ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ ІМ. М.ТУГАН-БАРАНОВСЬКОГО

ГАРКУША ВОЛОДИМИР БОРИСОВИЧ

УДК 664-988ю002ю5(043ю3)

РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ

ОБРОБКИ ПРОДУКТІВ ХАРЧУВАННЯ НАДВИСОКИМ ТИСКОМ

Спеціальність 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробницв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата економічних наук

Донецьк – 2002

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі загальноінженерних дисциплін Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Сукманов Валерій Олександрович,

Донецький державний університет економіки і

торгівлі ім. М. Туган-Барановського, завідувач

кафедри загальноінженерних дисциплін

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Некоз Олександр Іванович,

Національний університет харчових технологій,

завідувач кафедри матеріалознавства

та технології машинобудування

кандидат технічних наук, доцент

Лебедєв Іван Миколайович,

Донецький державний університет економіки

і торгівлі ім. М. Туган-Барановського,

доцент кафедри обладнання харчових підприємств

Провідна установа: Український державний хіміко-технологічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра харчових виробництв і захисту обладнання від корозії , м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “11” грудня 2002 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.055.02 Донецького державного

університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського за адресою: 83055, Донецьк-55, Театральний проспект, 28, (3-й учбовий корпус).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського за адресою: 83017, Донецьк-17, б. Шевченка, 30.

Автореферат розісланий “05” листопада 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент Антропова Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення населення України продуктами харчування високої якості та їх конкурентоздатності на зовнішньому ринку є одною з основних задач вітчизняної харчової і переробної промисловостей.

Одним із шляхів вирішення даної задачі є розробка нових технологій, удосконалення технологічних процесів і апаратів, перехід на нові екологічно чисті технології і широке використання досягнень науки і техніки у виробництві, які забезпечують підвищення якості продукції, що отримується при заощадженні матеріальних і паливно-енергетичних ресурсів.

Існуючі технології підвищення термінів зберігання харчових продуктів засновані на термічній обробці (пастеризація і стерилізація), додаванні до продуктів різних за своєю природою хімічних консервантів. При цьому харчові та органолептичні властивості суттєво погіршуються внаслідок денатурації білків, руйнування ферментно-вітамінного комплексу.

В останні роки (починаючи з 1989 – 1990 рр.) значно зріс інтерес до технологій впливу надвисокого тиску (НВТ) на різноманітні біологічні об’єкти та їх композиції з метою консервації і поліпшення їх споживчих властивостей (в основному на харчові продукти). Це пов’язано зі згубною дією НВТ на клітинні структури живих мікроорганізмів та їх спори, що призводить до їх депресії і наступної загибелі. В основі цих явищ лежать глибокі структурні, якісні та кількісні хімічні зміни в органічній масі речовини, які відбуваються як у рідкій, так і твердій фазі. Але існують лише поодинокі дані про характер діяння надвисокого тиску на різноманітні продукти; не досліджені відповідні технологічні процеси обробки продуктів та інших біоматеріалів надвисоким тиском; відсутнє відповідне обладнання для дослідження вище перерахованих явищ і процесів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились у відповідності з тематикою науково-дослідницьких робіт Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган- Барановського Г-99-1 (0199U001225) “Використання надвисокого тиску в харчових технологіях”, Г-2002-02, (0102U002044) “Розробка нової технології обробки сиропу й пива надвисоким тиском з метою зберігання харчової цінності і збільшення термінів їх зберігання”, планом роботи проблемної науково-дослідницької лабораторії ДонДУЕТ “Використання надвисокого тиску в харчових технологіях”.

Ціль і задачі дослідження. Метою роботи є створення установки для обробки продуктів харчування та інших біоматеріалів надвисоким тиском у дослідницьких цілях.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

розробити технічне завдання, обумовити принципову схему установки;

розробити методику розрахунку і проектування установки для обробки продуктів НВТ;

дослідити роботу системи ущільнення робочої камери установки;

дослідити установку НВТ при різних температурних режимах її роботи;

дослідити взаємозв’язок величини тиску та температури у процесі роботи установки;

дослідити надійність установки методами математичного моделювання;

впровадити результати наукових досліджень в практику та оцінити ефективність їх впровадження.

Об’єкт дослідження – процес обробки продуктів харчування та інших біоматеріалів надвисоким тиском.

Предмет дослідження – установка для обробки продуктів харчування та інших біоматеріалів надвисоким тиском у дослідницьких цілях.

Методи дослідження. При виконанні роботи використані теоретичні та експериментальні методи дослідження, серед яких статистичні (аналіз, обробка експериментальних даних і математичний опис отриманих залежностей), математичне моделювання, використання сучасних вимірювальних пристроїв і приладів (керування роботою установки НВТ й експериментальними дослідженнями з використанням спеціально розробленої програми ЦПУ та персонального комп’ютера).

Обгрунтування та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Достовірність одержаних наукових результатів, методик розрахунку, висновків і рекомендацій забезпечена використанням основних законів механіки і термодинаміки, сучасних наукових положень теорії ланцюгів Маркова, використанням сучасних вимірювальних приладів і методів дослідження, математичних методів обробки експериментальних даних, використанням сучасних обчислювальних методів моделювання, підтверджуються адекватністю результатів теоретичних досліджень і експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

запропоновано новий метод розрахунку геометричних параметрів робочої камери установки для оброблення продуктів харчування надвисоким тиском;

аналітичними методами отримані значення напружень у стінках робочої камери установки;

отримані залежності зміни температури в робочій камері установки в режимах “нагрівання” й “охолодження”;

запропонований і реалізований аналоговий принцип керування процесом обробки продуктів у камері надвисокого тиску на основі використання “еталонного тіла”;

досліджена робота контрольно-вимірювальних датчиків установки (температури і тиску) і одержані залежності зміни їх характеристик у процесі роботи;

одержані залежності техніко-експлуатаційних показників ущільнювального вузла установки за різних режимів її роботи;

методами математичного моделювання (ланцюг Маркова) досліджена надійність розробленої установки; здобуті залежності інтегральної функції розподілу накопичення ушкоджень, функції надійності, функції інтенсивності відмови камери та ущільнення від числа циклів навантаження, а також узагальнююча функція розподілу, що описує повну імовірність виходу з ладу основного елемента установки – її робочої камери.

Практичне значення здобутих результатів:

розроблена методика проектування установок для оброблення продуктів харчування та інших біоматеріалів надвисоким тиском;

створена установка для оброблення продуктів харчування та інших біоматеріалів надвисоким тиском, яка дозволяє варіювати фактори дії на об’єкти оброблення (температура від –40 до +100оС і тиск до 1000 МПа), і відзначається високими надійними показниками;

розроблений комплект технічної документації та інструкція з експлуатації створеної установки;

визначено критичне число циклів навантаження установки, при якому слід проводити заміну стінок її робочої камери;

розроблена й реалізована програма для реєстрації на ПК параметрів процесу оброблення продуктів, які досліджуються.

Особистий вклад здобувача. Автором особисто визначено направлення та здійснено обґрунтування методів теоретичних досліджень, розроблена методика розрахунку та проектування установки НВТ. Здобувач виконав постановку, планування та аналіз результатів експериментальних досліджень, сформулював загальні висновки роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, і були схвалені на щорічних наукових конференціях Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського у 1998-2002 роках; I Міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні проблеми харчування: технологія і обладнання, організація і економіка” (Славяногірськ, 1999р.); ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Продовольчий ринок і проблеми здорового харчування” (Росія, Орел, 2000 р.); ІV Міжнародній конференції “High pressure school on chemistry, biology, materials science and techniques” (Польща, Варшава, 2001 р.); VII Міжнародній конференції ,,Високий тиск 2002. Фундаментальні та прикладні аспекти” (2002 р.); Міжнародній науково-методичній конференції ,,Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі”, присвяченій 35-річчю Харківської державної академії технології та організації харчування (Харків, 2002 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 6 наукових статей у фахових виданнях, 2 тез доповідей на Міжнародних наукових конференціях. Загальним обсягом 2,8 др. арк.

Структура дисертації. Основний зміст роботи викладено на 166 сторінках машинописного тексту, який складається із вступу, 6 розділів, основних висновків і 5 додатків. Дисертація ілюстрована 39 рисунками та 34 таблицями на 20 сторінках. Список використаної літератури складається з 172 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мета й наукові задачі, визначено основні напрямки дослідження.

У першому розділі “Аналіз публікацій по темі дисертації” показана перспективність і актуальність розробки технології оброблення продуктів харчування надвисоким тиском. Проаналізовані конструкції камер НВТ, які випускаються і використовуються провідними країнами світу як для промислового використання, так і для проведення пошукових і науково-дослідницьких робіт. Обґрунтована необхідність створення КНВТ для проведення всебічних дослідницьких робіт у пошуку оптимальних технологічних параметрів процесу обробки різних продуктів харчування та інших біологічних об’єктів, яка дозволяє варіювати такі параметри процесу, як величина тиску, градієнт тиску, температура в робочій камері, тривалість обробки. На основі проведеного аналізу були сформульовані направлення досліджень з метою створення установки для оброблення продуктів харчування та інших біоматеріалів надвисоким тиском у дослідницьких цілях.

У другому розділі “Розробка установки для оброблення продуктів харчування надвисоким тиском” сформульовані вихідні вимоги до установки, яка створюється, і обумовлена її принципова схема. У результаті аналізу можливих конструкцій корпусів камер надвисокого тиску і теоретичних передумов їх розрахунку на міцність запропоновані методики розрахунку на міцність і проектування корпусів камер НВТ.

Аналіз конструкцій камер установок НВТ, а також існуючі методики їх розрахунку на міцність дозволили виділити три можливі перспективні конструкції корпусу камери: 1 – одношаровий товстостінний циліндр, 2 – двох або багатошаровий циліндр, 3 – циліндр з навивкою попередньо напруженої стрічки.

При розрахунку одношарового циліндра та для зручності розрахунків розрахункова формула приведена до безрозмірного виду:

(1)

де Ро – внутрішній тиск, Рн – зовнішній тиск, б=, - безрозмірні параметри, rо – внутрішній радіус, R – зовнішній радіус, r – поточний радіус, ув – межа міцності при розтягуванні, у0,2 – межа пружності.

При цьому: і .

В основі розрахунку на міцність двошарової камери, яка працює під дією надвисокого внутрішнього тиску, лежить визначення напруг у стінках, складових шарів в залежності від геометричних розмірів і діючого навантаження.

Величина контрольного тиску, що викликає стискаючі тангенціальні напруження у внутрішньому шарі і розтягуючі тангенціальні напруження у зовнішньому шарі, була визначена за формулою:

(2)

при rо = 20мм (радіус внутрішньої поверхні), r1 = 34,025 мм ( радіус посадової поверхні), r2 = 80 мм (радіус зовнішньої поверхні), Рк=311,6 МПа.

Після введення певних припущень і позначивши основні розміри багатошарової камери НВТ:

- габаритний розмір камери,

- габаритний розмір вузла підтримки,

- розмір кільцевої камери надвисокого тиску,

N – число всіх шарів у камері,

(N-1) – число шарів у вузлі радіальної підтримки,

одержали співвідношення між розмірами елементів камери:

(3)

При цьому умова міцності має вигляд:

(4)

де .

За цієї умови виходить, що вузол підтримки повинен створити в камері такий зовнішній радіальний тиск Р1, щоб при дії тиску Ро напруження в порожнині камери не перевищило напруження (ув1), які допускаються. Величина тиску підтримки Р1 визначається як:

(5)

Максимально можливий тиск у камері надвисокого тиску визначений через розміри її елементів, дорівнює:

(6)

На основі цього рівняння побудовані номограми , які

дозволяють визначати розміри камери НВТ m1 (рис.2).

У третьому розділі “Створення установки для оброблення продуктів харчування, інших біоматеріалів надвисоким тиском і дослідження її експлуатаційних параметрів” представлено результати комплексу науково-дослідницьких і дослідно-конструкторських робіт, на підставі яких була спроектована, виготовлена й випробувана установка НВТ, загальна схема якої представлена на рис. 3. Робота УНВТ забезпечується блоком управління. Параметри УНВТ:

Максимальний тиск КНВТ.................................................................. – 1000МПа

Робочий тиск в КНВТ........................................................................... – 800 МПа

Розрахункова кількість циклів навантаження при робочому тискові – 900

Робочий діаметр і довжина каналу................................................. – 40,38х153мм

Максимальна висота об’єкту, який досліджується............................... – 120 мм

Робочий діапазон температур в КНВТ .......................................... – (-20+80оС) Максимальний діапазон температур в КНВТ................................ – (-40+100оС)

Час виходу на задану температуру................................................ – (2 – 3) години

Міцність нагрівача..................................................................................... – 1,5 кВт

Датчик температури.......................................... мідь – константанова термопара.

Чутливість системи реєстрації температури............................................ -0,1оС

Точність реєстрації температури............................................................... 0,5оС

Датчик тиску....................................................................... – манганінова котушка

Поправка на залежність датчика від тиску і температури........... – автоматична

Чутливість системи реєстрації тиску................................................ – 1МПа

Точність системи реєстрації тиску................................................. - 10МПа

Точність системи тривалої підтримки температури в КНВТ............... - 0,2оС

Точність завдання температури................................................................ – 2оС

Охолодження КНВТ ...................................................... – парами рідкого азоту

Регулювання швидкості охолодження......................... – плавне в 5 діапазонах

Документування й безперервна реєстрація...... – персональним комп’ютером

Габарити УНВТ.......................................................... – 220мм х 1500м х 800мм.

Маса КНВТ ................................................................................................. – 40 кг.

Маса УНВТ................................................................................................. – 300 кг.

Для керування процесом нагрівання КНВТ була використана ідея “еталонного тіла”, маса якого набагато менше маси камери, а теплопровідність у декілька разів вища, тому температура в ньому миттєво встановлюється рівномірною по всьому тілу. Підтримання температури еталонного тіла на рівні Тет забезпечує підтримання температури камери на заданому рівні.

Експериментальні дослідження процесу керування температурою, у режимі охолодження й підігрівання, підтвердили високу ефективність принципу роботи “еталонного тіла” (рис.4).

У процесі дослідження параметрів манганинового датчика була одержана залежність його величини опору від температури (рис. 5) і тиску (рис. 6).

Дослідження параметрів каналу камери і поршня в залежності від величини тиску показали, що при тиску в 1000 МПа величина розширення внутрішнього діаметра камери ?d = 2,5.10-7м. У районі ущільнення поршня за рахунок незкомпенсованої площі діаметр на 1,7% більше від середнього по каналу і, отже, реальний тиск у камері менше. З урахуванням цього в таблиці 1 наведені значення тиску в пресі для досягнення тиску в камері 1000 МПа в залежності від збільшення діаметра.

Таблиця 1

Значення тиску в пресі для досягнення тиску в камері 1000 МПа

в залежності від збільшення діаметра.

Рм(атм) | 503,256 | 509,487 | 509,911 | 510,324 | 511,057 | 511,979 | 513,226 | d .10-7м | 2,4 | 2,5 | 2,67 | 2,836 | 3,13 | 3,5 | 4,0 |

Вважаючи залежність ?d (Ро) лінійною, у вигляді ?d = kPo, була знайдена поточна площа каналу:

(7)

При створенні у пресі тиску Рм у камері створюється тиск

(8)

Приймаючи значення k = 2,5.10-7 отримано залежність:

Рм = 50,3256 Р0 + 0,06231Р02 (9)

Використовуючи співвідношення між числом рисок Nм манометра й тиском у камері Рм = 6Nм, отримано зручне при розрахунках співвідношення:

(10)

Дані співвідношення не враховують втрати на тертя. Останні визначаються з гістерезисних вимірювань при навантаженні камери. Тому для отримання потрібного тиску Ро необхідно знайти Рм = Ррозр. + ?Ртр. (Р0). Аналогічно зміряний тиск у камері відрізняється від розрахункового:

Рзам. = Р0 - Р0, (11)

де втрати тиску ?Р0 залежать від тиску й були визначені експериментально.

З урахуванням вищенаведених залежностей і величин опору манганинової котушки, значення тиску визначається за формулою (12):

(12)

Дослідження параметрів датчика температури полягало у виконанні градуювання системи та отриманні залежностей, на ведених на рис.7-8.

В четвертому розділі “Дослідження ущільнювальної будови камери надвисокого тиску” представлені результати дослідження одного з основних вузлів КНВТ – ущільнення поршня робочої камери.

Було розроблено, виготовлено й досліджено 5 конструкцій ущільнень, в яких використовується принцип незкомпенсованої площі – самоущільнювальні сальники. Дослідження працездатності ущільнень проводилось на установці НВТ з варійованими параметрами: робочий тиск – від 1 до 1000 МПа; діапазон температур – від –400С до +1000С; робоча рідина – ПЕС-3. Падіння тиску оцінювалось як різниця показників манганинового датчика всередині робочої камери й на підвідному патрубку. Контроль і запис досліджуваних параметрів здійснювались з використанням цифрового аналогового перетворювача і виводом інформації на ПК з одночасним створенням файла поточного експерименту.

Спеціально розроблена плата в ПК і цифровий аналоговий перетворювач дозволяли виконувати 1000 циклів вимірів за 1 секунду й виконувати порівняння 2-х послідовно отриманих величин. Для графічної побуди графіків змін тиску на екрані дисплея автоматично проводилось упосереднення 2500 циклів вимірювань. Результати експериментів представлені на рис. 9, 10.

В результаті аналізу отриманих результатів було встановлено, що набільш доцільно в даній конструкції використовувати ущільнення конструкції 5, яка наведена на рис. 11. Результати досліджень даного ущільнювального пристрою при різних температурних режимах представлено на рис. 12.

У результаті експлуатаційних випробувань ущільнення встановлено, що в межах робочого тиску до 400 МПа за 72 години( при t = 20оС) падіння тиску складає 10 МПа. При максимальних значеннях температури і тиску падіння тиску складає 20 МПа.

У п’ятому розділі ,,Дослідження надійності установки методами математичного моделювання” наведені результати дослідження надійності КНВТ, у вигляді ланцюга Маркова - послідовності випробувань з можливими результатами Е1, Е2,.... Еm, остаточним числом станів і постійними імовірностями переходу, якщо імовірність (виходів) результатів вибіркової траєкторії визначається формулою (13) через розподіл початкових імовірностей {бJ}і умовні імовірності {pJk}появи Еk в одному дослідженні за умови, що результат попереднього дослідження ЕJ:

PEj0Ej1 = aj0pj0j1 ,PEj0Ej1Ej2 = aj0pj0j1pj0j2, и т.д. (13)

Критерій виходу із ладу камери надвисокого тиску:

1. Циліндр (тіло камери): тріщина досягла значення бf ;

2. поршень (ущільнення): спрацювання більше ніж бf..

Початкова довжина дефекту: б0, де б0 = k0 ?б і ?б зростання дефекту у відповідності до часу Тб = Тk0 + J, де J – індекс інтервалів часу; Тб – час досягнення дефектом значення, несумісного з нормальною роботою.

(14)

(15)

Інтегральна функція розподілу має вигляд:

(16)

де lm - амплітудне значення величини тиску;

- функція, враховуюча матеріал циліндра;

t - кількість циклів.

Як інтегральну функцію розподілу використано розподіл Вейбулла.

У загальному випадку модель циклічного марківського процесу була задана співвідношенням

(17) Після введення відповідних допущень: властивості міняються в залежності від кількості циклів навантаження; можливі два типи зміни:

- зменшення амплітуди навантаження:

- збільшення амплітуди навантаження:

і побудови відповідних інтегральних функцій розподілу були вилічені матриці перехідних імовірностей.

Числова реалізація стаціонарної феноменологічної стохастичної моделі була виконана з використанням пакетів MathCAD 2000 і Mathlab 6.1. Була визначена імовірність переходу між станами, які характеризуються довжиною тріщин від утоми і величини спрацювання ущільнення, що призводить до руйнування камери.

У результаті побудови відповідних матриць переходів були одержані: залежності інтегральної функції розподілу накопичення пошкоджень камери (формула 18) та ущільнення (формула 19) від числа циклів навантаження:

y = 0,0003x4 - 0,0055x3 + 0,0341x2 + 0,0684x -0,529 (18)

y = - 0,0002x5 + 0,002x4 - 0,0105x3 + 0,0293x2 - 0,0192x (19)

залежності функції надійності камери (формула 20) і ущільнення (формула 21) від числа циклів навантаження:

y = - 0,0001x4 + 0,0034x3 - 0,024x2 - 0,0835x + 1,04 (20)

y = -0,0001x4 + 0,0051x3 - 0,0605x2 + 0,1457x + 0,9031 (21)

- залежність функції інтенсивності відмов камери (формула 22) і ущільнення (формула 23) від числа циклів навантаження:

y = - 0,0002x5 + 0,0028x4 - 0,0191x3 + 0,0465x2 + 0,0912x - 0,117 (22)

y = 0,0043x2 + 0,0015x - 0,0004 (23)

Повна імовірність виходу із ладу камери надвисокого тиску, що складається з камери і поршня, дорівнює:

Q = ИФРпФНц + ИФРцФНп + ИФРпИФРц (24)

де ИФРпФНц – інтегральні функції розподілу поршня й циліндра відповідно;

ФНц и ФНп – функції надійності циліндра й поршня відповідно.

Після застосування теореми про повну імовірність узагальнююча функція розподілу матиме вид:

y = 0,0004x4 - 0,0089x3 + 0,0574x2 + 0,0297x - 0,0299 (25)

відповідні графіки представлені на рис. 13-16.

У шостому розділі “Визначення економічного, практичного й соціального ефекту від впровадження результатів дисертаційної роботи” представлені результати практичних випробувань установки та оцінки економічної і соціальної ефективності від впровадження результатів дисертації.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз публікацій по темі дисертації показав, що використання надвисокого тиску в харчових технологіях є одним з перспективних направлень розвитку харчових технологій. У наш час відсутнє обладнання, яке б дозволяло досліджувати процеси оброблення продуктів харчування та інших біоматеріалів надвисоким тиском. Мета роботи є актуальною і спрямована на розв’язання важливої народногосподарської задачі – переходу від традиційних способів переробки харчових продуктів до нових високотехнологічних, менш енергоємних, екологічно чистіших.

2. Обумовлена принципіальна схема робочої камери установки у вигляді двошарного циліндра. Запропонована методика розрахунку робочої камери установки; визначені напруження в стінках камери. Розроблена номограмма для визначення розмірів багатошарних камер надвисокого тиску. Визначені конструктивні й технологічні особливості установки, яка розробляється.

3. Розроблена й виготовлена установка для досліджень процесів оброблення продуктів харчування надвисоким тиском. Параметри установки: максимальний тиск у камері при t = 20оС – 1000 МПа; робочий тиск у камері – 800 МПа; діаметр каналу – 40,38 мм; максимальна висота об’єкта, який досліджується – 120 мм; робочий діапазон температур – (від –20оС до +80оС); комп’ютерна обробка, документування і безперервна реєстрація даних; кероване (плавне в 5-ти діапазонах) охолодження камери й робота в області низьких температур – продуванням рідким азотом. Для керування процесом нагрівання камери запропонована ідея “еталонного тіла”, маса якого набагато менше маси камери, а теплопровідність вище, тому температура в ньому миттєво встановлюється рівномірною по всьому тілу. Нагрівачі ,,еталонного тіла” і камери з’єднані послідовно з одним джерелом енергії, тому виділена в нагрівачах теплова енергія пропорціональна їх опору у будь-який час, що забезпечує підтримання температури камери на заданому рівні.

4. Експериментальними дослідженнями встановлені залежності зміни опору манганинового датчика від величини температури й тиску в камері; фактичної температури в робочій камері від показників термопари; величини прирощування значення діаметра каналу камери від величини робочого тиску; характер зміни температури в робочій камері в процесі її нагрівання та охолодження. Усі отримані теоретичні й експериментальні залежності використані при написанні компютерної програми для керування роботою УНВТ.

5. У результаті порівняльних випробувань пяти різних ущільнювальних пристроїв камери встановлена найбільш доцільна конструкція даного вузла. Випробування вузла показали, що при зростанні тиску до 400 МПа падіння тиску практично відсутнє; падіння тиску при різних температурних режимах роботи установки, а також через 72 години при t = +20оС і Рк – 1000 МПа становить 10-20 МПа.

6. Надійність розробленої камери надвисокого тиску описана у виді стаціонарної, феноменологічної стохастичної моделі кумулятивного пошкодження, яка побудована у виді ланцюга Маркова. Критеріями виходу із ладу камери прийняті: тріщина тіла камери і спрацювання ущільнення поршня. Як інтегральну функцію розподілу використано розподіл Вейбула. Методами комп’ютерного моделювання виконано прогноз надійності камери при робочому напруженні 1100 МПа.

7. Одержані залежності інтегральної функції розподілу накопичення пошкоджень, функції надійності, функції інтенсивності відмов, камери і ущільнення від числа циклів навантаження, а також узагальнююча функція розподілу, яка описує повну імовірність виходу з ладу камери надвисокого тиску, яка складається з камери і поршня. Встановлено, що після 900 циклів максимального навантаження доцільно проведення планової заміни ущільнення й після 1300 циклів максимального навантаження доцільно зробити заміну циліндра.

8. Очікувана економічна ефективність від освоєння виробництва розробленої УНВТ на АООТ “Донецький завод ,,Продмаш” складає 117,95 тис.грн. на рік. Передбачене впровадження технології надвисокого тиску на ЗАО “Геркулес” дозволить знизити експлуатаційні витрати на 74,3 тис.грн., підвищити термін зберігання продукції і забезпечить зберігання ферментно-вітамінного комплексу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сукманов В.О., Левит І.Б., Гаркуша В.Б. Перспективи використання

надвисокого тиску в харчових технологіях // Тем. зб. наук. пр.Вип.2.- Донецьк: ДонДУЕТ. -1999.-С.3-7 (0,25 др. арк.).

Особистий внесок здобувача: збір та аналіз інформації про використан- ня надвисокого тиску в харчових технологіях.

2. Сукманов В.О., Хазіпов В.А., Гаркуша В.Б. Високий тиск і передумови його використання у харчовій промисловості // Вісник ДонДУЕТ. Вип.4. Донецьк: ДонДУЕТ. -1999.-С.120-128 (0,45 др. арк.).

Особистий внесок здобувача : визначення направлення та обгрунтування

методів теоретичних досліджень при розробці установки надвисокого тиску.

3. Сукманов В.О., Левит І.Б., Гаркуша В.Б. Визначення параметрів камери, працюючої під тиском, на основі аналізу напруг в її стінках // Тематичний збірник наукових праць. Вип.-6.-Донецьк: ДонДУЕТ.-2000.-С.4-10 (0,35др.арк.).

Особистий внесок здобувача: розробка методики розрахунку і проекту-

вання установки надвисокого тиску.

4.Сукманов В.А., Гаркуша В.Б. Розробка і дослідження ущільнення камери

надвисокого тиску // Тем. зб. наук. пр.Вип.7.-Донецьк: ДонДУЕТ.- 2002.-

С.175-182(0,4 др. арк.).

Особистий внесок здобувача: розробка конструкцій ущільнень, участь у експериментальних дослідженнях, обробка результатів.

5. Сукманов В.А., Гаркуша В.Б. Модель надійності камери надвисокого

тиску на основі ланцюгів Маркова // Вісник ДонДУЕТ. Вип. 1(13). Донецьк: ДонДУЕТ.- 2002.- С.67-79 (0,65 др. арк.).

Особистий внесок здобувача: постановка задачі, проведення розрахунку, аналіз результатів надійності камери надвисокого тиску.

6. Сукманов В.О.,Гаркуша В.Б.Установка надвисокого тиску та дослідження систем, що забезпечують її функціонування -Вісник ДонДУЕТ. Вип.2(14). -Донецьк: ДонДУЕТ.-2002.-С.94-98 (0,25 др. арк.).

Особистий внесок здобувача : постановка, планування і аналіз резуль-

татів експериментальних досліджень.

7. Сукманов В.А., Левит И.Б., Гаркуша В.Б. К вопросу определения параметров камеры сверхвысокого давления для обработки продуктов питания. Матер. 3-й межд. науч.-техн. конф “Продовольственный рынок и проблемы здорового питания”. –Орёл: ГТУ. -2000.-С. 376-380 (0,25 др. арк.).

Особистий внесок здобувача: розрахунок параметрів камери надвисокого тиску.

8. Savutsky A.I., Sukmanov V.A., Garkusha V.B. a.o. Hydrostatic High Pressure Equipment for Investigation in Chemistry, Biology and Science. 4th high pressure school on chemistry, biology, materials science and tech niques., -Warsaw. -2001.

Особистий внесок здобувача : розробка установки надвисокого тиску та дослідження ефективності її роботи.

9. Сукманов В.А.,Соколов С.А., Гаркуша В.Б., Дебелый В.Л., Петрова Ю.М., Курасов С.Н., Установка для исследования влияния сверхвысокого давления на пищевые продукты. Тези доповідей міжн. наук. –практ. конф. ,,Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв і торгівлі”, присвяченої 35-річчю ХДАТОХ. –Х.: ХДАТОХ.- 2002р.-С.124-127. (0,2 др. арк.)

Особистий внесок здобувача : розрахунок, проектування та дослідження установки надвисокого тиску.

АНОТАЦІЯ

Гаркуша В.Б. Розробка і дослідження установки для обробки продуктів харчування надвисоким тиском. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук спеціальності 05.18.12 –процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. – Донецький державний університет економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України. Донецьк, 2002 р.

Дисертація присвячена питанням розробки установки для оброблення продуктів харчування та інших біологічних об’єктів надвисоким тиском у дослідницьких цілях. Запропонована методика розрахунку й проектування установок надвисокого тиску на основі номограм отриманих у дисертаційній роботі. Розроблена установка для дослідження процесів оброблення продуктів харчування надвисоким тиском. Параметри установки: тиск у робочій камері – до 1000 МПа; максимальна висота дослідженого об’єкта - 120 мм; робочий діапазон температур – (від –20оС до +80оС). Експериментальними дослідженнями здобуті залежності зміни опору манганинового датчика від величини температури і тиску в камері; фактичної температури в робочій камері від показників термопари; величини прирощування значення діаметра каналу камери від величини робочого тиску; характеру зміни температури в робочій камері в процесі її нагрівання та охолодження. Надійність розробленої камери надвисокого тиску описана у виді стаціонарної феноменологічної стохастичної моделі кумулятивного пошкодження, яка побудована у виді ланцюга Маркова.

Ключові слова: продукти харчування, установка надвисокого тиску, експлуатаційні параметри, температура, тиск, ущільнення.

АННОТАЦИЯ

Гаркуша В.Б. Разработка и исследование установки для обработки продуктов питания сверхвысоким давлением. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 -процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. – Донецкий государственный университет экономики и торговли им. М. Туган-Барановского Министерства образования и науки Украины. Донецк, 2002.

Диссертация посвящена вопросам разработки установки для обработки продуктов питания и других биологических объектов сверхвысоким давлением в исследовательских целях.

Предложена методика расчета и проектирования установок сверхвысокого давления на основе номограмм, полученных в диссертационной работе.

Теоретически обоснована конструкция рабочей камеры установки в виде двухслойного цилиндра. Определена величина контактного давления между слоями цилиндра, обеспечивающая оптимальные условия работы материала камеры под давлением.

Разработана установка для исследования процессов обработки продуктов питания сверхвысоким давлением. Параметры установки: максимальное давление в рабочей камере при комнатной температуре – 1000 МПа; рабочее давление в рабочей камере – 800МПа; диаметр канала – 40,38 мм; максимальная высота исследуемого объекта – 120 мм; рабочий диапазон температур – (от –20?С до +80?С); расчетное количество циклов нагружения при Р до 800 МПа – 900; чувствительность системы регистрации температуры – 0,1?С; чувствительность системы регистрации давления – 1МПа; точность системы длительного поддержания температуры в КСВД 0,2С; охлаждение КСВД жидким азотом;; масса УСВД ~300кг; компьютерная обработка, документирование и непрерывная регистрация данных. Для управления процессом нагрева камеры предложена и экспериментально обоснована идея “эталонного тела”. В качестве рабочей жидкости принята жидкость ПЭС – 3.

Экспериментальными исследованиями установлены зависимости изменения сопротивления манганинового датчика от величины температуры и давления в камере; фактической температуры в рабочей камере от показаний термопары; величины приращения значения диаметра канала камеры от величины рабочего давления; характера изменения температуры в рабочей камере в процессе ее нагрева и охлаждения. Определено давление в прессе установки для обеспечения заданного давления в КСВД с учетом гистерезисных потерь. Теоретические и экспериментальные зависимости использованы при написании компьютерной программы для управления работой УСВД.

Разработана и экспериментально исследована конструкция уплотнительного устройства камеры, в которой использован принцип некомпенсированной площади. Испытания узла показали, что при возрастании давления до 400 МПа падение давления практически отсутствует; при различных температурных режимах работы установки, а также через 72 часа при t = +200С и

Рк = 1000 МПа падение давления составляет 10-20 МПа.

Надежность разработанной камеры сверхвысокого давления описана в виде стационарной феноменологической стохастической модели кумулятивного повреждения, которая построена в виде цепи Маркова. В качестве интегральной функции распределения использовано распределение Вейбулла. Методами компьютерного моделирования выполнен прогноз надежности камеры при давлении 1100 МПа. Получены зависимости интегральной функции распределения накопления повреждений, функции надежности, функции интенсивности отказов камеры и уплотнения от числа циклов нагружения, а также обобщающая функция распределения, описывающая полную вероятность выхода из строя камеры сверхвысокого давления, состоящей из камеры и поршня. Установлено, что после 900 циклов максимальной нагрузки целесообразно проведение плановой замены уплотнения и после 1300 циклов максимальной нагрузки целесообразно произвести замену цилиндра.

Ожидаемая экономическая эффективность от освоения производства разработанной УСВД на АООТ “Донецкий завод “Продма”, составляет 117,95 тыс.грн. в год. Предполагаемое внедрение технологии сверхвысокого давления на ЗАО “Геркулес” позволит снизить эксплуатационные расходы на 74,3 тыс.грн. в год, повысить срок хранения продукции и обеспечить сохранность ферментно-витаминного комплекса.

Ключевые слова: продукты питания, установка сверхвысокого давления, эксплуатационные параметры, температура, давление, уплотнение.

Summary

Garkusha V.B. The elaboration and investigation of the plant for food nutrition processing due to super high pressure. -The manuscript.

The thesis for competition of candidate of technical science of scientific degree on specialty 05.18.12 – processes and machinery of food, microbiological and pharmaceutical manufacturing industries – Donetsk State University of Economics and Trade named after M.Tugan-Baranovsky Ministry of Education and Science of Ukraine. Donetsk, 2002.

The thesis is devoted to the questions of elaboration and processing food nutrition and other biological units by super high pressure with a view to research.

The methods of calculation and designing of super high-pressure plants of the basis of nomograms received in the thesis work are suggested here. The plant for food nutrition researching processes by super high pressure is out. The plant parameters are: the pressure in a working chamber is to 1000 MPa; the maximum height of investigating unit is 120 millimetres; the working temperature range is from –200C to +800C. As a result of investigation the dependences of changing manganite adopter resistance on temperature size and pressure in a chamber; on thermo couple showing; sizes of increases meaning of chamber canal diameter on working pressure size; the changing temperature character in a working chamber during its heating or cooling are received by experimental investigations. The reliability of the elaborated super high chamber is described as a stationary phenomenological stochasis model of cumulative damage which is built as Markov’s chain.

Key words: food nutrition, super high pressure plant, operational parameters, temperature, pressure, condensation reliability.