ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРУДИРОВАНИЯ ЗЕРНА СОИ. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА С ЗОНОЙ АКТИВНОГО СМЕШИВАНИЯ

Категория: Инженерия.

Аннотация. В статье представлен пресс-экструдер с зоной активного смешивания, позволяющий в процессе экструдирования трех компонентов сои, пшеницы и ячменя получить высокобелковый концентрированный корм, который может быть использован для скармливания всем видам сельскохозяйственных животных. Экструдированные корма лучше усваиваются животными, по сравнению дробленными концентрированными кормами, что способствует более интенсивной прибавки в весе животных. Пресс-экструдер с зоной активного смешивания позволяет получить однородный концентрированный корм за счет трапецеидальных вырезов в шнеке в зоне перемешивания, зона активного перемешивания занимает 5 витков шнека, это 30% от всей длины шнека пресс-экструдера. Так же в статье рассмотрены возможные варианты перемешивания и перемещения компонентов в зоне активного смешивания пресс-экструдера. Рассчитан коэффициент перемещения (Т0 = 0,073) зерен сои через зону перемешивания (пропускная способность зоны перемешивания). Устройство так же позволяет нам инактивировать антипитательные вещества которые есть в бобах сои (ингибиторы протеазы, гемагглютинины, сапонины и др.). Получено уравнение производительности пресс-экструдера с зоной активного смешивания.

Ключевые слова: пресс-экструдер с зоной активного смешивания, зерно сои, высокобелковые корма, концентрированный корм, инактивации.

Наиболее эффективный путь использования семян бобовых культур на корм сельскохозяйственным животным – приготовление экструдата, что позволяет улучшить усвоение растительного белка.

В результате проведенного патентного поиска конструкций для приготовления кормов сельскохозяйственным животным и птице на белковой основе в условиях ведения личного подсобного хозяйства и крестьянско-фермерского хозяйства нами разработан пресс-экструдер с зоной активного смешивания (патент на изобретение РФ № 2622163, а также заявка на изобретение РФ № 2017105983 от 21.02.2017 г.)
[1, 2].

Основным показателем, характеризующим пресс-экструдеры, является его производительность [3]. Одним из элементом является шнек представляющий собой витки с уменьшающимся шагом (рис. 1).

Второй по важности являются трапецеидальные вырезы в зоне смешивания пресс-экструдера (рис. 2).

Для расчета производительности пресс-экструдера с зоной активного смешивания, необходима найти площадь трапецеидальных вырезов. Площадь четырех трапецеидальных вырезов равна:

(1)

где Sвыр – площадь трапецеидального выреза, м2; ls – длина трапецеидального выреза, м; r12  – внутренний радиус трапецеидального выреза, м; r22  – внешний радиус трапецеидального выреза; м.

Для практических вычислений отношение можно заменить на .

Так же нам необходимо найти коэффициент перемещения Т зерна сои в зоне активного смешивания. Этот коэффициент равен отношению суммарной площади отверстий у площади лопасти

(2)

где Sотв – суммарная площадь выходных отверстий матрицы; D – внешний диаметр пресс-экструдера, мм; d – диаметр вала, мм.

Используя численные значения размеров шнека (r1 = 25 мм, r2 = 25 + 20 = 45 мм, l1 = 25 мм, D = 100 мм, d = 30 мм) находим

T = 0,39.

Движение сои в зоне перемешивания (первые пять лопастей шнека, содержащие отверстия), сложен, и включает в себя как прямое движение сои через отверстия, так и обратное движение, возникающее вследствие отражения зерен от лопастей. Доля прошедших зерен через одну лопасть равна T = 0,39, а доля зерен, движущихся в обратном направлении, равна R = 1 – T = 0,61. Разбивая процесс перемешивания на элементарные процессы (варианты перемешивания), найдем их вероятности. На рисунках, приведённых ниже, стрелками показано направление движения зерен сои для каждого из рассматриваемых ниже вариантов.

Вариант № 1 – зерна сои проходят через все n = 5 отверстий, не испытав отражения от плоскостей. Вероятность такого прохождения равна:

Вариант № 2 – зерно, отражаясь от одной из лопастей, меняет направление движения, затем, отражаясь от соседней лопасти, движется в прямом направлении. Такой вариант реализуется при отражениях от пятой и четвертой, четвертой и третьей, третьей и второй, второй и первой лопастей. Вероятность такого варианта перемешивания равна:

Вариант № 3 – аналогичен варианту 2, но отражение происходит от пятой и третьей, четвертой и второй, третьей и первой лопастей. Вероятность такого варианта равна:

Вариант № 4 – двукратное отражение от соседних лопастей (два раза от пятой и четвертой, четвертой и третьей, третьей и второй, второй и первой – четыре варианта, от второй и первой, затем от четвертой и третьей или от пятой и четвертой – два варианта, от третьей и второй и затем от пятой и четвертой – один вариант, от второй и первой, затем от пятой и четвертой – один вариант. Итого – 8 вариантов).

Остальные варианты перемешивания имеют малую вероятность, поэтому при расчете пропускной способности зоны перемешивания T0 можно ограничиться рассчитанными величинами. Тогда:

T0 = T1 + T2 + T3 + T4 = 9,03 · 10–3 + 3,44 · 10–2 + 3,93 · 10–3 +

+ 2,56 · 10–2 = 0,073 (3)

Третей по важности является матрица, которая изображена на рисунке 3.

Экструдер приводится в действие от электродвигателя через редуктор, понижая число оборотов вращения вала до n = 400 об/мин. В нашей конструкции использовался электродвигатель мощностью. 2 кВт.

Угловая скорость вращения шнека, отвечающая этой скорости вращения вала равна:

; (4)

;

Fn = Fctgα.

Схема сил, действующих на зерно сои, находящиеся на лопасти шнека пресс-экструдера на расстоянии r от его оси (рис. 4).

На отдельное зерно сои со стороны шнека действует сила, направленная по касательной к окружности его траектории. Обозначим угол через α угол лопасти шнека в месте расположения зерна сои. Тогда силу, действующую на зерно можно разложить на две составляющие Fn нормальную или осевую, силу параллельную оси шнека и направленна в сторону движения зерна и Ft тангенциальную силу, направленную вдоль лопасти шнека.

Совершенно аналогичное разложение имеют вектора скорости зерна сои эта скорость так же имеет осевую и тангенциальную составляющие. Производительность определяется осевой составляющей вектора скорости выражением:

Un = Uctgα; (5)

. (6)

Зерно находящиеся на расстоянии r от оси шнека имеет полную скорость равную:

U = ωr

где расстояние r изменяется в пре­делах

.

Геометрия отдельной лопасти шнека пресс-экструдера с указанием ее размеров представлена на рисунке 5.

Для расчета производительности экструдера Q найдем какой вклад dQ вносит, часть шнека представляющий собой кольцо радиусом r и толщиной dr. Расчет dQ необхом для того чтобы учесть, что зерна сои находящиеся на разных расстояниях от оси шнека имею разную скорость. Исходя из этих соображения можно записать.

dQ = υnds = υn ∙ 2πr ∙ dr =

= ωrсtgα ∙ 2πr ∙ dr.

Для получения суммарной производительности интегрируем величину dQ в пределах

. (7)

Для анализа полученного выражения 7 введем следующую величину:

, d = ηD. (8)

С учетом введенной величины η выражение можно записать виде:

. (9)

Рассчитанная формула 6 не учитывает влияние матрицы экструдера на производительность, которая сводится к тому что не вся площадь выходного торца экструдера используется для получения экструдированной сои. Для того чтобы учесть уменьшения производительности экструдера в следствии этого влияния выразим площадь выходного торца шнека через D и d

. (10)

Отсюда связь между внешним диаметром шнека и площадью его выходного отверстия будет следу­ющая:

.

Суммарная площадь отверстий матрицы экструдера равна:

Sотв = N · S,

где N – общее количество отверстий в матрице.

Полезной площадью при работе экструдера является суммарная площадь отверстий матрицы, поэтому ее можно характеризовать суммарной площадь отверстий к ее полной площади.

. (11)

Тогда окончательная формула для производительности пресс-экструдера с зоной активного смешивания будет иметь вид:

(12)

где ω – угловая скорость шнека, м/с; α – угол наклона витков шнека, град; S – площадь матрицы, м2; η – коэффициент отношения ; T0 – рассчитанный выше коэффициент перемещения зерен сои через зону перемешивания (пропускная способность зоны перемешивания).

Таким образом производительность пресс-экструдера с зоной активного смешивания описан уравнением (12). При этом она зависит от внешнего радиуса экструдера, радиуса вала, площади выходных отверстий, угловой скорости вращения шнека, коэффициента перемещения и угла наклона витков шнека.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. 2622163 Рос. Федерация. Пресс-экструдер, 25.05.2016 г.
2. Пат. 2017105983 Рос. Федерация. Пресс-экструдер с зоной активного смешивания. 21.02.2017 г.
3. Фролов В. Ю. Теоретические и экспериментальные аспекты разработки технологий и технических средств приготовления концентрированных кормов на основе соевого белка : монография. – Краснодар, 2010.

Метки: Инженерия

• Назад
• Вперед