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

Показатели	Форма уплотнения кормов
	Тюки		Рулоны и жгуты	брикеты	гранулы
	обычные	высокой
Размеры частиц исходного материала, мм.	Неизмельченные стебельные корма 400-800			Резка дли-ной 5-50 мм.	Комбикорм, дерть трав, мука, 0,3-1,8.
Размеры монолита, мм.	От 300×400 До 400×600	250×380	Рулоны, 800×1000;	От 30×30 Диаметр До 100×100        10-20
Длина, мм	600×1300	800×900	Рулоны, 1000×1200; жгуты 100×400	20×200	12-30
Плотность, кг/м3	120-150	200-400	300-600	600-900	1000-1300
Способ сохране-ния, формы моно-лита	Обвязка проволокой или шпагатом		Рулоны, об-вязка шпага-том; жгуты, механичес-кое сцепление частиц.	Внутренние силы взаимо-действия частиц
				Механичес-кое сцеп-ление частиц.	Адгезионные силы связую-щих веществ.

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.