CC BY
20
УДК 631.362.62
А. В. Майоров, Д. А. Михеева
Марийский государственный университет, г. Йошкар-Ола
Сравнительный анализ режимов мойки жестяных банок
в моечных машинах струйного и погружного типов
В статье описывается новая конструкция двухсекционной моечной машины. Представлены результаты экспериментальных исследований качества очистки поверхности металлических консервных банок. Определен рациональный режим работы моечной машины.
Ключевые слова: консервы, мойка, очистка, моечные машины, очищаемая поверхность, металлические банки, машины струйного типа, машины погружного типа, режимы мойки, рациональные режимы, анализ режимов мойки.
Консервы занимают в Российской Федерации одно из первых мест по объемам потребления. Это обусловлено рядом причин: широкий ассортимент консервов; рост благосостояния потребителей; повышение спроса на готовые блюда в связи с ускорением темпа жизни; длительный срок хранения консервов; отсутствие специальных условий хранения; удобство в употреблении; сокращение объема домашних консервных заготовок.
Упаковка и этикетка является мощным средством продвижения товара на рынке. Поэтому этикетку на поверхность консервной тары необходимо наклеивать чистой, целой, плотно и аккуратно покрывающей весь корпус банки.
По техническим требованиям работа этике-тировочного автомата должна обеспечиваться на чистых, сухих банках, не имеющих на поверхности следов жира и отвечающих требованиям ГОСТа 5981-88 и ГОСТа 11771-93. Для учета этих требований в технологический процесс производства консервов включена операция по обезжириванию банок при помощи промывочной машины.
От совершенства технологии и моечных установок зависит качество очистки банок, производительность труда, культура производства и себестоимость всего процесса производства консервов.
По критерию удельных затрат энергии на единицу очищаемой поверхности наиболее перспективным является применение струйной и погружной очистки как наименее энергоемких.
Приведем ниже результаты экспериментальных исследований, определяющие основные параметры и режимы мойки наружной поверхности наполненных жестяных банок машинами струйного [1] и погружного типов [2-7].
Проведенные опыты позволили установить производительность процесса мойки, т. е. зависимость очищенной поверхности от концентра-
ции раствора и времени его воздействия на эту поверхность. Как видно из графика (рис. 1), с повышением концентрации раствора происходит увеличение площади, очищенной от загрязнений, которое вначале идет интенсивно, а затем замедляется. Оптимальная концентрация раствора 2-3 %.
Данные этого опыта соответствуют следующим условиям мойки: диаметр цилиндрического отверстия насадки 2 мм, давление вытекающей струи 2,5 кг/см3, температура моющего раствора 70 °С, угол направления струи к поверхности банок 90°, расстояние от насадки до их поверхности 200 мм.
Увеличение температуры моющего раствора приводит к резкой интенсификации процесса мойки только до определенного предела, т. е. до 70-75 °С, дальнейшее ее повышение нецелесообразно и вызывает излишние потери тепла.
с 2 г, мм
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
0,5 1 2 3 4 5 % к Рисунок 1 — Зависимость площади очищенной поверхности Г от концентрации К раствора каустической соды: 1 — продолжительность воздействия струи на обмываемую поверхность в течение 15 с;
2 — продолжительность в течение 45 с; 3 — продолжительность воздействия струи на обмываемую поверхность в течение 90 с
Установлено, что с ростом давления подаваемого раствора увеличивается очищенная поверх -ность. Из графика (рис. 2) видно, что при давлении раствора свыше 3 кг/см2 площадь очищенной поверхности уменьшается. Поэтому нецелесообразно увеличивать давление подаваемого раствора свыше 3 кг/см2 при сминании банок с незначительными и легко отмываемыми загрязнениями.
F, мм" 8000 7200 6400 5600 4800 4000 3200 2400 1600 800
—н J_
F, мм"
10800 9600
8400
7200
6000 4800
3600
2400
1200
/ JL
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 <р Угол в градусах
Рисунок 3 — Зависимость площади очищенной поверхности от угла направления ф струи к поверхности банок при диаметре сопел насадки: 1 мм — кривая 1; 2 мм — кривая 2; 3 мм — кривая 3
В том случае, когда расстояние от насадки до поверхности банок увеличивается (рис. 4), площадь очищенной поверхности уменьшается. Исследования показывают, что целесообразно рекомендовать расстояние от насадки до поверхности банки в пределах 90-120 мм, в зависимости от расположения в моечной машине коллекторов с насадками по отношению к непрерывно движущимся банкам, способа их перемещения в процессе мойки и конфигурации тары.
О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,4 4,0 Р, кг/см"
Рисунок 2 — Зависимость площади очищенной поверхности F от давления Р подаваемого раствора при диаметре сопел:
1 мм — кривая 1; 2 мм — кривая 2; 3 мм — кривая 3;
5 мм — кривая 4
Большое значение имеет также угол, под которым струя из насадки направляется к поверхности банки.
С увеличением угла производительность процесса мойки возрастает (рис. 3) и достигает макси-мумапри ф = 90°, ас уменьшением резко снижается.
Рисунок 4 — Зависимость площади очищенной поверхности от расстояния l между насадкой и поверхностью банки
Вывод. С повышением концентрации и температуры моющего раствора возрастает площадь очищенной поверхности.
Увеличение концентрации раствора более 3 % и его температуры выше 70-75 °С не способствует интенсификации процесса.
Найдена зависимость производительности процесса мойки от давления раствора, подаваемого в насадку при разных диаметрах ее отверстий.
Кроме того, установлено, что при повышении давления более 3 кг/см2 производительность процесса начинает уменьшаться, так как на границе с очищаемой поверхностью наступает определенный гидродинамический режим ударного действия струи.
Площадь очищенной поверхности зависит от угла направления струи в точке ее удара о поверхность банки. Эта зависимость указывает на то, что насадку следует располагать по отношению к транспортируемым банкам таким образом, чтобы струя всегда была перпендикулярно направлена к загрязненной поверхности.
Расстояние от шприцующей насадки до банки целесообразно выбирать в пределах 90-120 мм.
Учитывая поточность консервного производства, анализируя зависимость качества очистки
от вида относительного движения объекта очистки [2-5] и анализируя существующие устройства для мойки консервных металлических банок [6] в Марийском государственном университете разработана погружная двухступенчатая моечная машина с планетарным движением объекта очистки и активацией жидкости путем воздушного барбо-тирования с наружной стороны отмываемых объектов, обеспечивающая малую металлоемкость и энергоемкость, новизна которой подтверждена патентом РФ на полезную модель № 70827 [7].
При исследовании процесса мойки поверхностей жестяных цилиндрических консервных банок моечной машиной наибольший интерес вызвали факторы, не зависящие друг от друга и в наибольшей степени влияющие на процесс очистки, такие как температура и концентрация моющего раствора, частота вращения ведущего колеса, которые были нами исследованы в период технологических испытаний аппарата. Все остальные факторы или зависят от указанных трех, или незначительно, а в некоторых случаях вообще не влияют на процесс мойки. За функцию отклика принято качество очистки, определяемое методом А. К. Кощеева с применением хлопчатобумажных полосок, суть которого заключается в определении площади пятна на этих полосках. Для определения площади пятна на индикаторной хлопчатобумажной полоске была использована программа «Агеа8», разработанная на базе ФГБОУ ВПО «Самарской ГСХА» А. Н. Пермяковым. Погрешность определения площади не превышает 0,001 %.
Согласно ГОСТу 18206-78, ГОСТу 1334585, ГОСТу 2789-73, ГОСТу Р 52204-2004, ГОСТу 5981-88, ГОСТу 11771-73, СанПиНу 2.3.4.050-96, СанПину 42-123-5777-91 качество очистки поверхности жестяных консервных банок К > 93 % соответствует стандарту.
Программа экспериментальных исследований включала несколько этапов и состояла из предварительных однофакторных и полного трехфак-торного экспериментов. Уровни и интервалы варьирования факторов приведены в таблице.
С целью изучения влияния частоты вращения ведущего колеса, температуры и концентрации раствора по отдельности на качество очистки наружной поверхности консервных банок проведены однофакторные эксперименты, где при фиксированных частотах вращения ведущего колеса моечной машины изменяли температуру и концентрацию моющего раствора. Экспериментальные исследования проводились с барботирова-нием моющего раствора. Давление в системе подачи воздуха для барботирования поддерживали постоянным со средним значением 0,5 МПа. При этом диаметр отверстий на дугообразном барботере составлял 2,5 мм. Опыты проводились в трехкратной повторности.
Анализ результатов однофакторных экспериментов показывает следующее:
1) с увеличением частоты вращения ведущего колеса моечной машины при постоянной температуре моющего раствора качество очистки соответствует требованиям стандарта при меньшей концентрации. При частоте п = 15 мин 1 и температуре 85 °С концентрация моющего раствора должна быть не менее 3,5 г/л. То же качество очистки достигается при концентрации моющего раствора 1 г/л и его температуре 85 °С при частоте п = 35 мин-1;
2) увеличение частоты вращения ведущего колеса моечной машины ведет к уменьшению температурного режима. При частоте 15 мин-1 минимальный температурный режим составляет 68 °С при концентрации 5 г/л. То же качество очистки достигается при температурном режиме 48 °С с концентрацией 5 г/л при частоте 35 мин-1;
3) качество очистки интенсивно растет при увеличении концентрации моющего раствора от 1 до 3 г/л. Дальнейшее увеличение концентрации моющего раствора от 3 до 5 г/л весьма незначительно улучшает качество очистки.
При исследовании реализован ортогональный центральный композиционный план трехфактор-ного эксперимента, позволяющий получить адекватное уравнение регрессии качества очистки в зависимости от исследуемых факторов: температуры моющего раствора — I, °С (х^, концентрации моющего раствора — С, г/л (х2), частоты вращения ведущего колеса—щ, мин1 (х3). За функцию отклика принято качество очистки — К, % (Г).
После реализации плана эксперимента и обработки результатов получено уравнение регрессии, проверенное на адекватность по Г0 95 — критерию Фишера:
Уровни и интервалы варьирования факторов
Кодированное значение факторов Название фактора, его обозначение и единица измерения Уровень фактора Интервал варьирования
-1 0 1
Х1 Температура раствора, °С 65 75 85 10
Х2 Концентрация, г/л 1 2 3 1
Х3 Частота вращения колеса, мин-1 25 30 35 5
У = 4,969 + 1,501 ^1 + 14,378 x2 - 0,015-*г*3 -- 0,139 X2 X3 - 1,012-Х22 + 0,038 х32. Для изучения влияния факторов на критерий оптимизации У использовали двумерные сечения поверхности отклика.
Представленные графики (рис. 5-7) не только позволяют устанавливать характер влияния
факторов на функцию отклика, но и являются наглядным материалом для определения рационального режима. Изменение концентрации моющего раствора от 1 до 3 г/л (рис. 5а-в) вызывает изменение качества очистки поверхности консервных банок (У) на 10...17 % во всем интервале изменения температуры моющего раствора
84 82 80 78 76 74 72 70 68 66 84 82 80 78 76 74 72 70 68 66 84 82 80 78 76 74 72 70 68 66
г, °С г, °С г, °С
а б в
Рисунок 5 — Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость качества очистки (У) от факторов х1 (температура / моющего раствора) и х3 (частота п вращения ведущего колеса) при фиксированном значении фактора х2: а — при х2=-1 (С =1 г/л); б — при х2 = 0 (С=2 г/л); в — при х2=1 (С = 3 г/л)
Рисунок 6 — Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость качества очистки (У) от факторов х1 (температура / моющего раствора) и х2 (концентрация С моющего раствора) при фиксированном значении фактора х3: а — при х3 = -1 (п = 25 мин-1); б — при х3 = 0 (п = 30 мин-1); в — при х3 = 1 (п = 35 мин-1)
Рисунок 7 — Двумерное сечение поверхности отклика, характеризующее зависимость качества очистки (У) от факторов х2 (концентрация С моющего раствора) и х3 (частота п вращения ведущего колеса) при фиксированном значении фактора х1: а — при х1 = -1 (/ = 65 °С); б — при х1 = 0 (/ = 75 °С); в — при х1= 1 (I = 85 °С)
от 65 до 85 °С, при этом с увеличением частоты вращения ведущего колеса моечной машины показатель K качества очистки улучшается.
При концентрации моющего раствора 1 г/л (рис. 5а) интервал температурного режима, обеспечивающий качественную очистку поверхности банок, соответствующую требованиям стандарта находится в пределах от 83 до 85 °С при 35 мин-1.
Температурный интервал для концентрации моющего раствора 3 г/л (рис. 5в) составляет от 65 °С при п = 34 мин1 до 85 °С при п = 25 мин1.
При концентрации раствора 2 г/л (рис. 5б) интервал температур составляет от 68 °С при п = 35 мин-1 до 85 °С при п = 28 мин-1.
При максимальной частоте вращения ведущего колеса моечной машины п = 35 мин-1 (рис. 6в) изменение температуры моющего раствора от 65 до 85 °С приводит к улучшению качества очистки поверхности консервных банок (У) в среднем на 11%. При частоте вращения ведущего колеса моечной машины п = 25 мин-1 (рис. 6а) качество очистки банок, соответствующее требованиям стандарта К > 93 %, обеспечивает моющий раствор с температурой от 78 °С при С = 3 г/л до 85 °С при С = 2,1 г/л.
При частоте вращения ведущего колеса моечной машины п = 30 мин1 (рис. 6б) интервал температур составляет от 75 °С с концентрацией раствора 3 г/л до 85 °С с концентрацией 1,8 г/л.
Изменение температуры моющего раствора от 65 до 85 °С (рис. 7а-в) вызывает изменение качества очистки поверхности консервных банок (У) на 11... 18 % во всем интервале изменения концентрации моющего раствора от 1 до 3 г/л, при этом с увеличением частоты вращения ведущего колеса моечной машины от 25 до 35 мин-1 показатель качества очистки поверхности консервных банок (У) улучшается.
При максимальной температуре моющего раствора моечной машины (= 85 °С (рис. 7в) изменение концентрации моющего раствора от С = 1 г/л до С = 3 г/л приводит к улучшению качества очистки поверхности консервных банок (У) в среднем на 11 %. При температуре t = 65 °С моющего раствора (рис. 7а) качество очистки банок К > 93 % обеспечивает моющий раствор с концентрацией от 2,4 до 3 г/л при частоте вращения ведущего колеса 35 и 34 мин-1 соответственно.
При температуре моющего раствора t = 75 °С (рис. 7б) интервал концентрации раствора составляет от 1,4 до 3 г/л при частоте вращения 35 мин-1 и 30 мин-1 соответственно.
Вывод. На основе анализа двумерных поверхностей отклика можно отметить, что моечная машина обеспечивает требуемое качество очистки консервных банок при частоте вращения ведущего колеса 30.35 мин-1, температуре моющего раствора 75.85 °С и концентрации раствора 1.2 г/л.
—т—-
1. Коган Ф. И. Выбор рационального режима мойки жестяных банок // Сборник ЦИНТИпищепрома. Пищевая промышленность (консервная, овощесушильная и пище-концентратная). М.: ЦИНТИпищепром, 1961. Вып. 2. С. 3940.
2. Макаров П. И., Майоров А. В. Расчет параметров привода моечной машины // РгоЫешу Мешуйкас] ргс^иксц
ъ и%^1^(1тетет осЬгопу вгосйо'^ка i 81аш1ап16%г ие: XIV Мг^ъупапЛ^'а копГегепс^а паико^^: Ма1епа1у па копГегепф. Шагеъа^и, 2008. Б. 98-102.
3. Макаров П. И., Юнусов Г. С., Майоров А. В. Определение диаметра ведущего колеса моечной машины // Улучшение эксплуатационных показателей мобильной энергетики: межвуз. сб. науч. тр. Киров: Вятская ГСХА, 2007. Вып. 7. С. 120-124.
4. Юнусов Г. С., Майоров А. В., Дудова Д. А. Обоснование гидродинамического способа очистки банок с их плоскопараллельным движением // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: материалы международной научно-практической конференции / Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2008. Вып. 10. С. 333-337.
5. Юнусов Г. С., Макаров П. И., Майоров А. В. Методика определения производительности и мощности привода моечных машин барабанного типа // Разработка и внедрение технологий и технических средств для АПК СевероВосточного региона Российской Федерации: материалы международной научно-практической конференции. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2007. С. 191-196.
6. Юнусов Г. С., Майоров А. В. Технические средства для мойки банок, деталей и других изделий // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: материалы межрегиональной научно-практической конференции / Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2006. Вып. 8. С. 369-377.
7. Пат. 70827 РФ, МПК В 08 В9/20. Машина моечная для наполненных металлических цилиндрических консервных банок / П. И. Макаров, Г. С. Юнусов, А. В. Майоров. Заявлено 17.05.2006. Опубл. 20.02.2008 // Бюл. 2008. № 5. 7 с.
1. Kogan Г. I. Vyboг га18юпа1шо?о геъЫта тоук ъИе811-уапукЬ Ьапок // БЬогтк СЮТ1р18ЬсЬергота. К8ЬсИеуауа ргошу8И-1еппо81 (кошегтаауа, оуо8ЬсИе8шЫ1пауа i р18ксИе-ко^зейгаШауа). М.: СЮТ^ЬЛергот, 1961. Vyp. 2. Б. 3940.
2. Макагоу Р. I., Мауогоу А. V. Яа8сИе1 рагате1хоу pгivoda тоесЬпоу та8И1пу // РгоЬ1ету 1п1еп8уГ1ка18у1 рго-duktsyi ъ"шегъ?сеу ъ uwzg1?dnienieш осЬгопу sгodowiska i standaгd6w ие: XIV Mi?dzynaгodowa копГегепсуа naukowa: Mateгia1y па копГегепсу?. Waг-szawa, 2008. Б. 98-102.
3. Макагоу Р. I., О. S. Уыпыяоу, Мауогоу А. V. Opгede1enie diametгa vedushchego ko1esa тоесЬпоу шashiny // U1utshenie
A. B. Mahopob, fl. A. Mhxeeba
53
ekspluatatsionnykh pokazateley mobilnoy energetiki: mezhvuz. sb. nauch. tr. Kirov: Vyatskaya GSHA, 2007. Vyp. 7. S. 120-124.
4. Yunusov G. S., Mayorov A. V., Dudova D. A. Obosnovanie gidrodinamicheskogo sposoba ochistki banok s ikh ploskopa-rallelnym dvizheniem // Aktua'nye voprosy sovershenstvovaniya tekhnologii proizvodstva i pererabotki produktsii selskogo khozyaystva: materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii / Mar. gos. un-t. Yoshkar-Ola, 2008. Vyp. 10. S. 333337.
5. Yunusov G. S., Makarov P. I., Mayorov A. V. Metodika opredeleniya proizvoditelnosti i moshchnosti privoda moech-nykh mashin barabannogo tipa // Razrabotka i vnedrenie tekhnologiy i tekhnicheskikh sredstv dlya APK Severo-
Vostochnogo regiona Rossiyskoy Federatsii: materialy mezhdu-narodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Kirov: NIISH Severo-Vostoka, 2007. S. 191-196.
6. Yunusov G. S., Mayorov A. V. Tekhnicheskie sredstva dlya moyki banok, detaley i drugikh izdeliy // Aktualnye vo-prosy sovershenstvovaniya tehnologii proizvodstva i pererabotki produktsii selskogo khozyaystva: materialy mezhregionalnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii / Mar. gos. un-t. Yoshkar-Ola, 2006. Vyp. 8. S. 369-377.
7. Pat. 70827 RF, MPK V 08 V9/20. Mashina moechnaya dlya napolnennykh metallicheskikh cilindricheskikh konserv-nykh banok / P. I. Makarov, G. S. Yunusov, A. V. Mayorov. — Zayavleno 17.05.2006. Opubl. 20.02.2008 // Byul. 2008. № 5. 7 s.
A. V. Mayorov, D. A. Mikheeva
Mari State University, Yoshkar-Ola
The Comparative Analysis of Tin Washing Regimes in Spray-washing and Dunking Washing Machines
The article describes a new construction of a two-section washing machine and presents the results of experimental research connected with the quality of the surface of metal tins cleaning. The rational regime of washing machine performance has also been determined.
Key words: tinned food, washing, cleaning, washing machines, cleaning surface, tins, spray-washing machines, dunking washing machines, washing regimes, rational regimes, washing regimes analysis.
