МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ процесса

Использование такой методологии позволяет создать иерархическую структуру системы исследований, включающую отдельные подсистемы, взаимоувязанные через внутренние характеристики системы (ВХС), в качестве которых выбирают показатели (функции или характеристику), подводящие их, как бы к общему знаменателю.

В основе создания однородной кормовой смеси лежит системный подход, предложенный Л.П. Карташовым и В.Ю. Полищуком. Как результат была представлена сложная, многоуровневая система, которая в свою очередь подразделена на подсистемы, а подсистемы на множество элементов. Такое деление ограничено целями исследования, а, следовательно, логической завершенностью.

Создание однородной кормовой смеси разной влажности включает в себя несколько технологических подходов, а именно, подготовка кормовых компонентов, водоподготовка и смешивание, с последующим контролем качества готового продукта. Таким образом, рассматривая технологический процесс приготовления однородной кормовой смеси, как единую целую систему, при исследовании были выявлены входные и выходные потоки, а также неуправляемые возмущающие воздействия, что отражено на рисунке 2.

Каждая из представленных подсистем в свою очередь включает множество элементов.

Комплекс параметров эффекта, сформированный в результате суммарного взаимодействия многопараметрической системы, характеризует масштаб процесса, энергоемкость, материальные затраты, надежность технической системы и качество готовой прдукции..

Подсистема смешивания кормовых компонентов (СКК) непосредственно влияет на конечный продукт, т.е. на качество кормовой смеси, поэтому в основе моделирования лежат концепции, связанные с физической сущностью природы процесса получения однородной кормовой смеси, а именно предположение идеального распределения компонентов в общей массе, приобретающее смысловое значение при использовании принудительной гомогенизации. Следует отметить отсутствие достаточно четких представлений о сложных физических процессах вибросмешивания, что приводит к формированию приближенных динамических, т.е. зависящих от времени, моделей смесительных систем.

Обеспечение заданной степени однородности может быть рассчитано на основе концентрации ключевого компонента, для чего из многокомпонентной системы выделяется один компонент, называемый ключевым, его концентрация в смеси (с) может определяться использованием известных уравнений диффузии в гидродинамике. В тоже время, следует отметить, что сыпучая среда, так же как твердое тело, может подвергаться сдвигу под воздействием внешних нагрузок, в связи, с чем появляется возможность использования в математической интерпретации процесса, сдвиговых составляющих.

Применение предлагаемых подходов, позволяет осуществить вывод аналитически прогнозируемой концентрации смеси с учетом ее влажности.

Так как распределение концентрации в смеси меняется путем диффузии, то даже при нахождении ее в состоянии покоя существует поток, приводящий к переносу веществ в смеси. Изменение количества этого вещества в некотором объёме в дифференциальной форме представляет:

(1)

где i – плотность диффузионного потока; - масса одного из веществ смеси в единице объема; - полная плотность смеси; t - время, - скорость единицы массы смеси.

Используя простые преобразования, получаем уравнение, определяющее распределение концентрации в смеси:

(2)

При этом членом можно пренебречь, т.к. он не является действующим на систему параметром.

Введя граничные условия для распределения ключевого компонента, и проведя преобразования, получаем теоретическую концентрацию смеси:

, (3)

где М - полное количество распределенного вещества в произвольный момент времени, кг.

Проблема определения качественных показателей заключается в том, что исследуемый процесс рассматривается в нескольких влажностных диапазонах. Выведенная таким образом теоретическая концентрация позволяет прогнозировать однородность кормосмеси с влажностью до 57%.

Качество сухих кормосмесей влажностью до 14% может быть выражено таким статистическим показателем, как степень однородности - М%.

Качество кашеобразных и супообразных кормосмесей, может быть определено через концентрацию ключевого компонента С, выраженную из формулы удельного объема, который рассчитывается как

.

С другой стороны, говоря об однородной смеси, объем можно представить

, (4)

где: V – объем вещества, m – масса вещества.

При этом V = числа частиц веществ, одно из которых является ключевым компонентом, в 1г. смеси, эти числа удовлетворяют соотношению, где: - массы частиц обоих веществ, кг; m1 n1, m2 n 2 – это с (концентрация).

Выразим и через концентрацию, если , то . Проведя преобразования, получим:

. (5)

Методика прогнозирования качества, при использовании математического аппарата, дает возможность получить кормосмесь необходимого качества с учетом задаваемых режимов процесса, физико-механических, реологических свойств компонентов и конструктивных особенностей оборудования. При этом основной концепцией этой методики является расчет вибрационного импульса, передающегося от развитой виброактивной поверхности смешиваемым компонентам разной влажности, свойства которых нельзя не учитывать.

Так, например, определение вибрационного импульса для смесей сухих рассыпных, основано на его расчете по формуле:

, (6)

где

, (7)

Подставив все значения параметров, формула для определения вибрационного импульса будет выглядеть следующим образом:

, (8)

Учитывая характеристики исследуемого материала, а именно вязкость и сопротивление сдвигу и используя метод размерностей, можно записать:

, (9)

Теоретический подход к определению качественных характеристик процесса смешивания кормокомпонентов разной влажности отражен в таблице 1.

Прогнозировать результаты комплекса технических и технологических подходов получения однородной кормовой смеси разной влажности, как единого целого, можно, если разработана вариативная модель процесса, базирующаяся на многофункциональной системе взаимоувязанных разноплановых параметров. Наиболее целесообразна многопараметрическая вариативная модель процесса смесеприготовления (см. рисунок 3), в основе которой лежит вероятностная модель процесса смешивания, разработанная Ивановой А.П. Предложенная модель имеет вариативные решения, которые позволяют научно прогнозировать результаты. К выходному комплексу эффективности исследуемого процесса можно отнести, качество приготавливаемой продукции, выраженное через степень однородности или концентрацию.

Таблица 1 – Теоретический подход к определению характеристик процесса смешивания кормокомпонентов разной влажности

Консистенция корма	Влаж- ность корма, W %	Расчет вибрационного импульса, i кг м/с	Расчет концентрации смеси, с
сухие	до 14
сухие рассыпные	15…43
влажные рассыпные	44…57
кашеобразные	58… 72
супообразные	73… 79

N – мощность, расходуемая на смешивание компонентов, кВт; SV - параметр виброактивности, м; е – энергия единицы массы, Дж/кг; Кж – коэффициент жесткости, определяемый как ; А - амплитуда колебаний корпуса смесителя, м; - площадь виброактивной поверхности, м2 ; - эквивалентный диаметр частиц, м; Ж - жесткость смеси, с.; П – подвижность смеси, м; - сопротивление сдвигу, t – продолжительность цикла смешивания, с; Кз - коэффициент загрузки вибросмесительной камеры, коэффициент подвижности смеси.

Использование параметрических подсистем, охватывающих водоподготовку, подготовку кормокомпонентов, смешивание с контролем качества полученной смеси, при этом, учитывая конструктивно-технологическую область, реологические, физико-механические особенности смешиваемых материалов, режимные характеристики процесса, а также вариативное сочетание этих звеньев позволяет получать разнообразные решения, удовлетворяющие той или иной поставленной задаче.

Для рассматриваемого процесса поясним наиболее значимые параметрические составляющие, которые входят в подсистемы.

X1 X2 X3 Xn - параметры состояния воды начальные (степень загрязнения, состав, температура и т.д.); X1* X2* X3* Xn* - параметры состояния кормокомпонентов начальные (физико-механические, реологические, химико-биологические свойства); ФКВ – блок формирования качества воды; ФКК – блок формирования качества кормокомпонентов; ПВ и ПК – оптимальные параметры соответственно водоподготовки и

кормоподготовки; ПВ+, ПВ- и ПК+,ПК- - отклонения от оптимального значения соответственно ПВ и ПК; f1, f2 f3 fn - параметры состояния воды после очистки; f1*, f2*,f3*,fn* - параметры состояния кормокомпонентов после подготовки; F и F1 – состояние соответственно воды и кормокомпонентов к началу смешивания; СК – параметры смешивания кормокомпонентов; K+++, K++ -, K+ - - - модельный ряд смесителей (с наилучшими, средними и наихудшими параметрами для данных компонентов); Р+++, Р++-, Р+- - - режимы ведения процесса (Р+++ оптимальный, Р++-, Р+- - - отклонения от оптимального); НЭЗ, СЭЗ, ВЭЗ – соответственно низкие, средние и высокие энергозатраты; ВО, СО, НО – высокая, средняя и низкая однородность приготавливаемой смеси; imax, iср, imin - внутренняя характеристика подсистемы смешивания (вибрационный импульс), дающая соответственно оптимальный, средний и неудовлетворительный выход качественно-энергетических показателей; СХ, СР, ВР, КШ, СП – соответственно параметры сухих, сухих рассыпных, влажных рассыпных, кашеобразных и супообразных кормосмесей, КК – блок контроля качества кормосмеси; С и М – соответственно концентрация и однородность кормосмеси; С+, С- и М+, М- - соответственно отклонения от заданной концентрации и однородности; КС – полученная кормосмесь; Z1, Z2, Z3, Zn – требуемые показатели качества кормосмеси; Z – множество допустимых значений отклонений от заданного качества кормосмеси.

При рассогласовании показателей качества полученной кормосмеси КС с требуемыми показателями Z1, Z2, Z3, Zn, блоки формирования качества воды ФКВ и кормокомпонентов ФКК компенсируют это путем регулирования соответствующих начальных параметров X1 X2 X3 Xn и X1* X2* X3* Xn*. При этом если показатели качества готовой кормосмеси КС попадают в множество допустимых значений отклонений от заданного Z, которое формируется в зависимости от целей, технических и технологических возможностей хозяйства, то можно говорить о положительных выходных результатах.

Третья глава «Разработка технологий и оборудования для качественной подготовки и обработки кормовых компонентов».

Анализируя труды Дудкина М. С., Щелкунова Л. Ф., Залашко М. В., Касперовича В.Л., Мануйловой Т.А., Девличаровой А.Н. и др. можно говорить о проблеме рационального использования вторичных сырьевых ресурсов, позволяющих повысить пищевую ценность продукта, с разработкой высокоэффективной технологии. С этой точки зрения целесообразно рассматривать вторичные сырьевые ресурсы молочной и зерноперерабатывающей промышленности.

Установлено, что в своем естественном состоянии большинство отходов не совместимы с технологиями традиционных комбикормовых производств по причине своих физико-механических свойств (жидкие, вязкие и пр.), и характеризуются низкой кормовой ценностью.

Говоря о подготовке кормовых компонентов (ПКК), необходимо учитывать, что в зависимости от совокупности всех свойств ингредиентов и целей, в соответствии с которыми создают кормосмесь, она может проводиться самыми различными способами, ограниченными технологическими возможностями и производственной необходимостью.

Исходя из выше изложенного, подсистему подготовки кормовых компонентов расчленили на три составляющих, рисунок 4: физико-механические свойства компонентов, представленные их эквивалентным диаметром dэ, насыпной плотностью н и влажностью W; реологические свойства компонентов, представленные вязкостью и усилием сдвига ; химико-биологические свойства компонентов, представленные их гидрофильностью, перевариваемостью и питательностью.

Рисунок 4 - Подсистема подготовки кормовых компонентов

Базой для методики обработки составляющих кормосмеси явился разработанный способ обработки пшеничных отрубей на корм (патент №2269902), который проводили по схеме, приведенной на рисунке 5.

Для осуществления созданного способа предложены два варианта машинно-аппаратурной схемы, которые для смешивания увлажненных пшеничных отрубей, соды пищевой и соли поваренной предусматривают использование разработанного вибрационного смесителя по патенту № 2208473, корпус которого выполнен в виде призматоида, а рабочий орган представляет собой пятиугольную правильную звездчатую пирамиду.

Технологическая схема обработки пшеничных отрубей на корм по патенту №2269902 предусматривает операцию смешивания дважды.

Первое смешивание проводим, когда соединяем пшеничные отруби и сыворотку, а второе - когда к увлажненным отрубям добавляем соль и соду.

При этом компоновка технологической линии одним вибросмесителем (рисунок 6) предполагает проведение смешивания, увлажнения, отлежки и повторного смешивания в одном аппарате. Однако, в зависимости от уровня обеспечения фермерских хозяйств, может быть осуществлена сквозная компоновка технологической линии обработки пшеничных отрубей на корм, где полный цикл изготовления и обработки продукта проводится с непрерывным переходом обрабатываемого сырья от одной технологической операции к другой. В этом случае устанавливают два вибросмесителя.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил установить оптимальный режим экструзии: влажность исходного образца 18-20% без добавок, влажность исходных образцов с добавками NaCl и NaHCO3 – 20-30%, величина добавок NaCl – 2-3% и NaHCO3 в количестве 1-2% от массы исходного образца, температура на выходе из экструдера 1500С, давление –5-6 мПа.

Оценку питательности и продуктивности действия экструдированного продукта проводили на молодняке крупного рогатого скота путем индивидуального взвешивания в начале и конце исследования. Характеристика роста подопытных животных показала эффективность данного способа, т.к. прирост живой массы по I опытной группе составил 95,0 кг, что на 23% превышает показатель по II опытной группе, и на 13,7% выше уровня контрольной группы.

Для доведения корма до необходимой консистенции нами предлагается проводить водоподготовку, основанную на кавитации и криогенных технологиях.

Именно комбинированные способы очистки воды дают наилучший результат, поскольку позволяют удалять примеси разного характера. Результатом наших исследований явилась разработка комбинированного способа очистки воды, включающего замораживание и оттаивание, причем замораживание сначала проводят до перехода 4-5% (масс.) воды в твердую фазу, которую удаляют, а оставшуюся часть воды замораживают, подвергая гидродинамической кавитации, до полного перехода в твердую фазу. Затем центральную часть воды удаляют в количестве 4-5% (масс).

Подсистема водоподготовки (ВП), заключающаяся в температурной и кавитационной обработке воды, содержащей большое количество органических соединений, нами расчленена на такие элементы, как режимные, включающие температуру замораживания tз и оттаивания tотт, длину волны ультразвука , и конструктивные, включающие объем рабочей камеры Vрк, толщину фильтрующего материала hф, объем электродных камер Vэк, объем загрузки Vз установки для очистки (рис. 7).

При использовании кавитации в воде в местах неоднородности среды происходят разрывы сплошности потока с образованием парогазовых пузырьков. В местах их схлопывания и в микроокрестностях этих точек возникают экстремальные параметры: высокая температура и, прежде всего, высокое давление. В результате вблизи точек схлопывания полностью уничтожается патогенная микрофлора, даже такие споры грибов, как Aspergiliuss niger, которые вообще не уничтожается ни ультрафиолетом, ни озоном. Использование кавитации также способствует перемещению примесей с более низкой температурой замерзания, чем чистой воды, в центральную часть объема. Поэтому удаление замороженной воды из центральной части обеспечивает удаление вместе с ней и всех вредных примесей.

Для усиления процесса разрушения комплексов в электродную камеру может быть помещен барботер, через который подается сжатый воздух. Причем его включают одновременно с источником кавитационного поля и выключают, после того как вода начнет переходить в твердую фазу.

Рисунок 7 - Подсистема водоподготовки