Повышение эффективности электрокопчения за счет

На правах рукописи
Варфоломеев Юрий Николаевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОКОПЧЕНИЯ
ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛЯ
КОРОННОГО РАЗРЯДА
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии
и электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Барнаул - 2013
Работа выполнена на кафедре «Энергообеспечение сельского хозяйства»
Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия».
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Смолин Николай Иванович
Официальные оппоненты:
Халина Татьяна Михайловна
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И.
Ползунова», кафедра «Электротехники и
автоматизированного
электропривода»,
зав. кафедрой.
Меновщиков Юрий Александрович
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВПО «Новосибирский
государственный аграрный университет»,
кафедра «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», профессор.
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия».
Защита состоится «21» марта 2013 г., в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46,
тел/факс (3852)36 71 29, http://www.altstu.ru; e-mail: elnis@inbox.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего
учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря
диссертационного совета.
Автореферат разослан «20» февраля 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Куликова Лидия Васильевна
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Анализ путей развития АПК, по которому идут
страны с наиболее развитым сельским хозяйством, показывает, что это – путь
индустриализации, концентрации и специализации. Данный процесс
необратим, так как он развивается в направлении экономии топливноэнергетических ресурсов, повышении качества продукции, повышения общей
культуры ведения сельскохозяйственного производства.
Анализ потребления рыбы и рыбопродуктов в России показывает, что
доля рыбной продукции в балансе потребления продуктов россиянами
увеличилась по сравнению с 1990 г. с 0,9% до 1,7% от общего потребления всех
продуктов, в том числе копченой рыбы.
Одним из серьезных недостатков продуктов копчения является наличие в
дыме и копченостях полициклических ароматических углеводородов,
мутагенных нитрозаминов и других вредных веществ типа метанола и
формальдегида которые относятся к группе канцерогенов.
При формировании коптильного дыма канцерогены, находящиеся в
парообразном состоянии коагулируют, в основном, на крупные частицы
аэрозоля.
Известные способы механической предварительной очистки коптильного
дыма от крупных частиц не нашли широкого применения по ряду причин, одной из которых является их дороговизна.
С увеличением объемов производства рыбы и рыбопродуктов растет и потребление энергии данной отраслью. В связи с этим совершенствование новых
технологий копчения рыбы с целью повышения качества продукта и снижения
энергоемкости является актуальной задачей.
Одним из наиболее эффективных и перспективных технологий копчения
являются технологии, основанные на использовании электрических полей, при
этом сокращается время копчения и повышается качество продукта за счет интенсификации осаждения коптильного дыма на продукте копчения и предварительной электроочистки этого дыма от крупных частиц.
Известные способы электрокопчения рыбы и рыбопродуктов интенсифицируют процесс копчения, но являются энергозатратными и не предусматривают предварительную электроочистку коптильного дыма от крупных частиц,
что и является сдерживающим фактором для широкого внедрения этой технологии.
Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению процессов электрокопчения рыбы и рыбопродуктов с целью снижения энергозатрат и повышения качества продукции за счет рационального
3
распределения поля коронного разряда с предварительной электроочисткой
дымовоздушной смеси от крупных частиц.
Целью работы является повышение качества и снижение энергозатрат
при копчении сельскохозяйственных продуктов путем использования энергосберегающих технических средств электрокопчения на основе электронноионной технологии (ЭИТ).
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- выполнить критический анализ существующих способов электрокопчения рыбы и рыбопродуктов;
- определить факторы, влияющие на распределение напряженности электрического поля, и обосновать параметры, обеспечивающие равномерное распределение частиц коптильного дыма по поверхности продукта в электрическом поле коронного разряда;
- обосновать конструкцию аппарата для электрокопчения, позволяющую
осуществлять предварительную электроочистку коптильного дыма и обеспечивать равномерное осаждение его частиц по поверхности продукта;
- обосновать рациональные режимы предложенной технологии и провести
экспериментальные исследования по влиянию различных факторов на эффективность (энергозатраты, качественные показатели продукта) процесса электрокопчения с предварительной очисткой коптильного дыма;
- дать технико-экономическую оценку предлагаемого метода электрокопчения рыбы и рыбопродуктов.
Объект исследования. Технологический процесс электрокопчения с
предварительной очисткой коптильного дыма от крупных частиц и равномерным осаждением частиц коптильного дыма по поверхности продукта копчения.
Предмет исследования. Закономерности распределения напряженности
электрического поля по высоте установки, зависимость качества продуктов
копчения от конструктивных и режимных параметров установки.
Методы исследования. В работе использованы основные положения
теоретических
основ
электротехники
и
технической
физики,
электрогазодинамики дисперсных систем, математическое и физическое
моделирование, методы математической статистики.
Научную новизну представляют:
- методика обоснования аналитической зависимости параметров электрического поля коронного разряда в межэлектродном промежутке установки
электрокопчения от её конструктивных элементов;
- алгоритм выбора конструктивных параметров разработанной электрокоптилки с учетом технических и технологических характеристик процесса обработки;
4
- методика определения рациональных режимов электрокопчения, позволяющих снизить энергозатраты процесса обработки и повысить качество получаемого продукта.
Практическую ценность работы представляют:
- метод повышения эффективности электрокопчения рыбы и рыбопродуктов, позволяющий снизить энергозатраты процесса обработки и повысить качество получаемого продукта;
- методика расчета основных конструктивных, технологических и режимных параметров установки электрокопчения в электрическом поле коронного
разряда;
- техническое решение разработанной технологии электрокопчения, подтвержденное патентом РФ (патент № 88913).
Работа выполнена в соответствии с общероссийской федеральной программой «Энергоэффективная экономика» раздел «Энергоэффективность в
сельском хозяйстве» (постановление Правительства РФ от 17 ноября 2001 г. №
796), приказом Минсельхоза РФ от 25 июня 2007 г. № 342 «О концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года» и «О
государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования
рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 –
2012 годы», утверждённой постановлением Правительства Российской Федерации от 14 июля 2007 г. № 446.
Реализация и внедрение результатов работы.
Опытный образец установки прошел успешные производственные испытания в ООО «Мясоперерабатывающий комбинат «Абсолют», техническое задание на разработку конструкторской документации установок различной производительности принято к исполнению в ООО «Мясоперерабатывающий комбинат «Абсолют». Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе в курсе лекций по дисциплине «Светотехника и электротехнология» в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии и Челябинской государственной агроинженерной академии.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы представлялись и обсуждались
на
ежегодных
международных
научно-технических
конференциях
Челябинского государственного агроинженерного университета (2008-2009 гг.);
Челябинской государственной агроинженерной академии (2010-2011 гг.) на
научных конференциях Тюменской государственной сельскохозяйственной
академии (Тюмень 2008-2011 гг.).
5
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Перспективным направлением повышения эффективности электрокопчения рыбы и рыбопродуктов является использование электрического поля коронного разряда, что позволяет не только снизить энергозатраты на процесс обработки, но и значительно повысить качество получаемого продукта за счет
очистки коптильного дыма от крупных частиц и равномерным осаждением его
частиц по поверхности продукта копчения.
2. Разработанная методика расчета основных технических и технологических параметров коронирующей системы электродов позволяет реализовывать
энергоэффективные режимы электрокопчения.
3. Использование предложенной коронирующей системы электродов в
опытной установке электрокопчения позволяет снизить энергозатраты и повысить качество получаемого продукта.
4. Для определения рациональных режимов электрокопчения необходимо
использовать разработанную методику, которая позволяет обосновать геометрию расположения коронирующих электродов и цикличность реализуемого
процесса.
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 7 печатных работ, в том числе, две в издании по перечню ВАК и патент
РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста,
содержит 39 рисунков, 9 таблицы и 10 приложений. Список литературы, включает 104 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованна актуальность темы. Сформулированы цель и
задачи исследования, определены объект и предмет исследования, а также приведены основные положения работы, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ состояния вопроса и определены цели и
задачи исследования.
На основе литературных данных по теме копчения рыбы и очистки дымовоздушной смеси, таких авторов как Воскресенский Н.А. , Андрусенко П.Н.,
Костенюк А.И., Попов В.Д., Калитин А.А., Курко В.И., Мезенова О.Я. и др.
сформулированы требования к современным способам копчения.
В настоящее время известно, что в зависимости от температуры процесса
различают холодное, горячее и полугорячее копчение.
6
При холодном копчении температура при обработке продукта коптильными компонентами не должна превышать 40°С, при горячем копчении температура на основных этапах обработки, в том числе коптильными компонентами,
превышает 80 °С (80-170 °С), при полугорячем копчении диапазон температур
составляет 40-80 °С.
В зависимости от вида коптильной среды различают дымовое, бездымное
и смешанное копчение.
При дымовом копчении продукт обрабатывается дымовоздушной смесью,
образующейся при непосредственном сжигании древесины. Такая продукция
обладает неповторимыми вкусо-ароматическими свойствами из-за богатого химического состава дыма (более 10 тыс. компонентов осаждаются на продукт).
Однако в продукт одновременно попадают и вредные вещества типа ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), формальдегида, метанола, нитрозаминов (НА).
Бездымное копчение - это обработка продукта коптильными препаратами,
полученными на основе дыма или его отдельных компонентов. Из-за трудностей в получении совершенных коптильных препаратов и аппаратурного
оформления процесса бездымное копчение медленно внедряется в производство.
При смешанном копчении комбинируют операции дымовой и бездымной
обработок.
В зависимости от движущей силы осаждения компонентов коптильной
среды различают естественное (традиционное), электро- и комбинированное
копчение.
Естественное (традиционное) копчение осуществляется за счет осаждения
компонентов коптильной среды под действием силы тяжести, броуновского
движения, центробежной и радиометрической сил, где количество частиц, осевших на поверхность рыбы, подсчитывается согласно закону Фукса по формуле:
l

F  C  Z 1  A 
R T
r

S

,
N
6     r  
(1)
где C – разность концентрации частиц на границах пристенного слоя; F площадь слоя;  -толщина слоя; Z - время прохождения частиц через слой.
Из (1) видно, что количество частиц, осевших на пристенный слой, прямо
пропорционально разности концентрации частиц на границах пристенного слоя.
В зависимости от конструктивных особенностей оборудования традиционного копчения, направленного на увеличение разности концентраций на границах пристенного слоя, различают копчение в установках камерного, туннельного и башенного типов, которые в настоящее время достигли своего предела в техническом совершенствовании.
7
Способ копчения с использованием коронного разряда при копчении позволяет существенно увеличить разность концентраций частиц C на пристенном
слое продукта копчения за счет более интенсивного осаждения частиц коптильного дыма. Скорость осаждения на поверхности обрабатываемого продукта
и проникновение внутрь частиц коптильного дыма зависит не только от уровня
напряженности приложенного электрического поля и электрофизических
свойств дыма, но и от густоты и размера частиц дыма.
При электрокопчение в поле коронного разряда под действием электростатических сил практически все частицы коптильного дыма оседают на поверхности продукта.
Не менее важным при копчении являются вопросы экологии и безопасности копченых продуктов для здоровья человека, обусловленные уменьшением в
них количества канцерогенных соединений группы ПАУ. Введение ограничений по содержанию их в копченых продуктах требует от производителей пересмотра существующих технологий приготовления копченой продукции с учетом международных стандартов, рассматривающие копчение, прежде всего, как
способ придания продуктам слабовыраженного вкуса и аромата. Известные
способы механической предварительной очистки коптильной дымовоздушной
смеси от крупных частиц, по ряду причин, не нашли широкого применения.
В настоящее время, электрокопчение является одним из перспективных
энергосберегающих направлений развития технологии копчения сельскохозяйственной продукции. Анализ и систематизация имеющихся литературных данных по рассматриваемым вопросам копчения рыбы и очистки дымовоздушной
смеси от крупных частиц, позволили определить и сформулировать основные
направления исследования.
Вторая глава посвящена методике расчета основных конструктивных и
технологических параметров устройства предварительной очистки дыма от
крупных частиц, теоретически рассмотрены варианты технических решений
предварительной очистки дымовоздушной смеси коптильного дыма от крупных
частиц и более равномерного осаждения мелкодисперсной части аэрозоля на
продукте копчения.
Устройство и принцип действия существующих аппаратов электрокопчения представлены на рисунке1а. В установке используются заземленные коронирующие электроды 1, расположенные по обе стороны продукта копчения,
который играет роль второго потенциального электрода 2. При подаче напряжения (от источника ИВН 3) на систему электродов «плоскость между двумя
игольчатыми электродами», создается резко неоднородное электрическое поле.
8
Заряженные частицы коптильного дыма под действием кулоновских сил
дрейфуют к продукту копчения, при достижении поверхности продукта частицы осаждаются на нем и далее диффундируют внутрь продукта.
б)
а)
в)
Рисунок 1 – Принцип действия установки электрокопчения:
а) – принцип действия установки электрокопчения; б) – картина осаждения частиц на поверхности продукта; в) - динамика процесса электрокопчения
На рисунке1б представлена картина осаждения частиц на поверхности
продукта копчения в существующих установках. Как видно из данного рисунка
все частицы как крупные, так и мелкодисперсные осаждаются на продукте копчения. Это связано с тем, что установка работает в повторно кратковременном
режиме, при котором во время паузы происходит заполнение коптильной камеры коптильным дымом, а за время работы осаждение коптильного дыма на всей
поверхности продукте копчения.
На рисунке 2а представлена схема модернизированной установки электрокопчения. В отличие от существующих аппаратов в данной установке коронирующие электроды 1 расположены по отношению заземленного электрода 2
под углом α. Параметры коронирующих электродов электрокоптилки приняты
следующими: длина иглы 23,4 мм, шаг между иглами 50 мм, расположение игл
в шахматном порядке, угол заточки острия 180. Такая система игольчатых коронирующих электродов предотвращает образование стримеров и возникнове9
ния электрических пробоев межэлектродного промежутка. Кроме этого, в установке имеется дополнительный электрод 3, который обеспечивает электроочистку дымовоздушной смеси от крупных частиц.
На рисунке 2б представлена картина осаждения частиц дыма в зависимости от их размера и высоты коптильной камеры модернизированной установки.
Данная установка работает в непрерывном режиме, при этом крупные частицы дымовоздушной смеси осаждаются на дополнительном электроде, а мелкодисперсные частицы – на продукте копчения.
а)
б)
Рисунок 2 – Схема модернизированной установки электрокопчения:
а) – схема модернизированной установки; б) – картина осаждение частиц
дыма в зависимости от их размера и высоты коптильной камеры
Методика расчета длины дополнительного электрода
Из теории электрогазоочистки известно аналитическое выражение расчета
эффективности очистки дымовоздушной смеси (формула Дейча):
  1 e

W l
d u
(2)
l– активная длина электрокоптильной камеры, м; d– межэлектродное расстояние, м; W– скорость дрейфа заряженных частиц, м/с; u– скорость воздушного потока, м/с.
Скорость дрейфа осаждаемых частиц в электрокоптилке определяется по
известному выражению:
10
,
4 0 E 2 r
W
,
6 
где ε0 – электрическая постоянная;   1  2
(3)
 1
– коэффициент, учитыва 2
ющий диэлектрические свойства частиц, ε – относительная диэлектрическая проницаемость частиц коптильного дыма; E – напряжённость электрического поля; μ –
коэффициент динамической вязкости воздушной среды; r – радиус частицы;
Согласно теории известно, что в начальный период осаждаются наиболее
крупные частицы, т.к. скорость дрейфа частиц W прямо пропорциональна размеру частиц r.
Разрешив уравнение (2) относительно l получим аналитическое выражение для расчета длины дополнительного электрода Lдоп , который обеспечивает
улавливание крупных частиц дымовоздушной смеси с заданной эффективностью
Lдоп 
ln( 1   )  u  d
,
W  ln e
(4)
где Lдоп - длина дополнительного электрода, обеспечивающая очистку дымовоздушной смеси от крупных частиц с заданной эффективностью.
Задаваясь требуемыми значениями η, r на основании (4) можно рассчитать длину Lдоп .
Выбранная геометрия расположения игольчатых электродов позволяет в
дальнейшем рассматривать электрическое поле в межэлектродном промежутке
как квазиоднородное в поперечном сечении, но по высоте электрокоптильной
камеры (в зависимости от текущего значения d) изменение напряженности
электрического поля определяется углом α (рисунок 2а), что обеспечивает равномерное осаждение мелкодисперсной части аэрозоля дымовоздушной смеси
на поверхности продукта обработки.
Согласно рисунку 2а текущее значение d можно определить по выражению:
d  d1  d
(5)
Значение Δd зависит от угла α и длины l, т.е.
d  l  tan(  )
(6)
Средняя напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве в поперечном сечении может быть определена по формуле:
xn
Eср 
 Ex dx
x0
dn
11
(7)
Аналитическое выражение для зависимости напряженности электрического поля E от l и α:
E
U
d1  l  tan(  )
(8)
Таким образом, с помощью выражения (8) можно рассчитать напряженность поля для двух вариантов:
1)
E  f (l ) при   const  30 o ;
E  f ( ) при l  const .
2)
На рисунке 3 представлены графики зависимости эффективности осаждения частиц
от их размера r и скорости движения потока дымокоптильной
смеси u по высоте коптильной камеры, полученные расчётным путём.
Расчеты выполнялись при U=26 кВ, межэлектродном расстоянии d=8 см. и
длине коронирующей системы l=43 см.
Рисунок 3 - Зависимость эффективности осаждения частиц η от их размера r и скорости движения потока дымокоптильной смеси u по высоте коптильной камеры
Анализ графиков (рисунок 3) показывает, что частицы размером r ≥ 1 мкм
при скорости движения дымокоптильной смеси u = 0,002 м/с практически с эффективностью 100% осаждаются на дополнительном электроде. При увеличении скорости движения дымовоздушной смеси, на примере частиц r ≥ 0,08 мкм,
количество частиц осаждаемых на поверхности продукта копчения увеличивается. Наибольшее количество частиц данного размера осаждаются на поверхно12
сти продукта копчения при скорости u = 0,002 м/с.
На рисунке 4 представлены расчётные диаграммы зависимости осаждения
частиц дымокоптильной смеси на дополнительном электроде (Lдоп= 0,05 м) и на
поверхности продукта копчения от размера частиц r.
Рисунок 4- Зависимость количества осажденных частиц дымовоздушной
13
смеси (в %) на дополнительном электроде и поверхности продукта копчения от
размера частиц r (r = 0,2 мкм, r = 0,12 мкм, r = 0,07 мкм)
Анализ диаграмм (рисунок 4) показывает, что на дополнительном электроде осаждается до 70% частиц размером r = 0,2 мкм и более, 51,4% частиц
размером r = 0,12 мкм и только 34,4% частиц размером r = 0,07 мкм.
Оценка равномерности осаждения для данных частиц на поверхности продукта копчения выполнялась с помощью коэффициента вариации
V 

X
 100% ,
(9)
где V - коэффициент вариации,  - среднее квадратичное отклонение, X - средняя
величина числа частиц осаждаемых на поверхности продукта копчения (в %).
Расчет коэффициента вариации показал, что для частиц размером r =
0,2мкм (диаграмма 4а) он равен 57,16%, для частиц r = 0,12 мкм (диаграмма 4б)
– 28,92% и для частиц r = 0,07 мкм (диаграмма 4в) – 12,85%.
Таким образом, использование экспериментальной установки (коронирующие электроды расположены под углом α к продукту копчения и дополнительный осадительный электрод для предварительной очистки дымокоптильной смеси от крупных частиц) позволяет осуществлять эффективную предварительную очистку дымовоздушной смеси от крупных частиц и равномерно осаждать мелкодисперсную часть аэрозоля по продукту копчения, что обеспечивает повышение качества копчения.
В третьей главе представлены программы, методики и результаты экспериментальных исследований, выпускаемой промышленностью установки УЭК1 и опытной установки в лабораторных и производственных условиях.
Предусматривая в установке дополнительный осадительный электрод, для
обеспечения предварительной очистки дымовоздушной смеси, необходимо изменить режим работы электрокоптилки, предусмотренный УЭК-1 и изменить
систему коронирующих электродов для обеспечения равномерного распределения мелкодисперсных частиц по продукту копчения, повышая качество продукта за счет равномерного осаждения частиц коптильного дыма на продукте.
Для определения основных параметров, обеспечивающих более рациональное протекания процессов в аппарате электрокопчения, воспользуемся основным техническим параметром установок ЭИТ – вольтамперными характеристиками (ВАХ). Вольтамперные характеристики установок ЭИТ позволяют:
выявить необходимость стабилизации напряжения питающей сети; дать оценку
эффективности коронирующих электродов предлагаемых вариантов создания
переменной напряженности Е по длине продукта копчения – путем изменения
числа коронирующих электродов или изменением угла наклона коронирующей
системы экспериментальной установки, рассчитать мощность коронного разря14
да. С учетом выше изложенного, методика выбора эффективного метода очистки дыма от крупных частиц и равномерного распределения мелкодисперсной
фазы по продукту копчения включает следующие этапы:
1.
Исследование характеристик источника высокого напряжения УЭК1: ВАХ установки; зависимость выходного направления ИВН uвых от напряжения сети uс, т.е. uвых=ƒ(uс); зависимость выходного напряжения от тока нагрузки
(внешняя характеристика) uвых=ƒ(I);
2.
Исследование ВАХ в зависимости от количества иголок на коронирующем электроде, ВАХ=ƒ(n);
3.
Исследование ВАХ в зависимости от угла наклона коронирующих
электродов ВАХ=ƒ(α);
4.
Исследование зависимости качества электрокопчения от режима
работы модернизированной установки.
Для проведения исследований был разработан экспериментальный стенд,
включающий в себя установку УЭК-1 3, опытный образец модернизированной
электрокоптилки 4 с коронирующей системой электродов, позволяющей изменять угол наклона от 0 до 300. Общий вид и схема экспериментального стенда представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Общий вид и схема экспериментального стенда:
1 – ИВН типа ПВС-60/10; 2- киловольтметр С-196; 3 – установка электрокопчения типа УЭК-1; 4 – опытный образец установки электрокопчения;
5 – миллиамперметр М890С+
Эксперименты проводились при следующих внешних условиях: относительная влажность 60-70 %; температура воздуха 19°С ± 2°С; относительная
плотность воздуха 0,98.
Электрической схемой установки УЭК-1 предусмотрено четыре режима
работы ИВН. Результаты исследований характеристик источника высокого
15
Выходное напряжение
Uвых,кВ
напряжения УЭК-1 представлены на рисунке 6 (зависимость выходного напряжения ИВН от режима работы).
27
26,5
26
26
26,5
25
24
23
22
21,25
21
20
1
2
3
4
Режим работы УЭК-1
Рисунок 6 – Зависимость выходного напряжения установки УЭК-1 от
режима работы
Анализ графика на рисунке 6 показывает, что при переходе с 1-го режима
работы установки на 2-й режим выходное напряжение возрастает на 22,23%, то
есть с 21,25 кВ до 26 кВ на холостом ходу. При переключении на третий режим
работы, выходное напряжение возрастает до 26,5 кВ, т.е. практически не меняется. На четвертом режиме выходное напряжение изменение незначительно и
находится на уровне 26,5 кВ. В связи с этим в дальнейших исследованиях рассматривались только первые три режима.
Для определения влияния колебания напряжения сети на выходное
напряжение ИВН установки УЭК-1 без нагрузки uвых=ƒ(uс) был проведен эксперимент, результаты которого показаны на рисунке 7. Анализ полученных
данных (рисунок 7) показывает, что изменение напряжения сети с 180 до 240 В
приводит к изменению выходного напряжения ИВН с 19 до 22,25 В на первом
режиме, с 23,25 до 27 В на втором режиме и с 24 до 27 В на третьем режиме.
Таким образом, при колебании напряжении сети в пределах 220±5% выходное
напряжение сети изменяется в пределах не более ±2,9% при первом режиме и
не более чем 3,8% при втором и третьем режимах. При изменении напряжения
питающей сети в пределах ±5%, предусмотренных ГОСТ 13109-97, стабилизация напряжения сети не требуется, а для проведения дальнейших исследований
в работе использовался третий режим источника высокого напряжения.
16
Рисунок 7 – Зависимость выходного напряжения от напряжения сети без
нагрузки
На рисунке 8 представлена графическая зависимость изменения напряжения на выходе ИВН от тока нагрузки, (так называемая внешняя характеристика
источника).
28
26
24
22
U,кВ
20
18
16
14
12
10
0
0,575
0,85
1
I,mA
1,1
1,27
Рисунок 8 – Зависимость выходного напряжения ИВН от тока нагрузки
Анализ внешней характеристики показывает, что при изменении нагрузки от номинального значения 1mА до 1,27mА напряжение на выходе источника высокого напряжения меняется не значительно, то есть влияние на процесс
электрокопчения будет минимальным.
С целью получения более равномерного распределения частиц коптильного дыма на поверхности продукта копчения в работе были рассмотрены 2 вари17
анта получения электрических полей с переменной напряжённостью по высоте
коптильной камеры. На рисунке 9 представлен первый вариант получения электрического поля переменной напряжённости за счёт изменения количества иголок на коронирующих электродах. ВАХ характеристики для данного варианта
представлены на рисунке 10.
а)
б)
в)
Рисунок 9 - Варианты расположения и количества коронирующих электродов:
а)100% иголок; б)80% иголок; в)70% иголок
Ток короны I,mА
Анализ зависимостей на рисунке 10 показывает, что при уменьшении количества иголок на коронирующих электродах снижается величина пробивного напряжения, ВАХ идут более круче. Снижения пробивного напряжения можно объяснить тем, что при уменьшении количества иголок ослабевает эффект взаимного
экранирования иголок, что приводит к увеличению тока короны и, в конечном итоге, к более раннему электрическому пробою.
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
100% Колво иголок
80% Кол-во
иголок
70% Кол-во
иголок
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Напряжение короны U,кВ
Рисунок 10 - Вольтамперные характеристики установки в зависимости
от количества коронирующих иголок
Во втором варианте для получения электрического поля с переменной
напряжённостью по высоте коптильной камеры, коронирующие электроды рас18
полагались под углом к вертикальной оси (рисунок 2). ВАХ для коптильной
камеры при расположении коронирующих электродов под уголом   0о и
  30о представлены на рисунке 11.
Ток короны I,mА
220
200
180
160
Рисунок
11
140
120
100
80
60
40
20
0
15 16
I,mА(1
0
- Вольтамперные характеристики при расположении электро) α=0
дов под углом   0о (1) и   30о (2)
I,mА(2 0
) α=30
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Напряжение короны U,кВ
Рисунок 11- Вольтамперные характеристики установки в зависимости от
угла наклона коронирующей системы
Анализ ВАХ, представленных на рисунке 11, показывает, что при увеличении угла наклона коронирующей системы, ток короны уменьшается. Так,
например, при напряжении 25 кВ, ток короны уменьшается в 2 раза при увеличении угла наклона коронирующей системы α=30˚. На основании полученных
результатов было принято решение – в опытной коптильной установке предусмотреть изменение угла наклона к вертикальной оси коронирующих электродов. Все дальнейшие эксперименты, связанные с определением режима работы,
проводились на опытной установке с отклонением коронирующих электродов
от вертикали на 30˚.
На рисунке 12 представлена диаграмма рекомендуемого режима для копчения рыбы на установке УЭК-1. Из диаграммы видно, что в начале в течение
10 минут идет генерация дыма и заполнение коптильной камеры, затем включается режим электрокопчения на 1 минуту, частицы дыма осаждаются на рыбе, далее пауза в работе электрокопчения, заполнение коптильной камеры дымокоптильной смесью в течение 2-х минут и цикл повторяется.
На рисунке13 представлена диаграмма рекомендуемого режима для копчения рыбы на опытной установке. Из диаграммы видно, что в начале в течение
10 минут идет разогрев дымогенератора и далее в течение 12 минут включается
режим электрокопчения с генерацией коптильного дыма.
19
Рисунок 12 – Режим копчения рыбы (скумбрия) на установке УЭК-1
Рисунок 13 – Режим копчения рыбы (скумбрия) на опытной установке
Таким образом, установка УЭК-1 работает в повторно кратковременном
режиме, время копчения составляет 46 минут(12 циклов).
В экспериментальной установке время заполнения коптильной камеры
(пауза) отсутствует, так как равномерное осаждение частиц коптильного дыма
по продукту копчения обеспечено разработанной системой коронирующих
электродов, а очистка дыма от крупных частиц происходит за счет установленного дополнительного осадительного электрода, работающего при непрерывном движении частиц коптильного дыма.
Следовательно, время копчения на экспериментальной установке составляет 10 минут разогрева дымогенератора и 12 минут копчения, т.е.22 минуты.
На рисунке 14 показан внешний вид копчёной рыбы полученной на УЭК1(а) и на опытной установке (б), из которых видно, что при копчении на экспериментальной установке продукт копчения имеет равномерный золотистый оттенок без затемнений, образующихся при осаждении крупных частиц.
20
а)
б)
Рисунок 14 - Внешний вид рыбы после копчения на установке УЭК-1(а) и
на опытной установке (б)
Все опытные образцы копчёной рыбы проходили экспертизу на предмет
качества и соответствия ГОСТУ в испытательной аналитической лаборатории
Некоммерческого партнёрства «Тюменский независимый сертификационноиспытательный центр» (НП «ТИСИЦ») г.Тюмень. Экспертиза показала, что
рыба после копчения на опытной установке имела более привлекательный товарный вид (золотистый цвет по всей поверхности) и соответствовала ГОСТУ
на данную продукцию. Рыба после копчения на УЭК-1 имела менее насыщенный золотистый оттенок, а в нижней части поверхности рыбы наблюдались
тёмные пятна.
В четвертой главе представлен расчет технико-экономической эффективности от использования опытной установки электрокопчения.
Технико-экономическая оценка проводилась на основе сравнения с
установкой электрокопчения УЭК-1 номинальная мощность, которой 0,54 кВт с
единовременной загрузкой 4 кг. Установленная мощность экспериментальной
установки также равна - 0,54 кВт с единовременной загрузкой 4 кг.
Был проведён анализ и сравнение затрат энергии на получение 1 кг
готовой продукции на УЭК-1 и на опытной установке, при условии, что
энергозатраты на предварительную обработку и подготовку рыбы к копчению
одинаковые.
Цикл электрокопчения на установке УЭК-1 продолжается 46 минут, а
цикл электрокопчения на экспериментальной установке – 22 минуты.
Результаты расчёта показали, что для традиционного способа копчения
удельные энергозатраты составляют 0,16 кВт ч/кг, а электрокопчение на
опытной установке – 0,07 кВт ч/кг.
21
Таким образом, использование опытной установки электрокопчения
позволяет снизить удельные энергозатраты в 2,3 раза, при одновременном
повышении качества копчения.
Основные выводы и результаты
1.
Существующие технологии электрокопчения рыбы и рыбных продуктов являются энергоемкими, а конечный продукт содержит высокий уровень канцерогенных веществ. Для устранения этих негативных явлений необходимо разрабатывать современные энергосберегающие и экологически чистые
технологии электрокопчения.
2.
Разработанная методика обоснования аналитической зависимости
параметров электрического поля коронного разряда в межэлектродном промежутке установки электрокопчения от её конструктивных элементов позволяет
выполнить расчет основных параметров коронирующей системы электрокоптилки, обеспечивающей предварительную очистку дымовоздушной смеси от
крупных частиц, и равномерное осаждение мелкодисперсной части частиц коптильного дыма на поверхности продукта копчения. Полученные результаты
явились основой для разработки конструктивного исполнения предложенной
технологии.
3.
Параметры системы коронирующих электродов электрокоптилки
приняты следующими: длина иглы 23,4 мм, шаг между иглами 50 мм, расположение игл в шахматном порядке, угол заточки острия 180, а наличие дополнительного электрода обеспечивает электроочистку дымовоздушной смеси от
крупных частиц. Такая система игольчатых коронирующих электродов предотвращает образование стримеров и возникновения электрических пробоев межэлектродного промежутка.
4.
Разработанная конструкция электрокоптилки (Патент № 88913 РФ)
обеспечивает равномерное осаждение мелкодисперсной части аэрозоля по поверхности продукта копчения за счет расположения коронирующих электродов
под углом наклона 300, а дополнительный электрод позволяет осуществлять
предварительную очистку коптильного дыма от крупных частиц.
5.
Обоснованные рациональные режимы копчения (10 мин. разогрев и
12 мин. электрокопчения, общий цикл электрокопчения составляет 22 мин.) для
экспериментальной установки обеспечивают требуемое качество продукции по
основным показателям (консистенции, внешнему виду, вкусу и запаху).
6.
Расчет технико- экономической эффективности показал, что процесс электрокопчения интенсифицируется (время обработки сокращается более
чем в 2 раза) по сравнению с существующими технологиями электрокопчения.
Удельные энергозатраты при этом снижаются в 2,3 раза.
22
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК
1. Варфоломеев, Ю.Н. Теоретическое обоснование повышения эффективности и качества копчения сельскохозяйственной продукции в электрокоптилке /А.Г. Возмилов, Ю.Н. Варфоломеев, Н.И. Смолин // Достижение науки
и техники в АПК. – 2012. - № 1, С. 76-78.
2. Варфоломеев, Ю.Н. Использование электронно-ионной технологии
при очистке дисперсной фазы коптильного дыма / Ю.Н. Варфоломеев, А.Г.
Возмилов, Н.И. Смолин, Д.О. Суринский // Вестник КрасГАУ. 2013. - № 1. С.
129-134.
Публикации в других изданиях
3. Варфоломеев, Ю.Н. Перспективы использования ЭИТ в процессах
копчения сельскохозяйственной продукции. /Ю.Н. Варфоломеев // Вестник
ТГСХА. – 2006. – С.37-39.
4. Варфоломеев, Ю.Н. Перспективы использования ЭИТ в процессах
копчения сельскохозяйственной продукции /А.Г. Возмилов, Ю.Н. Варфоломеев // Проблемы инновационного и конкурентоспособного развития агроинженерной науки на современном этапе //Сборник научных трудов, Казахский
Национальный Агроуниверситет , 4.2, - Алматы. – 2008. – С. 178-183.
5. Варфоломеев, Ю.Н. Исследование электротехнических характеристик
и режимов работы электрокоптилки УЭК 1/ Н.И Смолин, Ю.Н Варфоломеев//
Научный потенциал современному АПК: Материалы Всероссийской научн. практической конференции. В 3-х т./ ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. - Ижевск:
ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009. - Т.III. - С.110-117.
6. Варфоломеев, Ю.Н. Способы очистки дыма от смол различными способами/ А.Г. Возмилов, Ю.Н. Варфоломеев, Д.О. Суринский //Инновационные
электротехнологии и электрооборудование-предприятиям АПК: материалы
Всероссийской научно - практической конференции // ФГОУ ВПО Ижевская
ГСХА . - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2012. - С.125-130.
Патенты
7. Пат. 88913 Российская Федерация, МПК A23B 4/056 (2006.01). Электрокоптильная установка / Варфоломеев Ю.Н. и др. – № 2009113780/22; заявл. 13.04.2009; опубл. 27.11.2009, Бюл. № 33. – 3с.
23
Подписано в печать
2013 г.
Формат 60х84/16. Гарнитура Times New Roman
Объем 1,0. уч.-изд.л Тираж 100 экз. Заказ № .
24