Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературно-патентный обзор 11
1.1 Общие сведения о процессе экстрагирования 11
1.2 Методы интенсификации процесса экстрагирования 14
1.3 Основные характеристики поля низкочастотных механических колебаний 17
1.4 Обзор конструкций экстракторов с вибрационной насадкой 21
1.5 Особенности переработки плодово-ягодного сырья в экстракторе с вибрационной насадкой 31
1.6 Выводы по главе 33
Глава 2. Исследование переработки замороженных плодов рябины красной в экстракторе с вибрационной насадкой периодического действия 34
2.1 Описание экспериментальной установки и рабочих сред 34
2.2 Изучение влияния температуры экстрагента на переработку замороженных плодов рябины красной 36
2.3 Исследование процесса разрушения замороженных плодов рябины красной 41
2.4 Исследование влияния амплитуды и частоты колебаний вибрационной насадки на кинетику извлечения сухих растворимых веществ 49
2.5 Исследование многократного использования экстрагента при экстрагирования замороженных плодов рябины красной 54
2.6 Выводы по главе 57
Глава 3. Исследование переработки замороженных плодов рябины красной в экстракторе с вибрационной насадкой непрерывного действия 58
3.1 Изучение влияния параметров работы экстрактора на переработку замороженных плодов рябины красной 58
3.2 Исследование работы экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции 66
3.3 Выводы по главе 74
Глава 4. Разработка методики расчета и рекомендаций по конструированию экстракторов с вибрационной насадкой 75
4.1 Определение основных параметров экстрактора с вибрационной насадкой периодического действия 75
4.2 Разработка методики расчета экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия 77
4.3 Расчет полезной мощности привода вибрационной насадки экстрактора 97
4.4 Выводы по главе 103
Глава 5. Изучение работы экстрактора с вибрационной насадкой в технологическом потоке 104
5.1 Научно-техническое обоснование разрабатываемой технологии переработки плодово-ягодного сырья 104
5.2 Характеристика плодов рябины красной, как сырья для получения концентратов биологически активных веществ 105
5.3 Обоснование способа консервирования плодово-ягодного сырья 108
5.4 Особенности технологического потока при производстве экстрактов с использованием экстрактора с вибрационной насадкой 110
5.5 Оценка стабильности технологического потока в линии по переработке замороженных плодов рябины красной 115
5.6 Выводы по главе 118
Выводы 119
Список сокращений и условных обозначений 120
Список использованной литературы
- Обзор конструкций экстракторов с вибрационной насадкой
- Изучение влияния температуры экстрагента на переработку замороженных плодов рябины красной
- Исследование работы экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции
- Характеристика плодов рябины красной, как сырья для получения концентратов биологически активных веществ
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Переработка плодово-ягодного сырья, в основу которой положен процесс экстрагирования, является перспективным способом получения экстрактов, настоев, концентратов биологически активных веществ, витаминизированных безалкогольных напитков и др., что подтверждают преимущества этого процесса, заключающиеся в максимальном извлечении целевых компонентов из перерабатываемого сырья при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах на оборудование. Применение процесса экстрагирования способствует созданию ресурсо- энергосберегающей технологии переработки плодово-ягодного сырья и в конечном итоге позволяет существенно повысить конкурентоспособность производимой продукции, вследствие снижения ее себестоимости.
Следует отметить, что, несмотря на широкое применение процесса экстрагирования, степень извлечения целевых компонентов и производительность используемых экстракторов при переработке плодово-ягодного сырья не являются достаточными, что объясняется, прежде всего, недостаточной разработанностью существующего оборудования.
Существенно повысить извлечение целевых компонентов из обрабатываемого сырья и снизить продолжительность процесса позволит создание в рабочем объеме экстрактора интенсивного гидродинамического режима. В связи с этим актуальной является разработка массообменных аппаратов, реализующих, в качестве способа интенсификации процесса экстрагирования, метод наложения на обрабатываемую систему поля низкочастотных механических колебаний (НЧМК). Недостаточная изученность такого метода в аспекте технологии и методики расчета оборудования является его недостатком.
Исследование работы экстракторов с вибрационной насадкой, выявление основных закономерностей происходящих в них процессов и обобщение полученных результатов будет способствовать внедрению этих аппаратов в производство, что позволит повысить производительность и добиться стабильности современных технологических потоков.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» «Совершенствование аппаратурного оформления процессов пищевых производств» (№ гос. регистрации 01201362735).
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в научное представление о процессе экстрагирования внесли отечественные ученые Г.А. Аксельруд, В.М. Лысянский, С.М. Гребенюк, А.Д. Молчанов, П.Г. Ро-манков, М.И. Курочкина, Е.П. Кошевой, Е.В. Иванов, Ю.И. Бабенко, Ю.М. Плаксин и др., научные труды которых представляют обобщение как собственных исследований, так и исследований ряда других ученых.
Развитие вибрационного массообменного оборудования стало возможным благодаря разработкам Г.А. Аксельруда, В.М. Лысянского, И.Я. Городецкого, А.Е. Костаняна, А.А. Винтера, Н.И. Гельперина, Я.Прохазки, А.Карра и
многих других ученых.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия для переработки замороженных плодов рябины красной.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Изучить влияние технологических, конструктивных и режимных параметров на скорость переработки замороженных плодов рябины красной в экстракторах с вибрационной насадкой периодического и непрерывного действия, определить их рациональные значения.
-
Исследовать возможность насыщения экстракта за счет его многократного использования в качестве экстрагента в аппарате периодического действия и применение контура внешней рециркуляции в аппарате непрерывного действия.
-
Разработать математическое описание процесса экстрагирования в аппарате с вибрационной насадкой, на основе которого составить уточненную методику инженерного расчета экстракторов с вибрационной насадкой периодического и непрерывного действия для переработки замороженных плодов рябины красной.
-
Провести системный анализ технологической линии, включающей экстрактор с вибрационной насадкой, определить стабильность работы устройства.
-
Провести опытно-промышленные испытания модернизированной конструкции экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия, оснащенного контуром внешней рециркуляции.
Научная новизна:
1. Получены экспериментально-статистические зависимости, позволяю
щие определить рациональные конструктивные и режимные параметры перера
ботки замороженных плодов рябины красной в экстракторе с вибрационной
насадкой периодического действия.
-
Установлены рациональные конструктивные параметры вибрационной насадки, обеспечивающие высокую эффективность переработки замороженных плодов рябины красной.
-
Определены рациональные параметры контура внешней рециркуляции при переработке замороженных плодов рябины красной в экстракторе с вибрационной насадкой непрерывного действия.
-
Представлено математическое описание процесса экстрагирования в виде системы дифференциальных уравнений, позволяющее определить геометрические размеры экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия.
-
Разработана математическая модель для расчета мощности привода вибрационной насадки экстрактора.
Теоретическая и практическая значимость:
-
Разработан экстрактор с вибрационной насадкой непрерывного действия, отличающийся высокой степенью извлечения сухих растворимых веществ (СРВ). Техническое решение защищено патентом РФ № 2545300.
-
Разработаны методика расчета и рекомендации по конструированию
экстракторов с вибрационной насадкой.
3. Подтверждена стабильность и эффективность разработанной конструк
ции экстрактора посредством проведения испытаний ее опытно-
промышленного образца в линии производства экстракта из плодов рябины
красной на ОАО «Кемеровская фармацевтическая фабрика».
Методология и методы исследования. В работе использованы общепринятые методы исследования: одно- и многофакторный эксперимент, обобщение, формализация, математические методы и системный анализ.
Положения, выносимые на защиту:
– новая конструкция экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия;
– результаты экспериментальных исследований: влияния основных параметров на условия переработки замороженных плодов рябины красной в экстракторах с вибрационной насадкой периодического и непрерывного действия;
– влияние контура внешней рециркуляции на работу экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия;
– математическое описание процесса экстрагирования в аппарате с вибрационной насадкой и методика его расчета.
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность результатов научных исследований обеспечена использованием современных методов исследования, средств измерения и обработки данных, способствующих объективному анализу полученных результатов, выявлению «скрытых» свойств исследуемого объекта и подтверждению выдвинутых гипотез.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационного исследования представлены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012), на Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации» (Кемерово, 2013), на I международной конференции «Global Science and Innovation» (США, Чикаго, 2013), на заочной Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в пищевой промышленности: образование, наука, производство» (Благовещенск, 2014), на международной научной конференции «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2014), на II международной научно-практической конференции «Новые технологии и проблемы технических наук» (Красноярск, 2015), на IV международной научной конференции «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2016), на научных семинарах кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)» в 2013-2015 гг.
Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в 13 работах, в том числе, 5 в журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Основной текст диссертационного исследования изложен на 135 страницах машинописного текста, включает введение, 5 глав, основные выводы и результаты, список сокращений и условных обозначений, список использованной литературы (121 источник), 5 приложений, 44 рисунка и 7 таблиц.
Обзор конструкций экстракторов с вибрационной насадкой
Применение противоточного способа движения фаз, по аналогии с тепло-обменными процессами, позволяет увеличить среднюю движущую силу процесса экстрагирования и достичь более высокой концентрации целевых компонентов в получаемом экстракте [37, 76, 96]. Но вследствие незначительной разности плотностей экстрагируемого сырья и экстрагента, организация работы оборудования в противотоке при производстве плодово-ягодных экстрактов не всегда возможна.
Повышение температуры обрабатываемой среды существенным образом ускоряет процесс экстрагирования, воздействуя на коэффициент молекулярной диффузии благодаря уменьшению вязкости жидкой фазы и повышению проницаемости клеточных стенок [59, 97], но повышение температуры при производстве плодово-ягодных экстрактов выше 60 С ведет к потере ароматических соединений и термическому разрушению биологически активных веществ [56, 108].
Измельчение плодово-ягодного сырья создает условия к беспрепятственному проникновению экстрагента в клеточные полости плодов и ягод, уменьшая внут 15 реннее диффузионное сопротивление и увеличивая поверхность массообмена [13, 49, 97]. Причем измельчение плодов и ягод желательно проводить при их непосредственном контакте с экстрагентом (совмещая с процессом экстрагирования), поскольку предварительное измельчение экстрагируемого сырья в отдельных единицах оборудования будет способствовать значительным потерям целевых компонентов вследствие перегрузочных операций и дополнительного окисления биологически активных веществ сырья. Для лучшего прохождения экстрагента через слой измельченных частиц рекомендуется установка перемешивающих устройств в рабочем пространстве экстракционного оборудования [72]. Метод измельчения оказывает конченое значение, определяемое условиями последующего разделения на шрот и экстракт.
Широкое практическое применение получили методы подведения внешнего силового воздействия к обрабатываемой системе (ультразвуковых колебаний, высоковольтных импульсных разрядов, пульсаций давления, низкочастотных механических колебаний и др.), поскольку в этом случае интенсификация процесса экстрагирования обеспечивается комплексным воздействием различных факторов, в свою очередь, способствующих [10, 79]: – увеличению скорости обновления поверхности контакта фаз (уменьшению внешнего диффузионного сопротивления); – измельчению экстрагируемого сырья; – ускорению пропитки частиц твердой фазы экстрагентом; – увеличению коэффициента молекулярной диффузии; – образованию микротрещин в структуре пористого сырья. Обработка ультразвуком является многофункциональным методом интенсификации различных производственных процессов. Воздействие ультразвуковых колебаний на жидкую среду заключается в образовании кавитационных каверн, захлопывание которых ведет к локальным повышениям температуры и давления, что ведет к формированию условий для возникновения в обрабатываемой среде перечисленных выше эффектов [21]. При этом в структуре твердых тел наблюдается большое количество разрушенных клеток, что ведет не только к ускорению процесса экстрагирования, но и к более полному извлечению целевых компонентов [30, 100]. Таким образом, подведение ультразвуковых колебаний является универсальным методом интенсификации процесса экстрагирования многочисленных видов растительного сырья [54, 110, 111, 116]. Плодово-ягодное сырье, обладающее плотной кожицей и сложной структурой, рекомендуется предварительно измельчать, так как оно труднее поддается воздействию ультразвуковых колебаний, что является недостатком рассматриваемого метода интенсификации [70].
Использование высоковольтных импульсных разрядов при обработке жидкой многофазной среды способствует проявлению тех же эффектов, что и использование ультразвука. Это достигается за счет образования кавитационных пузырьков, возникающих в результате действия ударной волны, возбужденной каналом импульсного разряда [10, 43, 44, 58]. Недостаток способа заключается в загрязнении обрабатываемой среды продуктами эрозии электродов, устранению которого способствует экстрагирование в импульсном электрическом поле [30, 36].
Проведение процесса в условиях пульсаций давления в обрабатываемой среде способствует высокой интенсивности процесса экстрагирования благодаря созданию большого перепада давления (от 0,001 до 0,3 МПа), следствием которого является взрывное вскипание экстрагента и наличие гидравлических ударов [14, 84]. Недостатком данного метода является высокая стоимость эксплуатации оборудования, что объясняется требованиями герметичности конструкции узлов аппарата.
Наиболее рациональным способом интенсификации процесса экстрагирования плодово-ягодного сырья, несмотря на отсутствие некоторых эффектов, характерных для предыдущих методов, является использование низкочастотных механических колебаний (НЧМК), которые способствуют разрушению экстрагируемого сырья под действием знакопеременного перепада давления, создаваемого вибрационной насадкой в замкнутом пространстве экстрактора, уменьшая таким образом внутреннее диффузионное сопротивление. Кроме того, наложение на обрабатываемую систему поля НЧМК ведет к созданию затопленных турбулентных струй, способствующих уменьшению толщины пограничного слоя (увеличению коэффициента массоотдачи), а также перемешиванию макроскопических объемов жидкости, вследствие чего наблюдается выравнивание поля концентраций целевых компонентов во всем объеме экстрактора и участие в процессе массообмена всей поверхности твердых частиц [10, 96]. Экстракционное оборудование, реализующее воздействие на обрабатываемую систему НЧМК, характеризуется простотой конструкции и невысокими капитальными и эксплуатационными затратами [25, 115].
Поле НЧМК в рабочем объеме экстрактора формируется под воздействием исполнительного органа – насадки, выполненной в виде штока с закрепленной на нем перфорированной тарелкой (тарелками). Насадка совершает колебательное движение посредством передаточного механизма (кривошипно-шатунного, кулачкового и др.), соединенного с двигателем. Известны и другие способы получения колебательного движения, например, с использованием электромагнитного, пневматического, центробежного виброприводов [19, 23, 60], однако наиболее простым является организация НЧМК с помощью кривошипно-шатунного механизма (рис. 1.1), где посредством регулирования длины кривошипа и частоты его вращения можно изменять амплитуду и частоту колебаний, тем самым оказывая воздействие на интенсивность колебаний, оцениваемую выражением [19]
Изучение влияния температуры экстрагента на переработку замороженных плодов рябины красной
Обработка данных серии однофакторных экспериментов позволила получить следующие уравнения: ЭУД =-2661d О 3+28358 d О 2-98893d О+137572, R2 = 0,97, (2.5) ЭУД =-169946893+1309787Є2-297894Є +45359, і?2 = 0,96, (2.6) ЭУ Д =0,018h3 -3,387h2 +113,621h + 27900, Я2 = 0,97, (2.7) Уравнения (2.5-2.7) справедливы при d ОЕ[2,5;4] мм, Є є [0,08; 0,2] и h є [40; 140] мм. Для определения рациональных параметров тарелки использовался метод ортогонального центрально-композиционного планирования второго порядка. Схема эксперимента показана на рис. 2.9. Согласно используемой методики были проведены дополнительные эксперименты в «звездных» точках. Экспериментальные данные представлены в приложении А.
Схема эксперимента с указанием значений исследуемых параметров в «звездных» точках Посредством математической обработки получена следующая регрессионная зависимость (2.8) Э УД = 122135 -37174 0 -313245Є -355,5/г + 30925 о Є + 44,59dО h + +731,4Є/2-243,4 оЄ/2 + 50074+6П469Є2+0,969/22, Я2 =0,94, Зависимость (2.8) справедлива при dО є [2,5; 3,5] мм, Є є [0,12; 0,2] и h є [80; 120] мм. Глобальному минимуму функции (2.8) 23035 Дж/кг соответствуют следующие значения параметров: dО = 3,15 мм; = 0,18; h = 114 мм.
Исследование влияния амплитуды и частоты колебаний вибрационной насадки на кинетику извлечения сухих растворимых веществ Важным этапом исследования является изучение характера влияния ампли 50 туды и частоты колебаний вибрационной насадки на переработку замороженных плодов рябины красной, поскольку от этих параметров зависит не только качество проведения процессов, но и энергопотребление разрабатываемой конструкции экстрактора с вибрационной насадкой.
Изучаемые параметры варьировались в следующем диапазоне: амплитуда колебаний - от 5 до 9 мм, частота колебаний - от 6,7 до 16,7 Гц. Согласно ряду литературных сведений и результатов диссертационных исследований, в представленных диапазонах возможно существование рациональных режимных параметров [10, 25, 34,75].
Конструктивные параметры вибрационной насадки принимались исходя из результатов исследования, представленных в разделе 2.3.2.
Технико-экономическая эффективность исследуемого режима оценивалась величиной расхода энергии на переработку Э, Дж, полученной в результате интегрирования экспериментальной зависимости полезной мощности NП, Вт, затрачиваемой вибрационной насадкой. Последняя является функцией времени, значения которой определяются следующим образом NП=N-NХХ, (2.9) где N - мощность по ваттметру, Вт; NХХ - мощность холостого хода электродвигателя экстрактора, Вт. 2.4.2 Результаты экспериментального исследования Несмотря на взаимосвязь амплитуды и частоты колебаний, учитываемую при расчете интенсивности колебаний (1.6), каждый из этих параметров по-своему влияет на скорость переработки замороженных плодов рябины красной. Главным образом это объясняется наличием процесса разрушения, на интенсивность которого, в соответствии с его механизмом (рис. 2.5) и результатами исследования (приложение Б), существенную роль играет амплитуда колебаний.
Выход на равновесную концентрацию, согласно результатам проведенных исследований, наблюдается при амплитуде колебаний от 6 мм и выше во всем исследуемом диапазоне частот (при амплитуде 5 мм выход на равновесную концентрацию происходит только на частоте 16,7 Гц). При этом амплитуда 7 мм, как видно из табл. А.1 (приложение Б), по сравнению с амплитудами 8 и 9 мм, характеризуется меньшим расходом энергии на проведение переработки и умеренной динамической нагрузкой на элементы конструкции экстрактора.
Характер кривых извлечения СРВ из замороженных плодов рябины красной (рис. 2.10) указывает на большую роль процессов размораживания и разрушения при переработке. Стремительное повышение концентрации СРВ на первой минуте объясняется протеканием в этот момент процесса разрушения перерабатываемых плодов, интенсивность которого зависит от перепада давления, создаваемого вибрационной насадкой. Снижение скорости роста СРВ в экстракте спустя некоторое время связано с уменьшением движущей силы процесса экстрагирования. В этот момент на повышение интенсивности извлечения СРВ существенное влияние будет оказывать скорость струй жидкой фазы, зависящая от параметров вибрационного воздействия.
Из рис. 2.11 видно, что повышение частоты колебаний вибрационной насадки способствует существенному сокращению продолжительности переработки. Это объясняется увеличением количества кинематических циклов, способствующих ускорению процесса разрушения перерабатываемого сырья и высокой турбулизации обрабатываемой среды. Анализ полученных результатов показал наличие экстремума кривых расхода энергии на переработку Э(f0) для соответствующих значений амплитуды (рис. 2.12).
Исследование работы экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции
Изучение работы лабораторных моделей позволило установить влияние различных параметров экстракторов на протекающие при переработке плодов рябины красной процессы, а также получить рациональные значения некоторых параметров, которые необходимо учитывать при конструировании промышленных образцов. Однако, при внедрении экстракторов с вибрационной насадкой в производство, следует учитывать требуемую производительность, от которой будут зависеть их геометрические размеры и требуемые характеристики привода вибрационной насадки. Качественно разработанная методика расчета и конструирования, в основу которой положены результаты проведенных исследований, позволит достичь требуемой производительности разрабатываемой конструкции экстрактора и ее надежности.
Экстракторы с вибрационной насадкой периодического действия при их внедрении в малотоннажное производство характеризуются достаточной производительностью и минимальным энергопотреблением (см. раздел 1.4). Методика расчета таких устройств достаточно проста и направлена, прежде всего, на определение геометрических размеров основных узлов конструкции, параметров колебаний вибрационной насадки и продолжительности переработки.
1. Конструктивные параметры вибрационной насадки экстрактора рекомендуется принимать согласно результатам проведенных исследований: – зазор между внутренней стенкой экстрактора и тарелкой = 2 мм (см. раздел 2.3); – доля живого сечения тарелки = 0,16 (см. раздел 2.3); - высота отбортовки тарелки / = 14 мм [34]; - диаметр отверстий в тарелке с учетом результатов проведенных исследований процесса разрушения замороженных плодов рябины красной (см. раздел 2.3) и среднего диаметра плода рябины красной dП = 8… 12 мм рекомендуется определять по следующей зависимости dО=0,31dП (4.1)
2. Режимные параметры работы устройства
При переработке замороженного плодово-ягодного сырья амплитуду колебаний вибрационной насадки, согласно результатам проведенных исследований (см. раздел 2.4) и литературным сведениям [12, 75], следует принимать А = 7 мм.
Использование формулы 3.8 для определения рационального значения частоты колебаний вибрационной насадки позволит свести к минимуму затраты энергии на создание требуемого гидродинамического режима. В частности, при переработке замороженных плодов рябины красной для А = 7 мм рациональное значение частоты колебаний /= 12,83 Гц. Для других видов сырья частоту колебаний следует принимать исходя из имеющихся в доступной литературе рекомендаций или дополнительных исследований.
3. Диаметр корпуса экстрактора DЭ, м, определяется исходя из массы пере рабатываемого за одну загрузку сырья тЗ, кг D Э = 4mЗ (4.2) k ЗpП%h где кЗ 0,65 - коэффициент заполнения экстрагируемым сырьем замкнутого пространства под тарелкой с учетом рационального значения расстояния от дна экстрактора до тарелки h = 0,1 м; П 520 кг/м3 - насыпная плотность замороженных плодов рябины красной.
Полученное значение диаметра корпуса экстрактора необходимо округлить до ближайшего большего значения в соответствии с ГОСТ 6636-69. При этом если диаметр экстрактора получится более 560 мм, следует рассмотреть варианты установки дополнительной тарелки на шток, что позволит увеличить высоту рабочего пространства [99], либо использования экстрактора непрерывного дейст 77 вия. При установке дополнительной тарелки на шток диаметр корпуса экстрактора, его высоту и шаг установки тарелок следует определять по рекомендациям для экстрактора непрерывного действия, представленным ниже. Высоту корпуса экстрактора при гидромодуле 1 : 4 и расстоянии от дна экстрактора до тарелки h = 0,1 м рекомендуется принимать 0,25 м с обязательным условием разборного герметичного соединения корпуса экстрактора и крышки. 4. Производительность экстрактора с вибрационной насадкой периодического действия ПП, кг/мин, по перерабатываемому сырью ПП= З , (4-3) где ТЦ = тЗ + х + тР - время цикла переработки сырья в экстракторе, мин (здесь З - время загрузки экстрактора; - время переработки; Р - время разгрузки экстрактора). Время работы экстрактора определяется для соответствующих видов сырья из научно-исследовательской литературы. Для переработки замороженных плодов рябины красной следует определять по формуле (2.11). Время загрузки и разгрузки экстрактора определяется по результатам предварительных исследований работы устройства и зависит от конструктивного исполнения элементов корпуса и наличия вспомогательных устройств (фильтров, питателей и т.п.).
Проектировочный и проверочный расчеты основных узлов экстрактора (толщины стенки корпуса, тарелки и т.п.) необходимо проводить, основываясь на результатах силового расчета привода экстрактора, по специальным методикам расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых (химических) производств.
В экстракторах непрерывного действия насадка разделяет рабочее пространство на ячейки, что делает затруднительным расчет основных параметров по аналогии с экстракторами периодического действия. Кроме того, рабочие среды находятся в непрерывном движении и меняют свои характеристики с течением времени. В связи с этим для расчета таких устройств рекомендуется использование математических методов описания протекающих в экстракторе процессов [41]. Главной задачей здесь является определение для каждой ячейки экстрактора объемной доли твердой фазы, концентраций СРВ в твердой и в жидкой фазах. На основании полученных результатов производится расчет геометрических параметров устройства.
Характеристика плодов рябины красной, как сырья для получения концентратов биологически активных веществ
Значения cis2x , а$п , Я?3 , 2 определяются в результате кинематического анализа механизма и зависят от длин кривошипа и шатуна, угловой частоты кривошипа и угла поворота кривошипа.
Таким образом, для каждого положения кривошипа сила, приложенная к вибрационной насадке, определяется выражением, полученным в результате решения системы уравнений (4.87) P = (ТlYc + ТXY B -Ф 2X Y B Yc + G 3 Y B XcФ 3 Y B Xc -Ф 2Y Y B X S2 + Ф 2X Y B Y S2 +G 2 Y B X S2 -МИ2YB -G2XBYC +Ф2YXBYc -G3XBYC +Ф3XBYc)/(YBXC -XBYC) (4.88) Подставив выражение (4.88) в (4.86), с учетом Хс = 0 получим уравнение для расчета перепада давления в рабочем объеме экстрактора Др = (ТJc +ТXY B -Ф 2X Y B Yc -Ф 2Y Y B X S2 +Ф 2X Y B Y S2 +G 2 Y B X S2 - МИ2YB - G2XBYC + Ф1YXBYC - G3XBYC + Ф3XBYC ) / (-XBYC SС) (4.89) Рисунок 4.6 – Кривошипно-шатунный механизм в сборе с насадкой (а) и его расчетная схема (б): 0 – стойка; 1 – кривошип; 2 – шатун; 3 – насадка 100
На основании опытных данных о полезной мощности, затрачиваемой на проведение процесса (см. раздел 2.4), и уравнения (4.89) для кривошипно-шатунного механизма (рис. 4.6, а) с длинами звеньев: 11 = 0,007 м, /2 = 0,056 м; массами звеньев: т1 = 0,2 кг, т2 = 0,3 кг, т3 = 0,33 кг; при угловой частоте кривошипа 1 = 104,72 рад/с и крутящем моменте на валу кривошипа Т1 = 1,7 Н-м рассчитан перепад давления с учетом площади сплошной поверхности вибрационной насадки 0,01213 м2 и зазора между стенкой аппарата и краем тарелки 2 мм (рис. 4.7).
Анализ выражения (4.89) и графика функции на рис. 4.7 показывает, что функция перепада давления является периодической с периодом, равным 360. График функции на интервалах опускания ( = 91…269) и подъема ( = 271…89) вибрационной насадки имеет центральную симметрию относительно точки М в пределах точности 10%. Это подтверждает создание в рабочем объеме экстрактора областей знакопеременного перепада давления, разделенных тарелками вибрационной насадки. Об этом же говорит и наличие бесконечных разрывов функции при углах = 90 и = 270, где проекция координаты точки В на ось X оказывается равной нулю, после чего происходит инверсия движения вибрационной насадки. При этом стремление перепада давления к бесконечности не оказывает практического влияния на работу устройства, поскольку скорость вибрационной насадки в ее крайних положениях равна нулю (рис. 1.2).
Ввиду сдвига на тг/2 фазы перепада давления относительно фазы сил инер 101 ции, прямо пропорциональных и обратных по знаку ускорению вибрационной насадки (рис. 4.7, 1.2, кривые p, s"), возможны два варианта расчета полезной мощности: 1) по средней величине перепада давления; 2) по максимальной мощности сил сопротивления, действующих на звенья механизма. Вариант 1. Использование в этом варианте средней величины перепада давления объясняется, прежде всего, невозможностью определения максимальной силы, приложенной к вибрационной насадке, что следует из рис. 4.7. Среднее же значение перепада давления может быть получено посредством его выражения из формулы (4.86), после предварительного определения среднего значения силы, приложенной к вибрационной насадке. Ее можно представить равнодействующей силой
Справедливость выражения (4.90) проверена с помощью математической модели кривошипно-шатунного механизма, построенной с использованием аналитических методов кинематического анализа и уравнения (4.88), в диапазоне амплитуды и частоты колебаний, соответственно, 3…15 мм и 5…50 Гц: Требуемую полезную мощность на приводном валу кривошипно-шатунного механизма можно выразить, используя ее связь с крутящим моментом и частотой вращения кривошипа со, рад/с ІУП=711, (4.91) что с учетом (4.86), (4.90) и зависимостей 1 =2nf, 11=А можно представить в следующем виде NП =ApSСAizf (4.92) Перепад давления для формулы (4.92), при отсутствии опытных данных, 102 можно оценить по обобщенному критериальному уравнению, полученному путем математической обработки результатов переработки замороженных плодов рябины красной (приложение Б) EuВ=l,6-105ReВ 56Fr17 (4.93)
Вариант 2. Использование в этом варианте максимальной мощности сил сопротивления, действующих на звенья механизма, объясняется тем, что на преодоление этих сил необходимо приложение соответствующего крутящего момента со стороны вала кривошипа. Этот вариант расчета полезной мощности особенно интересен в том случае, когда насадка экстрактора или шатун имеют значительную массу. Создание перепада давления в этом случае обеспечивается силами вредного сопротивления при совпадении направления их действия с направлением движения вибрационной насадки.
Проведенное теоретическое исследование кривошипно-шатунного механизма при различных массах шатуна и вибрационной насадки, амплитуде и частоте колебаний насадки показало существование максимального момента сил сопротивления в положении кривошипа при = 310. В соответствии с принципом возможных перемещений, суммарная мощность сил сопротивления в этом положении определяется NПС =2,635А2п3 f\m2 +1,253/и3) + 1,285 g An f(m2+m3) -0,428%Л / --09"- 766; (4.94) /2 Соотношение (4.94) получено для гармонического закона движения насадки, согласно которому перемещение, скорость и ускорение ее точки определяются по формулам (1.7-1.9).
Справедливость выражения (4.94) проверена с помощью математической модели кривошипно-шатунного механизма путем сопоставления значения, полученного посредством выражения (4.94), и действительного значения суммарной мощности сил сопротивления7УДС, Вт, при массе шатуна 0,1…2,9 кг, массе вибрационной насадки 0,4…11,6 кг, амплитуде колебаний насадки 3…11 мм и частоте - 6,7…20 Гц NДС=Ф2XvS2X -(Ф2Т -G2)vS2Y -(Ф3 -G3)vS3 -MИ2ю2, (4.95) где vS2x и vS2Y - проекции скорости центра масс 5г шатуна на оси Хи Y, м/с; vS3 - скорость вибрационной насадки, м/с; 2 - угловая частота шатуна, рад/с. При этом следует отметить, что, с одновременным увеличением варьируемых параметров до их максимальных значений в исследуемых пределах, соответствие между расчетными величинами выражений (4.94) и (4.95) достигалось благодаря приближению закона движения вибрационной насадки к полигармоническому закону посредством увеличения отношения длины кривошипа к длине шатуна до значения, превышающего 20.
Выбор электродвигателя необходимо проводить по наибольшему из значений между NПAp и NПС, с учетом его рабочей характеристики и КПД элементов кинематической схемы, неучтенных настоящей методикой (подшипников приводного вала, муфты и т.п.).