CC BY
49
УДК 631.171:636
МОДЕРНИЗАЦИЯ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКИХ КОРМОВ
С.Г. Карташов, кандидат технических наук Е.М. Клычев, кандидат технических наук ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» E-mail: [email protected]
Аннотация. Концепция разработки технических средств для приготовления гомогенизированных смесей основана на феномене синпериодической кавитации. Известно, что при кавитационном приготовлении жидких кормов вместе с обеззараживанием сырья происходит биологическая активация воды. Такая вода является мощным растворителем солей, охотно вступает в реакцию гидратации биополимеров пищевого сырья (соединение биополимеров с молекулами воды), интенсивно экстрагирует (т.е. извлекает из сырья витамины и другие полезные вещества, не разрушая его природной структуры, так как имеет обычную температуру). Кавитационный измельчитель - это принципиально новый вид оборудования, используемый в производстве высокодисперсных гомогенизированных многокомпонентных составов эмульсий и суспензий различного назначения. Он является последним достижением новой отрасли науки - физико-химической механики. В то же время анализ литературных источников показал, что использование ка-витационных измельчителей для приготовления гомогенизированных смесей животным из фуражного зерна изучен недостаточно полно, а использование для этих целей серийно выпускаемых образцов ротор-но-пульсационных аппаратов показало, что их рабочие органы не обеспечивают однородного измельчения фуражного зерна, особенно их смесей.
Ключевые слова: кавитационный измельчитель, роторно-пульсационный аппарат, технологический процесс, статор, фуражное сырьё.
Причины образовавшейся проблемы -
недостаточно полно решена задача кавита-ционного приготовления высокопитательных кормов для животных из смесей фуражного зерна в роторно-пульсационном аппарате, где с обеззараживанием сырья происходит биологическая его активация и обеспечивается получение гомогенизированных смесей, недостаточно высокое качество и конкурентоспособность применяемых технических средств и получаемой продукции на потребительском рынке. Цель исследований -изучение условий процесса разрушения массового потока фуражного зерна при кавита-ционной его обработке в разработанной инновационной физической модели роторно-пульсационного аппарата (РПА) с регулируемыми рабочими органами и разработка научно обоснованных предложений для расширения его эксплуатационных возможностей.
Предмет исследований. Проведенный анализ отечественных и зарубежных кон-
струкций аппаратов для гомогенизирования жидких смесей выявил, что применение ка-витационных измельчителей по приготовлению животным таких смесей из фуражного зерна изучено недостаточно полно. Использование для таких целей серийно выпускаемых образцов оборудования роторно-пульса-ционных аппаратов (РПА) показало, что их рабочие органы (ротор и статор) не обеспечивают однородного измельчения фуражного зерна, особенно их смесей [1-5]. Для достоверности выбора наиболее перспективной конструкции технических средств по приготовлению гомогенизированных зерновых смесей животным проведен обзор серийно выпускаемых образцов РПА по принятым нами критериям: наличие загрузочных и выгрузных средств, производительность, установленная мощность, удельный расход электроэнергии, металлоемкость, одновременное выполнение операций, система управления, размер частиц продукта, поступающих на
Journal of VNIIMZH №4(32)-2018
27
переработку, размер частиц полученного продукта, однородность смешивания, стоимость образца.
Содержание и результаты исследований. По результатам проведенных НИОКР и анализа отечественных и зарубежных образцов подобного оборудования выявлено, что наиболее значимая и перспективная модель из ряда РПА (рис. 1) - это модель ООО «ПРОМСЕРВИС» г. Москва (наш инвестор).
к!
I1
Рис. 1. Роторно-пульсационный аппарат РПА /РПА-1,5; РПА-5; РПА-15; РПА-25/ и его ротор
Особенность работы этих моделей ротор-но-пульсационных аппаратов заключается в сочетании принципов работы диспергатора, гомогенизатора и центробежного насоса. В результате пульсационных, ударных, центробежных и других гидродинамических воздействий, происходящих в роторно-пульса-ционных аппаратах, изменяются физико-механические свойства перерабатываемых продуктов, улучшается их структура.
Результаты проведенных нами исследований и испытаний (Подольская МИС, [6]) серийного образца модели РПА-5 показали, что использование его рабочих органов ротора и статора не в полной мере обеспечивает условие равномерного и стабильного процесса измельчения потока смеси разнородного фуражного зерна. Для изучения процесса приготовления гомогенизированных смесей из зерна разработана и создана (рис. 2) инновационная физическая модель РПА. Выявлено, что в существующих моделях РПА при обработке зерновой массы не учитывается механический фактор резания, который должен интенсивно воздействовать на нее в потоке. Поэтому в основу разрабатываемой инновационной модели РПА положено использование механо-импульсного ударного
воздействия на поток зерновой массы одновременно с основными гидромеханическими факторами, которые обусловлены кавитаци-онной и пульсационной обработкой.
Рис. 2. Физическая модель РПА: 1 - корпус аппарата; 2 - задняя крышка аппарата; 3 - ротор; 4 - устройство для регулирования угла наклона лопаток ротора; 5-лопатки ротора; 6-прямоугольные и трапециевидные зубья ротора; 7 - выгрузная горловина аппарата; 8 - статор; 9 - устройство для регулирования зазора между зубьями ротора и статора аппарата; 10 - всасывающий патрубок
Так как зерновой поток обладает значительной прочностью и вязкостью в отличие от других сыпучих материалов, то для его деформации необходимо приложить усилия сдвига (резание), которые обусловлены механическим воздействием на зерновой поток предложенных зубьев ротора, так как в отличие от диспергирования эмульсий и мелкодисперсных суспензий пульсационного, ка-витационного, жидкостного и ударного воздействий может быть недостаточно при диспергировании зерновой массы. Именно этим обусловлена необходимость учета влияния механического фактора в теории процесса диспергирования потока зерновой массы в инновационной модели роторно-пульсацион-ного аппарата. Поэтому условием для дис-
пергирования зерновой массы и разрушения массового потока зерна предложено уточненное неравенство (1):
з^р _ (1)
1 ьп Лрпа
где: - мощность, затрачиваемая РПА на диспергирование потока зерна, Вт; о - напряжение, необходимое для разрушения массового потока зерна, Па; 0 - объемный расход массового потока зерна, м3/ч; ] - степень измельчения; Еп - модуль упругости зерновок, находящихся в потоке, Па/м; ПтА -коэффициент полезного действия РПА.
Исходя из реологических свойств зерновой массы, можно сделать вывод, что создание диспергированного потока на выходе из аппарата возможно при выполнении необходимых уточненных условий:
2-У ^
- > УКР .Пз . Пв, (2)
где: и - скорость потока в выходном патрубке аппарата, м/с; Dу - диаметр выходного патрубка аппарата, м; уКР -критическое значение градиента скорости, которое определяется, исходя из реологической кривой зернового потока, С-1; пз - коэффициент учета упругих свойств зерна; пв - коэффициент учета вязкости продукта, измельчаемого в РПА.
Таким образом, обусловлена необходимость учета влияния механического фактора в теории процесса диспергирования зерновой массы в новом, созданном роторно-пульсационном аппарате. Условия (1) и (2) определяются из технологических характеристик зерновой массы. Для изучения процесса приготовления гомогенизированных смесей из зерна была разработана схема экспериментальной установки (рис. 3).
Для изучения процесса и проведения исследований использовали приборы:
- счетчик импульсов СИ8 - для расходомера, транспортирующего устройства, скорости вала;
- датчик уровня жидкости ОВЕН ДС, ОВЕН ДУ;
- датчик температуры ДТП(ХК);
- прибор САУ-М2 для поддержания уровня жидкости в резервуаре, накопительной емкости;
- измеритель ПИД-регулятор ОВЕН ТРМ10 - датчик влажности, расхода жидкости; .
- преобразователь частоты векторный ПЧВх - для управления частотой вращения двигателей;
- панельные контроллеры ОВЕН СПК1 ХХ - система управления перерабатывающими аппаратами.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки для изучения процесса приготовления гомогенизированных смесей из зерна: 1 - роторно-пульсационный аппарат; 2 - электродвигатель с частотным регулятором оборотов; 3 - блок тиристорного преобразователя; 4 - оптический датчик; 5 - тахометр; 6 - ваттметр; 7 - манометр; 8 - вакууметр; 9 - расходомер; 10 - подвижное соединение; 11,14 - система стеклянных трубопроводов; 12 - емкость для подачи обрабатываемого
продукта; 13 - шнек-питатель; 15 - бункер для обрабатываемой среды; 16 - датчик уровня жидкости с приборами контроля; 17 - биореактор; 18 - сканирующее устройство; 19 - компьютер
Научно обоснованные предложения:
- РПА необходимо комплектовать разгрузочным устройством при работе в режиме регулировки интенсивности потока на выходном патрубке, что позволяет изменять скорость прохождения обрабатываемой смеси через рабочие зазоры и, соответственно, степень дисперсности и устойчивости эмульсии;
- для расширения эксплуатационных возможностей на входном патрубке РПА необ-
Journal of VNПMZH №4(32)-2018
29
ходимо устанавливать загрузочное устройство, одной из функций которого является обеспечение режима загрузки готового продукта без использования дополнительных насосов, а другая функция - обеспечение очистки продукта от посторонних и металлических примесей;
- для обеспечения стабильности процесса работы РПА созданы устройства для регулирования ротора и статора;
- в РПА обязательно использовать электронное устройство - преобразователь частоты, который позволяет плавно регулировать обороты электродвигателя, настраивать гомогенизатор под конкретный технологический процесс;
- автоматическое управление работой РПА осуществляется с использованием компьютера.
Выводы.
1. Выведены и предложены теоретические неравенства по определению условий в теории расчета рабочего процесса для разрушения массового потока зерна с целью его диспергировании, при этом возникает реологически сложная система с учетом комплекса гидромеханических факторов, воздействующих на зерновую массу в потоке при различных конструктивных параметрах РПА.
2. Научная новизна разработки подтверждена патентами [7, 8], опубликовано две статьи и имеется одно выступление с докладом на международной конференции.
3. Разработаны научно обоснованные предложения для расширения эксплуатационных возможностей РПА.
Литература:
1. Хинт Й.А. УДА-технология. Таллин, 1981.
2. Кнэпп Р. Кавитация. М.,1974.
3. URL: http://promvest.info/ru/tehnologii-i-oborudova-nie/rotorno-pulsatsionnyie-gomogenizatoryi-proizvodst-va-itp-prombiofit-rekomendatsii-podboru-i-ekspluatatsii/
4. URL: http ://www. abercade.ru/research/analy sis/287
5. Карташов С.Г., Бестаев Г.З. Повышение эффективности процесса приготовления гомогенизированных дисперсных смесей из люпина, пшеницы в роторно-пульсационном аппарате // Вестник ВИЭСХ. 2012. №4.
6. ППИ 09-42-12 установки для приготовления гомогенизированных смесей «УПГС-1». Климовск, 2012.
7. Пат. 106849 РФ. Устройство роторно-пульсацион-ного аппарата / Карташов С.Г. и др. 2011. Бюл. 20.
8. Пат. 107965 РФ. Устройство роторно-пульсацион-ного аппарата / Карташов С.Г. и др. 2011. Бюл. 25.
Literatura:
1. Hint J.A. UDA-tekhnologiya. Tallin, 1981.
2. Knehpp R. Kavitaciya. M.,1974.
3. URL: http://promvest.info/ru/tehnologii-i-oborudova-nie/rotorno-pulsatsionnyie-gomogenizatoryi-proizvodst-va-itp-prombiofit-rekomendatsii-podboru-i-ekspluatatsii/
4. URL: http://www.abercade.ru/research/analysis/287
5. Kartashov S.G., Bestaev G.Z. Povyshenie ehffektivnos-ti processa prigotovleniya gomogenizirovannyh dispers-nyh smesej iz lyupina, pshenicy v rotorno-pul'sacionnom apparate // Vestnik VIEHSKH. 2012. №4.
6. PPI 09-42-12 ustanovki dlya prigotovleniya gomogenizirovannyh smesej «UPGS-1». Klimovsk, 2012.
7. Pat. 106849 RF. Ustrojstvo rotorno-pul'sacionnogo ap-parata / Kartashov S.G. i dr. 2011. Byul. 20.
8. Pat. 107965 RF. Ustrojstvo rotorno-pul'sacionnogo ap-parata / Kartashov S.G. i dr. 2011. Byul. 25.
MODERNIZATION OF ROTARY-PULSATION APPARATUS FOR LIQUID FEED PREPARATION
TECHNOLOGY USING S.G. Kartashov, candidate of technical sciences E.M. Klychev, candidate of technical sciences FGBNY "Federal scientific agroengineering center VIM"
Abstract. The concept of technical means for the homogenized mixtures preparation development based on sinperi-odic cavitations phenomenon. It is known that at the liquid feed cavitation preparation with its raw materials disinfection takes place water's biological activation. Such water is a powerful solvent of salts, readily reacts with food raw materials' hydration biopolymers (biopolymers compound with water molecules), extracts intensively (thus ex -tracts from raw materials vitamins and other nutrients without its natural structure destroying, as it has a normal temperature). Cavitation grinder is a fundamentally new type of equipment that in highly dispersed multicompo-nent of emulsions and suspensions compositions for various purposes are used. It is the latest achievement of a new branch of science - namely physical-and-chemical mechanics. At the same time, the analysis of literature sources had showed that cavitation grinders using for animals' homogenized mixtures preparation from forage feed grains was not sufficiently studied, that commercially available samples of rotary-pulsation apparatus for these purposes using had showed that their bodies working do not provide uniform grinding of feed grains, especially their mixtures. Keywords: cavitation grinders, rotary- pulsation apparatus, technological process, stator, forage raw materials.
