СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА И АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАВИТАЦИОННОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ

На правах рукописи
КОНДРАТОВ Аркадий Владимирович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА И АППАРАТА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАВИТАЦИОННОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ
ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ РЫБОПРОДУКТОВ
Специальность 05.18.12. – Процессы и аппараты
пищевых производств
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Санкт-Петербург
2008
2
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет
низкотемпературных и пищевых технологий».
Научный руководитель
доктор технических наук
Верболоз Е.И.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
Эрлихман В.Н.
кандидат технических наук
Крысин А.Г.
Ведущее предприятие – ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».
Защита состоится « 4 » июня 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного
Совета Д 212.234.02 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, С-Петербург, ул. Ломоносова, 9, СПбГУНиПТ, тел./факс 315-30-15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «21» мая 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного Совета,
доктор технических наук,
профессор
Колодязная В.С.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Население экономически развитых стран к настоящему
времени осознало необходимость потребления натуральных пищевых продуктов из
сырья водного происхождения, которое обладает высокой пищевой и биологической
ценностью. В последнее десятилетие значительно изменился основной ассортимент
рыбной продукции. Сильно повлияли на эти изменения такие тенденции, как рост потребления продуктов из рыбы и морепродуктов за счет снижения потребления мяса
наземных животных, снижение общей калорийности пищевых продуктов, содержания
в них поваренной соли и сахара, обогащение натуральных продуктов недостающими
компонентами, такими как кальций, железо, витамины, клетчатка.
Выпуск продукции переработки рыбы в физиологически необходимых объемах
невозможен без разработки и реализации перспективных технологий, обеспечивающих ресурсосберегающую переработку, в частности за счет совершенствования процессов и аппаратов для измельчения. Повышение эффективности использования на
пищевые цели имеющихся рыбных ресурсов должно происходить путем разработки
рецептур нового поколения, созданием продуктов с гарантированным содержанием
белков, жиров, витаминов, макро- и микроэлементов и других важных компонентов.
Наилучшие возможности для этого имеет производство продукции на основе фарша:
рыбные паштеты и пасты.
В большинстве случаев получение комбинированных пищевых продуктов связано со стадиями подготовки материала, сушки и последующего измельчения. Как
правило, в технологической линии эти стадии осуществляются в отдельных аппаратах.
Хорошо известно, что совмещение операций или их одновременное выполнение приводит к значительной экономии времени и энергоресурсов. Не все стадии технологического процесса допустимо совмещать друг с другом. Однако, в тех случаях, когда
процессы переноса осуществляются в дисперсных системах, такое совмещение не
только целесообразно, но энергетически необходимо.
Значительный вклад в развитие и совершенствование процессов и аппаратов по
переработке рыбы и морепродуктов внесли отечественные и зарубежные ученые Кизеветтер И.В., Маслова Г.В., Мезенова О.Я., Рогов И.А., Семенов Б.Н., Слуцкая Т.Н.,
Фатыхов Ю.А., Шевченко В.В., Becker H. и другие.
Несмотря на широкий круг вопросов, как фундаментального, так и практического характера рассмотренных указанными авторами в области разработки техники и
технологии переработки рыбы, комплексных работ, направленных на использование
накопленных знаний о комбинированных материалах в процессе их гидромеханической обработки и использование в современных конструкциях аппаратов кавитационного действия, до сих пор не было.
Выпуск пастообразных изделий особенно целесообразен на основе маломерного,
некондиционного сырья филейного, консервного производств и пищевых отходов. Это
не только может способствовать улучшению экономических показателей работы
предприятий, внедрению малоотходных технологий, но и расширит ассортимент кулинарных изделий из рыбы за счет продуктов с высокими вкусовыми, питательными
свойствами, сбалансированных по своему химическому составу и невысокими по стоимости, например, за счет овощных или крупяных добавок.
Цели и задачи исследований. Основной целью настоящей работы является со-
4
вершенствование процесса и ресурсосберегающего оборудования для переработки
рыбы на основе использования гидромеханических мер по учету кавитационных механизмов разрушения сырья. Для этого необходимо решение следующих задач.
В рамках теоретических исследований необходимо:

На основе уравнений гидромеханики выполнить моделирование контакта обрабатываемого пищевого продукта (рыбы) с рабочим органом и рабочей средой в условиях динамического воздействия;

Пользуясь основными уравнениями смоделировать распределение силовых
факторов в замкнутом объеме при изменяющихся начальных и граничных условиях
при поступательном движении среды в рабочих каналах измельчителя;

В рамках аппарата гидродинамики решить задачу о перемещении жидкости в
каверне под действием спутного потока.
Для проверки полученных аналитических моделей необходимо провести следующие экспериментальные исследования:

Исследовать влияние механического воздействия на потребительские свойства
полуфабриката, в том числе при разных режимах гидродинамической обработки;

Экспериментально определить величину минимальной скорости жидкости, при
которой дальнейшее измельчение сырья не произойдет;

Определить характеристики рабочего органа для оптимального гидродинамического воздействия на перерабатываемый пищевой продукт (на модельном объекте).
Научная новизна исследований состоит в получении новых моделей гидродинамического контакта обрабатываемого пищевого продукта (рыбы) с рабочим органом и
рабочей средой в условиях интенсивного динамического воздействия, а также распределения силовых факторов в замкнутом объеме при изменяющихся начальных и
граничных условиях при вращательном и поступательном движении измельчаемых
составляющих в каналах аппарата.
Практическая ценность полученных результатов состоит в разработке и апробовании в производственных условиях ресурсосберегающих технических решений для
кавитационного измельчения, в частности новых технологических режимов и оснастки для восстановления эксплуатационных свойств каналов и рабочих органов измельчителя.
Основные научные положения, выносимые на защиту:

Рациональные режимы процесса измельчения и ресурсосбережения пищевых
продуктов;

Устройство для обслуживания рабочих органов повышающее ресурсосбережение процесса;

Методика оценки эффективности процесса для ресурсосберегающего измельчения комбинированных рыбопродуктов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались, обсуждались и получили одобрение на Научно-технических конференциях «Технологии живых систем» в Москве (2003-2004), на II Международной
научно-технической конференции, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» в Санкт-Петербурге (2003), на
II-й Всероссийской научно-технической конференции – выставке с международным
участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в Москве (2004), на Конференции молодых ученых «Пищевые технологии» в
5
Казани (2007) и на межвузовских и межкафедральных семинарах в Санкт-Петербурге
(2005-2008). Часть результатов работы докладывалась на технических советах объединения «Пищевик» в Санкт-Петербурге и ряде рыбоперерабатывающих предприятий
г.Калининграда и г.Астрахани, где они прошли опытно-промышленное опробование.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе
патент на изобретение и статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ. Часть результатов работы поощрены дипломами Всероссийской научно-технической конференции –
выставки с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации».
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 103 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 16 таблиц. В списке литературы
154 источника, в том числе 13 иностранный.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Большинство методов воздействия на разрушаемый материал позаимствовано в
природе, однако далеко не все природные явления нашли воплощение в технике.
Многие явления вследствие масштабности факторов или наоборот, малости
проявления эффектов, не используются в промышленной практике. Воздействие
внешних сил на разрушаемый материал может сопровождаться переносом массы,
теплоты, эмиссией электронов и другими физико-химическими эффектами, образуя
все многообразие способов разрушения, известное на сегодняшний день.
Упорядочение методов воздействия на диспергируемый материал по более мелким
признакам и группам позволяет определить "ячейки" незаполненные сегодняшним
уровнем знаний и предсказать новые пути интенсификации и новые способы
диспергирования материалов путем комбинации уже известных.
Методы диспергирования, вызывающие плоское или
линейное напряженное состояние
Гидроакустические
Кавитационный
Пульсационный
Гидромеханический
Струйный
Излом
Гидродинамические
Истирание
Кручение
Разрыв
Срез
Удар,скол
Вибрация
Механические
Электро-импульсный
разряд
Разрядно-импульсный
Тепловой пробой
Лазер
Стоячая волна
Электромагнитные
Электрогидравлические
Ионизированный газ
Плазма
Рис.1. Классификация способов диспергирования материалов по виду напряженного состояния и методам внешнего воздействия
6
Дальнейшее развитие способов разрушения данной классификационной группы
возможно комбинаторикой указанных методов, например, комбинированным воздействием механических и гидродинамических нагрузок.
Для достижения максимальной эффективности процесса смешения
измельчитель-смеситель оптимальной конструкции должен отвечать следующим
требованиям:

максимальное число поверхностей сдвига, образующихся в единицу времени;

максимальное число составляющих движений рабочего органа, корпуса или их
элементов, позволяющих сообщать группам частиц поступательное и вращательное
перемещение относительно плоскостей сдвига и друг друга;

максимальная скорость обновления поверхности раздела фаз при максимально
неустановившемся, турбулентном характере самой поверхности;

адаптивность элементов поверхности рабочего органа, обеспечивающая минимальное сопротивление его перемещению в пространстве и самоустанавливающийся
характер мгновенного положения в среде под действием внешнего сопротивления;

комбинация различных видов и способов подвода энергии на компенсацию изменения потенциального положения частиц, разрыв внутренних связей и диффузионный перенос;

минимальные затраты на диссипацию энергии в тепло.
Основной задачей измельчения дисперсных сред является получение максимального количества продукта в минимальные сроки при минимальных затратах энергии.
Для сравнения любых видов измельчительного оборудования, применяемого для переработки одного и того же материала, введем понятие параметра энергетической эффективности Э, характеризующего
отношение полезно достигаемого технологического результата измельчения к суммарным энергетическим затратам, достигаемым в единице рабочего объема рабочего пространства.
Графическое сравнение табличных данных по параметру энергетической эффективности для различных измельчителей показывает, что к числу наиболее эффективных из них можно отнести кавитационные.
Эффективность, 1/м кДж
1000
Конусные
Стержневые
МСП
МШР
МШЦ
МШ периодические
Дисмембраторы
Дезинтеграторы
Аэробильная
Газоструйные
Молотковые
Кавитационная
Шаровая
100
10
1
0,1
0,01
0,001
0,1
10
1000
Объемная производительность, м3/ч
Рис.2. Сравнение различных измельчителей по параметру
энергетической эффективности
7
Объектами экспериментального исследования явились: ставрида мороженая,
филе ставриды мороженое, фарш пищевой мороженный из ставриды, хек мороженый,
минтай мороженый, путассу мороженая, полуфабрикаты и готовые кулинарные изделия, приготовленные на основе разработанных рецептур.
Задача одного из этапов исследований - сравнение технологических свойств
фаршей, приготовленных из сырой и отварной рыбы при одинаковой степени измельчения (диаметр отверстий решетки 3 мм). Полученные данные указывают на необходимость использования наполнителя, способного повысить пластичность фарша и его
формообразующие свойства, а также снизить эффективную вязкость.
Для изучения влияния наполнителя и определения оптимального количества на
физико-химические и структурно-механические свойства комбинированного рыбопродукта рассматривались модельные системы с заменой 20, 25, 30, 35, 40% фарша из
отварной ставриды на вязкую ячневую кашу. Для такого содержания наполнителя (в
пределах от 20 до 40%) построены соответствующие математические модели. Например, изменение водоудерживающей способности в зависимости от массы вносимой
вязкой ячневой каши адекватно описывается математической моделью: y = -1,6071x2 +
10,893x + 36,86, а изменение эффективной вязкости от массы внесенной ячневой
каши: y = 82x2 – 727,34x – 2597,5. Также отмечено увеличение содержания пищевых
волокон, что адекватно описывается математической моделью: y = 0,1x + 0,2. По показателям влагоудерживающей способности (ВУС), эффективной вязкости, оптимальным является введение в фарш 29,1% вязкой каши из ячневой крупы. При этом отмечена хорошая способность к формуемости.
Результаты следующего этапа исследований на фарше из отварной ставриды с
добавлением 29,1% вязкой ячневой каши отображены в таблице № 1.
Таблица № 1
Структурно-механические характеристики образцов рыбного фарша с вязкой
ячневой кашей в зависимости от кратности измельчения
Образцы
Эффективная вязкость при
 = 1с-1, Пас
Темп разрушения структуры, h
Однократное измельчение
1198,8
0,73
Двукратное измельчение
1127,1
0,71
Трехкратное измельчение
1144,9
0,72
Однократное измельчение с добавлением сливочного масла
1060,9
0,76
С увеличением кратности измельчения не установлена достоверная разница
структурно-механических показателей модельных фаршевых систем с добавление
наполнителя. Сливочное масло, как пластифицирующая добавка, также не оказывает
существенного влияния. Эти результаты учтены при разработке рецептур для рыбокрупяных масс. Для определения влияния овощного наполнителя на реологические
свойства рыбных масс, исследованию были подвергнуты модельные системы с заменой 25-27% фарша из отварной ставриды на морковь и репу (рыбу и овощи измельчали на мясорубке, диаметр отверстий решетки 3 мм). Установлено, что эффективная
8
вязкость при введении овощей уменьшается незначительно. Изучено влияние степени
измельчения на реологические показатели рыбоовощных масс, а также возможность
использования сливочного масла. Рациональный состав полуфабриката определен
следующим: 95% рыбной массы, содержащий 25-27% овощей и 5% сливочного масла.
Сделан вывод, что для получения более мелкодисперсной среды для производства рыбоовощных и рыбокрупяных фаршевых масс необходимы иные средства измельчения, например процесс и аппарат, использующие принцип кавитационного действия.
Кавитация возникает как при обтекании различного рода твердых тел капельной жидкостью с высокими скоростями движения, так и в неподвижной жидкости
вблизи поверхности колеблющегося в ней твердого тела. Разрушение твердых поверхностей при кавитации происходит вследствие развивающихся в жидкости вблизи
поверхности высоких напряжений.
В рамках теоретических исследований процесса измельчения рыбы и комбинированных рыбопродуктов построена модель кавитационного эффекта, включающая
две стадии:
- влияние скорости транзитного потока, на разрушение каверны в обрабатываемом продукте;
- влияние значений скорости потока относительно рабочих поверхностей измельчителя на возникновение новых каверн и увеличение эффективности диспергирования.
Математическая модель центробежного разрушения дефектов
Рассмотрен процесс разрушения каверны под действием возникающих в ней
центробежных сил. Если принять, что движение жидкости в полости, которую можно рассматривать как дефект структуры сырья, не является функцией времени в явном виде, когда оно осуществляется под воздействием транзитного потока (  0 ),
имеющего постоянную скорость движения, то подобное движение можно рассматривать как автономное движение.
у
обрабатываемый
продукт
0
х
Рис.3. Схема взаимодействия поверхности с внутренней открытой полостью
и обтекающего потока жидкости
На твердую границу дефекта накладывается условие ограничения по ее конфигурации, близкой к эллиптической форме. В результате воздействия транзитного потока на жидкость в выемке в последней возникает вращательное движение. Если не
учитывать сопротивления движению жидкости, возникающего от влияния ее твердой и
жидкой границ, то это движение, обусловленное указанными геометрическими
связями, будет происходить по концентрическим замкнутым траекториям с равномерной окружной скоростью. Обеспечивающие подобное движение силы представим
в виде функций окружной скорости движения жидкой частицы вдоль эллиптической
траектории:
9
 x2 y2 
  q0  2  2 
b 
a
(1)
Составляющие окружной скорости вдоль оси Ох и Оу:
 2 q 0
 2 y ;
y
b
U 
Uy  
Проекции силы равномерного
траекториям на оси координат:
N X  1  u X  1 
движения
2q0
y  c1 y ;
b2
2q

  20 x .
x
a
жидкости
N y  2  uy   
по
(2)
эллиптическим
2q0
x  c2 x .
a2
(3)
Т.к., во-первых, рассматриваемое движение жидкости в каверне является
неравномерным, необходимо учесть внутреннюю силу сопротивления движению
жидкости в каверне, возникающую от влияния вязкости, благодаря которой главным
образом происходит диссипация энергии, накопленной жидкостью в каверне от
транзитного потока. Силу сопротивления принимаем пропорциональной скорости
движения жидкости в каверне:
(4)
1  V  .
Составляющие силы сопротивления T 1 вдоль координатных осей Ох и Оу:
 dx 
   
 dt 
1 X


 dy 
2 y     .
 dt 
;
(5)
Во-вторых, также должны быть учтены силы сопротивления, возникающие на
поверхности раздела между транзитным потоком и жидкостью в каверне. Эти силы
запишем в виде функции относительной скорости движения жидкости на поверхности
раздела, выразив её через скорость транзитного потока
и соответствующую неравномерность окружной скорости движения жидкости в каверне
вдоль оси Ох:
dx 

2    0   ;
dt 

(6)
Составим динамические уравнения движения жидкой частицы в каверне, предположив, что массой(m) частицы можно пренебречь:
FX  T1 X  N X  T2 ,
(7)
Fy  T1 y  N y
Подставляем в систему (7) значения найденных ранее сил и их проекций:

d 2x
dx 
 dx 

т 2      c1 y    0   ;
dt 
dt
 dt 


d2y
 dy 
m 2      c2 x  0 .
dt
 dt 
(8)
Зависимости (8) представляют собой неоднородную нелинейную систему двух
обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка, с помощью которой
можно провести исследования различных состояний жидкости в каверне в зависимости от характера внешних связей и воздействия со стороны главным образом транзитного потока, проходящего мимо. Её аналитическое решение представляет значительные трудности, поэтому для анализа указанных состояний проинтегрируем записанные уравнения численно и сведем к решению системы дифференциальных уравнений
первого порядка, выполнив замену переменных:
x  y0 ;
dx
 y1 ;
dt
y  y2 ;
dy
 y3 .
dt
(9)
10
После такой замены полученную систему уравнений можно переписать в виде:
d
d
d
d
y1  0,2 y1  0,2 y 2  0,1(100  y1 );
y2  y3 ;
y 3  0,2 y 3  0,3 y 0 ; (10)
y 0  y1 ;
dx
dx
dx
dx
Выбираем граничные условия из соображений постоянства среды в каверне:
y0 (0)  0;
y1 (0)  1;
y2 (0)  1;
y3 (0)  0;
(11)
Для получения решений применили метод Булирша-Штера с переменным
шагом.
Анализ построенной модели позволяет оценить влияние на гидродинамическую
обстановку в каверне таких важных технологических параметров как скорость транзитного потока и внешние силы сопротивления. Экспериментальное уточнение входящих в систему уравнений численных коэффициентов позволит рассчитать гидродинамические режимы, при которых возможно разрушение материала за счет действующих центробежных сил.
Математическая модель отрыва пограничного слоя.
Турбулентное течение в трубе описываем уравнением:
du
du
1
  nT n
  qr
dr
dr
2
u0


du
1  r  r0
1  
  qr0 
dr
2 
  1   2  
при граничных условиях
(12)
Запишем уравнение (12) пренебрегая толщиною вязкого подслоя
du
du
 nT
  1 n  n
dr
dr
n
1 3n
d 2u
: 2
dr
2n
 du  1
sign    qr
 dr  2
Интегрируя (13) при граничных условиях u=0;
2n
 2n  1 1 n 1 n
u~  
 a f (n, ) , где f(n,)= 
 1 n 

1
(13)
du
  ; r  r0 придем к
dr
d
1

1  


2 n 1
2n




(14)
2n
1n
В рамках рассматриваемой модели равновесные турбулентные пограничные
слои будем считать автомодельными. Пусть скорость на внешней границе слоя задана
в форме
m
U   Cx  x0  , где С,  0 ,m, t – постоянные
m
1
U x
U
Введем безразмерные координаты ~x  0 ; ~y  0 , где U 0  v1 m C 1 m
v
v
1

m
 n t n F   
FF   m 1  ( F ) 2
2n
F  F   0 , F   ,   0 F   1 , t n F   0 ,   0  const





(15)
(16)
После упрощающих подстановок, придем к уравнению Фокнера и Скэн:
F   

1
1  m FF   m 1  F 2
2

(17)
Решим уравнение (17) численно, используя метод сведения дифференциальных уравнений высокого порядка к системе дифференциальных уравнений первого порядка.
11
Для реализации этого метода выполним замену F=y0; F΄=y1; F΄΄=y2 ; F΄΄΄=y3, после
чего система уравнений запишется в виде:
d
y 0  y1 ;
dx
d
y1  y 2 ;
dx
y1 (0)  0;
y0 (0)  0;

d
y2  y3 ;
dx

y3  0,5(1  m) y0 y 2  m 1  ( y1 ) 2 ;
y2 (0)  1;
(18)
y3 (0)  1;
(19)
Решая эту систему уравнений методом Булирша-Штера, получим результат
изображенный на рисунке 4.
Сравним полученные результаты с решениями, которые получены для аналогичного случая на основе уравнения Блазиуса, записанное в виде φ΄΄΄+ φφ΄΄ = 0. Эти
решения изображенны на рисунке 5, где  1 - скорость;   2 - ускорение;   0 - время.
  2
2
  2
2
2
1.5
1.5
1
Y
1
Y
1
2
Y
2
Y
0.5
 1
 1
1
0.5
0
0
0
0.2
0.4
0.6
0
Y
0.8
0
1.0
Рис.4. Решение уравнения
Фокнера и Скэн при m=1
0.2
0.4
0.6
0.8
0
Y
Рис.5. Решение уравнения Блазиуса
Анализ полученных результатов, в предположении, что отрыв пограничного
слоя приводит к возникновению высоких нормальных напряжений и появлению каверн за счет локального разрушения материала, позволил сделать вывод о том, что для
практической реализации кавитационного характера воздействия на сырье, необходимо знать состав и структурно-механических свойства измельчаемых компонентов
(вязкость) и на рабочих поверхностях уметь обеспечивать условия течения близкие к
ламинарным (за счёт высокой чистоты обработки поверхностей рабочих органов)
вплоть до отрыва пограничного слоя. По-видимому, существует зависимость эксплуатационных свойств кавитационных измельчителей от скорости взаимного перемещения друг относительно друга и качества обработки рабочих поверхностей.
Конструктивно существующие устройства для кавитационного измельчения, как
правило, содержат неподвижно установленный статор и расположенный внутри него с
кольцевым зазором ротор, к которому прикладывают крутящий момент.
12
Рис.6. Конструкция экспериментальной установки.
Для разработки рекомендаций по проектированию рабочих органов, в ходе
планирования эксперимента в качестве варьируемых выбирались: частота вращения и
шероховатость поверхности ротора. Проведен факторный эксперимент и получены
уравнения регрессии(20,21), характеризующие зависимости функций отклика от
варьируемых параметров. Полученные экспериментально значения функций отклика
сопоставлены с расчетными значениями, на основе чего сделан вывод, что данные
уравнения отображают реальные зависимости искомых эксплуатационных
характеристик
измельчительных машин
от эксплуатационных параметров.
Записанные соотношения
служат для прогнозирования величин вязкости
полуфабриката и показателя эффективности реализуемого процесса по величине
эксплуатационных параметров измельчения: шероховатости рабочих поверхностей и
скорости вращения ротора.
1  1007  44,31  23,22  3,512  9,222  2,512
(20)
2  120  0,996 1  0,206 2  12  22  12
(21)
Анализ полученных уравнений регрессии проведён графически, для чего построены соответствующие графики поверхностей изучаемых функций отклика (Рис.7).
По оси X1 отложена кодированная скорость вращения ротора, а по оси X2 – шероховатость рабочей поверхности измельчителя.
Э
ηэф
X2
X2
X1
X1
z
а)
б)
Рис. 7. Графическое изображение линий уровня поверхностей отклика
а) – Y1 ; б) - Y2
13
Из первого графика (Рис. 7а) следует, что кавитационный характер разрушения
измельчаемого сырья реализуется, скорее всего при достаточно больших скоростях и
малых шероховатостях. При этом при невысоких скоростях Х 1 ‹ 4 аналогичная вязкость может быть достигнута и при значительных шероховатостях рабочей поверхности за счет истирания, но при этом существенно уменьшается энергетическая эффективность процесса. При малых скоростях и шероховатостях измельчения не происходит, а уменьшение вязкости происходит за счет расслоения продукта по содержащейся
жидкости.
Второй график (Рис. 7б) свидетельствует о том, что с точки зрения энергетической эффективности процесс имеет явно выраженный экстремум. Точное определение
области экстремума, то есть значений изменяемых параметров, при которых достигается экстремальное значение эксплуатационных характеристик, определяется дифференцированием полученного уравнения(21) и проверкой критерия Сильвестра.
Х1=0,732 ; Х2=-0,469.
(22)
Для формулирования рекомендаций по режимам измельчения полученные графики поверхностей целесообразно представить графически в виде линий уровня
(Рис.8).
X2
X2
X1
X1
а)
б)
Рис.8. Графическое изображение линий уровня поверхностей отклика
а) – Y1;
б) - Y2.
Оптимальная энергетическая эффективность достигается при значениях технологических параметров: Х1=0,732 и Х2=-0,469. Подставив эти значения в уравнение
регрессии для Y1, можно получить значение эффективной вязкости, которая может
быть получена для полуфабриката при таких параметрах измельчения. Она в рассматриваемом случае будет равна Y1=963,0 Па∙с.
Сделан вывод, что для заранее заданных значений функций отклика могут быть
подобраны величины шероховатости рабочих поверхностей и скорости вращения ротора, удовлетворяющие заказчика по технологическим или экономическим соображениям.
Выбор параметров процесса измельчения в единицах физических размерностей
производится пересчетом по формулам
X1= (n - 220)/60 и X2= ( Rа - 0,4)/0,2.
(23)
14
Например, измельчение оптимальное с точки зрения энергетической эффективности, может быть осуществлено при скорости вращения ротора n=263,92 1/c и шероховатости его рабочей поверхности Rа =0,306 мкм.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что существенное влияние на
уровень получаемых потребительских свойств (эффективную вязкость) оказывает
шероховатость рабочей поверхности ротора и статора кавитационного измельчителя.
Поскольку кавитация разрушает обе контактирующих поверхности: сырье и поверхность измельчительного органа необходимо предусмотреть определенные меры
по поддержанию рабочих поверхностей кавитационного измельчителя в должном состоянии.
Для этого разработано устройство для восстановления рабочих поверхностей
измельчителя. Устройство состоит из гибкой пластины 1 изготовленной из металлической фольги, на которую методом гальваностегии под углом к торцевой стороне
нанесены полосы абразива 2 на основе никелевой связки и электрокорунда белого
марки 24А16 - 24А50. Полосы выполнены прерывистыми в виде ромбовидных элементов, две противоположных стороны которых ориентированы параллельно боковой
стороне пластины с зазорами между ними равными 10-20 % от ширины абразивных
полос. С одной стороны это позволяет более плотно облегать ротор или статор диспергатора при, соответственно, наружном или внутреннем размещении рабочего органа относительно этих элементов. С другой стороны удаляемый в процессе обработки
металл вместе со смазывающее охлаждающей жидкостью удаляется по межполостным
канавкам. Пластина 1 на торцевых сторонах, на участках свободных от абразива,
снабжена прямоугольными металлическими выпусками 3 с возможностью отклонения
их в плоскости перпендикулярной плоскости пластины.
1
2
4
5
3
Рис.9. Принципиальная схема
рабочего органа
Рис.10. Принципиальная схема
кавитационного измельчителя
Рабочий орган для восстановления кавитационного измельчителя позволяет удалять следы кавитационного износа с обеих рабочих поверхностей: наружной – ротора
и внутренней статора.
Сравнение результатов производственной апробации обработанных и
традиционных кавитаторов за смену показало, что помимо более точного
поддержания
необходимых
потребительских
свойств
изготавливаемого
полуфабриката наблюдалось снижение отходов для некоторых видов сырья на 8 - 12%.
Проведена оценка экономической эффективности усовершенствования
кавитационных процессов и аппаратов для измельчения рыбопродуктов, учитывающая
15
не только более полное использование сырья, но и расход других ресурсов: энергии,
вспомогательных материалов, ручного труда и др.
Сравнение полученных данных с численными параметрами соответствующими
кавитационному измельчителю типа МКИ 160 и его усовершенствованному образцу
для измельчения комбинированных рыбопродуктов с одновременным повышением
параметров ресурсосбережения и срока службы для различных объемов переработки и
разной стоимости сырья проводился с использованием пакета прикладных программ
Excel. Анализ показал, что изменение количества отходов при переработке продуктов
питания сказывается на эффективности работы аппарата более существенно, чем
повышение стоимости перерабатываемого сырья или даже изменение объема
переработки продукта.
Для расчета ожидаемой экономической эффективности от использования разработанных рекомендаций и технических решений за базу сравнения был принят кавитатор заводского изготовления типа МКИ 160. Рассчитанный экономический эффект
от внедрения усовершенствованного кавитатора при производстве 1500 кг рыбоовощного полуфабриката и загрузке кавитатора в течение 4 часов составит 4,33 тыс.рублей.
При полной загрузке оборудования и трехсменной работе экономический эффект возрастет в 6 раз и составит более 25 тыс. рублей. Таким образом, применение рекомендуемых разработок окупится менее чем за полгода.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
Выполненная работа решила важную научно-техническую задачу – усовершенствован ресурсосберегающий процесс и аппарат выработки комбинированной рыбной
продукции на основе изучения гидромеханических процессов ее обработки:
1. На основе уравнений гидромеханики получена модель контакта обрабатываемого
пищевого продукта (рыбы) с рабочим органом и рабочей средой в условиях динамического воздействия омывания их рабочей жидкостью;
2. Предложена модель распределения силовых факторов в замкнутом объеме при изменяющихся начальных и граничных условиях при поступательном движении среды
в рабочих каналах измельчителя;
3. В рамках аппарата гидродинамики получены решения задачи о перемещении жидкости в каверне под действием спутного потока;
4. Построены регрессионные соотношения изменения вязкостных характеристик перерабатываемых рыбопродуктов получаемых при реализации основных технологических процессов;
5. По результатам выполненных исследований разработаны технические рекомендации по назначению технологических режимов работы ресурсосберегающих процессов
и аппаратов;
6. Предложено конструктивное решение для устройства по обслуживанию кавитационного измельчителя обеспечивающего наилучшие условия измельчения комбинированных рыбопродуктов;
7. Выполненные разработки при опытно-промышленном апробовании на ряде предприятий отрасли Санкт-Петербурга показали снижение доли отходов сырья на 8-12 %
и уменьшили энергоемкость процесса на 5-7 %;
8. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения выполненных разработок составляет 750 тыс.рублей.
16
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
СПИСОК, ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Кондратов А.В. Использование элементов нанотехнологий при производстве
продуктов питания. [Текст] /А.В. Кондратов, А.М. Мирзоев.//Материалы Межвуз.
конф. «Формирование универ. комплексов и инновац. деятельность вузов на соврем. этапе реформирования высшей школы», ГУСЭ, СПб, т.3, 2006, с. 25-26.
Кондратов А.В. Модель кавитационного разрушения пищевого сырья. [Текст]
/А.В. Кондратов, Е.И. Верболоз, Г.В. Алексеев. // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2007. - № 11. – С. 56-59.
Кондратов А.В. Возможные механизмы кавитационного разрушения при измельчении пищевых продуктов. [Текст] /Е.И. Верболоз, А.В. Кондратов. //Известия
СПбГУНиПТ. – 2007. - № 2. – С. 29-31.
Кондратов А.В. Изучение режимов кавитационного разрушения пищевого сырья
как элемента
нанотехнологии. [Текст] /А.В. Кондратов, Е.И. Верболоз,
Г.В. Алексеев, В.А. Арет. //Известия СПбГУНиПТ. – 2007. - № 3. – С. 29-31.
Кондратов А.В. Возможности использования кавитационных эффектов для переработки пищевого сырья. [Текст] /А.В. Кондратов. //Известия СПбГУНиПТ. –
2007. - № 4. – С. 29-31.
Положительное решение на изобретение № 2007112184/02(013241). Рабочий орган для восстановления кавитационного диспергатора. /А.В. Кондратов,
Е.И. Верболоз. – 2007.
Кондратов А.В. Производство комбинированных рыбных продуктов при использовании эффекта кавитации.[Текст] /А.В. Кондратов. // Пищ. технол. VIII Всерос.
Конф. с международным участием. Казань: КГТУ. – 2007. - С. 153.
Кондратов А.В. Перспективное направление создания продуктов питания из гидробионтов. [Текст] /Л.В. Ельцова, А.В. Кондратов. //Материалы научнотехнической конференции. Москва: МГУПБ. – 2008. – С. 28-32.
Основные обозначения принятые в работе
 -функция тока ламинарного спутного потока; t -время, с; x , y -координаты
жидкой частицы в декартовой системе; а,b -большая и малая полуоси эллипса; q 0 постоянный параметр; 1; 2 ; c1; c2 -постоянные коэффициенты; 0 -скорость транзитного
потока , м/с;  ,  - коэффициент пропорциональности;H - показатель степени,
изменяющийся в пределах H=12;  - касательное напряжение в жидкости, Н/м2; r радиус трубы, м;  n ,n - безразмерные константы, находимые из опытов;  коэффициент динамической вязкости, Па∙с; q - градиент давления; - кинематическая
вязкость, м2/с;  - плотность, кг/м3;Т - локальное число Рейнольдса; u - продольная
компонента осредненной скорости; U  - скорость на внешней границе слоя, м/с; U0 значение осредненной скорости на оси трубы, м/с; F - функция тока пограничного
слоя;  - скорость сдвига, с-1 ;  эф - эффективная вязкость, Пас; Э – параметр
энергетической эффективности, 1/(мДж); Х1 - кодированная переменная частоты
вращения ротора; Х2 - кодированная переменная шероховатости поверхности ротора; Y1
- целевая функция эффективной вязкости получаемого продукта; Y2 - целевая функция
показателя эффективности реализуемого процесса.