимости от варьируемых параметров, представленных на

рисунке 3.42-3.44.

стандартная матрица; экспериментальная матрица

п = 140 мин"1; \У = 33%

Рисунок 3.42 - Зависимость изменения плотности гранул от диаметра отверстий матрицы. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений

1420 1400 1380 л 1360 \ 1340 Ъ 1320 1300 1280 1260 1240

99.5 109.75 120 135 150 165 180 190.25 200.5 Обороты шнеков, минл-1

стандартная матрица; экспериментальная матрица

ё = 5 мм; \У=33%

Рисунок 3.43 - Зависимость изменения плотности гранул от числа оборотов шнеков. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений

1400 1380

л 1360

<

"и 1340 ^ 1320 1300 1280

26.6 28.3 30 32.5 35 37.5 40 41.7 43.4 Влажность, %

стандартная матрица; экспериментальная матрица

с1=5 мм; п = 140 мин"1 Рисунок 3.44 - Зависимость изменения плотности гранул от влажности. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений

В результате анализа построенных графиков 3.41-3.43, получены следующие выводы: полученные гранулы по плотности соответствуют ГОСТ Р 51899-2002; гранулы полученные на экспериментальной матрице по плотности выше, чем при использовании стандартной [20].

По аналогичным методикам была проведена оценка полученных гранул на

крошимость и водостойкость. Все первичные материалы представлены в приложение Б.

Основные результаты приведены на рисунках 3.45-3.50.

стандартная матрица;

экспериментальная матрица

п = 140 мин"1; \У = 33%

Рисунок 3.45 - Зависимость изменения крошимости гранул от диаметра отверстий. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений матрицы

стандартная матрица; 4 экспериментальная матрица

6 = 5 мм; \У=33%

Рисунок 3.46 - Зависимость изменения крошимости гранул от числа оборотов шнеков. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений

стандартная матрица; экспериментальная матрица

с1=5 мм; п = 140 мин"1

Рисунок 3.47 - Зависимость изменения крошимости гранул от влажности. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений

В результате анализа построенных графиков, получены следующие выводы: крошимость полученных гранул, через отверстия экспериментальные и стандартные, не превышают 5 %, что соответствует ГОСТ 284997-90.

стандартная матрица;

экспериментальная матрица

п = 140 мин-1; W = 33%

Рисунок 3.48 - Зависимость изменения водостойкости гранул от диаметра отверстий матрицы. Геометрический размер маркера соответствует погрешности

измерений

27.50 27.00 26.50 26.00 I 25.50 25.00 24.50 24.00 23.50 23.00

99.5 109.75 120 135 150 165 180 190.25 200.5 Обороты шнеков, минл-1

стандартная матрица; экспериментальная матрица

ё = 5 мм; \У=33%

Рисунок 3.49 - Зависимость изменения водостойкости гранул от числа оборотов шнеков. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений

27.00 26.50 26.00 25.50 I 25.00 04 24.50 24.00 23.50 23.00

26.6 28.3 30 32.5 35 37.5 40 41.7 43.4 Влажность, %

стандартная матрица; экспериментальная матрица

с1=5 мм; п = 140 мин"1

Рисунок 3.50 - Зависимость изменения водостойкости гранул от влажности. Геометрический размер маркера соответствует погрешности измерений

В результате анализа построенных графиков, получены следующие выводы: водостойкость полученных гранул соответствует ГОСТ 28758-97 [26]; водостойкость гранул, полученных через экспериментальные отверстия на 15-20 % выше, чем у гранул, полученных через цилиндрические отверстия. Скорее

всего, здесь сказывается равномерность давления по всему сечению отверстия, чего нет у цилиндрических отверстий.

Вывод по главе

1. Кривые течения «напряжение сдвига и скорость сдвига» комбикормовой смеси, полученные на экспериментальной установке и ротационном вискозиметре, подтвердили справедливость применения закона Освальда-де-Виля и показали, что степенной показатель этого закона находится в пределах 0,380,42 в зависимости от влажности смеси.

2. Установлено, что рациональная скорость сдвига смеси должна находиться в пределах 12-13 сек-1. Это является основой для выбора кинематического режима экструдера. При меньших значениях скорости сдвига не будет течения смеси, а при большем будет разрыв потока.

3. Определены рациональные значения параметров исследуемого экструдера, а именно: для получения производительности 100 кг/час (при удельной энергоемкости 0,2 кВт-ч/кг) диаметр отверстия матрицы должен быть 5 мм, диаметр шнеков 60 мм, шаг шнека 60 мм, число оборотов 140 мин-1, развиваемое давление до 1,5 МПа и влажность 33%.

4. Сравнение расчетных и экспериментальных значений производительности, развиваемых давлением и энергоемкостью, показывает их отличие друг от друга в пределах 15-20 %. Полученные уравнения адекватно отражают реальные процессы, происходящие в шнековом экструдере.

5. Матрицы с экспериментальными отверстиями по удельным показателям давления, производительности и энергоемкости превосходит стандартную с цилиндрическими отверстиями на 15-20 %.

6. Качество гранул по всем критичным показателям, полученные на экспериментальном экструдере выше, чем на стандартном, на 10-15 %. Гранулы из этой смеси полностью соответствуют ГОСТ Р 51899-2002.

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Методика инженерного расчета двухшнекового экструдера

Эффективность работы шнековых прессов зависит от геометрии рабочих органов, режимов работы (от давления прессования, продолжительности прессования, скорости изменения давлений), физико-механических свойств и других факторов [64,100,101].

Исходные данные:

б - производительность, кг/ч;

-5

р - плотность гранул, кг/м .

Рассчитываемые величины:

Ар - давление, Па;

п - число оборотов шнека, с-1;

N - мощность, затрачиваемая на привод шнека, кВт.

На рисунке 4.1 представлена расчетная схема шнекового экструдера.

Г е

Рисунок 4.1 - Расчетная схема шнекового экструдера

Для расчета производительности экструдера используется формула:

ж- D ■ n ■ h ■ (í — г) • cos2 р h3 (í — г) • sin2p МЛ

120 24 ■ j ■ L p (

где б - производительность двухшнекового экструдера, кг/ч; D - диаметр шнека, м; n - частота вращения шнеков, мин-1; h - глубина нарезки шнека, м; í - шаг между витками шнека, м; г - толщина витка шнека, м; р - угол наклона винтовой линии, град; r - вязкость, Па^с;

L - длина шнека от входной зоны комбикормовой смеси до отверстий матрицы, м;

Ар - разность давлений на входе и на выходе из отверстия, Па. В технике при расчете шнековых машин [3, 18, 29, 49, 53,100] используется следующая зависимость между кинематической вязкостью и плотностью:

Р =—,

Гк

(4.2)

где Р - плотность материала, кг/м3;

7д - динамической вязкости материала, Па-с;

л

г/к - кинематическая вязкость материала, м/с.

Целесообразно применить двухшнековую схему пресса при этом, используя два шнека, учитывая, что диаметр одного шнека О = 60 мм, из конструктивных соображений принимаем: глубина нарезки шнека, И = 20 мм; шаг между витками шнека, г = 60 мм; толщина витка шнека, е = 15 мм; угол наклона винтовой линии,

(р = 300 и длина шнека ь = 600 мм.

Далее находится число оборотов, зная скорость движения материала, из шнекового экструдера по следующему выражению [64]:

60 -у

П =-, (4.3)

7 - Б - СОЪф

Этот расчет справедлив для одношнековых экструдеров, для расчета двухшнековых нужно учитывать зону перекрытия шнеков (в числовом значении следует увеличить производительность на 80 %).

Для расчета производительности матрицы максимальной пропускной способности используется формула:

0 =-^--- (Я2 -I2 - г2)-7-Я2,

7-(Я + ^)2 ТI

2 (4.4)

где 0 - производительность матрицы экструдера, кг/ч; ^ - используемая площадь матрицы, м2; Я - входной радиус отверстия, м; 8Х - расстояние между двумя отверстиями, м; Ар0 - разность давлений на входе и на выходе из отверстия, Па; Т - вязкость, Па-с;

I - длина отверстия матрицы, м г - выходной радиус отверстия, м. Расчёт энергетических параметров:

Уравнения для определения мощности (2.76) можно получить исходя из следующей формулы [65]:

N = М -а,

кр

(4.5)

где N - мощность, затрачиваемая на прессование в двухшнековом экструдере, кВт;

Мкр - крутящий момент, Нм;

а - угловая скорость, с-1.

Крутящий момент определяется по формуле:

р - 7 - Б2 - И - tgф

МкР =~---—, (4.6)

М

где кр - крутящий момент, Нм;

р - давление в каждом витке шнека вдоль оси камеры двухшнекового экструдера (давление между витками шнека), Па; Ф - угол наклона винтовой линии, град; В - диаметр шнека, м; и - глубина нарезки шнека, м. Угловая скорость (2.85) определяется по формуле:

V

ю = —, (4.7)

Я

где V - линейная скорость, м/с; Я - радиус шнека, м.

Исходные данные для расчета двухшнекового экструдера представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Исходные данные для расчета двухшнекового экструдера

Наименование параметра Обозначение Единица измерения Числовое значение

Диаметр шнека В м 0,060

Частота вращения шнеков п с-1 1,7

Глубина нарезки шнека и м 0,0015

Шаг между витками шнека, 1 м 0,060

Толщина витка шнека £ м 0,005

Угол наклона винтовой линии Ф 0 8

Вязкость Л Па-с 700

Длина шнека ь м 0,6

Коэффициент вязкости материала V Па-сп 0,803

Входной радиус отверстия Я м 0,0036