CC BY
13
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 66.047.75 DOI 10.24412/2311-6447-2022-1-112-120
Системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки семян льна
System design of resource-saving machine technology of flax seeds processing
Профессор A.B. Журавлев, доцент Д.А. Бляхман, аспирант A.B. Кирносов, (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств E-mail: alexjav2@mail.ru
доцент И.Н. Сухарев
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра управления качеством и технологии водных биоресурсов
Professor A.V. Zhuravlev, Associate Professor D.A. Blyakhman, Graduate Student A.V. Kirnosov,
(Voronezh State University of Engineering Technologies) chair of Machinery and Apparats of Food Production
E-mail: alexjav2@mail.ru
Associate Professor I.N. Sukharev (Voronezh State University of Engineering Technologies) chair of Quality Management and Technology of Aquatic Bioresources
Реферат. При рассмотрении основных направлений совершенствования процесса сушки дисперсных продуктов был сделан вывод о том, что качественная и эффективная сушка семян льна может быть реализована только при использовании аппаратов с активными гидродинамическими режимами, а такие режимы существуют в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя. Применение данного способа сушки в закрученном потоке теплоносителя в совокупности с новыми конструкторскими решениями позволит улучшить органолептические показатели продукта на выходе за счет белее рациональных режимов сушки во взвешенно-закрученном слое, осуществить автоматизированное управление, благодаря чему повышается оперативность и надежность управления в наиболее оптимальных диапазонах изменения параметров режима работы сушилки, обеспечить снижение энергетических затрат на единицу массы готового продукта. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также анализа информации в области технологии и техники переработки масличных семян разработана машинная технология безотходной переработки семян льна и способ ее автоматического управления. Для системного и функционального анализа ресурсосберегающей машинной технологии разработана операторная модель как система процессов.
Summary. When considering the main directions for improving the drying process of dispersed products, it was concluded that high-quality and efficient drying of flax seeds can be realized only when using devices with active hydrodynamic modes, and such modes exist in devices with a swirling flow of coolant. The use of this method of drying in a swirling flow of coolant in conjunction with new design solutions will improve the organoleptic characteristics of the product at the output due to more rational drying modes in a weighted swirling layer, implement automated control, which increases the efficiency and reliability of control in the most optimal ranges of changes in the parameters of the dryer mode, and reduce energy costs per unit mass of the finished product. The performed theoretical and experimental studies, and analysis of information in the field of technology and equipment for oilseed processing machinery developed technology waste-free processing of flax seed and its automatic control system and functional analysis of resource saving machine technologies developed operator model as a system of processes.
Ключевые слова: льняное масло, ресурсосберегающие машинные технологии, линия переработки семян льна, операторная модель, автоматическое управление, сушка, активный гидродинамический режим.
Keywords: linseed oil, resource-saving machine technologies, flax seed processing line, operator model, automatic control, drying, active hydrodynamic mode.
(Q A.B. Журавлев, Д.А. Бляхман, A.B. Кирносов, И.Н. Сухарев, 2022
Одним из основных направлений развития пищевой промышленности является безотходное производство и разработка ресурсосберегающих машинных технологий для различных пищевых продуктов. Разработку данных технологий можно отнести к прорывным решениям многих существующих проблем, накопившихся в пищевой промышленности.
Производство льна вполне может считаться безотходным производством, так как из стебля производят волокна, которые применяют во многих сферах жизнедеятельности человека, из семян делают масло холодного отжима, которое чаще всего применяют для технических целей, но также используют и в питании человека. Оно богато витаминами разных групп и минеральными веществами, необходимыми для человека.
Льняное масло является не только полезным пищевым продуктом, но может применяться и в медицине. Употребление масла позволяет улучшить работу желудочно-кишечного тракта, а также на его основе производят фармацевтические средства, направленные на лечение конкретных болезней.
В настоящее время широко применяется технология получения льняного масла методом холодного прессования, при которой из очищенных семян отжимается масло, поступающее на очистку и расфасовку. При этом сохраняются все полезные свойства, но большое количество масла остается в жмыхе, который направляют на комбикормовое производство.
Стоит также заметить, что производство льна и его последующая обработка в Росси развита недостаточно. Одной из причин является отсутствие производства механизированных машин, что затрудняет механизацию технологических процессов. Производимые в РФ сушки и уборочные машины не подходят под данную культуру возделывания из-за слишком больших потерь. Закупка зарубежной техники не целесообразна из-за дороговизны, что влияет на себестоимость продукта. В свете государственной политики по импортозамещению более рентабельный путь - это разработка отечественной техники с высокими техническими характеристиками под данный вид культуры.
Одной из наиболее важных характеристик при разработке новых машинных технологий является энергосбережение. Энергосбережение - это одна из основных проблем в современной промышленности. Все новые разработанные технологии должны отвечать данному требованию.
Сушка является самым затратным процессом производства масла с точки зрения энергосбережения. Для решения поставленной задачи предлагается применить новый подход для создания новых видов сушильных аппаратов, чтобы достичь эффекта сокращения удельных энергозатрат, который заключается в модернизации как уже существующих узлов, так и технологии сушки [1, 3, 4, 9, 14].
Предложен проект линии комплексной переработки семян льна, целью которого является уменьшение потерь масла, а также актуальная схема сушки семян в закрученном потоке теплоносителя, подающемся посекционно с различной температурой теплоносителя [5, б, 7, 8, 15].
Операторная модель по переработке безотходным способом льна с режимом энергосбережения представлена на рис. 1. Она состоит из следующих стадий:
- очистка и сушка семян;
- измельчение ядра;
- пропарка и жарение мезги;
- извлечение масла (прессование и экстрагирование);
- очистка (рафинация) масла;
- фасование и хранение.
.л) ►
т 1 Я 20 , 1. 1 \ - | .........™т * \ 0
„Г**-*- Ч — 1 ^^ | :_у г~ 1 \ Жгъа
Рис. 1. Операторная модель технологического потока, производства льняного масла
Процесс производства льняного масла состоит из следующих подсистем и операторов: А - подсистема очистки и сушки семян: операторы: 1,6 - взвешивания; 2,7 - промежуточного хранения; 3 - первичного сепарирования; 4 - вторичного сепарирования; 5 - магнитного сепарирования; 8 - сушки; 9 - охлаждения; Б - подсистема измельчения ядра: операторы: 10 - взвешивания; 11 - промежуточного хранения; 12 - протирания; В - подсистема жарки и извлечения масла: операторы: 13 — жарки; 14 - прессования; 15 - фильтрования; 16 - дробления; 17 - протирания; 18 - экстрагирования; Г - подсистема очистки: операторы: 19 - фильтрования; 20 - предварительной дистилляции; 21 - окончательной дистилляции; Д - подсистема дозирования и хранения: операторы: 22 - взвешивания; 23 - хранения.
Сушка - сложный процесс, который обусловлен многофакторностью и сложностью взаимосвязи и взаимовлияния. Для изучения данного процесса необходимо проведение целого комплекса исследований с разными подходами. Также важно, чтобы органолептические показатели продукта после сушки отвечали всем нормам качества для данного вида продукции [3, 4, 12, 13].
В результате целого ряда исследований нами была разработана машинная технология безотходной переработки семян льна (рис. 2). В начале семена льна попадают в силос С, где происходит их хранение и взвешивание на весах В. Затем семена проходят двойную иногда тройную очистку от примесей и посторонних вещей на сепараторах СТ, оснащённых магнитным уловителем УМ. Примеси, которые были уловлены магнитным уловителем УМ, можно в дальнейшем использовать при производстве комбикормов [5, 7].
Ри.с. 2. Линия переработки семян льна и способ ее автоматического управления.
После взвешивания семена льна направляются в расходный бункер БР, а затем при помощи транспортерной ленты в зону сушки сушильного аппарата, где их подвергают нагреву до температуры 50 °С, что приводит к испарению влаги из семян, которая падает с 9-15 до 2-7 %. После сушки семена охлаждают, взвешивают и направляют на хранение в силос или бункер [7, 15].
Измельчение семян льна проводят один или два раза в зависимости от того, какая фракция должна получиться на выходе, на пятивальном станке СВП. Процесс измельчения семян нужен для сокращения потерь при извлечении масла и убыстрения процесса прессования или экстрагирования продукта.
После измельчения получившаяся мезга поступает в жаровню Ж, где подвергается тепловой обработке, понижается влажность до 5-7 %, а температура возрастает до 105-115 °С. После тепловой обработки семена льна становятся более эластичной формы, которая помогает убыстрить процесс отжима масла [7, 14].
После жаровни мезга льна попадает на шнековый пресс ПШ, где происходит разделение на два продукта - масло и жмых, в котором содержатся остатки масла в количестве 6,0-6,5 %. Чтобы извлечь остатки масла из жмыха и тем самым сократить потери, его сначала направляют на молотковую дробилку ДМ, а затем на вальцовый станок СВП, после чего получившийся продукт направляют в экстракционный аппарат Э для экстрагирования. Экстракционный аппарат содержит две колонны, которые соединены примыкающей планкой, а внутри находятся шнеки для транспортирования жмыха [7]. Обезвоженный продукт - шрот выводится через левую колонну и применяется в дальнейшем при производстве комбикорма.
После экстрагирования в масле содержатся примеси раствора трихлорэтилена, которые очищаются в дистилляторном аппарате ДП, где происходит его нагрев до 105-115 °С. Масло нагревается до заданной температуры при атмосферном давлении и происходит частичное испарение трихлорэтилена. Затем масло направляют сначала в окончательный дистиллятор ДО, где за счет разряженного давления происходит полное удаление трихлорэтилена, а потом направляют на весы. После всех стадий очисток масло из семян льна направляют на стадию фасовки и упаковки [3, 4, 5, 6, 10, 11].
В результате проведенных многолетних теоретических и экспериментальных исследований, а также анализа информации в области технологии и техники переработки масличных семян нами разработана машинная технология безотходной переработки семян льна, которая позволяет осуществить многоуровневый автоматизированный процесс, благодаря чему повышается оперативность и надежность управления в оптимальных диапазонах изменения параметров режима работы, значительно снижается инерционность управления, т.е. уменьшается интервал времени с момента получения информации о ходе процесса до подачи управляющего воздействия на исполнительные механизмы регулирования. При этом повышается чувствительность системы управления процессом на случайные возмущения со стороны работы оборудования, большую часть которых удается полностью компенсировать.
В процессе разработки способа и средств автоматического управления линии переработки семян льна нами выбраны контролируемые и регулируемые параметры (табл. 1) и приборы контроля и регулирования средств автоматизации (табл. 2).
Масса семян измеряется тензометрическими весоизмерительными устройствами 1858 УВТ (табл. 2, поз. 8а), предназначенными для автоматического взвешивания продуктов в емкостях. Устройства установлены в опорах. Усилие, развиваемое в опоре, преобразуется в пропорциональное значение напряжения. Сигнал с тензо-датчиков (поз. 8а) передается на вторичный показывающий прибор ДИСК-250-2021 (поз. 86). В режиме НЦУ сигнал 0-5 шА с выхода ДИСК-250-2021 (поз. 86) поступает на АЦП, где преобразуется в цифровой вид и далее на модуль процессора ПРЦ для отработки [1, 8]. Параллельно текущее значение массы выводится на дисплей и печать.
Температура семян льна в сушилке регулируется на 2 уровнях: локально и в режиме НЦУ. Термометр располагается в приборе ДИСК -250-2431 (поз. 16), который регулируется при помощи ПИ-регулятора.
Таблица 1
Контролируемые и регулируемые параметры
Параметры, подлежащие контролю, регулированию и сигнализации Пределы отклонения параметров Оптим. значение пар-ра Допускаемая погрешность контроля Условия эксплуатации Кол-во точек контроля Примечания
с учетом аварии по технологии абсолют ная относительная
Масса семян в силосе С, кг 2000 -5100 4500 -5000 4700 150 3,33 Обыч. 1 Кс
Масса семян в бункере Б1, кг 2000 -5000 4000 -4500 4200 150 3,57 Обыч. 1 Кс
Температура семян в сушилке СВ, °С 10 - 80 55 - 70 50 1,67 3,33 Обыч. 1 Кр
Влажность семян на выходе из СВ, % 2-7 5-6 5,5 0,17 3,0 Обыч. 1 Кр
Окончание табл. 1
Параметры, подлежащие контролю, регулированию и сигнализации Пределы отклонения параметров Оптим. значение пар-ра Допускаемая погрешность контроля Условия эксплуатации Кол-во точек контроля При-мечан ия
с учетом аварии по технологии абсолют ная относительная
Масса высушенных семян в БР, кг 2000 -5000 3800 -4200 4000 100 2,5 Обыч. 1 Кс
Температура мезги в жаровне Ж, °С 100 -120 105115 100 1,67 1,67 Обыч, 1 Кр
Влажность мезги на выходе из жаровни Ж, % 4-8 5-7 6 0,5 8,3 Обыч. 1 Кс
Температура смеси на выходе из Э, °С 20-250 180-200 190 3,33 1,75 Обыч. 1 Кр
Температура мицеллы в ДП, °С 100 -120 105 - 115 100 1,67 1,67 Обыч. 1 Кр
Разряжение в ДО, Па 2000 -6000 3000 -5000 3500 100 3,46 Обыч. 1 Кс
Таблица 2
Спецификация на приборы и средства автоматизации
Позиция Наименование и техническая характеристика Тип, марка Завод-производитель Кол-во
1а-4а Термометр сопротивления медный ТСМ метран-205 Концерн «Метран», г. Челябинск, шт. 4
16-46 Вторичный показывающий прибор с ПИ-регулятором. Выход 0-5 тА ДИСК-250-1431 Концерн «Метран», г. Челябинск, шт. 4
1в-4в, бв Электропневматический преобразователь. Выход 0,2-1 кгс/см2 01 Г—1324 «Энергоприбор», г. Москва, шт. 5
li^4r, бг Переключатель пневмопотоков ПП-7 «Союзгазавтоматика», г. Москва, шт. 5
1д-4д, 6д Регулирующий клапан с пневмоприводом типа МИ 14 25ч30нж Саранский приборостроительный завод, шт. 5
5а Преобразователь Метран- 100-ДВ Концерн «Метран», г. Челябинск, шт. 1
56 Вторичный показывающий прибор ДИСК-250-2021 Концерн «Метран», г. Челябинск, шт. 1
8а-10а Устройство электро-гензометрическое весоизмерительное 1858УВТ ПО «Вера», г. Ктев, шт. 3
86-106 Вторичный показывающий прибор ДИСК-250-2021 Концерн «Метран», г. Челябинск, шт. 3
ПМ Пускатель магнитный ПМЕ-117 Саранский приборостроительный завод, шт. 7
8в Кнопочная станция ГОСТ 2792-70 КУ-1112А Саранский приборостроительный завод, шт. 7
Окончание табл. 2
Позиция Наименование и техническая характеристика Тип, марка Завод-производитель Кол-о
9а Универсальный переключатель УП-5300 Саранский приборостроительный завод, шт. 7
6а, 7а Электровлагомер в составе: - датчик - измерительный блок ПВЗ-20Д СКВ АП, г. Тбилиси, шт. 1
66, 76 - вторичный прибор ДИСК-250-2421 Концерн «Метран», г. Челябинск, шт. 1
Величина проходного сечения трубопровода подачи горячего воздуха, который подается через регулируемый клапан с пневмоприводом типа МИМ-25ч30нж (поз. 1д), может изменяться при помощи переключатель пневмопотоков ПП-7 (поз. 1г).
В режиме НЦУ сигнал 0-5 тА с выхода ДИСК-250-2431 (поз. 16) поступает на вход АЦП, где преобразуется в цифровой вид и далее на модуль процессора ПРЦ для отработки. Параллельно текущее значение выводится на дисплей и печать. В процессоре ПРЦ вырабатывается управляющее воздействие, которое преобразовывается в электрический сигнал и поступает на электропневматический преобразователь ЭП-1324 (поз. 1в) [5, 8].
В режиме НЦУ сигнал 0-5 тА с выхода ДИСК-250-2021 (поз. 56) поступает на вход АЦП, где преобразуется в цифровой вид и далее на модуль процессора ПРЦ для отработки. Параллельно текущее значение выводится на дисплей и печать.
Запуск двигателя М1 осуществляется посредством кнопки КУ-1112А (8В1). При нажатии кнопки замыкаются контакты магнитного пускателя ПМЕ-117 (КМ 1), приводящего в движение двигатель М1.
В режиме НЦУ сигнал 0-5 тА с процессора ПРЦ согласно заложенной программе поступает через ВДВ, где преобразуется в дескретный токовый сигнал, и переключатель УП-5300 (SAI) посредством магнитного пускателя ПМЕ-117 (КМ1), приводит в действие двигатель сепаратора СТ.
Влажность семян контролируется электровлагомером ПВЗ-20Д (поз. 7а, 76), который контролируется блоком схем и передается как токовый сигнал на специальное считывающее устройство. При отклонении влажности на измерительном блоке влагомера датчик подает сигнал на узел, отвечающий за температурный режим с целью уменьшения температуры. Специальный прибор считывает токовый сигнал, преобразует его в процентную составляющую и передает данные на персональный компьютер в режиме реального времени о состоянии влажности.
В режиме НЦУ токовый сигнал с измерительного блока влагомера ПВЗ-20Д поступает на АЦП, где преобразуется в цифровой вид, и далее на модуль процессора ПРЦ для отработки. Параллельно текущее значение массы выводится на дисплей и печать.
В режиме НЦУ сигнал 0-5 тА с выхода ДИСК-250-2421 (поз. 66) поступает на вход АЦП, где преобразуется в цифровой вид и далее на модуль процессора ПРЦ для отработки. Параллельно текущее значение выводится на дисплей и печать. В ПРЦ вырабатывается управляющее воздействие, которое затем преобразуется в аналоговый сигнал, который затем поступает на ЭП-1324 (поз. 6в), в котором преобразуется в унифицированный пневматический сигнал 0,2-1,0 кгс/см2, который затем поступает на регулирующий клапан.
Таким образом, системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки семян позволяет:
- получить готовый продукт с более высокими органолептическими качественными показателями за счет оптимизации режимных контролируемых и регулируемых параметров;
- обеспечить рациональное использование ресурсов, варьируя их величиной в
зависимости от характеристик готового продукта и хода процесса.
118
ЛИТЕРАТУРА
1. Антипов, С. Т. Тепло- и массообмен при сушке послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст] / С. Т. Антипов, А.
B. Журавлев,- Воронеж: ВГТА, 2006. 252 с.
2. Бахвалов, 11. С. Численные методы [Текст] / Н. С. Бахвалов. - М.: Бином, 2010. - 636 с.
3. Антипов, С.Т. Комбинированные аппараты с закрученным потоком теплоносителя для сушки дисперсных материалов [Текст] / С. Т. Антипов, А. В. Журавлев, Д.А. Казарцев, Д.А. Нестеров, А.В. Бородкина // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания,- 2014,- № 2. -С. 52-59.
4. Журавлев, А.В. Системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки семян рапса [Текст] / А. В. Журавлев, С. А. Марухин // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания .- 2016.- № 1. - С. 42-46.
5. Василенко, В. Н. Разработка теоретических и технологических основ комплексной переработки масличного сырья: монография / В. Н. Василенко, Л. Н. Фролова, И.В. Драган. - Воронеж : ВГУИТ, 2014. -148 с.
6. Перспективная ресурсосберегающая технология производства льна масличного [Текст]: метод, рек. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. - 52 с.
7. Теоретические основы теплотехнических процессов зерноперерабатываю-щих производств [Текст] : учеб. пособие / Г. Г. Странадко, А. А. Шевцов, Л. И. Лыт-кина, В. А. Дятлов,- Воронеж : ВГТА, 2005. - 256 с.
8. Войновский, А. А. Оценка эффективности энергопотребления су-шильного оборудования: автореф. дис. ... канд. техн. наук [Текст] / Войновский А. А. - М., 2005. -17 с.
9. Акаева Т.К., Основы химии и технологии получения и переработки жиров. 4.1. Технология получения растительных масел [Текст] : учеб. пособие / Т. К. Акаева,
C. Н. Петрова,- Иваново, 2007. - 124 с.
10. Бритиков, Д. А. Разработка ресурсосберегающих процессов сушки зерна злаковых и масленичных культур с использованием теплонаносных технологий [Текст]: дис. докт. техн. наук: 05.18.12 / Д.А. Бритиков,- Воронеж, 2013. - 332 с.
11. Данилов, О. Л. Энергосбережение в сушильных установках [Текст] / О. Л. Данилов, С.Ю. Шувалов,-М.: МЭИ, 2002. - 48 с.
12. Шевцов, С. А. Техника и технология сушки пищевого растительного сырья [Текст] / С. А. Шевцов, А.Н. Остриков,- Воронеж: ВГУИТ, 2014. - 289 с.
13. Юкиш, А. Е. Техника и технология хранения зерна [Текст] / А.Е. Юкиш, О.А. Ильина. - М.: ДеАи принт, 2009.-718 с.
REFERENCES
1. Antipov, S. Т. Heat and mass transfer during drying of post-alcohol grain bards in an apparatus with a swirling flow of heat carrier [Text] / S. T. Antipov, A.V. Zhurav-lev. Voronezh: vgta, 2006. 252 p.
2. Bakhvalov, N. S. Numerical methods [Text] / N. S. Bakhvalov. - M.: Binom, 2010. - 636 p.
3. Antipov, S. T. Combination vehicles with a swirling flow of coolant for drying of dispersed materials [Text] / S. T. Antipov, A.V. Zhuravlev, D. A. Kazartsev, D.A. Nesterov, A. V. Borodkina / / Technologies of food and processing industry of AIC -healthy food. Voronezh, 2014, No. 2, Pp. 52-59.
4. Zhuravlev, A.V. Drying chamber with active hydrodynamic mode [Text] / A.V. Zhuravlev / / Collection of scientific papers " Modernization of existing and development of new types of equipment for the food industry" / Voronezh state technol. Acad. - Voronezh, 2004. - P. 28-30.
5. Vasilenko, V. N. Development of theoretical and technological bases of complex processing of oilseeds: monograph / V. N. Vasilenko, L. N. Frolova, I. V. Dragan. - Voronezh : VGUIT, 2014. -148 p.
6. Promising re source-saving technology for the production of oilseed flax: method. REC. - M.: FGNU "Rosinformagrotech", 2010. - 52 p.
7. Theoretical foundations of heat engineering processes of grain processing industries [Text]: textbook, manual / G. G. Stranadko, A. A. Shevtsov, L. I. Lytkina, V. A. Dy-atlov; Voronezh state technical University. Acad.- Voronezh: vgta, 2005. - 256 p.
8. Voynovsky, A. A. Evaluation of the efficiency of energy consumption of drying equipment [Text]: author's abstract ... Cand. tech. [Text] / voynovsky A. A.-M., 2005. -17 p.
9. Akaeva Т. K., Fundamentals of chemistry and technology for obtaining and processing fats. Part 1. Technology for obtaining vegetable oils [Text]: textbook, a manual / Т. K. Akaev, S. N. Petrov : Ivan, state of the chemical.-tekhnol. UN-t; Ivanovo, 2007. -124 p.
10. Britikov, D. A. Development of re source-saving processes for drying grain of cereals and oilseeds using heat-bearing technologies [Text]: Diss. Doct. Techn. Sciences: 05.18.12 / D. A. Britikov // Voronezh, 2013. - 332 p.
11. Danilov, O. L. energy Saving in drying plants [Text] / O. L. Danilov, S. Yu. Shu-valov / / Moscow: MEI, 2002. - 48 p.
12. Shevtsov, S. A. Technique and technology of drying food plant raw materials [Text] / S. A. Shevtsov, A. N. Ostrikov // Voronezh: UGUET, 2014. - 289 p.
13. Yukish A. E. Technique and technology of grain storage [Text] / A. E. Yukish, O. A. ilina. - M.: Delhi print, 2009 - 718 pp.
