Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm và tiêu thụ năng lượng của máy trộn thức ăn chăn nuôi kiểu nằm ngang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, xác định một số các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau trộn và tiêu thụ năng lượng riêng của máy trộn, trên cơ sở đó tìm bộ thông số phù hợp nhằm tăng chất lượng sản phẩm sau khi trộn và giảm tiêu thụ năng lượng riêng của máy trộn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm và tiêu thụ năng lượng của máy trộn thức ăn chăn nuôi kiểu nằm ngang

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thức ăn chăn nuôi chiếm phần lớn chi phí chăn nuôi (60 – 80%). Năm 2006, tỷ lệ sử dụng thức ăn công nghiệp trong ngành chăn nuôi của Việt Nam là 41,6%, thấp hơn mức trung bình của thế giới là 48,2% và đặc biệt thấp hơn các nước có ngành chăn nuôi phát triển như Thụy Điển, Na Uy, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc với tỷ lệ sử dụng thức ăn công nghiệp trên 80% (Bộ NN & PTNT, 2007). Các doanh nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi vừa và nhỏ chiếm hơn 90% doanh nghiệp sản xuất thức ăn hiện nay, được đánh giá là yếu hơn các doanh nghiệp quy mô lớn về quản lý chất lượng và công nghệ (Dự án 030/06VIE, 2010). Vì thế, để đạt được kỳ vọng đó, một trong những nhân tố quan trọng là phát triển công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi, đặc biệt là quy mô vừa và nhỏ (2 – 5Tấn/h) với trang thiết bị đồng bộ nhằm nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, trong đó có khâu cuối cùng- khâu trộn thức ăn là quan trọng. Trên thế giới hiện có rất nhiều các loại máy trộn thức ăn chăn nuôi được nghiên cứu và chế tạo, phần lớn các tác giả tập trung nghiên cứu máy trộn cánh gạt, nằm ngang, làm việc gián đoạn hoặc liên tục, nhất là kiểu hai trục cánh trộn; nhưng việc nghiên cứu vẫn chưa toàn diện, chủ yếu mang tính chất thực nghiệm. Việc xác định các thông số của quá trình trộn và quy luật trộn gặp khó khăn do nhiều yếu tố biến đổi ảnh hưởng đến động lực học của máy trộn như: thông số chế tạo, cơ lý tính của các thành phần thức ăn, nguyên lý trộn và các chỉ số công nghệ khác... Tại Việt Nam, máy trộn thức ăn chăn nuôi trong các dây chuyền sản xuất được nhập khẩu từ nước ngoài hoặc chế tạo theo kinh nghiệm với rất nhiều kiểu dáng, công suất khác nhau; Cho đến nay việc nghiên cứu lý thuyết tính toán cũng như thực nghiệm cho máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang kiểu cánh gạt (loại máy trộn đang được sử dụng phổ biến trong các cơ sở chế biến thức ăn chăn nuôi quy mô vừa và nhỏ) vẫn chưa được các nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu, thiết kế. Đặc biệt là chỉ tiêu về độ đồng đều của sản phẩm sau trộn, tiết kiệm chi phí năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy nếu độ động đều của sản phẩm thức ăn chăn nuôi sau trộn nhỏ hơn 90 % thì độ tăng trọng của vật nuôi sẽ giảm từ 5 – 10 % [27],[28]; tuy nhiên nếu tăng độ đồng đều của sản phẩm sau trộn mà không quan tâm đến chi phí năng lượng thì giá thành sản phẩm sẽ cao. Trong khi đó giá
2 thức ăn chăn nuôi công nghiệp ở Việt Nam hiện nay cao hơn khoảng 10-15% so với các nước khác trong khu vực như Thái Lan hay Trung Quốc (www.mard.gov.vn). Chi phí chăn nuôi cao là nguyên nhân quan trọng nhất dẫn tới khả năng cạnh tranh thấp của ngành chăn nuôi Việt Nam (IAE, 2005). Vì những lý do trên, việc tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số đến chất lƣợng sản phẩm và tiêu thụ năng lƣợng của máy trộn thức ăn chăn nuôi kiểu nằm ngang” đang là vấn đề cấp bách và có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu chung Nghiên cứu, xác định một số các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sau trộn và tiêu thụ năng lượng riêng của máy trộn, trên cơ sở đó tìm bộ thông số phù hợp nhằm tăng chất lượng sản phẩm sau khi trộn và giảm tiêu thụ năng lượng riêng của máy trộn. 2.2. Mục tiêu cụ thể -Tính toán các chuẩn số đồng dạng nhằm thiết kế chế tạo mô hình máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu chung; - Thực nghiệm xác định các thông số cơ bản ảnh hưởng đến độ đồng đều của thức ăn chăn nuôi và tiêu thụ năng lượng; - Xây dựng bộ thông số phù hợp trên máy trộn mô hình đáp ứng đồng thời hai chỉ tiêu: Độ đồng đều sản phẩm sau trộn >90 % và giảm tiêu thụ năng lượng riêng; - Xác định dãy máy trộn thức ăn chăn nuôi với các công suất khác nhau trên cơ sở máy trộn mô hình; - Đánh giá thử nghiệm độ tin cậy của máy thực. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Một số thông số chính của máy trộn bột khô, kiểu nằm ngang: Góc nâng cánh trộn, đường kính cánh trộn, đường kính thùng trộn, bước vít, tốc độ của vít trộn, thời gian trộn, khối lượng một mẻ trộn, chi phí công suất...; -Tính chất cơ bản của vật liệu trộn. 3.2.Phạm vi nghiên cứu
3 - Nghiên cứu máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang, kiểu cánh gạt, làm việc gián đoạn với công suất cỡ vừa (2  5 Tấn/h) tại Việt Nam. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1. Ý nghĩa khoa học - Phát triển hướng ứng dụng lý thuyết mô hình đồng dạng cho máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang trong: + Tính toán thiết kế mô hình thí nghiệm; + Xác định lực cản trên cánh máy trộn; + Xác định dãy máy trộn. - Phát triển mô hình toán mô tả quan hệ “vào – ra” của máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang trong dải công suất 2  5 Tấn/h. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn - Thiết kế máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang dùng cho thực nghiệm, từ đó đề xuất dãy máy trộn công suất 2 5 Tấn/h cho quy mô sản xuất vừa theo hướng tăng độ đồng đều sau trộn và tiết kiệm năng lượng. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra, lấy ý kiến chuyên gia, tập hợp thông tin; - Phương pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên; - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TR N TH C N CH N NU I 1.1. Thực trạng ngành chăn nuôi trên thế giới và ở Việt Nam 1.1.1. Tình hình chăn nuôi trên thế giới 1.1.2. Tình hình chăn nuôi ở Việt Nam 1.1.3. Tình hình chế biến thức ăn chăn nuôi trên thế giới và Việt Nam 1.1.3.1.Tình hình chế biến thức ăn chăn nuôi trên thế giới Hiện nay thức ăn gia cầm chiếm tỷ trọng cao nhất: 38%, tiếp đó là thức ăn cho lợn: 32%; thức ăn cho bò sữa: 17%; cho bò thịt: 7%; còn thức ăn cho thuỷ sản và các đối tượng vật nuôi khác chiếm 6%. Có khoảng 3.500 nhà máy thức ăn chăn nuôi
4 công suất lớn trên thế giới đảm nhận sản xuất trên 80% sản lượng thức ăn chăn nuôi toàn cầu. Thức ăn công nghiệp tiết kiệm được 40 - 48% nguyên liệu so với thức ăn truyền thống. Do đó các nước đầu tư khá lớn trong loại hình chế biến này. 1.1.3.2. Chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam Trong 10 năm trở lại đây, ngành chăn nuôi phát triển nhanh dẫn đến thúc đẩy ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi công nghiệp, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước đầu tư sản xuất thức ăn chăn nuôi với nhiều loại thiết bị, công nghệ hiện đại công suất từ 30.000 – 200.000 tấn/năm. Các dây chuyền có công suất từ 5.000 – 10.000 tấn/năm do nhập khẩu, hoặc trong nước chế tạo. Các doanh nghiệp lớn chiếm 65 % thị phần trong ngành sản xuất thức ăn chăn nuôi, nhưng có rất nhiều các doanh nghiệp qui mô vừa và nhỏ cũng đang hoạt động trong lĩnh vực này. Sức ép đè nặng lên các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước để duy trì được khả năng cạnh tranh. Nguyên nhân dẫn đến năng lực cạnh tranh thấp của các doanh nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi vừa và nhỏ trên thị trường là do thiết bị cũ công nghệ lạc hậu, chất lượng sản phẩm chưa cao. Để đẩy mạnh tốc độ phát triển ngành chăn nuôi Việt Nam, cần phát triển quy mô sản xuất của các doanh nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi vừa nhỏ theo hướng đầu tư được thiết bị sản xuất hiện đại với vốn đầu tư nhỏ, tiết kiệm chi phí năng lượng, đồng thời đảm bảo được tỉ lệ dinh dưỡng thức ăn trong mỗi kg sản phẩm (độ đồng đều của sản phẩm); đây cũng là hướng nghiên cứu mà đề tài quan tâm đến. 1.2. Công nghệ và thiết bị trộn của dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi 1.2.1. Dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi 1.2.2. Thiết bị trộn trong dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi 1.2.2.1. Thiết bị trộn trên thế giới Trong chế biến thức ăn chăn nuôi thì trộn hỗn hợp là khâu chế biến cuối cùng có vai trò rất quan trọng đối với chất lượng thức ăn chăn nuôi. Các nghiên cứu gần đây của ngành chăn nuôi cho thấy rằng: nếu độ trộn đều hỗn hợp nhỏ hơn 90% có thể làm giảm mức tăng trọng của gà và lợn từ 5 - 10% [27],[28].
5 Công nghệ trộn trong chế biến thức ăn chăn nuôi thường chia làm công nghệ trộn thức ăn chăn nuôi phối hợp, công nghệ trộn bổ sung thêm liều lượng đã trộn trước và công nghệ trộn thêm chất lỏng. Hình thức trộn chia thành hai loại: trộn mẻ (gián đoạn) và trộn liên tục. Về nghiên cứu quá trình trộn thức ăn chăn nuôi, hầu hết các tác giả trên thế giới đều thống nhất đánh giá: hệ số biến thiên độ trộn đều  (CV) đảm bảo chất lượng trộn như sau: - Thức ăn chăn nuôi hỗn hợp   10% (Hay độ trộn đều  90%); - Thức ăn đậm đặc   5% (Hay độ trộn đều  95%). Hãng Forberg, Nauy đã nghiên cứu thiết kế loại máy trộn ngang, cánh khuấy dạng tấm xẻng (hay còn gọi là tay trộn, lá trộn…) đảm bảo biến thiên độ trộn đều
6 Ở dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng bột, ngoài một số thiết bị phụ trợ (gầu tải, vít tải, quạt hút...), thiết bị chủ yếu là máy nghiền và máy trộn đứng. Đi tiên phong trong quy mô này là Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ Sau thu hoạch. Từ năm 2000 đến nay trên 50 dây chuyền đã được chuyển cho sản xuất. Mặc dù đã thiết kế, chế tạo được tất cả các máy, thiết bị trong dây chuyền, trừ máy ép viên, tuy nhiên chủ yếu là nghiên cứu dựa trên một số mẫu của nước ngoài và theo kinh nghiệm, thiếu các nghiên cứu cơ bản nên chưa đáp ứng được nhu cầu đa dạng của sản xuất. Nhận xét Tìm hiểu về tình hình ứng dụng các loại máy trộn thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam hiện nay và xu hướng sử dụng máy trộn thức ăn chăn nuôi trên thế giới, cho thấy các loại máy trộn liên tục được sử dụng trong các dây chuyền công suất lớn (trên 10Tấn/h); Máy trộn vít đứng được sử dụng nhiều trong các cơ sở chế biến thức ăn chăn nuôi phân tán (dưới 1Tấn/h) do công suất nhỏ và độ trộn đều thấp. Trong khi đó vấn đề đặt ra là nghiên cứu loại máy trộn phù hợp với quy mô sản suất thức ăn chăn nuôi vừa và nhỏ phổ biến tại Việt Nam hiện nay (công suất 2 5 Tấn/h) ; vì thế luận án tập trung nghiên cứu loại máy trộn ngang, làm việc gián đoạn, cụ thể là ba loại: cánh gạt một trục, cánh gạt hai trục và giải xoắn; nhằm thu hẹp được phạm vi nghiên cứu và hướng phát triển tiếp theo. 1.2.3. Các dạng máy trộn trục ngang, làm việc gián đoạn. 1.2.3.1. Máy trộn ngang một trục giải xoắn vít 1.2.3.2. Máy trộn ngang một trục kiểu cánh gạt 1.2.3.3. Máy trộn ngang hai trục kiểu cánh gạt 1.3. ột số nghiên cứu về máy trộn ngang Các nghiên cứu về: chế độ động học khi khuấy - trộn; công suất; thời gian trộn; độ trộn đều; vị trí đặt cánh trộn và biên dạng cánh; chuyển động của hạt trên bề mặt cánh; tính chất vật lý chủ yếu của vật liệu...được các nhà khoa học nghiên cứu tuy nhiên còn rời rạc thiếu tính hệ thống, chưa đảm bảo yêu cầu về chất lượng trộn và chi phí năng lượng trộn, cũng như phù hợp với đặc điểm kinh tế nông nghiệp Việt Nam, do đó cần quan tâm trong quá trình trộn: + Công suất: Cần quan tâm đến cả hai chuyển động: chuyển động dọc trục và chuyển động hướng trục; Ngoài ra, việc tính công suất trên máy không chỉ dựa trên
7 thông số cấu tạo của máy, mà cần phải quan tâm đến thông số khác: hệ số điền đầy, tính chất vật lý của hạt, hệ số Râynon…; + Góc nghiêng: Các nhà khoa học chỉ quan tâm nhiều đến góc nghiêng giữa cánh trộn và trục trộn  mà chưa quan tâm đến góc nghiêng giữa bàn tay trộn và cánh tay trộn , nếu có các góc i hợp lý trên bước vít, sẽ chép lại được biên dạng của vít tải, nhờ đó chuyển động dọc trục của vật liệu nhanh hơn; tuy nhiên còn phải tính đến tốc độ phù hợp để chuyển động hướng kính được quan tâm đầy đủ; + Biên dạng cánh trộn: Lực cản tác động lên cánh phụ thuộc rất nhiều đến biên dạng cánh; trong các máy trộn hiện nay, đa phần sử dụng biên dạng cánh hình vuông hoặc hình chữ nhật; Tác giả nhận thấy rằng, nếu biên dạng cánh có dạng giống như cánh trong máy trộn dải xoắn (tiết diện hình vành khăn) thì việc chuyển tiếp vật liệu giữa các cánh kề nhau sẽ linh hoạt, việc thay đổi lực cản sẽ biến thiên chậm; + Lực ma sát: Cần quan tâm đến cặp đôi ma sát: vật liệu trộn và vật liệu chế tạo buồng trộn, cánh trộn; GS.TSKH Nguyễn Bin [2] cũng đã đề cập đến mối quan hệ giữa công suất, thời gian trộn và tốc độ trộn với vật liệu chế tạo thùng trộn, tuy nhiên cũng chỉ dừng ở khái niệm “thùng nhẵn” và “thùng không nhẵn”…; Kết luận chƣơng 1 1. Thức ăn chăn nuôi chiếm phần lớn chi phí chăn nuôi (60 – 80%). Nếu sử thức ăn chăn nuôi công nghiệp sẽ tiết kiệm được nguyên liệu trong khâu chế biến, vật nuôi tăng trọng nhanh so với sử dụng thức ăn chăn nuôi truyền thống. Doanh nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam chiếm 90% nhưng hiệu quả sản xuất thấp, do dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi lạc hậu, chất lượng thức ăn chăn nuôi thấp; Cần phải đầu tư thiết bị sản xuất cho các doanh nghiệp này, đặc biệt là máy trộn theo hướng giảm vốn đầu tư ban đầu, tiết kiệm chi phí năng lượng trong sản xuất và tăng độ đồng đều của thức ăn chăn nuôi; 2. Các phân tích ở mục 1.2.2.1; 1.2.2.2 cho thấy, loại máy trộn được sử dụng nhiều trong các doanh nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi vừa và nhỏ hiện nay là máy trộn hai trục ngang, cánh gạt do cho độ trộn đều cao sau trộn, trộn được nhiều loại thức ăn, dễ chế tạo, dễ lắp đặt, tháo lắp và làm sạch thuận tiện, có khả năng bố trí vào liên hợp máy chế biến liên tục; tuy nhiên việc thiết kế, chế tạo máy được nghiên cứu rất rời rạc, nhiều thông số thiết kế chế tạo máy trộn: góc nghiêng, profin cánh, hệ số điền đầy, công suất động cơ… còn chưa đủ cơ sở khoa học để lựa chọn; đặc biệt là các nghiên cứu nhằm chế
8 tạo mẫu máy trộn ngang có độ đồng đều cao (trên 90%), giảm tiêu thụ năng lượng chưa được tiến hành; 3. Nét đặc trưng trong quá trình trộn phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của cơ cấu trộn, thường sử dụng hệ số Reynold. Hệ số Reynold thể hiện khả năng vận động của vật chất, là tỉ lệ giữa lực quán tính với lực cản do độ nhớt của vật liệu; 4. Vị trí đặt cánh trộn, góc nghiêng có ảnh hưởng lớn đến chi phí công suất của máy (bảng 1.10), tuy nhiên các tác giả chưa quan tâm đến góc nghiêng giữa bàn tay trộn và cánh tay trộn với tốc độ phù hợp nhằm đạt chất lượng sản phẩm sau trộn. Từ những nhận xét về tính thực tiễn, tính khoa học nêu trên luận án tập trung nghiên cứu cải tiến máy trộn ngang hai trục kiểu cánh gạt với những thông số phù hợp tăng được độ đồng đều thức ăn chăn nuôi và tiết kiệm chi phí năng lượng. CHƢƠNG 2 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN C U VÀ PHƢƠNG PH P NGHIÊN C U 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1. Nguyên liệu trong máy trộn thức ăn chăn nuôi Tính chất vật lí của nguyên liệu thức ăn chăn nuôi có ảnh hưởng rất lớn đối với công nghệ sản xuất thức ăn chọn. Đối với thức ăn chăn nuôi thể bột, đặc tính vật lí quan trọng là: Khối lượng riêng, Hệ số ma sát , Mật độ, Độ rỗng, Độ hạt của nguyên liệu … 2.1.2. Một số thông số cấu tạo và công nghệ của máy trộn thức ăn chăn nuôi Thông số đầu ra được xác định trong thực nghiệm trên mô hình máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang là tiêu thụ năng lượng riêng N/Q. Năng suất trộn Q phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: Q = f (D, , Lc, l1, S, , , , , , f, W, g) (2.1) Theo phương trình thứ nguyên, các chuẩn số nhận được sẽ là: Q D Lc S  1  ; 2    Frc ; 3  ; 4  ; 5  ;  gD 5 g D D D l1 d 6  ; 7  ; 8 = ; 9 = f; 10 = ; 11 = W D D Trong đó  2 là chuẩn số Frut (Fr) đặc trưng khi nghiên cứu tính chất dịch chuyển của dòng vật liệu có xét tới ảnh hưởng của trọng lực. Chuẩn số Fr là tỉ số giữa lực quán tính và lực trọng trường.
9 Theo định lý , phương trình biểu diễn 1 được viết dưới dạng: Q   2 D Lc l1 S d   1     , , , , , ,  , f ,  ,W  (2.2)  gD 5  g D D D D D  Để giảm được thông số “vào”, thay thế các thông số độc lập trong bảng 2.1 bằng các chuẩn số như phương trình (2.2). Khi tiến hành tiến hành thực nghiệm các chuẩn số đồng dạng trên máy trộn mô hình với cùng một điều kiện. Các thông số thay D S đổi là , S, , , lần lượt đặc trưng cho các chuẩn số:  2    Frc ;  4  ; 8 =  ; g D 10 = . Đây cũng chính là các thông số “vào” khi tiến hành thực nghiệm Bảng 2.1. Các thông số vào liên quan đến quá trình trộn Thứ nguyên: Các đại lƣợng M.L.T TT Ký Tên    hiệu 1 D Đường kính của cánh trộn 0 1 0 2  Tốc độ góc của trục trộn 0 0 -1 3 Lc Chiều dài của trục trộn 0 1 0 4 l1 Chiều dài phần cánh trộn 0 1 0 5 S Bước cánh tải 0 1 0 6  Hệ số điền đầy 0 0 0 7  Khe hở hướng kính 0 1 0 8 d Đường kính của trục trộn 0 1 0 9  Góc nghiêng của cánh trộn và bàn tay trộn 0 0 0 10 Q Năng suất 1 0 -1 11  Khối lượng riêng 1 -3 0 12 f Hệ số ma sát giữa vật liệu và bề mặt cơ cấu trộn 0 0 0 13 W Độ ẩm của bột 0 0 0 14 g Gia tốc trọng trường 0 1 -2
10 Nhƣ vậy: - Các chuẩn số ảnh hưởng đến quá trình trộn thức ăn chăn nuôi thể hiện qua phương trình (2.2); - Phân tích trên cho thấy các thông số đầu vào trong nghiên cứu mô hình máy trộn thức ăn chăn nuôi dạng trục ngang bao gồm 11 chuẩn số đồng dạng i (i = 2...12) thay vì 14 thông số độc lập (bảng 2.1). Điều này cho phép giảm số thí nghiệm, đồng thời vẫn đưa ra được nhiều thông số “đầu vào” là cơ sở để xác định và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ đồng đều của thức ăn chăn nuôi và tiêu thụ năng lượng của máy trộn. 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1. Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm 2.2.1.1. Bộ thông số thí nghiệm Trong điều kiện và khuôn khổ của đề tài, cùng với kết quả tính toán đã nêu trên, luận án chọn những thông số chính ảnh hưởng đến độ trộn đều và mức tiêu thụ điện năng riêng: - Chọn x1= 4; x1 = 4  S (mm) ; - Chọn x2=  8   (độ) D - Chọn x3 =  2    Frc ; x3  n (vòng/phút); g - Chọn x4 = 10   ; x4  q (kg); - Thời gian trộn: 1,5 ph; 2.2.1.2. Lập ma trận thí nghiệm, chọn phƣơng án quy hoạch thực nghiệm 2.2.1.3. Xác định mô hình toán 2.2.1.4. Xác định giá trị tối ƣu của các yếu tố hàm mục tiêu 2.2.1.5. Giải bài toán thƣơng lƣợng các giá trị tối ƣu giữa hai hàm mục tiêu 2.2.2. Phƣơng pháp xác định độ trộn đều của hỗn hợp sau khi trộn 2.2.3. Phƣơng pháp xác định công suất trộn Kết luận chƣơng 2 1. Nguyên liệu thức ăn chăn nuôi rất đa dạng. Tùy loại nguyên liệu, khối lượng riêng trên đơn vị thể tích của các loại vật liệu là khác nhau, hệ số ma sát cũng khác nhau. Đây là tính chất cơ bản của nguyên liệu ảnh hưởng đến quá trình trộn;
11 2. Phương pháp mô hình đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên là phương pháp nghiên cứu khoa học cho phép xác định và giải thích những qui luật tổng quát của các hiện tượng, các quá trình xảy ra và thiết lập mối quan hệ nghiên cứu hệ thống. Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng đối với máy trộn thức ăn chăn nuôi (Bảng 2.1), tính các chuẩn số đồng dạng và xây dựng phương trình chuẩn số mô tả đầy đủ quá trình vật lý xảy ra của quá trình trộn (phương trình 2.1), đồng thời đề xuất được 4 chuẩn số cơ bản làm thông số “vào” trong thực nghiệm (2,4, 8,10). Đây là cơ sở để xây dựng mô hình thí nghiệm phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Cơ sở của việc sử dụng phương pháp này được trình bày trong chương 3; 4. Đề tài luận án sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo kế hoạch 3 mức Box-Behnken, với các yếu tố vào là 4 chuẩn số cơ bản và 2 yếu tố ra là tiêu thụ năng lượng và độ trộn đều. Kết quả của bài toán quy hoạch thực nghiệm được sử dụng để tiếp tục tính toán xác định máy trộn thực trong sản xuất nhờ phương pháp phân tích mô hình - đồng dạng mà tác giả sẽ trình bày trong phần tiếp theo. CHƢƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT C QU TR NH TR N TH C N CH N NU I 3.1. Ảnh hƣởng của trộn đến quá trình chuyển khối của dòng hai pha Trộn đều sản phẩm là khâu trọng yếu trong dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi. Trong công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi, nguyên liệu được chuyển động trong điều kiện có tác dụng cánh trộn, về mặt cấu trúc vật lý có thể xem như vật rắn - lỏng - khí, hoặc rắn - khí. Trường hợp đó gọi là dòng lưu chất hai pha. Để nghiên cứu dòng vật liệu rời, cần xem xét lực tác dụng lên chúng. Vật liệu rời chịu tác dụng bởi những lực sau: + Lực bề mặt, bao gồm: áp lực, lực ma sát, phản lực từ thành tác dụng lên cánh đảo, trộn v.v... + Lực khối: trọng lực, lực quán tính. Khi giải một bài toán về dòng chuyển động vật liệu rời, cần áp dụng nguyên lý cơ bản của cơ học, vật lý học. - Nguyên lý bảo toàn khối lượng; - Nguyên lý bảo toàn động lượng và moment động lượng; - Nguyên lý bảo toàn năng lượng.
12 Thực hiện một số biến đổi, nhận được hệ phương trình Navie – Stockes:  u v w      Du p   u  u  u    x y z  2 2 2       2  2  2    S Mx Dt x  x y z  3  x       u v w      Dv p   u  u  u    x y z  2 2 2       2  2  2    S My (3.1) Dt y  x y z  3  y       u v w      Du p   u  u  u    x y z  2 2 2       2  2  2    S Mz Dt z  x y z  3  z      3.2. ng dụng phƣơng trình Navie-stocks trong công nghệ trộn thức ăn chăn nuôi Viện sĩ Landau L.D và E.M Lifsitx đã đề xuất không nên dùng phương trình Navie- Stokes vì quá phức tạp, không thể giải được dạng toàn phương và chỉ dừng lại ở một vài trường hợp đặc biệt đối với một số điều kiện ban đầu. Viện sĩ Xêđốp L.I sau này là GS. TSKH. I.Gheooghiep đã ứng dụng lý thuyết đồng dạng, phép phân tích thứ nguyên trên cơ sở phương trình Navie-Stokes, xác định điều kiện chuyển động vật rời theo tập hợp không thứ nguyên các chuẩn số đồng dạng:  1 p g.l 1; ; ; ; .l 3 .l . 2  2 Từ đó có thể thay bằng phương trình chuẩn số sau: Eu = f(Re,Fr) (3.2) - Chuẩn số Eu: chi phí áp suất để khắc phục lực cản ma sát trong quá trình vật liệu trộn chuyển động trong buồng trộn; - Chuẩn số Re: thể hiện khả năng vận động của vật chất; - Chuẩn số Fr: nêu lên ảnh hưởng của trọng lượng trong chuyển động của vật chất. 3.3. Xác định mô hình vật lý máy trộn thức ăn chăn nuôi * Xác định công suất trộn Eu = f (Re, Fr, Gi) (3.3) Dạng tổng quát xác định công suất để trộn được thể hiện: N =  (D, F, n,  ,g) (3.4) Ta tìm được các chuẩn số sau:
13 N N 1 p 1  1   .  .  E u  .v 3 .F v v 2 . .F F v 2 .    1  2     Re1  (3.5)  . F .v  .l.v Re  g. F g.l 1  3   2   v v Fr  Trong đó: Eu- Chuẩn số Ơle; Fr- Chuẩn số Frut; Re- Chuẩn số Râynon. Giá trị các đại lượng được trình bày trong bảng như sau: Bảng 3.1. Các thông số ảnh hƣởng đến quá trình trộn Các đại lƣợng Thứ nguyên TT MLT Ký hiệu Tên    1 N Công suất trộn, kW 1 2 -3 2 F Diện tích cánh trộn, m2 0 2 0 3 v Tốc độ đầu cánh, m/s 0 1 -1 4  Khối lượng riêng, kg/m3 1 -3 0 5 g Gia tốc trọng trường, m/s2 0 1 -2 6  Độ nhớt, g/m.s 1 -1 -1 * Từ chuẩn số Frut, ta có thể tìm chuẩn số Frut ly tâm bằng cách thay tốc độ đầu cánh v, theo công thức: n 2 .D Frc  (3.6) g * Chuẩn số Ơle xác định chi phí năng lượng của hệ thống thông qua chuẩn số Frut ly tâm: p Euc  (3.7)  .n 2 .D 2 * Theo cách thay thế như trên ta có chuẩn số Râynôn ly tâm: n.d 2 . Rec  (3.8)  p  n.D 2 . n 2 .D  Hay  f  ;   .n 2 .D 2   g  (3.9)
14 Phương trình (3.3) có thể viết dưới dạng: Euc = C.Rec-m.Frc-n (3.10) Hoặc Euc = C.Rec-m (3.11) Trong đó C,m,n là hệ số thực nghiệm. Nếu trong các số chuẩn trên ta thực hiện các thay thế sau: v= .D.n ; F = h.r ; r = D/2 ; h= a.D (a là hệ số tỷ lệ) N n.D 2 . sẽ nhận được Euc  3 5 ; Rec  ; (3.12)  .n .D  Công thức tính công suất tiêu thụ cho trộn: m Np  n.D 2 .   C   (3.13)  .n3 .D 5    * Tính năng suất trộn Năng suất trộn phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản sau: Q = (D,S,n,,g) (3.14) Với S là bước cánh trộn (m), thứ nguyên là: M0L1T0 Ta tìm được phương trình chuẩn số: Q  g S    2 , ; (3.15)  .n.D 3  n .d D  Q  1  ;   .n.D 3  g 1  Trong đó  2 2  ; (3.16) n .D Fr  3  S  D  n 2 .D Dc .nc2 Chuẩn số thứ 2 có thể phân tích thành: Frc  Với chỉ số đồng dạng L1   1; g gc Trong điều kiện gia tốc trọng trường gc=1 (khi làm mô hình cũng như vật thực) Tính được tốc độ quay của máy thực sẽ là: DM no  nM . (3.17) Do
15 Từ chuẩn số 3 = S/D, có thể viết: L2 = Sc/Dc= 1 Do Hay là: S0  S M . (3.18) DM 3.4. Phƣơng pháp xác định lực cản trên cánh máy trộn thức ăn chăn nuôi trục ngang Nghiên cứu quá trình làm việc của cánh chuyển động trong môi trường vật liệu rời ta có thể tính mối quan hệ sau nhằm tính toán lực tác dụng lên cánh. R = ( p, h, b, , v,g…) (3.19) Các yếu tố trên trong đựợc mô tả bằng các thứ nguyên sau: Bảng 3.2. Thứ nguyên các yếu tố đối với trục trộn Các đại lƣợng Thứ nguyên TT MLT Ký hiệu Tên    1 R Lực cản chuyển động của cánh trộn 1 1 -2 2 b Bề rộng cánh trộn 0 1 0 h Độ ăn sâu của cánh trong nguyên liệu 0 1 0 3 v Tốc độ chuyển động 0 1 -1 4  Khối lượng riêng 1 -3 0 5 p Độ chặt của bột 1 -1 -2 6 g Gia tốc trọng trường 0 1 -2 R  b  .g.h v 2  Phương trình lực cản là:    , ,  (3.20) p.h.b  h p g .b  R b  .g.h v2 Trong đó:  1  ; 2  ; 3  ; 4  p.h.b h p gb 1 R g.b p  1'   . . C  3 . 4 p.h.b v 2  .g.h Hay R = C..F.v2 (3.21) Trong đó: F  h2 là diện tích hình chiếu của cánh trộn trong máy trộn, tỉ lệ với sự chuyển động. Đây chính là phƣơng trình Newton về lực cản của cánh trộn - khuấy trong môi trƣờng cản. Hệ số C là bằng số thực nghiệm với những loại cánh trộn cụ thể. Kết quả thực nghiệm trên máy mô hình thu đƣợc giá trị lực cản trên 1 cánh
16 - RM (Tính được nhờ thực nghiệm): Lực cản trên cánh trộn mô hình - ρM là khối lượng riêng của vật liệu trộn. - FM là diện tích hình chiếu theo mặt phẳng đứng của cánh trộn mô hình - vM= LCM x ωM : vận tốc trục trộn máy mô hình Từ đó tìm được hệ số CM là hệ số thực nghiệm chỉ rõ tác dụng của cơ cấu trộn dùng để trộn bột thức ăn chăn nuôi. RM CM  (3.22) FM . M .v M 2 Vậy ta được công thức xác định lực tác động lên cánh của máy mô hình làm việc ở chế độ hợp lý: 2 C  F v  Ro  RM . 0 . 0 . 0 . 0  (3.23) C M  M FM  vM  Trong đó, kí hiệu “0” là vật thực, “M” là mô hình Kết luận chƣơng 3 1. Đối với thức ăn chăn nuôi là vật liệu hỗn hợp rời, khi trộn tạo ra dòng chuyển động thông qua mối liên kết nội năng bảo toàn khối lượng, được thể hiện bằng hệ số khuyếch tán phân tử với chuẩn số Nuxen và chuẩn số Prandl; 2.Chuyển động của vật liệu thức ăn chăn nuôi được xem xét thông qua phương trình Navie-stock. Tuy nhiên phương trình này quá phức tạp và nhiều ẩn số, do đó chỉ dùng để định dạng và xác định chuẩn số (Phương trình 3.1); 3. Luận án này kế thừa kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đi trước, sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên, lý thuyết mô hình - đồng dạng, xác định mối quan hệ giữa các chuẩn số Euler, Reynold, Frut (Phương trình 3.2), nhằm xác định các thông số liên quan đến hệ thống trộn; 4. Các phương trình (3.3) đến (3.18) cho thấy tính linh hoạt khi sử dụng các chuẩn số dẫn xuất từ các chuẩn số đặc trưng cho tính tương tự về mặt vật lý của vật thực và mô hình, để từ một thông số cơ bản xác định từ thực nghiệm, có thể hoàn toàn xác định được các thông số cấu tạo, công nghệ trên dãy máy thực với các năng suất trộn khác nhau;
17 5. Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, mô hình - đồng dạng, luận án đã chứng minh được phương trình Newton về lực cản của cánh trộn (phương trình 3.31). Đồng thời xác định được quan hệ giữa lực cản và cơ cấu trộn. CHƢƠNG 4 THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 4.1. Nghiên cứu thực nghiệm 4.1.1.Mục đích - Xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng và chất lượng sản phẩm bột thức ăn chăn nuôi sau trộn; - Lựa chọn được bộ thông số chế tạo hợp lý nhằm giảm năng lượng tiêu thụ và tăng chất lượng sản phẩm thức ăn sau trộn; - Xác định các quan hệ và tính chất bằng thực nghiệm (những đại lượng này khó hoặc không thể xác định được bằng tính toán lý thuyết). 4.2. Thiết bị thực nghiệm 4.2.1. Máy trộn cánh gạt trục ngang 4.2.2.Tính toán thiết kế máy trộn ngang hai trục thí nghiệm Bảng 4.1.Các kích thƣớc cơ bản của máy trộn sử dụng trong thực nghiệm Tên kích thƣớc Thông số kích thƣớc Khoảng cách giữa hai trục a = 270 mm Bán kính đáy thùng R = 190 mm Chiều rộng thùng B = 656 mm Chiều dài thùng L = 900 mm Chiều cao từ tâm lên h1 = 290 mm Số lượng tay trộn 16 (có thể thay đổi được tùy thuộc vào S) Bước cánh tay trộn S = 380 mm Khối lượng máy M = 350 kg Động cơ liền Hộp giảm tốc + Công suất 3,2 kw + Số vòng quay trục ra 40,50,60 vòng/phút Chuyển động xích (bước xích) t = 25,4 mm Đĩa xích lắp trên trục để thay Số răng:Z = 12,15,18,21,24.
18 đổi vận tốc quay của trục trộn: Ứng với tốc độ quay của trục: n =40,50,60,70,80 (vòng/phút). Hình 4.1. Tổng thể mô hình máy trộn 4.2.3. Thiết bị và kỹ thuật đo thông số đầu ra 4.3. Phƣơng pháp xử lý kết quả sau thí nghiệm 4.3.1. Tổ chức thực nghiệm
19 4.3.2. Kết quả thí nghiệm 4.3.2.1.Ảnh hƣởng của x1, x2, x3, x4 đến chi phí năng lƣợng riêng N Phƣơng trình toán mô tả ảnh hƣởng của các thông số đầu vào đến N YN = 3659,30 - 96,11x1+20,77x2+ 182,99x3+ 97,29 x4+28,51x21 +50,50 x22 + 40,85 x23 - 51,16x24 - 18,28x1x2+22,01x1x3-11,74x1x4+72,48x3x4 (4.1) 4.3.2.2. Ảnh hƣởng của x1, x2, x3, x4 đến chất lƣợng trộn K Phƣơng trình toán mô tả ảnh hƣởng của các thông số đầu vào đến K YK = 93,178 - 3,042x1 -1,414x2 +2,833x3+1,522x4 -3,337x21 -4,129x22 - 2,850x23 -3,367x24 + 3,000x1x3 - 1,242x2x4 (4.2) 4.3.2.3.Giải bài toán thƣơng lƣợng giữa hàm chi phí năng lƣợng riêng N và hàm chất lƣợng trộn K Hình 4.2. Đồ thị ảnh miêu tả quan hệ “vào” – “ra” Mức độ kỳ vọng cho các kết quả trên rất lớn d = 1 (100%) Xác định được đồ thị tối ưu tại các điểm sau: Bảng 4.2. Kết quả tối ƣu trên máy trộn mô hình YK YN Dạng Thực (%) ws/kg x1(S) x2() x3(n) x4(q) (mm) độ v/ph kg 94 3698.563 351,596 68,0808 50,101 40,1010
20 Từ đó ta chọn được máy trộn mô hình với các thông số hợp lý sau: Bảng 4.3. Thông số lựa chọn tối ƣu cho máy trộn mô hình Thông số máy Số liệu Khối lượng máy, kg 350 Bán kính đáy buồng trộn, mm 190 Chiều rộng thùng, mm 656 Chiều dài trục trộn,mm 900 Khoảng cách giữa hai trục 270 Số lượng cánh, chiếc 20 Khoảng cách cánh tay trộn S, mm 352 Công suất tiêu thụ, kW 1,1 Tốc độ quay trục, v/ph 50 Dung lượng một mẻ trộn, kg/mẻ trộn 40 Năng suất máy, Tấn/h 1 Chi phí năng lượng riêng, kWh/T.sp 1,1 4.4. ng dụng lý thuyết mô hình, đồng dạng và phân tích thứ nguyên để xác định dãy máy trộn Ứng dụng các kết quả tính toán tại mục 3.3. Từ kết quả tối ưu (bảng 4.3) trên máy trộn mô hình MT-1A, tính toán cho máy thực MT-1 MT-4; Bảng 4.4. Tính toán các thông số trên máy thực Máy trộn .MT - TT Các chỉ tiêu M0 (Thí MT -2 MT-3 MT-4 1 nghiệm) 1 Công suất cần thiết, kW 1,1 2.9 2.83 3.83 5.2 2 Năng suất trộn 1 2 3 4 5 Q, Tấn/h 3 Chi phí năng lượng 1.1 1.45 0.94 0.95 1.04 riêng, kwh/t.s.p 4 Số vòng quay n, min-1 50 44 40 38 37 5 Đường kính cánh trộn 380 502 607 663 723 D, mm 6 Bước trục vít S, mm 352 465 663 614 670 7 Chiều dài trục trộn,mm 900 1177 1437 1568 1711