CC BY
12
нлты
УКРЛ1НИ
wi/ган
Науковий bIch и к НЛТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270429
Article received 27.04.2017 р. Article accepted 24.05.2017 р. УДК 641.512:532.135
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
[^1 Correspondence author A. V. Pogrebnyak Pogrebnyak.AV@mail.ru
А. В. Погребняк
Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, Украина
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКО-ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ ВОДО-ПОЛИМЕРНОЙ
ГИДРОРЕЖУЩЕЙ УСТАНОВКИ
Предложен инженерный метод расчета параметров комплекта оборудования для водополимерной обработки замороженных пищевых продуктов резанием, который позволил разработать проектно-техническую документацию на гидрорежую установку. Исследовательско-промышленная апробация изготовленного опытного образца установки для гидроструйной водополимерной обработки пищевых продуктов резанием показала увеличение рациональной скорости реза более чем в 2 раза, оптимального расстояния между поверхностью пищевого продукта и срезом сопла - в 15 раз, глубину реза - в 4 раза при скорости реза 0,100 м/с, а также улучшение качества поверхности разреза пищевого продукта в сравнении с водорезанием. За счет оптимизации процесса гидроструйной водополимерной обработки пищевых продуктов резанием существенно понижено рабочее давление (в 4-5 раз), что позволило изготовить опытный образец гидрорежущей установки со стоимостью в 10 раз меньшей, чем стоимость стандартного оборудования. Анализ экспериментальных и расчетных данных показал, что получаемый на опытном образце установки более высокоэффективный процесс гидроструйной водополимерной обработки пищевых продуктов резанием, чем на стандартном оборудовании, обусловлен прежде всего тем, что водополимерная струя формировалась с лучшими гидродинамическими свойствами. Подтверждена практическая целесообразность и экономическая эффективность гидроструйного водополимерного резания.
Ключевые слова: водополимерная обработка; струеформирующая головка; сопло; раствор полимера; время релаксации; продольный градиент скорости.
Введение. Опыт применения водополимерных струй в качестве режущего инструмента для разрезания пищевых продуктов, который имеется на кафедрах оборудования пищевой и отельной индустрии им. М. И. Беляева Харьковского государственного университета питания и торговли, а также оборудования пищевых производств ДонНУЭТ им. Михаила Туган-Барановского, выявил целый ряд достоинств, присущих ИуёгсуеЬтех-нологии. В исследовательских работах (РодгеЬпуак & БеутсЬепко, 2016; РоИгеЬшак & КаишсИик, 2012; Род-геЬпуак, 2015; 2ар1е11шкоу, е1 а1., 2013; РодгеЬпуак, 2008; БеушсИепко & РодгеЬпуак, 2015; РодгеЬпуак & Уо^Ып, 2010) была доказана перспективность технологии гидрорезания, особенно, для резки продуктов питания при -25 оС и ниже, т.к. при таких температурах традиционными методами это сделать практически невозможно.
Сегодня для внедрения ИуёгсуеЬтехнологии в пищевую промышленность необходимо приобретение дорогостоящего оборудования высокого давления (до 300^500 МПа), требующее не только значительных одноразовых затрат, но и затрат на его дальнейшее обслуживание. Указанное обстоятельство и стало определяющим в постановке задачи разработки высокоэффективного процесса гидроструйной обработки пищевых продуктов резанием и устройств для его реализации.
Результаты исследования и их обсуждение. Проведенное комплексное исследование, направленное на установление рациональных параметров гидрорежущей
установки, позволило предложить новую конструкцию струеформирующей головки с изменяемой конфигурацией проточной части (РодгеЬпуак, 2017), а также разработать приведенный ниже метод расчета параметров основных компонентов оборудования для высокоэффективной гидроструйной водополимерной обработки пищевых продуктов резанием, базирующийся на установленном механизме формирования качественной гидроструи и новых путях совершенствования процесса гидрорезания пищевых продуктов (РодгеЬпуак & Беу-шсЬепко, 2016; РоЪгеЬшак & №ишсИик, 2012; Род-геЬпуак, 2015, РодгеЬпуак, 2014; РодгеЬпуак & 1уапуи1а, 2015; БеушсИепко, РодгеЬпуак & 1уапуи1а, 2015).
Исходные данные для расчета включают элементы гидрорежущей пищевые продукты струеформирующей головки, мощность насосной установки Щ и давление водного раствора полимера перед насадкой ДРо, выбираемые в соответствии с решаемыми технологическими задачами, а также количество одновременно работающих водополимерных струй п и коэффициент полезного действия насоса п (п=0,6^0,8).
В результате расчета определяются: технологически обоснованный угол входа в сопло р° и диаметр выходного отверстия сечения струеформирующей головки йа, длина проточного канала струеформирующей головки 4 и его диаметр а также длина начального участка водополимерной струи 1н,с, характеризующая качество формирования гидрорежущей водополимерной струи. Указанные параметры определяются, используя уста-
Цитування за ДСТУ: Погребняк А. В. Досждно-промислова апроба^я водополiмерноT riдрорiзальноT установки. Науковий вюник
НЛТУ Укратни. 2017. Вип. 27(4). С. 133-136. Citation APA: Pogrebnyak, A. V. (2017). Research and Industrial Approbation of the Installation for Water-Polimer Hydro-Cutting. Scientific Bulletin of UNFU, 27(4), 133-136. https://doi.org/10.15421/40270429
новленные в работе закономерности проявления эффектов упругих деформаций при течении во входной области сопла водных растворов ПЭО (Ро^еЬпуак, 2017; РодгеЬпуак, 2014; РодгеЬпуак & 1уапуЩ;а, 2015; Беушс-Иепко, РодгеЬпуак & 1уапуЩ;а, 2015). Гидравлические режимы, выбираемые при проектных проработках конструктивных особенностей сопел гидрорежущей струеформирующей головки, рассчитываются с использованием классического гидродинамического метода, в основу которого положен не линейный закон проницаемости сопла, а обобщенный закон протекания через сопло в виде
DP Vф Vф
-= n j—SL + Лй .
L J4А 4А
(1)
где: АР - перепад давления на длине отверстия сопла Ь„; Vф - скорость истечения; А - коэффициент проницаемости сопла гидрорежущей головки.
Порядок расчета:
Определение угла входа в сопло р° и диаметра выходного отверстия сечения струеформирующей головки ёо проводится с учетом выполнения условия формирования динамических надмолекулярных структур в водных растворах ПЭО при их истечении из сопла (РодгеЬпуак, 2017)
0о ■ exp{([n]0 ■ С)}- 2 ■ Q ■ tg
dK
> De
Кр, при < 2- (2)
В качестве критического (кажущегося) числа Деборы берется число, при котором начинает проявляться у водополимерной струи более высокая, чем у водяной струи, режущая способность. В соответствии с экспериментальными данными (Ро^еЬпуак & БеушсИепко, 2016; Ро^еЬпуак, 2015), для практически важных диапазонов концентраций (0,001-0,05 %) и мол. масс (3 •106, 4 •106 и 6 •106) водных растворов ПЭО, критическое число Деборы равно 1,0.
Гидравлическая мощность установки для обработки водополимерной струей пищевых продуктов резанием определяется по формуле (Мкопоу, е! а1., 1973) Мг = 35,1 ■ d2 ■ Ро5, где: N - гидравлическая мощность гидрорежущей водополимерной струи, Вт; йо - диаметр сопла, мм; ДРо - давление водного раствора ПЭО перед соплом, МПа.
Определяется установочная мощность насоса высокого давления: = г, где: Ыу - установочная мощность насоса, кВт; N - гидравлическая мощность гидрорежущей водополимерной струи, кВт; п - коэффициент полезного действия насоса высокого давления
(П=0,6+0,8).
Определяется суммарный расход водного раствора ПЭО высокого давления: О, = 2,1т^0АР00,5, где: Ов - расход водного раствора ПЭО, л/мин; ц - коэффициент расхода сопла (ц ~ 0,81). По каталогам фирм, производящих насосное оборудование, производится выбор модели насоса, соответствующей параметрам Ыу, Ов и ДРо.
Определение диаметра сопла гидрорежущей стру-еформирующей головки: dk = Кя(о?0)тах, где: ^ - внутренний диаметр подводящего канала, мм; Кп = dk|dо -коэффициент поджатия потока в струеформирующей головке (Кп=8+10); ^о)тах - максимальный диаметр сопла установки для обработки водополимерной струей пищевых продуктов резанием, мм.
Длина подводящего канала определяется из выражения (гар1еШ1коу, е! а1., 2013) 4 > (20 -40)4), где 1к -длина проточного канала, мм.
Безразмерная длина начального участка гидрорежущей водополимерной струи ¡„с^о определяется по формулам:
!H,C !Н • Г\
=--£ ■ 0Q
do do
doI = 25(T-1 'gK
A0 (
1 -1,25 ■ e
-0,095^- ^ dk
(3)
(4)
где: (1н/dо) - безразмерная длина начального участка водяной струи; Кп = dk|dо - коэффициент поджатия потока в струеформирующей головке (при ¡к^о > 10 принимается Кп=10); 1к^о - отношение длины подводящего канала к его диаметру; Ка - параметр шероховатости внутренней поверхности струеформирующей головки и подводящего канала.
Влияние молекулярной массы ПЭО и его концентрации в водном растворе учитывается зависимостью 1н,с от времени релаксации водных растворов ПЭО.
Диаметр гидрорежущей водополимерной струи по её длине определяется из зависимостей:
hc = А. ■ £ ■ ес(5) и dc = Ai^oL pL I + dn
do do !H C V do
(6)
где: е - продольный градиент скорости во входной области сопла; dc - диаметр водополимерной струи, мм; 1н,с - длина начального участка водополимерной струи, мм; - безразмерное расстояние от среза сопла до рассматриваемого сечения; К1 - коэффициент, величина которого зависит от расстояния между рассматриваемым сечением и срезом сопла гидрорежущей стру-еформирующей головки. К1 определяется из выражения: К1=2,718^0)0,5.
Табл. Основные технические характеристики опытного
№ п/п Наименование характеристик и параметров Значение
1 Рабочая жидкость раствор ПЭО
2 Стабилизатор старения водного раствора ПЭО 0,05 % К1
3 Номинальное рабочее давление струи воды, МПа 100
4 Объем камеры ресивера, м3 0,02
5 Номинальный расход раствора ПЭО не более, л/мин 0,5+1
6 Тонкость фильтрации воды, мкм 1
7 Диаметр струеформирующего сопла, мм 0,30
8 Угол входа в сопло 0,55 п
9 Материал струеформирующих сопел сапфир
10 Объем сосуда Дьюара СК-16 для жидкого, л 16
11 Точность позиционирования, мкм/м ±1ии
12 Максимальная скорость перемещения, м/сек 0,055
Предложенный инженерный метод расчета параметров комплектующего оборудования для водополимер-ной обработки пищевых продуктов резанием позволил разработать проектно-техническую документацию на гидрорежую пищевые продукты установку. В результате исследовательско-промышленной апробации изготовленного опытного образца были подтверждены технические характеристики, приведенные в таблице.
и
Данные, характеризующие высокую эффективность изготовленного опытного образца, полученные при ис-следовательско-промышленной его апробации, изложены в работах (РодгеЬпуак & БеушсИепко, 2016; Род-геЬпуак, 2015; БеушсИепко & РодгеЬпуак, 2015). Проверка влияния концентрации ПЭО в водополимерной струе на глубину реза к в образцах мяса свинины при температуре г=-25°С, давлении ДРо=100 МПа и скорости перемещения водополимерной струи Уп =0,050 м/с показала, что глубина реза довольно резко возрастает с увеличением концентрации ПЭО в водополимерной струе и достигает максимума при достижении оптимальной величины 0,008 %.
Анализ экспериментальных и расчетных данных показал, что получаемый на опытном образце установки более высокоэффективный процесс гидроструйной во-дополимерной обработки пищевых продуктов резанием, чем на стандартном гидрорежущем оборудовании, обусловлен прежде всего тем, что водополимерная струя формировалась с лучшими гидродинамическими свойствами. Это позволило обеспечить более высокую производительность и качество поверхностей разреза (рис. 1 и 2, а) не только за счет малых добавок ПЭО в гидрострую, но и за счет оптимизации условий формирования струи с более высоким качеством.
Рис. 1. Поверхность разреза водополимерной струей образца мяса свинины толщиной 0,25 м: г = -7оС; Спэо=0,007 %, Ммэо=410-6; ДР0=100 МПа; 4=0,35-10-3 м; Г„=25 10-3 м/с
Эксперимент показал, что за счет оптимизации процесса водополимерной обработки пищевых продуктов резанием удалось рациональную скорость реза повысить более чем в 2 раза, оптимальное расстояние между поверхностью пищевого продукта и срезом сопла - в 15 раз, глубину реза - в 4 раза при скорости реза 0,100 м/с, а также удалось существенно понизить рабочее давление (в 4-5 раз), что позволило изготовить опытный образец гидрорежущей установки со стоимостью в 10 раз меньшей, чем стоимость стандартного оборудования.
Исследовательско-промышленная апробация подтвердила также перспективность, предложенного нового способа гидроструйного водополимерного отделения мяса от кости, а также разрезания трубчатых костей (см. рис. 2). Подробное описание способа отделения мяса от кости можно найти в описательной части патента (РоЪгеЬшак, №ишсИик & Ропошагепко, 2013). На рис. 2 показаны фотографии поверхности разреза трубчатой кости, из которых видно, что водополимерной струей обеспечивается более высококачественный разрез кости (см. рис. 2, а), чем водоазотной струей (рис. 2, б). От-
деление мяса от кости (см. рис. 2, б) было осуществлено гидроструйным водополимерным способом.
Рис. 2. Фотография поверхности разреза трубчатой кости водополимерной (а) и водоазотной (б) струями
Выводы. Предложенный инженерный метод расчета параметров комплектующего оборудования для водополимерной обработки пищевых продуктов резанием позволил разработать проектно-техническую документацию на гидрорежую пищевые продукты установку, исследовательско-промышленная апробация которой показала высокую эффективность процесса гидроструйной водополимерной обработки замороженных пищевых продуктов, практическую целесообразность и экономическую эффективность водополимероной обработки пищевых продуктов резанием.
Перелж використаних джерел
Deynichenko, G. V., & Pogrebnyak, A. V. (2015). Hydrojet waterpolymer cutting of frozen food products. Progresyvni tekhnika ta tekhnologiyi kharchovyh vyrobnyctv restorannogo gospodarstva i torgivli, 1(19), 94-103. Kharkiv: State university of food technology and trade Publ. Deynichenko, G. V., Pogrebnyak, A. V., & Ivanyuta, Yu. F. (2015). The nature of increased cutting ability of a polyethylene oxide solution jet while processing food products. Scientific journal NRU IT-MO, 3(25), 6-13. Series: Processes and Food Production Equipment.
Nikonov, G. P., Kuzmich, I. A., Ishhuk, I. G., & Goldin, Yu. A. (1973). Nauchnye osnovy gidravlicheskogo razrushenija uglja. Moscow: Nauka, 151 p. [in Russian]. Pogrebnyak, A. V. (2017). Calculation of Parameters of Jet-Shaping Head for Water-Polymer Processing of Materials by Cutting. Scientific Bulletin of UNFU, 27(3), 187-190. https://doi.org/10.15421/40270342
Pogrebnyak, A. V. (2008). Highly effective hydrocutting of firm foodstuff and materials. Control rheologicalproperties of food, 2(13), 173-179. Moscow: Moscow State University of food productions. Pogrebnyak, A. V. (2014). The nature of increased cutting ability of a polymer solution jet while processing food products. Articles 27 of the International Symposium on Rheology, 3, 151-152. Moscow: RAN, MGU.
Pogrebnyak, A. V. (2015). The process of hydrocutting of food products. Innovative aspects of development of the equipment of the food and hotel industry in the conditions of the present. Abstracts of papers (pp. 14-19). Kharkiv: State university of food technology and trade Publ.
Pogrebnyak, A. V., & Deynichenko, G. V. (2016). Research of the process of hydrocutting foodstuff. Scientific journal NRUITMO Series: Processes and equipmentfor food production, 3(29), 48-62.
Pogrebnyak, A. V., & Ivanyuta, Yu. F. (2015). Structure formation in polyethyleneoxide solution streaming through jet-shaping head while cutting foodstuffs. Scientific journal NRU ITMO, 1(23), 138141. Series: Processes and Food Production Equipment.
Pogrebnyak, V. G., & Voloshin, V. S. (2010). Ecological Technology of Creating Waterproof Screens. Donetsk, Knowledge, 482 p.
Pohrebniak, A. V., & Naumchuk, M. V. (2012). Pat. 74609 Ukraina, MPK B 03 B 4/00. Vodopolimernyi sposib rizannia zamorozhe-nykh kharchovykh produktiv ta materialiv, № u201202142; zaiavl. 24.02.12; opubl. 12.11.12, Biul. № 21. [in Ukrainian]. Pohrebniak, A. V., Naumchuk, M. V., & Ponomarenko, E. V. (2013). Pat. 78305 Ukraina, MPK A 22 S 17/40. Sposib viddilennia miasa vid kistky hidrostrumenem, № u201211600; zaiavl. 08.10.12; opubl. 11.03.13, Biul. № 5. [in Ukrainian]. Zapletnikov, I. M., Poperechnyi, A. M., Pohrebniak, D. O. et al. (2013). Innovatsiini pidkhody do polipshennia ekspluatatsiinykh kharakterystyk obladnannia kharchovykh vyrobnytstv. Donetsk: Vyd-vo "Noulidzh", 290 p. [in Ukrainian].
А. В. Погребняк
1вано-Франтвський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу, м. 1вано-Франшвськ, Украша
ДОСЛ1ДНО-ПРОМИСЛОВА АПРОБАЦ1Я ВОДОПОЛШЕРНО1 ПДРОР1ЗАЛЬНО1 УСТАНОВКИ
Запропоновано iнженерний метод розрахунку napaMeTpiB комплекту обладнання для водополiмерного оброблення замо-рожених харчових продукпв рiзaнням, який дав змогу розробити проектно-техшчну документащю на гiдрорiзaльну установку. Дослвдницько-промислова апробащя виготовленого дослвдного зразка установки для пдроструминного водополiмер-ного оброблення харчових продукпв рiзaнням показала збшьшення рацюнальноТ швидкосп рiзу бшьш шж у 2 рази, оптимально!' ввдсташ мiж поверхнею харчового продукту i зрiзом сопла - у 15 рaзiв, глибини рiзу - в 4 рази за швидкосп рiзу 0,100 м/с, а також покращення якостi поверхнi розрiзу харчового продукту порiвняно з водорiзaнням. Унаслщок оптимiзaцiТ процесу гiдроструминного водополiмерного оброблення харчових продукпв рiзaнням знижено робочий тиск (у 4-5 рaзiв), що дало змогу виготовити дослiдний зразок гiдрорiзaльноТ установки з вaртiстю у 10 рaзiв меншою, нiж вартють стандартного устатковання. Анaлiз експериментальних i розрахункових даних показав, що отриманий на дослiдному зразку установки бшьш високоефективний процес пдроструминного водополiмерного оброблення харчових продуктiв рiзaнням, нiж на стандартному облaднaннi, зумовлений передусiм тим, що водополiмерний струмшь формувався iз кращими гiдродинaмiч-ними властивостями. Пiдтверджено практичну доцiльнiсть i економiчну ефективнiсть пдроструминного водополiмерного рiзaння.
Kni040ei слова: водополiмерне оброблення; струминоформувальна головка; сопло; розчин полiмеру; час релаксацй; поз-довжнiй грaдieнт швидкостГ
A. V. Pogrebnyak
Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, Ukraine
RESEARCH AND INDUSTRIAL APPROBATION OF THE INSTALLATION FOR WATER-POLIMER
HYDRO-CUTTING
Experience in the use of water-polymer jets as a cutting tool for cutting food products has revealed a number of advantages inherent in hydrojet-technology. Today, the introduction of hydrojet technology into the food industry requires the purchase of expensive equipment. This circumstance has become crucial in setting the task of developing a highly effective process of hydrojet treatment of food products by cutting. The study presents an engineering method for calculating the parameters of a set of equipment for waterpolymer processing of frozen food products by cutting The method enables the development of design and technical documentation for a hydro-cutting installation. The research and industrial approbation of the produced prototype of the installation for hydrojet water-polymer processing of food products by cutting showed an increase in the rational cutting speed by more than 2 times, the optimum distance between the surface of the food product and the cut of the nozzle by 15 times, the depth of cut by 4 times at a cutting speed of 0.100 m/s, as well as an improvement in the quality of the cut surface of the food product in comparison with water cutting. Due to optimization of the process of hydrojet water-polymer processing of food products, it was possible to significantly reduce the operating pressure (by 4-5 times), which allowed producing a prototype of a hydro-cutting plant with the cost 10 times less than the cost of standard equipment. The research and industrial approbation confirmed the high efficiency of the process of hydrojet waterpolymer processing of frozen food products, the practical expediency and cost-effectiveness of water-polymer processing of food products by cutting.
Keywords: water-polymer processing; jet-forming head; nozzle; polymer solution; relaxation time; longitudinal velocity gradient.
1нформащя про автора:
Погребняк Андрш Володимирович, канд. техн. наук, доцент, 1вано-Франювський нацюнальний техшчний ушверситет нафти i газу, м. 1вано-Франювськ, Украша. Еmail: Pogrebnyak.AV@mail.ru
