Лекція 7

Машини і обладнання для приготування кормових сумішей. Механізація змішування кормів

Обладнання для змішування кормів.

1. Основи теорії змішування. Важливою умовою високоефективного використання кормів при виробництві продукції тваринництва є годування тварин і птиці повноцінними кормовими сумішами, збалансованими за поживними речовинами, вітамінами і мікроелементами у відповідності до запланованої продуктивності. Особливе місце при цьому відводиться якості змішування кормової суміші, яка прямою мірою впливає на продуктивність тварин і птиці. Тому оцінка якості роботи змішувачів необхідна як при їхній експлуатації, так і при проектуванні нових. Змішування - це такий механічний процес, у результаті якого компоненти, які початково знаходяться роздільно, після рівномірного розподілення кожного із них у змішуваному об'ємі матеріалу утворюють однорідну суміш. В ідеальному варіанті це така суміш, коли в кожній її точці до кожної частинки одного із компонентів прилягають частинки інших компонентів у кількості, зумовленій заданим співвідношенням компонентів. У технологічних процесах приготування кормів застосовують механічне змішування. Пристрої, за допомогою яких здійснюється цей процес, називають змішувачами, а їх робочі органи - мішалками. Залежно від агрегатного стану змішуваних речовин (компонентів) потрібне різне апаратурне оформлення. Найпростіше отримати систему «рідина - рідина» у вигляді розчину або однорідної емульсії. Наприклад, за допомогою насоса-емульсатора готують замінники цілісного молока. Декілька важче отримати стійку суспензію (суспензію), що представляє суміш рідкої фази з твердою. Так, для свиней готують «базіку» - суміш комбікорму з водою. Труднощі зустрічаються при змішуванні твердих речовин; серед них легше змішуються сипкі, зернисті матеріали, наприклад зернові компоненти при виробництві комбікормів (у комбікормовій промисловості компоненти називають інгредієнтами). Практично не змішуються довговолокнисті матеріали. Тому приготування сумішей із стеблових кормів проводять за принципом утворення «листкового пирога» шляхом видачі декількох компонентів на один збірний транспортер. Кормовими сумішами (окрім рідких) є механічні системи з сипких (зернистих або волокнистих) матеріалів, крайніми станами яких є повне змішення або повний розподіл. Ідеальний випадок повного змішення частинок двох компонентів представлений на мал. 1, а. Всі проби, узяті з повністю змішаного шару, повинні мати однаковий склад. Проте такого стану не можна досягти в результаті механічного змішування, а можна отримати тільки поперемінним укладанням частинок двох компонентів (впорядкований стан).

2

Стан повного змішення, визначуваний статистично, є неврегульованим станом (мал. 1, б). Це такий стан, при якому вірогідність знаходження частинки даного компоненту в довільній крапці є постійна величина, рівна довше цього компоненту у всій масі. Неврегульований стан може бути досягнуте в технологічній операції змішування.

а б Рис. 1 – Стан повного змішування двокомпонентної суміші: а) – впорядкований стан; б) – невпорядкований стан.

При змішуванні сипких компонентів велике значення мають співвідношення показників їх щільності і об'ємів. Чим це співвідношення ближче до одиниці, тим швидше і легше відбувається процес змішування і досягається необхідний ступінь однорідності суміші. Це необхідно враховувати при виборі наповнювача для приготування збагачувальних сумішей (БВД, премікси). Чим менше розміри частинок компонентів і ніж більш вирівнюється є їх гранулометричний склад, тим легко отримати задану однорідність суміші. Якщо середні розміри частинок одного компоненту значно відрізняються від розмірів частинок іншого, то однорідну суміш отримати важко. Під терміном «співвідношення компонентів» розуміється відношення кількості більшого компоненту до меншого. Чим менше це співвідношення (у межі рівно одиниці), тим швидше за всіх інших рівних умов досягається заданий ступінь однорідності. Змішування (або перемішування) проводять різними способами. У техніці найбільш поширено змішування при допомозі: 1) рухомих лопатей; 2) обертання камери (резервуару) змішувача; 3) пропускання маси через сопла; 4) стислого повітря, пари або рідини; 5) вібрацій, ультразвуку, електрогідравлічного ефекту і ін. Перші три способи називаються механічними, четвертий - пневматичним, останні - кавітаційний, або імпульсними. Змішування може бути основним або супутнім технологічним процесом. Кількісною характеристикою завершеності процесу змішування є ступінь однорідності суміші, що є масовим відношенням змісту контрольного компоненту в аналізованій пробі до вмісту того ж компоненту в ідеальній суміші (рецептурною), виражене у відсотках або долях одиниці.

3

Для визначення ступеня θ однорідності на основі аналізу узятих проб застосовують формулу:

при

() 0

0

t

t

B B

BB

n

θ ≤= ∑

при

() 00

0

2 t

t

B BB

BB

n

θ −

⎡⎤ ⎣⎦≥= ∑ де n- число проб; t B - частка меншого компоненту в пробі; 0 B - частка меншого компоненту в ідеальній (розрахунковою) суміші.

З таких умов ступінь однорідності визначається по формулі:

( ) ( ) 2 0 100 1 t

t

B B n B

θ

− − = ∑ , %

Таблиці 1 - Ступінь однорідності кормових суміші, яка відповідає зоотехнічним вимогам Призначення суміші Ступінь однорідності Суміші для: поросят у віці до 4 місяців 93% свиней усіх груп, старших 4 місяців 85-90% птахів 90% великої рогатої худоби 84-88% комбікорми власного виробництва для всіх видів тварин 90-95%

Для оцінки якості змішування запропоновано більше 20 критеріїв, які ба- зуються на аналізі проб, узятих із суміші, і відрізняються способами обробки результатів аналізу. Процес змішування можна вважати завершеним у тому випадку, коли в суміші дійсна кількість комбікорму і концентратів складає 97% (v=3%), соковитих – 93% (v=7%), рідких і води – 95% (v=5%) і мінеральних добавок – 98% (v=2%) від заданої у рецепті.

У теорії змішування важливе місце займають питання, направлені на вивчення самого механізму створення суміші, яке залежно від конструкції робочих органів змішувачів протікає по-різному. П. М. Лацей (Англія) виділяє наступні п'ять основних процесів, що протікають в апараті з мішалкою.

4

1. Створення в масі шару площин, що ковзають один по одному, - зрізаюче змішування. 2. Переміщення груп частинок з одного положення в інше - конвективне змішування. 3. Зміна позиції одиничними частинками шару - дифузійне змішування. 4. Розсіяння одиничних частинок під впливом їх зіткнень або ударів об стінки апарату - ударне змішування. 5. Деформація і розтирання частинок - подрібнення. Залежно від типу змішувача і структурно-механічних властивостей компонентів набуває домінуючого значення один або декілька з вказаних процесів.

а б

Рис. 2 – Криві кінетики процесу змішування: а) – залежність ступеня однорідності суміші від тривалості змішування; б) – характер протилежного процесу (сегрегації); М-М – рівномірний стан суміши.

При дослідженні процесів змішування сухих і вологих розсипних кормів вивчається головним чином кінетика зміни масової частки взаємодіючих компонентів. При цьому встановлено, що повного змішування можна досягти тільки в ідеальній системі. У реальних системах спостерігаються два взаємно протилежних процесу – створення суміші і сегрегація (зворотне розділення суміші на компоненти, що становлять). Так, встановлено, що після закінчення деякого часу змішування компонентів комбікорму наступає гранично рівноважний стан суміші, відомий під назвою «динамічна рівновага», при якій, не дивлячись на просторовий перерозподіл частинок, що продовжується, масова частка досліджуваного компоненту у виділеній із загального об'єму пробі практично не міняється; тому продовжувати подальше змішування виявляється даремним. Якщо частинки компонентів відрізняються розмірами, формою або щільністю, то в системі виникають явище, що викликають неоднорідність кінцевої суміші; відбувається укладання частинок. Після досягнення стану «динамічної рівноваги» в такій системі при продовженні процесу змішування

5

ступінь однорідності зменшується і суміш взагалі не досягає стану повного змішування (мал. 2, би, криві 1 і 2).

2. Класифікація змішувачів. Типи робочих органів машин.

Існують різні конструкції змішувачів кормів, які можна класифікувати на декілька груп за такими ознаками: за принципом дії - безперервної та періодичної дії; за розміщенням робочих органів - із горизонтальним, похилим і верти- кальним розміщенням робочих органів; за конструкцією робочих органів - шнекові, лопатеві, барабанні, пропелерні і комбіновані; за видом суміші, яку готують - для сухих, вологих, тістоподібних і рідких кормів (рис.2).

Рисунок 3 – Класифікація змішувачів кормів

6

Рисунок 4 - Схеми змішувачів кормів: а, б – шнекові горизонтальні безперервної дії; в – шнековий вертикальний періодичної дії; г, д –лопатеві періодичної дії; е – барабанний періодичної дії; ж – пропелерний Конструкції робочих органів змішувачів залежать від фізико-механічних і технологічних властивостей змішуваних компонентів і виготовляються у вигляді шнеків, лопастей, гвинтових стрічок, пропелерів або гвинтових турбін. Схеми змішувачів кормів показані на рисунку 5.

Рисунок 5 – Типи робочих органів: 1, 2, 3 – шнекові; 4, 5 – лопатеві; 6, 7, 8 – стрічкові, гвинтові; 9, 10, 11, 12 – турбіні; 13, 14, 15, 16 – пропелерні.

У змішувачах періодичної дії виконуються такі операції: завантаження кормів, змішування і вивантаження готової кормової суміші. Позитивним даного технологічного процесу є можливість застосування вагового дозування, яке дозволяє готувати кормові суміші з мінімальним відхиленням компонентів від

7

заданих. Однак вони не придатні для змішування сипучих кормів із рідинами за умови, коли частка рідини складає менше 1%. Змішувачі періодичної дії поступаються безперервним за продуктивністю, енерго- і металомісткістю. Змішувач кормів С-12 (рис.6 у призентації) використовують для приготування сирих та запарених кормових сумішів на свинофермах та фермах великої рогатої худоби, випускається в двох модифікаціях. До комплексу змішувача входить пускозахистна електроапаратура для підключення в мережу з напругою 220/380 В. в середині змішувача розміщені дві лопатеві мішалки та вивантажувальний шнек. Кожна мішалка має вісім лопатей, які закріплені на валах по гвинтовій лінії через кожні 150.мішалки обертаються в різні сторони в напрямку від бокових стінок змішувача до центру. Лопаті правої мішалки переміщують кормову суміш в напрямку приводної станції, лопаті лівої мішалки – в напрямку розвантажувальної горловини. Одночасно з переміщенням маси повздовж валів мішалок. Маса інтенсивно переміщується в площині лопатей. Наслідком чого є інтенсивне переміщування кормової суміші. Вивантажувальний шнек розміщено в жолобі, який міститься в нижній частині корпусу змішувача між лопатями. Він зблокований з механізмом клинової засувки і вмикається на вивантаження кормів тільки після повного відкриття вивантажувальної горловини. Пару змішувача подають через труби, які розміщені в нижній частині корпусу. Усі вентилі зв’язані однією тягою і відкриваються одночасно. Вода, молочні відходи, мелясні розчини та інші рідкі домішки надходять до змішувача по двох трубах, які містяться в верхній частині корпусу. Отвори в трубах розміщені так, що вода і рідкі домішки подаються в зону активного переміщування кормів мішалками. Зверху змішувач закривається дев’ятьма дерев’яними кришками. В одній кришці вмонтовані завантажувальна горловина з шиберною засувкою, а в іншій – оглядовий люк. У змішувачах безперервної дії всі три операції (завантаження, змішування і вивантаження готового продукту) здійснюється одночасно, що забезпечує більш високу продуктивність і висуває більш жорсткі вимоги до величини і рівномірності дозування вихідних компонентів. За швидкістю обертання робочих органів змішувачі поділяються на тихохідні і швидкохідні. Тихохідними називають змішувачі, в яких показник кінематичного режиму дорівнює : 30 g Rk 2 < ω = , а швидкохідними такі, в яких цей показник дорівнює: 30 g Rk 2 > ω = де ω – кутова швидкість робочого органа, 1 c− ; R – максимальний радіус робочого органа, м; g – прискорення сили тяжіння, 2 мс .

При виробництві сухих кормових сумішей використовують переважно змішувачі з вертикальним розміщенням робочих органів. Для вологих кормів рекомендують використовувати горизонтальні змішувачі.

8

При необхідності у змішувачах проводиться запарювання кормів. В основ- ному, запарювання проводиться в змішувачах періодичної дії, тому що на процес запарювання необхідно витратити час, необхідний для підігрівання корму до необхідної температури. Завантаження змішувачів проводиться за допомогою дозаторів. При цьому змішувачі безперервної дії завантажуються компонентами суміші дозаторами безперервної дії та, їхня продуктивність повинна мати таке ж співвідношення, як і задане співвідношення компонентів у готовій суміші. Змішувачі періодичної дії завантажуються необхідними компонентами за заданий проміжок часу (звичайно, це 10 - 15 хвилин). Продуктивність дозаторів повинна забезпечити завантаження необхідної кількості компонентів за цей час.

3. Шнекові змішувачі Горизонтальні шнекові змішувачі безперервної дії Шнекові змішувачі безперервної дії (рисунок 4 а і б) використовують для змішування всіх видів кормів, за винятком рідких. Вони найбільш придатні для приготування комбікормів. Принцип їхньої дії такий. Компоненти безперервним потоком у відповідному співвідношенні подають у приймальний бункер, а потім – у робочу камеру, де під впливом робочого органа інтенсивно переміщуються і змішуються, проходячи одночасно до вихідного отвору. Довжина змішувача вибирається така, щоб за час руху в ньому компоненти змішались з потрібною ступенем однорідності. Масова продуктивність шнекових змішувачів безперервної дії визначається за формулою ⋅ϕ⋅ρ⋅ν ⋅−π = 4 d)(DQ 22 , кг/с

де D і d – зовнішній діаметр шнека і діаметр вала шнека відповідно, м; ϕ –коефіцієнт заповнення шнека, .4 ...0.30= ϕ ; ν – осьова швидкість переміщення продукту, м/с.

Для робочого органа у вигляді суцільного шнека

π ω⋅

ν=

⋅

ν=

2 S,

60 Sn шш , м/с

де S – крок шнека, м; n – швидкість обертання шнека, об/ хв.

9

Для змішувачів із комбінованими робочими органами (шнек – лопать)

π ε⋅ω⋅

ν=

ε⋅⋅

ν=

2

S,

60 Sn кк , м/с

де ε – коефіцієнт втрати швидкості, . 8.0. 6...0= ε

Багатовальні шнекові змішувачі безперервної дії Продуктивність багатовальних шнекових змішувачів безперервної дії визначається з урахуванням одночасної роботи всіх шнеків

1p zQQ ⋅ϕ⋅= , кг/с

де z – кількість шнеків; 1 ϕ – коефіцієнт, який враховує перекриття робочими деталями вільного перерізу шнека, визначається за конструкцією змішувача; p Q – розрахункова продуктивність одного шнека, кг/с.

Вертикальні шнекові змішувачі періодичної дії Вертикальні шнекові змішувачі періодичної дії призначенні для приготування сумішей кормів із сухих компонентів (рисунок 6). Процес змішування відбувається таким чином. Окремі компоненти завантажують у змішувач у кількості, що дорівнює його робочому об’єму. Потім вмикають шнек, кутова швидкість якого повинна бути в межах 10…15 1 −c . Нижні шари корму захоплюються шнеком, підіймаються вгору і опускаються вниз уздовж стінок корпусу. Така циркуляція протягом 5…8 хвилин забезпечує змішування компонентів в однорідну кормову суміш.

Рисунок 6 - Вертикальний шнековий змішувач періодичної дії: 1 – бункер; 2 – труба; 3 – шнек; 4 – електропривод заслінки; 5 – рама; 6 – завантажувальний патрубок; 7 – вивантажувальна горловина; 8 – заслінка; 9 – оглядове вікно; 10 –

10

аспіраційний патрубок; 11 – шків приводу заслінки; 12 – корпус підшипника; 13 – електродвигун; 14, 17 – кінетичний вимикач; 15 – шток; 16 –рама

При виготовленні таких змішувачів дотримуються співвідношення:

.5...22

D H = і .35 ...0.250 D d = де H і D – висота та діаметр робочої камери, м; d – діаметр шнека, м. Продуктивність вертикальних шнекових змішувачів визначається за формулою:

цt MQ = , кг/год. де М – маса корму, що завантажується в змішувач, кг; ц t – тривалість циклу роботи змішувача, год. змвцз tttt ++= , год.

де змв з t і,tt – тривалість завантаження, змішування і вивантаження відповідно, год.