Исследование течевых каналов негерметично укупоренных металлических консервных банок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭКОЛОГИЯ

УДК 620.165.29 /088.86/

В.П. Ангелюк

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕВЫХ КАНАЛОВ НЕГЕРМЕТИЧНО УКУПОРЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСЕРВНЫХ БАНОК

Представлена методология исследования негерметичности металлических консервных банок с мясными продуктами. Приведены конкретные разработки и результаты исследований по совершенствованию методов контроля и их адаптации к условиям современного мясоконсервного производства.

V.P. Angelyuk THE RESEARCH OF FLOWING CHANNELS NON-HERMETIC METALL CANS

The methodology of research non- hermetic metal cans with meat products is submitted. Concrete development and results of researches on perfection of a quality monitoring and their adaptations to conditions of modern meat-packing manufacture are resulted.

Исходя из перманентной актуальности производства герметичной упаковки мясных продуктов в консервную тару на предприятиях мясной промышленности, исследования проводимости течевых каналов негерметично укупоренных консервных банок с мясными продуктами предполагают совершенствование традиционных методов контроля герметичности, создание на их основе способов и устройств, адаптированных к современному мясоконсервному производству. При этом основными аспектами адаптации являются вопросы нейтрализации шума (блокировки) процессов контроля за продуктом консервации, находящимся в таре, а также неадекватность параметров микроклимата пищевого производства и процесса контроля.

Сложность решения задачи обусловлена наличием непреодолимых трудностей в связи с неизвестной и неизмеримой геометрией канала, отсутствием исследований реологических и физико-химических свойств продуктов консервации, оказывающих доминирующее влияние на процесс контроля. В связи с этим нами предпринят комплекс исследований по существу вопроса.

Геометрическая интерпретация канала представлена графически рядом последовательных модельных преобразований на рис. 1 [1]. Модификационная конкретизация геометриче-

ских параметров канала позволяет физически моделировать процесс контроля по расходным характеристикам с его количественной оценкой согласно формуле объемного расхода [2]:

Q = U АР , (1)

t = const ,

3 —1

где U - пропускная способность канала, м с Па ; АР - перепад давления, Па; t - температура, К.

Данный метод считается абсолютным. На нем базируется стандартное определение величины степени герметичности консервных банок [3] - объем воздуха (см3), собранный в эвдиометрическую колбу за 30 с при перепаде давления в 1 атм. При этом установлена допустимая степень герметичности, равная 5 см3.

Рис. 1. Моделирование течевого канала негерметичной консервной банки

Графики измеренной нами объемной проводимости канала на основе стандартного способа с расширенным диапазоном давлений показаны на рис. 2. На основании характера полученной зависимости модельным представлением канала принят ламинарный дроссель (допущения приняты без учета массовой проводимости) [4]. Измерения проводимости тече-вых каналов проводились на негерметичных металлических консервных банках № 9 ГОСТ 5981-88, изготовленных из жести № 20, концы из жести №20 электролитического лужения ЭЖК АД III ГОСТ 13345-85.

Более строгое представление расхода, согласно (1) являет собой дифференциальная форма записи:

Q = d (PV) = PdV + VdP

d т

d т d т

(2)

где Р, V, т - давление, объем, время контроля, соответственно.

С точки зрения конкретной реализации процесса, уравнение (2) определяет способ контроля: при постоянном давлении или при постоянном объеме.

При исследовании консервной тары нами приняты наиболее легко реализуемые практически условия, которые математически записываются в виде [5]:

А Р

й = V—; (3)

V = const,

d т

t = const.

За основу аппаратурного оснащения принят экспериментальный стенд [6], адаптированный к исследованиям консервных банок ячейкой контроля (рис. 3) [7] и датчиком прогиба баночных концов [8]. Схема стенда показана на рис. 4.

Адаптация аналитических исследований С.Г. Сажина процесса изменения давлений во взаимосвязанных камерах к исследованиям течевых каналов негерметичной консервной тары потребовала процессовых решений для оценки в эксперименте характера протекания процесса. Они следующие.

Рис. 2. Статическая характеристика течевого канала негерметичной консервной банки: - - в=10 см3/30 с;

♦-♦ - в=5 cм3//30 с; в - проводимость канала согласно ГОСТ 5981-88

Рис. 3

Рис. 4. Схема экспериментального стенда для исследования негерметичных консервных банок:

I - компрессор; II - ресивер;

IV - банка консервная;

V - ячейка контроля; VI - датчик прогиба баночного конца

С целью определения характеристической полноты контрольного процесса время создания максимального допустимого давления в банке определили по степенной функции Шарохина (см. рис. 5):

Р2 = [4 т (1 - т)]п

(4)

где п=1п Р2 / 1п [4 т (1 - т)]; Р2 = Рг / Рп; т = т / (2тп); тг- - время установления некоторого давления Р; в банке на начальном этапе контроля (давление Рг принято как величина размыкания датчика прогиба баночного конца на участке подъема давления в камере); тп - время установления некоторого давления Рп в банке на конечном этапе эксперимента.

Р

Рис. 5. К определению степени герметичности консервной банки манометрическим методом

Время тзад определено экспериментально как время начала изменения давления в негерметичной банке.

Давление Рм определено из графика рис. 5, при проведении прямой через точки с координатами (0,0) и (Р/, тО до пересечения с перпендикуляром, восстановленным из точки ТО. Точка Мо определена как касательная к кривой изменения давления в консервной банке из начала координат:

Рг - РУ2(т0) = РУ2(т0) (т - То) . (5)

Процесс измерения проводится следующим образом. Изменение давления в камере контроля поддерживается с постоянной скоростью: повышается до некоторой величины Рм (точка М на рис. 5), а затем сбрасывается. При этом осуществляют фиксирование давления в камере контроля в тот момент, когда разность давлений А в камере и банке достигает определенной величины на участке подъема и сброса давления в камере (точка М). Фиксирование давления осуществляется по положению баночного конца специальным бесконтактным устройством, согласно схеме рис. 2 и графику изменения давления рис. 5.

Дифференциальное уравнение, связывающее давление в банке и камере, имеет вид:

й Р

Т —1 + Р = Р2 , (6)

б й т

где Тб - постоянная времени, зависящая от герметичности банки, с; Р\ - давление в банке, Па; Р2 - давление в камере, Па; т - время процесса, с.

Дифференцирование составленного уравнения при изменении давления в камере по линейному закону с постоянной скоростью дает:

б

й т2 й т

(7)

где т - время подъема давления в камере; их - скорость подъема давления в камере, Па/с.

В этом уравнении два неизвестных Тб и Рх, поэтому необходимо составить второе уравнение, связывающее эти параметры, но при других условиях.

Этими условиями являются сброс давления в камере со скоростью и2:

где т - время сброса давления в камере; и2 - скорость сброса давления в камере, Па/с. 142

Определение постоянной времени Тб, возможно при исключении из уравнений Р\. Это достигается, когда давления в банке при повышении и при сбросе давления в камере будут в какие-либо известные моменты времени равными. Однако, как видно из графика, давление в банке при повышении давлении в камере всегда меньше давления в камере при сбросе давления в камере (на диапазоне существования процесса измерения). Поэтому непосредственное решение уравнений, отражающих процесс, невозможно. Их решение осуществимо в случае записи относительно разности давлений в камере и банке, которая будет иметь единственное определенное и равное для каждой конкретной банки значение на участках подъема и сброса в какие-то определенные моменты времени тг- и тп. Эти временные моменты практически можно измерить или вычислить косвенным путем, измеряя давление в камере Р1 и Рп.

Давления Р1 и Рп измеряются при некотором заданном значении разности давлений в камере и банке А. Практически они измеряются в моменты времени, когда крышка банки будет занимать одинаковые положения соответственно при подъеме и сбросе давления в камере, что фиксируется датчиком прогиба баночного конца. Очевидно, они будут одинаковы при равной разности давления в камере и банке.

Решение системы уравнений (7) и (8) дает выражение

и - и ехр

и1 тб у

- -и2 +

и1 -и1 ехр

Р

и1Тб у

+ и

ехр

Р - Р

(9)

где значение Тб определяется рабочей средой Ехсе1-2000 при измеренных давлениях Р1 и Рп.

Следует особо отметить, что для практической реализации уравнения (9) возможны упрощения: А=0 при Р2=0, а также у1=у2. Кроме этого, нет необходимости постоянного измерения степени герметичности консервных банок в потоке, достаточно организовать отбраковку по допустимой степени. Для этого необходимо контролировать только время фиксирования давлений Р1 и Рп. Следует особо отметить, что в разработанном способе контроля герметичность камеры не влияет на процесс тестирования консервной банки [9].

Особую значимость при проведении процесса контроля имеет чистота канала, влияние на которую оказывает наличие продукта в таре и которая является причиной появления ошибок 2-го рода. В этом направлении нами проведены аналитические исследования, в результате которых сформулированы условия затекания жидкого содержимого продукта консервации в неплотности фальцевого шва [10].

При закатывании консервных банок между концом и корпусом образуется клиновидное пространство, рис. 6. В это пространство возможно попадание жидкого содержимого консервов. Поведение капель жидкости в этом месте зависит от ее физико-химических свойств:

р - Р-—со8 0Д ; Р2

п 2 а _

Р +--------С08 0„

(10)

где Р1, Р2, Р - давление до, после, внутри капли жидкости, соответственно; г1, г2 - радиус кривизны канала до и после капли, соответственно; 5 - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; 0 - краевой угол смачивания жидкости поверхности канала.

Рис. 6. Поведение капли жидкого содержимого консервов в пространстве между корпусом и концом

г

2

Это дает возможность выразить эквивалентный диаметр канала при сложившемся в нем перепаде давления:

Оэкв = (4 5 со8 0) / АР . (11)

На основании термодинамических соотношений [11], исходя из сопоставления энтропий межфазного взаимодействия, в случае смачивания поверхности жидкостью справедливо следующее неравенство:

При несмачивании:

^0>Э8 ctg 0 dt д t а

Э5 ctg0 dt д t а

где t - температура процесса.

То есть во всех случаях поверхностное натяжение жидкости должно уменьшаться с ростом температуры. Изменения краевого угла с изменением температуры связаны с величиной поверхностного натяжения. На гидрофобной поверхности d0/dt положительно, т.е. краевой угол растет с ростом температуры. На гидрофильной поверхности d0/dt отрицательно и краевой угол падает с ростом температуры. Знак величины d0/dt, характеризующий изменение краевого угла от температуры, зависит от абсолютного значения краевого угла.

Объектом исследования являлся ассортимент мясных консервов, традиционных для нашей страны. Это «Говядина тушеная» высшего сорта ГОСТ 5284-84, «Свинина тушеная» высшего сорта ГОСТ 697-84, «Баранина тушеная» высшего сорта ГОСТ 698-84, «Печень в собственном соку» (говяжья) ГОСТ 15168-78, залива масло подсолнечное, рафинированное дезодорированное 1-го сорта ГОСТ 1129-73. В закладке применяется поваренная соль (1-1,5%) ГОСТ 13830-68 не ниже первого сорта, помола 0-1. Содержимое консервов после

закладки в консервную тару отцеживалось и направлялось на исследование.

Для физико-химических и реологических параметров жидкой фазы получены следующие зависимости [12,13] (см. рис. 7):

- для консервов «Говядина тушеная»:

со8 Ф = 4,5 10-3 T - 1,4 ; (14)

8 = -2,25-10-4 Т + 0,11, Дж-м-2 ;

П = 1950 10-8 exp [18992 / (R T)-1], Па с;

- для консервов «Свинина тушеная»:

со8 Ф = 4,5 10-3 T - 1,4 ; (15)

8 = -8■ 10-5 Т + 5,74-10-3, Дж-м-2 ;

П = 885-10-8 exp [21304 / (R T)-1], Па с;

- для консервов «Баранина тушеная»:

со8 Ф = 5,110-3 T - 1,6 ; (16)

8= -2,25-10-4 + 0,11, Дж-м2;

П = 35481 10-8 exp [10704 / (R T)-1 , Па с;

- для консервов «Печень в собственном соку»:

со8 Ф = 2,2-10-3 T - 0,5 ; (17)

8 = -8■ 10-5 Т + 5,74-10-2, Дж-м2 ;

П = 10233-10-8 exp [11428 / (R T)-1] , Па с.

На основании результатов экспериментальных исследований нами были проведены следующие аналитические исследования.

Объем V жидкости вязкости ц, протекающей за время т через канал диаметра V и длины I при перепаде давления Др, выразили согласно формуле Пуазейля:

т. пБА-Д р

V =---------—-т

(18)

128ц-1

Дифференциальное уравнение прохождения жидкого содержимого консервов через канал негерметичности имеет вид:

(IV =п^Дрйт . (19)

128ц I

Элементарный объем жидкости, прошедшей через канал:

dV

Отсюда

Соє З-

2 V2 Д р I =—— г + С1 .

16 ц

6, мДж-м

(20)

(21)

2,74 2,76 2,78 2,8 2.82 2,84 2,86 2,9 2,92

в) т-ю'к

Рис. 7. Зависимость краевого угла смачивания (а), коэффициента поверхностного натяжения (б) и динамического коэффициента вязкости (в) жидкого содержимого мясных нестерилизованных консервов от температуры: о-о - «Свинина тушеная»;

- - «Говядина тушеная»;

Д-Д - «Баранина тушеная»;

•-• - «Печень в собственном соку»

Граничные условия: 1=0, т=0 дали формулу для определения длины канала негерме-тичности консервной банки:

Д рг

ц

, С1=0 .

(22)

С другой стороны, длина ламинарного дросселя равна [13]:

Ь = п Я4 / (128 а)-1 ,

(23)

где - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м/с; а - массовая проводимость ламинарного канала (канала негерметичности консервной банки), кг/(Па-с).

Учитывая формулы (11), (22) и (23), получили выражение истечения жидкой фракции мясных консервов из канала негерметичности консервной банки, исключающее геометрические параметры канала:

(24)

т = ц (2п А/-3,5 и 1 а 1)2 а6 со8б Ф .

Для пузырькового метода контроля герметичности мясных консервов в горячей воде нами получено выражение движущей силы процесса:

АР = (0,427 Т) т - 0,126 Т, Па . (25)

В результате вышепроведенных исследований рассчитана зависимость времени освобождения канала негерметично укупоренных мясных консервов в металлическую банку № 9 от проводимости канала и температуры контроля в горячей воде пузырьковым методом. Графики зависимости для некоторых видов консервов показаны на рис. 8. На них базовой кривой «а» обозначена пороговая проводимость, ниже которой консервы отправляют на стерилизацию, так как происходит их самогерметизация.

11

X10 , кг Па с

1-1

11

ЖЮ , кг-Па1-с1

Рис. 8. Зависимость массовой проводимости канала негерметичности консервной банки от температуры и времени прогрева в горячей воде: а - консервы «Говядина тушеная»;

б - консервы «Печень в собственном соку»

В результате было сделано заключение, что для реальных температурных диапазонов (85-95°С) контроля герметичности мясных консервов традиционных видов пузырьковым методом в горячей воде достаточным временем освобождения канала от жидкой фракции является 15 с, что является базовым параметром для расчета основных конструктивных размеров устройств, реализующих этот метод контроля [14,15].

Основные выводы

1. Течевые каналы негерметично укупоренной консервной жестяной тары в диапазоне допускаемой степени герметичности при перепаде контрольных давлений до 0,6 МПа представляют собой ламинарный дроссель.

2. Получены зависимости основных физико-химических и реологических параметров жидкой фазы мясных нестерилизованных консервов традиционных видов от температуры; установлено, что при нагреве их изменение идет в направлении, способствующем вытеканию из каналов негерметичности консервной тары.

3. Получено выражение движущей силы процесса освобождения каналов негерметич-ности мясных консервов от жидкого содержимого продуктов консервации для пузырькового метода контроля в горячей воде.

На этом основании:

а) Разработаны способ и математическая модель процесса измерения степени герметичности металлической консервной тары манометрическим методом.

б) Сформулированы условия затекания жидкого содержимого консервов в каналы негерметично укупоренных металлических консервных банок.

в) Определено время освобождения каналов негерметичности мясных нестерилизо-ванных консервов традиционных видов от жидкого содержимого продуктов консервации.

4. Даны рекомендации по практическому использованию исследований для разработки устройств, реализующих соответствующие методы контроля герметичности мясных консервов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ангелюк В.П. Герметичность металлических консервных банок I В.П. Ангелюк II Саратов: Ареал, 1999. 184 с.

2. Сажин С.Г. Автоматизация контроля герметичности изделий массового производства I С.Г. Сажин, В.Б. Лемберский. Горький: Волго-Вят. книж. изд-во, 1977. 172 с.

3. ГОСТ 5981-88. Банки металлические для консервов. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1989. 21 с.

4. Дмитриев В.Н. Основы пневмоавтоматики I В.Н. Дмитриев, В.Г. Градецкий. М.: Машиностроение, 1973. 363 с.

5. Ангелюк В.П. Особенности манометрического метода контроля герметичности консервной тары I В.П. Ангелюк II Вестник МАНЭБ. 2000. № 4 (28). С. 85-88.

6. Сажин С.Г. Математическая модель процесса изменения давлений во взаимосвязанных камерах I С.Г. Сажин II Дефектоскопия. 1980. № 1. С. 70-71.

7. А.с. № 1783340, МКИ, G 01 М 3I36. Устройство для контроля герметичности замкнутых цилиндрических изделий I В.П. Ангелюк, А.Н. Готвиг, А.Д. Золотов II Б.И. № 47 от 23.12.92.

8. А.с. № 1326918, МКИ, G 01 L 9I12. Устройство для определения давления в укупоренной консервной таре I В.П. Ангелюк, А.Н. Готвиг II Б.И. № 28 от 30.07.87.

9. А.с. № 1439429, МКИ G 01 М 3I36. Способ измерения степени негерметичности укупоренной консервной тары I В.П. Ангелюк, А.Н. Готвиг, Т.К. Асылгажин II Б.И. № 43 от 23.11.88.

10. Ангелюк В.П. Формулирование условий закупорки каналов негерметичности консервной тары жидкой фракцией продукта консервации на основе анализа ее реологических и смачивающих характеристик I В.П. Ангелюк II Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств: тез. докл. к 65-летию Моск. гос. академ. приклад. биотехнологии. М., 1996. С. 143.

11. Дерягин Б.В. Адгезия I Б.В. Дерягин, Н.А. Кротова. М-Л.: Изд-во АН СССР, 1949.

244 с.

12. Ангелюк В.П. Реологические характеристики животных жиров и растительного масла I В.П. Ангелюк, А.Д. Фрезоргер, А.Н. Готвиг II АгроНИИТЭИММП. М., 1989. № 10.

С. 121.

13. Ангелюк В.П. Изменение смачивающих свойств животных жиров и растительного масла при нагревании / В.П. Ангелюк, А.Д. Фрезоргер, А.Н. Готвиг // АгроНИИТЭИММП. М., 1989. № 10. С. 121.

14. Патент ГДР № WP О 01 М/3343457. Устройство для контроля герметичности изделий / В.П. Ангелюк, А.Н. Готвиг, А.Д. Фрезоргер, В. А. Граф.

15. Ангелюк В.П. Геометрическая модель оптимизации параметров процесса контроля герметичности консервов «Г овядина тушеная» перед стерилизацией пузырьковым методом / В.П. Ангелюк // Материалы науч. конф. проф.-преп. состава и специалистов с.-х. Пенза, 1999. С. 108-109.

Ангелюк Валентин Петрович -

кандидат технических наук, доцент,

докторант кафедры «Машины пищевой промышленности и теплотехника»

Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета