CC BY
75
УДК 664.951.65.002.5
В. В. Коган
Астраханский государственный технический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ДИНАМИЧЕСКИХ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ РЫБНЫХ ФАРШЕЙ
При решении вопросов, связанных с переработкой рыбных объектов промысла, особенно некондиционной их части, важное значение имеет эффективное использование оборудования для перемешивания рыбного фарша. Поскольку рыбный фарш имеет свои отличительные особенности, использование серийно выпускаемых смесителей требует проведения исследований, которые позволят определить возможность их применения для конкретных технологических процессов. Среди множества конструкций мешалок в рыбной, мясной и хлебопекарной промышленности наибольшее применение получили горизонтальные аппараты, отличающиеся формой корпуса, типом рабочих органов, их количеством и частотой вращения.
Интенсивность процесса перемешивания зависит от характера движения перемешиваемых сред в смесителе и обусловлена, главным образом, способом воздействия рабочих органов на продукт. Одним из наиболее важных показателей процесса перемешивания являются удельные энергозатраты.
Расход энергии при перемешивании компонентов вязкопластичных сред зависит как от реологических свойств обрабатываемых продуктов, так и от конструкции машины, и в первую очередь рабочего органа.
Для решения поставленной задачи изучали влияние основных конструктивных типов рабочих органов горизонтального смесителя на производительность и удельную мощность.
Для определения мощности, потребляемой при перемешивании вязкопластичных сред, проведены теоретические исследования этого процесса в шнековом смесителе. Сложное течение вязкопластичной среды в горизонтальном канале шнекового смесителя может быть представлено как плоское течение, осуществляемое между двумя плоскими пластинами (рис. 1).
і
е_
А
Рис. 1. Схема винтового канала шнекового смесителя
Рассмотрено плоское течение вязкопластичной среды в зазоре между двумя параллельными пластинами, одна из которых движется со скоростью ио = п • и • п • со8 ф при наличии противодавления. Составляющие скорости среды будут равны: ц = ц (у), иу = 0.
В применении к конкретным условиям дифференциальные уравнения течения Навье - Стокса для вязкопластичной среды примут вид:
ЭР д 2х>,
'¥+п д/ -дР=0.
дУ
= 0,
(1)
(2)
Из уравнения (2) следует, что Р = Р(2). При перемешивании вязкопластичных сред существует лишь трехфазное течение, которое рассмотрено в настоящей работе. При трехфазном течении существуют две зоны градиентного течения (1, 2) и зона пластического стопора (рис. 2).
Интегрируя уравнение (1) с учетом граничных условий прилипания среды к пластинам: у = 0 ц = 7; у = к ц = 7 и при равенстве касательного
; дц „
напряжения сдвига предельному напряжению сдвига, т. е. при у = к1----------= 0,
дУ
дц2
при у = к2------= 0, получаем законы распределения скоростей в гради-
ду
ентных зонах:
ц = и - 2- • [к2-(к - у )1
2п иг
Ц2 = 2- • ~Г [(у - к2 )2 -(к - к2 )2 1
2п иг
(4)
Условие равенства сил, действующих на поверхность пластического стопора, запишется как
к2 - к =
26р ир '
(5)
Из условия равенства скоростей на границе градиентных и стопорной зон получено следующее уравнение:
к2 - (к - к2)2 = 27
(6)
Решая системы (5) и (6) относительно к1 и к2, получим: к 1/2 + 252 + Л - 2В
к
1 - 2В
к^ = 1/2- 2В2 + Л к _ 1- 2В
к
2 иР
к
иР
Объемный секундный расход вязкопластичной среды, подаваемой шнеком, определяется как
(к к \
После подстановки значений скоростей и интегрирования получаем выражение объемного расхода вязкопластичной среды:
п 1 тт и к а Ь • к АР
е = Та1 7 •к •6 -Р1 ~---------------Г" =
2 12^п 1
где
а =-
1 + 2Л - 4ИА + 4И2А2
1 - 2ИА
(7)
(8)
а =-
1/2 + Л - 2И2А
22
1 - 2ИА
(9)
к
0
Р; = б(2а; а2 - а; - а2 + 2/3).
(10)
0 -к
Входящая в выражения (8) и (9) величина И = —0—
является крите
рием Ильюшина, который характеризует соотношение пластического и вязкого напряжений в величине касательного напряжения внутреннего трения. Очевидно, что если И ~ 1, то пластическое и вязкое сопротивления примерно равны.
Дальнейшая задача исследования заключалась в определении мощности, потребляемой при перемешивании вязкопластичных сред в шнековых смесителях.
При работе шнека вся подводимая к нему мощность расходуется на преодоление внутреннего трения при движении вязкопластичной среды (Л1, кВт), а также на перетекание вязкопластичной среды через зазор между корпусом и гребнями шнекового рабочего органа (Л2, кВт). Уравнение для определения мощности при перемешивании имеет вид
При вращении шнекового рабочего органа происходит лобовое обтекание его элементов потоком перемешиваемой вязкопластичной среды. Для решения задачи лобового обтекания воспользуемся методом исследования обтекания с использованием осредненной характеристики - коэффициента гидравлического сопротивления. Учитывая, что силы вязкого трения превалируют над силами инерции и длина участка гидродинамической стабилизации мала, а также то, что окружная скорость среды прнеб-режимо мала по сравнению с окружной скоростью движения элементов конструкции смесителя, представляется возможным пренебречь их взаимным влиянием и представить крутящий момент на валу как сумму моментов, приложенных к отдельным элементам его конструкции.
По условиям обтекания элементы конструкции шнековых смесителей можно представить как центральные пластины, ширина которых равна радиусу вращения наружной кромки Ь = г0.
Поскольку крутящий момент на валу смесителя действует в плоскости, нормальной к оси вращения, он должен уравновешиваться моментом, возникающим при лобовом обтекании элементов конструкции смесителя потоком перемешиваемой вязкопластичной среды:
где Р(г) - тангенциальное усилие, приложенное к единице площади элемента на радиусе г, Па.
N = N1 + N 2 =
■2
(12)
Для центральных элементов в первом приближении можно принять, что изменение давления по их радиусу является линейным:
г
Р(г) = Р0- -, (13)
го
где Р0 - величина давления на краю элемента, Па, связь которого с условиями обтекания можно определить по формуле
Р-и
Ро = 4- ^, (14)
где X - коэффициент гидравлического сопротивления.
При ламинарном режиме X связан с условиями обтекания соотношением
4=—.
Яе
Проведя необходимые преобразования, получим значения Р(г) = АР:
г
АР = п-Х-ц-п—, (15)
го
где Яе - критерий Рейнольдса; 1 - опытный коэффициент; т - динамическая вязкость, Пас.
Из выражения (15) определяется значение перепада давления. Подставляем его в формулу (11) и вычисляем величину мощности, потребляемой при перемешивании вязкопластичных сред в шнековом смесителе.
С целью определения оптимальной частоты вращения и типа рабочего органа горизонтального фаршевого смесителя, позволяющего проводить процесс перемешивания рыбного сырья с минимальными энергетическими затратами, была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка. Основной особенностью ее является возможность изучать процесс перемешивания с различными типами рабочих органов. Это достигается за счет того, что с двух сторон смесителя в опорах подшипниковых узлов находятся два вала, которые через уплотнения входят в рабочую зону и имеют на концах разрезные пазы. Для проведения работ было изготовлено три типа рабочих органов: шнековый, ленточный и лопастный, которые жестко крепятся к валу. Вал имеет на обоих концах выступы, входящие в пазы опорных осей. Места соединений фиксируются кольцами и тем самым достигается возможность их быстрой замены.
Исследования проводили в диапазоне частот вращения рабочего органа смесителя 1,5-6,3 с-1. Цель исследований - определение оптимальных типов рабочих органов и частоты их вращения, которые позволяют осуществлять процесс перемешивания рыбного фарша с минимальными энергетическими затратами и продолжительностью с достижением заданной степени однородности.
На рис. 3 представлена схема установки для перемешивания. Смесь фарша загружают в горизонтальную дежу смесителя, которая установлена на раме. С двух сторон смесителя расположены подшипниковые узлы. На вал, передающий крутящий момент рабочим органам, наклеены тензоре-зисторы, которые соединяются с токосъемником. На другом конце этого вала установлен опорный подшипник и диск. При вращении вала прорези диска входят в отверстия двух фотоэлектрических датчиков. В нижней части рамы установлен электродвигатель постоянного тока, который через упругую муфту соединен с двухступенчатым цилиндрическим редуктором, имеющим величину передаточного отношения и = 1. От редуктора через клиноременную передачу крутящий момент передается на рабочий вал смесителя.
6 7 8 9 10 11 10
Рис. 3. Схема установки для перемешивания:
1 - рама; 2 - электродвигатель; 3 - редуктор; 4 - тензорезисторы; 5 - фотоэлектрические датчики; 6 - диск; 7 - подшипник; 8 - клиноременная передача;
9 - токосъемник; 10 - подшипниковые узлы; 11 - дежа
В процессе перемешивания производилось непрерывное измерение температуры, мощности и частоты вращения вала с рабочим органом. Температуру измеряли автоматическим потенциометром КСП-4. Потребляемую мощность и крутящий момент при перемешивании рыбных фаршей определяли тензометрическим способом. Для этого непосредственно на вал установки под углом 45° к оси вращения были наклеены четыре тензорезистора сопротивлением 200 Ом и базой 20 мм. Тензорезисторы собраны по мостовой схеме. Для подачи питающего напряжения и снятия выходного сигнала при вращении рабочего органа на вал установлен токосъемник, сделанный из текстолитовых колец, на которые запрессованы медные кольца. В пазах вала смонтированы провода, соединяющие медные кольца с тензорезисторами. На токосъемник надето четыре медных подпружиненных контакта, передающих сигнал на аппаратуру измерения.
В результате сил сопротивления со стороны рыбного фарша на рабочий орган смесителя при перемешивании возникает момент сопротивления, который в виде крутящего момента воздействует на вал и приводит к разбалансированию электрической схемы моста тензорезисторов. При
этом возникает электрический сигнал, который через токосъемник и разъем подается на прибор для измерения мощности «Морион».
В процессе работы сигнал тензометрического датчика поступает на усилитель и далее на преобразователь. Последний на каждый импульс, приходящий от датчика частоты вращения и прошедший формирователь, производит цикл преобразования входного напряжения в импульсы, пропорциональные длительности. Эти импульсы поступают на аналоговый интегратор. Имеется возможность работы в трех диапазонах времени интегрирования: 10, 40 и 160 с. Прибор для измерения мощности связан с блоком питания «Агат». Осциллограф К12-22 соединен со своим блоком питания. Схема устройства такова, что позволяет проводить запись любого цикла процесса на фотоленте осциллографа, причем одновременно величину крутящего момента и потребляемой мощности.
Для измерения скорости вращения рабочего органа используется цифровой тахометр 4 ТЦ-3М. Индикация результата измерений производится на световом табло. Для проведения измерений используется монтируемый на валу прерыватель света, представляющий собой диск из непрозрачного для ИК-излучения материала, имеющий 60 прорезей, равномерно расположенных по окружности диаметром 80 мм. Диск с прорезями входит в паз корпуса фотоэлектрического датчика 3 ДФ-1, который для этого устанавливается на кронштейне.
В качестве объекта исследования использовали тефтельную смесь из фарша сазана, приготовленную по технологической рецептуре ГОСТ 12161-88. Компоненты смеси измельчали на волчке с диаметром отверстий в решетке
3 мм. После этого их помещали в горизонтальный смеситель. Исследования проводили при скоростях вращения 15; 30; 45; 60 об/мин с тремя различными типами рабочих органов. Влажность приготовленной фаршевой смеси составляла 0,659-0,709 кг/кг.
В результате исследований было установлено, что при увеличении скорости вращения лопастного рабочего органа от 1,5 до 6,3 с-1 продолжительность перемешивания сокращается с 600 до 240 с. Однако при этом возрастают затраты мощности. Кроме того, в результате повышения скорости движения частиц фаршевой смеси происходит ее частичное разрушение, снижаются прочностные характеристики.
В ходе экспериментов по перемешиванию фаршевых смесей было установлено, что оптимальная угловая скорость вращения составляет 3,1-3,2 с-1. При перемешивании наблюдается изменение размеров частиц компонентов сырья, его частичное перетирание и налипание на стенки мешалки и поверхности рабочих органов. Это приводит к выделению влаги и образованию новых структурных связей. Значение удельной мощности практически не изменяется. При дальнейшем перемешивании происходит разрушение образовавшихся структур, выделение свободной влаги и интенсивное налипание фарша на лопасти. Фаршевая смесь приобретает тестообразную консистенцию, слипается в комки и не заполняет образовавшихся пустот в объеме смесителя. Именно поэтому для рыбных фаршей наиболее эффективно использование лопастных и шнековых рабочих
органов. Для ленточных типов мешалок характерно заполнение их внутреннего объема перемешиваемой массой. При влажности фаршевой смеси сазана 0,659 кг/кг, для лопастного рабочего органа, имеющего скорости вращения 15; 30; 45 и 60 об/мин, рациональная продолжительность перемешивания составляет соответственно 600, 360; 300 и 240 с. Этим значениям скорости вращения соответствует удельная мощность на рабочем валу для лопастного смесителя 1, 3; 2,5; 5,0; 6,7 Вт/кг, для шнекового -2,1; 4,5; 7,5; 8,9 Вт/кг, для ленточного - 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 Вт/кг.
В результате исследований установлено, что с увеличением влажности до 0,709 кг/кг время перемешивания уменьшается до 240-280 с, а удельная мощность уменьшается на 50 %.
Получено 21.02.05
DETERMINATION OF DYNAMIC AND KINEMATIC CHARACTERISTICS FOR STUDYING THE PROCESS OF MIXING FISH FORCEMEAT
V. V. Kogan
In the article there are given results of analytical and experimental studying the process of mixing fish forcemeat. There are defined main types of mixers and types of operation units.
There are worked out theoretic equations for calculating efficiency and power density used for mixing forcemeat in the screw mixer.
There has been designed and performed a unit for detailed studying the process of mixing fish forcemeat in different technological modes. There have been stated ration revolving speed and type of operation unit giving minimum power loses and duration of the process. Humidity being ultimate, minimum power loses are found to be obtained during forcemeat mixing.
