на правах рукописи
БАХАРЕВ
Алексей Александрович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ СОКОВ
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ ЯГОД
С РАЗРАБОТКОЙ ВАЛКОВО-ЛЕНТОЧНОГО ПРЕССА
Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Мичуринск – Наукоград РФ, 2012
Работа выполнена в федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: кандидат технических наук,
Пустовалов Дмитрий Викторович
Официальные оппоненты: Цымбал Александр Андреевич
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» / кафедра гидравлики и гидравлических машин, профессор
Курочкин Иван Михайлович
кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» / кафедра автомобильной и аграрной техники, заведующий
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»
Защита состоится 25 мая 2012 г. в 1200 на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при Мичуринском государственном аграрном университете по адресу: 393760, г. Мичуринск, ул. Интернациональная 101, зал заседаний диссертационного совета
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета ФГБОУ ВПО МичГАУ
Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайтах ФГБОУ ВПО МичГАУ www.mgau.ru и Министерства образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru
Автореферат разослан 24 апреля 2012 г.
У ченый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент Михеев Н.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Важнейшим условием поддержания здоровья, высокой работоспособности и выносливости человека является полноценное питание, обеспечивающее регулярное снабжение организма всеми необходимыми витаминами и минеральными веществами. В связи с этим следует отметить роль ягод, содержащих значительное количество витаминов и других полезных веществ. Ягоды и продукты, полученные из ягод, используются при лечении и профилактики различных заболеваний.
На стол потребителя ягоды поступают либо в свежем виде, либо в переработанном. Как правило, из ягод варят джемы и варенья. При этом ягоды подвергаются длительной тепловой обработке, в результате которой большая часть содержащихся в них витаминов разрушается. Для сохранения наибольшего количества полезных веществ рационально получать из ягод соки прямого отжима.
Объем представленных на рынке соков из ягод крайне низок по сравнению с соками из плодов. Крупным специализированным предприятиям переработка ягод не выгодна из-за малых объемов поставки сырья. Небольшие консервные заводы не могут эффективно переработать ягодное сырье из-за отсутствия современного прессового оборудования необходимой производительности, обеспечивающего высокий выход ягодного сока.
Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований МичГАУ по теме: «Совершенствование технологии и технических средств для производства и переработки с/х продукции» и заключенным государственным контрактом №7885р/11445 с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме НИР «Технология и прессовое оборудование для получения ягодных соков прямого отжима».
Цель работы. Повышение эффективности отжима соков из ягод путем разработки нового рабочего органа валково-ленточного пресса.
Объект исследования. Процесс отжима сока из ягод на разработанном валково-ленточном прессе.
Научная новизна. Определены особенности прессования ягод на прессах с жестким и деформирующимся валками. Найдены оптимальные соотношения конструктивных параметров разрабатываемого пресса. Выявлены зависимости момента вращения в рабочего органа от конструктивных параметров и технологических параметров отжима. Получены математические модели для определения выхода сока из черной смородины, вишни и черноплодной рябины.
Автор выражает благодарность за помощь в подготовке диссертационной работы академику РАСХН, д.т.н., профессору Завражнову А.И.
Практическая ценность работы. Предложена технология для получения ягодного сока прямого отжима с сохранением максимального количества витаминов и микро- и макро элементов. Разработан и исследован новый рабочий орган валково-ленточного пресса для извлечения соков прямого отжима. Получены зависимости для определения конструктивных и технологических параметров данного рабочего органа. Даны рекомендации по проектированию аналогичных прессов
На защиту выносятся:
– технология получения ягодных соков прямого отжима с сохранением максимально возможного количества витаминов, микро- и макро элементов;
– результаты теоретического исследования работы рабочего органа валково-ленточного пресса;
– результаты экспериментальных исследований процесса отжима сока из смородины, вишни и черноплодной рябины и определение момента от закручивания оболочки деформирующегося валка.
Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены на: международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Перспективные технологии и технические средства в АПК» г. Мичуринск, МичГАУ, 2007г.; международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационный менеджмент в сфере высоких технологий», г. Тамбов, ТГТУ, 2008г.; научно-практической конференции, приуроченной к 5-ой Всероссийской выставке «День садовода» «Современные системы производства, хранения и переработки высококачественных плодов и ягод», г Мичуринск, 2010г;
Публикации. Материалы диссертации отражены в 8 печатных работах, в том числе 2 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России и 1 описании на изобретение.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложения, содержит 115 страниц основного текста, 11 таблиц, 48 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Дана краткая характеристика состояния проблемы, решению которой посвящена диссертационная работа. Изложены вопросы актуальности темы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПОЛУЧЕНИЯ СОКА ИЗ ЯГОД
В 100 граммах ягод содержится 10…40% суточной нормы витаминов А, В1, В2, В3, В5, В9, С, Е, и т.д., поэтому ягоды и продукты на их основе могут являться продуктами функционального назначения и применяться для лечения и предупреждения различных заболеваний.
Основная проблема использования ягод – это трудность сохранения их и полезных веществ в них длительное время. Решением этого может стать получение из ягод соков прямого отжима.
Для получения соков и сокосодержащих напитков разработано множество методов извлечения, а также методов интенсификации процессов извлечения. На основании анализа литературных источников технология извлечения ягодного сока с максимальным количеством полезных веществ должна состоять из следующих операций: подготовка ягод (приемка, мойка, отделение косточек или веточек, инспекция), измельчение ягод и подогрев полученной мезги не выше 60º, отжим сока. Полученный сок очищают, при необходимости осветляют, проводят деаэрацию и отправляют на асептический розлив. Оставшиеся выжимки могут использоваться при производстве других продуктов.
Специализированного прессового оборудования, позволяющего эффективно извлекать соки из ягод, практически не существует. Используемое прессовое оборудование разрабатывалось для получения соков из плодов и обладает рядом недостатков. Прессы периодического действия (пакпрессы, корзиночные прессы) отличаются высокой металлоемкостью и энергопотреблением. В прессах непрерывного действия (шнековые, ленточные) главным недостатком является низкий выход сока (до 50%...60% из ягод).
На основе проведенного анализа конструкций прессового оборудования был предложен валково-ленточный пресс с оригинальным рабочим органом (рисунок 1). Новизна конструкции подтверждена патентом РФ на изобретение №2396061, приоритет от 10.08.2010.
Рисунок 1 – Валково-ленточный пресс с предлагаемым рабочим органом
Принцип работы данной конструкции заключается в следующем: мезга из бункера ровным слоем попадает на ленту, которая транспортирует ее к валкам. Так как верхний валок пневматический (деформирующийся), то при контакте с нижним жестким валком он плотно облегает его. Тем самым в несколько раз увеличивается площадь контакта валков, а давление прессования остается постоянным по всей площади контакта. Сок отделяется от мезги и выходит через каналы в жестком валке, попадая в поддон. Далее выжимки транспортируются на ленте к разгрузочному бункеру.
Высокий выход сока должен обеспечиваться за счет использования тонкого слоя мезги (до 1 см), а также выдержкой мезги под постоянным давлением в течение всего времени отжима.
На основании аналитического обзора литературы по рассматриваемой проблеме сформулированы следующие задачи исследования:
- определить оптимальные конструктивные параметры пресса с деформирующимися валками с учетом условия захвата сырья в зону отжима;
- определить энергетические характеристики пресса в зависимости от его конструктивных параметров и параметров отжима;
- определить влияние основных параметров прессования на выход сока;
- определить экономическую эффективность применения разработанной конструкции пресса.
2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВАЛКОВО-ЛЕНТОЧНОГО ПРЕССА С ДЕФОРМИРУЮЩИМИСЯ ВАЛКАМИ
Зону контакта, получаемую вследствие контакта деформирующегося и жесткого валков (рисунок 2.1), можно разделить на зону захвата и зону отжима. В зоне захвата происходит захват ягод в зону контакта и разрушение ягод под действием давления. В зоне отжима происходит извлечение сока. Следует отметить, что зона захвата значительно меньше, чем зона отжима. Поэтому практически всю зону контакта можно принять как зону отжима. После отжима выжимки отделяются от жесткого валка, чтобы не успевший стечь сок не впитался обратно в мезгу.
Рисунок 2 –К описанию работы предлагаемого рабочего органа валково-ленточного пресса
Для того чтобы деформирующийся валок плотно облегал жесткий, материал валка не должен сопротивляться локальному изгибу или это сопротивление должно быть незначительным. Поэтому при теоретическом исследовании работы пресса деформирующийся валок можно рассматривать как нерастяжимую безмоментную оболочку (не допускающую никакого изменения площади её локальных элементов и не сопротивляющуюся локальному изгибу в любом её месте и по любому направлению).
Принимаем:
- периметр оболочки деформирующегося валка является неизменным;
- форма оболочки ограничена геометрическими параметрами и под действием внутреннего давления стремится принять форму цилиндра;
- толщина слоя мезги практически не оказывает влияние на изменение объема деформирующегося валка и изменение давления внутри его.
Для того, чтобы прессуемый материал захватывался в зону отжима, необходимо, чтобы тангенс угла захвата (на рисунке 3 α1 и α2) был меньше предельного значения tgφ, равного коэффициенту трения f.
Рассмотрим соотношение между углами захвата α1 и α2 и углом обхвата жесткого валка αобх в трех случаях.
Первый случай. Диаметры поверхностей деформирующегося и жесткого валков одинаковы (рисунок 3а). Это наиболее простой случай.
Углы захвата у жесткого и деформирующегося валка будут равны, а угол обхвата жесткого валка равен двум углам захвата.
Второй случай. Диаметр деформирующегося валка меньше жесткого.
Так как поверхность деформирующегося валка получается более «выпуклой», чем у жесткого, то компенсация этого произойдет либо за счет образования складок на поверхности деформирующегося валка (рисунок 3б), либо за счет увеличения радиуса деформирующегося валка при некоторой «податливости» боковых стенок пневматического цилиндра (рисунок 3в). Максимальный возможный угол обхвата жесткого валка будет определяться ограничением угла захвата у деформирующегося валка.
Более интересным для получения максимального размера зоны отжима будет третий случай, когда диаметр деформирующегося валка будет больше жесткого. При этом более выпуклым является деформирующийся валок. В результате деформирующийся валок до определенного угла будет прилегать к жесткому, а затем с некоторым радиусом перейдет в первоначальный цилиндр (рисунок 3г).
Для определения угла обхвата жесткого валка и углов захвата при известных радиусах валков и смещении ∆ требуется определить углы  , и радиус R3.
Рисунок 3 – К определению угла обхвата при различном соотношении радиусов валков
На основании неизменности (нерастяжимости) периметра оболочки, рассмотрев треугольник АВК и взаимосвязи между смещением ∆ и радиусами R1, R2 и R3, была получена система из трех уравнений (1), которые связывают указанные параметры:
 (1)
Решение системы возможно при равенстве углов  .
Радиус сопряжения при этом будет равен:
 . (2)
А угол обхвата жесткого валка будет определяться по формуле:
 (3)
Углы захвата в рассматриваемом случае будут определяться при толщине слоя мезги h0 радиусами R1 и R3 (рисунок 2.3)
Рисунок 4 – К определению условия захвата мезги при R12
Считая, что R2 значительно больше R3, минимальное значение R3 можно определить по формуле:
 (4)
где: φ- максимальный угол захвата (определяемый коэффициентом трения).
Примем  ;  , тогда:
 (5)
А размер зоны отжима будет пропорционален выражению:
 (6)
Из рисунка 5 видно, что наиболее интенсивно увеличение параметра l происходит при  , но максимальные значения l соответствует максимальному значению К1.. Т.е. для получения максимального размера зоны отжима целесообразно в прессе использовать несколько жестких валков (рисунок 6) с радиусом R1 максимально близким к R2. При этом деформацию Δ ограничить значением 0,1…0,15R2, что в большинстве случаев соответствует 40º…50º угла обхвата αобх жесткого валка.
Рисунок 5 – Изменение параметра l от коэффициентов К1 и К2
Рисунок 6 – Схема пресса с несколькими жесткими валками
Для определения потребляемой мощности пресса необходимо знать требуемый вращающий момент в рабочем органе пресса. Для этого рассмотрим равновесие моментов, сил приложенных к рабочему органу пресса, относительно оси вращения деформирующегося валка, в одной паре валков, без учета трения в подшипниках валков. С учетом схемы, приведенной на рисунке 6, в качестве ведущего валка принимаем деформирующийся.
 (7)
где: Мвр – момент вращения от привода рабочего органа;
Мвыд – момент от силы, стремящейся выдавить мезгу из рабочей зоны;
Моб – момент, возникающий в результате нарушения симметрии оболочки при закручивании. Найдем зависимости для определения данных моментов сил.
Рисунок 7 – К определению равновесия моментов сил, приложенных к рабочему органу
Выделим в зоне отжима элементарный участок (рисунок 8а). При толщине мезги значительно меньше радиуса жесткого валка данную область с достаточной точностью можно представить в виде трапеции (рисунок 8б).
|
|
а)
|
б)
|
Рисунок 8 – Элементарный участок зоны отжима
Для удобства заменим распределенное давление p на мезгу сосредоточенной dP:
 (8)
где: b – ширина деформирующегося валка.
Нагрузку от давления деформирующегося валка можно разложить на составляющие: радиальную  (направленную к центру жесткого валка) и тангенциальную  (направленную по касательной к жесткому валку), которые соответственно равны:
 (9)
 (10)
Усилие стремится выдавить мезгу из рабочей зоны. Момент от данного усилия будет определяться по формуле:
 (11)
Длина ОК зависит от положения рассматриваемого элементарного участка в рабочей зоне (рисунок 9).
 (12)
Рисунок 9 – К определению момента от силы, стремящейся выдавить мезгу из межвалкового пространства (Мвыд), и усилия в опоре жесткого валка (N)
Уменьшение толщины мезги будет пропорционально выделившемуся соку. При 
 (13)
где: h0 – начальная толщина мезги;
dW(t)– выход сока на элементарном участке в % по объему.
При известной зависимости выхода сока от времени отжима  , Мвыд получаем интегрированием формулы (11) с учетом формул (12) и (13) в пределах угла обхвата, заменив при этом время t выражением  :
 (14)
Рассмотрим влияние силы dPr. Действие радиальной силы dPr будет компенсироваться возникающей в опоре жесткого валка усилием N. Значение и направление усилия определим интегрированием проекций на оси dPr (рисунок 9) по зоне отжима.
 (15)
 (16)
Следовательно, усилиеN будет равно:
 (17)
N должна быть направлена вдоль линии, соединяющей оси валков. Однако момент вращения, закручивая оболочку, нарушает симметрию её формы, натягивая оболочку в зоне вывода выжимок и создавая дополнительную выпуклость в зоне захвата мезги (рисунок 10а). В результате N будет отклонена на некоторый угол γ, создавая тем самым относительно центра О момент от закручивания оболочки (рисунок 10б).
|
|
а)
|
б)
|
Рисунок 10 – К определению момента от закручивания оболочки
 (18)
Заметим, что отклонение реакции происходит на незначительный угол, и, ввиду неопределенности этого отклонения, данный момент необходимо определять опытным путем.
Из формулы (7) с учетом формул (14) и (18) получим уравнение для определения момента вращения.
 (19)
Из уравнения видно, что для определения момента вращения необходимо найти зависимости W(t) от параметров отжима и sinγ от конструктивных параметров пресса и давления отжима.
|
