Технологии и машины для уплотнения кормов

Технологии и машины для уплотнения кормов, прессование кормов, типы рабочих органов прессов, способы уплотнения кормов. Реологические свойства уплотненных материалов.

Уплотнение кормов проводят с целью улучшения их транспортабельности, более экономного использования складских помещений и тары, а также обеспечения лучшей 'сохранности питательных веществ и витаминов.

Уплотнением называется процесс сближения частиц зернистого и волокнистого материалов под действиям приложенных внешних сил с целью повышения его плотности.. Б качестве готового продукта процесса уплотнения образуется монолит, который и зависимости от его конечной плотности и вязкости может сохранять свою форму под влиянием внутренних сил сцепления или внешних реакций от ограничивающих элементов (обвязка, стенки емкости).

Уплотнение кормов осуществляется следующими способами: сжатием, скручиванием, виброутряской, экструзией, окатыванием.

Процесс уплотнения сжатием в закрытой кошере в технике принято называть прессованием. В зависимости от требуемой плотности монолита в результате прессования стебельных кормов полу чают тюки (плотность 120-160 кг/м3), требующие обвязки, или брикеты (плотность 600-900 кг/м3) , сохраняющие свою форму без обвязки. При прессовании комбикормов или травяной муки получают гранулы (плотность 1200-1300 кг/м3). Плотность рыхлого сухого сена составляет 40-5С кг/м3.

Классификация способов уплотнения стебельных кормов прессованием может быть сделана по их исходным характеристикам и виду конечных продуктов (табл. 1). при этом различают способы прессования в тюки (обычные или повышенной плотности), рулоны или жгуты, брикеты и гранулы.

Кроме того, способы прессования различают в зависимости от значений приложенного давления: прессование без связующих добавок при малых давлениях (15-20 МПа); прессование без связующих веществ при высоких давлениях (30-35 МПа); прессование с присадкой связующих веществ при малых давлениях (5-10 МПа).

Из таблицы 1 видно, что наиболее совершенными способами прессования являются брикетирование и гранулирование, позволяющие получить наиболее высокую степень уплотнения.

Физическая сущность прессования сводится к сближению и сцеплению частиц твердой фазы, т.е. к уплотнению и упрочнению разрыхленной массы корма путем механического давления.

В качестве характеристики брикетируемости (гранулируемости) корма служит степень уплотнения λупл, представляющая собой отношение объема V порции материала до прессования к объему Vк полученного брикета. При уплотнении в камере с постоянной площадью поперечного сечения будет справедливо выражение

      (1.1)

где h и hк - высота слоя до и после прессования в камере постоянного сечения.

Если плотность рыхлого материала обозначить через ρo (кг/м3) в плотность полученного монолита О ( кг/м^), то степень уплотнения.

     (1.2)

где М - масса брикета, кг.

На эффективность процесса уплотнения растительных материалов большое влияние оказывает форма связи влаги с частицами. При этом важнейшее значение имеет не только абсолютное количество (влажность), но и состояние, в котором она находится. Классификация форм связи воды с веществом растительных материалов разработана академиков П.А. Ребиндером, она учитывает необходимое количество энергии, расходуемой на процесс обезвоживания. Основные формы связи воды с материалом следующие: химические, физико-химические и механические.

Механическая связь воды с материалом является наименее прочной и характеризуется неопределенностью количественных соотношений. Сюда относятся капилярная влага и влага смачивания, обладающие свойствами обычной воды.

2. Реологические свойства уплотняемых  кормов

2.1. Объемные структурно-механические  свойства

Исходные свойства материалов, особенно структурно-механические, оказывают решающее влияние на выбор конструктивных параметров оборудования. По виду приложения усилий или напряжений к перерабатываемому материалу эти свойства делят на три группы: объемные, поверхностные и сдвиговые.

Объемные свойства определяют поведение объема тела при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутой форме или между двумя пластинами. К их числу относятся плотность, порозность, пористость и др.

2.2 Поверхностные свойства

Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности тела на границе раздела с другими твердыми, материалами при воздействии нормальных (адгезия) и касательных (внешнее трение) напряжений. Эти свойства выражаются различными видами трения - внешнего и внутреннего.

Прессование кормов в камере непосредственно связано с перемешиванием частиц под влиянием действующих внешних сил и преодолением сил трения.

Таблица 1

Классификации способов прессования кормов

В момент начала движения материала (его сдвига) возникает трение (трение в покое), величина которого характеризуется статическим коэффициентом трения (ƒс), а при движении - динамическим (ƒс), или трением в движении.

В начальный период движения частиц с малыми скоростями большое влияние на величину трения оказывает вязкие деформации, при которых частицы, сжимаясь и сгибаясь, способствуют образованию неровностей поверхности сдвига. Повышение скорости перемещения частиц снижает влияние вязких деформаций» и сила трения в этом случае зависит от соотношения между приростом количества частиц, сталкивающихся в единицу времени, и прочностью сцепления каждой из них. При этом число частиц, сталкивающихся в единицу времени, возрастает однако прочность их сцепления в следствии ничтожно малого времени соприкосновения уменьшается, суммарная сила и коэффициент трения снижаются.

2.3. Реологические свойства и моделирование  этих свойств

При уплотнении кормов протекают процессы деформации, возникающие в частицах, из которых формируется твердое тело (монолит).

Внутренний механизм деформационных процессов дисперсных систем, в том числе и вязкопластичных материалов, изучает реология - наука о деформации и течении различных тел.

Известны три реологические модели идеализированных свойств реальных материалов: модель идеального упругого тела (тело Гука), изображаемая в виде пружины; модель идеального пластичного тела (тело Сен-Бенана), изображаемая в виде пары скольжения, и модель идеально вязкого тела (тело Ньютона), изображаемая в виде цилиндра с вязкой жидкостью, в котором перемешивается поршень с калиброванными отверстиями в его дне.

Соединяя последовательно и параллельно элементы, имитирующие разные свойства, можно получить модели многих весьма сложных тел и проследить за протеканием них деформационных процессов.

Так, в результате исследования процесса гранулирования травяной муки прессованием установлено, что в ходе уплотнения можно отметить ^и этапа. На первом из системы вытесняется воздух, деформация муки происходит при ничтожно малых нагрузках. После снятия нагрузки деформации не снимаются. Второй этап характеризуется интенсивным развитием упруго-пластических деформаций и быстрым увеличением давления прессования. На третьем этапе сжимается уже сформированный монолит, в котором преобладают упругие деформации при резко возрастающем давлении. После снятия нагрузки деформации снимаются с некоторым запаздыванием во времени, что связано с наличием упругого последействия.

Для описания процессов гранулирования травяной муки Г.Я. Фарбман предложил трехзвенную реологическую модель (рис. 1) в которой первый этап прессования моделируется пружиной Е1 малой жесткости (тело Гука) с защелкой на конце, второй этап - звеном, состоящим из соединенных параллельно тел Ньютона (η1) и Сен-Венана (GТ). Первое и второе звено вместе составляют уруговязкопластическое тело Бингмана. Деформации в таком теле после снятия нагрузки не исчезают, в нем сохраняются остаточные напряжения. Третий этап моделируется звеном (тело Кельвина) состоящим из соединенных параллельно тел Ньютона (η2) и Гука (Е2).

Представленная модель позволяет рассмотреть весь процесс сжатия материала, суммарная деформация которого составит

     (2.1)

При уплотнении в материале накапливается потенциальная энергия упругих деформаций, поэтому после снятия давления происходит упругое расширение, преимущественно в направлении прилагавшегося давления.

При изучении реологических свойств прессуемого материала рассматривают следующие основные показатели.

Напряжение - это мера внутренних сил, возникающих в твердом или твердообразном теле под действием приложенных к нему внешних воздействий (сил, температур и др.).

В толще сыпучего материала под влиянием массы лежащих выше слоев, а также приложенной внешней силы возникают нормальные напряжения сжатия δ среза , или касательные. При прессовании материала вдоль оси канала действует осевое усилие Ро прессования, которое на единицу площади Sк поперечного сечения канала оказывает осевое давление Р = Ро/Sк (Па).

Деформация - это относительное смещение частиц, при котором не нарушается непрерывность самого тела, т.е. сплошность среды. Способность деформироваться под действием внешних сил - основное свойство всех реальных тел.

Деформация сопровождается возникновением внутренних сил взаимодействия между частицами тела. Мерой интенсивности внутренних сил упругости является напряжение. Напряженное состояние в любой произвольно выбранной точке тела определяется напряжением в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через эту точку.

Всестороннее неравномерное сжатие осуществляется так» что в стадии упругих деформаций за счет наличия нор и пустот между частицами происходит поперечное удлинение любого элемента монолита, в результате возникают касательные напряжения сдвига. Напряжение сдвига равно отношению силы, действующей в плоскости сдвига, к площади поверхности сдвига, Минимальная сила, необходимая для осуществления сдвига, определяется 

Рис. 1. Схема реологической модели процесса прессования травяной муки (по Г.Я. Фарбману).

предельным напряжением о сдвига (предел текучести).

Вязкость материала - это отношение напряжения сдвига к скорости сдвига. Вязкость является мерой сопротивления сдвигу, возникающему при вязкопластическом течении, и оценивается динамическим коэффициентом вязкости

      (2.2)

где - градиент скорости.

Релаксацией называется процесс постепенного уменьшения (рассасывания) действующих напряжений до нуля или до какой-нибудь величины при неизменяющейся во времени деформации. В.И. Особов показал, что процесс релаксации клеверо-тимофеечного сена можно условно разделить на две стадии: первую, когда снижение напряжений происходит быстро, и вторую, когда напряжение затухает медленно. Подразделение на стадии имеет практическое значение при организации рабочего процесса пресса, в каналах которого материал может находится ограниченное время. По данным И.А.Долгова, различие в кривых релаксации разных сеносоломистых материалов незначительно и снижение напряжений составляет 33-37% от Рмах.

Ползучесть - свойство, противоположное релаксации, т.е. постепенное нарастание во времени суммарной деформации при сохранении постоянного напряжения.

Более полное представление о развитии деформаций во времени дают кривые кинетики ε=ƒ(t), полученные при напряжениях превышающих предел текучести ( > T) при нагрузке? и продолжающееся после ее: снятия. Наблюдения показывают, чем меньше начальная плотность материала, тем больше проявляются явления ползучести.

3. Рабочий процесс грануляторов и брикетировщиков кормов

3.1. Технологические операции в процессе  уплотнения кормов прессованием

Технологический процесс уплотнения кормов сухим способом состоит из следующих основных последовательно осуществляемых операций: кондиционирования сырья, подачи материала в пресс и распределения его по рабочей поверхности матрицы, прессования материала и охлаждения готовых монолитов.

Кондиционирование исходных сыпучих материалов производится с целью направленного изменения их структурно-механических свойств (плотность, вязкость и др.) и физического состояния (влажность, температура) путем воздействия на частицы водой и теплом, а также введения связующих веществ (меласса, жиры и др.), повышающих прочность гранул или брикетов. При этом кондиционирование как обязательную операцию, связанную с уплотнением, не следует отождествлять с операцией смешивания', которая нередко проводится перед уплотнением с целью обогащения рациона питательными веществами.

Подача подготовленного материала на прессование и распределение его по рабочей поверхности матрицы является важнейшей технологической операцией. Равномерность доз подаваемого материала предопределяет и равномерное распределение его под прессующие вальцы и по рабочей поверхности матрицы. Применяют два способа подачи материала в пресс: самотечный и принудительный.

Самотечный способ наиболее распространен при гранулировании сыпучего сырья и представляет собой свободное истечение материала из смесителя - кондиционер» в приемное устройство. Приемное распределительное устройство состоит из приемника конической или цилиндрической формы и распределительных направляющих лопаток. Такой способ подачи и распределения материала между вальцами и по рабочей поверхности матрицы носит случайный характер и зависит от множества факторов. Принудительный способ обеспечивает наиболее равномерное распределение материала при прессовании за счет индивидуальной его доставки к каждой прессующей паре шнековыми питателями. Этот способ требует усложнения конструкции пресса и применяется на брикетировщиках повышенной производительности.

Прессование, будучи основной операцией в процессе, производится с целью получения из рассыпных материалов монолитов необходимой плотности и прочности путем формирования их в закрытой или открытой камере (канале) прессование под воздействием приложенного усилия.

Охлаждение готовых монолитов после выхода из пресса производится для того, чтобы привести их в тепловое равновесие с окружающей средой и снять внутренние остаточные напряжения.

При этом влажность несколько понижается (на 1,5-3%) и становится равновесной, что обеспечивает прочность. Температура гранул и брикетов должна превышать температуру окружающей среды более чем на 8-10°К.

3.2. Кондиционирование кормового сырья

Основным назначением кондиционирования является повышение пластичности прессирования материала посредством воды или пара. Необходимым условием выполнения процесса кондиционирования является создание взвешенного состояния обрабатываемого материала и распыленного до туманообразного состояния пластификатора, который осаждается на частицах, обволакивая тонким слоем их поверхность. Наиболее активно протекает процесс при повышенной температуре, когда пластификатор вводится в материал в виде пара.

Время контакта частиц с влагой определяет форму связи и является одним из главных факторов в процессе образования гранул. Для наилучшего протекания процесса прессования необходимо, чтобы время контакта было бы меньше времени капиллярной конденсации влаги и набухания частиц. Время капиллярной конденсации определяется физико-механическими свойствами травяной муки (способностью ее к влагопоглащению и др.), а также физическим; состоянием воды и ее температурой.

Физическое состояние воды (сплошная струя, туманообразное состояние, пар) определяют равномерность увлажнения частиц, а температура кондиционирования - скорость протекания физических процессов (пластификации, перемещения влаги и заполнения ее ультра- и микропор, набухания частиц и др.). С повышением температуры снижается плотность воды, проникающая способность ее возрастает и время капиллярной конденсации уменьшается.

Бремя контакта частиц с влагой складывается (применительно к существующим грануляторам и брикетировщикам) из времени нахождения травяной муки в смесителе и времени перемещения ее по лотку в прессующий узел. Для получения качественных гранул и снижения затрат энергии на прессование время контакта влаги с частицами травяной муки должно'быть минимальным.

Исследования по вопросам кондиционирования кормов выполнялось под руководством профессора С.Б. Мельникова и В.Ф. Некрашевича.

Известны следующие способы кондиционирования кормов: водой (холодной или горячей), сухим паром введением связующих веществ и комбинированным способом с электронагревом. В зависимости от принятого способа конструктивные схемы кондиционеров будут различными. Основное технологическое требование, предъявляемое к системам кондиционирования, - способствовать возникновению или усилий действий сил сцепления между частицами материала. Частица, попавшая в кондиционер-смеситель, за минимальный промежуток времени должна быть покрыта снаружи молекулами воды или связующих веществ. Проникновение воды во внутрь частиц (адсорбция) нежелательна, так как при набухании их труднее прессовать.

Для кондиционирования водой или паром применяют быстроходные лопастные смесители, схемы которых приведены на рис.2 Основное отличие одного смесителя от другого - расположения патрубков для подвода пара, меласс и воды к обрабатываемому материалу. При этом достигается аффект наилучшего контакта пластификатора с частицами материала в процессе работы быстроходного смесителя.

Основным способом кондиционирования кормов перед прессованием является увлажнение водой или паром с последующим нагреванием их и тщательным перемешиванием.

Рис.2. Конструктивно-технологические схемы кондиционеров-смесителей кормов прессовального оборудования:

а - 0Г4-0,8А; б - 0ГМ-1,5А; в - Д-03(ГДР); г - ДПБ (ГДР); лд- “0 бит” (Англия)

Применение пара позволяет повысить производительность прессов и получить монолиты большей прочности. Однако для производства сухого пара давлением до 0,5 МПа требуется иметь специализированную котельную и штат дипломированных кочегаров. В силу этого пар для кондиционирования применяется лишь на предприятиях комбикормовой промышленности и крупных кормобрикетных заводах промышленных комплексов.

На фермах с ограниченным объемом производства уплотненных кормов кондиционирование ведут водой.

Давление впрыска воды в материал через форсунки с выходным отверстием диаметром 1-1,2 мм должно быть не менее 300-600 к.

4. Оборудование для уплотнения  кормов прессованием

4.1. Оборудование для гранулирования

В зависимости от типа рабочих органов прессы-грануляторы делятся на формующие (поршневые, штемпельные), прокатывающие (вальцовые), выдавливающие (экструдеры). Классификация прессов рдя гранулирования сухим способом разработана Г.Я. Фарбаном. В настоящее время наибольшее распространение; получили вальцовые прессы с кольцевой матрицей. Отечественная промышленность выпускает оборудование 0ГМ-0,8А; 0ГМ-0,8Б; 0ГМ-1,5А; ОГК-3, сходное по конструкции, но отличающееся размерами.

Рассмотрим устройство и работу оборудования 0ГМ-0,6Б, предназначенного для приготовления гранул из травяной муки.

Схема технологического процесса оборудования ОГМ4-О,6Б представлена на рис. 3. Травяная мука из агрегата ABiM-0,65P 18 поступает через заборник 1 в бункер дозатора 2. Ворошилка 3 равномерно подает муку в дозатор, который регулирует ее поступление в смеситель 7 путем изменения частоты вращения шнека 6. По выходе из дозатора мука увлажняется водой, поступающей из емкости 4 с помощью насоса 5 через систему ввода и распылитель. Вместе с водой могут вводится антиоксиданты и связующие вещества равномерность увлажнения и однородность смешивания обеспечивает быстроходный лопастной смеситель-кондиционер 7. Из смесителя кондиционированная мука самотеком поступает в приемник пресса 8, откуда направляющими лопатками подводится на внутреннюю поверхность матрицы 9. Выдавленные прессующими вальцами из рабочих отверстий матрицы монолиты (столбики) спрессованного материала встречаются с неподвижными ножами и обламываются, образуя гранулы. Температура выходящих из пресса гранул составляет 350-380°К. Гранулы направляются в охладитель 11, представляющий собой ленточный транспортер 10, сверху и с боков закрытий кожухом. Транспортерная лента состоит из сетки, которая загружается слоем гранул, а через нее и гранулы с нижней части транспортера просасывается воздух, поток которого создает вентилятор циклона 17, Одновременно воздушный поток отсасывает часть негранулированной муки. Несгранулированная мука травяная оседает в циклоне и направляется в дозатор для повторного гранулирования.

В процессе охлаждения влажность гранул снижается на 1,5-2%, гранулы обретают необходимую твердость, прочность влажность и температуру.

Из охладителя  гранулы выводятся и сортировочную колонку 13, где в потоке воздуха, создаваемом вентилятором, происходит отделение кондиционных гранул от крошки и не гранулированной муки. Кондиционные гранулы пневмотранспортером подаются в бункер временного накопления 14 или отбираются в мешки. Из бункера гранулы транспортным средством россыпью отводят в хранилища. Негранулированная мука и крошка отсасываются Воздушным потоком, создаваемым вентилятором 17, и направляются в дозатор д.ля повторного гранулирования.

Основная сборочная единица в комплекте оборудования ОГМ-0,8А - гранулятор, который состоит из шнекового дозатора, лопастного смесителя, пресса и редуктора привода дозатора. Пресс гранулятор состоит из узла прессования с вертикальной кольцевой матрицей и двумя пассивными вальцами, редуктора и привода. В грануляторе предусмотрена защита пресса от чрезмерных перегрузок.

При попадании в прессующую пару (матрицу и валец) постороннего твердого предмета происходит - заклинивание и нагрузка передается через крестовину на вал вальца. Противоположный шлицевой конец вала вальцов закреплен фланцем через срезные штифты к корпусу редуктора. Возросшая нагрузка, передаваемая фланцем на штифты, вызывает их срез, и вал вальцов может вращаться вместе с матрицей как одно целое. Установленный конечный включатель отсоединяет от сети электродвигатель и останавливает пресс, предохранив его от поломки.

Между рабочими поверхностями вальцов и матрицы выдерживается зазор 0,3-0,5 мм, который устанавливают развалом вальцов с помощью специальных рычагов и болтов на передней плите прессующего узла.

Таблица 2

Техническая характеристика грануляторов 

4.2. Оборудование для брикетирования

Несмотря на общность законов уплотнения кормов и единую конструктивную схему, брикетировачные прессы составляют самостоятельную группу, машин, отличающихся от прессов-грануляторов. Эти отличия обусловлены разнообразием свойств уплотняемых кормов, широкой их номенклатурой и различиями в требованиях, предъявляемых к брикетам и гранулам. В частности, необходимость иметь брикеты разной плотности привела к созданию регулируемых каналов прессования, у которых может изменяться площадь поперечного сечения или длина канала. Брикеты, предназначенные для крупного рогатого скота (в состав входит грубые корма), имеют размеры, во много раз превосходящие размеры гранул. Брикетные прессы по конструкции могут быть штемпельные и вальцовые с кольцевой матрицей выдавливающего типа,

Пресс брикетный четырехштемпельный ПБС-3 конструкции BUM состоит из рамы, приемной камеры, брикетирующего узла, камеры прессования, увлажнителя-кондиционера и электрооборудования. Брикетирующий узел состоит из двух параллельно работающих кривошипно-шатунных механизмов и делительной камеры. Крейцкопф (ползун) каждого шатуна несет на себе по два штемпеля, формирующих брикеты цилиндрической формы. Производительность пресса - до 3 т/ч, мощность электродвигателя - 55 кВт. Прессы такого типа используют сравнительно редко.

Наибольшее распространение получили вальцовые прессы с неподвижной кольцевой матрицей и приводным водилом вальцов, работающие в составе комплектов оборудования 0ПК-2А, ОПК-3, ОПК-5. Оборудование ОПК предназначено для приготовления брикетов из кормовых смесей, включающих сечку из высушенных на агрегатах АБМ трав, измельченную солому, комбикорма и балансирующие добавки, а также для приготовления гранул из травяной муки или комбикормов, получаемых от агрегатов типа ОЦК. Комплекты оборудования имеют единую технологическою схему и различаются между собой производительностью и размерами основных сборочных единиц. Б качестве примера рассмотрим универсальный комплект оборудования ОПК-2А, предназначенный для получения гранул и брикетов. Его модификация ОПК-2А-1 служит для гранулирования; ОПК-2А-1СК - для гранулирования комбикормов и получения крупки для кормления птицы; ОПК-2А-2 - для брикетирования кормов.

Оборудование 0IK-2A состоит из пресса и целого ряда узлов, объединенных в системы; питания, смешивания, накопления корма и его дозирования, кондиционирования, сепарирования зерновых кормов, охлаждения гранул и брикетов.

Основной рабочий орган - пресс, который состоит из редуктора, сменных прессующих узлов, подъемника для смены матрицы и электродвигателя, установленного на общей плите с редуктором. Прессующий узел состоит из сборной неподвижной матрицы с механизмом для регулирования длины