Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния пгоблемы фасования жидких продуктов и постановка задач исследования 9
1.1. Анализ современного состояния ассортимента фасуемых продуктов 9
1.2. Анализ оборудования, применяемого для фасования жидких вязких продуктов в пищевой промышленности .. 15
ГЛАВА 2. Разработка дозатора с совмещенным приводом распределителей и поршней 37
2.1. Дозатор с совмещенным приводом распределителей и поршней 37
2.2. Разработка и классификация дозаторов с совмещенным приводом 47
2.3. Разработка системы управления работой дозатора 65
ГЛАВА 3. Разработка математической модели дозаторов с цилиндрическим золотником 75
3.1. Исследование процесса течения продукта в каналах дозатора в режиме длительной остановки 77
3.2. Исследование течения и точности отмеривания порции продукта мерным цилиндром дозатора
3 3.3. Исследования течения в каналах дозатора в процессе вытеснения и точность наполнения тары 109
ГЛАВА 4. Разработка и исследование делителя потока 115
4.1. Исследование возможности деления потока продукта на равные части 117
4.2. Исследование процесса движения жидкости в каналах делителя потока 119
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования дозаторов с совмещенным приводом 127
5.1. Описание экспериментальной установки 127
5.2. Программа экспериментальных исследований 135
5.3. Методика проведения эксперимента 135
5.4. Обработка результатов эксперимента дозатора с Цилиндрическим золотником 139
5.5. Экспериментальные исследования дозатора с плоским золотником 146
Основные результаты работы 154
Список литературы
- Анализ оборудования, применяемого для фасования жидких вязких продуктов в пищевой промышленности
- Разработка системы управления работой дозатора
- Исследование течения и точности отмеривания порции продукта мерным цилиндром дозатора
- Программа экспериментальных исследований
Анализ оборудования, применяемого для фасования жидких вязких продуктов в пищевой промышленности
Для некоторых десертов (с желатином и хамульсионом) характерно, что при изменении градиента скорости Dr от 0.3 до 1 с 1 можно выделить участок пластического течения с наибольшей вязкостью (до 6500 Па с). При изменении градиента скорости от 1 до 5.4 с"1 наблюдается участок «лавинного» разрушения структуры. Вязкость при этом падает в четыре раза. При дальнейшем увеличении градиента скорости наблюдается вязко-пластичное течение с незначительным уменьшением вязкости.
Для десертов с агар-агаром и каррагенаном «лавинного» разрушения структуры продукта нет, что объясняется слабыми структурными связями стабилизаторов и увеличением количества жидкой фазы в десерте.
На основании выполненного Л.В. Батищевой анализа, можно сделать вывод, что существует определенная величина градиента скорости по достижении которой структура продукта разрушается. Так в частности гелеобразность десерта будет нарушена.
Батищевой также исследована кинетика нарастания прочности геля с концентрацией желатина 0.5 г/100 г. При 20С и рН=6.45 предельное напряжение сдвига геля возрастает в течение первого часа с 1 до 10 г/см" и далее уже остается неизменной.
О том, что структура молочного продукта может разрушаться при механическом воздействии на него говорят и исследования Л.П. Калякиной /31/. Исследовав влияние вида и количества растительной добавки на процесс структурообразования молочно-растительной смеси в процессе сквашивания, автор установила, что вязкость в первые 4 часа не превышает 20 103 Па с. Но в дальнейшем (в течение 4—12 часов) резко возрастает до 100—120 10" Па с—при внесении соевого белка. При внесении кедрового шрота вязкость достигает гораздо большей величины: 200—335 10" Па с. Там же отмечается, что в период с 4 до 12 часов предельное напряжение сдвига для смеси с добавлением кедрового шрота составляет 30—39 Па. Для смеси с соей—22—29 Па. Если в этот период механическим способом разрушить структуру продукта, то вязкость для смеси со шротом снизится почти на половину. На кривой изменения вязкости продукта с течением времени, построенной Калякиной (рис. 1.2), следует особо выделить стадию так называемого метаетабильного равновесия (часть кривой от точки Г до точки С). Структура сгустка в этот период крайне непрочная и при любом механическом воздействии быстро и необратимо разрушится, а на поверхности выступит сыворотка. Необходимо переждать этот период, пока не нарастет кислотность и тогда сгусток упрочнится. После этого его можно перемешивать, перемещать, фасовать, и т.д.
Некоторые фирмы, специализирующиеся на фасовочном оборудовании, часть сил направляют специально на решение проблемы сохранения структуры продукта в ходе процесса фасования.
Так, например, фирма GASTI GmBH выпускает устройство «Тайм-филлер» для наполнения емкостей продуктами с повышенной вязкостью, таким как, например, взбитые сливки, густые кремы. В этом устройстве традиционный поршневой узел вытеснения заменен на узел, осуществляющий вытеснение с помощью регулируемого гидро- либо пневмопривода. При этом дозирование производится по времени при заранее установленном давлении. При этом необходимо осуществлять точную регулировку величины подающего давления и сводить к минимуму нежелательные воздействия на продукт сил трения, приводящих к риску изменения структуры продукта /35/.
Дозаторы, работающие по этому же принципу, выпускают и российские производители. Так, например, научно-производственная компания «НЕСТА» (Россия, г.Саратов) для постоянства взбитости мороженого, поступающего в дозатор для фасования, и компенсации изменения его давления, возникающего в период времени, когда клапаны дозатора закрыты, устанавливает ряд пневморесиверов, работа которых синхронизирована с пневмоприводами клапанов дозатора. Подобные дозаторы мороженого предназначены для установки в линии М6-ОЛ2-В, М6-ОР2-3, ОЛБ и служат в качестве наполнителей вафельных или бумажных стаканчиков мороженым. Производительность данного дозатора составляет не более 100 порций/минуту, при количестве разливочных головок равном 8. Таким образом, производительность, приходящаяся на одну разливочную головку, составляет немногим более 12 порций в минуту, или 750 порций/час.
Проблем, связанных с дозированием и транспортированием пастообразных, мокрых, полутвердых и слипающихся материалов, касался еще в конце пятидесятых годов М.Ю. Сапожников /56/. Он отмечает, что подача подобных материалов обычным питателем бывает весьма затруднена. Наиболее подходящими питателями для таких материалов следует считать шнеки с полыми и ленточными спиралями, показавшие свою пригодность при работе с весьма слипающимися материалами, например с тестом. Хорошие результаты были получены на тарельчатом питателе. Для подачи полутвердых пастообразных материалов автор считает целесообразным применение специального вида прессов, шприцмашин, насосов, винтовых и поршневых питателей.
Таким образом, можно заметить, что чем выше вязкость и адгезионные свойства перерабатываемого жидкого продукта, тем больше назревает необходимость в применении принудительного способа его перемещения, как по транспортирующим каналам и трубопроводам, так и непосредственно в полости самого дозатора.
Разработка системы управления работой дозатора
В результате проведения анализа базовой конструкции дозатора, мы выявили следующий факт: поскольку боковая поверхность поршня оснащена уплотнительными манжетами (в целях герметизации мерного объема цилиндра), контактирующими с поверхностью мерного цилиндра, в процессе движения возникает сила трения. Плюс ко всему при всасывании продукта поршнем в полость мерного цилиндра в последнем создается давление разряжения, которое оказывает воздействие на все поверхности мерного объема, и в частности на поверхность заглушки, установленной на торце цилиндра. Таким образом, давление разряжения, создаваемое в полости дозатора, будет воздействовать на мерный цилиндр в направлении движения поршня.
Если сумма этих сил превысит силы, удерживающие мерный цилиндр во внутренней поверхности золотника, то первый в этом случае может сдвинуться в полости золотника еще во время набора продукта в мерный цилиндр. В результате отверстия подачи продукта в цилиндре и золотнике разойдутся раньше, чем заданная порция будет набрана, что совершенно недопустимо. Для того, чтобы избежать подобного явления необходимо удерживать мерный цилиндр в полости золотника весь период набора порции в цилиндр. Аналогичная ситуация возникает и при выдавливании продукта из цилиндра в тару.
Поставленная задача может быть решена разными способами: 1. Применением механических устройств; 2. Применением запорных устройств; 3. Применением пневмо-вакуумных устройств. Рассмотрим подробно каждый из этих способов: При исследовании необходимости фиксации следует также учесть, что между поверхностями мерного цилиндра и золотника, в случае герметичных распределителей, присутствует сила трения. И если величина ее достаточно велика, и превышает вышеописанную силу, сдвигающую мерный цилиндр в золотнике, то можно обойтись без применения дополнительных фиксаторов /21/. Если же не превышает, то необходимо использовать один из следующих способов фиксации. Первый способ:
Фиксация мерного цилиндра в полости золотника механическим способом может быть осуществлена посредством установки, например, шарикового фиксатора (рис. 2.9). При этом жесткость пружины, удерживающей шарик в лунке на поверхности цилиндра, должна Рис. 2.9. Дозатор с шариковыми фиксаторами. 1- уплотнения, 2- шариковые фиксаторы. -обеспечивать удержание цилиндра в золотнике в течение всего периода наполнения и опорожнения мерного цилиндра.
Способ механической фиксации подходит как для дозаторов с цилиндрическими золотниками, так и для дозаторов с плоскими золотниками. ВТОРОЙ способ:
Зафиксировать в неподвижном состоянии мерный цилиндр во время его наполнения и опорожнения можно посредством поддержания герметичности в вакуумной камере, используя для этого запирающую арматуру (рис. 2.10)
В начале наполнения мерного цилиндра объем полости равен нулю. Поршень, двигаясь в правую сторону, старается стянуть за собой цилиндр, однако, закрытый запорный клапан не позволяет этого, поскольку как только цилиндр с заглушкой начинает сдвигаться вслед за поршнем, в полости создается разряжение, которое и удерживает цилиндр в золотнике.
Как только поршень дойдет до крышки в правой стороне цилиндра, или, иначе говоря, когда порция продукта будет отмерена, необходимо переключить золотник (сдвинуть мерный цилиндр). Поскольку силой, удерживающей цилиндр, является разряжение в полости, то для переключения золотника необходимо открыть запирающий клапан и удерживать его в таком состоянии в течение всего времени переключения золотника. После того как золотник переключился клапан вакуумной камеры необходимо снова закрыть, поскольку следующая за переключением, операция выталкивания продукта также осуществляется посредством движения поршня в цилиндре и, следовательно, присутствием сил, сдвигающих цилиндр в золотнике. В этом случае в полости создается уже не разряжение, а избыточное давление.
Исследование течения и точности отмеривания порции продукта мерным цилиндром дозатора
Таким образом, зная перепад давления между входом и выходом из щели, а, также полагая, что величина эксцентриситета известна, можно найти расход жидкого продукта, а, следовательно, и количество продукта, просочившегося через щель за некоторый промежуток времени. Однако, поскольку щель между поверхностями заканчивается цилиндрическим каналом радиуса Re в золотнике, и имеющем некоторый объем, будет наблюдаться капельный режим истечения жидкости из канала. Т.е. жидкая среда будет просачиваться через щель, и за счет сил поверхностного натяжения станет накапливаться в цилиндрическом канале до тех пор, пока сила давления в последнем не превысит силу поверхностного натяжения. Именно в этот момент оторвется капля.
Полученная зависимость 3 1 позволяет с одной стороны определить расход жидкой среды через щель, что важно при проектировании системы дозирования поскольку, если временная пауза между двумя смежными циклами дозирования превысит некоторое максимально допустимое время, за которое собирается капля, то последняя упадет с края сливного отверстия дозатора раньше чем будет подставлена очередная емкость подлежащая наполнению. При подстановку в формулу 3.1 данных для таких маловязких пищевых продуктов как: вода, коньяк, молоко, виноградный сок, спирт получены графические зависимости расхода через щелевой зазор от величины последнего (рис.3.2.а).
Экспериментальные исследования на воде, проведенные на макете моделирующем кольцевую щель, схема которого изображена на рис.3.2.б, а результат на рис. 3.2.а показывают удовлетворительную сходимость теоретических и практических результатов (кривые 1 и 6 на рис. 3.2.а). Некоторое превышение теоретического расхода над экспериментальным значением может быть связано с падением давления при входе воды в щелевой зазор и выходе из него. При более высокой вязкости (15 - 20 10"3 Па с) течения продукта по щелевому зазору величиной до 150 мкм не наблюдалось.
Анализ графиков показывает, что в том диапазоне, в котором лежат величины щелевых зазоров реальных дозаторов, при изготовлении их по 6-8 квалитету, капель возможна только при дозировании таких маловязких продуктов как, например, вода, молоко, напитки и т.д. Тогда как относительно вязкие продукты: кисломолочные, кетчупы, соусы и т.д. проблему капели можно не рассматривать в связи с достаточно малым расходом их через щель. По этой причине можно изготавливать дозирующие системы для таких вязких продуктов по более низкому -классу точности (восьмому и ниже), что гораздо экономичнее. Нельзя забывать, что на величину расхода жидкого продукта через щель влияет также и высота расположения бункера с продуктом, определяющая в свою очередь величину давления при входе в щель. Графические зависимости (рис. 3.3) полученные на основании формулы 3.1, позволяют определить максимально допустимую высоту расположения бункера, для дозаторов с различными величинами щелевых зазоров (ряд!-при зазоре 35 мкм, ряд 2 - 50 мкм, ряд 3-70 мкм, ряд 4 - 125 мкм). Учитывая, что высота расположения бункера редко бывает больше двух метров, то при изготовлении дозаторов по 7-8 квалитету (щелевые зазоры 50-60 мкм) капель наблюдаться не будет. Либо возможен обратный подход: зная емкость сливного отверстия дозатора (например, 2 см ) и высоту расположения бункера (например, 1 м), а также временной промежуток между смежными циклами дозирования (например, 1 секунда) можно определить допустимый щелевой зазор, при котором не будет наблюдаться капель. В данном случае он составит более 125 мкм, что соответствует 10 квалитету. Таким образом, экономически оправданным будет изготовление дозатора по более низкому классу точности.
Программа экспериментальных исследований
Однако, необходимо также учесть возможное взаимное влияние местных сопротивлений. Местные потери давления часто суммируют в соответствии с так называемым принципом наложения потерь /52/, согласно которому полные потери давления представляют собой арифметическую сумму, вызываемых отдельными сопротивлениями, что справедливо в случае, если расстояние между отдельными местными сопротивлениями достаточно велико для того, чтобы искажение эторы скоростей, вызванное одним из них, не сказывалось на сопротивлении, лежащем ниже по течению. Для этого необходимо, чтобы местные сопротивления отстояли друг от друга не менее чем на: где Ьл—длина влияния местного сопротивления; а значение числа Re находится из формулы (4.3).
Таким образом, при определении падения давления необходимо следить за тем, выполняется ли условие 1МУ 1ВЛ (где W-i aecTO ffiie между местными сопротивлениями в исследуемом канале), й если условие выполняется, т.е. расстояние между местными сопротивлениями меньше расстояния их влияния друг на друга, то это влияние необходимо учесть.
Для определения расхода воспользуемся формулой, предложенной Воларовичем МЛ. и Гуткиным A.M. /10, 11/, позволяющей определить расход в кольцевом зазоре: -122 \2 яАр(#2 + Rx f (Rz - Rx ) 2rPL An / /—, g= / V-2 - S") , (4.a где Ri и R2—радиус внутренней и наружной трубы, м; Ь-длина зазора, м; Ар—перепад давления по длине зазора, Па; тг—предел текучести продукта, Па. При Ri=0 и R2=R уравнение (4.8) позволяет определить расход в цилиндрической трубе: где Ар определяется по формуле: Ap = Pt -ЕДр (4.10) Аналогичная формула получается и для определения расхода во втором канале делителя.
Таким образом, учитывая, что каналы выполнены симметрично анализ формулы (4.9) показывает, что равенство расходов жидкости через оба канала будет наблюдаться при равенстве перепадов давления между входом и выходом каждого из них.
Поскольку давления на входе в каждый канал определяются давлением, создаваемым дозатором, и равны между собой, а также учитывая, что давление на выходе из каналов равно атмосферному, то равенство расходов продукта будет обеспечиваться при равенстве падений давлений в каждом канале, определяемых по формуле (4.10). А, поскольку, на падение давления, при прочих равных условиях, влияют именно геометрические характеристики канала, то их позволит обеспечить в конечном итоге равенство расходов.
Был изготовлен четырехканальный делитель потока на основаниях рекомендаций по групповому розливу /66/ и проведены его испытания на воде. Результаты представлены на рис. 4.2 - разброс по всем каналам, и рис. 4.3. - разброс по каждому из каналов отдельно.
Анализ графиков показывает, что величины порций полученных из каждого канала изменялись в диапазоне ±2г. При средней величине порций 151г такое отклонение составляет менее 1,5%, что допускается при фасовании пищевых продуктов. Таким образом, можно рекомендовать делитель потока в качестве устройства, позволяющего использовать большеобъемный дозатор для наполнения нескольких емкостей одновременно
В настоящей главе приведено описание экспериментальной установки, изложена методика проведения эксперимента и приведены результаты экспериментальных исследований.
Целью экспериментальных исследований является подтверждение правомерности принятых допущений, принятых при проведении теоретических исследований, а также точности дозирования рассматриваемого устройства. Проанализированы основные результаты эксперимента, которые позволили выработать рекомендации по дальнейшему совершенствованию систем аналогичного типа.
Экспериментальным исследованиям был подвергнут дозатор с совмещенным приводом цилиндрического распределителя-золотника и поршня мерного цилиндра, изготовленный в СПбГУНПТ на кафедре: Техника пищевых производств и торговли (внешний вид установки представлен на рис.5.1, а общая схема на рис. 5.2). А также дозатор с плоским золотником (параграф 5.4). Рассмотрим работу основных узлов системы дозирования с цилиндрическим золотником.
Механическая часть экспериментальной установки (рис. 5.3) выполнена из расчета необходимости фасования порций объемом 0.54-0.7 литра. Установка состоит из цилиндрического распределителя золотникового типа 1, закрепленного на стойке 10, находящегося в его полости мерного цилиндра 3 и поршня, снабженного уплотнениями /64/, закрепленного на.
