Исследование основных конструктивных и режимных оптимальных параметров микронизатора при обработке зерновых кормов инфракрасным излучением

Особое значение для удовлетворения потребностей населения в продовольствии имеет продукция животноводства и птицеводства. Корма, предназначенные для животных и птиц, должны быть вкусными и питательными, легко усваиваться [1]. Они не должны содержать добавок, которые вредны для здоровья животных и могут негативно сказаться на продукции [2–5]. Зерновые корма животным, кроме лошадей и птиц, редко дают целиком [6]. Цельный продукт (с особым жестким покровом) с трудом усваивается. Существуют различные способы подготовки зерна к прикорму для улучшения ус-ваиваемости, вкуса.

Комбикормовая промышленность выпускает корма для всех видов сельскохозяйственных животных, птиц и рыб. Однако эти корма, производимые в стране, часто не достигают желаемого уровня по сравнению с кормами, производимыми в развитых странах, по объему, ассортименту и качеству.

Основная цель приготовления крупяных кормов (злаков) для прикорма – повысить их пищевую ценность не за счет увеличения усвояемости животными, а за счет

снижения энергетических потерь [7; 8]. Специальная подготовка кормов предотвращает заболевания животных, исключает вредное воздействие некоторых кормов на производимый продукт. Как известно, дефицит белка составляет 19%. Указанный дефицит белка увеличивает себестоимость продукции и расход корма в 1,5 раза, приводя к потере 30–35% урожая. Основным источником кормового белка были злаки и бобовые. При этом 50% потребности в белке удовлетворяется.

Переработка и подготовка кормов расширяет возможности использования различных кормовых смесей, в том числе отходов сельскохозяйственного производства, малозначительных компонентов грубых кормов, отходов предприятий пищевой промышленности и общественного питания [10]. Кормовые смеси употребляются животными полноценно и с аппетитом. Продуктивность повышается на 8–10%, а расход кормов на единицу продукции снижается на 15–20%. Это позволяет сэкономить на фуражном зерне.

Существуют следующие способы подготовки кормов к кормлению: механическая, химическая, биологическая и термическая обработка [11].

Широкое распространение получила термическая обработка инфракрасными (ИК) лучами с длиной волны 1500–3500 Нм – микронизация. Высокотемпературная микро-низация считается экологически чистой технологией. Оборудование имеет простую конструкцию, для его эксплуатации не требуется высококвалифицированных рабочих. Однако коэффициент полезной работы установок невысок (0,26). В то же время неоднородность условий нагрева в действующих установках приводит к неодинаковому показателю качества обработки зерна на выходе из установки. Устранение указанных проблем позволило оптимизировать конструктивные и режимные параметры микрони-заторов.

Объект и методика исследования

В качестве объекта исследования взят экспериментальный микронизатор для фуражного зерна [12]. Многофакторный опыт [13] был проведен для определения оптимального расстояния от лампы IQ-излучения до кварцевого стекла и оптимальной мощности светового потока. Эксперименты проводились на установке, оснащенной диммером «Легран», позволяющим изменять мощность излучения ламп.

Исследование влияния IQ-облучения на уровень микронизации зерна (этот показатель можно рассматривать как критерий оптимизации) велось при учете следующих параметров: расстояние между кварцевым стеклом и металлическим облучателем-покрытием принималось 9, 10 и 8 мм для пшеницы, ячменя и веламира соответственно, а расстояние между IQ-облучателем и кварцевым стеклом – 9, 7, 5 см для пшеницы, ячменя и веламира. Толщина кварцевого стекла составляла 4, 6, 8 мм, мощность светового потока – 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0 кВт. Параметры, которые больше всего влияют на микро-низацию фуражного зерная, – это толщина кварцевого стекла, расстояние до места расположения лампы и мощность. В ходе эксперимента исследовалось влияние указанных параметров на эффективность микронизации зерна.

Определены диапазоны вариаций отдельных факторов, а также экспериментов. Изучалось влияние параметров на уровень микронизации зерна. Из каталога планов [14] был выбран трехуровневый план Бокса-Бенкина. Интервалы вариации и уровни экспериментальных факторов приведены в таблице.

Рандомизация экспериментов проводилась по ГОСТ 11.003–71 с целью исключения ошибок, связанных с неоднородностью микронизации зерна и другими факторами [15]. Эксперименты проводились с использованием зерна ячменя и пшеницы, с тремя повторениями для обеспечения точности полученных результатов.

Уровни и вариации факторов

Уровень факторов и интервал их вариации	Фактор
	Толщина кварцевого стекла, l , mm	Расположение лампы, b , mm	Мощность лампы, N , kW	Время микронизации, t , сек
	X 1	X 2	X 3	Y
Верхний уровень (+1)	8	90	1
Базовый уровень (0)	6	70	0,75
Нижний уровень (–1)	4	50	0,5
Вариационный интервал	2	20	0,25	—

В качестве математического выражения, способного аппроксимировать экспериментальные данные по анализу влияния вышеназванных факторов на процесс микрони-зации, может быть принят многочлен второй степени:

kk y = b0 +^biXi + ^bijXiXj +^biiXi ,                   (1)

• 1            i <  j

где y – оценка ответной функции (критерий оптимизации);

• b 0 , b i , b ij , b ii – коэффициенты для уравнения регрессии;

• X i , X j , – свободные колебания (факторы);

• k – количество свободных вариаций.

Были оптимизированы следующие параметры: расположение ламп по расстоянию, толщина кварцевого стекла и уровень микронизации (недостаточной микрониза-ции), мощность светового луча. Для этого была использована методика планирования эксперимента [16]. В качестве критерия принято время достаточной микронизации зерна ( t , с). В исследованиях поискового характера диапазон вариаций факторов соответствовал данным таблицы.

Результаты исследования и обсуждение

Результаты экспериментов по определению влияния толщины кварцевого стекла (δ) и расстояния расположения лампы İQ-излучения ( b ) на время микронизации ( t ) представлены на рис. 1. Мощность лампы накаливания İQ составляла 1 кВт.

Рис. 1. Зависимость толщины кварцевого стекла ( δ ) и расстояния расположения лампы İQ-излучения от объекта ( b ) от времени микронизации пшеничного зерна ( t )

В результате обработки экспериментальных оценок методом математической статистики было определено математическое выражение влияния толщины кварцевого стекла ( δ ) и расстояния расположения İQ-лампы по отношению к объекту на время микронизации зерна:

t = 178,1944 – 1,2708 δ – 30,9375 b + 0,0021 δ ² + 0,2813 δb + 1,4583 b ². (2)

Для проверки адекватности исследования оценивалась адекватность полученного уравнения по критерию Фишера, определявшему значимость коэффициентов модели. Подтверждено, что уравнение достаточно точно выражает исследуемые зависимости.

На полученном графике зависимости (рис. 2) видно, что толщина кварцевого стекла δ = 6 мм для микронизации и расстояние от лампы до объекта b = 50 мм оптимальны, если мощность лампы накаливания IQ составляет 1 кВт. Время микронизации, необходимое для пшеницы, составляет 80 с.

Изучалось влияние толщины кварцевой лампы (δ) и мощности лампы накаливания IQ ( N lam ) на время микронизации ( t ). В ходе эксперимента расстояние от лампы до объекта составляло b = 50 мм.

Рис. 2. Зависимость эффективности совместного действия толщины кварцевого стекла (δ) и мощности лампы накаливания İQ ( N_lam ) от времени микронизации

В результате статистической обработки экспериментальных оценок было получено математическое выражение, отражающее влияние толщины кварцевого стекла ( δ ) и мощности лампы накаливания İQ ( N lam ) на время микронизации:

t = 597,9167 + 25,2083 5 - 1305 N lam - 0,625 5 ² - 17,58 N lam + 760 N 2_am. (3)

Полученное уравнение отражает исследуемый тепловой процесс, и оно пригодно для применения на практике.

На рис. 2 видно, что для микронизации пшеничного зерна оптимальной можно считать толщину кварцевого стекла δ = 6 мм и мощность лампы накаливания İQ N lam = 1,0 кВт.

Графическая зависимость расстояния до объекта ( b ) İQ-лампы накаливания от ее мощности ( N lam ) на основе экспериментальных оценок влияния времени микронизации (рис. 3) установлена. В ходе эксперимента толщина кварцевого стекла δ составляла 6 мм.

Рис. 3 . Графическая зависимость эффективности совместного действия расстояния расположения лампы IQ-излучения от объекта ( b ), времени микронизации, мощности лампы ( N_lam )

При статистической обработке экспериментальных оценок получена математическая формула, отражающая зависимость:

t = 648,2639 - 2,0417b -1055Nlam + 0,0354b2 - 2,5bNlam + 626,6667N2.    (4)

am

Заключение

Полученное математическое выражение отражает исследуемый тепловой процесс и может быть использовано на практике. Из графической зависимости видно, что для микроклимации пшеницы оптимальными можно считать значения расстояния от лампы до объекта b = 70 мм и мощности лампы N lam = 1,0 кВт.

A.D. Iskenderova1, N.H. Mamedov2, I.A. Veliev1, G.B. Mamedov1, U.T. Tagiev1 1Azerbaijan State Agricultural University, Ganja, Republic of Azerbaijan 2RI “Agromechanicsˮ

Investigation of the main design and operating optimal parameters of the micronizer when processing grain feed with infrared radiation

The article substantiates the main characteristics of the studied device of micronization in the processing of grain feed. Here, an experimental micronizer that micronizes feed grain was taken as the object of research. A multi-factor experiment was also conducted to determine the optimal distance of the infrared lamp from the quartz glass and the optimal power of the light flux. The experiments were carried out on an experimental installation equipped with a “Legrand” dimmer, which allowed changing the radiation power of the lamps. For the experiments, a symmetrical Box-Behnken design was selected from a rotatable, composite second tier. The studies were conducted on wheat, barley and velamir. The results of the experiments carried out to optimize the main design and operating parameters of the micronization plant are shown in the graph. Along with this, a mathematical formula reflecting the dependence was obtained during the statistical processing of the experimental estimates. The resulting mathematical expression and graphical analysis reflect the heat process under study and can be used in practice. The graph shows that the optimal values for wheat micronization are the lamp distance to the object b = 70 mm and the lamp power N lam = 1.0 kW.