CC BY
404
УДК 664.1.002.5:621.9
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В СВЕКЛОСАХАРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
В.Б. Морозов
Всесторонне проанализирован процесс резания в стружку свёклы в сахарном производстве.
Ключевые слова: свекловичная стружка, резание, причинно-следственная диаграмма, технологические системы, свеклосахарное производство.
Для извлечения сахара из свёклы диффузионным способом её необходимо измельчить в стружку. Стружку из свекловичных корней получают на свеклорезках при помощи ножей, установленных в специальные рамы. Поскольку изрезанная свёкла поступает далее в экстрактор, где из неё извлекается сахар с использованием процесса диффузии, ножи свеклорезок также называют диффузионными [5-7].
Производительность диффузионной установки и содержание сахара в обессахаренной свекловичной стружке в большей степени зависят от её качества.
Одним из параметров, определяющих качество свекловичной стружки, является её форма. На рис. 1 [4] показаны схемы получения свекловичной стружки различной формы. Форму стружки выбирают в зависимости от качества сырья и типа используемых диффузионных аппаратов. Здоровую неповрежденную свеклу изрезывают в мелкую ромбовидную или квадратную стружку, подмороженную и подгнившую - в толстую ромбовидную, квадратную или рифленую пластовидную стружку.
Рис. 1. Схема получения свекловичной стружки разной формы: а - желобчатой; б - пластинчатой; в - ромбовидной;
К/ ЧУ \ ЧУ \ к/
г - мелкой пластинчатой; д - мелкой ромбовидной; е - рифлёной пластовидной
Оптимальной для экстрагирования является стружка ромбовидного или квадратного сечения, которая отличается от пластинчатой повышенной скоростью обессахаривания, большим сопротивлением изгибу и проницаемостью в слое. При получении этих форм стружки меньше образуется брака, чем при желобчатой и пластинчатой.
Рядом учёных рассматривался вопрос о рациональной форме стружки, опираясь на известную теоретическую зависимость кинетики экстракции сахара от пространственных факторов. Экспериментальное исследование кинетики обессахаривания стружки в слое при изменении соотношения сторон показало, что максимальный темп экстракции наблюдается у стружки квадратного (ромбовидного) сечения, а его снижение с переходом к более тонким пластинам опережает теоретическую зависимость. Это объясняется значительным ухудшением гидродинамической обстановки в слое стружки, ведущей к уменьшению коэффициента массоотдачи тем большему, чем тоньше стружка. Из этого следует, что целесообразно использовать стружку квадратного (ромбовидного) сечения.
Толщина нормальной стружки определяется конструктивно. Её поверхность должна быть гладкой, без трещин. Слишком тонкая стружка нежелательна, так как она деформируется, сбивается в комки и ухудшает циркуляцию диффузионного сока в диффузионных аппаратах.
Качество свекловичной стружки принято определять её длиной в метрах в навеске массой 100 г. Для этого стружку раскладывают на специальной доске с канавками. Короткие части стружки (меньше 1 см), пластинки гребешков и тонкую просвечивающуюся стружку независимо от её длины на доске не раскладывают и считают браком. Количество брака должно быть по возможности меньшим. Масса брака в хорошей свекловичной стружке не должна превышать 3 % массы свёклы.
Такое определение качества не полностью характеризует качество свекловичной стружки и качество установки ножей в рамах. Качество стружки следует характеризовать не только длиной и количеством брака, но и степенью её однородности по толщине. Хорошим показателем может быть проницаемость слоя стружки при определенной температуре и давлении на её слой.
В Швеции для оценки качества стружки применяют так называемый шведский фактор, который представляет собой отношение массы стружки длиной более 5 см к массе стружки длиной менее 1 см в навеске массой 100 г. Хорошей считается стружка, для которой шведский фактор превышает 10 [7].
Однако для оценки качества стружки необходимо, главным образом, учесть все аспекты, влияющие на процесс резания. Процесс измельчения свёклы в стружку зависит от многих факторов, представленных на рис. 2.
Характеристики Конструкт ивнье
сьрья особенности
Процесс резания свёклы в сгружку
Рис. 2. Причинно-следственная диаграмма процесса резания
Влияние сырья на процесс резки. В процессе резки основное воздействие оказывает качество плодов. Значимым фактором его качества являются биологические данные, заложенных селекционерами в семени: от них напрямую зависит всхожесть и дальнейшее развитие корнеплодов [3].
В период роста и развития плода значительное влияние оказывают климатические условия и уход, формирующие физико-химические свойства сырья: состав, строение, упругость поверхности, и т.д., задают геометрические параметры плодов - их размер и форма. Эти свойства влияют на возможность автоматизированного сбора свёклы с поля и дальнейшего её использования на производстве.
Так же следует обратить внимание на соблюдение правил хранения, поскольку от этого зависит сохранение сочности сырья. Сочные плоды обеспечивают наибольший выход свекловичного сока и требуют меньших усилий для измельчения в стружку.
Влияние степени загрязнённости сырья на резку. Загрязнения делятся на три группы - лёгкие (ботва, свекловичный бой), средние (почва, песок) и тяжёлые (камни, ферритные включения). При поступлении в свеклорезку плохо очищенных плодов портятся ножи. Происходит это при забивании ножей волокнами свёклы и зелёными примесями или при соударении ножа и более твёрдого тела. В конечном итоге ножи приходят в негодность и требуют замены. К примеру, проросшие плоды значительно менее упругие, образуют при измельчении мезгу и портят ножи, подмёрзшие обладают повышенной хрупкостью, что приводит не к нарезке плодов, а к разламыванию и засорению ножевых рам бракованной недорезанной, изломанной стружкой и увеличенному выходу мезги
Влияние конструктивных особенностей на резку. Огромное значение для качества стружки имеют конструктивные особенности измельчающих устройств. В настоящее время предпочтение отдается центробеж-
ным свеклорезкам, обладающим высоким качеством измельчения и возможностью замены ножей без остановки всего процесса.
От качества ножей зависит качество готовой стружки. Важным является угол взаимного расположения ножевых кромок, качество стали, квалитет точности деталей и погрешности при монтаже ножевых рам.
Число ножей, устанавливаемых в рамах, рассчитывается из соображений скорости нарезки, зависящей от частоты взаимного соприкосновения поверхности свёклы и ножа, в результате которого и образуется стружка. Частота соприкосновения может быть искусственно увеличена с помощью применения «улиток», откидывающих свекольную массу на ножи, или при изменении коэффициента загрузки, что отразится на скорости образования стружки. От неё будет зависеть качество нарезки и количество брака: недорезанной или изломанной в мезгу стружки
Влияние функциональных особенностей на резку. На процессе резания сказывается выбор оптимального температурного режима - слишком холодная свёкла будет ломаться при резании с образованием мезги, а горячая потеряет упругость, увеличит процент клеток паренхимной ткани, раскрытых при непосредственном контакте с ножами во время резания, что повлечёт за собой увеличение количества несахаров в диффузионном соке. Кроме того, части менее упругих плодов будут застревать между ножами, значительно сокращая срок службы ножа.
При измельчении свёклы в центробежных, дисковых и барабанных свеклорезках важной характеристикой является частота вращения рабочего органа (улитки, диска и барабана соответственно), в иных конструкциях помимо угловой скорости важными являются уровень заполнения сырьём оборудования, равномерность такого процесса и пр. В зависимости от задаваемых технологических параметров, можно выделить некоторые оптимальные значения работы оборудования, которые определены либо экспериментально, либо рассчитаны в рамках инженерных задач. Получаемое при этом качество свекловичной стружки напрямую зависит от назначаемых и задаваемых технологических параметров.
В настоящее время применяются свеклорезки, не полностью использующие своё рабочее пространство: как правило, нагружается верхняя часть устройства, в то время как нижняя часть почти не используется в процессе. Снижение коэффициента загрузки приводит к неравномерности износа режущих поверхностей и быстрому выходу из строя ножевых рам.
Производственная оценка показывает, что наиболее важным, слабоуправляемым на участке измельчения является засорённость свёклы примесями и её качество.
Процесс резания влияет на последующие процессы сахарного производства, обеспечивая сырьём дальнейшие его этапы, зависящие от того, насколько качественна была изготовлена стружка и какой процент от общей массы свёклы попал в брак. Резка в стружку является причиной каче-
ственного выполнения последующих операций (рис. 3) [1, 2].
Рис. 3. Схема влияния процесса резания на последующие операции
Влияние на диффузионный процесс. Процесс резания определяет геометрические характеристики стружки, что напрямую влияет на равномерность и скорость протекания диффузии: чем больше площадь контакта свекловичной массы с водой, тем выше скорость реакции при одинаковой температуре. Однако от качества нарезки зависит максимальная температура, которую можно применить к стружке до начала денатурации белка и смещения сахарозы внутрь клетки под действием встречной термодиффузии.
Качество результатов процесса резки влияет на чистоту диффузионного сока от несахаров - они удерживаются в клеточных стенках. В этом преимущество экстракционного процесса обессахаривания перед применявшимся ранее прессовым способом, при котором свёклу полностью истирали и отфильтровывали сок.
Однако эффективность очистки диффузионным методом колеблется в интервале 8...12 %, что оставляет пути для совершенствования процессов получения сахара.
Выработка жома. Процесс резания оказывает большое влияние на количество побочного продукта сахарного производства - жома. Фактически, в состав жома должна попасть вся изрезанная мякоть свёклы, но практика показывает несовершенство резания - значительная часть стружки переходит в мезгу, образующую при прессовании и сушке не жом, а пыль, являющуюся опасным фактором производства. Пылеобразование, связанной с сушкой слишком тонкой стружки или мезги зависит в первую очередь от процесса резки.
Следует отметить экономический эффект - жом является вторичным при производстве, но также находит своё место на рынке и делает сахарное производство почти безотходным. Таким образом, необходимо
218
применять все меры по увеличению выхода жома, не ухудшающие качество и количество основного продукта - сахара, в том числе и максимальное использование потенциала процесса резки.
Важны энергосбережение и экономия воды, поэтому необходимо оценить зависимость потребления энергии от качества резки. Увеличение размера стружки влечёт за собой снижение затрат на измельчение отдельно взятого корнеплода, однако снижает при равных прочих условиях количество сахарозы, экстрагированной из полученной стружки. Компенсировать потери можно продлением процесса диффундирования, но это повлечёт новое увеличение затрат электроэнергии, воды и очищающих диффузионный сок компонентов, поэтому требуются практические эксперименты для установления зависимости затрат от параметров стружки, в т.ч. геометрических размеров.
От качества стружки и количества брака напрямую зависит скорость засорения фильтров, запрессовывания стружки в ситах диффузионного аппарата. В связи с этим повышаются требования к контролю процесса производства, внедряется дополнительный человеческий труд. Рациональнее добиться такого качества стружки, при котором трудоёмкость будет снижена и человеческое вмешательство будет минимальным
Таким образом, резание свёклы в стружку на сахарном производстве, не смотря на промежуточный характер операции, является важным при влиянии на дальнейшие операции и самостоятельно определяется широким спектром причинно-следственных связей.
Список литературы
1. Морозов В.Б. Комплексная безопасность в пищевых и перерабатывающих производствах: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 108 с.
2. Морозов В.Б. Комплексная безопасность как элемент качества в пищевых и перерабатывающих производствах // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 258-264.
3. Морозов В.Б. Растениеводческое сельскохозяйственное сырьё пищевых и перерабатывающих производств: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 92 с.
4. Морозов В.Б. Технологические системы подготовки и переработки сырья свеклосахарных производств: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 96 с.
5. Общая технология сахара и сахаристых веществ: учебник для вузов / А.Р. Сапронов [и др]. М.: Пищ. пром-сть,1979. 464 с.
6. Сапронов А.Р. Технология сахарного производства: учебник для вузов. М. : КолосС, 1999. 495 с.
7. Технологическое оборудование сахарных заводов: учебник для вузов / Гребенюк С.М. [и др.]. М.: КолосС, 2007. 520 с.
Морозов Владимир Борисович, канд. техн. наук, доц., qtay@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL OPERA TION OF CRUSHING IN SUGAR
PRODUCTION FROM A BEET
V.B. Morozov
Аnalysis chopping beet chips in sugar production
Key words: beet shaving, cutting, diffusion, power efficiency, technological systems, production of sugar, experiment
Morozov Vladimir Borisovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.001.2
ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ КЛАССИФИКАТОРА ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ КАК ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР
О.Ф. Валеев, Э.Г. Зарифуллина, О.В. Малина
Процесс выполнения структурного синтеза методом комбинаторного перебора оперирует множеством признаков и значений признаков класса синтезируемых объектов. Статья посвящена рассмотрению подходов к построению классификатора объектов машиностроения в качестве основы информационного обеспечения систем автоматизированного проектирования, выполняющих структурный синтез сложных объектов.
Ключевые слова: конструирование, классификация, классификатор, САПР (системы автоматизированного проектирования), структурный синтез, декомпозиция, характеризация.
Процесс конструирования в системе автоматизированного проектирования может быть реализован путем решения задачи прямого синтеза, то есть последовательной реализации проектных расчетов, существующих в данной предметной области, либо путем решения задачи выбора, то есть нахождению конструкции, удовлетворяющей техническому заданию [1].
Решение первой задачи для большинства областей машиностроения нереализуемо вследствие отсутствия предметных алгоритмов, позволяющих формализовать процесс конструирования от начала и до конца при
