WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

 

Лазуткина Светлана Александровна

РАЗРАБОТКА АКУСТИЧЕСКОГОМАСЛОИЗГОТОВИТЕЛЯ С ОБОСНОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Пенза – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет» (ФГБОУ ВПО РГАЗУ)

Научный руководитель       доктор технических наук, профессор

                                      Симдянкин Аркадий Анатольевич

Официальные оппоненты:       Курочкин Анатолий Алексеевич

  доктор технических наук, профессор

                                      ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная

технологическая академия», профессор

кафедры «Процессы и аппараты пищевых

производств»

Парфенов Виктор Степанович

кандидат технических наук, профессор

                                        ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная

сельскохозяйственная академия», профессор

кафедры «Механизация технологических

процессов»

Ведущая организация  ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева»

Защита состоится 19октября 2012 года в 13 часов  на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться  в  библиотеке  ФГБОУ  ВПО «Пензенская ГСХА».

Автореферат разослан 3 сентября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известные технологии получения сливочного масла существенно различаются по нескольким параметрами, в первую очередь, по объемам производства. При больших объемах используется технология преобразования высокожирных сливок в маслообразователях (МО), при малых – сбивания в маслоизготовителях (МИ).

Большинство известных МИ в качестве рабочих органов используют различного типа лопатки, лопасти и пр., достаточно эффективно перемешивающие масложировую смесь (МЖС). Однако такой способ имеет существенные недостатки: процесс сбивания занимает длительный период времени (до 2 ч), что повышает его энергоёмкость, а непосредственный контакт МЖС с рабочими органами снижает качество масла из-за его загрязнения частицами механического износа.

       Анализ МИ, применяющих виброприводы, показал, что используется только часть энергии генерируемых виброколебаний и полностью игнорируется их воздействие на жировые шарики (ЖШ). Кроме того, сбивание МЖС при неизменных частотах и амплитудах колебаний может входить в противоречие с условиями слипания ЖШ в процессе образования масла.

Поэтому исследования по совершенствованию конструкций маслоизготовителей, основанных на новых способах использования виброколебаний, являются актуальными и практически значимыми для АПК РФ.

Цель исследований разработка акустического маслоизготовителя с обоснованием конструктивных и режимных параметров, обеспечивающие повышение эффективности сбивания сливочного масла.

Объект исследований процесс сбивания масложировой смеси в акустическом маслоизготовителе с рабочими органами, выполненными в виде виброприводов.

Предмет исследований конструктивные и режимные параметры акустического маслоизготовителя.

Научной новизной работы являются:

  • способ приготовления сливочного масла, основанный на воздействии низкочастотных акустических колебанийкак на емкость, так и непосредственно на жировые шарики;
  • аналитические выражения по расчету амплитудно-частотных характеристик акустического маслоизготовителя;
  • методика определения количества и месторасположения источников вибропривода на емкости акустического маслоизготовителя;
  • рациональные конструктивные и режимные параметры акустическогомаслоизготовителя.

Новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение №2446695 «Способ приготовления сливочного масла».

       Практическая значимость работы. Полученные рациональные конструктивные (диаметр и высота емкости) и режимные (амплитуда и частота колебаний) параметры разработанного акустического маслоизготовителя  обеспечивают снижение времени сбивания МЖС на 30…33% и энергоемкости процесса сбиванияна 22…27%по сравнению с серийным маслоизготовителем ИПКС–030.

       Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными исследованиями акустического маслоизготовителя в лабораторных и производственных условиях с использованием контрольно-измерительных приборов для регистрации качественных показателей масла (жирность, влага, сухое вещество), приборов для замера температуры и времени сбивания МЖС; применением основных положений теории  интегрального  и  дифференциального  исчислений; сходимостью теоретических и экспериментальных данных по частоте и амплитуде колебаний.

       Реализация результатов исследований. Акустические маслоизготовители прошли производственную проверку в условиях ООО «Сыроваренный завод «Надежда» и ООО «Молочный комбинат ВИТА» Ульяновской области.

       Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2007 г.), ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА» (2009 г.), ФГОУ ВПО «Российский ГАЗУ» (2010…2011 гг.), Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ им. Н.П.Огарева» (2009…2010 гг.),ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» (2011…2012 гг.), всероссийском конкурсе поддержки высокотехнологичных инновационных молодежных проектов НАИРИТ «Кулибин» (Москва, 2012 г.).

       Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, указанных в «Перечне…ВАК», получен патент РФ на изобретение, без соавторов 6 статей. Общий объем публикаций составляет 2,68п.л., из них автору принадлежит 1,43п.л.

       Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 167 наименований, приложения на 22 с. Работа изложена на 139 с.,  содержит 46 рис. и 14 табл.

       Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

  • способ сбивания масложировой смеси, режимные и конструктивные параметры, конструкция акустического маслоизготовителя, обеспечивающая повышение эффективности процесса сбивания;
  • аналитические зависимости, позволяющие        рассчитать ампли-тудно-частотные характеристики акустического маслоизготовителя;
  • качественные показатели сбивания сливочного масла.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы, изложены научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» проанализированы способы изготовления сливочного масла,  основные конструкции МИ и МО, а также тенденции их развития. Рассмотрены емкости, привод и рабочие органы промышленных и перспективных МИ с точки зрения эффективности образования масляного зерна при сбивании МЖС. Существенный вклад в вопросы изучения и обоснования процесса получения масляного зерна в МО и МИ внесли такие ученые как Р.П.Асейкин, Н.Н.Баранов, Н.Н.Белянчиков, Ф.А.Вышемирский, П.Л. Гордиенко, А.Д. Грищенко, М.Н. Казанский, В.И. Карнаух, О.Г. Котова, Г.А. Кук, А.А. Курочкин, В.С.Парфенов, О.Ран, В.Д. Сурков, В.Н. Шувалов и др.

Показано, что все технические решения направлены,в основном, на повышение эффективности перемешивания масложировой смеси, что добиваются усложнением либо движения емкости, либо формы рабочих органов. В первом случае частота вращения емкости, а, следовательно, и производительность МИ будет принудительно ограничиваться, а во втором – повышается сложность извлечения готового продукта и периодической очистки-мойки емкости.

Проанализирована тенденция перехода к МИ, в которых применяются колебательные процессы, инициируемые различного рода бесконтактными возбудителями – генераторами, вибраторами и пр. Такие МИ являются менее энергоемкими, а также более управляемыми за счет изменения амплитуд и частот колебаний и, тем самым, позволяют повысить эффективность процесса сбивания МЖС. Тем не менее, все они используют механические рабочие органы, контактирующие с МЖС, и неиспользуют возможность задания сложного движения ЖШ внутри смеси в процессе сбивания.

В результате установлено, что отсутствуют способы и конструкции МИ, использующих в качестве рабочих органов акустический сигнал, воздействующий как на емкость, так и непосредственно на ЖШ.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

  1. Разработать способ сбивания масложировой смеси и обосновать конструктивно-технологическую схему акустического маслоизготовителя.
  2. Получить аналитические зависимости, позволяющие определить амплитудно-частотные характеристики акустического маслоизготовителя.
  3. Изготовить опытный образец акустического маслоизготовителя и экспериментально определить его оптимальные конструктивные и режимные параметры.
  4. Оценить работоспособность акустического маслоизготовителя в производственных условиях и определить его технико-экономическую эффективность.

Во втором разделе «Расчетно-теоретическое обоснование параметров акустического маслоизготовителя»получена аналитическая зависимость амплитуды колебаний от частоты колебаний, плотности МЖС и времени сбивания, и произведен расчет амплитудно-частотных характеристик вибропривода акустического маслоизготовителя (АМ).

За основу была взята конструкция вибропривода (патент № 2425486«Устройство для бесконтактного сбивания сливок»), выполненного в виде источника акустического сигнала, жестко закрепленного на дне резервуара, и оказывающего вибрационное воздействие на сбиваемую массу за счет распространения в резервуаре волн заданных частот и амплитуд (рис.1).

Рисунок 1 – Схема устройства для «бесконтактного» сбивания сливок:

1 – резервуар; 2 – сливки; 3 – вибропривод; 4 – провода; 5 – генератор акустических волн (РА – ручка изменения амплитуды колебаний, РЧ –ручка изменения частоты колебаний);6 – акустические волны

Работает устройство для бесконтактного сбивания сливок следующим образом. Резервуар 1 наполняется сливками 2, после чего на вибропривод 3, посредством проводов 4 с генератора 5 подается сигнал периодического действия, а ручками РА и РЧ  генератора 5 выставляются  его параметры – амплитуда и частота колебаний. При этом в сливках 2 распространяются акустические волны 6, воздействующие на ЖШ и перемешивающие сливки.

Способ акустического воздействия на МЖС позволяет влиять на процесс сбивания сливочного масла за счет изменения амплитуд и частот колебаний источника акустического сигнала; обеспечивает повышение качества выходного продукта за счет отсутствия непосредственного контакта с ним рабочих органов; обеспечивает повышение надежности устройства за счет уменьшения количества элементов конструкции.

Схема (рис.2) воздействия акустических волн на ЖШ в процессе сбивания описывается следующим уравнением сил

,Н,                                                (1)

где – сила лобового сопротивления, возникающая при движении ЖШ под действием внешней возмущающей периодической силы; – сила Архимеда; – сила тяжести;– внешняя возмущающая периодическая сила, вынуждающая ЖШ совершать колебания в вертикальной плоскости.

Рисунок 2 – Схема сил, действующих на жировой шарик

При этом сила лобового сопротивления описывается известным уравнением

, Н,

где υ – скорость движения жирового шарика, м/с; S – площадь поперечного сечения ЖШ в направлении, перпендикулярном вектору скорости его движения, м2; ρ– плотность ЖШ, кг/м3.

Сила Архимеда

, Н,

где r – радиус ЖШ, м; ρ0– плотность МЖС, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Сила тяжести

, Н.

Сила вынужденных колебаний (при синусоидальной зависимости перемещения ЖШ в МЖС от частоты колебаний x=Asinωt)

, Н,

где m – масса ЖШ (), кг; А – амплитуда вынужденных колебаний, м; – частота вынужденных колебаний, рад/с. 

       Приняты следующие допущения: ЖШ имеют шаровидную форму,  плотность ЖШ не изменяется по диаметру, ЖШ не взаимодействуют друг с другом.

Распишем уравнение (1) в проекциях на вертикальную ось, принимая во внимание, что направление силы лобового сопротивления всегда противоположно направлению движения тела:

.                        (2)

Скорость перемещения ЖШ в МЖС есть производная от перемещения по времени:

       .

Тогда уравнение (2) в дифференциальной форме будет выглядеть следующим образом:

       .                (3)

Обозначим коэффициенты уравнения:

.

Тогда уравнение (3) примет вид

.                                                                (4)

Разделим переменные:

,,.                (5)

Проинтегрируем уравнение из (4) с учетом (5):

.                                                (6)

Произведем замену переменных

.

Тогда

,.

Подставим полученные выражения в уравнение (6)

.

Откуда найдем y и x:

;.

Таким образом, смещение ЖШ в момент времени t будет определяться выражением (принимая во внимание, что S=πr2):

, м.                                                        (7)

Подставляя в уравнение (7) выражение x=Asinωt, найдем амплитуду колебаний ЖШ в любой момент времени tпри заданной частоте колебанийω:

, м.                                        (8)

Полученное выражение позволяет оценить амплитудно-частотные характеристики акустического маслоизготовителя и определить оптимальные режимы генератора колебаний (рис.3).

Основываясь на анализе расчетных значений, можно констатировать, что оптимальными значениями частот для сбивания масла будут являться величины, находящиеся в диапазонах 2…5 Гц и115…118 Гц, где наблюдается увеличение амплитуды колебаний. 

Эффективность процесса сбивания сливок может быть увеличена при  использовании модулированного сигнала от одного источника или нескольких источников колебаний. Эффективность процесса может быть повышена использованием нескольких источников колебаний, расположенных, например, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. В этом случае, если частоты колебаний кратны друг другу, то ЖШ будут двигаться по замкнутым траекториям (фигуры Лиссажу).

Рисунок 3 – Расчетные значения амплитуды колебаний вибропривода в зависимости от частоты колебаний

Рассмотрим простейший случай расположения одного источника виброколебаний на дне емкости в виде цилиндра. Пусть диаметр источника виброколебаний равен диаметру основания цилиндра (рис.4).

Оценим работу по преодолению силы тяжести F = Mg от исходного состояния h1 = 0 до высоты h2 = A:

.                                                 (9)

Рисунок 4 – Расположение одного источника виброколебаний на дне емкости: 1 – емкость; 2 – МЖС; 3 – источник виброколебаний

Тогда мощность (Вт), необходимая для поднятия емкости массой M (кг) на высоту А (м), будет равна

, Вт,                                                                 (10)

где t0 – время достижения максимального отклонения от исходного состояния, с.

       Время достижения максимального отклонения от исходного состояния равно четверти периода

t0 = Т/4.                                                                         (11)

Подставим t0 в выражение, связывающее частоту колебаний (v) и период (Т), получим

.                                                                 (12)

Выразим t0 через частоту колебаний , тогда

, с.                                                                 (13)

Подставим выражение (13) в (10), получим формулу для определения мощности источника виброколебаний, необходимой для поднятия емкости с МЖС на высоту амплитуды колебаний при заданной частоте (рис.5):

       , Вт.                                                         (14)

Известно, что для работы акустических динамиков, которые могут применяться в рассматриваемом случае как источники акустического сигнала, коэффициент запаса мощности должен составлять порядка 0,6…0,7. Поэтому динамики, устанавливаемые на акустический маслоизготовитель, в пределах расчетных  амплитуд  (1-5 мм)  и  частот (5-120 Гц) колебаний должны иметь мощность в пределах 100-600 Вт.        

Рисунок 5 – Графики зависимости мощности источника виброколебаний от частоты и амплитуды колебаний при массе емкости (М):

1 – М=50 кг, А=0,5 мм; 2 – М=50 кг, А=1 мм; 3 – М=100 кг, А=1 мм;  4 – М=50 кг, А=5 мм; 5 – М=100 кг, А=5 мм

В третьем разделе «Программа и методика исследований»разработана общая методика исследований, которая включала выбор способа сбивания сливок и конструкции рабочих органов АМ; лабораторные исследования разработанной конструкции АМ по основным показателям масла (жирность, влага, сухое вещество), а также по времени сбивания; контрольные исследования экспериментального АМ на соответствие показателей масла требованиям государственных стандартов и технических условий; исследования в производственных условиях экспериментального АМ.

       Лабораторные исследования, предусмотренные программой, проводили на экспериментальном МИ, общий вид которого представлен на рис.6.

Рисунок 6 – Оборудования для проведения лабораторных исследований: 1 – генератор; 2 – усилитель; 3 – осциллограф; 4 – акустический динамик; 5 – емкость со сливками

При этом был реализован предложенный способ сбивания МЖС, суть которого состоит в активации МЖС снаружи (от колеблющейся емкости, в целом, и ее стенок, в частности) и изнутри (от колеблющихся ЖШ). Амплитуда и частота управляющего сигнала могут регулироваться как в зависимости от параметров сливок, поступающих на переработку, так и непосредственно в процессе сбивания масла.

При исследованиях применялись различные формы емкостей для сбивания МЖС: колбы, пробирки, цилиндрические сосуды (пластиковые, металлические, стеклянные) с различным соотношением высоты и диаметра, а также количеством емкостей и их расположением друг относительно друга (несколькими ярусами). Кроме того, был исследован вариант расположения двух акустических динамиков на емкости (во взаимно перпендикулярных плоскостях) для реализации сложного движения жировых шариков внутри МЖС (рис.7).

Рисунок 7 –Установка для сбивания масла с расположением акустических динамиков (позиции 1, 2) на двух взаимно перпендикулярных сторонах емкости

       Поскольку при сбивании МЖС разогревается (особенно при частотах колебаний более 100 Гц), то при превышении рекомендуемой температуры в сливки добавлялись кусочки льда, которые, наряду с охлаждением смеси, являлись дополнительными вторичными источниками колебаний.

       Качественные показатели сливочного масла включали содержание  влаги (%),  жирность (%),  сухое вещество (%), которые определялись по ГОСТ Р 52969-2008 и ТУ 10.02.848-90 «Масло бутербродное»в заводских лабораториях ООО «Сыроваренный завод «Надежда» Ульяновской области. Гидростатическим способом определялся воздух в составе масла, а также  жирность пахты (≤0,4%) с использованием жиромеров, серной кислоты, термостатов и центрифуги.

       Для измерения температуры МЖС в процессе сбивания применен радиационный пирометр CENTER 350 с погрешностью измерения ±20С в диапазоне температур -20…+3500С, дискретностью показаний – 0,50С;  временем  измерения – 0,5 с; спектральным диапазоном – 7…18 мкм; показателем  визирования – 8:1. Замеры производились в четырех точках по периметру емкости (через 900)  на уровне середины рабочего объема емкости.

       С целью подтверждения теоретических расчетов и нахождения рациональных конструктивных и режимных параметров АМ применялась методика многофакторного планирования экспериментальных исследований. В качестве факторов были выбраны следующие параметры: Х1 – диаметр основания  цилиндрической  емкости (min = 10 см, max = 20 см, среднее = 15 см); Х2 – масса сливок (min = 50 г, max = 100 г, среднее = 75 г);Х3 – частота колебаний (min = 5 Гц, max = 117 Гц, среднее = 56 Гц);Х4 – амплитуда колебаний (min = 0,5 мм, max = 5 мм, среднее = 2,75 мм).Уровни варьирования факторов Х3 и Х4 выбраны на основании проведенных в разделе 2 расчетов,  Х1 – на основании согласования диаметров основания цилиндрических емкостей и диаметров динамиков, Х2 – из соображений заполнения емкостей на 40…60% от их общего объема.

       В четвертом разделе «Результаты экспериментальных исследований акустического маслоизготовителя» для подтверждения возможности реализации способа сбивания МЖС с помощью акустического сигнала, а также результатов теоретических расчетов были проведены лабораторные исследования в трех диапазонах частот: низкие частоты (60 Гц …600 Гц), средние частоты (1…6 кГц), высокие частоты (12…16 кГц). На низких  частотах через 4 минуты наблюдается появление пенной массы; через 23 минуты МСЖ свернулась в творожную массу; через 46 минут наблюдается образование пахты и мелких сгустков масла; через 55 минут наблюдается отделение пахты и образование однородной массы сливочного масла.

При сбивании МЖС на средних частотах через 10 минут наблюдается появление пенной массы; через 60 минут МЖС свернулась в творожную массу; через 115 минут наблюдается  образование пахты и мелких сгустков масла; через 150 минут наблюдается  отделение пахты и образование однородной массы сливочного масла.

При сбивании МЖС на высоких частотах никаких изменений ни в одном из слоев исходного продукта (сливок) не наблюдалось. Общее время проведения опыта – 2,5 ч. Результаты экспериментов показаны на рис.8. 

       Таким образом, результаты экспериментальных исследований доказывают возможность использования акустического сигнала в качестве рабочего органа маслоизготовителя. 

Дальнейшие исследования проводились в направлении поиска оптимальных частот и амплитуд колебаний вибропривода при сбивании МЖС, а также формы емкостей. При использовании  акустических динамиков марки DLSR6А и XS-6949Мк3 (диапазон частот генератора акустических колебаний изменялся от 5 Гц до 1000 Гц, а амплитуда колебаний – от 1 мм до 5 мм) сливки приходили в движение, но образования масла не происходило.  При использовании динамика25ГДИ-3-4 на частоте  5 Гц и амплитуде 5 мм через 5 минут появилась пена, через 15 минут произошло загустевание сливок.  Загустевшие  сливки  взбивали  в  течение 45 минут, в результате получили масло, но без выхода пахты.

Рисунок 8 – Зависимости изменения времени сбивания масложировой смеси от частоты акустического сигнала

       Анализ результатов исследований показал, что эксперимент проводился со сливками, находящимися в открытой ёмкости, поэтому в процессе сбивания происходило их интенсивное насыщение воздухом, особенно на высоких частотах. Поэтому последующие эксперименты были проведены с использованием емкостей, сливки в которых были изолированы от внешней среды. Была выявлена оптимальная форма емкости – цилиндр, желательно большого диаметра и малой высоты (рекомендуемое соотношение 10:1).

       Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием языка программирования QBasic по методике, основанной на общих положениях теории планирования многофакторного эк­сперимента 24,с дополнением 16-ти опытов 9-ю в центре плана. Температура сливок до начала сбивания во всех экспериментах составляла +10…12оС. Расчетный критерий Стьюдента составилFt = 2,17. В результате проведенных экспериментов были получены следующие уравнения регрессии, которые описывали:

  1. Жирность (критерий Фишера Fp = 20,2166)

Yж=65,10027-3,328044X1-0,1500118X2-2,527981X3+3,1947X4-6,558711X11 – -3,758723X22-1,258723X33-0,9587044X44-0,8187497X12+2,96875X13 – -3,03125X14+1,043751X23- 0,2562501X24-3,04375X34;

  1. Влажность (критерий Фишера Fp = 21,25725)

Yв=54,74532+3,311376X1+0,1333436X2+2,477976X3-3,244704X4 + +0,4478135X11-2,352205X22-4,852205X33-5,152193X44+0,8375X12-2,9125X13++3,0875X14-0,9875003X23+0,3125001X24+3,0625X34;

  1. Сухое вещество (критерий Фишера Fp = 0,3610358)

Yсо=3,079374+0,016668X1+0,016668X2+0,050004X3+0,050004X4-

-0,1630964X11-0,630964X22-0,1630964X33-0,1630964X44-0,01875X12-

-0,05625X13-0,05625X14-0,05625X23-0,05625X24-0,01875X34;

  1. Время сбивания (критерий Фишера Fp = 24,28625)

Yвр=70,71301+1,1112X1+1,16676X2+1,16676X3-3,22248X4-4,055088X11-

-2,555088X22-4,555088X33-5,055088X44+1,4375X12-3,3125X13+2,1875X14-

-2,5625X23-0,0625X24+2,4375X34;

  1. Температуру (критерий Фишера Fp = 1,597947)

Yт=29,29355+0,16668X1-0,77784X2+0,38892X3+0,2778X4-2,797013X11-

-1,297013X22-1,797013X33-1,797013X44+0,375X14+0,375X23+0,25X24-0,5X34.

Масло, соответствующее действующим стандартам, было получено только в двух случаях из 25 опытов – при частоте колебаний 5 Гц и амплитуде 5 мм при объеме наполнения в 40…80% емкостей двух различных диаметров (табл.).

Таблица – Результаты планируемого эксперимента 24

№№

Жирность, %

Влага, %

Сухое вещество, %

Время сбивания, мин

Температура МЖС, 0С

51,9

46,2

1,9

62

21

50,9

46,6

2,5

52

23

49,9

47,6

2,5

60

19

49,3

48,2

2,5

62

24

77,3

20,2

2,5

33

24

47,5

50,0

2,5

68

19

52,7

44,8

2,5

57

23

50,2

47,0

2,8

61

22

50,1

47,4

2,5

55

23

73,9

23,6

2,5

45

21

52,5

45,0

2,5

55

23

49,9

47,6

2,5

58

21

54,5

43,0

2,5

56

21

52,1

45,4

2,5

54

24

48,7

48,8

2,5

61

22

48,7

48,8

2,5

52

24

49,7

47,8

2,5

57

23

49,1

48,4

2,5

58

22

49,3

48,2

2,5

60

24

55,1

42,4

2,5

58

24

54,9

42,6

2,5

56

25

54,5

43,0

2,5

58

22

54,1

43,4

2,5

57

25

55,9

41,6

2,5

56

22

54,9

42,6

2,5

55

24

Поскольку масло из масложировой смеси получается только при двух условиях, то получение уравнения регрессии не могут адекватно описывать процесс сбивания, что подтверждается отбрасыванием незначимых коэффициентов относительно критерия Фишера. Тем не менее, полученные результаты опытов (см. табл.) подтверждают теоретические положения.

При проведении исследований в производственных условиях была использована следующая комплектация установки: герметично закрывающаяся молочная емкость 35 литров,  резиновый  подвес,  динамик НХ-301, генератор Г3-36, усилитель 35У-102 (рис.9). Емкость крепилась к потолку помещения за резиновый подвес, а на ее дне был закреплен акустический динамик, соединенный с выходом усилителя, подключенного к генератору. Резиновый подвес позволял максимально полно использовать мощность динамиков, изолировав емкость от контакта с другими объектами.

В процессе испытаний емкость заполнялась на 25…60% от объема, и в течение 45…90 мин  производилось  сбивание  сливок  на  частоте колебаний 5 Гц при амплитуде 2 мм. Исследования в производственных условиях показали следующее. Полученное масло при 45…60-минутном сбивании МЖС соответствовало требованиям стандарта по основным качественным параметрам при условии заполнения сливками 25…30% от общего объема емкости; при заполнении емкости на величину 35…40% от общего объема качественные показатели масла снижались до уровня бутербродного, время увеличивалось до 80…90 мин; при заполнении емкости на 50…60% от общего объема качественные показатели масла переставали соответствовать требованиям стандартов; с увеличением времени сбивания сливок их температура возрастала с 14…16 0С до 22…24 0С, и требовалось дополнительное охлаждение.

Таким образом было установлено, что для снижения времени сбивания и повышения качества конечного продукта необходимо увеличить мощность сигнала, поступающего на акустический динамик, а также дополнительно охлаждать сбиваемую смесь при увеличении заполнения емкости свыше 40%.

С целью комплектования установки для сбивания масла в производственных условиях были выбраны генератор низкочастотных сигналовГ3-120 (диапазон частот5 Гц-500 кГц, 5 под диапазонов), усилитель мощности Cerwin-Vega CV-1800 (регулятор уровня с 21-ой позицией; мощность стерео  выхода 400 Вт - 8 Ом; 600 Вт - 4 Ом; 900 Вт - 2 Ом, мощность моновыхода1200 Вт - 8 Ом; 1800 Вт - 4 Ом, потребление тока при полной мощности при 4 Ом/8 Ом: 19,5A/9,5A), динамик P120/130LF (диаметр 305 мм, мощность 600 Вт, сопротивление 8 Ом). В качестве емкости для сбивания масла – герметично закрывающаяся пластиковый бидон, имеющий наружный диаметр, равный или больший диаметра динамика.


Рисунок 9 – Общая схема установки для сбивания масла:1 – генератор;

2 – усилитель; 3 – динамик; 4 – емкость; 5 – резиновый подвес

       

               В пятом разделе «Оценка экономической эффективности использования акустического маслоизготовителя» был выбран аналог, близкий по характеристикам к АМ.  При этом принималось во внимание, что экспериментальный МИ по своим характеристикам находится между маслоизготовителями и маслобойками: увеличением выходной мощности акустических динамиков АМ переводится в класс маслоизготовителей, снижением –маслобоек. Сравнение АМ проводилось с наиболее приемлемым по характеристикам для малого и среднего агробизнеса маслоизготовителемИПКС-030.Расчетная годовая экономия за счет внедрения акустического маслоизготовителя составляет 46736 руб., годовой экономический эффект 10630 руб., срок окупаемости капитальных вложений 1,1 года при годовом объеме переработки сливок 20000 кг.        

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

  1. Анализ конструкций маслоизготовителей, использующих в качестве рабочего органа виброприводы, показал, что используется только часть энергии генерируемых виброколебаний и полностью игнорируется их воздействие на жировые шарики. На основании этого был предложен способ и устройство для активации процесса сбивания масложировой смеси как снаружи (от колеблющейся емкости, в целом, и ее стенок, в частности), так и изнутри (от колеблющихся жировых шариков) за счет использования акустических сигналов низкочастотного диапазона, в том числе частотно- и/или амплитудно-модулированных.
  2. Получена аналитическая зависимость, связывающая амплитуду колебаний жирового шарика с частотой колебаний, временем сбивания и плотностью сливок, которая позволяет оценить амплитудно-частотные характеристики акустического маслоизготовителя для «бесконтактного» сбивания сливок и определить оптимальные режимы генератора колебаний. Расчетами показано, что оптимальные значения частот для сбивания масла – 2…5 Гц и 115…118 Гц, где наблюдается значительное увеличение амплитуды колебаний независимо от времени сбивания. Получена также аналитическая зависимость мощности акустического масло изготовителя от частоты и амплитуды колебаний, а также массы емкости со сливками.
  3. Лабораторными исследованиями доказана возможность использования низкочастотного акустического сигнала в качестве рабочего органа маслоизготовителя. При этом установлено, что с увеличением частоты колебаний интенсивность сбивания снижается вплоть до полного прекращения на частотах свыше 12 кГц. Показано, что оптимальной частотой колебаний является расчетное значение 5Гц, а рациональным диапазоном амплитуд – 2…5 мм (режимные параметры). При этом емкость для сбивания сливок должна быть герметизирована во избежание насыщения масложировой смеси воздухом, а ее оптимальная форма – цилиндр с соотношением диаметра к высоте 10:1 (конструктивные параметры).
  4. Производственные исследования показали, что масло, полученное при 45…60-минутном сбивании масложировой смеси на  частоте колебаний 5 Гц  и  амплитуде 2 мм, соответствовало требованиям стандарта по основным качественным показателями (жирность 74-78%; влага 20-24%, сухое вещество 2,5%) при условии заполнения сливками 25…30% от общего объема емкости. При заполнении емкости на 35…40% от общего объема качественные показатели масла снижались до уровня бутербродного, время увеличивалось до 80…90 мин. В случае заполнения емкости на величину 50% от общего объема качественные показатели масла переставали соответствовать требованиям стандартов, при этом с увеличением времени сбивания сливок их температура возрастала до 24 0С и требовалось дополнительное охлаждение. На основании результатов производственных исследований был подобран комплект установки для сбивания масла, содержащий генератор низкочастотный Г3-120, усилитель мощности Cerwin-Vega CV-1800, акустический динамик P120/130LF, емкость – герметично закрывающаяся пластиковая бочка, имеющая наружный диаметр, равный или больший диаметра динамика.

Расчетная годовая экономия за счет внедрения акустического маслоизготовителя составляет 46736 руб., годовой экономический эффект 10630 руб., срок окупаемости капитальных вложений 1,1 года при годовом объеме переработки сливок 20000 кг.        

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

  1. Лазуткина, С.А.Оценка амплитудно-частотных характеристик устройства для «бесконтактного» сбивания сливок / С.А. Лазуткина, А.А. Симдянкин, Е.Е. Симдянкина//Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2010. – № 9. – С. 43–44.
  2. Лазуткина, С.А.Анализ характеристик маслоизготовителя для «бесконтактного» сбивания сливок / С.А. Лазуткина, А.А. Симдянкин, Е.Е. Симдянкина//Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2012. – № 3. – С.55–56.

Патент на изобретение РФ

  1. Пат. 2446695 РФ, МКП А 01 J 15/10. Способ приготовления сливочного масла / А.А. Симдянкин, Е.Е. Симдянкина, С.А. Лазуткина. – № 2010112678/10; Заявлено 01.04.2010; Опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10.

Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций

  1. Лазуткина, С.А.Способы бактерицидной обработки молока/ С.А. Лазуткина //Инновации молодых ученых агропромышленному комплексу: сборник материалов НПК.–Пенза: РИО ПГСХА, 2007. – С.91–93.
  2. Лазуткина, С.А. Анализ конструкций маслоизготовителей /С.А. Лазуткина//Наука и молодежь: новые идеи и решения: сборник материалов IV международной НПК. – Волгоград: ИПК Нива ВГСХА, 2010. – С. 188–190.
  3. Лазуткина, С.А. Оценка возможности использования акустических волн в качестве рабочего органа маслоизготовителя /С.А. Лазуткина//Вестник Российского государственного агарного заочного университета. – Москва: РИЦ РГАЗУ, 2010. – № 8(13). – С. 95–98.
  4. Лазуткина, С.А. Оценка амплитудо-частотных характеристик маслоизготовителя «бесконтактного» типа / С.А. Лазуткина, Е.Е. Симдянкина // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: сборник материалов НПК МГУ им. Н.П.Огарева – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. – С. 116–122.
  5. Лазуткина, С.А. Лабораторные исследования маслоизготовителя, основанного на использовании волн акустического диапазона / С.А. Лазуткина // Вестник Российского государственного агарного заочного университета. – Москва: РИЦ РГАЗУ, 2010. – № 9(14). – С. 84-87.
  6. Лазуткина, С.А. Производственная проверка параметров маслоизготовителя для «бесконтактного» сбивания сливок / С.А. Лазуткина // Энергоэффективность технологии и средств механизации в АПК: сборник материалов международной НПК МГУ им. Н.П.Огарева – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2011 – С.113-115
  7. Лазуткина, С.А. Экспериментальное исследование маслоизготовителя для «бесконтактного» сбивания сливок / С.А. Лазуткина // Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: сборник материалов III международной НПК. – Ульяновск: УГСХА, 2011. – С. 262–267.

Подписано в печать  27.08.2012 г. Формат 6084/16.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 62

Отпечатано с готового оригинал-макета в мини-типографии.

Свидетельство № 5551.

440600, г. Пенза, ул. Московская, 74.







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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.