WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

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 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 (), имеющего постоян­ную скорость движения, то подобное движение можно рас­сматривать как автономное движение.

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:

(1)

Составляющие окружной скорости вдоль оси Ох и Оу:

;. (2)

Проекции силы равномерного движения жидкости по эллиптическим траекториям на оси координат:

;. (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)

Составляющие силы сопротивления T вдоль координатных осей Ох и Оу:

;. (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:

; (6)

Составим динамические уравнения движения жидкой частицы в каверне, предположив, что массой(m) частицы можно пренебречь:

(7)

Подставляем в систему (7) значения найденных ранее сил и их проекций:

;. (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:

; ;. (9)

После такой замены полученную систему уравнений можно переписать в виде:

(10)

Выбираем граничные условия из соображений постоянства среды в каверне:

(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:

(12)

при граничных условиях

Запишем уравнение (12) пренебрегая толщиною вязкого подслоя

(13)

Интегрируя (13) при граничных условиях u=0; ; придем к

, где f(n,)= (14)

В рамках рассматриваемой модели равновесные турбулентные пограничные слои будем считать автомодельными. Пусть скорость на внешней границе слоя задана в форме

, где С,,m, – постоянные

Введем безразмерные координаты ;, где

(15)

,,,, (16)

После упрощающих подстановок, придем к уравнению Фокнера и Скэн:

(17)

Решим уравнение (17) численно, используя метод сведения дифференциальных уравнений высокого порядка к системе дифференциальных уравнений первого порядка.

Для реализации этого метода выполним замену F=y0; F=y1; F=y2 ; F=y3, после чего система уравнений запишется в виде:

(18)

(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 + = 0. Эти решения изображенны на рисунке 5, где - скорость; - ускорение; - время.

Рис.4. Решение уравнения Рис.5. Решение уравнения Блазиуса

Фокнера и Скэн при m=1

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.

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.

(20)

(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.

а) б)

Рис. 7. Графическое изображение линий уровня поверхностей отклика

а) – Y1 ; б) - Y2

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‹ 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).

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 Пас.

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)

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.

Рис.9. Принципиальная схема Рис.10. Принципиальная схема

рабочего органа 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 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.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»