CC BY
13
УДК 664.951.002.5
В.И. Погонец
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ РАЗДЕЛКИ
САЙРЫ И САРДИНЫ ТИХООКЕАНСКОЙ
Проведены исследования процесса вакуумной разделки сайры и сардины тихоокеанской с использованием тензометрии и осциллографирования. Выявлены параметры процесса и изложено его объяснение и обоснование.
Ключевые слова: вакуумная разделка рыб, тензометрия процесса, осциллографирование, оптимальные параметры.
V.I. Pogonets
STRAIN GAUGE STUDIES OF THE PROCESS OF VACUUM CUTTING SAURY AND
SARDINES IN THE PACIFIC
The process vacuum cutting saury and Pacific sardine using strain gauges and oscilloscope. The parameters of the process and set forth his explanation and justification.
Key words: vacuum cutting the fish, strain measurement process, oscillography, optimal parameters.
Для оценки прочности связи внутренностей со стенками брюшной полости у рыб (сайры и сардины), усилий их отрыва, распределения давления в вакуумной насадке при вакуум-отсосе проведены тензометрические исследования этого процесса в лабораторных условиях на сырье охлаждённом и дефростированном 3-, 5-, 10- и 11- часового хранения.
Измерение усилий отрыва внутренностей рыб, разрежений в трубопроводе и вакуум-насадке проводили тензорезисторами по схеме, приведённой на рис. 1. Обезглавленную рыбу 1 за хвостовой плавник крепили к тензометрическому динамометру 2, чувствительный элемент которого выполнен в виде балки равного сопротивления, на которую наклеивали тензо-датчики.
Рис. 1. Схема записи усилий отрыва внутренностей у рыб и разрежений в насадках с помощью тензорезисторов Fig. 1. The scheme records the efforts of separation of the viscera from the fish and vacuum in the nozzle using strain gages
Рыбу фиксировали на гибкие нити 12 и подводили головным срезом к вакуум-насадке 8, выполненной из прозрачного органического стекла. На стеклянный трубопровод 10 устанавливали регулировочный кран вакуума 11. На полые пружины вакуумметров 9 наклеивали тен-зорезисторы марки 2ПКБ-5-100 (рис. 2). В схеме использовали комплект аппаратуры, состоящий из тензометрического усилителя 5 марки 8АНЧ-7М с блоком питания 6, магазин сопротивлений Р156 (4), служащий для регулировки сигнала, поступающего от тензорезисторов и светолучевой двенадцатишлейфовый осциллограф Н115 (3) с блоком питания П133 (7).
Рис. 2. На фотографии показан метод установки тензорезисторов на полые пружины вакуумметров Fig. 2. The photo shows the installation method of the strain gauges on the hollow spring vacuum gauges
Эксперименты проводили с подачей воды в насадку, отдельные опыты проводили без подачи воды.
Для расшифровки полученных при экспериментах осциллограмм в масштабе усилий и разрежений, тензометрический динамометр, а также полые пружины вакуумметров подвергали статической градуировке. Вакуумметры градуировали на переносном приборе системы Петрова (марки ППР-2М). Ультрафиолетовую запись осциллограмм выполняли на фотоленте типа УФ.
Рис. 3. Осциллограмма процесса вакуум-отсоса внутренностей у сардины
(L = 0,185 м; l4= 0,015 м; a = 0,042 м) Fig. 3. The oscillogram of the process the vacuum suction entrails from sardines (L = 0,185 м; l4= 0,015 м; a = 0,042 м)
При расшифровке осциллограмм установлено, что прочность связи внутренностей с брюшной полостью у сайры и сардины с увеличением их размерного состава увеличивается. Разрежение в вакуум-насадках, необходимое для вакуум-отсоса компонентов полости, также возрастает с увеличением размеров рыб.
На рис. 3, 4 представлены отдельные осциллограммы с записью процесса вакуум-отсоса внутренностей сайры и сардины. Кривые изменения разрежений в цилиндрических вакуум-насадках соответствуют показаниям вакуумметров № 1, 2, 3 в момент отрыва жгута внутренностей. Прочности связи внутренностей с брюшной полостью соответствуют кривые тензо-метрического динамометра. Расстояние между вертикальными прямыми на осциллограммах соответствует времени = 0,1 с. Под осциллограммами указаны линейные размеры рыбы и параметры выступающей части жгута внутренностей её.
При исследованиях процесса вакуумной разделки рыб использовали скоростную киносъёмку, которую проводили со скоростью 1000 кадров в секунду.
Рассмотрение результатов исследования процесса извлечения внутренностей, полученных при использовании прозрачного насадка и скоростной киносъёмки, показало, что развитие исследуемого процесса протекает по этапам. Отмечено, что в первую очередь начинает двигаться твёрдая фаза, находящаяся вблизи головного среза и покрывающая (частично) поверхность собственно жгута внутренностей. Из всего промежутка времени отрыва на этот этап уходит приближённо Д^ ~ 5-10 % времени.
Рис. 4. Осциллограмма процесса вакуум-отсоса внутренностей у сайры
(L = 0,33 м; l4= 0,024 м; a = 0,034 м) Fig. 4. The oscillogram of the process the vacuum suction of the guts of saury (L = 0,33 м; l4= 0,024 м; a = 0,034 м)
Следующим этапом процесса является срыв жидкой фазы с поверхности жгута внутренностей, при этом отчётливо было заметно, как эта фаза разбрызгивается по стенкам насадка перед процессом отрыва. Необходимо подчеркнуть, что промежуток времени, прошедший с момента срыва твёрдой фазы до срыва жидкой (иначе, время срыва жидкой) больше, чем Д(}, что объясняется, на наш взгляд, значительной вязкостью последней. Величина Д^2 изменяется в проведённых опытах приблизительно в пределах
10 % < At2 < 90 %
от общего времени отрыва.
И наконец, последний, третий, этап процесса характеризуется большой скоростью его течения. В этот период величина Atз оказывается много меньше величин Д^ и причём удаётся установить только порядок их величин при записи на осциллографе со скоростью движения осциллографической ленты V = 2,5 м/с. При анализе результатов осциллографиро-вания и киносъёмки удаётся отчётливо заметить только второй и третий этапы процесса: сразу за срывом жидкой фазы - отрыв непосредственно жгута внутренностей.
Из сказанного ясно, что изучение исследуемого процесса должно выполняться также по этапам.
Кроме того, при изучении кадров отснятой киноленты отмечается вытягивание внутренностей в жгут сразу после первого этапа, т. е. одновременно со срывом жидкой фазы. Причём этот процесс вытягивания конечен как во времени (меньше Дt2), так и в отношении величины деформации, после некоторой деформации жгут внутренностей далее ведёт себя подобно твёрдому телу. Вакуумное удаление внутренностей рыб показало некоторые особенности, которые имеют большое практическое значение. Объяснение природы этих процессов, на наш взгляд, следующее.
В ходе проведения опытов установлено, что процесс экстракции внутренностей рыб является нестационарным и осуществляется за счёт возникновения тангенциальных усилий при движении воздуха между стенкой вакуум-насадки и поверхностью жгута внутренностей. При входе последних в головную зону вакуум-насадки с их поверхности в начальный момент потоком воздуха срываются частицы, обволакивающие твёрдую фазу, слизь и жир.
Атмосферное давление, на первый взгляд способствующее выдавливанию внутренностей из брюшной полости рыбы, при нахождении её на некотором расстоянии от входного отверстия вакуум-насадки, в первый момент существенным образом не влияет на процесс их извлечения. Для проверки данного положения был выполнен следующий эксперимент. При полном перекрытии входного отверстия вакуум-насадки срезом внутренностей, т. е. при исключении подсоса воздуха, извлечения внутренностей из полости рыбы не наблюдалось. В отдельных случаях имело место лишь частичное вырывание их, а также створок полости без последующего движения внутренностей по трубопроводу.
Применение цилиндрических насадок с зазором для прохождения воздуха между стенкой и поверхностью внутренностей при опытах на рыбе одного размерного состава показало, что внутренности в большинстве опытов стремятся занять центральное положение относительно геометрической их оси, при этом они формируются в цилиндрический жгут.
В опытах при уменьшенном разрежении в системе наблюдалось опускание внутренностей к нижней стенке насадка, но полного соприкосновения их со стенками не происходило. Поток воздуха способствует их подъёму и удержанию во взвешенном состоянии в центральной части канала.
Установлено, что применение цилиндрических насадок при вакуум-отсосе внутренностей из полости сайры и сардины требует более низкого разрежения системы, чем при применении цилиндро-конической формы насадок. При использовании последних создаётся возможность уменьшить мощность и энергоёмкость вакуумной системы в целом, рациональнее использовать вакуум, при этом качество зачистки брюшной полости рыбы не ухудшается. Характерной особенностью применения цилиндро-конических насадок является то, что сужение канала насадки на некотором расстоянии от входного сечения даёт возможность искусственно увеличить разрежение в цилиндрическом участке насадки, в то время как величина разрежения в системе остаётся постоянной. Незначительное местное уменьшение площади минимального сечения канала насадки способствует увеличению скорости потока воздуха и значительному понижению давления в рабочей части, что, на наш взгляд, с экономической точки зрения наиболее выгодно. С физической стороны процесса это способствует увеличению усилий отрыва внутренностей и лучшему захвату их во входной части насадка при первоначальной операции вакуум-отсоса.
Переходя к рассмотрению течения воздуха в пограничном слое жгута внутренностей, заметим, что скорость внешнего потока нам известна. Для решения задачи необходимо знать ещё распределение давления вдоль пограничного слоя жгута внутренностей. Кроме того, как мы в дальнейшем покажем, скорость течения рабочей среды в насадке не превышает V < 100 м/с, что позволяет нам рассматривать нашу среду как несжимаемую [3, 4]. Градиент давления определится из уравнения
1 дР дУ
р бх ££ сйс ' (1)
где х - координата вдоль линий тока и, следовательно, параллельная поверхности жгута внутренностей;
V - скорость на внешней границе пограничного слоя.
Так как эта скорость не зависит от продольной координаты, выражение (1) перепишется в виде:
Независимость внешней скорости от этой координаты позволит получить в дальнейшем точное решение уравнения, которое запишется в виде:
9и Э2 и Ж
= (3)
дЬ Ну2 •
В это уравнение следует подставить значение скорости. Однако особенность исследуемого процесса заключается в наличии предварительного срыва твёрдых элементов, жидкой фазы, а также относительно большая вязкость фазы (состоящей из органических соединений), покрывающая поверхность жгута внутренностей, даёт возможность несколько упростить задачу. В самом деле, положив минимальную допустимую скорость V = 10 м/с, которая соответствует небольшим, практически неиспользуемым в силу недостаточности возникающего тангенциального усилия перепадам давлений, получим, взяв для длины выступающей части жгута внутренностей I = 0,02 м:
2 ■ 0,02 1 10
Такой промежуток времени значительно меньше времени срыва жидкой фазы с поверхности жгута внутренностей, что следует из результатов скоростной киносъёмки и является вполне понятным, так как вязкость этой фазы достаточно велика.
Отсюда следует, что скорость к моменту срыва с поверхности жгута внутренностей жидкой фазы уже достигнет своего асимптотического значения.
Рассмотрим распределение скоростей в пограничном слое жгута внутренностей. Граничные условия для поставленной задачи запишем следующим образом, в наиболее общем виде:
и = при у = 0 ,
и = К(£-) при у > £ , где - скорость движения верхней границы жидкой фазы внутренностей;
Г:;:; - скорость на внешней границе пограничного слоя, образовавшегося на поверхности этой вязкой фазы.
Схема распределения скоростей может быть в нашем представлении показана на (рис. 5). Изображённый на этом рисунке профиль скоростей условен, так как истинный характер изменения скорости вдоль нормальной координаты нам пока неизвестен. Цель этой иллюстрации - показать наличие в первоначальный момент двухслойной схемы в исследуемом случае. Кроме того, ось х пока также условно направлена по границе между жидкой фазой и газовым пограничным слоем.
В силу больших скоростей внешнего течения промежуток времени от начала процесса до срыва жидкой фазы относительно мал - согласно данным киносъёмки составляет 5^10 % времени всего процесса отрыва.
В определённый момент времени жидкая фаза срывается потоком, а выступающая часть внутренностей прочно им захватывается и дополнительно вытягивается. В это время действует максимальное тангенциальное усилие на поверхность жгута и создаётся реальная возможность отрыва вытянутого жгута. Именно это усилие нас и интересует в теоретическом плане.
После срыва жидкой фазы граничные условия к поставленной задаче запишем иначе:
и = 0 при у = 0
и
= I7 при у > з
(5)
Кроме того, за время срыва этой фазы скорость внешнего течения достигает своего асимптотического значения и, следовательно, перестаёт зависеть от времени.
В этом случае уравнение (3) приводится к уравнению теплопроводности и при граничных условиях (5) имеет точное решение.
Рис. 5. Схема распределения скоростей воздуха в пограничном слое извлекаемого жгута внутренностей у рыб Fig. 5. The scheme of distribution of air velocities in the boundary layer extracted harness the innards of the fish
Введём новую безразмерную переменную (как это делается в теории теплопроводности [5]):
У
и положим: = '' ■ ■■ •
Тогда для функции * имеем дифференциальное уравнение: Граничные условия к этому уравнению с учётом замены переменной будут:
при п = 0
при г| = со. (8)
Решение уравнения (3) будет тогда иметь следующий вид:
ч
Распределение скоростей, таким образом, будет описываться интегралом ошибок.
Следует заметить, что в выражении (9) отсутствует координата х. Такое решение как раз и соответствует исследуемому случаю, так как в соответствии с особенностью нашего процесса точку начала пограничного слоя на жгуте внутренностей указать точно нельзя. Как мы уже указывали, задача подобна обтеканию пластины в две противоположные стороны. Решение (9), вообще говоря, неприменимо для тех случаев вблизи передней кромки пластины (где имеет место влияние этой кромки), однако вполне соответствует исследуемому случаю.
Кроме того, мы также в силу особенности исследуемого процесса задаем ещё и граничные условия для времени, так как весьма затруднительно указать точные моменты удаления твёрдой и жидкой фаз.
Иначе говоря, такое неполное решение при точности решений уравнения (9) как раз и соответствует нашему исследуемому случаю.
Определим тангенциальные напряжения, усилия засасывания и полное сопротивление отрыва жгута внутренностей. Следующим этапом решения этой задачи является определение напряжений трения на поверхности жгута внутренностей.
Напряжения трения определяются следующим образом:
т = "(|)у=„- <ю)
где ц - коэффициент вязкости рабочей среды (воздуха в нашем случае).
Определим значение производной по нормальной координате. Для этого дифференцируем выражение (9) по у:
du 2V
f У1
О1)
Находя значение производной на поверхности жгута внутренностей и подставляя в прежнее (10), получим:
Подставляя в это выражение значение асимптотической скорости, получим:
(12)
В приведённых выражениях: р - плотность воздуха,
V - коэффициент кинематической вязкости воздуха. Усилия засасывания, действующие на всю поверхность жгута внутренностей, определятся из следующей формулы:
dA
i
(13)
Подставляя в это выражение значение производной и учитывая, что искомая сила будет функцией времени, получим:
где а - периметр жгута внутренностей,
I - длина выступающей части жгута.
Сила, определённая формулой (14), действует очень короткий промежуток времени, от момента срыва жидкой фазы до полного затягивания выступающей части жгута в вакуумный насадок.
В итоге на жгут внутренностей действуют, после этого момента, две силы: сила засасывания и сила от перепада давления, проявляющаяся в полной мере только тогда, когда £[■ создаёт условия для вытягивания внутренностей в жгут. Она будет равна:
(15)
где £ - площадь сечения жгута внутренностей в концевом сечении рабочей части насадка.
Следует сразу же отметить, что вторая сила, соответствующая = АР15, много больше
по величине, чем первая. Однако необходимо разделить время существования этих сил: первая из них появляется раньше, независимо от второй, и существует дольше, порождая вторую.
Сопоставление экспериментальных результатов и данных наших приближённых теоретических исследований мы приведём по двум направлениям. Первое из них - сравнение по-
лученных результатов в качественном направлении; под этим мы понимаем теоретические выводы конструктивного характера, имеющие целью оптимизацию исследуемого процесса.
Второе направление - сопоставление количественных данных экспериментов и величин сил, рассчитанных для этих случаев по полученным формулам.
Так, необходимость наличия зазора для прохода рабочей среды - воздуха, подтверждённая опытом, свидетельствует о правильном представлении природы процесса, конкретно в данном случае - о том, что предварительным этапом процесса является засасывание внутренностей в рабочую часть насадка. В противном случае отрыв жгута внутренностей имел бы место и при экспериментах без подсосов (точнее при незначительном подсосе) воздуха.
Необходимость прохода воздуха уже в рабочей части насадка в кольцевом зазоре, вытекающая из теоретических предпосылок, также подтверждается экспериментами - в тех случаях, когда имеет место отсутствие этого зазора, происходит закупорка насадка внутренностями или последующий их отрыв получается некачественным.
Не входя пока в подробное рассмотрение величин сил, возникающих при экстракции внутренностей исследуемым способом, заметим, что перечисленные факторы в полной мере качественно подтверждают картину процесса, представленную в виде описанных ранее последовательно протекающих этапов.
На основании полученных теоретических данных создаются предпосылки для выбора оптимальных режимов проведения процесса вакуумной разделки рыб.
Выводы
На основании проведённых исследований можно констатировать:
1. Разделка сайры и сардины различного размерного состава с помощью вакуума возможна, качество разделки в сравнительном отношении с механическим способом лучше.
2. Выявлено что, более приемлемыми с точки зрения качества разделки являются цилиндрические насадки с площадью входного отверстия от 113-10-6м2 до 154-10-6м2 и насадка с формой сечения в виде эллипса с площадью отверстия 125-10"6м2.
3. Оптимальная величина разрежения в насадках находится в пределах от 3,45-104Па до 6,11-104Па.
Список литературы
1. Погонец, В.И. К вопросу оптимизации процесса разделки рыб вакуум-способом /
B.И. Погонец // Науч. тр. Дальрыбвтуза. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2011. - Вып. 23. -
C.263-266.
2. Погонец, В. И. Исследования процесса разделки сардины тихоокеанской вакуумным способом / В.И. Погонец // Науч. тр. Дальрыбвтуза. - Владивосток: Дальрыбвтуз, 2016. -Вып. 38. - С. 96-100.
3. Прандтль, Л. Гидроаэромеханика / Л. Прандтль. - М.: ИЛ, 1951. - 575 с.
4. Романов, А.А. Основные направления создания и совершенствования рыборазделочных машин / А.А. Романов. - М.: ЦНИИТЭИРХ, 1974. - Сер.4, вып. 2. - 85 с.
5. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. - М.: Наука, 1969. - 742 с.
Сведения об авторе: Погонец Владимир Ильич, доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected].
