CC BY
13
DOI 10.24412/2311-6447-2021-3-184-189
Математическое обоснование гидрорезки пищевых продуктов
Mathematical justification of hydro-cutting of food products
Доцент И.Д. Мурашов, доцент Е.Д. Горячева, профессор Е.В. Крюкова, бакалавр Д.Г. Мирзоян
(Московский государственный университет пищевых производств) кафедра пищевой безопасности, тел. +7(499)750-01-11
Associate Professor I.D. Murashov, Associate Professor E.D. Goryacheva, Professor E.V. Kryukova, Bachelor D.G. Mirzoyan
(Moscow State University of Food Production) Department of Food Safety, tel. +7 (499) 750-01-11
Реферат. Исследование направлено на решение ряда фундаментальных научных проблем, возникших при разработке одного из самых сложных процессов - разделение биоматериалов высокоэнергетической струей воды. Данный процесс является комплексным и включает в себя ряд последовательных физических процессов. Здесь тесно переплетаются между собой механические, гидромеханически е, теплообменные п массообменные процессы, сопровождающиеся фазовыми переходами и меняющим ися свойствами этих фаз. Разрабатывали математическую модель процесса резания мяса и мясопродуктов высокой энергетической струей. Изучали влияние различных видов струйных головок на технологические параметры резания сырья с применением математического моделирования - разрушение сырья пщроабразивной струей, влияние ггщроабразивного резания на характер физико-химических и гистологических изменений мышечной ткани мясного сырья.
Summary. The research is aimed at solving a number of fundamental scientific problems that arose during the development of one of the most complex processes, the separation of biomaterials by a high-energy water jet. This process is complex and includes a number of sequential physical processes. In these processes, mechanical, hydromechanical, heat exchange and mass transfer processes are closely intertwined, accompanied by phase transitions and changing properties of these phases. The processed biomaterials have specific properties, namely, the development of a mathematical model of the process of cutting meat and meat products with a high energy jet. To study the influence of the types of jet heads on the technological parameters of cutting raw materials using mathematical modeling, its destruction by a waterjet jet and the effect of waterjet cutting on the nature of physico-chemical and histological changes in the muscle tissue of meat raw materials.
Ключевые слова: абразив, математическая модель, гидрорезание, струйные головки.
Keywords: abrasive, mathematical model, hydraulic cutting, jet heads.
Гидроабразнвная резка в силу своей чистоты и бесконтактности с пищевыми продуктами может свести к минимуму риск бактериального заражения, ликвидировать проблему задержек из-за очистки лезвий, инструментов или их заточки.
В научных источниках практически отсутствуют сведения по нарезке мясных (свиных) полутуш высокоэнергетпческой струей воды и особенно струей с абразивом (в виде льда и поваренной соли). Неоднородность пищевых материалов, распространение зоны разрушения только на локальные микрообъемы, высокая скорость струи определяют сложности в исследованиях резки биологического сырья. Провели разработку математической модели процесса резания биологического сырья (мякотного мясокостного) высокоэнергетической струей.
УДК 510
€"' И.Д. Мурашов, Е.Д. Горячева, Е.В. Крюкова, Д.Г. Мирзоян, 2021
Как и при любом виде обработки материалов, наиболее благоприятные условия для освоения процесса гидрорезания могут быть достигнуты за счет выбора его оптимальных параметров: давления рабочей жидкости, формы и диаметра отверстия сопла, расстояния сопла от разрезаемой поверхности, скорости подачи, числа проходов - (количество сопел, приходящихся на единицу длины реза), необходимых для разрезки материала. Давление жидкости оказывает наибольшее влияние на производительность гидрорезания [1].
Критерием оценки гидравлических свойств струи и её структуры является компактность струи -способность струи не распадаться при движении и сохранять свою кинетическую энергию на определённом расстоянии от сопла [2] (рис. 1).
Из рис. 1 следует, что внешняя оболочка струи по истечении из сопла начинает расширяться под некоторым углом расходимости "О" и имеет неравномерное распределение массы. Струя окружена оболочкой, состоящей из капель жидкости, насыщенных воздухом, являющейся переходной зоной между воздушной и жидкой средами. Во внутренней области струи имеются два участка: начальный "1н "и основной "1о". Начальный участок представляет собой сплошное самофокусирующее ядро (стержень потока жидкости), движение, которое соответствует скорости истечения жидкости из сопла [3].
Разделение материалов рекомендуется производить в зоне начального участка струи, расположив поверхность реза в непосредственной близости от среза сопла. Процесс гидрорезания возможен в случае, когда давление струн жидкости на единицу площади поверхности реза превышает предел прочности обрабатываемого материала. струи
При равных условиях дальнейшее повышение давления истекающей струи жидкости (из-за возрастания ее кинетической энергии) приведет к увеличению толтиньг разрезаемого материала за один проход [4]. Давление Рс, МПа, а затем и силы Рп, Н, которые создаются струей рабочей жидкости на поверхности контакта с обрабатываемой заготовкой, можно определить по формулам [2]:
Рс=(0,5 • 10 - 6г У2с2 Рс=(0,5+е)-10~6- г]-/сУ2с
где е - коэффициент сжатия струи, зависящий от профиля отверстия сопла (при ко-ноидном профиле е > 1); г - плотность рабочей жидкости; Ус - скорость струи рабочей жидкости, вытекающей из сопла (скорость реза); ] - коэффициент, учитывающий эффект растекания струи и изменения скорости струи по мере ее удаления от сопла (/ = 0,92,0,96); /с - площадь поверхности поперечного сечения выходного отверстия сопла.
Скорость струи рабочей жидкости, вытекающей из сопла Ус, зависит от давления Ус = /|р). Для определения Ус приводится формула, предложенная Л.Ф. Верещагиным
Ус=44л/р
Л -к
Рис. 1. Принципиальная схема сверхзвуковой
Она основывается на данных о сжимаемости жидкости и, по Бриджмену, плотность для всех точек струи принята неизменной, равной плотности воды, а коэффициент скорости равен единице.
Число проходов определяется в зависимости от технических возможностей оборудования. При заданных условиях гидрорезание толстых материалов можно проводить за несколько проходов. Рассмотренные технологические параметры, типичные для гидрорезания промышленных материалов, свойственны и для ряда других их видов, в том числе и биологических тканей.
Окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента по своим геометрическим и энергетическим параметрам происходит в струйной головке. Конструктивные особенности струйной головки (взаиморасположение деталей головки, характер их соединения и герметизация), оказывая влияние на гидродинамические характеристики и компактность формируемой струи рабочей жидкости, определяют качество и надежность ее работы.
Существует множество конструкций струйных головок для гидрорезания материалов, что объективно свидетельствует о многообразии предъявляемых к ним эксплуатационных требований.
Указанное обстоятельство говорит и об отсутствии их оптимальных конструк-
Исходя из анализа доступных для авторов существующих конструкций струйных головок предложена следующая их классификация:
1) для жидкостного гидрорезания материалов;
2) с улучшенными динамическими характеристиками для жидкостной обработки материалов;
3) жидкостно-абразивные;
4) с подводом хладагента с целью охлаждения истекающей жидкости;
5) комбинированные сопловые головки.
К первой группе относятся струйные головки, предназначенные для работы на высоких давлениях чистой струёй жидкости без использования дополнительных приёмов, увеличивающих производительность процесса гидрорезания. На рис. 2 показаны струйные головки, относящиеся к этой группе и имеющие различные конструктивные решения [4].
Вторая группа объединяет струйные головки, снабженные конструктивными элементами, позволяющими улучшать динамические характеристики режущей струи (рис. 3).
Рис. 2. Струйные головки для жидкост- Рис. 3. Струйные головки с улучшен-
ного гидрорезания материалов ными динамическими характеристиками
для жидкостной обработки материалов
Третью группу составляют жидкостно-абразивные струйные головки (рис. 4), в которых интенсификация процесса резки материалов осуществляется за счёт ввода абразива в рабочую струю. Наиболее совершенными считаются конструкции со свободным вводом абразива в рабочую струю жидкости с возможно наименьшими нарушениями их гидродинамических характеристик.
Рис. 4. Жидкостно-абразивные струйные головки
В четвёртой группе струйные головки, в конструкцию которых введены каналы для подвода хладагента, предназначенного для придания абразивных свойств рабочей жидкости. Это позволяет усилить режущие возможности за счёт образования льдинок в струе и повышения износостойкости соплового отверстия ввиду получения замороженного слоя на его поверхности (рис. 5).
• 1. [- 1 ^лл Е
Т 1 -гв Йз- I .
Рис. 5. Струйные головки с подводом хладагента 187
Ьодо 1000-1000 стм
Рис. 6. Устройство для охлаждения
Разработали устройство охлаждения жидким азотом режущей головки. Оно состоит из устройства предварительного охлаждения, выполненного в виде съемного корпуса в форме полого цилиндра, установленного на корпусе режущей головки в месте оребрения с образованием камеры; патрубка с форсункой для подачи азота и патрубка выхода газа, причем патрубки с наружной части имеют резьбу для соединения с трубопроводами; устройства охлаждения высоконапорной струп жидкости, навинчиваемого на корпус режущей головки. Оно состоит из корпуса с патрубком и форсункой для подачи азота и патрубком выхода газа, причем патрубки с наружной части имеют резьбу для соединения с трубопроводами, смесительной камеры, при этом режущее сопло установлено в гнездо смесительной камеры.
Преимущество данного устройства в том, что оно просто в изготовлении и настройке, легко адаптируется под любые существующие виды режущих головок, экономично, не требует дополнительных затрат энергии и экологически безопасно.
Способ резки отличается безопасностью, скоростью, универсальностью. Резка выполняется с высокой точностью без появления неровностей, крошки и опилок. Структура мяса не нарушается (отсутствие разрывов, деформации волокон) за счет того, что струя воды не создает прямого давления на поверхность: механическое воздействие присутствует лишь на микроскопическом уровне. Отсутствует нагрев в зоне резки вследствие отвода теплоты водой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Латыпов P.P., Терегулов Н.Г., Харлов А.И. Некоторые сведения о гидрорезании материалов. Уфимский государственный авиационный технический университет. Россия.
2. В.Н. Канюков Н.Г. Терегулов В.Ф. Винярский В.В. Осипов. РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ: Учебное пособие. - Министерство образования РФ Оренбургский государственный университет ГУ МНТК «МГ» им. Академика Св. Федорова Оренбургский филиал. 2000.
3. Е.Г. Коржов. Некоторые особенности водоструйной обработки материлов «WATERJET-ТЕХНОЛОГИЯ»//Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение». - 2006. - №18.
4. Вода камень режет [Электронный ресурс] - Режим доступа: http: / / www.cawater-info.net/all about water/?p=8764 - (Дата обращения: 02.05.2021).
REFERENCES
1. Latypov R.R., Teregulov N.G., Kharlov A.I. Some information about hydro-cutting of materials. Ufa State Aviation Technical University. Russia.
2. V.N. Kanyukov N.G. Teregulov V.F. Vinyarsky V.V. Osipov. DEVELOPMENT OF SCIENTIFIC AND TECHNICAL SOLUTIONS IN MEDICINE: Textbook. - Ministry of Education of the Russian Federation Orenburg State University of MSTK MG named after Academician St. Fedorov Orenburg branch. 2000.
3. E.G. Korzhov. Some features of water jet processing of materials "WATERJET-TECHNOLOGIYA "//Text of a scientific article on the specialty" Mechanics and mechanical engineering. " - 2006. - No 18.
4. Water stone cuts [Electronic resource] - Access mode: http://www. cawater-info.net/all about water/?p=8764 - (Circulation date: 02.05.2021).
