CC BY
12
Preis Vladimir Viktorovich, doctor of technical science, professor, manager of chair, rabota-preys@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khachaturian Alyona Vadimovna, postgraduate, elen-davidova@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 664; 621.01
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ПОДДЕРЖКА ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТОЛЩИНЫ СТРУЖКИ СЫРЬЯ
СВЕКЛОСАХАРНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Т.Г. Морозова
Представлен эксперимент по экстракции сахаров из свекловичной стружки путем проведения лабораторного извлечения их из измельчённых плодов. Проведён анализ результатов. Осуществлён анализ технологических подходов к измельчению . Представлен вариант модернизации узла свеклорезки для обеспечения регулирования получаемой величины толщины стружки.
Ключевые слова: свекловичная стружка, толщина, резание, свеклорезка, эксперимент, совершенствование оборудования, экстракция сахара.
Важной задачей энергоэффективного производства сахара из отечественного сырья является комплексное требование максимального извлечения сахаристых веществ из технологического сырья при минимальном загрязнении экстрактов несахарами [1]. Решение такой задачи лежит в двух плоскостях: технологической -определение входных параметров технологии; и технической - конструктивная реализация таких параметров используемым технологическим оборудованием.
Как известно, извлечение сахаров обеспечивается посредством их экстракции (диффузии) в жидкий растворитель из измельчённого до установленного уровня толщины сырья. Для резания используется разнообразное отечественное и зарубежное технологическое оборудование. Логически определённая минимальная толщина стружки ограничивается техническим возможностями применяемых устройств, экономической целесообразностью и загрязнением сахаросодержащего раствора твёрдыми включениями сырья. В свою очередь - большие величины толщин не позволяют иметь высокий коэффициент полезного действия процесса.
Целью работы является определение оптимальных величин толщин стружки сахарной свёклы, получаемой резанием плодов для последующей операции экстракции (диффузии) [5] и разработка технического решения, обеспечивающего эффективное формирование рекомендованных толщин.
В качестве объектов исследования выступают:
- толщина стружки (мм) плодов сахарной свёклы, получаемой резанием;
- технические устройства измельчения и их элементы, обеспечивающие автоматизированный процесс резания.
В качестве подхода к определению эффективных значений величины толщины свёклы проведён комплексный эксперимент.
В актуальной литературе рекомендуется значение толщин 0,5... 1,0 мм. Однако производственные реалии рекомендуют интервал значений 4.6 мм. Исходной температурой экстракции принято значение 75 оС.
Сформирован и реализован алгоритм экспериментальной экстракции стружки толщиной 0,5, 0,75, 1,0, 1,25 и 4 мм при общей массе однократной навески 100 г. Измельчение осуществлялось лабораторной ломтерезкой.
Предварительно сырьё - сахарная свёкла (источник - Краснодарский Край, Староминский и Ленинградский районы) проходила тщательную мойку, удаление розетки, частичную органолептическую оценку.
Для заданного размерного ряда толщин устанавливалась длительность экспериментальной экстракции в пределах 30, 45 и 60 мин.
В качестве операции разрушения плотной структуры поверхности стружки, уравнивания температур предварительно к экстракции, формирования светлой гаммы сока проводилось ошпаривание [3] водой при температуре 100 0С.
Реализован экспериментальный подход к обеспечению светлой световой гаммы раствора для дальнейшей репрезентативной процедуры контроля качества [7] полученного сахаросодержащего раствора. В качестве реагента применена нейтральная к сахару лимонная кислота. Так процесс сахарометрии осуществлялся с применением оптических методов (Сахариметр СУ 4). Принцип его действия основан на поляризации света при нахождении в сахаросодержащем растворе. Однако возможная дополнительная мутность раствора приводит к значительным оптическим преградам для прохождения луча света. Описанный подход позволит избежать такого негативного явления, сохранив репрезентативность определяемого сахаросодержания.
Диффузионный процесс проведен в экспериментальных установках, позволяющих в условиях герметичности и отсутствия теплопотерь, обеспечить многократное соприкосновение стружки и экстрагирующего раствора. Принцип экстрагирующего воздействия реализован в работе конструкции сходной с работой смесителя принципа «пьяной бочки». Термостатирующая составляющая обусловлена достаточно большим временным интервалом длительности экспериментальной экстракции, достигающей в пределе 1 часа.
Отбор и подготовка проб проводились по разработанным процедурам статистического контроля нештучной продукции с применением инновационных подходов [6]. Был организован десятикратный отбор мгновенных проб, которые формировали объединённую пробу. Такой подход усреднял материал относительно разных точек пробоотбора. В свою очередь, испытуемые порции для сахарометрии формировались пятикратно для обеспечения репрезентативности итоговых значений контролируемых параметров.
Исследование проведено в период интенсивной переработки плодов сахарной свёклы в южных и юго-восточных регионах страны - осенью, с использованием имеющихся мощностей лабораторного комплекса кафедры «Технологические системы пищевых, полиграфических и упаковочных производств» Тульского государственного университета.
Проведённый анализ механики процесса изрезывания и соответствующего технических устройств позволил сформировать основной направление конструктивного совершенствования - возможность технической реализации вариативности геометрических параметров стружки, в частности, её толщины при функционировании свеклорезок. Далее было предложено техническое решение в рамках модернизации имеющихся практик инструментального измельчения плодов свёклы.
Реализация описанного алгоритма была организована по двум вариантам функции, определяющей сахаросодержание. Аргументом выступали либо ряд толщин стружки, либо длительность процесса экстракции, причём дискретными вариантами являлись одни относительно других.
Проводилась оценка содержания сахара (%) в полученном растворе при каждой из установленных толщин стружки в зависимости от длительности операции экстракции. Общие результаты и их графические отображения приведены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1
Сахаросодержание в экстракционном растворе
в зависимости от длительности диффузии (%)
Толщина стружки, мм Время диффузии, мин
30 45 60
0,50 25,72 21,64 23,54
0,75 22,89 25,94 26,64
1,00 20,28 20,34 30,65
1,25 16,68 20,11 20,98
35 30 £ 25
Ц 20
0
1 15
Л
ТО
<3 10
5 0
30
45
■0,75 мм ■
60 ■1,25 мм
^ мин
Рис. 1. Сахаросодержание в экстракционном растворе в зависимости
от длительности диффузии
Анализ результатов проведённого эксперимента указывает на то, что при увеличении временной протяженности экстракции сахаров процент его содержания в экстрагирующем растворе растёт. Сравнение значения прироста таких показателей относительно начальной (минимальной) величины продолжительности экстракции показывает рост значений в величинах +4,58 % и +21,20 %.
Далее представлена оценка содержания сахара (%) в полученном растворе для различной длительности процесса в зависимости от значения толщины экстрагируемой стружки. Общие результаты и их графические отображения приведены табл. 2 и на рис. 2.
0,5 мм
1 мм
Таблица 2
Сахаросодержание в экстракционном растворе
в зависимости от толщины стружки (%)_
Длительность диффузии, мин Толщина стружки, мм
0,50 0,75 1,00 1,25
30 25,72 22,89 20,74 16,68
45 14,98 16,61 13,93 12,36
60 23,54 26,64 30,66 20,98
Обработка результатов эксперимента (см. табл. 2) указывает на переменный характер содержания сахара в растворе. Используя аналогичное сравнение прироста показателей, интерпретирован следующий ряд: +6,25 %, +1,07 %, -21,17 %.
Обобщённое объяснение доказывает утверждение, что при меньшей толщине экстракция осуществляется лучше за счёт большего коэффициента полезного действия проникновения экстрагирующего растворителя в толщу свекловичной стружки.
5---------
0 -I--------
0,5 0,75 1 1,25
Толщина стружки, мм
— — 30 мин-45 мин - - - -60 мин
Рис. 2. Сахаросодержание в экстракционном растворе в зависимости
от толщины стружки
Исходя из результатов эксперимента, представленного в табл. 2.1 и 2.2 можно утверждать, что процент экстрагированного сахара в растворитель выше при меньшей толщине стружки и/или большей продолжительности процесса экстракции является наиболее эффективным (большим). При этом общая оценка указывает на величину толщины стружки сахарной свёклы 1 мм при условии статистической погрешности результатов.
Однако для реального свеклосахарного производства величина толщины стружки в 1 мм является сложной технологической задачей. Это связано с рядом ограничений технического характера. Так, подобного размера стружка обладает дополнительным эффектом скручивания в результате температурного воздействия при экстракции, что снижает величину полезной площади контакта стружки с экстрагирующим раствором, ростом объёмного количества мезги (разрушенной стружки), загрязняющей экстракционный раствор, технологической сложностью нарезки величины толщины в 1 мм в условиях высокопроизводительного оборудования массового перерабатывающего производства.
Дополнительно проведена оценка экстракции сахаров из стружки толщин 1 и 4 мм. Для этого были определены величины сахаросодержания в экстракторе по аналогичным описанным выше процедурам эксперимента. Результаты представлены в табл.3.
Таблица 3
Оценка усреднённых значений сахаросодержания_
Параметр Длительность, мин
30 45 60
Толщина стружки, мм 1 22,74 24,96 22,13
4 22,24 24,85 24,09
Относительное изменение, % - 10,11 - 0,44 + 8,86
Среднее изменение, % - 0,56
Таким образом, величина разницы в отдаче сахара в среднем входит в интервал статистической погрешности, что даёт право делать вывод о незначительной расхождении в эффективности экстракции большего размера толщины стружки по сравнению с установленной ранее величиной. При этом обеспечивается более качественная и эффективная процедура измельчения плодов свёклы в производственных возможностях и масштабах.
Анализ технологических подходов к измельчению указывает на 3 варианта относительного движения плода и режущего инструмента (рис. 3).
При реализации варианта на рис. 3, а плоды изрезываются в статическом состоянии за счёт собственного потока и/или веса - дисковые свеклорезки. Когда статичны режущие устройства (рис. 3, б), плоды свёклы разгоняются по ним и измельчаются - центробежные свеклорезки. Вариант рис. 3, в, комбинирует оба подхода -барабанные свеклорезки. Если последние, с точки зрения производственников являются наиболее эффективными, то центробежные наиболее распространены и обладают широкой доступностью расходных элементов. Общая простота конструктивных элементов и исполнения дисковых свеклорезок, в целом, характеризуют их использование в качестве прототипов для большинства имеющихся бытовых устройств.
В наиболее распространённых конструкциях (рис. 4) изрезывание происходит за счёт движения плода по ножу (2) и/или ножа по плоду, причём нож фиксируется на раме 1 и планкой 3. Толщина стружки обеспечивается проходным отверстием, формируемым ножом в комплекте с планкой 3 [4]. Плотно прижатый к ножевой раме плод срезает с себя определённого размера слой - стружку, который далее отводится по соответствующим технологическим каналам как в воздушной, так и в жидкостной системах. Однако такая конструкция обладает недостатком вариативной эксплуатации, обслуживания и как следствие, сложностью обеспечения разного геометрического размера требуемой толщины свеклосахарной стружки. При технологической перестройки оборудования требуется фактически полная замена ножей на аналоги требуемой конфигурации и, в целом, системы крепления.
а б в
Рис. 3. Варианты относительного движения плода (П) и режущего устройства (РУ): а — подвижное РУ и неподвижный П; б — неподвижное РУ и подвижный П;
в — подвижные РУ и П
3 — планка; 4 — задерживающая планка
Предложен авторский вариант (рис. 5) с регулировочным винтом 4 [2]. Его регулировка позволяет обеспечивать широкий диапазон толщины получаемой стружки, в т.ч. рекомендуемой величины в 4 мм. Данная конструкция более эффективна и характеризуется универсальностью, так как позволяет без разборки ножевой рамы и замены ножа осуществлять регулировку.
405
Для этого используется составная планка, снабжённая регулировочным винтом со свободным доступом для регулировки. Используя его, можно менять не нож в ножевой раме, а второй элемент формирования щели, добиваясь нужного проходного размера.
Рис. 5. Ножевая рама свеклорезки: 1 — ножевая рама; 2 — нож; 3 — планка;
4 — регулировочный винт; 5 — регулятор винта; 6 — задерживающая планка
(принципиальная схема)
Описанный вариант удобен для вариативного регулирования размера толщины стружки для большого числа свекловичных ножей в одной конструкции, эффективно модернизируя имеющиеся технические решения.
Для предложенного варианта модернизации, проведён прочностной расчёт и оценка надёжности конструкции, подтвердившие целесообразность её применения в технологической практике. При условии некоторого роста материалоёмкости конструкции, в целом, его масса значительно не меняется, а функциональность положительно растет. Так подтверждено увеличение производительности центробежной свеклорезки с описанным вариантом ножевых рам на 14 % по сравнению с традиционным техническим исполнением, причём, в таких условиях, гарантированно превышение требуемого усилия резания на плод в средних значениях на величину 14,7 %.
Таким образом, проведённое экспериментальное исследование свидетельствует об утверждении, что качественный процесс сахароотдачи при его экстракции из сахарной свёклы происходит при меньших толщинах стружки и большей длительности диффузии. Однако статистическая оценка показывает допустимость и производственную эффективность величины 4 мм вместо рекомендуемого 1 мм. При этом предложен вариант конструктивного исполнения свеклоизмельчительного устройства для обеспечения полученной величины толщины стружки. Проведённая конструктивная оценка производительности и надёжности конструкции, в целом, подтвердила целесообразность использования представленной технической модернизации при условиях повышения производительности и гарантия обеспечения требуемого усилия резания плода.
Такие выводы важны для дальнейших исследований оптимальных геометрических характеристик стружки сахарной свёклы и позволяют теоретически обосновать реализуемые в производстве величины толщин при использовании усовершенствованных технических решений.
1. Журавлев М.В. Энергосберегающая технология извлечения сахарозы из свеклы в сахарном производстве // Фундаментальные исследования, 2013. № 11-8. С. 1582-1587.
2. Прейс В.В., Морозов В.Б., Морозова Т.Г. Выбор простой регрессионной модели диффузии сахаров для оптимизации процесса резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 7. С. 99-107.
Список литературы
3. Паньковский Г. А. Закономерности экстрагирования сахарозы при ошпаривании свекловичной стружки // Пищевая и перерабатывающая промышленность. Реферативный журнал, 2001. № 1. С. 116.
4. Рудик Ф.Я., Богатырев С.А. Анализ условий работы и износного состояния ножей центробежных свеклорезок // Аграрный научный журнал, 2018. № 3. С. 47-50.
5. Сидоренко Т. А. Подготовка свекловичной стружки к экстракции сахарозы // Пищевая и перерабатывающая промышленность. Реферативный журнал. 2008. № 3. С. 784.
6. Сосков В.Б. Научная и академическая оценка актуальности, сути и проблем инновационной деятельности в России // Инженерное образование. 2009. № 5. С. 92-97.
7. Gorelov A.S., Preis V.V., Morozov V.B. Design principles for integrated automated statistical quality-control systems in manufacturing // Russian Engineering Research, 2008. Т. 28. № 3. P. 251-254.
Морозова Татьяна Геннадьевна, аспирант, nusichka-89@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL VALIDATION INSTRUMENTAL SUPPORT FOR OPTIMAL CHIP THICKNESS OF RA W MA TERIALS FOR SUGAR REFINERIES
T. G. Morozova
Presented an experiment on the extraction of sugars from beet chips by conducting laboratory extraction of them from the crushed fruit. An analysis of the results. The analysis of technological approaches to grinding. A version of the modernization of the cutting unit for sugar beet with the adjustment of the resulting chip thickness is presented.
Key words: Sugar beet chips, thickness, cutting, design for beet cutting, experiment, equipment improvement, fractional extraction of sugar.
Morozova Tatiana Gennadjevna, postgraduate, nusichka-89@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 66.974.434
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ
Э.В. Боровкова
Рассматривается методика расчета выпарных аппаратов, предложен возможный путь упрощения работы с необходимыми табличными и справочными значениями при расчете выпарных аппаратов.
Ключевые слова: выпаривание, концентрирование, выпарные аппараты, поверхность теплопередачи.
Выпаривание представляет процесс концентрирования растворов, суспензий и эмульсий при кипении. Применяется выпаривание для получения концентрированных продуктов с сохранением физико-химических свойств компонентов с использованием различных методов [1, 2]. Наиболее эффективно в пищевой и во многих других отраслях промышленности поверхностное выпаривание под вакуумом [3, 4].
Реализуется данный процесс в выпарных аппаратах различной конструкции, достоинства и недостатки которых, а также возможные пути модернизации с целью повышения эффективности их работы, изложены в работах [5, 6, 7].
407
