Механизация приготовления жидких коллоидных кормов в животноводстве с использованием гидрокавитационных преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Салмин, Олег Николаевич

• Салмин, Олег Николаевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Салмин, Олег Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОКАВИТА-ЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ КОРМОВ

1.1. Зоотехнические требования, предъявляемые к приготовлению кормов

1.2. Физические основы приготовления коллоидных кормов

1.3. Анализ существующих технических средств, способов приготовления кормов

1.4. Существующие способы приготовления дрожжеванных жидких кормов в гидрокавитационных установках с лопаточными

и магнитострикционными преобразователями

1.5. Существующие приборы, датчики для оценки и проверки технологии приготовления коллоидных кормов

1.6. Цели и задачи исследований

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Основы процесса образования кавитационных пузырьков, каверн лопаточными преобразователями и механизм защиты их от кавитационных разрушений

2.2. Воздействие, в обрабатываемой среде, магнитного поля ультразвукового магнитострикционного преобразователя на кавитационные процессы

2.3. Математическое моделирование ультразвукового магнитострикционного преобразователя с распределенной измерительной средой

2.3.1. Характеристика магнитного поля проводника тока

2.3.2. Характеристика источника излучения с точки зрения колебания упругих систем

2.3.3. Математическое моделирование распределителя среды магнито-стрикционного преобразователя

2.4. Физико-математическое моделирование измерительного преобразователя (датчика) и обоснование выбора измерительного комплекса

2.4.1. Геометрическая модель измерительного преобразователя

2.5. Обоснование параметров измерительного комплекса

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа исследования

3.2. Методика исследования кавитационных процессов и технических характеристик гидрокавитационных установок с лопаточными преобразователями

3.2.1. Разработка установки и выбор измерительного оборудования для исследования лопаточных преобразователей

3.2.2. Изучение рабочей гипотезы по формированию кавитационных пузырьков при вращательном движении преобразователей

3.2.3. Обоснование рабочей конструкции установки с лопаточными преобразователями для приготовления питательных кормов

3.3. Методика экспериментальных исследований кавитационных процессов в магнитном поле ультразвукового магнитострикционного преобразователя

3.3.1. Влияние магнитного поля ультразвукового магнитострикционного преобразователя на формирование кавитационного пузырька

и каверны

3.3.2. Установление зависимости формы кавитационной каверны от режи-

мов работы ферромагнитных пластинок

процессов в эксплуатационном режиме работы

3.4. Разработка способов результирующей погрешности измерительного преобразователя

3.4.1. Составляющие результирующей погрешности измерений

3.4.2. Способы снижения методических погрешностей

3.5. Обработка полученных опытных данных с использованием измерительного комплекса

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЛОПАТОЧНЫХ И МАГНИТО-СТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С РАВНОМЕРНОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ЗОНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Технология приготовления жидких кормов с использованием зернофуража в установке с лопаточными преобразователями

4.2. Расчет экономической эффективности комплекса машин и оборудования для механизации процессов дрожжевания кормов

4.3. Технология приготовления заменителей цельного молока для молодняка крупного рогатого скота на гидрокавитационных установках

с лопаточными и магнитострикционными преобразователями

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механизация приготовления жидких коллоидных кормов в животноводстве с использованием гидрокавитационных преобразователей»

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей стоящей перед производителями сельскохозяйственной продукции, является увеличение производства продуктов животноводства. На современном этапе развития этой отрасли является создание и разработка новой технологии для кормоприготовления, которая наряду с оптимальными теплоэнергетическими показателями давали бы лучшие технологические свойства при приготовлении кормов.

В настоящее время для приготовления тонкодисперстных жидких коллоидных кормов на животноводческих фермах и комплексах применяют варочные котлы и смесительные установки, которые энергоемки, малоэффективны и использование в них высокотемпературных режимов обработки снижают питательные свойства конечного продукта (витамины, ферменты и ростовые вещества). Так же для приготовления коллоидных кормов используют различные гидрокавитационные установки - струйные, лопаточные и магнитострикцион-ные. Использование энергии кавитационного взрыва, который обладает громадной разрушительной силой и сопровождается взрыв электрическими разрядами для приготовления тонкодиспергированных жидких кормов в животноводстве является своевременным и актуальным. С ее помощью можно существенно интенсифицировать основные технологические процессы приготовления жидких кормов в животноводстве и в ряде случаев получить качественно новые показатели.

Недостаток перечисленных гидрокавитационных установок заключается в том, что они организуют кавитационную каверну с пиком интенсивности, где процессы разрушения корма происходят на молекулярном уровне с образованием перекиси водорода, азотной , азотистой кислот и других окислителей присутствие которых в приготовленном корме крайне не желательно.

В специальной литературе имеется большое число публикаций, посвященных кавитационной обработке разных материалов. Они отражают теоретические и экспериментальные результаты исследований в данной области.

Определенный вклад в развитие данного вопроса внесли такие ученые и руководимые ими коллективы как Б.А. Агранат, М.П. Вукалович, Г.И.Эскин, М.Н. Дубровин, H.H. Хавский, С.П. Зубрилов, Ю.Е. Боголюбов. Из зарубежных специалистов наиболее близкими по тематике являются публикации Е. Кикучи (Япония), Р. Кнепп (Англия), А. Куэтта (США).

Таким образом, можно сформулировать принципиально иной подход к проблемам создания как технологических преобразователей кавитационной энергии для повышения качества эксплуатационных характеристик, которые основаны на предложенной в данной работе концепций и методах исследования. Эти методы исследования и концепция учитывают совокупность работы технологических преобразователей в эксплуатационных условиях на различных режимах. В связи с изложенным, указанные выше проблемы являются весьма актуальными и представляют большой научный и практический интерес.

Цель работы. Снижение затрат труда, энергоемкости при приготовлении жидких кормов в животноводстве и повышение качества кормов с использованием гидрокавитационных установок.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследований:

1. Исследовать закономерность образования кавитационных пузырьков и кавитационных каверн за лопаточными, перемещающимися по круговой траектории и ультразвуковыми преобразователями цилиндрической формы в процессе жидкофазной обработки кормов.

2. Обосновать технологические параметры ультразвуковых магнитост-рикционных преобразователей с равномерной зоной кавитационного разрушения в процессе тонкого диспергирования кормов.

3. Создать методическое обеспечение и провести экспериментальные исследования процесса образования кавитационной каверны по проверке теоретических закономерностей и обоснование параметров опытных образцов лопаточных и магнитострикционных преобразователей в эксплуатационном режиме работы.

4. Разработать и внедрить в производство лопаточные и ультразвуковые магнитострикционные преобразователи для приготовления жидкофазных питательных кормов в животноводствеб и оценить их экономическую эффективность.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования,

к* и ^

изложенные в настоящей диссертационной работе, основаны на использовании расчетно-экспериментальных методах исследований с элементами моделирования и методов теории подобия физических и электрических процессов.

Проверка достоверности предложенных исследований в диссертационной работе проводилась на разработанных моделях и созданных в соответствии с этими моделями макетных и промышленных образцах.

Научная новизна. Новые научные результаты и положения состоят в следующем:

1. Предложена рабочая гипотеза по формированию кавитационных пузырьков и каверн при работе лопаточных и магнитострикционных преобразователей, на основе которой разработаны технологические гидрокавитационные установки.

2. Впервые с единой позиции предлагаются новые методы и современное приборно-измерительное обеспечение исследований для создания эксплуатационных гидрокавитационных установок с равномерной зоной кавитации для тонкого диспергирования твердых компонентов корма и уничтожения вредных микроорганизмов.

3. Разработана установка с широким диапазоном режимных изменений и произведен выбор измерительного оборудования, с учетом зарубежного опыта

для исследования лопаточных преобразователей при перемещении их в жид-кофазной среде по круговой траектории в кавитационном режиме, при том среда приближена к реальным условиям работы установки в производственных условиях.

4. Рассмотрены и предложены альтернативные варианты защиты лопаточных преобразователей и камеры обработки от кавитационного разрушения с учетом результатов исследований.

5. Произведен выбор, на базе производственных исследований, рабочей конструкции установки с лопаточными преобразователями для приготовления жидких, тонкодиспергированных коллоидных кормов в животноводстве.

6. Подтверждена результатами исследований рабочая гипотеза о влиянии магнитного поля ультразвукового магнитострикционного преобразователя на формирование кавитационного пузырька и каверны.

7. Установлено результатами исследований влияние режимов работы ферромагнитных пластинок на процессы ультразвукового излучения внутри кави-тационной каверны.

8. Предложена методика определения эксплуатационной погрешности работы ультразвукового магнитострикционного преобразователя.

Практическая ценность. Практическая значимость выполненных работ (исследований) и полученных данных при эксплуатационных испытаниях непосредственно в кормоцехах животноводческих ферм заключается в создании для промышленного производства гидрокавитационных установок с лопаточными, ультразвуковыми магнитострикционными преобразователями с равномерной зоной кавитации для приготовления питательных, сбалансированных жидких кормов в животноводстве в автоматическом режиме обработки, а именно:

- предложена, изготовлена на основании данных расчетно-эксперименталь-ных исследований и успешно прошла эксплуатационные испытания гидрокави-тационная установка с лопастными преобразователями для приготовления сбалансированных по рациону жидких кормов в животноводстве, а конструкция

которой надежно защищена от кавитационного саморазрушения (новизна в 1998 году защищена патентом Российской Федерации);

- предложена и практически подтверждена на гидрокавитационных установках с лопаточными преобразователями с равномерной зоной кавитации новая технология приготовления дрожжеванного корма, сбалансированного по микроэлементам питьевой воды, с учетом зарубежного опыта и достижений биотехнологии в науке за последнее время;

- предложена гидрокавитационная установка с ультразвуковым магнитост-рикционным преобразователем для приготовления заменителей цельного молока в равномерной зоне кавитации и в присутствии магнитного поля преобразователя (новизна защищена в 1998 году патентом Российской Федерации).

Основные положения выносимые на защиту.

1. Обоснование выбора кавитационного способа приготовления жидких кормов в животноводстве в качестве оптимального принципа получения тонко-диспергированных коллоидных кормов для разработки гидрокавитационных установок с равномерной зоной кавитационного разрушения.

2. Способ и устройства для приготовления жидких дрожжеванных коллоидных кормов и заменителей цельного молока для телят, позволяющие повысить усвояемость приготовленных сбалансированных кормов.

3. Схема установки для определения основных параметров гидрокавита-ционной установки с лопаточными, ультразвуковыми магнитострикционными преобразователями и прогнозирование режимов работы в зоне кавитационной обработки в технологическом процессе приготовлекния кормов.

4. Теоретическое моделирование образования кавитационных пузырьков и каверн для лопаточных и магнитострикционных преобразователей.

Реализация работы. Результаты исследований и разработанные на базе этих работ гидрокавитационные установки с лопаточными и магнитострикционными преобразователями внедрены в совхозах «Заветы Ильича», «Пригородный», «Волжанка» Ульяновского района Ульяновской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на региональной научно практической конференции «Агро-Волга-97» (г. Ульяновск 1997 г.);

- на Всероссийской научно-практической конференции ( с участием стран СНГ) «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (г. Ульяновск 1998 г.);

- на научно-практической конференции с международным участием «Новые методы, средства и технологии в науке, в промышленности и экономике (НМСТ-97)» (г. Ульяновск 1997 г.);

- на 30, 31 и 32-й научно - технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (г. Ульяновск 1996, 1997, 1998 гг.).

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОКАВИТАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОЛЛОИДНЫХ КОРМОВ

1.1. Зоотехнические требования, предъявляемые к приготовлению кормов

Все жизненные процессы, каждая химическая и биологическая реакция в отдельной клетке тела связаны с превращением энергии и поэтому требуют поступления ее в организм. Основным источником получения энергии у животных является биологическое окисление питательных веществ, происходящее в клетках. Лишь относительно малая часть присутствующей в корме валовой энергии используется организмом в качестве продуктивной энергии. Прежде чем животное сможет использовать энергию для образования новых структур веществ своего тела, ему требуется достаточное количество энергии, что бы обеспечить поддержание жизни. В соответствии с этим в практике кормления различают поддерживающий и продуктивный корм /76/.

Многовековой опыт животноводов показывает, что недокорм (голодание), так и обильное питание (откорм), то есть недостаточное и избыточное поступление энергии, снижает плодовитость сельскохозяйственных животных. У коров секреция молока и развитие плода предъявляют большие требования к обмену веществ.

Одним из основных условий интенсификации животноводства и поднятия уровня рентабельности отрасли является сбалансированное по всем необходимым питательным веществам кормление животных. Лучше всего оно достигается при скармливании им кормовых смесей. Это объясняется тем, что при использовании оного естественного корма, особенно растительного происхождения, не удовлетворяются потребности животных в питательных веществах, так как он не содержит все нужные для организма элементы питания. При смешивании кормовых средств в различных комбинациях и соотношениях, когда недостающее количество питательных веществ в одних компонентах восполняет-

ся наличием их в других, получают полноценные корма. Они широко используются в практике животноводства. Их готовят на комбикормовых предприятиях (комбикорма) и в кормоцехах хозяйств (чаще всего полнорационные кормо-смеси) /77/.

Комбикорм представляет собой сложную сухую смесь из очищенных и измельченных до необходимого размера различных кормовых средств и микродобавок, составленную с учетом научных данных о кормлении сельскохозяйственных животных и свойств кормов. Комбикорм имеет более высокую питательность, чем отдельные корма или простые кормовые смеси, которые, как правило, не содержат достаточного количества необходимых для организма животного аминокислот, минеральных солей, витаминов и других важнейших веществ комбикорма, обогащенные различными биологическими активными веществами (на 20....30%), повышают питательность всего рациона и стимулируют жизнедеятельность организма животных /78/.

Использование полноценных комбикормов дает возможность увеличить продуктивность и укрепить здоровье животных, обеспечить их нормальные воспроизводительные функции, уменьшить расход кормов на единицу продукции. При скармливании комбикормов молочным коровам их удои повышаются на 15...25%, затраты кормов на образование молока уменьшаются на 10... 15%. Введение комбикормов в рацион молочных телят позволяет сэкономить на каждом животном по 210...215 кг. Цельного и 300 кг. Снятого молока и в 1,5 раза снизить стоимость кормовых единиц по сравнению с выращиванием телят без комбикормов.

Для производства комбикормов и кормовых смесей используют разнообразное сырье растительного, животного и минерального происхождения, а так же различного рода продукты химической и микробиологической промышленности. В состав комбикормов - концентратов включают зерно злаковых (ячмень, овес, пшеница, рожь) и бобовых культур (горох, люпин, бобы кормовые), муку травяную, хвойную, отходы мукомольного и крупяного производства (от-

руби, мучка кормовая, зерновые отходы), маслоэкстракционных заводов (шроты), высушенные отходы крахмального (картофельная и кукурузная мезга, глю-тен), свеклосахарного (жом, мелесса, сахар), бродильных и гидролизного (барда, солодовые ростки, пивная дробина, кормовые дрожжи) производств, муку мясо -костную, кровяную, мясную, рыбную, жир животный кормовой, минеральные корма (поваренная соль, мел, кормовые фосфаты, белково-витамино-минеральные добавки- БВМД премыксы.

Каждый вид сырья характеризуется определенной кормовой ценностью и физико - механическими свойствами, влияющих на качество комбикормов и кормовых смесей. А так же на эффективность производства в целом.

При переводе животноводства на интенсивный путь развития, потребность в комбикормах будет постоянно возрастать. Поэтому в настоящее время наряду с увеличением выработки комбикормов на государственных заводах обращается внимание на рост их производства на внутрихозяйственных и межхозяйственных комбикормовых комбинатах с использованием местного сырья и промышленных добавок.

Производство комбикормов в хозяйствах экономически выгодно и перспективно. При этом имеется возможность быстрее и эффективнее внедрять последние достижения науки и передовой опыт по организации биологически полноценного кормления животных; всецело учитывать особенности той части рациона, которая приходится на объемистые корма, что позволяет полностью удовлетворить потребности животных в различных нормируемых элементах питания и повышать коэффициент полезного действия кормов; лучше использовать разного рода обогатители и дополнительные источники питательных веществ; приготовлять комбикорма, не уступающие по качеству покупным и обеспечивать более высокую экономическую эффективность комбикормового производства по сравнению с производством комбикормов- концентратов на государственных предприятиях.

Балансирование рационов по микроэлементам. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что сохранение здоровья животных и получение высокой продуктивности невозможно без тщательного балансирования рационов по микроэлементам. Являясь необходимой составной частью многих биологически активных соединений - белков, ферментов, гормонов, витаминов, пигментов или оказывая влияние на их функции, микроэлементы участвуют в разнообразных процессах жизнедеятельности и обмена веществ в организме животных.

На большом экспериментальном материале доказано, что недостаток, избыток или нарушение соотношения между микроэлементами в кормах является частой причиной снижения продуктивности животных, а при известных условиях приводит к возникновению так называемых «биогеохимических эндемических заболеваний».

Минеральные вещества подразделяются на макро- и микроэлементы. К микроэлементам относятся железо, медь, кобальт, цинк, марганец, йод, молибден, бор, никель, стронций, свинец, серебро и др., содержащиеся в организме в весьма малых количествах - от миллионных до сотых долей процента.

Микроэлементы можно разделить на три группы. Первая - необходимые для жизнедеятельности организмов и имеющие сравнительно большие колебания между потребностью и токсичностью (железо, медь, марганец, цинк, кобальт, йод); вторая - необходимые для жизнедеятельности организмов, но с узкими пределами колебаний между потребностью и токсичностью (молибден, фтор, селен и др.); и третья группа - токсичные (свинец, кадмий и др.).

Микроэлементы - бор, свинец, кадмий, никель, стронций относятся к числу не нормируемых, а контролируемых, поскольку они обладают токсичностью /83/.

Вода является основным фактором миграции микроэлементов и связывает материнскую породу с почвами, а почвы с растениями и животными. Главным источником водоснабжения Ульяновской области являются подземные воды. В 60 населенных пунктов 18 районов Ульяновской области было изучено содер-

жание микроэлементов в 99 водоисточниках (реки Волга, Свияга, Сура, Че-ремшан, буровые скважины, шахтные колодцы, родники). Так, в воде буровых скважин и шахтных колодцев Ульяновской опытной станции, совхозов «Старо-Кулаткинский», «Мулловский», «Чуфаровский», населенных пунктов Радищеве, Загоскино, Елховый Куст и др. цинка содержится от 0,106 до 0,345 мг/л. Такое количество растворенного цинка и других элементов, содержащихся в воде необходимо обязательно учитывать в рационе при расчете общего количества потребленных микроэлементов и при составлении норм подкормки для животных. Например, дойные коровы выпаивают от 50 до 120 литров воды в сутки. В воде из колодца с. Елховый Куст Новомалыклинского района содержится 0,345 мг/л цинка, в данном случае животные получают этого элемента только с водой от 15,0 до 36,0 мг. в сутки /83/.

Потребность животных в минеральных веществах находится в зависимости от многих факторов. Объясняется это тем, что они действуют на организм не сами по себе, а участвуют во всех многообразных и сложных обменных процессах. При этом микроэлементы вступают во взаимосвязь не только с органическими веществами, постоянно поступающими в организм, но и между собой.

Потребность в микроэлементах определяется в зависимости от живой массы, возраста, физиологического состояния и продуктивности животных. Эта потребность выражается по видам и группам животных в нормах кормления.

1.2. Физические основы приготовления коллоидных жидких кормов

Наряду со сбалансированностью рационов по нормируемым показателям продуктивность животных во многом определяется соответствующей подготовкой кормов к скармливанию. Крахмал, содержащийся в зерне, трудно подается ферментной переработке микроорганизмов в желудке животных, так как защищен очень прочной лигниновой оболочкой и кроме того, не будучи растворен, осахаривается чрезвычайно медленно. Отсюда основными целями теп-

ловой обработки являются вскрытие клеток сырья и перевод крахмала в растворенное состояние, чего можно достигнуть при температуре 120°С, но эта температура недостаточна для ослабления лигнинового каркаса. Поэтому крупно дробленное зерно обычно обрабатывают в температурном режиме 145...155°С в течении 40...80 мин. Если предварительно измельчить компоненты концентрированных кормов средними размерами частиц от 0,2......1 мм.

(мелкий размол), то они обрабатываются при более низкой температуре (около 120°С).

Крахмал, как всякий гидрофильный коллоид, набухает, то есть внутрь зерна проникает вода, растягивает цепи макромолекул, в результате чего увеличивается его объем и вес. Первая стадия набухания, ограниченная поглощением

20.....25% воды, сопровождается положительным тепловым эффектом (25 кал.

на 1 г. сухого веса). Заметное набухание проявляется при температуре около 40°С и продолжается с поднятием температуры до тех пор, пока не получится гомогенный раствор (стадия неограниченного набухания). В определенном температурном интервале (60....80°С), соответствующем увеличению объема крахмального зерна в 50...100 раз, в связи между отдельными макромолекулами настолько ослабевают, что частицы зерна распадаются. Это явление носит название клейстеризация крахмала. При клейстеризации кристалическая структура крахмала нарушается только отчасти. На Рис.1 показано набухание зерна ячменя при различной температуре /75/.

Из графика видно, что набухание происходит во времени и с определенной скоростью. Кривые имеющие вначале крутой подъем, постепенно переходят в прямые, почти параллельные оси абсцисс, что свидетельствует о близости набухания. Скорость набухания выражается экспоненциальной функцией и описывается уравнением первого порядка. Повышение температуры резко ускоряет этот процесс. Так, ячмень при 80°С набухает за 10 часов, а при 100°С для этого требуется только 2 часа. Клейстер имеет очень низкий коэффициент теплопроводности (0,093 вт/(м.град)), поэтому становится теплозащитным слоем не раз

Рис. 1. График набухания ячменя при различной температуре.

рушенных крахмальных зерен, то есть процессы массотеплообмена при этих условиях полностью нарушаются и только повышение температуры до 120°С приводит к интенсификации этого процесса.

Важное производственное значение имеют превращения крахмала и сахара. Достоверно доказано, что тепловая обработка зерна приводит к некоторому накоплению сахара благодаря работе амилолетических ферментов зерна при температуре 50°-60°С.

Факторы, влияющие на активность ферментов. Ферменты - это биокатализаторы, присутствуя в минимальных количествах, они способны вызвать биохимические реакции. Особенности их заключаются в том, что они протекают очень быстро и при низких температурах. С повышением температуры химические реакции ускоряются. Следовательно, скорость ферментативной реакции с повышением температуры тоже увеличивается. Однако это наблюдается в ограниченном диапазоне температур, так как повышение их влияет не только на скорость катализируемой реакции, но и на денатурацию молекул фермента. При высоких температурах (50...90°С) коллоидно-химическая структура ферментов разрушается и в результате они утрачивают каталитическую активность. Для всех ферментов существуют диапазоны температур, при которых они не денатурируются и полностью проявляют каталитическое действие.

Температурный оптимум для ферментов растительного происхождения от 20....25°С, а для витаминов оптимум температуры составляет до 50°С. Если температура реакции превышает этот оптимум действия ферментов и витаминов, то активность их заметно падает до тех пор, пока при дальнейшем повышении температуры она полностью не утрачивается. Инактивирование может повлечь за собой частичное разрушение структуры ферментного белка. При том степень инактивации зависит от температуры и длительности температурного воздействия.

Поскольку ферменты представляют собой коллоидные белковые вещества, то активность их в значительной степени зависит от величины рН. Для каж-

дого фермента существует оптимальное значение рН, то есть такая величина рН, или зона рН, при которой катализируемая ферментом реакция протекает с наибольшей скоростью.

На практике важное значение имеют следующее положения:

- путем соблюдения требуемого рН во время приготовления питательных коллоидных кормов можно снизить активность вредных ферментов, которые вносятся различными вредными микроорганизмами. Например, для сахарозы оптимальные значения рН, при которых фермент проявляет наибольшую активность, заключены в зоне 4.. .6 рН;

- оптимальные значения рН только при определенных условиях обрабатываемой среды являются известной величиной, так как они зависят от вида сырья и стабильности ферментов;

- разрушение крахмальных зерен, температурный режим обработки, соблюдение требуемого рН имеют решающее значение в процессе приготовления высококалорийных, тонкодиспергированных жидких коллоидных кормов.

Дрожжи кормовые. Особое место в приготовлении жидких питательных кормов занимают дрожжи кормовые. Они представляют собой продукт, полученный путем выращивания чистых культур дрожжей на различных субстратах гидролизно-дрожжевых, сульфитно-щелоковых, ацетоно-бутиловых и спиртовых производств с последующим высушиванием биомассы на специальных установках. Для производства таких дрожжей используются отходы лесоперерабатывающей промышленности, сельского хозяйства (солома, подсолнечникова лузга, стержни кукурузных початков).

Сухие кормовые дрожжи являются высокоценным протеиновым и витаминным кормом. Они содержат около 55% протеина, который по биологической ценности близок к протеину животных кормов, богаты витаминами группы В (Вь В2, В3, В4, В5, В6 и др.), провитамином Д. При ультрафиолетовом облучении витамин Д переходит в витамин Д2, и тогда они становятся хорошим

источником этого витамина. В дрожжах имеются необходимые для животных макро- и микроэлементы. Питательные вещества дрожжей хорошо перевариваются (органические вещества на 90%) и используются животными. Коллоидная масса из зернофуража с минеральными добавками является питательной средой для дрожжей. Дрожжи, выращенные на этих питательных растворах, имеют богатый набор витаминов /80, 81, 82/.

1.3. Анализ существующих технических средств, способов приготовления кормов

Наряду со сбалансированностью рационов по нормируемым показателям продуктивность животных во многом определяется соответствующей подготовкой кормов к скармливанию.

Варочный котел-смеситель ВКС-ЗМ и варочный котел ВК-1 предназначен для тепловой обработки пищевых отходов и приготовления в кормоцехах запаренных жидких и полужидких кормовых смесей влажностью не менее 75%.

Варочный котел состоит из следующих основных сборочных единиц: корпуса с теплоизоляцией, лопастных мешалок, привода, приемника с заслонкой, шнека выгрузного, выгрузной горловины с клиновидной загрузочной камерой, термометра и манометра.

В рабочую камеру пар поступает из магистральной трубы через 8 парораспределительных патрубков с кранами, расположенными в нижней части корпуса, по 4 шт. с каждой стороны. Варочный котел оснащен двумя лопастными мешалками, каждый вал снабжен 8 лопастями, при том лопасти расположены на валу по винтовой линии.

Технология приготовления корма заключается в следующем. Залитую в варочный котел воду нагревают до 80...90°С., для чего открывают запорный вентиль на паропроводной магистрали и пробковые краны на парораспределительных патрубках и включают мешалки; через загрузочную горловину прием-

ника засыпают концкорма или комбикорма. Доводят температуру до 90...95°С, затем останавливают мешалки и прекращают подачу пара. Смесь выдерживают в нагретом состоянии в течении 20 мин. Снова включают мешалки и систему охлаждения. Готовую кашу, охлажденную до 40....50°С, удаляют через выгрузную горловину. Варочные котлы предназначены для интенсификации процессов набухания крахмальных зерен, а структурные изменения в зерне не происходят по этой технологии.

Для приготовления заменителей цельного молока на крупных комбикормовых заводах используют аппараты тепловой обработки сырья - разварники. Разварник состоит из корпуса коническо-цилиндрической формы, загрузочного люка и прикрепленного на фланцах выдувного устройства. В выдувном устройстве имеется решетка для измельчения обрабатываемого продукта и удерживания посторонних предметов в процессе выдувания. Коническо-цилиндрическая форма придана аппарату потому, что подача пара в одну точку обеспечивает наиболее равномерное распределение его в обрабатываемой массе и кроме того, позволяет полностью выдуть разваренное сырье.

В процессе разваривания сырья в первые 20...25 минут при температуре 120...135°С и при давлении 0,4 Мпа завершается набухание и растворение крахмала и пентозанов. При дальнейшем повышении температуры до 145....155°С вследствие сильного ослабления периферийные клетки разрушаются и крахмал выделяется в межклеточники. К концу варки компоненты зерна размягчаются, но большая част его не теряет формы /52,75/.

По окончании разваривания приготовленный продукт вместе с жидкостью выдувается давлением пара из разварника. Основная цель выдувания - полное вскрытие клеток обрабатываемого продукта и получение однородной массы. Достигается это за счет адиабатического расширения пара, а так же за счет разрушения структуры сырья в выдувной коробке разварника, где масса проходит через решетку и узкую щель клапана выдачи.

Необходимо отметить, что несмотря на введение трехступенчатой схемы тепловой обработки, в нерастворенном состоянии остается около 10% крахмала.

Для приготовления заменителей молока в хозяйствах используют агрегат АЗМ-0,8, представляющий собой вертикально расположенный смеситель - запарник кормов порционного действия. Смеситель запарник агрегата состоит из двух корпусов. Между корпусами имеется воздушная теплоизолирующая рубашка толщиной 23 мм, которая при охлаждении готовой смеси заполняется проточной водой. Внутри агрегата установлено перемешивающее устройство и паровая решетка.

Всесоюзный институт животноводства рекомендует следующий рецепт комбикормовой смеси: кукурузной муки - 24%, овсяной и пшеничной муки по 10%, пшеничных отрубей - 20%, шрота-25%, рыбной муки -5%, дрожжей -4%,а так же макро- и микродобавок (соль, мел, микроэлементы и др.) -2%. В сочетании с таким комбикормом можно приготовить жидкий заменитель молока в составе: комбикормовая смесь - 80... 100 кг, снятое молоко (обрат) -200...300 л., вода 320...400 л. витаминизированный рыбий жир 2..3 кг., сахар 3...5 кг., антибиотик (препарат БКВ) - 0,1 кг, микроэлементы - хлористый кобальт 0,4 г., сернокислый марганец 0,8 г, сернокислая медь 0,8 г. Кроме того, учитывается, что при обработке острым паром в состав ЗЦМ еще добавится около 100 л. воды от конденсации пара /73,74/.

Рабочий процесс агрегата протекает следующим образом. Сначала смеситель - запарник заполняют водой из водопроводной сети, а приемный бункер -комбикормом. Затем включают мешалку, шнек и перемешивают комбикорм с

водой. Одновременно от котла подают пар под давлением 40....70 кПа

2\

(0,4....0,7 кгс/см ), нагревают воду и запаривают комбикорм при температуре 85....95°С. Процесс приготовления продолжается в течении 120 мин. Запаренная смесь после охлаждения скармливается молодняку.

Экструдирование зерновых компонентов комбикормов. В настоящее время одним из прогрессивных методов подготовки зерновых кормов является экструдирование, которое нашло самое широкое применение во всех хозяйствах сельскохозяйственного производства. Особенно целесообразным и экономически оправданным считается применение этого метода при производстве комбикормов, основу которых составляют зерновые компоненты. При этом экстру-дируют зерно и злаковых и бобовых культур. В зерне злаковых имеется много крахмала (до 55%). От степени перевариваемости в значительной мере зависит и общая питательность корма. На усвоение крахмала натурального зерна животные затрачивают около 40% энергии рубца /79/.

Экструдирование зерна приводит к существенным преобразованиям в структуре его питательных веществ, изменениям физико - химических свойств протеина, крахмала, клетчатки. В основе экструдирования лежат процессы механического воздействия (сжатие, трение) на зерно во время нахождения его в пресс- экструдере и «взрыва» продукта в результате резкого перехода его из зоны высокого давления в область атмосферного, то есть в момент непосредственного выброса гомогенной массы из машины. Эти процессы непрерывны. Экструдирование осуществляется при температуре 125...200°С и давлении 2080 кПа. Под действием сил сжатия и трения частиц о поверхности вращающихся рабочих органов масса разогревается до температуры, необходимой для получения качественного экструдированного продукта.

Например, установлено, что в экструдированном зерне ячменя по сравнению с дробленным больше имеется щелочерастворимых белков (45% против 39), декстринов (почти в 5 раз), Сахаров (в 2 раза), выше степень клейстериза-ции крахмала (70% против 11). Перевариваемость крахмала экструдированного ячменя возрастает в 1,6 раза. При экструдировании уничтожается большая часть микрофлоры, что очень важно при сильной бактериальной обсемененно-сти зерна и поражении его плесенью.

Экструдер - это шнек (червяк) с переменным шагом, заключенный в толстостенный кожух (трубу). Рабочее (калиброванное) отверстие может быть расположено в выходном мундштуке (матрице) или выполняется в виде узкой кольцевой щели между двумя охватывающими полукольцами (диафрагмой) и валом червяка. Экструдер приводится в работу от электродвигателя мощностью 30 кВт через клиноременную передачу. Производительность экструдера 350...500 кг/ч. В кормопроизводстве так же нашли применение экструдеры, пресовальный шнек которых имеет две навивки: с шагом 72 мм в подающей части и 44 мм в зоне прессования. Рабочий шнек приводится в работу от электродвигателя мощностью 55 кВт через цилиндрический редуктор. Производительность этого экструдера до 600 кг/ч.

Продукт для экструдирования не дролжен содержать металлические предметы и камни. Экструдер после работы полностью удаляется от обрабатываемого продукта. Технологический процесс обработки контролируется точной автоматикой.

Кавитационный способ обработки зерновых компонентов комбикормов.

Известно, что при разваривании зерна задача осложняется неоднородностью строения и различной прочностью структурных элементов, наибольшей у оболочек и наименьшей у эндосперма. Разрыв оболочки у твердой пшеницы достигается при усилии 316 кг/с м , то есть приблизительно как у дерева. Мякинные оболочки ячменя и овса обладают еще большим сопротивлением.

Особенное интенсивное развитие кавитационной техники произошло в последние годы, когда были выяснены многие из фундаментальных положений теории кавитационного взрыва и в связи с этим значительно расширились сферы применения кавитационной энергии для тонкого диспергирования в жидко-фазной среде в машиностроении, металлургии и в пищевой промышленности. Следует отметить, что основным интенсифицирующим действием не само не само распространение упругой волны деформаций или смещений, а возникающие при этом вторичные эффекты: микроакустические течения, радиационное

давление, звукокапилярный эффект, кавитация, ударные волны, электрические разряды, обуславливающие воздействие ультразвука практически на все известные процессы /53/.

Кавитационный пузырек размерами 0,1... 1 мм при схлопывании (вакуумный взрыв, когда все заряженные частицы внутри пузырька устремляются со сверхзвуковой скоростью в центр) происходит выброс энергии в виде кумулятивной струйки (пикообразный конус), которая перемещается со скоростью выше 150 м/с в сопровождении электрических разрядов. Кумулятивная струйка обладает громадной разрушительной силой /15,54/.

Кавитационные пузырьки, с длительностью существования до 3 сек., способны группироваться (это явление природы до настоящего времени не изучено) и наносить массированные удары, которые способствуют эрозийному разрушению любых материалов - твердых и мягких. Особую опасность в плане применения кавитации для приготовления питательных коллоидных растворов, в том числе из концентрированных кормов, составляет ультразвуковая кавитация, которая генерируется магнитострикционными преобразователями энергии. Магнитострикционные преобразователи создают пикообразную каверну и чем выше частота колебаний (40... 175 кГц), тем кавитационная энергия больше сосредотачивается в пике интенсивности /7,57/.

Известно, что под действием ультразвуковой кавитации происходит изменение ряда физико-химических свойств воды , как рН, электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал и некоторые другие процессы. Введение в жидкость ультразвуковых колебаний ускоряет протекание окислительно-восстановительных реакций в водных растворах, способствует образованию перекиси водорода, азотной, азотистой кислот и других окислителей, которые полностью обесценивают питательную ценность обрабатываемого продукта.

Учитывая то, что кавитационные процессы мало изучены и основные фундаментальные работы направлены на защиту материалов от кавитационных

разрушений, за последние годы гидрокавитационные установки получили применение в перерабатывающей пищевой промышленности. Например, акционерное общество «Самарский завод строймашина» производит установки для приготовления сельсхозкормов. Кавитационный эффект создается гидравлическими ударами в результате циклических прерываний потока жидкости, которые чередуются с разряжениями. В результате происходит измельчение зерна с одновременным его запариванием до температуры 60...80°С. Имеется положительный опыт работы установки данного типа - повышение удоев на 20% за счет использования кормовой добавки. Установленная мощность - 40 кВт. Рабочий орган - центробежный универсальный аппарат механического измельчения материалов в жидкой среде. Коэффициент полезного действия установки не выше 11%.

Самарский государственный авиационный институт совместно с Самарским авиационным заводом производит установки для приготовления кормовых дрожжей на базе зернофуража. Кавитационный эффект создается гидродинамическими преобразователями, которые служат для превращения кинетической струи в энергию упругих акустических колебаний. Генерация звука происходит в области турбулентного движения струи. Частота акустических колебаний до 20 кГц. Установленная мощность - 30 кВт. При этом кпд излучателя, считая кпд отношение энергии звукового излучения к кинетической энергии струи, составляет 8... 11 %.

Фирма «Форсат» Казанского авиационного института совместно с Казанским авиационным институтом серийно производят гидрокавитационные установки для получения тонкодисперстных коллоидных растворов. Эффект кавитации создается между двумя вращающимися дисками. Зазор между дисками не превышает 1мм, при том диски имеют кольцевые пазы. В основу ее работы заложено научное открытие - возникновение гидравлического удара в результате циклических прерываний потока жидкости, которые чередуются с разряжениями. Установленная мощность - 150 кВт. Энергоемки подготовительные

операции по приготовлению питательных растворов. Коэффициент полезного действия до 55%. С 1996 г. фирма «Форсат» приступила к разработке гидрока-витационных установок с использованием лопаточных преобразователей согласно патентозащищенного изобретения Управления сельского хозяйства Ульяновской области. Установка имеет рабочий объем 2м и предназначена для обслуживания фермерских хозяйств (а.с.№ 1218669 от 6.01.1984 г. с грифом «Для служебного пользования» Устройство для приготовления кормовых дрожжей). Коэффициент полезного действия установки для приготовления коллоидных кормов и дрожжевание этой массы выше 70%. Необходимо отметить, что зарубежные фирмы, например, фирма Штефан (Германия), имеют 35 летний опыт проектирования гидрокавитационных аппаратов с лопаточными преобразователями.

Гидрокавитационные установки с магнитострикционными преобразователями в Германии были запотентованы (№714726) 8 января 1933 г, а промышленные образцы запотентованы 13 ноября 1941 г.

Для приготовления тонкодиспергированных коллоидных кормов находят применение струйные, лопаточные и магнитострикционные гидрокавитационные установки.

Струйные гидрокавитационные установки. Струйные гидродинамические излучатели ультразвуковой энергии служат для превращения кинетической энергии струи в энергию упругих акустических колебаний.

По своей конструкции, определяющей принцип образования акустического излучения, гидродинамические излучатели можно разделить на определенные группы. К первой группе относятся излучатели, в которых используется возбуждение колебаний резонирующих элементов в виде пластин, стержней или мембран набегающей струей жидкости /6/.

На рис.2 показана принципиальная схема работы струйного гидрокавита-ционного устройства. Устройство состоит из насоса 1, трубопровода 2 для подвода жидкой массы к коноидальному насадку 3, резонирующей пластины 4, ко-

торая установлена на против коноидального насадка 3, емкости 5 с механической мешалкой 6 и трубопроводов для подвода и отвода пара 7,8. Вакууммет-рическое давление в емкости создается водокольцевым вакуумным насосом.

Приготовление коллоидных питательных кормов с использованием струйных гидрокавитационных устройств происходит следующим образом. В емкость 5 загружают определенное количество зернофуража и наливают воды в порции 1:10. При включенной мешалке нагревают массу острым паром через стенку емкости. Перемешанную массу (жидкую) насосом 1 под давлением 4,5 МПа подают на резонирующую пластинку 4. Резонирующая пластина создает ультразвуковое акустическое поле (20 кГц), которое генерирует в жидкости ка-витационные пузырьки. Кавитационные пузырьки при схлопывании разрушают компоненты корма. Струйные гидрокавитационные устройства имеют очень низкий кпд и составляет 8-11%. Энергия, в основном, идет на сжатие и организацию струи насосами высокого давления.

Струйные гидрокавитационные устройства Назаренко /6/ относются к группе 2, в которых рабочими элементами служат сопло и отражатель. При использовании конусно-цилиндрического сопла и отражателя с лункой, близкой по форме к параболоиду вращения, между торцами сопла и отражателя формируется пульсирующая кавитационная область. Частотный диапазон получаемого излучения находится в интервале 0,4-40 кГц с резким амплитудным максимумом вблизи 1 кГц. Скорость истечения струи из насадка не менее 20 м/с.

Струйные гидрокавитационные устройства организуют кавитационную зону неравномерную по всему объему обрабатываемой массы. Пик интенсивности разрушения обычно располагается в близи резонирующей пластины, где процессы разрушения протекают на молекулярном уровне с образованием окислов, которые повышают рН среды.

Рис.2. Струйная гидрокавитационная установка. 1 - насос; 2 - трубопровод; 3 - насадок; 4 - резонирующая пластинка; 56 - лопасть; 7 - патрубок; 8 - патрубок.

1.4. Существующие способы приготовления дрожжеванных кормов в гид-рокавитационных установках с лопаточными и ультразвуковыми магнитост-рикционными преобразователями

Лопаточные преобразователи (а.с. № 1218669, 06.01.1984 г. Устройство для приготовления кормовых дрожжей). Устройство в режиме подготовки питательного раствора и в режиме приготовления дрожжеванного корма работает следующим образом. Рис. 3.

Для приготовления питательного раствора емкость заполняют выше уровня траектории движения лопастей на 100 мм питательной средой, содержащей зерно, фураж грубого помола, соломенную муку, раствор после термохимической обработки соломы и микродобавки. Твердые фракции корма опускаются в зону вращения лопастей. Число оборотов вала ротора устанавливается так, что бы скорость перемещения лопастей составляла 20 м/с. Одновременно через трубопровод в зону вращения лопастей попадает пар. В результате организации по всему объему нижней части емкости длинных кавитационных шнуров, создаваемых лопастями, происходит интенсивный процесс кавитационного разрушения твердых частичек корма, которое усиливается температурными воздействиями пара, поступающего из паропровода. Разрушение и измельчение твердых частиц питательных компонентов до коллоидного состояния позволяют увеличить их поверхность массотеплообмена Рис. 4.

Затем содержимое емкости охлаждают до оптимальной температуры (27...33°С) роста и размножения дрожжей через коллектор в нижней части циркуляционного канала холодного воздуха. При этом в емкости организуется направленный циркуляционный контур с зоной подъема газожидкостной смеси по левой половине траектории движения лопастей, а зоной опускания жидкости в остальной части емкости ( правая сторона).

Для приготовления дрожжеванного корма в емкость вносят рабочую закваску.

[идрокавитационная установка

2 4ч

А

вакуум

А

кЛ

пар ±*т°с.

Попасть

\

\

Рис.3. Гидрокавитационная установка дД^приго^Ьвления дрожжеванного|кор-ма. 1 - емкость; 2 - люк загрузочный; 3 - ротор; 4 - лопасть.

Рис. 4. Зависимость контактной поверхности от размера частиц зернофуража

при обработке.

Число оборотов вала устанавливают таким, что бы скорость перемещения лопастей составляла не более 8 м/с. При этом через коллекторы в емкость для аэрации культуральной жидкости подают воздух. Воздух, поступающий из коллектора в зону вращения лопастей, достаточно только диспергируется за счет воздействия кавитационного эффекта, образуемого вращающимися лопастями. Такое воздействие перемешивающего устройства наряду с организацией направленной циркуляции культуральной жидкости подачей воздуха из коллектора создают необходимые условия для интенсивного массообмена, а следовательно размножения и роста дрожжей.

В результате анализа конструкции гидрокавитационной установки с лопаточными преобразователями были обнаружены следующие недостатки:

1. Кавитационная эрозия поверхности камеры обработки, с учетом того, что расстояние от лопасти в нижнем положении относительно поверхности стенки составляет 100 мм. С учетом кавитационного разрушения дно камеры обработки изготовляется из материала толщиной 10... 12 мм и срок службы составляет 2.. .3 года.

2. Боковые поверхности клиновидной лопасти подвергаются кавитацион-ному разрушению на расстоянии от носовой части 60-80 мм при длине лопасти 150 мм и толщине при основании 16 мм.

3. Лопасти установлены на стойках по оси симметрии.

Гидрокавитационная установка снабжена электродвигателем -30 кВт и

имеет кпд не выше 70%. Время приготовления коллоидного раствора -4 часа.

Ультразвуковые магнитострикционные преобразователиСпатент № 714726, 8.01.1993 г. ФРГ).

Устройство работает только в режиме подготовки питательного раствора для микроорганизмов дрожжеванного корма. Установка снабжена 5 магнитост-рикционными преобразователями, которые установлены на камере обработки цилиндрической формы. Предварительно подготовленный питательный раствор многократно циркулирует под действием насоса внутри камеры обработки

где установлены магнитострикционные преобразователи. Под действием ультразвуковых колебаний в зоне обработки организуется кавитационная зона. При схлапывании кавитационных пузырьков компоненты питательного раствора тонко диспергируются. Тонкое диспергирование твердых частиц корма до размера 10"6см можно достичь только при условии предварительного вакуумиро-вания питательного раствора. Воздушные пузырьки демпфируют удары кавитационных пузырьков, при том попадание во внутреннюю полость пузырька воздуха замедляет процесс конденсационного «скачка», который способствует «мягкому» схлопыванию этих пузырьков.

Ультразвуковые магнитострикционные преобразователи просты по конструктивному оформлению - обмоточный провод и ферромагнитные пластинки Рис.5.

Благодаря эффекта Мессбауера - открытое в 1958 г. немецким физиком Рудольфом Мессбауером явление испускания и поглощения гамма- квантов атомными ядрами, не сопровождающееся отдачей, позволило изменить технологию производства ферромагнитных пластинок и получить надежную текстуру. Текстура - структура твердого вещества, в котором отдельные кристаллики или другие структурные элементы обладают преимущественной ориентировкой в каких либо направлениях /37/. Гауссова текстура позволила ориентировать доменные структуры в одном направлении с использованием электрохимической изоляции, которое в зависимости от способа нанесения может вызывать растягивающие напряжения примерно до 5 Н/мм . Ферромагнитные пластинки выполненные по Гауссовской текстуре надежны в эксплуатации и имеют высокий кпд использования энергии по целевому назначению.

Ультразвуковое излучение магнитострикционного преобразователя имеет неравномерное распределение по площади излучения. Излучение средних пластинок происходит более интенсивно, чем пластинок расположенных по периферии. Величина к.п.д. не превышает 45%.

Рис. 5. Форма каверны стержневого и катушечного преобразователя. 1 - магнитострикционный преобразователь катушечный; 2 - стержень; 3 - емкость; 4 - каверна.

1.5. Существующие приборы, датчики для оценки и проверки технологии приготовления коллоидных кормов

Технологический процесс приготовления коллоидных питательных кормов контролируется и оценивается по следующим показателям:

- температурному режиму;

- результатам измерений рН;

- коллоидному состоянию;

- интенсивности процессов тонкого диспергирования полуфабрикатов корма.

Температура. Современная термодинамика определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы. Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами. Температура определяет направление перехода теплоты, то есть выступает прежде всего как мера нагретости тела. Кавитационный способ обработки отличается от всех видов обработки тем, что в кавитационной зоне обработки температура устанавливается в результате схлопывания пузырьков выше чем вне этой зоны. Притом определение или прямое изменение температуры в зоне кавитации затруднено, так как кавитационное схлопывание всегда сопровождается электрическими разрядами, которые искажают электрический измерительный импульс преобразователя (измерительного). На практике нашли применение бесконтактные оптические методы измерений температуры. Бесконтактные методы основаны на законах теплового излучения и имеют ряд преимуществ. Они не требуют введения датчика в контролируемую среду, по этому измеряемая температура не влияет на свойства термометра, который не разрушается в агрес-

сивной кавитационной среде. Кроме того, оптические методы характеризуются очень малой тепловой инертностью, достигающей тысячных долей секунды.

Бесконтактные оптические методы измерений температуры применяют только для прозрачных жидкофозных сред, когда регистрируют свечение кавитационной зоны.

Определение рН. В основе технологий очень многих пищевых продуктов лежат биохимические ферментативные процессы. Каждый фермент проявляет свою активность при строго определенной концентрации ионов водорода, то есть при определенном значении рН среды. При отклонении рН от оптимального значения для данного фермента активность его резко снижается и биохимический процесс, в котором он участвует, замедляется или совсем прекращается. По этому контроль рН при различных ферментативных процессах является обязательным.

На практике наибольшее распространение получил потенциометрический метод определения рН растворов. Этот метод основан на том, что потенциал некоторых электродов зависит от активности ионов водорода и эту зависимость легко устранить. Такие электроды, потенциал которых зависит от активности какого либо иона, получили название индикаторных электродов. Для определения рН среды таким индикатором может быть водородный электрод. Вторым электродом служит обычно какой либо стандартный электрод, например кало-

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Салмин, Олег Николаевич

ВЫВОДЫ

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

1.Анализ конструкций лопаточных и магнитострикционных преобразователей гидрокавитацонных установок для приготовления тонкодиспергирован-ных коллоидных кормов, а так же изучение состояния исследований в области кавитационного эффекта показали, что наиболее целесообразным способом снижения затрат труда, энергоемкости и повышения качества кормов в процессе приготовления, являются лопаточные и магнитострикционные преобразователи с равномерной кавитационнои зоной обработки, которые конструктивно защищены от саморазрушения в результате кавитационной эрозии.

2. В результате выполненных теоретических исследований установлены аналитические зависимости образования кавитационных пузырьков и кавита-ционных каверн за лопастными и магнитострикционными преобразователями, позволяющие определить конструктивные особенности их проектирования кинематики движения и скорости перемещения основных элементов преобразователей.

3. Выявлены зависимости по определению формы каверны в магнитном поле магнитострикционных преобразователей, от работоспособности ферромагнитных пластинок и от места расположения их в пакете, а так же зависимости по определению технологических параметров, например частота ультразвуковых колебаний ( 16-20 кГц ) в процессе тонкого диспергирования твердых компонентов кормов.

4. Выведены аналитические зависимости по определению влияния сосредоточения магнитного поля преобразователя в зоне обработки кормов, исходя из минимальных затрат энергии в процессе их приготовления, а так же уравнения режимов движения жидкофазной среды в проточной части преобразователя.

5. Разработана измерительная аппаратура и методическое обеспечение проведенных экспериментальных исследований по проверке полученных теоретических закономерностей и обоснование параметров опытных образцов лопаточных и магнитострикционных преобразователей в эксплуатационном режиме работы.

6.Созданы промышленные образцы гидрокавитационных установок с равномерной кавитационной зоной обработки с КПД на 30% выше, чем существующие преобразователи, увеличена поверхность зоны обработки для лопаточных преобразователей 23,4 раза, а для магнитострикционных преобразователей в 12,5 раза, которые прошли пятилетний эксплуатационный режим испытаний.

7.При совместной работе лопаточных и ультразвуковых магнитострик-ционых преобразователей в процессе приготовления жидких кормов, в том числе и заменителей цельного молока для телят, получено устойчивое коллоидное состояние компонентов зернофуража выше 90% ( 72 часа без расслаивания ), разрушение дрожжевых клеток вредной микрофлоры до 100%.

8.Экономическая эффективность применения гидрокавитационных установок для приготовления кормов в животноводстве составила 520 рублей 57 копеек в год на одну голову молодняка крупного рогатого скота.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Салмин, Олег Николаевич, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Диментберг Ф.М. и др. Вибрация в технике и человек. М., «Знание», 1987г. 159 с.

2. Крассильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны. М., Изд. Физико-математической литературы, 1960 г., 559 с.

3. Гертгал Д.А. и др. Ультразвуковая аппаратура. М., 1961 г. ГЭИ, 247 с.

4. Дубовик A.C. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М., «Наука», 1975 г. 76 с.

5. Зубрилов С.П. Ультразвуковая обработка воды и водяных систем. Л., «Транспорт» 1973 г. 99 с.

6. Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. М., «Высшая школа», 1987 г. 347 с.

7. Кнэпп Р. и др. Кавитация. М., «Мир», 1974 г. 678 с.

8. Пирсол И. Кавитация. «Мир», 1975 г. 94 с.

9. Рождественский В.В. Кавитация. Л., «Судостроение», 1977 г. 240 с.

Ю.Руд Е.Р. Механизм возникновения кавитации. Обзор 1979-1989 г.г. Современное машиностроение. Сер. А. 1991 г. № 8.

11.Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. М., «Мир», 1972 г. 419 с.

12.Вукалович М.П. Термодинамика. М., «Машиностроение» 1972 г. 634 с.

13.Бахмачевский Б.И. и др. Теплотехника. М., Научно-техническое изд. 598 с.

14.Мигдал А.Б. Фазовые превращения ядерного вещества. М., «Знание» 1978 г. с. 139-149. (Наука и человечество. Международный ежегодник.).

15.Уолкер Дж. Слабые и электромагнитные взаимодействия. М., «Знание» 1978 г. с. 149-159. (Наука и человечество. Международный ежегодник.).

16.Фертман В.Е. Магнитные жидкости - естественная конвекция и теплообмен. Минск., «Наука и техника», 1978 г. 208 с.

17.Несис Е.И. и др. Основные проблемы физики кипения и пути интенсификации теплообмена при фазовых превращениях. Минск, 1976 г. В кн: Тепломассообмен У.Т.3.4,1. С 32-40.

18.Блум Э.Я. и др. Термомагнитная конвекция при поперечном обтекании цилиндра. - Магнитная гидродинамика. 1977 г. № 1 с. 28-34.

19.Блум Э.Я. и др. Теплообмен при свободной конвекции на магнитном цилиндре в однородном поле. - Магнитная гидродинамика. 1978 г. № 3, с 4348.

20.Архименко В.Н. и др. Исследование формы капли намагничивающейся жидкости в однородном магнитном поле. - Магнитная гидродинамика. 1978 г. № 3, с. 131-134.

21.Гайлитис А. Форма поверхностной неустойчивости ферромагнитной жидкости. - Магнитная гидродинамика, 1969 г. № 1, с. 68-70.

22.Шульман Э.П. Конвективный тепло-массоперенос реологически сложных жидкостей. М., «Энергия», 1975 г. 352 с.

23.Прохоренко П.П. и др. Ультразвуковой капиллярный эффект. Минск, 1984 г. 173 с.

24.Спринжер С.Д. Эрозия при воздействии капель жидкости. М., «Машиностроение», 1981 г., 182 с.

25.Вулис JI.A. и др. О переходных режимах течения в магнитной гидродинамике. - Магнитная гидродинамика. 1966 г. № 1. с. 74-84.

26.Володин Л.Г. и др. Пульсации завихренности и температуры в однородной двумерной турбулентности. В кн.: Восьмое Рижское совещание по магнитной гидродинамике. Рига, Зинатие, 1975 г. т.1, с 76-78.

27.Левин В.Б. О переходе к турбулентности в магнитогидродинамических течениях при возмущениях. - Магнитная гидродинамика. 1970 г. № 3, с 50-56.

28.Левин В.Б, О стабилизирующем влиянии продольного магнитного поля на неоднодные турбулентные течения электропроводной жидкости. Магнитная гидродинамика. 1965 г. № 2, с. 3-10.

29.Левин В.Б. Экспериментальное исследование турбулентного течения электропроводной жидкости в трубе в продольном магнитном поле. - Магнитная гидродинамика. - 1966 г. № 4, с. 147-148.

30.Амбарцумяе С.А. Магнитоупругость тонких оболочек и пластин. М., «Наука», 1977 г. 272 с.

31.Яворский Б.М. Справочник по физике. М., Гл. редакция физико-матем. лит. 1980 г.

32.Пановко Я.Г. Устойчивость и колебания упругих систем. М. Изв. АН СССР отд.тех.наук. Механика и машиностроение. 1965 г. с 237.

33.Бай Ш. Магнитная газодинамика и динамика плазмы. М., «Мир», 1964 г., 302 с.

34.Кирилин В.А. и др. Техническая термодинамика. М., «Энергия» 1968 г. 462 с.

35.Дривес A.C. Преобразователи частоты серии АС-600 для регулирования скорости и момента асинхронных короткозамкнутых двигателей мощностью от 2,2 до 630 кВт - (Область применения) 1997 г. Швеция, фирма ABB.

36.Сивухин Д.В. Молекулярная физика и термодинамика. М., «Наука», 1976 г. 208 с.

37.Цирак Ю.Я. ГР-спектроскопия в науке и промышленности. М., «Знание», 1978 г., с. 285-297. (Наука и человечество. Международный ежегодник).

38.Пирсол Э. Электричество и магнетизм. М., «Наука», 1971 г., 446 с.

39.Гарена Р. и др. Кавитационные разрушения и зависимость его от свойств материала и жидкости. Труды американского общества инженеров-механиков, Сер. Д, Теоретические основы инженерных расчетов. № 4, 1967 г., с. 67.

40.Майер В.В. Простые опыты с ультразвуком. М., «Наука», 1978 г. 160 с.

41.Чжен П. Отрывные течения. Т.З. М., «Мир», 1973 г. 324 с.

42.Андреев Ю.А. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи. Л., «Энергия», 1979 г. 142 с.

43.Разин Г.И. и др. Бесконтактное измерение электрических токов. М., Атомиздат, 1974 г. 160 с.

44.Спринжер Д.С. Эрозия при воздействии капель жидкости. Перевод с английского С.В.Челомея. М., «Машиностроение», 1981 г. 182 с.

45.Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., «Высшая школа», 1969 г., 549 с.

46.Блум Э.Я. и др. Влияние неоднородного магнитного поля на тепло и массообмен в парамагнитных растворах. Магнитная гидродинамика. 1972 г. № 4. С. 14-18.

47.Новиков И.И. Прикладная магнитная гидродинамика. М., «Атомиздат», 1969 г. 431 с.

48.Бранновер Г.Г. и др. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. М., «Наука», 1970 г. 305 с.

49.Яворский Б.М. Справочник по физике. М., Физико-матем. литер. 1977 г. 944 с.

50.Блох JI.C. Основные графические методы обработки опытных данных. Машгиз. 1951 г. 93 с.

51.Патент РФ. № 2104636, Бюл. № 5 от 20ю02ю98 г. Способ производства высокожирных молочных продуктов и устройство для его осуществления.

52.Попов В.И. и др. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности. М., «Пищепромиздат», 1961 г. 439 с.

53.Салмин О.Н. Методы определения параметров кавитационных каверн за телами, перемещающимися в жидкости по круговой траектории (тезисы).

Сборник тезисов 30-й науч.техн.конф. УлГТУ, - Ульяновск, УлГТУ, 1996 г. ч.1, с. 70-72.

54.Салмин О.Н. Измерение параметров свечения кавитационных пузырьков и микроорганизмов при обработке пищевых продуктов в жидких средах (тезисы). Сборник тезисов региональной науч.-техн.конфер. г. Нижний Новгород, 1996 г., с. 57.

55.Салмин О.Н. Эксергетический метод анализа работоспособности ультразвуковых преобразователей (тезисы). Сборник тезисов 31-й науч.техн.конф. УлГТУ, - Ульяновск, УлГТУ, 1997 г. ч.1, с. 35-36.

56.Салмин О.Н. Критериальный способ исследования сложных многомерных колебаний элементов преобразователей (тезисы). Сборник тезисов 31-й науч.техн.конф. УлГТУ, - Ульяновск, УлГТУ, 1997 г. ч.1, с 38-39.

57.Салмин О.Н. Методика определения области применения патентоза-щищенных ультразвуковых преобразователей (тезисы). Сборник тезисов 31-й науч.техн.конф. УлГТУ, - Ульяновск, УлГТУ, 1997 г. ч.1, с. 39-40.

58.Салмин О.Н. Исследование ультразвуковых колебаний элементов преобразователей при помощи капиллярного эффекта (тезисы). Сборник тезисов 31-й науч.техн.конф. УлГТУ, - Ульяновск, УлГТУ, 1997 г. 4.1, с. 36-37.

59.Салмин О.Н. Теоретическое обоснование эффективности измерения вязкости гетерогенных жидкофазных сред ультразвуковыми датчиками (статья). Деп. В ВИНИТИ № 1105-879. Ежем-й библиог-й указатель ВИНИТИ г. Москва, № 6, 1997 г.

60.Салмин О.Н. Магнитострикционный метод оценки качества молока и молочных продуктов (тезисы). Сборник тезисов наун.-практ.конф. 4 Агро-Волга-97. - Ульяновск: 1997 г. с. 39-40.

61.Салмин О.Н. Ультразвуковой датчик для измерения вязкости гетерогенных жидкофазных сред (тезисы). Сборник тезисов Всероссийской науч.техн.конф. «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» - Уфа, 1997 г. с. 61.

62.Салмин О.Н. Управление диспергированием жидкофазной среды системами датчиков (тезисы). Сборник тезисов науч.-техн. конф. с международным участием. «Новые методы, средства и технологии в науке, промышленности и экономике«. - Ульяновск: УлГТУ, 1997 г. ч.1. с. 55

63.Салмин О.Н. Нереагентный метод обработки жидкофазных сред ультразвуковыми магнитострикционными преобразователями (тезисы). Сборник тезисов науч.-техн.конф. с международным участием. «Новые методы, средст-

ва и технологии в науке, промышленности и экономике«. - Ульяновск: УлГТУ,

1997 г. 4.2. с. 13-14

64.Салмин О.Н. Оптимизация интенсификации процесса обработки жид-кофазных сред магнитострикционными преобразователями (тезисы). Сборник тезисов 32-й науч.-техн.конф. - Ульяновск: УлГТУ, 1998 г. ч.1. с. 80-81.

65.Салмин О.Н. Измерительно-контрольный комплекс (тезисы). Сборник тезисов 32-й науч.-техн.конф. - Ульяновск: УлГТУ, 1998 г. 4.1. с. 81-82.

66.Салмин О.Н. Методы определения параметров ультразвуковой кавитации (тезисы). Сборник тезисов 32-й науч.-техн.конф. - Ульяновск: УлГТУ,

1998 г. ч.1. с. 82-84.

67.Салмин О.Н. Магнитострикционный преобразователь с равномерным звуковым полем (тезисы). Межвузовский научный сб. «Измерительные преобразователи и информационные технологии». УГАТУ, - УФА. 1998 г. с. 15-16

68.Салмин О.Н. Ультразвуковой преобразователь для тонкодисперстной жидкофазной обработки и методы оценки параметров качества работы преобразователей (тезисы). Сборник тезисов Всероссийской конф. «Проблемы сертификации и управление качеством». - Ульяновск: УлГТУ. ч.З. с. 55-58.

69.Салмин О.Н. Датчик диагностики работы магнитострикционных преобразователей для повышения качества продукции ( тезисы). Сборник тезисов Всероссийской конф. «Проблемы сертификации и управление качеством». -Ульяновск: УлГТУ. ч.З. с. 58-59.

70.Салмин О.Н. Теоретические основы тепло-массообменных процессов магнитострикционных преобразователей (тезисы). ). Сборник тезисов Всероссийской науч.-практ.конф. (с участием стран СНГ). - Ульяновск: УлГТУ, 1998 г. с. 126-127.

71.Салмин О.Н. Создание и эксплуатация радиоэлектронной аппаратуры с применением ферромагнитных материалов (тезисы). Сборник тезисов Всероссийской науч.-практ.конф. (с участием стран СНГ). - Ульяновск: УлГТУ, 1998 г. с. 127-128.

72.Салмин О.Н. Устройство для получения коллоидных систем в жидко-фазной среде (патент). Положительное решение о выдаче патента по заявке № 97109925/13 (010616 выданное ФИПС Москва 1998 г.)

73.Мельников C.B. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. - JL: «Колос», 1978 г. 557 с.

74.Мельников C.B. Технологическое оборудование животноводческих ферм и комплектов. - Д.: «Агропромиздат». 1985 г. 629 с.

75.Климовский Д.Н. и др. Технология спирта. - М.: «Пищепромиздат». 1955 г. 434 с.

76.Визнер Э. Кормление и плодовитость сельскохозяйственных животных.. - М.: «Колос». 1976 г. 155 с.

77.Шпаков А.П. и др. Приготовление и использование кормовых смесей и комбикормов в хозяйствах. Минск, «Урожай». 1983 г. 213 с.

78.Добролюбовский O.K. Микроэлементы и жизнь. Изд. «Молодая гвардия». 1956 г. 124 с.

79.Боярский Л.Г. Производство и использование полноценных кормовых смесей. М.: «Колос». 1976 г. 184 с.

80.Лукьянов А.Б. Физическая и коллоидная химия. М.: «Химия». 1980 г. 219 с.

81.Перт Дж.С. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: «Мир». 1978 г. 321 с.

82.Семихватова Н.М. Производство хлебопекарных дрожжей. М.: Пищевая промышленность. 1978 г. 188 с.

83.3усмановский А., Пименов П. Методические рекомендации по применению микроэлементов в животноводстве колхозов и совхозов Ульяновской области. Г. Ульяновск. 1980 г. 34 с.

84.Улитько В.Е., Храмов Ю.Г., Стахорский М.В. Рекомендация по приготовлению и использованию заменителей цельного молока из растительных кормов внутрихозяйственного производства и особенности организации труда при выращивании телят, г. Ульяновск. 1978 г. 74 с.

85.Рогачев В.И. Асептическое консервирование плодоовощных продуктов. М.: «Легкая и пищевая промышленность». 1981 г. 283 с.

Аппарат для приготовления коллоиды из зернофуража.Патент Р.Ф. от 02.09.1998 г. Обьем аппарата - 200 л.Двигатель,кВт -55.Обороты электродвигателя,об/мин -0...3000.

1С

о о

Приложение $ 4. ..¡агнитострикционный преобразователь с равноме] .лощностьё ,Частота колебаний -20 кГц.

рной зоной кавитации.

ABB AC Drives

209 ACS 600

Преобразователи частоты

для регулирования скорости и момента короткозамкнутых двигателей мощностью от 2,2 до 315 кВт

Преобразователи частоты ACS 600 фирмы ABB достигли предела возможностей в управлении двигателями переменного тока

Благодаря технологии DTC (Direct Torque Control - непосредственного регулирования момента) преобразователи ACS 600 осуществляют прецизионное регулирование скорости и момента стандартного двигателя с короткозам-кнутым ротором без дополнительных расходов и неудобств, связанных с использованием тахометра. Фактически технология DTC принесла новые фундаментальные изменения в способы управления электродвигателем, поскольку во всех случаях ее применения эффективность работы электропривода будет ограничиваться только показателями двигателя, но не преобразователя частоты.

• Стартовый момент двигателя может достигать 200 % номинального момента

• Точное регулирование без обратной связи

• Время нарастания момента обычно менее 5 м?ек

• Точное регулирование скорости: погрешность скорости обычно не больше 0.1 - 0,5 % от номинальной скорости

Широкий диапазон моделей для удовлетворения различных потребностей

Из серии преобразователей частоты ACS 600 можно найти подходящую модель для различных применений и условий окружающей среды. ACS 600 характеризуется широким диапазоном мощностей, многосторонними возможностями управления и подключения и многими разными степенями защиты. Преобразователи частоты могут работать на всех самых распространенных напряжениях сети.

A II II MWI9

Таблица 1

Влияние системы охлаждения на рабочие характеристики

технологического магнитострикционного преобразователя

X У1 а1,% У2 ст2,% уЗ стЗ,%

0 0 0 0 0 0 0

0.25 0.009 7.1 0.009 8.3 0.009 1.2

0.5 0.035 -5.6 0.035 5.7 0.035 9.7

0.75 0.082 -8.0 0.07 -5.9 0.06 -7.4

1.0 0.16 -7.2 0.13 -0.5 0.1 -4.5

1.25 0.3 2.6 0.2 -0.1 0.15 0.2

1.5 0.46 2.2 0.27 -3.0 0.2 0.9

1.75 0.64 0.3 J 0.35 -2.3 0.25 0.6

2.0 0.83 -1.2 0.43 -0.9 0.3 0.2

2.25 1 0.3 0.51 2.0 0.35 0.2

2.5 0.56 1.2 0.4 0.7

2.75 0.6 1.0 0.44 -0.2

3.0 0.62 -0.5 0.48 0.2

3.25 0.64 . -0.3 0.51 -0.1

3.5 0.65 -0.6 0.53 -0.6

3.75 0.66 -0.2 0.54 -0.9

4.0 0.67 0.4 0.55 1.0

у1 - при воздушном охлаждении у2 - при водяном охлаждении

уЗ - при системе охлаждения ферромагнитной жидкостью ст- относительная ошибка аппроксимации.

у 1 (х)=0.26х2-0.00 1 ехр(х2)-0.109агсШ(х2) у2(х)=8.752-10"4-х4+0.041х2+0.864-агсШ(х2-0.2) уЗ(х)= 0.144х2-0.21х-0.021х3+0.354агс1и(х-0.6)

Аппроксимационные формулы получены по экспериментальным результатам с использованием пакета МаШсаё 5+ по методу наименьших квадратов.

УТВЕРЖДАЮ:.

АКТ

о внедрении теоретических и практических результатов диссертационной работы Сашина Олега Николаевича на тему¡"механизация приготовления жидких коллоидных кормов в животноводстве с использованием гидрокавитационных преобразователей".

Комиссия в составе:

Кузьмина НоАо - гл.специалист управления сплимоноза Ю.А. - начальник отдела животноводства 3, Макарова Б.Г- - гл.зоотехник управления

составила настоящий акт о том,что результаты диссертационной работы Сашина О.Н.,в частности гидрокавитациоыные преобразователи

(лопаточные и магнитострикционные) с равномерной каштациокной зоной были использованы в кормоцехах для приготовления жидких кол-лозоных кормов из зернофуража в следующих хозяйствах Ульяновской области:

I.Совхоз" Заветы Ильича" Ульяновского района. £.Совхоз "Пригородный" Ульяновского района.

''.Совхоз" Волжанка" Ульяновского района.

В результате воздействия на зернофураж гидрокавитационных преобразователей достигается тонкая дисперстность по всему объему об-ог-ботки.Полученная коллоида не расслаивается в течение 72 часов. Скозомическая эффективность работы преобразователей оцениваетсяв экономии электрической энергии до 11% и тепловой до 30$.

В.Г.Макаров