Одеська державна академія харчових технологій

Гуртовий Микола Володимирович

УДК 664. 8. 022.1

Наукові основи ресурсозберігаючого розподілу овочефруктової суспензії на

перфорованій поверхні

Спеціальність 05.18.12 процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та

фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії харчових технологій Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Гладушняк Олександр Карпович, Одеська державна академія харчових технологій, завідуючий кафедрою технологічного обладнання харчових виробництв.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Мирончук Валерій Григорович, Український державний університет харчових технологій, завідуючий кафедрою технологічного обладнання харчових виробництв

доктор технічних наук, професор Остапчук Микола Васильович, Одеська державна академія харчових технологій, професор кафедри процесів і апаратів

доктор технічних наук, професор Дударев Іван Романович, Одеський державний аграрний університет, завідуючий кафедрою механізації і автоматизації сільськогосподарських виробництв.

Провідна установа: Харківська державна академія технології та організації харчування, кафедра устаткування підприємств харчування Міністерства освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться 27 червня 2002 р. о 10-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.01 при Одеській державній академії харчових технологій, за адресою: 65039, м. Одеса, вул. Канатна, 112.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської державної академії харчових технологій: 65039, Україна, м. Одеса, вул. Канатна, 112.

Автореферат розісланий 20 травня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д. т. н., проф. Гапонюк О. І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розподіл овочефруктової сировини на перфорованій поверхні – це технологічний процес, який широко використовується в харчовій та переробній промисловості для виробництва соків із м'якоттю, пюреподібних продуктів для дитячого й дієтичного харчування, відокремлення насіння плодів і овочів.

Обладнання, яке використовують для здійснення цього процесу, споживає значну кількість енергії і чимало коштує. Досконалість машин безпосередньо визначає частку цінних харчових компонентів сировини, що втрачаються з відходами. Аналіз існуючого обладнання показує, що склалося велике відставання технічного рівня машин для розподілу суспензії кісточкових культур: питома продуктивність перфорованої поверхні машин становить лише (0,6.. .0,9) кг/см2, що в кілька разів менше, ніж при розподілі суспензії зерняткових культур. Відомі машини потребують значних витрат енергії (питома робота, що споживається на розподіл кісточкових культур, перевищує 10 кДж/кг), мають великі розміри та масу. Багато корисних речовин сировини втрачається з відходами.

Удосконалення існуючого обладнання гальмується низьким рівнем теорії цього процесу. Не визначено дію транзитного руху суспензії по перфорованій поверхні на показники процесу, недостатньо досліджені явища закупорювання отворів перфорації частками дисперсної фази та їх очищення билами. Відкритими залишаються питання про умови, за яких можна уникнути пошкодження плодових кісточок. Бракує методів, які дозволяють вибрати раціональну схему протиральної машини, знайти оптимальний режим її експлуатації.

Заради збереження матеріальних та енергетичних ресурсів необхідно розробити наукові основи процесу розподілу овочефруктової суспензії на перфорованій поверхні. Така розробка дасть можливість суттєво зменшити на користь України витрати на розподілу овочефруктової сировини в агропромисловому комплексі України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота входить у наукову Програму "Малогабаритна техніка і безвідходна технологія переробки сільськогосподарської сировини для фермерських і колективних господарств України", яка затверджена наказом № 68 Міністерства освіти України від 31.02.92 року, і є складовою частиною координаційного плану "Наукові основи створення енерго- і ресурсозберігаючих технологій, машин та апаратів для харчової промисловості", затвердженого наказом Міністерства освіти України № 37 від 13.02.97 року. Робота відповідає Закону України від 11 липня 2001 року № 2623-ІІІ “Про приоритетні напрями розвитку науки і техніки”. Роботу виконано відповідно до державної бюджетної тематики кафедри технологічного обладнання харчових виробництв Одеської державної академії харчових технологій.

Мета й задачі дослідження. Мета дослідження – розробити наукові основи ресурсозберігаючого розподілу овочефруктової суспензії на перфорованій поверхні в умовах транзитного руху суспензії і очищення отворів перфорації і вдосконалити обладнання, що використовується для цього.

Відповідно до стану проблеми й мети роботи необхідно розв’язати такі задачі:

– визначити дію транзитного руху суспензії на закупорювання отворів перфорації частками дисперсної фази та витратні характеристики перфорованої поверхні

– визначити дію структури потоку в машині на глибину розподілу суспензії

– виявити умови збереження цілісності плодових кісточок під час розподілу суспензії в машині

– одержати вихідні дані та закономірності, необхідні для інженерних розрахунків обладнання для розподілу суспензії

– науково обґрунтувати раціональну конструктивну схему машини

– розробити методику оптимізації режимів розподілу суспензії на перфорованій поверхні

– запропонувати технічні рішення, які дозволяють поліпшити показники процесу та розробити вдосконалені протиральні машини для розподілу овочефруктових суспензій, зокрема суспензій кісточкових культур.

Наукова новизна одержаних результатів.

– Розроблено наукові основи нового напрямку розподілу овочефруктової суспензії на перфорованій поверхні за умови транзитного руху суспензії й очищення поверхні билами. Дослідження охоплює систему явищ, що відбуваються в довкіллі отвору перфорації, робочих зон та машини у цілому.

– Досліджено явища закупорювання отвору перфорації частками дисперсної фази. Виявлено основні механізми закупорювання отворів в умовах транзитного руху суспензії відносно перфорованої поверхні.

– Розроблено нові теоретичні моделі розподілу овочефруктової суспензії, які враховують явища закупорювання й очищення отворів перфорованої поверхні.

– Досліджено дію структури потоку суспензії у машині на продуктивність перфорованої поверхні, втрати часток тканин, що запасають поживні речовини, з відходами.

– Сформульовано умови запобігання руйнації фруктових кісточок у процесі розподілу суспензії.

– Дістала подальшого розвитку теорія руху продукту в барабані інерційної протиральної машині безперервної дії: одержані рівняння, що описують форму вільної поверхні продукту під час його пересування билами залежності для розрахунку довжини робочих зон машини умови утримання та евакуації відходів із барабана машини.

– Запропоновано метод оптимізації режиму розподілу суспензії на перфорованій поверхні, який базується на мінімізації ресурсів, що витрачаються на розподіл суспензії.

Практичне значення одержаних результатів. Сукупність проведених досліджень дозволила обґрунтувати доцільну конструктивну схему та режими експлуатації протиральних машин, які забезпечують збереження матеріальних й енергетичних ресурсів при розподілі овочефруктової суспензії. Розроблено режими розподілу суспензії, що містить фруктові кісточки, які полягають у підвищенні швидкості бил до (14...18) м/с. Запропоновано нові технічні рішення, які дозволили підвищити техніко-економічні показники протиральних машин.

Дослідження втілено в удосконалених моделях протиральних машин. Розроблено фінішер Р3-КИЗ, який випускається серійно і використовується на консервних підприємствах України, Росії, Молдови. Розроблено протиральну машину РЗ-КИД, яка забезпечує якісний швидкісний розподіл суспензії кісточкових плодів.

Для потреб малих підприємств розроблено універсальну малогабаритну протиральну машину Ш24-КПМ, яка розділяє широкий асортимент плодоовочевих суспензій, у тому числі кісточкових культур.

Удосконалені протиральні машини відрізняються високими техніко-економічними показниками. Машини для протирання кісточкових культур забезпечують питому продуктивність перфорованої поверхні, яка приблизно у (4...8) разів більша за показники відомих машин, у той час як витрати енергії зменшуються у (2...3) рази, а втрати корисних речовин з відходами – на (20...40)% . Машини для розподілу суспензії зерняткових культур та вторинного протирання дозволяють заощадити (15...25)% енергії. Річний економічний ефект від упровадження у виробництво машини Р3-КИЗ становить 8 727 крб. за цінами 1988 р., протиральної машини Р3-КИН – 5800 крб. за цінами 1990 р.

Результати теоретичних й експериментальних досліджень включено в програми дисциплін “Технологічне обладнання харчових виробництв”, “Теорія технічних систем”, “Розрахунки й конструювання машин та апаратів харчових виробництв”, “Теоретичні основи розрахунків технологічних машин та апаратів”, що читаються бакалаврам і магістрам. Матеріали дисертації використовуються студентами при виконанні курсових та дипломних проектів та під час дослідницької роботи.

Особистий внесок здобувача. У наукових працях, що надруковані в співавторстві, здобувачеві належить:

- обґрунтування і розробка наукових гіпотез, теоретичних моделей, формулювання висновків

- планування й опрацювання результатів експерименту, теоретична інтерпретація отриманих результатів

- складання опису винаходів, складання та редагування формул винаходів, теоретичне обґрунтування запропонованих рішень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації викладені й одержали позитивну оцінку на (38...61) наукових конференціях ОТІХП ім.. М. В. Ломоносова та ОДАХТ на міжкафедральних семінарах ОДАХТ, що відбулися 10.06.96 р., 22.10.98 р., 03.07.2000 р. та 11.10.2001 р. на 9-й міжнародній конференції по удосконаленню процесів і апаратів хімічних, харчових і нафтохімічних виробництв (Одеса, 1977) на міжнародній науково-практичній конференції за проектом “Екологія людини й проблеми виховання молодих учених” (Одеса, 1997) на міжнародній конференції з технологій харчування та економічних проблем торгівлі (Харків, 1988).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 20 статей у наукових фахових виданнях, 11 авторських свідоцтв та патентів на винаходи, 3 статті у наукових журналах і збірниках, 7 тез докладів на наукових конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6-ти основних розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків.

Дисертаційна робота, викладена на 318 сторінках машинописного тексту, включає 74 рисунка (17 сторінок), 25 таблиць (9 сторінок), 4 додатки (5 сторінок). Список використаних літературних джерел складається з 266 найменувань (25 сторінок).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зв’язок із науковими програмами, планами й темами, сформульовано мету й задачі дослідження, показано наукову новизну й практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача в проведених дослідженнях, наведено відомості про апробацію роботи й публікації здобувача за темою дисертаційної роботи.

У першому розділі наведено огляд літературних даних, обґрунтовано напрямок дослідження.

Дослідження процесу протирання овочефруктової сировини викладено у роботах І. А. Алієва, І. В. Анісімова, Л. А. Боневої, М. Я. Дікіса, О. К. Гладушняка, А. К. Дяконової, М. І. Кепіна, І. М. Маленко, М. С. Мордковича, К. М. Порошина, Ю. Г. Скорикової, Б. М. Уточкіна, Р. В. Штейнберга та інших авторів.

Переважна більшість робіт стосується розподілу овочефруктової сировини на інерційних протиральних машинах із нерухомим перфорованим барабаном (рис 1а). Процес характеризують фактором розподілу

Fr = 2 R / g, (1)

де швидкість обертання встановлених на вал бил

R – внутрішній радіус перфорованого барабана

g – прискорення сили тяжіння.

У роботах О. К. Гладушняка викладено теорію руху продукту в барабані протиральної машини безперервної дії. Припускається, що овочефруктова сировина описується моделлю ньютонівської рідини, властивості якої не змінюються в процесі розподілу. Відокремлення обробленого напівфабрикату трактується як витікання однорідної рідини через отвори перфорації. Витрати напівфабрикату крізь отвір перфорації визначаються за формулою

qo = o so , (2)

де o – коефіцієнт витрат

so – повний переріз отвору

h – товщина шару продукту в барабані протиральної машини.

Між тим для розподілу овочефруктових суспензій запропоновані вельми різні конструктивні схеми машин (рис.1). Всі відомі машини мають основні робочі органи: перфоровану поверхню 1, виконану у вигляді барабана і била або скребачки 3, які очищують цю поверхню.

Аналіз науково-технічної інформації показує, що подальший розвиток обладнання для розподілу овочефруктових суспензій гальмується недостатнім рівнем теоретичного дослідження процесу, а саме:

- відомі дослідження стосуються лише інерційної протиральної машини з нерухомим перфорованим барабаном і непридатні для аналізу відомих машин та вибору раціональної конструктивної схеми машини

- модель відокремлення напівфабрикату (2) не враховує явища закупорювання та очищення отворів перфорації. Це приводить до помилкових висновків щодо напрямків удосконалення існуючого обладнання

- відомі теоретичні моделі не враховують зміни властивостей суспензії внаслідок відокремлення обробленого напівфабрикату і придатні лише для аналізу окремих стадій процесу

- бракує аналізу взаємодії робочих органів машини з частками суспензії, зокрема, із фруктовими кісточками

- не розроблено інженерних методик оптимізації режиму розподілу суспензій на перфорованій поверхні.

Показано, що технічний рівень обладнання для розподілу овочефруктової сировини на перфорованій поверхні можна оцінити за такими ознаками: питомою продуктивністю перфорованої поверхні машини витратами енергії на розподіл одиниці маси сировини втратами поживних речовин з відходами придатністю машини до розподілу існуючих видів плодоовочевих суспензій.

Сформульовані наукові гіпотези, які покладено в основу роботи:

Розподіл овочефруктової суспензії на перфорованій поверхні є системою процесів, що відбуваються на мікрорівні, макрорівні та в машині у цілому.

Основний опір відокремленню напівфабрикату чинить отвір перфорації, при цьому на витратні характеристики отворів суттєво впливає транзитний рух суспензії по перфорованій поверхні і явища закупорювання отворів частками баластових тканин та їх очищення билами.

Поведінка фруктової кісточки під час розподілу суспензії (руйнування або збереження цілісності) вирішується при її взаємодії з робочими органами машини.

Цілі й задачі дослідження викладено в загальній характеристиці роботи.

Розділ 2 присвячено мікроаналізу процесів розподілу компонентів овочефруктової суспензії на отворах перфорованої поверхні та взаємодії робочих органів машини з фруктовими кісточками.

Овочефруктова сировина розглядається як суспензія, яка містить частки тканин, що запасають поживні речовини (паренхимні клітини і їх групи) і частки баластових тканин (фрагменти шкірочки, насінини, кісточки, кам’янисті клітини, судинні волокна).

Дослідження процесу закупорювання отворів перфорації при витіканні суспензії здійснено для простих суспензій, які містять однакові частки дисперсної фази. Моделі, що використано для дослідження поведінки часток баластових тканин, наведено у табл. 1.

Якщо суспензія містить сферичні частки (рис. 2), то поведінка часток на отворі залежить від швидкості транзитного руху суспензії v. Уведено граничну швидкість, при якій частки утримаються на отворі

vреж = вит , (3)

де вит коефіцієнт, який враховує зниження швидкості поблизу ситового полотна

коефіцієнт обтікання часток

sz статичний момент частки відносно рівня перфорованої поверхні.

Таблиця 1

Моделі часток баластових тканин

Походження часток | Теоретична модель

Кісточка | Тверде сферичне тіло

Насінина

Ранева перидерма

Кам’яниста клітина | Пластичне тіло з граничною

напругою зсуву б

Фрагмент шкірочки (епідерміс) | Гнучка пластина

Судинне волокно, прозенхімна клітина | Ниткоподібна частка

Якщо виконується умова

v < vреж , (4)

то частка затримується на отворі перфорації й витікання суспензії через певний час припиняється. Такий режим названо тихохідним.

Якщо умова (4) порушується, то частка змивається транзитним рухом суспензії.

Теоретичний аналіз показав, що при розвиненому турбулентному тонкошаровому русі суспензії в інерційній протиральній машині сферичні частки не закупорюють отвори перфорації. При збільшенні h/R сили тиску здатні утримувати частки, розміри яких dсф порівнянні з розмірами отворів d . Але навіть при повному заповненні барабана розмір утримуваних часток знаходиться в межах d dсф 1,5 d.

У випадку витікання суспензії, що містить дрібні частки (розмір часток у (4...10) разів менший за розміри отвору) пробка утворюється на бічній поверхні отвору. Коефіцієнт відкриття отвору , що дорівнює відношенню вільного перерізу до його повного перерізу, не може бути меншим критичної величини. Пробка періодично змивається потоком суспензії, що витікає через отвір.

Якщо суспензія містить ниткоподібні частки, то пробка утворюється на робочій крайці отвору. Характер закупорювання залежить від довжини часток с суспензії. Якщо довжина часток lч менше від граничної величини, то пробка періодично змивається суспензією, яка витікає через отвір. Якщо довжина часток перевершує границю, то витіканні суспензії закінчується повним закупорюванням отвору й розподіл суспензії через певний час припиняється.

Розподіл суспензії на перфорованій поверхні з періодичним очищенням отвору розглянуто як систему процесів витікання дисперсійного середовища, закупорювання та очищення отворів (рис. 3).

Припускається, що витрати дисперсійного середовища становлять

q = qo , (5)

де плинний коефіцієнт відкриття отвору.

Витрати напівфабрикату на виході з отвору

qп/ф = qo exp ( t / tчз) ( 1 – c), (6)

де t проміжок часу від моменту, коли отвір був повністю відкритим

tчз – характерний час закупорювання

с – частина об’єму суспензії, що йде на утворення пробки,

tчз = vпр / (с qo), (7)

де vпр – середній об’єм пробки, яка цілком закупорює отвір.

Очищення отвору описано вірогідною та детерміністичною моделями. Вірогідна модель припускає, що в результаті проходження била над отвором било з імовірністю ро цілком очищує отвір, або з імовірністю (1 ро) залишає його стан без зміни. Детерміністична модель виходить із припущення, що в результаті проходження била над отвором коефіцієнт відкриття змінюється таким чином, що коефіцієнт

io = ( 1 - + ) / ( 1 - - ) (8)

є стала величина. У (8) позначено + , - коефіцієнти відкриття до і після проходження била над отвором.

Середні за довгий час витрати напівфабрикату на виході з отвору, що очищується з імовірністю ро , становлять

qн/ф = qo po t (1 c ) (1 – exp ( to /tчз )/ (1 – (1 – ро) exp ( to / tчз )), (9)

де частка об’єму пробки, яка при очищенні отвору повертається в простір над перфорованою поверхнею.

Якщо прийняти ро = 1 – іо, то з (9) можна отримати середні витрати для детерміністичної моделі очищення отворів.

Аналіз рівняння (9) дозволяє виділити дві основні аналітичні моделі відокремлення напівфабрикату.

Модель витікання розбавленої суспензії подає середні за довгий час витрати обробленого напівфабрикату у вигляді

qвит = сер qo , (10)

де сер – середній коефіцієнт відкриття отвору.

У випадку, коли to /tчз 0, з (9) одержуємо

сер = (1 – с ) / (1+ to / (po tчз)). (11)

Основною характеристикою в цьому випадку є коефіцієнт витрат

= сер о , (12)

де о – коефіцієнт витрат при витіканні дисперсійного середовища через повний переріз отвору.

Модель витікання розбавленої суспензії придатна, якщо виконується умова

to / (po tчз) 0,5.

Модель протирання описує розподіл концентрованої суспензії, якщо

to / (po tчз) 2,5.

У цьому випадку основний вплив на витрати напівфабрикату справляють процеси закупорювання та очищення отворів билами (рис. 4). Витрати розраховуються по формулі

qпрот = so / to , (13)

де товщина шару напівфабрикату, що відокремлюється після проходження над отвором била,

= ро lпр (1 – с ) / с, (14)

де доля об’єму пробки, яка повертається при очищенні отвору.

Вихід обробленого напівфабрикату на ділянці перфорованої поверхні dS відповідно до цієї моделі можна подати як

dВ = ( / to) dS , (15)

де живий переріз перфорованої поверхні.

З (14, 15) витікає, що витрати напівфабрикату пропорційні вірогідності очищення отворів перфорації та швидкості очищення поверхні і зменшуються зі збільшенням умісту в суспензії часток, що закупорюють отвори.

Аналіз пересування сферичної частки (фруктової кісточки) билом інерційної протиральної машини дозволяє виділити види руху частки. Зміна руху відбувається в залежності від кута нахилу била до поверхні барабана (рис. 5).

Перекочування частки відбувається, якщо

fб < fкр (16)

ковзання по поверхні барабана має місце, якщо

f < fкр < fб , (17)

де f , fб – коефіцієнт тертя частки по перфорованій поверхні й билу

fкр – критичний коефіцієнт тертя,

fкр = Sin / (1 + Cos ). (18)

Якщо fкр < min ( f, fб), то кісточка затискується між билом і перфорованою поверхнею і руйнується.

Збереження кісточки від руйнації внаслідок зіткнення з робочими органами машини можливе за умови, коли

vy vгр = , (19)

де vy – складова швидкості кісточки, нормальна до поверхні робочого органа

vгр – гранична відносна швидкість кісточки

Е – кінетична енергія руйнації кісточки

kE коефіцієнт, що враховує втрати кінетичної енергії кісточки.

У третьому розділі розглянуто обертальний і аксіальний рух продукту на окремих стадіях процесу розподілу суспензії в інерційній протиральній машині.

Відокремлення напівфабрикату відбувається під дією тиску, що створюється продуктом, який обертається в нерухомому барабані машини

р = 2 R h (1 – h / 2R) p , (20)

де p – коефіцієнт, що враховує відхилення фактичного епюра швидкості від епюра швидкості твердого тіла, яке обертається зі швидкістю .

Обертальний рух продукту в залежності від режиму роботи бил може бути плівковим або секційним.

При плівковому обертальному русі течію рідкого продукту в нерухомому барабані можна охарактеризувати товщиною шару плівки Нпл і частотою обертання продукту * , яка завжди менша від частоти обертання бил б . В роботі виведені й наведені відповідні залежності.

У випадку секційного обертального руху зазор між крайкою бил і перфорованою поверхнею ущільнюється частками баластових тканин. Продукт обертається зі швидкістю бил і інтенсивність інерційних сил значно більша, ніж при плівковому русі. Під впливом сил інерції, реакції била і поверхні барабана переріз продукту приймає певну форму, яка залежить від реологічних властивостей сировини.

Товщину шару рідкого продукту на кутовій відстані від робочої крайки била можна розрахувати як

h() = Hрід, (21)

де Hрід – найбільша товщина шару рідкого продукту

рід – кутова ширина перерізу рідкого продукту.

Площа поперечного перерізу визначається як

Sрід = 2R Hрід рід / 3 = 2 р Н3рід / (3 сf R), (22)

де сf – коефіцієнт гідравлічного опору при русі продукту по поверхні барабана.

Характер обертального руху пластичного продукту залежить від його граничної напруги зсуву , перерізу та інтенсивності сил інерції.

Якщо розміри поперечного перерізу наближаються до характерних величин

ho = 2 / ( 2 R (1- h / 2R)), o = ho / (f R) , (23)

то пластичний продукт ковзає як єдине ціле, а його форма може варіюватися в широких межах.

Якщо розміри поперечного перерізу у багато разів перевершують ho , o , то продукт переміщується по поверхні барабана з безперервним деформуванням. З точністю до ho і o вільна поверхня описується рівнянням

h = , (24)

де пл – кутова ширина перерізу пластичного продукту (рис. 6 а).

Геометричні параметрі поперечного перерізу можна оцінити по найбільшій товщині Нпл шару продукту в перетині

пл = Н2пл / (ho R) Sпл = 2Н3пл / 3 ho h = . (25)

На стадії ковзання відходів властивості продукт описано моделлю сипкого ґрунту. Гранична напруга зсуву відповідно до відомого закону Ш. Кулона прямо пропорційна напрузі тиску

= fвн ,

де fвн – коефіцієнт внутрішнього тертя продукту.

Незалежно від розмірів перерізу продукт ковзає по поверхні барабана в “отверділому” стані. Форма його вільної поверхні має вигляд спіралі Архімеда

h = R fвн ( гр ) , (26)

параметри поперечного перерізу можна розрахувати за найбільшою товщиною шару продукту Нгр (рис. 6б)

гр = Нгр / (fвн R) Sгр = Н2гр / 2fвн h =Нвн R fвн . (27)

Аксіальний рух рідкого продукту описано системою рівнянь потоку з вільною поверхнею та змінними витратами по шляху пересування

,

, (28)

де комплекс безрозмірних коефіцієнтів,

vб швидкість рівномірного аксіального руху суспензії

у – координата, спрямована вздовж осі барабана.

Аналогічну систему диференційних рівнянь одержано для пластичного продукту.

Потужність, що споживається на відповідній стадії процесу розподілу суспензії при секційному обертальному русі представлено в узагальненому вигляді Ni = kNi v3 Vбар / R , (29)

де kNi – безрозмірний коефіцієнт, що залежить від реологічного стану продукту та відносної товщини шару продукту

Vбар – об’єм перфорованого барабана.

У розділі 4 викладено результати теоретичного аналізу процесу розподілу суспензії у масштабі протиральної машини. Характер та показники процесу суттєво залежать від структури потоку.

Повне перемішування суспензії (рис. 7) приводить до того, що властивості суспензії однакові у всій робочій зоні машини, концентрація часток баластових тканин у відходах дорівнює їх змісту в робочій зоні і становить

, (30)

де свих – концентрація часток у вихідній суспензії

Q* відносне завантаження перфорованої поверхні, що визначається як

, (31)

де S – площа перфорованої поверхні машини

товщина шару напівфабрикату, що відокремлюється при проходженні над отвором била, коли всю поверхню барабана вкриває вихідна суспензія.

Витрати напівфабрикату становлять

В = . (32)

Розподіл з ідеальним витискуванням суспензії виходить із припущення, що суспензія під час процесу переміщується вздовж перфорованої поверхні від перерізу, через який відбувається завантаження сировини до перерізу вивантаження відходів, при цьому повздовжнього перемішування суспензії не відбувається. Аналіз процесу розподілу овочефруктової суспензії у цьому випадку дозволяє виділити стадії відокремлення основних компонентів (рис.8).

Якщо виконується умова

сз + сб + сн скр , (33)

то спостерігається відокремлення дисперсійного середовища,

де сз сб сн об’ємна концентрація часток тканин, що запасають поживні речовини, баластових опуклих та ниткоподібних часток

скр – критична концентрація, при досягненні якої частки контактують між собою й утворюють структуру.

Коли сумарна концентрація часток досягає критичного рівня, тобто

сз + сб + сн скр , (34)

починається стадія переважного відокремлення тканин, що запасають поживні речовини. Ця стадія продовжується, доки зміст твердих часток баластових тканин та ниткоподібних часток не досягне критичного рівня, тобто сб + сн скр . Після цього відокремлення напівфабрикату уповільнюється й наступає стадія ковзання відходів, коли розподіл продукту практично припиняється.

У залежності від конструктивних параметрів машини в течії суспензії можна виділити одну, дві або три зони довжиною L1, L2, Lвідх , що відповідають стадіям відокремлення дисперсійного середовища, тканин, що запасають, та ковзання відходів, відповідно (рис. 8). Довжину перелічених зон можна розрахувати як

, L2 = , (35)

де В1, В2 – вихід напівфабрикату на стадіях відокремлення дисперсійного середовища й тканин, що запасають

В2, вихід тканин, що запасають поживні речовини, в машині з нескінченно довгим перфорованим барабаном

l вих – товщина шару напівфабрикату, що відокремлюється при проходженні над отвором била, у випадку, коли над перфорованою поверхнею знаходиться вихідна суспензія.

Аналіз показує, що машина може працювати в одному з таких режимів: пусковому, накопичення баластових тканин і вивантаження відходів.

Аналіз сил, які діють на відходи, дозволяє сформулювати умову, при якій відходи утримуються у барабані машини

Fв / P fв – tg , (36)

де Fв сила тиску на бічну грань об’єму відходів із боку суспензії, яка перебуває на стадії відокремлення тканин, що запасають

Р – сила, що діє на масу відходів із боку била

fв – коефіцієнт тертя відходів по поверхні била.

Умову (34) можна подати у вигляді

Lвідх. Lутр = 2 Н / 3( fв tg ), (37)

де Lутр – гранична довжина зони ковзання відходів, при якій вони утримуються у барабані машини.

Якщо умови (35, 37) не виконуються, то маса продукту, що перебуває на стадії ковзання відходів, переміщується під дією прикладених до неї сил у бік патрубка для вивантаження відходів. Швидкість осьового переміщення відходів становить

vy = б R tg , (38)

де кут підйому гвинтової лінії, по якій переміщуються відходи

= Аrc Sin (sin +(Fб / P) Cos f’б Cos ), (39)

де f’б коефіцієнт тертя ковзання по поверхні била.

У розділі 5 описано експериментальні установки, методику проведення експерименту та результати комплексного експериментального дослідження.

В результаті дослідження виявлено, що тиск, який створюється за рахунок обертального руху продукту в нерухомому барабані інерційної машини, визначається рівнянням (20). При цьому у діапазоні Re = (2…50) 104 і h / R = (0,2…0,6) коефіцієнт p не перевищує 1,1 і з точністю 0,005 описується рівнянням

p = 1,227 – 0,038 lg Re . (40)

Експериментально підтверджена правомірність використання теоретичних залежностей (21...25), які описують вільну поверхню продукту в барабані машини. Коефіцієнт гідравлічного опору рідини при цьому становить сf = (0,0082...0,0092) і наближається до величин, відомих в гідравліці відкритих потоків. Коефіцієнт внутрішнього тертя відходів під час розподілу суспензії зерняткових культур в інерційній машині залежить від виду сировини й режимів роботи машини. За результатами дослідження цей коефіцієнт знаходиться в межах (0,4...0,7). Коефіцієнт тертя відходів по перфорованій поверхні залежить від виду сировини, колової швидкості і за результатами дослідження змінюється від 0,25 до 0,60.

Розподіл овочефруктових культур на перфорованій поверхні досліджено на прикладі томатної, яблуневої та абрикосової суспензії. При цьому діаметри отворів перфорації становили (0,415 0,8 2,9) мм, колова швидкість бил – (5,7 11,3 15,7) м/с. За рахунок зміни ширини зазору між робочою крайкою бил і ситовим полотном змінювали режими роботи бил: з ущільненням зазору між билом і ситовим полотном та без ущільнення зазору.

Усі досліджені режими можна розділити на дві групи: режими, при яких розподіл закінчується повним закупорюванням перфорованої поверхні (табл. 2) та режими, при яких спостерігається відокремлення обробленого напівфабрикату (табл. 3). Щоб забезпечити відокремлення напівфабрикату, необхідно використовувати режими роботи бил з ущільненням зазору між билом і перфорованою поверхнею, вибирати колову швидкість бил, яка перевершує границю, що призводить до закупорювання отворів.

Таблиця 2.

Режими, при яких спостерігається повне закупорювання отворів

Сировина що

переробляється | Діаметр отвору, ммРежим роботи бил | Колова швидкість бил, м / с

Томатна суспензія | 0,415 | Без ущільнення зазору | 5,7

Яблунева

суспензія | 0,415 | Без ущільнення зазору | 11,3

З ущільненням зазору | 5,7

2,9 | Без ущільнення зазору | Усі досліджені режими

Абрикосове пюре-напівфабрикат | 0,415 | Без ущільнення зазору | 11,3

2,9 1,2 | Без ущільнення зазору | Усі досліджені режими

Таблиця 3.

Режими, при яких спостерігається відокремлення напівфабрикату

Сировина, що

переробляється | Діаметр отвору, мм | Режим роботи бил | Колова швидкість бил, м / с

Томатна суспензія | 0,415 | Без ущільнення зазору | 5,7

З ущільненням зазору | Усі досліджені режими

Яблунева суспензія | 0,415 | Без ущільнення зазору | 11,3

З ущільненням зазору | 5,7

Абрикосове пюре-напівфабрикат | 0,415 | Без ущільнення зазору | 11,3

Експериментально підтверджено існування таких механізмів закупорювання отворів перфорації при витіканні суспензії:

1. Утворення пробки на бічній поверхні отвору. Явище спостерігається, коли розміри часток у (4...10) разів менші за розміри отвору. Пробка періодично змивається струмом суспензії, що витікає, при цьому коефіцієнт витрат зростає зі збільшенням товщини шару продукту в машині й описується залежністю (9). Коефіцієнт відкриття отвору знаходиться в межах (0,5...0,9).

2. Утворення пробки з часток, які періодично знімаються билом, що проходить над отвором. У цьому випадку витрати напівфабрикату визначаються явищами закупорювання та очищення отвору і не залежать від товщини шару продукту в барабані машини. Ефективний коефіцієнт витрат отвору зменшується зі збільшенням товщини шару продукту в барабані і знаходиться в межах (0…0,2).

Енергія удару, здатного зруйнувати шкарлупу фруктової кісточки, є вірогідною величиною, яка описується логарифмічно нормальним законом розподілу

, (41)

де Р(Е) – імовірність пошкодження шкарлупи кісточки при енергії молотка Е

М – середнє геометричне значення енергії удару, необхідної для руйнування

середньоквадратичне відхилення lg E від математичного очікування.

Результати статистичної обробки результатів дослідження руйнування кісточок наведено в табл. 4, 5.

Слід відзначити, що з імовірністю 95% енергія, необхідна для пошкодження кісточки сливи, може відрізнятися в більшу або меншу сторону в 1,7 разів, а для кісточки абрикоси – у 2,5 разів. Покриття робочого органу еластичним матеріалом (гумою) збільшує енергію, необхідну для руйнування фруктових кісточок.

На основі експериментальних даних по формулі (17) розраховано граничну відносну швидкість, при якій з вірогідністю 99% кісточка після зіткнення з робочим органом машини залишиться непошкодженою. Для вишневих кісточок ця швидкість становить 20 м/с, абрикосових – 22 м/с, сливових – 12,5 м/с.

Таблиця 4.

Параметри логарифмічно нормального закону розподілу енергії

пошкодження шкарлупи фруктових кісточок при іспитах на жорсткій основі, температурі 20С

Вид кісточок | Стан кісточок | Параметри розподілу

М, Дж

Вишня | Вологі | 0,131 | 1,13

Сухі | 0,145 | 1,20

Абрикоса | Вологі | 0,773 | 1,31

Таблиця 5.

Параметри логарифмічно нормального закону розподілу енергії

пошкодження шкарлупи кісточок сливи при гумовій прокладці між

кісточкою й ковадлом

Товщина

гумової прокладки, ммПараметри розподілу при температурі (С) кісточок

20 | 95...100

М, Дж | М, Дж

0 | 0,098 | 1,39 | 0,15 | 1,45

3,37 | 0,27 | 1,38 | 0,30 | 1,24

6,75 | 0,44 | 1,35 | 0,40 | 1,30

10,12 | 0,50 | 1,42 | 0,50 | 1,31

13,5 | 0,57 | 1,38 | 0,55 | 1,31

Рух продукту й відокремлення обробленого напівфабрикату в інерційній машині безперервної дії було досліджено на прикладах томатної суспензії, абрикосового й айвового попередньо протертих напівфабрикатів. При цьому варіювалися швидкість обертального руху бил, завантаження машини, кут випередження бил. Приклад одержаних даних наведено на рис. 9. Колова швидкість бил у цьому прикладі становила 13,9 м/с, радіус барабану 45,5 мм, кут випередження бил 6, діаметр отворів перфорації 0,35 мм, подача сировини 134 г/с.

Аналіз експериментальних даних показав, що при розподілі цих продуктів спостерігається порівняно невеликі зміни товщини шару продукту в поперечному перерізу барабана, дуже значне зменшення осьової складової швидкості. Коефіцієнт витрат знижується до як завгодно малого рівня. При розподілі суспензії насіннєвих та кісточкових культур процес можна розділити на стадії переважного відділення дисперсійного середовища, тканин, що запасають поживні речовини й ковзання відходів.

Відокремлення дисперсійного середовища можна описати моделлю витікання розбавленої суспензії (10), а тканин, що запасають поживні речовини – моделлю протирання (15). На другій стадії спостерігається зменшення товщини шару напівфабрикату, що відокремлюється при проходженні над отвором била, пропорційне до виходу напівфабрикату, що збігається з результатами теоретичного дослідження для моделі протирання концентрованої суспензії. Приклад такої залежності наведено на рис. 10.

Параметри, які характеризують витратні характеристики перфорованої поверхні інерційної машини при розподілі досліджених овочефруктових суспензій, наведено в табл. 6.

Таблиця 6.

Витратні характеристики перфорованої поверхні при розподілі

овочефруктової суспензії

Суспензія | Умови розподілу | Стадія

відокремлення дисперсійного середовища | Стадія відокремлення тканин, що запасають | Гранична кількість відходів, %

d, мм | v, м/с | , град. | Z, шт | вит | В1, % | lвих., % | В2, , %

Томатна | 2,8 | 5,0

7,5 | 0 | 1 2 | 0,35 | 63 | 4,0 | 35 | 2

Абрикосовий напівфабрикат | 0,35 | 6,9

13,9 | 6 | 2 | 0,25 | 40 | 2,0 | 56 | 3

Айвовий

напівфабрикат | 0,35 | 6,9 | 5 | 2 | 0,20 | 23 | 0,8 | 34 | 43

13,9 | 0 | 2 | 0,20 | 48 | 1,25 | 50 | 3,0

У шостому розділі розкрито шляхи вдосконалення протиральних машин та впровадження результатів дослідження.

Показано, що для продуктивного розподілу суспензії на перфорованій поверхні необхідно виконати умову (4) швидкісного протирання суспензії. Порівняно також роботу машин, які відрізняються структурою потоку в робочій зоні. Показано, що в машині повного перемішування вміст баластових часток у відходах завжди менший, ніж у машині ідеального витискування. Відношення концентрацій збільшується з ростом глибини розподілу суспензії.

На основі цих даних проведено якісний аналіз можливостей протиральних машин різних конструктивних схем, які описані в науково-технічній інформації (табл. 7).

Таблиця 7.

Порівняння конструктивних схем протиральних машин

Конструктивна схема | Чинник оцінки конструкції | Висновок про перспективи

використання

Швидкісний режим | Структура

потоку | Складність конструкції

Інерційна з нерухомим барабаном (рис. 1а) | + | + | + | Має великі

потенційні

можливості

Машина з барабанами, що обертаються планетарно | + | + | - | Занадто складна

Інверсійна із скребками, які розташовано зовні барабана (рис. 1в) | + | - | + | Багато втрат

корисних

речовин з

відходами

Інверсійна із скребками, розташованими всередині барабана (рис. 1г) | - | - | +

Машина з плоским ситом | - | - | + | Неперспективна

Валкова машина (рис. 1б) | - | - | - | Непридатна

У випадку, коли конструкція машини забезпечує швидкісний розподіл суспензії та структура потоку наближається до схеми ідеального витискування, в таблиці стоїть знак “+”, у протилежних випадках – знак ““. У графі “складність конструкції” знак “” проставлено у тих випадках, коли конструкція ускладнена необхідністю додаткових пристроїв для завантаження сировини або вивантаження відходів, має складну кінематичну схему, яка, повинна забезпечувати планетарний рух барабанів, потребує багатьох перфорованих барабанів, тощо.

Річний економічний ефект від упровадження двох фракційної протиральної машини К3-КИЗ становить 8727 карбованців за цінами 1988 року, протиральної машини Р3-КИН – 5800 карбованців за цінами 1990 року.

Висновки

1. Розроблено наукові основи розподілу овочефруктової суспензії на перфорованій поверхні в умовах транзитного руху суспензії й очищення поверхні билами. Запропоновано й підтверджено експериментально аналітичні моделі, які описують систему явищ, що відбуваються в довкіллі отвору перфорації, робочої зони й машини в цілому.

2. Запропоновано класифікацію процесу розподілу суспензії на перфорованій поверхні відповідно до швидкості транзитного руху суспензії та структури потоку в робочій зоні, яка дозволяє якісно оцінювати конструкцію й режими роботи обладнання для розподілу суспензії.

3. Виявлено умови, необхідні для розподілу овочефруктової суспензії на перфорованій поверхні. Транзитна швидкість суспензії має перевищувати граничну величину. Для томатної суспензії гранична швидкість становить 5,7 м/с, яблуневої суспензії й абрикосового напівфабрикату – 11,3 м/с. Для розподілу яблуневої суспензії й абрикосового напівфабрикату необхідно очищувати перфоровану поверхню билами, які працюють у режимі ущільнення зазору частками