Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих способов и технических средств для обработки кишечного сырья убойных животных
1.1. Ресурсы и требования, предъявляемые к кишечному сырью
1.2. Электрофизические параметры обрабатываемого сырья
1.3. Анализ существующих способов и технических средств для обработки кишечного сырья убойных животных
1.4. Выводы по разделу, цель и задачи исследования
2. Теоретическое обоснование параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных
2.1. Структура моделирования технологического процесса воздействия физических факторов на кишечное сырье
2.2. Обоснование электродинамической системы СВЧ генератора с передвижными перфорированными сферическими резонаторами
2.3. Описание процесса воздействия ультразвуковых колебаний на кишечное сырье
2.4. Методика согласования параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных
2.5. Выводы по разделу
3. Методика и средства экспериментальных исследований
3.1. Программа экспериментальных исследований
3.2. Частные методики исследований и измерительная аппаратура
3.3. Операционно-технологическая схема обработки кишечного сырья убойных животных 3.4. Разработанные установки для обработки кишечного сырья убойных животных
3.5. Выводы по разделу
4. Результаты исследования технологического процесса обработки кишечного сырья убойных животных
4.1. Расчет конструктивно-технологических параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных
4.2. Результаты экспериментальных исследований динамики нагрева кишечного сырья при воздействии ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний
4.3. Результаты исследования органолептических, физико-химических и микробиологических показателей обработанного кишечного сырья
4.4. Определение эффективных технологических параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных
4.5. Исследования мощности потока излучений СВЧ установки для обработки кишечного сырья
4.6. Результаты исследований и выводы по разделу
5. Оценка эффективности применения установки для обработки кишечного сырья убойных животных
5.1. Технико-экономические показатели применения установки для обработки кишечного сырья убойных животных
5.2. Рекомендации производству по обработке кишечного сырья с использованием физических факторов
5.3. Особенности эксплуатации установки с УЗ и СВЧ генераторами для обработки кишечного сырья убойных животных
Результаты исследования и выводы
Литература
- Анализ существующих способов и технических средств для обработки кишечного сырья убойных животных
- Обоснование электродинамической системы СВЧ генератора с передвижными перфорированными сферическими резонаторами
- Частные методики исследований и измерительная аппаратура
- Результаты исследования органолептических, физико-химических и микробиологических показателей обработанного кишечного сырья
Введение к работе
Актуальност ь. По статистическим данным средний объем кишечного сырья по РФ составляет 278 588 т/год, а по ЧР – 549 т/год. Каждый мясокомбинат средней мощности обрабатывает 1,5…1,8 т/сутки кишечного сырья. В связи с этим, поиск технологии, обеспечивающей качественную обработку кишечного сырья убойных животных и использование его в виде натуральной оболочки колбасных изделий, актуален.
Технологический процесс обработки кишечного сырья трудоемок и включает ряд механических, тепловых и биохимических операций: освобождение от содержимого, обезжиривание, удаление слизистой оболочки (шлямовка), охлаждение, консервирование, калибровку и упаковку. На сельских убойных пунктах большим затруднением является удаление с поверхности кишок балластных оболочек (жира и слизистой оболочки). В этих условиях после операции отжатия с поверхности кишечного сырья удаляют жир и промывают, выворачивают и погружают на 4 ч. в чаны с 20%-ным раствором поваренной соли, содержащим 1 % щавелевой кислоты и 2 % хлористого кальция.
Известно, что для обработки кишечного сырья применяют разные механические устройства с рифлеными валковыми механизмами. Кишечное сырье при протягивании между отжимными вальцами подвергается мятию с соскабливающим воздействием, ввиду чего оболочки разрыхляются и их можно удалить с основной пленки на шлямодробильной машине. При этом кишки приходится сильно подтягивать и чрезмерно сдавливать, что нарушает их прочность, и они рвутся. Исключить эти недостатки в полной мере на базе традиционных методов обработки кишечного сырья чрезвычайно затруднительно, что является причиной необходимости поиска новых эффективных методов обработки. В разработанной установке для обезжиривания кишечного сырья убойных животных предлагается использовать комбинированное воздействие ультразвуковых (УЗ) колебаний и электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). При данном способе обеспечивается получение широкого ассортимента натуральных оболочек для колбасных изделий из кишечного сырья. Обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья происходит за счт совместного действия разных нелинейных эффектов, возникающих в жидкости под действием мощных УЗ колебаний и ЭМПСВЧ. Для этого необходимо обосновать интенсивность УЗ колебаний и напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющих обезжиривать сырье и разрушить клеточную мембрану микроорганизмов. Известно, что при ка-витационном воздействии в сырье разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Эффективность ультразвукового воздействия повышается с увеличением температуры обрабатываемого сырья за счет воздействия ЭМПСВЧ. Поэтому диэлектрический нагрев кишечного сырья обеспечивает эффективное разрушение защитных оболочек микроорганизмов. В связи с чем, технология обработки кишечного сырья предусматривает последовательное многократное воздействие УЗ колебаний и ЭМПСВЧ.
Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку способов обработки кишечного сырья убойных животных внесли работы известных ученых: В.И. Ивашова, А.И. Бредихина, А.И. Пелеева, В.М. Горбатова, И.А. Рогова, М.Л. Файвишевского и др. Несмотря на наличие различных подходов к способам и средствам обработки кишечного сырья убойных животных в работах ученых
недостаточное внимание уделено влиянию многих технологических факторов на качество оболочки колбасных изделий. Анализ исследований, выполненных многими авторами, позволяет выделить основные технологические операции, требующие дальнейшего совершенствования: операция обезжиривания (удаление жира с поверхности) и обеззараживания кишечного сырья.
Целью настоящей работы является обоснование и разработка параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных воздействием ультразвуковых колебаний и электромагнитного поля сверхвысокой частоты, обеспечивающих улучшение качества сырья.
Объектом исследования являются технологический процесс обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных и установка для его реализации.
Предметом исследования является выявление закономерностей процесса комбинированного воздействия физических факторов на кишечное сырье убойных животных.
Концепция. Руководствуясь теорией электромагнитных волн и ультразвуковых колебаний, решена научно-техническая задача – разработка установки, обеспечивающей эффективное обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья убойных животных за счет многократного комбинированного воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ.
Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля СВЧ диапазона и ультразвуковых колебаний. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам, с применением электронной цифровой регистрирующей аппаратуры. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента. Структуру кишечного сырья и качество оболочки для колбасных изделий оценивали через органолептические, физико-химические и микробиологические показатели по методикам, рекомендованным соответствующим ТУ10.02.01.148-91 «Кишки свиные обработанные».
Научную новизну результатов исследования представляют:
- методика, позволяющая обосновать параметры рабочего органа и режимы ра
боты установки, обеспечивающей обезжиривание и обеззараживание кишечного
сырья убойных животных комбинированным воздействием электромагнитного
поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний;
- закономерности влияния режимов работы установки на снижение бактериаль
ной загрязненности, динамику нагрева кишечного сырья с учетом изменения его
диэлектрических и физико-механических параметров в процессе обработки;
установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде передвижных сферических перфорированных резонаторов СВЧ генераторов в тороидальном волноводе, служащем экранирующим корпусом и резервуаром ультразвукового генератора (заявка на изобретение № 2014100559 «Установка для обработки кишок убойных животных» от 09.01.2014 г.);
электротехнология обработки кишечного сырья убойных животных, рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки с
применением СВЧ и УЗ генераторов, обеспечивающих улучшение качества оболочки колбасных изделий при сниженных эксплуатационных затратах. Практическую значимость представляют:
изготовленная и апробированная в производственных условиях установка для обработки кишечного сырья убойных животных, позволяющая улучшить качество оболочки колбасных изделий при сниженных эксплуатационных затратах;
методика обоснования эффективных режимов обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных воздействием УЗ колебаний и ЭМП-СВЧ в передвижных сферических перфорированных резонаторах, расположенных в тороидальном резервуаре УЗ генератора; конструкторская документация установки для обработки кишечного сырья убойных животных.
Реализация результатов исследований. Исследования проведены в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ, раздел «Нанотехно-логии». В соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА исследования технологического процесса обработки кишечного сырья убойных животных осуществлялись в лаборатории «Электротехнологии». Апробирование технологии и разработанной установки осуществляли в процессе производства колбасных изделий в мясном цехе ОАО «Приволжское» Чебоксарского района ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе следующих вузов: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», АНО ВПО «Региональный институт технологии и управления», ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ имени Н.П. Огарева».
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены, обсуждены и удостоены дипломов и сертификатов за активное участие: - на всероссийских и международных научно-практических конференциях «Повышение эффективности механизации с.-х. производства», «Молодежь и инновации», «Аграрная наука – основа успешного развития АПК», «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства», «Достижения современной науки в области энергосбережения» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2011…2014 г.г.);
на международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2011…2014 г.г.);
на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012 г., 2014 г.);
на республиканском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов, молодых ученых и специалистов «Наука XXI века» (20.03.2014 г.).
Публикации. Результаты исследований отражены в 16 научных работах, в том числе в 3 – из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ и монографии «Установка для обработки кишечного сырья убойных животных», объемом 9,5 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 150 наименований и приложений. Работа изложена на 150 страницах, содержит 60 рисунков и 34 таблицы.
Анализ существующих способов и технических средств для обработки кишечного сырья убойных животных
Шлямовочная машина NIROECH. Машина состоит из корпуса, груп-па валиков, имеется водоснабжение. Привод управляется электромотором. Корпус мойки кишок несущих элементов представляет собой сварную конст-рукцию. Содержит семь резиновых роликов. Расстояние между рабочими роли-ками регулируется поворотом эксцентричный рукав. Система водоснабжения используется для настройки температуры воды и ее поток на отдельные валики. Технические данные:
Производительность двух моделей: 30…40 комплектов /ч и 60…140 комплектов /ч; Потребление воды (40…60C) – 2 м3 / ч; Мощность электродвигателя – 1,1 кВт; Масса 248 кг, высота 1250 мм и 1518 мм, длина 890 мм, ширина 575 мм. Основные установки для шлямовки кишечного сырья сведены в табл. 1.7.
Машина для обезжиривания/ шлямовкикишечного сырья DFM 750 Установка для очистки кишечного сырья В2-ФОК-У Мощность двигателя, - 5,5 кВт; Производительность кишок за 1…3 минуты – 12…15;Потребление воды - 600 л/ч. Производительность, м/ч :свиных – 250 (70…80 кг/ч);КРС – 350 (110…120 кг/ч);Мощность – 1,1…1,5 кВт; Температура орошающей воды –35…40 оС; Расход воды при давлении в системе 0,22МПа – 2 м3/ч; Стоимость – 160 000 руб. Установка очистки черев УОЧ для окончательной очистки кишок Установка для шлямовки кишок МШК Производительность, черев :КРС – 30, МРС – 60, свиней – 80;Частота вращения – 1350 об/мин; Расход воды – 3 м3/ч; Давление в водопроводе – 4,0 МП; Мощность – 0,5 кВт;Габаритные размеры – 800х480х1090 мм.; Масса – 50 кг. Производительность, черев:КРС – 30, МРС - 60, свиней – 80;Частота вращения – 1350 об/мин.;Расход воды – 1,8 м3/ч; Мощность электродвигателя – 0,75 кВт. Шлямовочная машина универсальная W-8B Шлямовочная машина NIROECH
Производительность:до 20-ти компл./ч.;Частота вращения –1390 об./мин.Мощность электродвигателя – 0,18 кВт;Габаритные размеры– 450х220х220 мм.;Масса – 29 кг. Производительность: при индивидуальной работе –30…40 кг/ч;при работе на линии – 60…140 кг/ч; Потребление воды (40…60)C 2 м3 /ч; Мощность электродвигателя – 1,1 кВт; Габаритные размеры – 1518х890х575 мм.;Масса – 248 кг Таблица 1.7 – Обзор существующих установок для обработки кишечного сырья
Известна УЗ обработка шкур при тузлуковании, что сокращает процесс в 2…3 раза, улучшает санитарно-гигиенические условия, очищает поверхность шкур от микроорганизмов [36]. Под действием УЗ колебаний ускоряются диффузионные процессы, резко ускоряется посол сырья. При оценке действия УЗ на пищевые продукты необходимо учитывать и его химическое воздействие. Так, под воздействием кавитации в водных средах может образоваться перекись водорода, которая при распаде выделяет атомарный кислород. Механизм воздействия УЗ колебаний сводится к воздействию на ламинарно движущуюся жидкость и на пограничный слой при турбулентном движении. Бактерицидное действие ультразвука остается спорным. Некоторые авторы считают, что оно зависит от интенсивности звука и кавитации, и при высокой интенсивности звука распад бактериальной клетки происходит, погибают анаэробные и аэробные, патогенные бактерии и другие микроорганизмы [36].
Преимущества использования УЗ генераторов: - сокращение времени очистки изделий; - предотвращение повреждения сырья и увеличение срока их хранения; - улучшение качества очистки сырья сложной конфигурации; - исключение необходимости предварительного замачивания.
Ванны ультразвуковые ВУ-09-"Я-ФП" модели 01 / 02 / 03 / 04 / 05. Предназначаются для эффективной предстерилизационной очистки от биологических, механических, лекарственных и прочих загрязнений, воздействием УЗ колебаний с частотой 44 кГц. Они оснащены корзинкой из нержавеющей стали, встроенным нагревательным элементом и шлангом для слива моющего раствора.
Ультразвуковая ванна УЗВ-6/200 МП. Ультразвуковая ванна с микропроцессорной системой управления, таймер (от 1 до 30 минут). Это оборудование предназначено для ультразвуковой очистки от нагара, жировых и механических загрязнений изделий различной конфигурации, а также для дегазации растворов, интенсификации химических процессов, приготовления суспензий и эмульсий, гомогенизации и экстрагирования растительного сырья.
Ультразвуковая ванна Aoyue-9060 управляется микропроцессором, используется ультразвук и высокочастотные звуковые волны для очищения различных приборов и хрупких частей. Имеет резервуар, способный вмещать до 1 л чистящей жидкости для очистки и удаления масла, песка, грязи и нежелательных осадков, которые образуются на поверхности и проникают во внутренние части изделий.
Существующие способы обработки (удаления жировой ткани, стерилизации) кишечного сырья с использованием физических факторов. В настоящее время имеется достаточно большое количество конструкций СВЧ установок для обработки пищевых продуктов, которые можно классифицировать по мощности (1,5…10 кВт), по производительности (5…50 кг/ч), по принципу действия (периодического и непрерывного) и по исполнению (настольные и напольные). В большинстве случаев промышленные СВЧ установки непрерывного действия для обработки пищевых продуктов представлены в виде линейных конвейеров с запредельными волноводами сложных конструкций.
Известен способ повышения эффективности микроволновых печей, за счет использования комплексного воздействия на продукт ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний [патент 2355136]. Первый цикл обработки длительностью до 2 мин состоит только из воздействия на воду УЗ колебаний с частотой 40 кГц, мощностью 10 Вт и плотностью потока 0,03 Вт/см2, вызывающего возникновение кавитации и существенно улучшающего тепломассообмен; во втором цикле совместно с УЗ колебаниями воздействует ЭМПСВЧ мощностью 580 Вт. Недостаткам данного способа является повышенные энергозатраты, связанные с диэлектрическим нагревом моющей жидкости.
Известен способ и техническое устройство для обеззараживания молока комбинированным воздействием ЭМПСВЧ и УЗ колебаний [заявки № 2013120377, № 2013147837]. Конструкция усложнена наличием особой конфигурации рабочей камеры и содержанием запредельных волноводов.
Кишечное сырье в упаковках, реализуемое в торговых сетях. Обработанное кишечное сырье реализуется в разных упаковках, например сведения для использования при производстве колбасных изделий в домашних условиях приведены в табл. 1.8. Кишки – фабрикат, категории «Стандарт», хорошо почищены и просолены, связаны в пучок. Пучок состоит из отрезков. Минимальный отрезок не менее 2 м. Рекомендуется для приготовления сарделек и колбасок среднего диаметра в домашних условиях. Калибр – 32/38 мм; фаршеемкость – 48…53 кг из расчета 1 пучка 91,44 м; масса 1,2..1,6 кг; срок хранения – 12 месяцев при температуре от 0 до +8оC.
Обоснование электродинамической системы СВЧ генератора с передвижными перфорированными сферическими резонаторами
Из анализа годового объема (пункт 1, рис. 2.2) обрабатываемого сырья определяем необходимую производительность установки, удовлетворяющей мясокомбинату средней мощности. Далее на основе анализа диэлектрических и физико-механических характеристик кишечного сырья (2) на выбранной частоте электромагнитного поля вычисляем глубину его проникновения (3) в кишечное сырье с тем, чтобы определить массу загружаемого сырья в резонаторную камеру. Это позволит оценить удельную мощность СВЧ генератора через плотность и теплоемкость кишечного сырья при определенной скорости его нагрева и согласовать с полезной мощностью СВЧ генератора, варьируя массой загрузки с одной стороны и скоростью нагрева с другой стороны (4). Затем вычисляем напряженность электрического поля, соответствующей этой удельной мощности (5). Определяем собственную добротность сферического резонатора по предложенной нами формуле (6) и согласовываем с его объемом (7). Для оценки степени обеззараживания кишечного сырья (затормаживания развития микроорганизмов) определяем критическую напряженность электрического поля (10), при которой происходит выравнивание мощности диэлектрического нагрева микроорганизмов (8) и мощности тепловых потерь (9) с поверхности микроорганизма. Далее определяем собственную добротность волновода - экранирующего корпуса (11) и проводим обоснование параметров запредельных волноводов (12), обеспечивающих ограничение излучения через загрузочные патрубки. Интенсивность УЗ колебаний обоснована через волновое сопротивление, теплоемкость, массу воды и перепада температуры, с учетом площади излучающей поверхности, продолжительности воздействия и частоты УЗ колебаний (13).
Классификация основных волноводов и объемных резонаторов В СВЧ диапазоне применяют особые колебательные системы, которые называются объемными резонаторами и волноводами (табл.2.1). Таблица 2.1 – Основные волноводы и резонаторы [11,14,15,24, 28,54,55,100] Вариант Конфигурация Собственная добротность Волноводы Резонаторы Прямоугольный где или Rs – активное поверхностное сопротивление металла, из которого выполнен объемный резонатор, Ом; – проводимость стенок резонатора, 1/Ом; a – абсолютная магнитная проницаемость заполнения, Гн/м; tg – тангенс угла диэлектрических потерь вещества, заполняющего резонатор; – толщина слоя резонатора при равномерном распределении тока, м.
Базовый Кубический где 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, Ф/м; f – частота ЭМИ, Гц; – толщина слоя волновода при равномерном распределении тока, м. Цилиндрический Собственная добротность резонаторной камеры: где 0 – критическая длина волны, см; а, l – диаметр и длина объемного резонатора, см; – толщина поверхностного слоя, зависящая от удельной проводимости материала резонатора, при выполнении из алюминия на частоте 2450 МГц она равна 1,7310-5 м. Коаксиальный Тороидальный Добротность колебаний типа Тр: где – проводимость стенок резонатора (3,3 … 3,6) 107 1/(Омм), – магнитная проницаемость (1,256 10-6 Гн/м).D. d – наружный и внутренний диаметры Проектный
Резонаторы могут быть замкнутые с обоих концов металлическими стенками прямоугольного или круглого поперечного сечений длиной, равной целому числу полуволн. Известны следующие разновидности объемных резонаторов: с прямоугольным и круглым сечением, а также коаксиальные и тороидальные [19].
Значительные исследования в области применения электромагнитного поля СВЧ диапазона в процессе термической обработки пищевых продуктов и разработки методики расчета таких установок проведены И.А. Роговым, А.Н. Вышелеским, С.В. Некрутманым и др. [70,71,72,73,99,113].
Схема технологического процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний. Схема технологического процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний на кишечное сырье приведена на рис. 2.2. Установка работает в периодическом режиме, транспортирование дозированного сырья осуществляется в перфорированных полусферических передвижных частях 4 объемных резонаторах, помещенных в тороидальный экранирующий корпус 2. В процессе передвижения нижних частей резонаторов 4, их загружают сырьем 14 через загрузочный патрубок. Одновременно заливают жидкость 15 через патрубок 5 так, чтобы объем моющей жидкости в области пьезоэлектрических элементов 11 достаточно их омывал. После заполнения всех перфорированных частей 4 объемного резонатора с сырьем закрывают загрузочный патрубок, включают СВЧ генераторы 1 и ультразвуковые генераторы 11. Когда нижняя часть объемного резонатора 4 стыкуется с верхней частью 3, сырье подвергается воздействию ЭМПСВЧ. Когда резонатор погружается в жидкость, сырье подвергается воздействию УЗ колебаний.
Такое чередование происходит многократно, в зависимости от вида сырья и степени его загрязненности. Тороидальный экранирующий корпус совмещает функции кольцевого волновода, обеспечивающего поле бегущих волн, распространенных через зазор между полусферами, где находится источник, возбуждающий волну, а также является резервуаром ультразвукового генератора. Понятие о волноводах. [19,53]. При частотах больше 109 Гц энергию передают по волноводам. Волновод представляет собой полую трубу прямоугольного или круглого сечения. Размеры волновода находятся в определенном соотношении с длиной волны. Энергия внутрь волновода обычно доставляется с помощью небольшого стерженька, помещенного в волновод. Иногда волновод возбуждают, соединяя его через щель или диафрагму с другим волноводом или с резонатором. Энергия предается вдоль волновода, отражаясь от его стенок. Стенки волновода являются как бы направляющими для потока энергии. Небольшая часть энергии проникает в стенки волновода и выделяется в них в виде теплоты. Для уменьшения потерь энергии в стенках волновода внутреннюю поверхность труб полируют и покрывают слоем хорошо проводящего металла [9]. В круглом волноводе с однородным диэлектрическим заполнением могут распространяться магнитные волны Нmn и электрические Еmn. Основным типом волны в круглом волноводе является волна Н11 с наибольшей критической длиной волны кр = 3,41а; ближайшим высшим типом является волна Е0 (к =2,61 a). Мощность, переносимая волной Н11, вычисляется по формуле [125]:
Существуют и резонаторы бегущих волн (кольцевой волновод), для которых вектор Пойнтинга не равен нулю [144]. С учетом такого положения нами предлагается создать поле бегущей волны в тороидальном волноводе. Поэтому в разработанной установке для обработки кишок убойных животных экранирующий корпус выполняет функцию кольцевого волновода. При этом поле бегущей волны существует за счет распространения волны через зазор между полусферами объемного резонатора. Рассмотрим отрезок линии передачи СВЧ, свернутой в форму тора (рис. 2.3). Предположим, что в некотором сечении тора находится источник, возбуждающий волну, распространяющуюся по кольцу только в одном направлении. Если выбрать среднюю длину кольцевого волновода (6,28 35,1 см = 220,32 см ) равную целому числу волн в линии (lср = pв, р = 18), то фаза волны, прошедшее по кольцу, совпадает в выбранном сечении с фазой волны, возбуждаемой источником.
Частные методики исследований и измерительная аппаратура
Технологический процесс обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья с использованием двух энергоподводов, таких как УЗ и СВЧ генераторы осуществляется следующим образом. Кишечное сырье со шлямами, при нахож-дении в сферической резонаторной камере, погруженной в омывающую жид-кость, подвергается воздействию ультразвуковых колебаний. Это обеспечивает раздробление не только жировых тканей, но и раздробление колоний микроор-ганизмов. Тогда, при воздействии электрического поля определенной напря-женности (2,5…3 кВ/см) СВЧ диапазона, происходит затормаживание развития бактериальной микрофлоры, а шлямы частично растапливаются и выводятся с жидкостью за пределы тороидального экранирующего корпуса. Очищенное от шлямов и обеззараженное кишечное сырье выгружается путем опрокидывания нижних перфорированных полусфер резонаторных камер. СВЧ генератор обес-печивает обеззараживания сырья в процессе его дробления, в том числе и коло-ний микроорганизмов за счет воздействия УЗ колебаний. Разрушительное воз-действие ультразвуковой кавитации на колонии микроорганизмов способствует снижению бактериальной обсемененности кишечного сырья, освобожденного от жировых тканей при наложении электрического поля СВЧ диапазона (рис. 2.9, 2.10). Известно, что для уменьшения вредного излучения ультразвуковой энер-гии в источнике и уменьшение паразитного излучения звуковой энергии реко-мендуется повышать рабочие частоты источников ультразвуков. Нами исполь-зован ультразвуковой генератор с частотой 44 кГц.
Разрабатываемая установка содержит ультразвуковой генератор, который состоит из электронного генератора, пьезоэлектрической ультразвуковой коле-бательной системы. Конструктивно система выполнена в виде последовательно установленных и акустически связанных между собой пьезоэлектрических эле-ментов и частотно понижающих металлических накладок. Имеется система формирования управляющих воздействий для установления требуемой произ-водительности установки и обеспечения снижения энергетических затрат на процесс обработки кишечного сырья. Гипотеза о механизме воздействия ультразвуковой кавитации на микроорганизмы [148]. Модель процесса ультразвукового воздействия на жидкость [144]: - колебания поверхности ультразвукого преобразователя создают звуковое дав-ление в слое жидкости; - звуковое давление обуславливает образование кавитационных полостей (пу-зырьков) в жидкости, и осуществляется запас энергии в кавитационном пу-зырьке, вызывая его расширение; - при захлопывании кавитационного пузырька, запасенная в пузырьке энергия преобразуется в энергию ударной воны; - энергия ударной волны расходуется на образование на поверхности жидкости капиллярной волны; - энергия капиллярной воны расходуется на увеличение свободной поверхности жидкости, т.е. на образование капель жидкости.
Развитие кавитационный полости рассмотрим с энергетической точки зрения. Энергия звукового поля переходит в потенциальную энергию жидко-сти, в которой образуется полость с размером Rмах. Далее потенциальная энер-гия жидкости и энергия внешних сил, приложенных к полости, переходит в ки-нетическую энергию, движущихся с большой скоростью к центру полости, близлежащих слоев жидкости. Затем кинетическая энергия жидкости переходит в потенциальную энергию парогазовой смеси, находящейся в кавитационной полости. При вторичном расширении кавитационной полости энергия сжатого газа и пара отдается обратно в жидкость. После того как кавитационная полость достигает максимального значения начинается процесс захлопывания кавита-ционной полости, процессе которого полость теряет свою сферическую форму и полость достигает минимального радиуса Rмin , далее полость начинает вновь расширяться, вследствие чего в жидкости возникают импульсы давления [144]. Схематичное изображение процесса образования капиллярных волн при воздействии УЗ колебаний на резервуар (тороидальный экранирующий корпус) с омывающей жидкостью представлено на рис. 2.11. Потенциальная энергия жидкости, в которой образуется кавитационная полость (2.36) где Рвн – давление в окружающей жидкости, действующей на кавитационную полость в момент времени, когда она достигла максимального радиуса. где f – частота звукового поля, 1/с (скорость звука 3…3,610-3 м/с); Рст – стати-ческое давление жидкости Па; Рзв – амплитудное значение звукового давления, Па; – плотность жидкости кг/м3; напряженность электрического поля в кристалле кварца 0,5 кВ/мм; Руз – интенсивность излучения, Вт/см2. Из этого выражения следует, что частота звукового колебания влияет на эффективность разрушения микроорганизмов. Известно, что для разрушения колония микроорганизмов необходима вполне конкретная величина энергии от захлопывания единичной кавитационной полости, вне зависимости от количе-ства этих полостей. В задачу ультразвуковой кавитации входит как можно бы-стрее разрушить колонии микроорганизмов. Поэтому при выборе УЗ генерато-ров (при равенстве мощности) надо отдавать предпочтение тем генераторам, которые имеют меньшую частоту УЗ колебаний, так как в этом случае разру-шительное воздействие ультразвуковой кавитации на микроорганизмы будет более значительным [148]. Как уже было отмечено, что в жидкости при распро-странении УЗ колебаний возникают два вида акустических течений: 1) турбу-лентные потоки в области кавитационной полости, способствующие интенсив-ному перемешиванию жидкости; 2) направленный поток от плоскости УЗ излу-чателя по его оси (20…30 см/с). Многие исследователи отмечают, что под влиянием УЗ кавитации вначале разрушаются оболочки микроорганизмов, за-тем разрушаются и колонии микроорганизмов, далее отдельные микроорганиз-мы акустическими течениями переносятся в слои жидкости, где подвергаются воздействию ЭМПСВЧ и погибают. Таким образом, УЗ кавитация в процессе обработки кишечного сырья не уничтожает микроорганизмы, а отделяет мик-роорганизмы от поверхности кишечного сырья с последующим дроблением ко-лоний микроорганизмов на отдельные части. Только комплексное воздействие ЭМПСВЧ и УЗ колебаний на кишечное сырье позволяет затормаживать разви-тие микроорганизмов. Такое множественное преобразование энергии ультразвуковых колебаний вызывает трудности при определении оптимальных режимов обработки, по-этому для разработки теоретической основы применения кавитационного спо-соба возбуждения волн разрабатывается модель, последовательно учитываю-щую перечисленные преобразования энергии.
Результаты исследования органолептических, физико-химических и микробиологических показателей обработанного кишечного сырья
Исследование технологического процесса обработки кишок убойных жи-вотных осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА. Апробирование технологии и разработанной установки в ОАО «При-волжское» и в ООО «Вурнарский мясокомбинат» проводили в соответствии с стандартами. Оценку качества обработанных кишок проводили в ФБУ «Госу-дарственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в ЧР», протокол №702 от 24 .04.2014 г. Протоколы испытаний представлены в приложении к диссертации. Производственная проверка и опыт эксплуатации установки для обработки кишок показал, что способ позволяет подготовить на-туральную оболочку для колбасных изделий соответствующей требованиям ТУ 10 РФ 505-92 «Кишок - сырец». 1. Наименование и новизна научно-технического достижения: а) электротехнологии обработки кишок убойных животных с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) и ультра-звуковых колебаний (УЗ); б) установка для обработки кишок убойных животных содержит тороидальный экранирующий корпус, расположенный под углом к горизонтальной плоскости, внутри которого находятся сферические объемные резонаторы, выполненные из двух частей. Верхние части жестко закреплены под излучателями СВЧ гене-раторов, расположенных на верхней стороне экранирующего корпуса, а нижние части, находящиеся между диэлектрическими ободками, по центру шарнирно закреплены к ведущему зубчатому венцу. Венец установлен на опорные роли-ки, и входит в сцепление с ведущей звездочкой на валу электропривода, распо-ложенного за пределами корпуса. С нижней стороны корпуса, в области мини-мального его наклона, установлены пьезоэлектрические элементы ультразвуко-вого генератора. 2. Место апробирования ОАО «Приволжское»,429520, Чувашская республика, Чебоксарский рай-он, дер. Курмыши, ул. 9 Пятилетки, дом 2; ООО «Вурнарский мясокомбинат», Чувашская республика, Вурнарский район, поселок Вурнары, ул. К-Маркса, дом 54. 3. Вид научно-исследовательской работы Хозяйственная проверка разработанной технологии обработки кишок убойных животных многократным последовательным воздействием электро-магнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний, а также апробирование опытного образца установки для реализации предложенной технологии. Апробирована в убойном цехе разработанная установка для обработки кишок убойных животных, производительностью 45…60 кг/ч, потребляемой мощностью 3,73 кВт. Объем кишок, подвергший обработке 30 кг. Конечная температура нагрева сырья составляет 35…40оС. 4. Экономический эффект от применения установки в сравнении с базо-вым вариантом Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения установки для обработки кишок убойных животных составляет 353 тыс. руб. 5. Заключение по результатам апробирования
Апробирование электротехнологии и установки для обработки кишок показали, что электрические и механические рабочие органы работают надеж-но. Энергетические затраты на обработку крови убойных животных составили 0,066 кВтч/кг. Оценка качества обработанных кишок по органолептическим показателям (эластичность, цвет, запах) удовлетворяют требованиям, предъяв-ляемым натуральным оболочкам колбасных изделий.
Результаты научных исследований положительные и рекомендуются для вне-дрения в цехах по переработке продукции животноводства.
Принцип действия разработанного оборудования основан на взаимодей-ствии электромагнитного поля СВЧ диапазона и УЗ колебаний, создаваемых специальными генераторами, с кишечным сырьем, подлежащим обработке. При эксплуатации установки, кроме соблюдения обычных правил обслуживания электрооборудования и средств автоматизации, необходимо учитывать ряд специфических особенностей, обусловленных использованием СВЧ и УЗ гене-раторов. Магнетрон является неремонтопригодными, поэтому при отказе их заменяют. Долговечность магнетронов составляет до 5000 часов [5,73]. Основ-ными причинами отказов СВЧ генераторов являются: нарушение режима пита-ния; отказ системы охлаждения; загрязнение вывода энергии веществами, ин-тенсивно поглощающими СВЧ энергию, как следствие этого, электрический пробой вывода; работа при ненагруженном объемном резонаторе.
Излучение СВЧ энергии (уровень потока мощности) от установки огра-ничено 10 мкВт/см2 [5]. Слив и подачу воды осуществляется через отверстия типа «запредельный волновод». Это трубка определенного сечения и длины, рассчитаны в соответствии с необходимой величиной ослабления энергии и ос-лабляющей способности самой трубки. Диаметр круглой трубки должен быть в 4…6 раз меньше длины волны (т.е. 3,06…2,04 см)[87].
При пуске в работу и в процессе эксплуатации установки необходимо ре-гулярно измерять мощность излучения СВЧ энергии от установки в окружаю-щее пространство, используя измерители ПЗ-33 М или ПЗ-41.
Правила безопасной эксплуатации установки сводится к соблюдению требований, изложенных в прилагаемой инструкции. Эти требования следую-щие: необходимо соблюдать последовательность операций; нельзя открывать дверцу рабочей камеры при подаче СВЧ энергии; санитарную обработку рабо-чей камеры проводить при полном отключении питания установки.
Эксплуатация установки предусматривает использование системы плано-во-предупредительного ремонта. При этом проводятся следующие мероприя-тия: плановые периодические осмотры узлов установки; плановый текущий ре-монт (чистка, замена деталей, узлов и измерительной техники); периодические испытания установки (проверка работоспособности узлов, проверка электроди-намической системы на согласование с магнетроном, проверка контрольно-измерительной техники); стандартный предупредительный ремонт (полная раз-борка установки).
Для разработанной установки характерна необходимость многоразового открывания и закрывания дверца, предназначенного для загрузки и выгрузки кишечного сырья. От этих операций защитные устройства постепенно изнаши-ваются, происходить окисление из-за моющих средств. В результате излучение может в несколько раз возрасти, поэтом необходимо систематическое наблю-дение за состоянием защитных устройств. Допускается увеличение излучения от заводских до эксплуатационных норм при количестве открываний дверца более 100 тыс. раз.
Особенности обслуживания УЗ генераторов Профилактические мероприятия при обслуживании ультразвукового ге-нератора направлены на ограничение воздействия шума и ультразвуковых ко-лебаний, распространяющихся в воздухе. Мероприятия по защите от них это: - локализация действия ультразвука конструктивными решениями; - применение звукопоглощающих и отражающих устройств; - размещение установки в отдельном помещении (размещать установки в по-мещениях без вентиляции и естественного освещения не допускается); - должен быть полностью исключен непосредственный контакт рук оператора с жидкостью в резервуаре. Принципиальная электрическая схема предусматрива-ет дистанционное управление и системы блокировки, отключающей генератор источника ультразвука при нарушении звукоизоляции. Загрузка и выгрузка сы-рья в резервуар должны выполняться только после исключения источника ко-лебаний (целесообразно применять автоблокировку).
Для защиты рук работающего от возможного неблагоприятного воздейст-вия контактного ультразвука в жидкой среде необходимо применять две пары перчаток – резиновые и хлопчатобумажные. Строгое соблюдение правил безо-пасности труда позволяет полностью исключить случаи травматизма и профес-сионального заболевания персонала, работающего на ультразвуковых установ-ках. Ультразвуковые генераторы относятся к оборудованию с высоким элек-трическим напряжением. Не приступать к работе без внимательного изучения устройства, принципа работы оборудования и правил по безопасности труда, изложенных в руководстве и паспорте данного оборудования. Получить соот-ветствующий инструктаж на рабочем месте по эксплуатации данной установки. Подготовить необходимые приспособления и инструменты. Проверить исправ-ность заземления генератора и исправность сигнализации или блокировки. Не работать при отсутствии на рабочем месте исправного резинового диэлек-трического коврика
Похожие диссертации на Установка для обработки кишечного сырья убойных животных с применением УЗ и СВЧ генераторов
