Повышение интенсивности процесса непрерывного смешивания кормов

АННОТАЦИЯ

Обосновано наличие свободного пространства между крышкой и рабочим органом смесителя обеспечивающее хаотическое движение частиц корма после удара кормовой массы о крышку, вследствие чего улучшаются условия смешивания. Обоснована необходимость применения конструкции крышки смесителя в виде трехгранного короба, исключающей дополнительные сопротивления вращению винта из-за воздействия отраженных от крыш­ки кормовых масс. Применение такой конструкции крышки позволяет улучшение качество смешивания на 4...5% и достигает 93% и более при производительности 15 т/ч.

ABSTRACT

The presence of free space between the cover and the working body of the mixer is substantiated, which ensures the chaotic movement of feed particles after the impact of the feed mass on the cover, as a result of which the mixing conditions are improved. The necessity of using the design of the mixer cover in the form of a triangular box, which excludes additional resistance to the rotation of the screw due to the effect of the feed masses reflected from the cover, has been substantiated. The use of such a cover design allows improving the mixing quality by 4 ... 5% and reaches 93% or more at a productivity of 15 t / h.

Ключевые слова: смеситель, кршыка, плоский, полукруглой, трехгранная короба, угол наклона, отражающая плоскость, винт, движение частицы, сила сопротивления, свободное пространство, качества смешивания, потребная мощность, время полёта, шаг винта.

Keywords: mixer, krshyka, flat, semicircular, triangular box, tilt angle, reflecting plane, screw, particle motion, drag force, free space, mixing quality, required power, flight time, propeller pitch.

Введение. Среди комплекса мероприятий, направленных на интенсификацию животноводства, одно из центральных мест занимает производство и приготовление кормов. При этом особое значение придается обеспеченности хозяйств собственными кормами, улучшению их качества, наиболее эффективному их использованию при наименьших затратах труда и средств.

Завершающая операция приготовления кормовых смесей – смешивание компонентов, которое осуществляется в специальных устройствах-смесителях порционного или непрерывного действия.

К линиям смешивания кормов предъявляют два основных требования. Они должны: обеспечить в готовой смеси заданное рецептом соотношение компонентов по массе с отклонениями, не превышающими установленных допусков; перераспределить частицы смешиваемых компонентов так, чтобы показатель неравномерности их распределения был в пределах зоотехнических требований.

Материалы и методы. В теории смешивания важное место занимают вопросы, направленные на изучение самого механизма образования смеси, который в зависимости от конструкции рабочих органов смесителей протекает по разному.

Большой интерес представляют работы  Раскатовой Е.А. и Клычева Е.М. [1,2], в которых  предпринята  попытка  проанализировать физические основы смешивания. В этих работах сделаны выводы, что наряду со смешиванием идет обратный процесс – разделение (сегрегация), и поэтому уравнение кинетики процесса представлено в виде

к  = f₁(t) - f₂(t) ,                                                                          (1)

где       к - показатель однородности массы;

f₁(t) , f₂(t) – функции, характеризующие прямой и обратный процессы.

При этом динамическое равновесие наступает тогда, когда скорость основного и обратного процессов выравниваются по абсолютному значению и продолжают оставаться равными в дальнейшем, то есть

f₁(t) = - f₂(t) .

В работе Жевлаков П.К.[3] рассмотрена кинематика  смешивания      как  изменение концентрации  С исследуемого компонента и обоснованна зависимость скорости процесса смешивания от изменения С в единицу времени, то есть

υ=dC_i/dt.                                                                                (2)

Однако Желваков П.К. утверждает, что абсолютная скорость смешивания равна алгебраической сумме скоростей прямого и обратного процессов, а не их разности, то есть

ƒ(t) =ƒ_n(t) + ƒ_о(t).                                                                        (3)

Уравнение, приведенное Раскатовой Е.А. и Клычевым Е.М [1,2] будет правильным только при диффузионном смешивание, так как после динамического равновесия идет обратный процесс, то есть разделение.  

При других видах процесса смешивания формула, приведенная  Жевлаковым П.К., полностью справедлива, т.е. прямой и обратный процессы идут одновременно.

Анализируя вышеуказанные работы можно отметить, что ускорение процесса  смешивания, то есть скорость наступления динамического равновесия, зависит от ускорения интенсивности прямого и обратного процессов. Это справедливо для всех видов смешивания, кроме диффузионного.

Увеличение интенсивности прямого и обратного процессов может быть достигнуто разными путями, а именно за счет:

• образования в массе слоя скользящих друг по другу плоскостей (смешивание сдвигом);
• перемещения групп частиц из одного положения в другое (диффузионное смешивание);
• перемещения групп частиц из одного положения в другое (конвективное смешивание);
• перераспределения отдельных частиц материала в слое (диффузионние смешивание);
• рассеяния единичных частиц под влиянием их столкновения или ударов о стенки аппарата (ударное смешивание) [1…4].

В зависимости от типа смесителя и структурно-механических свойств кормовых компонентов превалирующее значение получает один или несколько из указанных процессов.

Таким образом, можно сделать вывод, что чем больше указанных процессов имеют место при смешивании, тем больше увеличивается интенсивность смешивания.

Участие в процессе смешивания элементарных процессов зависит от многих факторов, которые можно разделить на следующие группы [1…4]:

1.Физические свойства смешиваемых компонентов: регулярность геометрической формы частиц, их выравненность, соотношение геометрических размеров частицы кормовых компонентов, фракционные свойства, определяемые коэффициентами внешнего и внутреннего трения, объемная масса в состоянии свободного уплотнения, скважность смеси компонентов, влажность, гранулометрический состав, равномерность измельчения компонентов и др.

2.Конструктивные параметры смесителей: форму плоских и пространственно-криволинейных рабочих органов смесителя, их комбинации и геометрические размеры; линейные и круговые размеры и соотношения шага рабочих органов и их элементов; соотношения длины и диаметра рабочих органов и камеры смешивания; размеры радиальных и осевых зазоров рабочей зоны смесителя; коэффициент заполнения объема рабочей камеры смешивания; состояние поверхности и материал рабочих органов и камеры смешивания; угол атаки лопаток и подъема винтовых плоскостей и элементов рабочих органов; количество и варианты размещения рабочих органов; конструкцию питающего и выпускного устройства; условия и способ подачи материала в рабочую зону смешивания и выпуска из нее.

3. Кинематические параметры рабочих органов и обрабатываемой смеси, включающие: переносную, относительную и абсолютную скорости и ускорения рабочих органов, их элементов и представительных объем компонентов смеси, перемещаемых в радиальном и осевом направлениях рабочей зоны смесителя, скорости сдвига по поверхности раздела компонентов смеси в объемах рабочей зоны аппарата.

4. Силовые параметры, включающие 1) силы движения, определяемые передачей давлений в сыпучей среде, центробежными силами при фрикционной связи частиц с рабочими органами, массой частиц, кориолисовой сил при винтовых перемещениях и циркуляциях потоков смеси; 2) силы сопротивления, определяемые факторами внешнего и внутреннего трения материала о подвижные и неподвижные рабочие органы; силы сопротивления, зависящие от скорости движения элементарных объемов смеси для быстродействующих смесителей; 3) пассивные силы реакций от действующих рабочих органов.

Многообразие приведенных параметров, влияющих на процесс смешивания, определяет необходимость раздельного и комплексного изучения их влияния на процесс смешивания и его подготовку.

Известно, что одним из факторов, влияющих на процесс смешивания, является форма камеры смешивания. Особенно это характерно для смесителей с мещалочным рабочим органом.

Камеры смешивания смесителя с мещалочным рабочим органом можно разделить на две основные группы: без свободного пространства над рабочим органом для тихоходных смесителей и со свободным пространством для быстроходных смесителей.

Из анализа конструкции камер смешивания можно сделать следующие выводы:

• при снабжении камеры смешивания плоскими крышками, подброшенные кормовые массы при ударе о крышку расчленяются, но, отражаясь от крышки, создают дополнительные силы сопротивления вращению рабочего органа;
• наличие крышки криволинейной формы исключает возникновение дополнительных сил сопротивления, ухудшает условия смешивания;
• наличие свободного пространства между крышкой и рабочим органом смесителя обеспечивает хаотическое условия смешивания;
• целесообразно снабжать камеру смешивания крышкой такой формы, которая обеспечивала бы расчленение и такой движение подброшенной кормовой массы, чтобы зона возврата корма к рабочему органу после отражения от крышки смесителя не совпадала с зоной выброса. 

Результаты и обсуждения.

Наличие в предложенной конструкции смесителя многозаходного винта с поочередно прерывающимися на величину одного шага витка­ми и свободного пространства в верхней части корпуса смесителя способствует подбрасыванию частиц корма и, соответственно удлине­нию траектории ее движения[5….13].

Для выбора рациональной формы камеры смешивания были проведены предварительные экспериментальные иссле­дования на специально созданной установке.

Экспериментальная установка (рис.1.) составлена на базе смесителя и состоит из питающего транспортера длиной 6,5 м со скоростью ленты 0,321 м/с, смесителя с длиной ра­бочей камеры 3,5 м, выгрузного транспортера длиной 3,5 м и до­затора лопастного типа для ввода контрольного компонента.

Дозатор установлен над подающим транспортером в зоне загруз­ки кормов в смеситель. Привод его осуществляется от мотор-редук­тора транспортера, подача дозатора регулируется передвижением ло­пастного ротора вдоль оси вращения, скорость вращения ротора по­стоянная.

По всей длине ленты выгрузного транспортера с шагом 200 мм установлены ячейки для отбора проб. Ячейки выполнены из листовой стали размером 50 х 50 х 200 мм (см.рис.1).

Частота вращения винта смесителя регулируется за счет пяти сменных звездочек - двух для мотор-редуктора (Z₁ = 25, Z₂ = 32) и трех для вала смесителя (Z₃ = 22, Z₄ = 25, Z₅ = 28)

Подготовка экспериментальной установки производится следующим образом. Сначала измельченные кормовые компоненты взвешиваются согласно заданной производительности смесителя с учетом скорости ленты подающего транспортера. Потом послойно закладыва­ются на загрузочный транспортер.

Контрольный компонент (зерно ячменя, окрашенное нитроэмалью в красный цвет) засыпается в бункер дозатора. Предварительно до­затор регулируется на заданную подачу, соответственно с подачей кормовых компонентов.

Установка работает следующим образом. Включают электроприводы смесителя и шлюзовых затворов, затем включают подающий и вы­грузной транспортеры. Кормовые компоненты вместе с контрольным компонентом поступают через шлюзовой затвор в смеситель. Готовая кормосмесь выгружается на выгрузной транспортер с ячейками для взятия проб.

Рисунок 1.Схема экспериментальной установки

1-подающий транспортер; 2,8,12,13,15- мотор-редукторы; 4,9- загрузочный и выгрузной шлюзовые затворы; 5- крышка; 6- распределительный паропровод; 7-парораспределитель; 10- ячейка для проб; 11- ленточный выгрузной транспортер; 14- двухзаходный винт с прерывистыми витками

После остановки выгрузного транспортера отбирают пробы из каждой ячейки в соответствии с принятой методикой.

Для выбора рациональной формы камеры смешивания были проведены предварительные экспериментальные иссле­дование[5, 6,7]. При этом смеситель был снабжен тремя типами крышек: плоской, полукруглой с выпуклостью обращенной наружу, и в виде трехгранного короба.

Анализ конструктивно-технологических схемы камеры смешивание пока­зали, что тип крышек изменяет форму камеры смешивания и значитель­но влияет на качество смешивания.

В смесителях с разными видами крышек направление движения кормовой массы в камере смешивания после подбрасывания вверх рабочим органом (винтом) и взаимодействия с крышкой различны[11,12,13].

Как указывалось выше, в данной крышке отражающей поверхно­стью является грань, расположенная над зоной выброса частиц кор­ма. От угла наклона этой грани относительно горизонта зависит количество корма, отраженного в зону, не совпадающую с зоной вы­броса и, в свою очередь, качество смешивания.

В связи с этим, для определения оптимального угла наклона отражающей плоскости данной крышки рассмотрим три характерных направления движения отраженных частиц корма в свободном простран­стве над винтом.

Рисунок 2. Зависимость качества смешивания компонентов от угла наклона отражающей крышки и частоты врашения винта; 1- при  2-при  3- при α=24°

Для определения удовлетворяю­щей зоотехническим требованиям по качеству смешивания, эксперимен­ты проводили при разных секундных подачах кормовых компонентов. Результаты экспериментов показаны на рис.6.

Из рисунка видно, что смеситель обеспечивает необходимое ка­чество смешивания при производительности до 23 т/ч для смешива­ния измельченной свеклы и комбикорма и до 19 т/ч - для зеленой массы с комбикормом. При этом достигается максимальное качество смешивания - до 93% при производительности смесителя 15 т/ч.

Рисунок 3. Зависимость качества смешивания компонентов от производительности смесителя при  1- свекла + комбикорма, 2- зеленая масса + комбикорма

Выводы.

1.Обоснована необходимость применения конструкции крышки смесителя в виде трехгранного короба, исключающей дополнительные сопротивления вращению винта из-за воздействия отраженных от крыш­ки кормовых масс. Применение такой конструкции крышки позволяет улучшение качество смешивания на 4...5% и достигает 93% и более при производительности 15 т/ч.

2. В результате экспериментально-теоретических исследований установлен оптимальный угол наклона отражающей плоскости крышки камеры смешивания. Для данного смесителя угол наклона отражающей плоскости крышки составляет 31...35° при диаметре винта 400 мм, высоте отражающей плоскости от оси винта 350 мм и частоте враще­ния 36,61 с^-1.

3.По результатам исследования смесителя определены следую­щие показатели: производительность, обеспечивающая качество смеши­вания более 90% при смешивании зеленой массы и силоса с комбикор­мом - 19 т/ч, измельченных кормовых корнеплодов с комбикормом -23 т/ч, частота вращения винта - 36,61 с^-1.

Список литературы:

1. Раскатова Е.А. Исследование процесса образования сыпучих смесей в кормоприготовлении и его механизация. – Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – М.: 1956.
2. Клычев Е.М. Исследование процесса смешивания сыпучих кормов в псевдоожиженном слое. – Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – М., 1970.
3. Жевлаков П.К. Исследование процессов смешивания кормов. – Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. – Л., 1958.
4. Карнаухов И.Е. и др. Механика унифицированного агрегата для приготовления кормовых смесей. – В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции ВАСХНИЛ. – Мелитополь, 1989.
5. Смеситель Трегуб Л.И., Эшдавлатов Э.У., Праватов Н.М. а.с. №1465016, 1988 (СССР)
6. Эшдавлатов Э.У., Хамроев О.Ж. Оптимальный угол наклона отражающей плоскости крышки смесителя. Журнал.Наука, техника и образование. Москва 2016. № 6 (24) Стр.37-39
7. Эшдавлатов Э.У., Эшдавлатов А.Э. Влияние формы камеры смешивания на технологический процесс. Журнал.Наука, техника и образование. Москва 2016. № 6 (24) Стр.39-41
8. Эшдавлатов Э. У., Аликулов С. Р. Определение осевой скорости кормовой массы в смесителе непрерывного действия. Журнал. Наука, техника и образование. Москва 2016. № 7 (225) Стр.43-46
9. Эшдавлатов Э.У., Эшдавлатов А.Э., Суюнов А.А. Расчет расхода водяного пара и выбор устройства подачи в камеру смешивания. Молодёжь и системная модернизация страны. Сборник научных статей 2-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых. 22-23 мая 2018 года, в 4-х томах, Том-4, Юго-Зап.гос.ун-т., ЗАО “Университетская книга”, Курск, 2018, Стр.238-242
10. Эшдавлатов Э.У., Эшдавлатов А.Э., Суюнов А.А. Анализ формы камеры смешивания смесителей непрерывного действия. Журнал: Наука, техника и образование. Москва 2019 № 4 (57) Стр.36-40.
11. Mamatov F.M.,Eshdavlatov E.U., Suyunov A.A. The Shape of the Mixing Chamber of the Continuous Mixer. Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems (JARDCS). – Volume-12, 07-Spesia1 Issue, 2020. DOI: 10.5373/JARD CS/V12SP7/20202318. P. 2016-2023.
12. Mamatov F.M.,Eshdavlatov E.U., Suyunov A.A. Continuous Feed Mixer Performance. Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems (JARDCS). –Volume-12, 07-Spesia1 Issue, 2020.DOI:10.5373/JARDCS/ V12SP7/20202343. P. 2195-2200.
13. Eshdavlatov E.U., Suyunov A.A., Yusupov A.E., Jurayev B.B. Water steam consumption and feeding selection device calculation into the mixing chamber. Published by Novateur Publication India’s JournalNX- A Multidisciplinary Peer Reviewed Journal ISSN: 2581-4230, Website: journalnx.com, 19th Aug. 2020