CC BY
52
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
УДК 621.926
Ульянов Борис Александрович,
д. т. н. профессор кафедры ХТТ Ангарской государственной технической академии, тел: (3955)52-23-88
Свиридов Дмитрий Петрович, старший преподаватель кафедры УАТ Ангарской государственной технической академии тел: (3955)52-23-88, 8-908-655-55-50, e-mail: dmitriy999@inbox.ru
Семенов Иван Александрович, к. т. н., доцент кафедры ХТТ Ангарской государственной технической академии, тел: (3955)52-23-88
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАВИТАЦИОННОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ МОЛОКА КЕДРОВОГО
D.P. Sviridov, I.A. Semenov, B.A. Ulyanov
USAGE OF CAVITATION GRINDING FOR CEDAR MILK PRODUCTION
Аннотация. Рассмотрена возможность промышленного производства кедрового молока. Предложена принципиальная технологическая схема производства и ее аппаратурное оформление.
Ключевые слова: измельчение, гомогенизация, центрифугирование, стерилизация.
Abstract. Possibility of the cedar milk industrial production was discussed. Production principal scheme was suggested.
Keywords: grinding, homogenization, centri-fugation, sterilization.
Процессы измельчения и диспергирования твердых материалов имеют большое значение в химической и пищевой промышленности. Благодаря диспергированию нерастворимых компонентов удается интенсифицировать целый ряд химических и массообменных процессов. В пищевой промышленности огромное количество продуктов получают в виде эмульсий и суспензий, что значительно повышает их усвояемость, позволяет хранить и потреблять эти продукты в однородном виде [1]. С древних времен было известно целебное действие молока из кедровых орехов. Современные исследования в области медицины подтверждают ценные свойства этого продукта, обладающего мощным лечебным и профилактическим действием. Однако промышленное производство его до сих пор не осуществлено из-за недостаточной изученности процессов тонкого измельчения и отсутствия соответствующих аппаратов. Решение этой задачи имеет большое практическое значение
для Восточно-Сибирского региона страны, располагающего большими запасами этого ценного сырья [2]. Производство кедрового молока включает в себя ряд стадий, связанных с измельчением исходного материала, сепарацией его и санитарной обработкой:
1. Дробление исходного материала до частиц размером 1,0 - 1,5 мм. Можно осуществлять с помощью стандартных измельчителей, изготавливаемых для пищевой промышленности.
2. Помол целесообразно осуществлять в водной среде, которая обеспечивает транспортировку материала и создает условия для кавитаци-онного воздействия на обрабатываемый материал. На этой стадии предпочтительным является использование гидродинамической кавитации.
3. Ультразвуковая обработка взвеси служит для тонкого измельчения частиц в условиях акустической кавитации.
4. Сепарация смеси служит для отделения частиц размером более 1,5 мкм и возврата их на повторное измельчение.
5. Стерилизация предназначена для выполнения санитарных норм и обеспечения продолжительного срока хранения продукта.
Получение кедрового молока предполагает использование дробилки, мельницы, мешалки, ка-витационного диспергатора, стерилизатора, упаковочного комплекса.
Нами разработана схема непрерывного процесса производства кедрового молока с измельчением твердой фазы в присутствии воды (рис. 1).
Дробление ядер
Вода
Помол
Склад Разделение скорлупы и ядер
сырья
Отвал
скорлупы
Ультразвуковой кавитационный помол
Дробление скорлупы
Не устойчивая система
Вода
Сепарация
Устойчивая система
Помол
Ультразвуковой кавитационный помол
Не устойчивая система
Смешивание
Сепарация
Стерилизация, Упаковка
Склад готовой продукции
Устойчивая система
Рис. 1. Схема получения молока кедрового с дроблением и помолом в присутствии воды
Со склада сырье подается на отделение ядра от скорлупы, эта операция необходима по следующим причинам. Во-первых, готовый продукт должен содержать только четвертую часть скорлупы, содержащейся в цельном орехе, и после стадии отделения три четверти скорлупы выводится с линии. Данное содержание скорлупы в молоке обосновано органо-лептическими показателями.
Во-вторых, совместное измельчение липи-дов и тканей скорлупы неизбежно повлечет их поглощение скорлупой, что в свою очередь повлечет снижение органолептических свойств продукта.
Измельчение скорлупы требует значительно больших затрат энергии, чем измельчение ядра, в связи с этим целесообразно раздельное их измельчение.
Также, измельчение скорлупы в чистой воде более эффективно, поскольку присутствие капель липидов приведет к нерациональному рассеиванию звуковой энергии.
Далее ядро и скорлупа отдельными потоками подаются на грубое дробление первой стадии измельчения, на которой их ткани обрушиваются до частиц размером не более 3 мм в поперечнике. Это необходимо для того, чтобы подготовить параметры измельчаемой массы к помолу. На стадии помола происходит измельчение частиц ореха до размеров, позволяющих обеспечить удовлетворительную стойкость дисперсной системы, то есть достаточно стойкой для ее транспортирования по трубопроводу. Помол осуществляется в присутствии воды, в соотношении 1 массовая доля ядра на 7 - 8 массовых долей воды, а скорлупа 1 к 5 - 6. Далее дисперсные системы направляются в уль-развуковой кавитационный измельчитель-диспер-
гатор для коллоидного помола. После чего оба потока перемешивают и молоко подается на стерилизацию и упаковку.
Измельчители, удовлетворяющие требованиям к измельченному ореху с частицами до 1,5 мм в поперечнике, широко представлены в современной пищевой промышленности.
Мельницы серии УИМ-2 или УИМ-2С (РФ) используются для измельчения широкого диапазона продуктов и материалов с различными свойствами: прочность, хрупкость, вязкость, жирность, волокнистость. Фракции измельчения, в среднем, от 20 до 8000 мкм (0,02 ^ 8 мм), в зависимости от вида продукта. Размер кусков сырья на входе до 25 мм.
Такие мельницы представляют собой дезинтегратор - устройство с четырьмя роторами различного диаметра, которые вставлены друг в друга по принципу «матрешки». Два ротора вращаются в одну сторону, а два - в противоположную. В стенках роторов выполнены отверстия. Частицы сырья поступают в центральную часть устройства (в ротор наименьшего диаметра). Под воздействием центробежных сил частицы проходят через отверстия в роторах к периферии. Во время движения частицы многократно соударяются с элементами ротора, друг с другом и измельчаются. В специальных мельницах используются износостойкие пластины, многократно повышающие стойкость измельчающих рядов.
На этой стадии измельчения может быть использована также высокоэффективная конусная дробилка HCS 90, выпускаемая компанией «Ли-мин» (КНР). В ней реализован принцип дробления и смятия между дробильными материалами. Этот
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
принцип обеспечивает высокую равномерность получаемой фракции. Форма получаемых частиц оказывается близка к равноосной и практически исключается игловидная форма измельченных частиц.
Наиболее сложной и энергоемкой стадией является измельчение твердых частиц и получение устойчивой суспензии. Выполненные нами исследования показали, что частицы размером ~ 1,5 мкм и менее, обеспечивающие кинетическую устойчивость взвеси, можно получить путем кавита-ционной обработки. Причем кавитационное измельчение целесообразно сочетать с механическим, приводящим к разлому частиц и образованию микротрещин.
Мы поставили перед собой задачу разработать аппарат для измельчения взвешенных в жидкости частиц различного происхождения с возможностью регулирования гранулометрического состава продуктов измельчения и с возможностью быстрой и легкой разборки для проведения регулярных профилактических работ. Рабочие органы аппарата должны препятствовать образованию заторов. Скорость движения взвеси в аппарате должна быть постоянной и достаточной для поддержания частиц во взвешенном состоянии. Измельчающие рабочие органы машины (ребра) должны быть оптимально приспособлены к измельчению частиц текущего размера.
Предлагаемое устройство состоит из конического ротора, состоящего из верхнего и нижнего конуса (рис. 2) [3], статора, также состоящего из верхнего и нижнего конуса, рамы, привода, картера, станции регулировки положения ротора относительно статора, штуцера ввода взвеси, штуцера вывода продукта измельчения, крепежа статора. При этом на рабочих поверхностях статора и ротора выполнены ребра.
Работа измельчителя осуществляется следующим образом. Включается привод 4, исходная взвесь подается в штуцер подвода сырья 7, которая далее движется вниз в зазоре между статором и ротором в зоне верхних конусов. Взвешенные частицы, попадая на ребра статора и ротора, разламываются, т. е. измельчаются механически. Далее взвесь движется в зазоре между статором и ротором в зоне нижних конусов, где высота ребер меньше, а линейная скорость ребер достигает значения, при котором возникает кавитация. Таким образом, в зоне нижних конусов измельчение идет как механически, так и за счет кавитации. Далее продукт измельчения поступает в картер, откуда отводится через штуцер отвода продуктов измельчения. При этом взвесь может двигаться внутри
аппарата за счет центробежных сил, развиваемых вращающимся ротором.
Рис. 2. Измельчитель конусно-кавитационный
При снятии крепежных болтов статора и ротора и подъеме статора открывается доступ ко всем рабочим частям измельчителя, что позволяет производить профилактические мероприятия.
Окончательное диспергирование частиц и получение устойчивой взвеси осуществляется в ультразвуковом лабиринтном гомогенизаторе [6]. Названный аппарат разработан нами для обработки молока кедрового ультразвуком. При этом предусмотрена возможность регулирования расхода обрабатываемой среды и регулирования времени воздействия облучения на обрабатываемую среду.
Крупные частицы, размер которых превышает 1,5 мкм, отделяются в центрифуге с регулируемым отбором продуктов разделения (рис. 3) [4] и возвращаются на стадию помола.
Мы поставили перед собой задачу разработать конструкцию центрифуги непрерывного действия для отделения из взвеси кедрового молока именно той фракции частиц, которая не соответст-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
вует условию устойчивости с соблюдением следующих требований:
1. Возможность регулирования фракционного состава продуктов разделения.
2. Возможность регулирования производительности аппарата.
3. Возможность быстрой разборки и сборки рабочих частей центрифуги для осуществления регулярных профилактических мероприятий.
4. Возможность регулирования фракционного состава продуктов разделения.
5. Возможность регулирования производительности аппарата.
6. Возможность быстрой разборки и сборки рабочих частей центрифуги для осуществления регулярных профилактических мероприятий.
V? ¥
' 4 1 Г
Рис. 3. Устройство клапанов отбора фракций (вид I с рис. 4)
Центрифуга снабжена приводом, позволяющим плавно регулировать частоту вращения рабочего барабана за счет плавного изменения частоты вращения электродвигателя, что позволяет регулировать производительность аппарата при различных расходах молока. При этом рабочий барабан снабжен регулируемыми клапанами отбора продуктов разделения 4 (рис. 3) которые обеспечивают регулируемую высоту отбора продуктов разделения и их расход. Это позволяет приспособить аппарат для работы с различным по составу молоком, причем рабочий барабан может быть снабжен двумя, тремя или более рядами указанных клапанов по числу фракций, которые необходимо отделить. При этом каждый ряд клапанов настраивается на отбор одной из фракций. Клапаны отбора продуктов разделения состоят из
корпуса 1, иглы 2 и контргаек 3. Контргайка иглы имеет коническую резьбу, а ответная резьба на корпусе имеет разрез для компенсации деформаций. Такое устройство клапанов позволяет плавно регулировать параметры отбираемых продуктов разделения и обеспечивает его надежную работу.
Работа центрифуги осуществляется следующим образом (рис. 4) включается электропривод 7, кедровое молоко подается от ультразвукового гомогенизатора в трубу подвода сырья 8, по которой оно движется к центру днища 15 рабочего барабана и попадает на ребра 14, посредством которых вовлекается во вращательное движение вместе с барабаном и прижимается центробежными силами к обечайке барабана, где начинается осаждение более тяжелых частиц и всплытие более легких фракций.
Под действием вновь поступающего от гомогенизатора молока массы взвеси движутся к верхней части барабана вдоль образующих цилиндра барабана. При этом скорость вращения барабана такая, что нижний слой движущейся массы, обогащенной тяжелыми фракциями, не будет смешиваться с верхним слоем, обогащенным легкими фракциями. В верхней части барабана расположены клапаны отбора тяжелых и легких фракций. Возможна установка дополнительных рядов клапанов отбора промежуточных фракций. Предусмотрена возможность настраивать желаемую высоту отбора необходимой фракции вращением корпуса клапана в резьбовом отверстии обечайки. Во время работы центрифуги массы, обогащенные легкими фракциями, сливаются в отверстия клапанов, находящиеся на более высоком уровне, а массы, обогащенные более тяжелыми частицами орехов, сливаются в отверстия клапанов, расположенные на более низком уровне. При настройке сливных клапанов необходимо установить желаемый расход каждой фракции, вращая иглы 2 (рис. 4, 5), прикрывая или открывая этим отверстие канала в корпусе клапана.
Приемные камеры продуктов разделения снабжены быстросъемными эксцентриковыми затворами, предназначенными для быстрого и легкого отъема названных камер для доступа к частям центрифуги, требующим регулярной промывки и стерилизации.
Таким образом, сочетая вышеуказанные способы регулировки клапанов с регулировкой частоты вращения барабана и расходом сырьевой взвеси молока, можно настроить центрифугу на работу с желаемой производительностью и необходимым гранулометрическим составом каждой отбираемой фракции.
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Рис. 4. Центрифуга с регулируемым отбором продуктов разделения
5 10
и ]у±
Рис. 5. Стерилизатор барабанный
В устройствах для стерилизации жидкостей облучением ультрафиолетовыми лучами в тонкой пленке, известных ранее, основной причиной недостаточной стерилизации всего объема жидкости является сравнительно большая толщина текучей пленки жидкости. Текучая пленка жидкости предполагает наличие в ее толщине, по крайней мере, нескольких элементарных слоев жидкости, способных двигаться самотеком, преодолевая силы вязкости за счет силы гравитации. Поэтому излучение может не достигать нижних слоев движущейся пленки, в результате чего не обеспечивается стерилизация нижних слоев жидкости.
Для осуществления низкотемпературной стерилизации кедрового молока нами была поставлена задача разработать аппарат для стерилизации непрозрачного продукта облучением ультрафиолетовыми лучами, с гарантированным и равномерным облучением всего объема обрабатываемой жидкости, при температуре, не допускающей деструкцию ингредиентов молока, что очень важно для его белковых и других структур.
Нами предложено устройство (рис. 5) [5], состоящее из барабана-носителя 1, желоба 2, корпуса 3, штуцера ввода нестерильной жидкости 4, штуцера отвода стерильной жидкости 5, резервуара для нестерильной жидкости 6, резервуара для стерильной жидкости 7, источников стерилизующего излучения 8, ножа съемника 9, ножа распределителя 10.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Молоко кедровое подводят в резервуар 6 через штуцер 4. Уровень жидкости поддерживается на высоте, достаточной для смачивания обечайки барабана 1. Барабан 1 вращается приводом (на рисунке условно не показан). Обечайка и борт барабана 1 смачиваются жидкостью, находящейся в резервуаре 6, которая образует текучую пленку. Жидкость двигается вместе с барабаном в сторону ножа распределителя 10, за счет которого снимаются излишки взвеси и сливаются по ножу 10 обратно в резервуар 6.
Оставшаяся тонкая нетекучая пленка жидкости, находясь на обечайке барабана 1, проходит под источниками ультрафиолетового облучения, за счет которого и происходит стерилизация молока. Достигнув ножа съемника 9, взвесь снимается с обечайки барабана и по этому же ножу стекает в резервуар для стерильной жидкости 7. Желоб 2 не позволяет жидкости, находящейся на торцах и бортах барабана, сливаться в резервуар для стерильного молока 7, а направляет ее в резервуар для нестерильной жидкости.
Для исключения окислительных реакций аппарат может продуваться инертным к кедровому молоку газом. Изменяя скорость вращения барабана, можно регулировать толщину пленки жидкости и производительность аппарата.
Таким образом, предложенный нами стерилизатор позволяет решить поставленную нами задачу о низкотемпературной стерилизации кедрового молока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Агранат Б. А., Башкиров В. И. Ультразвуковая технология // М. : Металлургия, 1974. 504 с.
2. Азаров Б. М., Васильев А. А., Будаев Ю. С. Пищевая ценность ореха кедра сибирского и направления его использования в кондитерской и хлебопекар-
ной промышленности // Биохим. и технолог. процессы в пищевой промышленности. Улан-Удэ, 1985. С. 48-53.
3. Пат. 2329867 RU С2, МПК В 02 С 2/10. Измельчитель
конусно-кавитационный / Свиридов Д. П., Ульянов Б. А., Сучков Д. Н., Кущин А. А. 2008, Бюл. №21.
4. Пат. 2322306 ЯИ С2, МПК В 04 В 11/00. Центрифуга с регулируемым отбором продуктов разделения / Свиридов Д. П., Ульянов Б. А., Сучков Д. Н., Кущин А. А. 2008, Бюл. № 11.
5. Пат. 2328311 ЯИ С2, МПК А 61 Ь 2/08. Стерилизатор непрозрачных и других жидкостей в ультратонкой пленке барабанный / Свиридов Д. П., Сучков Д. Н., Кущин А. А. 2008, Бюл. № 19.
6. Патент 2325231 ЯИ С2, МПК В 02 С 19/18. Гомогенизатор ультразвуковой лабиринтный / Свиридов Д. П., Ульянов Б. А., Сучков Д. Н., Кущин А. А. 2008, Бюл. № 11.
УДК 62-752 Говердовский Владимир Николаевич,
кафедра технологии транспортного машиностроения и эксплуатации машин, Сибирский государственный университет путей сообщения тел.: (383) 328-0427, 8-905-951-9880; e-mail: vova57ng@yahoo.com
Бабенков Владимир Валерьевич, Западносибирская дирекция по ремонту тягового подвижного состава, г. Новосибирск
Говердовский Павел Владимирович, Кафедра технологии транспортного машиностроения и эксплуатации машин, Сибирский государственный университет путей сообщения тел.: (383) 328-0427, 8-905-951-9880; e-mail: vova57ng@yahoo.com
Смородин Юрий Николаевич, Западносибирская дирекция по ремонту тягового подвижного состава, г. Новосибирск
Трофимов Андрей Николаевич, Кафедра технологии транспортного машиностроения и эксплуатации машин, Сибирский государственный университет путей сообщения тел.: (383) 328-0427, 8-905-951-9880; e-mail: vova57ng@yahoo.com
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ВИБРОЗАЩИТНЫХ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
V.N. Hoverdovsky, V. V. Babenkov, P. V. Hoverdovsky, U.N. Smorodin, A.N. Trofimov
RAILWAY ROLLING STOCK VIBRATION PROTECTING SYSTEMS STRUCTURAL SYNTHESIS
Аннотация. Рассматривается метод структурного синтеза элементов многокаскадных виброзащитных систем объектов обычного и скоростного подвижного состава. Сущность метода заключается в наслоении избыточных кинематических цепей и механизмов, способных генерировать свойство «отрицательной» жестко-
сти. Эффективность метода иллюстрируется применительно к синтезу подвесок для сидений операторов. Обсуждается возможность применения метода к задачам совершенствования современных и создания перспективных подвесок локомотивных и вагонных тележек.
