Экспериментальные исследования гранулирующих форм отверстий в экструдере комбикормов для рыб

Введение. Проблема кормления рыб включает такие аспекты, как разработка рецептуры комбикормов, прогресс в технологии кормления рыб на всех этапах их товарного выращивания, совершенствование технологических приёмов изготовления комбикормов.

Гранулирование широко используется в производстве кормов, топливных пеллет, лекарственных препаратов, минеральных удобрений и т. п. Преимущество гранулирования состоит в том, что у конечного продукта существенно ниже склонность к слёживанию. Это упрощает хранение, транспортировку и дозирование. Снижаются потери кератина. Однако у гранулирования комбикормов есть существенный недостаток — это энергозатратный процесс.

Целью работы является совершенствование технологического процесса гранулирования — снижение энергоёмкости и повышение качества гранул.

Основная часть. Распространённый вид гранулирующих устройств — шнековые прессы. Их преимущество — перемешивание продукта в процессе прессования, существенный недостаток — высокая энергоёмкость.

В результате проведённого анализа [1] было выявлено, что энергоёмкость процесса в значительной степени зависит от количества и формы отверстий в фильере.

Установлено, что для повышения качества гранул в процессе продавливания продукта необходимо обеспечить постоянное давление прессования в фильере по всей длине отверстия. Анализ работ по гранулированию показал, что при использовании цилиндрического, конического и других форм отверстий этого достичь невозможно. Однако похожие задачи решались при истечении сыпучих материалов из бункеров [2, 3]. Было определено, что форма отверстия с наибольшей пропускной способностью без потери давления соответствует уравнению кривой:

R

У= / R.

41 + 2 • п² • g •     • х

М              Ч-р где R — радиус входного сечения конического отверстия; д — ускорение силы тяжести; (7пр — предельный расход.

Процесс гранулирования подобен гидравлическому истечению из отверстия, поэтому производительность истечения из отверстия можно определить по следующей формуле:

Q = м • s0 •

2^Р

Р

где р — коэффициент расхода; 5Ь — площадь поперечного сечения отверстия; ДР — расчётная разность давлений, под действием которых происходит истечение; р — плотность.

Энергоёмкость продавливания определяется работой прессования, равной произведению среднего усилия на путь прессования (3):

А = Р-5 . где Р— среднее давление; S— длина отверстия.

После проведённого анализа было создано экспериментальное гранулирующее отверстие (рис. 1, г).

Рис. 1. Гранулирующие отверстия: цилиндрическое (а); цилиндрическое с коническим входом (б); коническое сужающееся (в); экспериментальное (г)

Для проведения экспериментальных исследований работы гранулирующих отверстий при нагрузках был создан стенд. Модель (рис. 2) отражает основные свойства шнекового пресса-гранулятора. Она представляет собой компрессионную камеру со сплошным цилиндром (1) и сплошным дном. Возможен выбор различных видов отверстий (2).

Рис. 2. Схема компрессионной камеры: 1 — цилиндр; 2 — сменная плашка с отверстием; 3 — поршень; 4 — опора; 5 — поршни тензоэлементов; 6 — тензобалки; 7 — прессуемый материал

Давление фиксировалось тензодатчиками, наклеенными на тензоэлементы в дне и на стенках цилиндра. Полученный с помощью усилителя сигнал обрабатывался специальной компьютерной программой L-GraphII.

В ходе экспериментов использовалась комбикормовая смесь, состоящая из муки рыбной (22 %), муки мясокостной (3 %), муки пшеничной (11,6 %), жмыха подсолнечного (28 %), масла подсолнечного (5 %), соевого шрота (30,4 %) [4]. Испытания проводились при влажности смеси (W) 30 %, диаметре отверстий (d) 5 мм, длине отверстий (!) 25 мм.

Стандартные отклонения и доверительные интервалы параметров гранул были определены при помощи программы Microsoft Excel 2007. Полученные данные представлены в табл. 1 и на рис. 3.

Таблица 1

Результаты экспериментальных данных

Отвер вер-стие1	Давление	Среднее значение Р, МПа	Дисперсия	Стандартное отклонение	Доверительный интервал	Qt, кг/ч	Qa, кг/ч	А Дж
1	Радиальное	2,47	0,072	0,046	±0,053	3,68	3,7	61,75
	Осевое	5,18	0,084	0,058	±0,066	7,7	7,75	129,5
2	Радиальное	2,30	0,071	0,045	±0,051	3,6	3,65	57,5
	Осевое	5,05	0,096	0,068	±0,077	7,9	7,96	126,25
3	Радиальное	2,13	0,070	0,045	±0,051	3,5	3,53	53,25
	Осевое	4,94	0,085	0,059	±0,067	8,1	8,12	123,5
4	Радиальное	2,25	0,064	0,037	±0,042	3,61	3,59	56,25
	Осевое	5,02	0,084	0,058	±0,066	8,05	8,02	125,5

11 — цилиндрическое, 2 — цилиндрическое с коническим входом, 3 — коническое, 4 — экспериментальное.

Из представленных результатов (табл. 1), видно, что у экспериментального отверстия ра^ бота (А) равна 125,5 Дж. Это больше, чем у конического (А = 123,5 Дж). Однако следует отме^ тить, что при использовании экспериментального отверстия качество гранул выше.

Радиальное давление

коническим входом

Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований исследуемых отверстий

Из рис. 3,

видно, что давление, создаваемое при гранулировании через эксперименталь- ное отверстие, составляет 5,02 МПа. Это выше, чем у конического отверстия, на 2 %, но ниже, чем у цилиндрического, на 4 %.

На рис. 4 представлена зависимость распределения давления по длине отверстий различных форм.

Рис. 4. График распределения давления по длине отверстий различных форм:

1 — цилиндрическое; 2 — цилиндрическое с коническим входом; 3 — коническое; 4 — экспериментальное

---- Экспериментальное значение

--Теоретическое значение

Рис. 5. Зависимость давления от производительности исследуемых форм отверстий:

1 — цилиндрическое; 2 — экспериментальное; 3 — коническое; 4 — цилиндрическое с коническим входом

Из рис. 5 видно, что при увеличении производительности давление сначала растёт, а затем с некоторого значения Q уменьшается. Очевидно, что при Q= 0 давление нарастает, а при Q = Опах — непрерывно падает.

При использовании конического отверстия достигается максимальная производительность Q = 8,12 кг/ч при минимальном давление Р= 4,94 МПа, но качество полученных гранул хуже по сравнением с экспериментальной формой отверстия Q = 8,02 кг/ч и Р= 5,02 МПа.

К гранулированным комбикормам для рыб предъявляются особые требования, связанные со спецификой кормления. Важный этап в производстве гранул — контроль качества.

Полученные гранулы были представлены на анализ по следующим параметрам [5]: влажность, крошимость, степень набухания, плотность, водостойкость. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты качественных показателей полученных гранул

Показатель	Тип отверстия
	Цилиндрическое	Цилиндрическое с коническим входом	Коническое	Экспериментальное
Диаметр гранул, мм	5	5	5	5
Влажность, %	9,2	9,3	9,5	9,2
Крошимость, %	2,1	2,4	2,5	2,1
Степень набухания, %	34	34	45,7	34,2
Плотность, г/дм3	1391	1235	1188	1398

Влажность полученных гранул не превышает 13,5 %, что соответствует ГОСТ 13496.3-92 [6]. Крошимость полученных гранул не превышает 8 %, что соответствует ГОСТ 28497-90 [7]. Плотность регламентируется по ГОСТ Р 52337-2005 и характеризуется процентным отношением массы гранул к разнице значения объёмов [8].

Полученные экспериментальные гранулы соответствуют технологическим требованиям и могут находиться в воде не менее 10 минут.

Выводы

• 1.    Давление создаваемое при гранулировании через экспериментальное отверстие составляет 5,02 МПа, что выше, чем у конического на 2 %, но ниже чем у цилиндрического отверстия на 4 %.

• 2.    При использовании конического отверстия, достигается максимальная производительность Q = 8,12 кг/ч при минимальном давление Р = 4,94 МПа, но качество полученных гранул хуже по сравнением с экспериментальной формой отверстия (Q = 8,02 кг/ч и Р= 5,02 МПа).

• 3.    При использовании в устройстве экспериментального отверстия затрачиваемая работа больше, чем при использовании конического (А = 125,5 Дж и А = 123,5 Дж соответственно), при этом качество гранул выше.

• 4.    Влажность полученных гранул не превышает 13,5 %, что соответствует ГОСТ 13496.392. Крошимость полученных гранул не превышает 8 %, что соответствует ГОСТ 28497-90. Применение экспериментального отверстия (в сравнении с отверстием конической формы) обеспечивает более высокую плотность гранул. Разница составляет 15 %. Полученные экспериментальные гранулы соответствуют технологическим требованиям в условиях аквакультуры и могут находиться в воде не менее 10 минут.