Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структурообразующие положения проблемы мойки овощей стр. 7
1.1. Вопросы терминологии. стр. 7
1.2 Алгоритм исследований. стр.9
1.3. Идентификация объектов мойки . стр.13
1.4. Классификация загрязнений. стр. 15
1.5. Идентификация загрязнений. стр. 17
1.6. Основные факторы, влияющие на эффективность мойки овощей, стр.31
Выводы. стр.32
Глава 2. Аппаратурное оформление процесса мойки овощей . стр.33
2.1. Конструктивные схемы и принцип действия моечных аппаратов, стр.33
2.2. Классификация аппаратов для мойки овощей . стр.53
Выводы. стр.56
Глава 3. Фундаментальные подходы к анализу разрушения загрязнений . стр.57
3.1. Коллоидная структура загрязнений объектов мойки. стр.57
3.2. Модель образования и разрушения загрязнений. стр.58
3.3. Основные теории и концепции процесса адгезии . стр.62
3.4. Адаптация адгезионных теорий и концепций к процессу мойки овощей. стр.68
Выводы. стр.73
Глава 4. Исследование процесса разрушения и удаления загрязнений с поверхности овощей . стр.74
4.1. Аналитическое исследование процесса мойки. стр.74
4.1.1. Принципиальные схемы процесса мойки овощей и аппарата для его реализации. стр.74
4.1.2. Гидродинамическое воздействие при обтекании твердого тела жидкостью. стр.77
4.1.3. Гидродинамическое воздействие струи на поверхность твердого тела стр.83
4.2. Экспериментальное исследование процесса мойки. стр.87
4.2.1. Экспериментальное определение удельного усилия адгезии. стр.87
4.2.2. Определение времени удаления загрязнений с поверхности плодов овощей и длины зоны мойки. стр.95
4.2.3. Определение ширины зоны мойки. стр.105
4.2.4. Определение конструктивных размеров зоны ополаскивания. стр. 110
4.3. Конструктивная схема аппарата для мойки овощей. стр. 117
4.4. Определение энергоемкости аппарата для мойки овощей. стр.121
Выводы. стр.138
Глава 5. Концепция процесса мойки овощей и рекомендации по конструированию аппарата для мойки. стр. 142
Основные выводы и рекомендации.
- Идентификация объектов мойки
- Классификация аппаратов для мойки овощей
- Основные теории и концепции процесса адгезии
- Гидродинамическое воздействие струи на поверхность твердого тела
Введение к работе
Овощи, как продукт питания занимают одно из ведущих мест по объемам потребления. Это обусловлено достаточной простотой их производства и относительно низкой себестоимостью для большинства регионов, адаптированностью к положениям концепции адекватного питания, выражающейся в наличии полноценных, во многом сбалансированных витаминных и минеральных комплексов, а также популяризацией вегетарианства, как философии питания.
В условиях урбанизации общества смещения акцентов агропродовольственных комплексов на централизацию производства пищевых продуктов, развития сферы услуг, возрастают объемы потребления овощей в перерабатывающей промышленности.
В настоящее время в мясоперерабатывающей отрасли увеличиваются объемы производства мясорастительных и растительно-мясных продуктов. Разрабатываются новые продукты с использованием овощей и корнеплодов. Большое внимание уделяется разработке молочно-овощных продуктов, предназначенных для питания населения всех возрастных групп и, в особенности, для детского питания.
Наиболее широкое использование овощей в консервной и овощесушильной промышленности, в системе общественного питания в качестве ингредиентов и основы первых и вторых блюд, гарниров, десертов. Вопрос питания неразрывно связан с использованием качественных пищевых продуктов. Качество продуктов питания определяется их пищевой и энергетической ценностью, а также органолептическими характеристиками.
Вместе с тем, обязательным для пищевых продуктов является соответствие пищевых показателей безопасности требованиям нормативной документации.
Безопасность овощей, как продуктов питания, обеспечивается на стадии их культивирования посредством формирования допустимого уровня содержания в плодах нитратов и нитритов, пестицидов и радионуклеотидов.
Кроме того, безопасность определяется наличием на поверхности плодов инородных структурных образований (загрязнений), способных удерживать патогенные микроорганизмы и токсичные элементы.
В связи с этим, овощи, перед их использованием в пищу или для переработки, подвергаются очистке от загрязнений. В большинстве случаев проводится мокрая очистка (мойка), при этом овощи рассматриваются как «объекты мойки».
Для проведения процесса мойки овощей применяются технологические аппараты с различными техническими характеристиками. Вместе с тем, необходимо отметить, что конструирование аппаратов для мойки овощей, как правило, осуществляется без учета свойств объектов мойки, адгезионных свойств загрязнений, процессовых особенностей их разрушения и удаления с поверхности плодов.
В связи с вышеизложенным, разработка научных основ конструирования аппаратов для мойки овощей является актуальной позицией в перечне мероприятий, направленных на повышение безопасности и качества питания населения, эффективности перерабатывающих производств, индустриализацию общественного питания.
В контексте выполнения диссертационной работы, оснований её актуальности сформулированы цель исследований; задачи, решаемые в процессе исследований; определены методы исследований и формы представления результатов исследований.
Указанные позиции формализованы блок-схемой (рис. 1).
Цель исследований
Разработка научно обоснованных принципов и рекомендаций по проектированию аппарата для мойки овощей, обеспечивающих повышение эффективности мойки и снижение энергозатрат на проведение процесса
і Задачи исследований
1. Анализ овощей как объектов мойки. 2.Анализ загрязнений объектов мойки.
З.Анализ основных факторов, влияющих на эффективность процесса мойки овощей. 4.Анализ современного состояния вопроса практической реализации процесса мойки овощей. 5 .Обоснование научной концепции процесса мойки овощей, вытекающей из анализа теоретических подходов к процессу разрушения и удаления загрязнений. б.Выявление приоритетных способов гидродинамического воздействия на объекты мойки с точки зрения повышения эффективности процесса мойки и снижения затрат на проведение процесса. 7 .Экспериментальное исследование адгезии загрязнений к различным объектам мойки. 8.Адаягадия результатов экспериментальных исследований к принципиальной схеме процесса мойки, гидродинамической обстановке в аппарате и его энергетическим характеристикам. 9 .Выработка принципов и рекомендаций по проектированию аппарата для мойки овощей. , і Методы исследований Аналитический, эксшериментальный(эмпирический), статистический і Форма представлений результатов исследований 1 .Проблемно-ориентированные описания. 2 .Аналитические зависимости. 3.Эмпирические зависимости. 4Храфическая интерпретация эмпирических зависимостей. 5 .Аналитический синтез. Рис. 1. Цели, задачи и методы исследований.
Полученные результаты исследований позволили определить содержание научной новизны и практической значимости работы. Научная новизна работы состоит в том, что впервые: -сформулирована научная концепция процесса мойки овощей; -аналитически и экспериментально исследовано адгезионное взаимодействие поверхности различных видов овощей и различных типов почвенных загрязнений; -разработаны научно-обоснованные принципы конструирования аппарата для мойки овощей, обеспечивающие повышение эффективности процесса мойки и снижение удельных затрат энергии.
Практическая значимость работы заключается: -в разработке принципиальной конструктивной схемы аппарата для мойки овощей, основанной на аналитических и экспериментальных исследованиях; -в разработке практических рекомендаций по конструированию аппарата для мойки овощей, обеспечивающих повышение эффективности процесса мойки и снижение удельных затрат энергии, основанные на сформулированных научных принципах.
Идентификация объектов мойки
Указанные две позиции являются предтечей аналитического исследования гидродинамического воздействия на загрязнения объектов мойки и на объекты мойки.
Следующими двумя позициями блок-схемы алгоритма являются: -корреляция (взаимосвязь) гидродинамического воздействия и сил адгезии, обеспечивающая разрушение и удаление загрязнений с поверхности объектов мойки; -корреляция гидродинамического воздействия и мощности, требуемой для обеспечения разрушения и удаления загрязнений с поверхностей объекта мойки.
В конечном счете, данные две позиции лежат в основе установления связи между основными конструктивно-технологическими и энергетическими характеристиками разрабатываемого аппарата. Следует отметить, что данные позиции завершают блок позиций алгоритма, касающийся чисто аналитических исследований.
Блок экспериментальных исследований открывают позиции идентификации видов загрязнений и объектов мойки, что означает выборку видов овощей, ассоциированных с экспериментальным исследованием процесса мойки и выбор типа почв, как загрязнений, характерных для выбранных видов овощей.
Позиция экспериментального определения сил адгезии связана с позицией актуализации аналитического определения сил адгезии в семиотической форме, имея в виду априорное установление вида зависимостей, представляющих результаты экспериментальных исследований.
Результаты экспериментального определения сил адгезии отображаются в позиции формализации результатов эксперимента расчетными эмпирическими формулами. Данная позиция завершает экспериментальный блок алгоритма.
Завершают блок-схему алгоритма две позиции, принадлежащие к экспериментально-аналитическому блоку: -адаптация эмпирических зависимостей к гидродинамической обстановке в аппарате и его энергетическим характеристикам; -получение аналитических зависимостей для расчета основных конструктивно-технологических и энергетических параметров аппарата.
Нетрудно заметить, что каждой позиции алгоритма соответствуют определенные методы исследований, совокупность которых является частью некоторой методологии. В основном, при проведении исследований использовались следующие методы: аналитические, аналитико-статистические, эмпирические (экспериментальные).
Следует отметить, что разработанная блок-схема не является закрытой и предполагает возможность ее расширения, что обусловлено диалектическим характером процесса познания, а, следовательно, самих исследований.
Это нашло отражение в содержании заключительной части диссертационной работы, а именно, в формулировании концепции процесса мойки овощей и научно обоснованных рекомендаций по конструированию аппарата для проведения этого процесса. 1.3 Идентификация объектов мойки
Идентификация объектов мойки заключается в выборке видов овощей, ассоциируемых с процессами мойки.
В качестве объектов мойки приняты: картофель, свекла, морковь, огурцы, томаты.
Основанием выборки явилась «кулинарная популярность» данных видов овощей, проявляющаяся в их широком использовании для приготовления всех видов блюд (холодных и горячих закусок, супов, гарниров, десертов) обусловленная не только сложившимися вековыми «пищевыми» традициями населения России, но, также объективной относительной доступностью данных пищевых продуктов; их высокой пищевой ценностью при относительно низкой энергетической ценности; высокими вкусовыми кондициями и, в некотором роде, исповедуемой частью населения философией вегетарианства.
В отношении популярности не все указанные овощи равнозначны. В соответствии с данными ВНИИЭСХ по валовому сбору продукции, косвенно отображающими уровень спроса (табл. 1), несомненное лидерство принадлежит картофелю. Далее, в порядке убывания следуют: томаты, морковь, огурцы, свекла.
Лидерство картофеля сохраняется по всем Федеральным округам. Некоторая смена приоритетов по Федеральным округам в отношении других овощей, видимо, связана с особенностями их вегетации и климатическими условиями регионов.
В табл.2 приводятся данные по пищевой и энергетической ценности овощей, усредненные по нескольким источникам. [90,109,110,111]
Обращает на себя внимание низкая энергетическая ценность овощей при достаточно высокой насыщенности минерального и витаминного комплексов, что характеризует овощи как ценные составляющие рационов при реализации концепции адекватного питания. Таблица 1. Валовой сбор овощей
Классификация аппаратов для мойки овощей
Как любое востребованное технологическое оборудование, аппараты для мойки овощей в процессе развития общества и индустрии претерпевают изменения, направленные на повышение эффективности и интенсивности процесса, обеспечение адекватности процессовых и конструктивных схем требованиям перерабатывающей промышленности, общественного питания и, в целом, потребительского рынка.
Анализ процессовой стороны вопроса, направлений, связанных с интенсификацией процессов пищевых производств [2,3,13,27,34,35,42,43,59, 66,67,74,77], позволил предложить классификацию аппаратов для мойки овощей, учитывающую фактическое состояние парка технологического оборудования, а также нереализованные и перспективные процессовые и конструктивные решения (рис.12).
Классификация проведена по пяти основаниям деления (классификационным признакам): -форме организации технологического процесса; -типу рабочего органа; -типу энергетического воздействия; -степени энергетического воздействия; -форме энергетического воздействия.
По форме организации технологического процесса аппараты делятся на поточные и емкостные.
В поточных аппаратах операции загрузки и выгрузки плодов овощей осуществляются в непрерывном режиме; в аппаратах емкостного типа загрузка и выгрузка плодов производится периодически, т.е. рабочий цикл можно разделить на дискретные временные отрезки: загрузка - обработка (мойка) - выгрузка.
По сложившейся традиции поточные аппараты определяют как аппараты непрерывного действия; емкостные - как периодического.
По типу рабочего органа аппараты можно разделить на две группы, ассоциированные с формой организации технологического процесса: -ленточные, роликовые, цепные (ассоциируются с поточными аппаратами и наличием несущих органов в форме конвейеров с различными видами настилов); -барабанные, дисковые, лопастные (ассоциируются с емкостными аппаратами с различной формой геометрии рабочего органа). По типу энергетического воздействия целесообразно различать: -аппараты с гидродинамическим воздействием (мойка плодов овощей осуществляется при воздействии на их поверхность только жидкости); -аппарата с комбинированным воздействием (мойка плодов овощей осуществляется при совместном гидродинамическом и механическом воздействии на поверхность плодов).
Энергетическое воздействие может быть активным и пассивным, в классификационной структуре определяется как «степень энергетического воздействия».
Пассивное воздействие реализуется при перемещении плодов овощей конвейером через неподвижный объем воды; во всех остальных случаях энергетическое воздействие является активным. По форме энергетическое воздействие может быть вибрационным, барботажным или вихревым. Вибрационное воздействие предполагает наложение на рабочий орган аппарата (а, следовательно, и на плоды овощей) вибрации (колебаний). Барботажное воздействие осуществляется при барботировании в объем рабочего агента (жидкости) воздуха, что приводит к той или иной степени перемешивания жидкости).
Вихревое воздействие идентифицируется с обработкой плодов овощей потоком жидкости с высокой кинетической энергией (например, струй, формирующих структуру потока, подобную визуально определяемым завихрениям).
Вибрационное воздействие по типу относится к комбинированному; барботажное и вихревое - к гидродинамическому.
Очевидно, предлагаемая классификация не может охватить всего многообразия процессовых и конструктивных решений, однако, она может рассматриваться в качестве ориентирующей модели при анализе и создании оборудования для мойки не только плодов овощей, но, также, для мойки фруктов, ягод, посуды и тары.
1. Анализ аппаратов для мойки овощей выявил многообразие заложенных в них конструктивных решений и процессовых особенностей.
2. Обобщение численных значений основных технических параметров аппаратов указывает на отсутствие обоснованной корреляции между производительностью, видом обрабатываемых овощей, типом почвенных загрязнений, энергоемкостью и металлоемкостью аппарата, что косвенно подтверждает необходимость использования обоснованных научных принципов конструирования аппаратов.
3. Разработанная классификация аппаратов для мойки овощей не охватывает всего многообразия процессовых и конструктивных решений, однако, она может рассматриваться в качестве ориентирующей модели при анализе и создании оборудования для мойки не только плодов овощей но, также, для мойки фруктов, ягод, посуды и тары.
Основные теории и концепции процесса адгезии
Процесс мойки разбивается на два блока: собственно мойки и ополаскивания. Блок «собственно мойки» является основным в процессовой схеме и условно может быть представлен «пассивной» и «активной» мойкой.
Пассивная мойка предполагает удаление загрязнений с поверхности объектов мойки (овощей) в процессе перемещения последних через неподвижный объем моющего агента (воды).
Активная мойка осуществляется при взаимодействии объектов мойки с потоком воды по схеме прямотока или противотока. Обычно реализуется противоточная схема, учитывая ее процессовые преимущества в части интенсификации обменных процессов.
Дополнительная интенсификация процесса мойки достигается, например, при барботировании воздуха в объем жидкости или при наложении механической или гидравлической вибрации на обрабатываемые объекты. При этом необходимо помнить, что одновременно с интенсификацией процесса мойки, увеличивается его энергоемкость при общем конструктивном усложнении технологического аппарата.
Блок ополаскивания располагается за блоком мойки и основное его предназначение - удаление с поверхности плодов овощей фрагментов загрязнений, разрушенных в процессе собственно мойки. Обычно для этой цели используется «душирование» поверхности плодов овощей водой через форсунки различного типа.
Сообразно принципиальной схемы процесса мойки на рис. 16 представлена конструктивная схема аппарата, реализующего процесс. схема аппарата для мойки овощей
Согласно схемы, продукт перемещается транспортером последовательно через зоны мойки и ополаскивания.
В зону мойки противотоком по отношению к перемещаемому продукту, подается вода, причем ее уровень устанавливается таким образом, чтобы продукт полностью находился ниже водной поверхности. В зоне ополаскивания осуществляется душирование продукта через систему форсунок. На приведенной схеме, как вариант, показано барботирование воздуха в объем воды в зоне мойки, а также возможность очистки и циркуляции воды по замкнутому контуру: моечная ванна - система очистки - насос -моечная ванна.
Сообразно приведенной схемы, гидродинамические воздействия на объекты мойки (плоды овощей) в зоне мойки идентифицируются с процессом обтекания жидкостью твердого тела; в зоне ополаскивания - с гидродинамическим воздействием струи на поверхность тела. В соответствии с этим, вопрос гидродинамического воздействия для зон мойки и ополаскивания решается по-разному.
В соответствии с гипотезой Фруда сопротивление, оказываемое телом при его обтекании жидкостью, представляется в виде суммы двух слагаемых [106]: P = y(Kc)+9(F2)] f [Н] (9) где Re - критерий Рейнольдса; F2 - критерий Фруда; р - плотность жидкости, кг/м"; со - миделево сечение тела, или эквивалентная ей величина, м2; V - относительная скорость тела, м/с. Относительная скорость определяется следующим образом: -в случае неподвижности тела и движущейся жидкости У = УЖ (10) Уж - скорость жидкости. -в случае, движущихся в одном направлении тела и жидкости (прямоток) V = V,-VT (11) при Уж VT VT - скорость тела. Если Уж VT движение можно отождествить со случаем противотока при У = УТ-УЖ (12) -в случае, движущихся в противоположных направлениях тела и жидкости У = УЖ + УТ (13) В формуле (9) слагаемое (p(Re) определяется сопротивлением трения и формы; (p(F2) - сопротивлением волнообразования. Сопротивление трения, как и сопротивление формы, в конечном счете, обусловливаются вязкостью жидкости. Под сопротивлением формы подразумевают проекцию на направление скорости движения нормальных сил. Сопротивление формы может быть определено по формуле: Р =кш - [Н] (14) где к - коэффициент сопротивления формы.
Коэффициент сопротивления формы определяется экспериментально, зависит от формы обтекаемого тела и от условий обтекания, характеризуемых численным значением критерия Рейнольдса.
Гидродинамическое воздействие струи на поверхность твердого тела
Экспериментальное исследование процесса мойки овощей, в первую очередь, касается определения удельного усилия адгезии загрязнений к поверхности плодов овощей.
Удельное усилие адгезии определялось методом размыва слоя загрязнений струей воды, подаваемой на слой загрязнений через струйную форсунку. Схема экспериментального устройства показана на рис.18.
В состав устройства входят: струйная форсунка 1; металлическая рамка с бортами 2, имеющая в днище отверстие 6 для слива жидкости; металлическая сетчатая рамка 5. Металлическая сетчатая рамка 5 выстилается срезом поверхностного слоя (кожуры) овощей,(подложка) 4, на который наносится слой определенного типа почвы (адгезив) 3. Рамка помещается в камеру, где поддерживается определенная влвжность, и выдерживается до достижения равновесного влагосодержания почвы.
Подготовленное адгезивное соединение: адгезив-подложка устанавливается под сопло форсунки, через которую подается вода. В результате воздействия струи воды на слой почвенного загрязнения образуется «пятно размыва», площадь которого, по истечении определенного промежутка времени, измеряется трафаретом. Влажность загрязнений d изменялась в диапазоне от 20% до 60% с шагом 10%. Результаты эксперимента сведены в таблицу 7. В таблице даны средние значения удельного усилия адгезии, рассчитанные по трем повторностям опыта.
В графе «продукт» приняты следующие обозначения: «К» - картофель; «М» - морковь; «О» - огурцы; «Т» - томаты; «С» -свекла. На рис. 19а,б представлены графики изменения удельного усилия адгезии различных типов почв к поверхности плодов картофеля, свеклы, моркови, огурцов, томатов в зависимости от изменения влагосодержания почвы. Из полученных экспериментальных данных следует: -для всех видов овощей и типов почв удельное усилие адгезии монотонно уменьшается с увеличением влагосодержания почвы; -для всех видов овощей почвы ранжируются в порядке уменьшения удельного усилия адгезии: суглинок-супесь-чернозем-торф; -для всех типов почв овощи ранжируются в порядке уменьшения удельного усилия адгезии: картофель-морковь-свекла-огурцы-томаты; -для всех видов овощей почвы ранжируются в порядке возрастания скорости изменения удельного усилия адгезии: суглинок-супесь-чернозем-торф; -для всех типов почв овощи ранжируются в порядке уменьшения скорости изменения удельного усилия адгезии: картофель-морковь-свекла-огурцы-томаты. Как следует из данных таблицы 8, наибольшее изменение удельного усилия адгезии суглинистых и супесчаных почв наблюдается для плодов картофеля; в случае чернозема и торфяных почв - для плодов свеклы. Для плодов томатов изменение удельного усилия адгезии наименьшее при всех типах почв.
Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить комплекс эмпирических формул для расчета удельного усилия адгезии различных типов почв к поверхности плодов овощей при различной величине влагосодержания почвы (табл.9).
Как следует из графиков, изображенных на рис.21 (а также в соответствии с формулой 60), изменение длины зоны мойки имеет тенденцию, идентичную изменению времени мойки.
Наибольшая длина зоны мойки требуется при обработке плодов свеклы, загрязненных суглинистой почвой влагосодержанием 20%; наименьшая длина -при обработке огурцов и томатов, загрязненных торфяной почвой влагосодержанием 60%.
Численные значения, показывающие изменение длины зоны мойки, важны при конструировании «универсального» аппарата для мойки овощей, т.е. аппарата, который может быть использован для мойки плодов овощей различных видов (картофеля, свеклы, моркови, огурцов, томатов).
Выбор численного значения относительной скорости 0,3 м/с (что соответствует скорости воды 0,25 м/с при скорости транспортера 0,05 м/с) обусловлено следующим. При уменьшении относительной скорости существенно возрастают габаритные размеры аппарата за счет увеличения длины зоны мойки. При увеличении относительной скорости, уменьшается длина зоны мойки, однако при этом возникает опасность «уноса» плодов с поверхности транспортера потоком жидкости.
Ширина зоны мойки определяется шириной транспортера, обеспечивающей определенную пропускную способность аппарата в соответствии с заданной требуемой производительностью. Пропускная способность аппарата рассчитывается по формуле: где М - пропускная способность (производительность) аппарата, кг/с; vT - скорость транспортера, м/с; p - плотность плода, кг/м ; V - объем плода, м3; п - количество плодов, располагаемых по ширине транспортера, шт.; t - шаг роликов транспортера, м. Для обеспечения эффективной мойки плоды по ширине транспортера следует располагать в один ряд.
Схемы расположения плодов по ширине транспортера (поперечному сечению зоны мойки) показаны на рис. 22 а,б:
