Study of the continuous mode of mixing feed components in a mixing plant

Full Text

Введение

В нашей стране развитию животноводства уделяется большое внимание. Большая часть основной продукции животноводства в предстоящие годы будет производиться на существующих фермах в условиях их коллективной аренды, а также в фермерских индивидуальных хозяйствах, что обеспечит интенсивное ведение отрасли.

Конструкторскими бюро, научно-исследовательскими и проектно-технологическими институтами механизации и электрификации сельского хозяйства разработаны новые прогрессивные технологии, а также комплекты, агрегаты, машины и аппараты для животноводства и кормопроизводства. На основе этой техники внедряется комплексная механизация ферм и создаются животноводческие комплексы с индустриальной технологией производства продукции.

Техническая оснащенность хозяйств влияет на производство животноводческой продукции через экономию живого труда при обслуживании животных, улучшение условий их содержания, повышение окупаемости кормов и т.д. Доля затрат овеществленного труда в стоимости валовой продукции животноводства повышается с применением средств механизации [1, 2].

В связи с переходом хозяйств на новые экономические отношения остро встала проблема комплексной механизации, так как экономический эффект на фермах может быть достигнут лишь при становлении их на механизированную основу с применением прогрессивных технологий ведения животноводства. Но при этом, для того чтобы восполнять поголовье животных, необходимо организовать правильное приготовление кормов и кормление молодняка, что в свою очередь позволит выполнить функцию замены взрослых животных.

Цель исследований

Изучение процесса приготовления жидких кормовых смесей на основе заменителя цельного молока с использованием экспериментальной установки при изменении настроечных параметров.

Материалы и методы

Экспериментальная установка для приготовления жидких кормовых смесей представляет собой многофункциональное техническое средство, способное выполнять 3 функции: дозирование материала (заменитель цельного молока), подачу жидкости (функция нагнетания) и приготовление смеси (функция смесителя) (рис. 1) [3–5].

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для приготовления жидких кормовых смесей

Испытание установки проводили на специально созданном стенде (рис. 2), который позволяет отбирать пробы во время испытаний.

Рис. 2. Схема работы установки с открытым контуром: 1 – установка; 2 – бак с водой; 3 – бак с готовой смесью; 4 – мультиметр DMK-20; 5 – частотный преобразователь; 6 – клапан загрузки компонентов; 7 – загрузочная камера; 8, 9, 10, 11 – шаровые краны

По проточной схеме установка работает следующим образом. Перед началом работы кран 11 закрывают, а краны 9, 10 открывают. После запуска электродвигателя открывают кран 6 и засыпают в загрузочную камеру 7 сухие компоненты. Полученная смесь поступает в бак 3 [6].

Качество смеси, полученной при смешивании компонентов, определим с помощью степени однородности, который характеризует завершенность процесса в целом [7]:

$\Theta =\frac{{Ф}_0\left(z_i\right)}{Ф(z-3)}=\frac{{Ф}_0\left(z_i\right)}{0,9973}$ (1)

где Ф_о – нормированная функция Лапласа.

Доля частиц контрольного компонента в смеси находится в заданных пределах ±Δ; при этом 0 < Θ < 1. Предельному случаю полного смешивания соответствует значение Θ = 1. Рецептура соотношения компонентов была принята исходя из зоотехнических требований, соответственно в интервале от 1:8…1:10, то есть на 8 л воды 1 кг заменителя молока, отклонение допустимое Δ = ±20 %. Таким образом, формулу (1) нужно преобразовать с учетом этих допущений так, что в знаменателе будет не число 0,9973, которое близко смешиванию компонентов в соотношении 1:1, а будет интервал от 0,125 до 0,1, что соответствует соотношению 1:8…1:10:

$\Theta =\frac{{Ф}_0\left(z_i\right)}{0,125...0,1}$ (2)

Для оценки качества работы смесительной установки используем один из показателей, такой как удельные энергозатраты, отнесенные к единице массы готового продукта, определяемый по формуле (кВт·ч/т):

$q=\frac{P}{Q_{ч}}$ (3)

где Р – мощность, потребляемая установкой, кВт; Q_ч – часовая производительность установки, м³/ч или т/ч.

Формула (3) является универсальной, но она не учитывает характер качества полученного продукта, поэтому лучше ввести такой показатель, как удельные энергозатраты электрической энергии, учитывающий степень однородности смеси, который определим по формуле (кВт·ч/т.ед.ст.одн.):

${Э}_{эл}=\frac{Р}{Q_{ч}·\Theta }$ (4)

Мощность, расходуемая электродвигателем, который приводит в движение установку, определим по формуле [2, 5]:

$P=\sqrt{3}·U_{ф}·I_{ф}·\cos \left(\phi \right)=U_{л}·I_{ф}·\cos \left(\phi \right),$ (5)

где U_ф – фазное напряжение сети, В; I_ф – сила тока фазная, учитывая, что соединение «звезда», то I_ф = I_л – линейная сила тока, А; сosφ – коэффициент мощности электродвигателя.

Результаты и обсуждение

Результаты исследования установки как насоса позволили получить следующие данные по производительности: при частоте вращения n = 3000 мин^–1, производительность Q_ч = 16 м³/ч, n = 2250 мин^–1 – Q_ч = 12 м³/ч, а при n = 1500 мин^–1 – Q_ч = 8 м³/ч [8, 9].

Для оценки качества смешивания при непрерывном внесении компонентов, выделили 2 фактора, которые будут влиять на критерии оптимизации: степень однородности и удельные энергозатраты электрической энергии Э_эл. Для этого составили план эксперимента 3² (табл. 1) [11]. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 1

План эксперимента 3²

Table 1. Plan of 3² experiment

Таблица 2

Результаты исследований по определению степени однородности и удельных энергозатрат электрической энергии

Table 2. Research results to determine the degree of homogeneity and specific energy consumption of electrical energy

По результатам исследования получили следующие уравнения регрессии для степени однородности Θ (у₁) и удельных энергозатрат электрической энергии Э_эл (у₂):

$\Theta =91,28-1,83·{х}_1+2,6·{х}_2+2,56·{х}_1^2+1,87·{х}_1·{х}_2-2,29·{х}_2^2.$ (6)

${Э}_{эл}=0,205+0,004·{х}_1-0,006·{х}_2-0,005·{х}_1^2+0,0045·{х}_1·{х}_2+0,005·{х}_2^2.$ (7)

С помощью программных приложений Microsoft Office Excel 2007 и Statgraphiсs Plus 5.0, были произведены расчеты оценок коэффициентов регрессии; при этом была оценена их значимость, проверена адекватность полученных моделей, по которым строили двумерные сечения поверхностей откликов. Расчеты, проведенные по определению среднего значения отклика и расчетного значения критерия оптимизации, определяли в среде Microsoft Office Excel 2007. В уравнениях (6) и (7), наибольшее влияние на степень однородности смеси и удельные энергозатраты электрической энергии оказывает температура воды (b₂ = 2,6 и b₂ = –0,006).

Оценки коэффициентов регрессии считались значимыми с 95%-й доверительной вероятностью при величине P-Value [10, 11], приведенной в таблице дисперсионного анализа, не превышающей 0,05. Анализируя сечение (рис. 3, а), можно сделать вывод, что при температуре воды t = 26…38 °C и частоте вращения n = 1500…1650 мин^–1 достигли максимального значения степени однородности Θ = 94,6 %. По двумерному сечению (рис. 3, б) видно, что наименьшие затраты электрической энергии достигаются при сочетании факторов t = 26…38 °C и частоте вращения n = 1500…1650 мин^–1 и значение составляет Э_эл = 0,198 кВт·ч/т.ед.ст.одн.

Рис. 3. Двумерные сечения поверхности отклика для степени однородности Θ, %, (а) и удельных энергозатрат электрической энергии Ээл, кВт·ч /т.ед.ст.одн., (б) в зависимости от частоты ращения рабочего колеса n, мин–1, и температуры воды t, °С

Полученные результаты показывают, что при увеличении температуры уменьшается начальная вязкость воды, что в дальнейшем способствует качественному смешиванию компонентов. При этом, если подача будет достаточно большой, то качество смеси будет ухудшаться и увеличивается потребление энергии.

Выводы

По проведенным исследованиям по непрерывному внесению компонентов в экспериментальной установке для приготовления жидких кормовых смесей, получили что оптимальными сочетаниями факторов будет температура воды t = 26…38 °C и частота вращения n = 1500…1650 мин^–1, при этом степень однородности достигает Θ = 94,6 % и удельные затраты электрической энергии Э_эл = 0,198 кВт·ч/т.ед.ст.одн.

About the authors

P. N. Solonshchikov

Author for correspondence.
Email: solon-pavel@yandex.ru

PhD in Engineering

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Scheme of an experimental setup for the preparation of liquid feed mixtures

Download (77KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Scheme of the setup with an open circuit: 1 – setup; 2 – water tank; 3 – ready-mix tank; 4 – DMK-20 multimeter; 5 – frequency converter; 6 – component loading valve; 7 – loading chamber; 8, 9, 10, 11 – ball valves

Download (225KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Two-dimensional sections of the response surface for the degree of homogeneity Θ, % (а) and specific energy consumption of electrical energy Eel, kW·h /t.d. h. (b) depending on the frequency of rotation of the impeller n, min-1 and water temperature t, °С

Download (187KB)

Indexing metadata