Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и задачи рабой 6
1.1. Воздействие вибрации на дисперсные материалы 6
1.2. Методы и приборы для изучения реологических свойств дисперсных систем при вибрационном воздействии
1.3. Влияние параметров колебаний на эффективность использования вибрации 19
1.4. Влияние виброобработки на дисперсные пищевые материалы 30
1.5. Обоснование выбора темы и задачи работы 40
2. Влияние вибрационного воздействия на реологические свойства вязко-пластичных пищевых материалов 42
2.1. Реологические свойства мучного теста в условиях вибрации 43
2.1.1. Методика проведения эксперимента 43
2.1.2. Обсуждение результатов опытов 51
2.2. Влияние амплитуды максимальной скорости периодической деформации на реологические характеристики томатного концентрата 59
2.2.1. Методика проведения эксперимента 59
2.2.2. Обсуждение результатов опытов 62
2.3. Влияние вибрации на ползучесть и течение конфетных масс 69
2.3.1. Методика проведения эксперимента 69
2.3.2. Обсуждение результатов опытов 74
В ы в о д ы 91
3. Течение конфетной массы го фоишщим каналам прессов при вибрационном воздействии 93
3.1. Методика проведения исследования 93
3.2. Математическое моделирование процесса течения по каналам прямоугольного сечения при вибрации 102
3,3. Течение материала по формующим каналам прямоугольного и круглого сечения при вибрации 121
3.3.1. Методика проведения эксперимента . 123
3.3.2. Обсуждение результатов опытов 124
Выводы 139
4. Шенйе кошетной массы в првд&твшой камере с виероэлементами 141
4.1. Методика проведения исследования 142
4.2. Характер распределения давления при различных положениях виброэлементов в предматричной камере 148
4.2.1. Методика проведения эксперимента 148
4.2.2. Обсуждение результатов опытов 150
4.3. Влияние вибрационного воздействия на равномерность выпрессовывания 163
4.3.1. Методика проведения эксперимента 164
4.3.2. Обсуждение результатов опытов 167
4.4. Изучение процесса затухания колебаний в конфетной массе 172
4.4.1. Методика проведения экспериментов 173
4.4.2. Обсуждение результатов опытов 173
Выводы 176
5. Практическое применение результатов исследований . 178
5.1. Выбор рациональной конструкции виброформующего устройства 178
5.2. Производственные испытания пресса МФБ с предматричной камерой, оснащенной виброэлементами 184
Выводы
- Методы и приборы для изучения реологических свойств дисперсных систем при вибрационном воздействии
- Влияние амплитуды максимальной скорости периодической деформации на реологические характеристики томатного концентрата
- Математическое моделирование процесса течения по каналам прямоугольного сечения при вибрации
- Характер распределения давления при различных положениях виброэлементов в предматричной камере
Введение к работе
В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС предусмотрена дальнейшая интенсификация пищевого производства, снижение энергозатрат на осуществление технологических процессов с одновременным повышением качества выпускаемой продукции, В Продовольственной программе СССР, принятой на майском 1982 г,) Пленуме Щ КПСС, предусмотрено увеличить выпуск хлебопродуктов, пищевых концентратов, а выработку кондитерских изделий довести в 1990 году не менее, чем до 4,4 млн. тонн.
При осуществлении технологических процессов пищевых производств, например при формовании вьшрессовыванием, в результате механических воздействий изменяются, иногда на несколько порядков, реологические характеристики перерабатываемых пищевых материалов. Изучение закономерностей изменения реологических свойств, а также возможность обеспечения заданного уровня реологических характеристик перерабатываемых пищевых материалов необходимо для наиболее эффективного проведения процесса.
В связи с этим использование вибрационного воздействия, позволяющего управлять реологическими свойствами материала,является одним из путей интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности.
Диссертационная работа посвящена совершенствованию процесса формования пищевых материалов выпрессовыванием с помощью вибрационного воздействия.
В данной работе изучены реологические свойства ряда пищевых материалов при различной интенсивности вибрации- На основе эксперимента построена математическая модель процесса течения конфетной массы по формущему каналу прямоугольного сечения в виде уравнения регрессии второго порядка и определены оптимальные па раметры процесса.
Получены эмпирические зависимости, описывающие течение конфетной массы по формующим каналам прямоугольного и круглого сечений при вибрационном воздействии. Экспериментально изучен характер распределения пульсирующего давления по площади предматричной камеры формующего пресса.
Изучено влияние вибрационного воздействия на равномерность скоростей выпрессовывашя. Экспериментально изучен процесс распространения и затухания колебаний в конфетной массе, находящейся в замкнутом обьеме в условиях всестороннего сжатия.
Создано экспериментальное виброформующее устройство, установленное и испытанное в производственных условиях на Подольской экспериментальной фабрике кондитерских изделий. Разработаны рекомендации на проектирование образца формующей машины с виброформующим устройством.
Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на секции Научного Совета ГКНТ СССР по проблеме "Интенсификация и автоматизация технологических процессов обработки пищевых продуктов" (г.Шгилев, октябрь 1981г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств" (г.Москва, сентябрь 1982 г.), на научных конференциях МТИШ (1978-1982 гг.), на Общесоюзном семинаре "Интенсификация и автоматизация технологических процессов обработки пищевых продуктов" (г.Москва, сентябрь 1984 г.).
Методы и приборы для изучения реологических СВОЙСТВ дисперсных систем при вибрационном воздействии
Как уже отмечалось выше, эффективность вибрации определяется степенью разрушения структуры, характеризуемой эффективной вязкостью psr, . Следовательно, за определяющий параметр вибрационных воздействий можно принять интенсивность колебаний 3 , которая в свою очередь зависит от параметров колебаний - частоты и амплитуды А .
Вопрос влияния частоты колебаний на дисперсные системы рассматривался с точки зрения возможного резонанса самих частиц. В работах Десова А.Е., Кунноса Т.Я. /39,53/ была подтверждена зависимость эффективности частоты вибрирования бетонных смесей от размеров частиц заполнителя. Для объяснения явлений резонанса вводили понятие о резонансе частиц смеси определенной крупности. Однако экспериментальные данные, полученные с применением датчиков различных размеров, не подтвердили наличия резонансных явлений.
Идея резонанса частиц привела к предположению эффективности поличастотной вибрации, при которой на каждую-из частиц различных размеров воздействует определенная частота колебаний и наибольший эффект достигается, когда зерна входят в резонанс с вибрирующим органом /20/. Под поличастотным вибрированием понимается любое несинусоидальяое колебательное движение, которое всегда может быть представлено как сумма простых синусоидальных движений определенных частот и амплитуд.
Влияние амплитуды колебаний на дисперсные системы носит также сложный характер. Большие амплитуды могут вызвать нежелательные явления, например расслоение смеси. В то же время основной предпосылкой качественного уплотнения является обеспечение минимально необходимых амплитудных значений /38/. Оптимальное значение амплитуды колебаний взаимосвязано с частотой, крупностью заполнителя и т.д. Очевидно, каждый способ требует определения оптимальной амплитудной области в зависимости от свойств материала.
Рекомендации по рациональным параметрам колебании носят дискуссионный характер, однако, ясно, что ни частота, ни амплитуда не могут дать полную характеристику воздействия вибрации на систему.
В связи с этим, оценка критерия эффективности вибрации должна включать сочетание этих двух параметров. Исходя из требований различных технологических процессов, критерии оценки воздействия вибрации оказывались разными.
Так, при вискозиметрических исследованиях на ротационном вибровискозиметре Бриа-де В.А. /18/ предложена амплитуда скорости динамической деформации, как основной фактор, определяющий эффективность вибрирования. JW- 00 (1.6) где j/q - амплитуда скорости динамической деформации, с"1; v. - амплитуда деформации; cjr - угловая частота деформации с , связанная с частотой колебаний соотношением (X = sdff ; . = __А_ (1.7) где А - линейная амплитуда колебаний наружного цилиндра, мм;соответственно радиусы наружного и внутреннего цилиндров, мм.
В технологических процессах, например, в процессе обогащения тяжелых суспензий, основным критерием является амплитуда скорости колебаний, равная А (м-с"1) /48/. Джя наилучшего обогащения скорость вибрации должна быть возможно большей. Увеличивать ее можно либо за счет амплитуды, либо частоты. Однако, повышение частоты вызывает резкое увеличение ускорения вибрации A-fz (м-с- ) /42/. Большие ускорения среды нежелательны, так как они кроме значительных динамических нагрузок могут привести к турбулентному состоянию. Оптимальными являются колебания с большой амплитудой и малой частотой.
При формовании некоторых дисперсных материалов выпрессовыва-нием /30/ колебания распространяются только в поверхностном слое формуемого изделия. Обеспечение заданной формы и геометрических размеров достигается применением высокой частоты и малой амплитуды колебаний /39,73/.
В последнее время наибольшее внимание уделяется энергетичес-ким показателям, таким как затраченная работа А (м с ) /29t7l/ и мощность потока энергии, подводимой к исследуемым систе-мам A -f (м о ) /119/. В работе /89/ принят критерий в виде А. См.с"3).
Для случая негармонических колебаний В.Н.Шмигальский /119/ предложил использовать следующее выражение: d= 85Ґ .Т (1.8) здесь U - интенсивность колебаний, м /с ; —? G« - ускорение колебаний, м-с ; & - удвоенная амплитуда колебаний, ы; Т - период колебаний, с. Работы по определению интенсивности, в основном, носят эмпирический характер и связаны с проработкой узкого диапазона ампли тудно-чаетотшх характеристик и форм колебаний.
Влияние амплитуды максимальной скорости периодической деформации на реологические характеристики томатного концентрата
Реологические свойства томатного концентрата при стационарном течении на приборе "Реотест -A v " исследовал К.М.Коларов /49/. В этой работе показана возможность с точностью до % описания течения томатного концентрата уравнением Гершеля-Балкли, т.е. моделью нелинейного вязко-пластичного тела.
Нами проведены исследования томатного концентрата болгарского производства сорта Её -24 в интервале концентрации сухих веществ от 25 до ЗЬ% на вибровискозиметре, в основу которого положен ротационный вискозиметр РВ-8 системы М.П.Воларовича для маловязких дисперсных материалов.
Для полного изучения процесса виброобработки томатного концентрата с учетом основных факторов, влияющих на процесс, были использованы математические методы планирования эксперимента, позволяющие получить модель процесса в виде уравнения регрессии I порядка, связывающего выходной параметр - эффективность вибрации с факторами, воздействующими на процесс.
Цринщшиальная схема вибровискозиметра показана на рис.2.9. Внутренний цилиндр (ротор) I приводится в движение падающими гру візами- Ротор, снабженный рифлями, гарантирующими прилипание массы к его поверхности, помещается внутри наружного цилиндра-стакана 2, жестко закрепленного на площадке 3 источника вибровозбуждения 4. Источником колебаний в вертикальной плоскости является эксцентриковый вибратор, создающий осевые колебания наружного цилиндра 2 /68/.
Вокруг наружного цилиндра циркулирует вода определенной температуры, подаваемая термостатом УТ-ЗЬ. Скорость ротора определяли по времени 4-5 оборотов. Для отсчета использовали электросекундомер ПВ-53, включаемый контактами, срабатывающими от соприкосновения с движущимися грузами.
Методика проведения опытов заключалась в следующем. За некоторое время до начала опытов включали термостат и прогревали детали вибровискозиметра до заданной температуры. Цредварительно оттемперированную в термостате массу помещали в зазор между цилиндрами. Затем устанавливали необходимую частоту и амплитуду колебаний виброплощадки. Подвешивали грузы и включали вибратор. При этом, проходя мимо верхнего контакта, грузы размыкали цепь, а проходя мимо нижнего контакта, замыкали цепь, останавливая секундомер. Показания секундомера записывали в журнал наблюдений. Затем выключали вибратор, возвращали грузы в исходное положение и повторяли опыт с большими грузами.
Частоту колебаний задавали и фиксировали по методике, описанной в разделе 2.1. Заданный эксцентриситет контролировали по индикатору часового типа. Амплитуда колебаний виброплощадки равнялась величине эксцентриситета.
Амплитуду деформации определяли по формуле 2.7, в которой Кн = 20 мм, a e = 17 мм.
Расчетные формулы для определения реологических характеристик взяты из стандартной методики для вискозиметра РВ-8, описан - 62 ной в работе /10/. Обсуждение результатов опытов
Реологическое поведение томатного концентрата как при стационарном течении, так и в условиях вибрации описывали уравнением Гершеля-Еалкли
Как видно из табл.2.3, при вибрации значения реологических характеристик значительно уменьшаются, причем величина 7" становится отрицательной и теряет прежний физический смысл. Однако точность описания течения томатного концентрата была достаточно высока (максимальная погрешность не превышала 7ft.
Математическое моделирование процесса течения по каналам прямоугольного сечения при вибрации
Из приведенного рвдшш. 3.6 видно, что ясподьзованае вжбра дюнного воздействия приводе к значительна! изменениям в характера процесса вшгргде Pa - амплитуда колебаний давления, Па; (jJ - круговая частота колебаний, aJ = 3 tjf , рад с ; jf - частота колебаний поршня, Гц. Среднее давление - f rraxji — Pmin (3.6) ?- -s смещается в сторону меньших значений.
Появляются дополнительные факторы, влияющие на процесс формования - частота и амплитуда колебаний, геометрические размеры и форма вибрирующего элемента, расстояние от виброэлемента до входа в формующий канал, глубина проникновения вибрирующего элемента, соотношение между объемами виброэлемента и предматричной камеры и т.д.
Добавление этих факторов к основным - скорости стационарного потока, геометрическим размерам формующих каналов, температуре, вязкости материала и т.д., существенно усложняет процесс. В связи с этим для наиболее полного выявления характера процесса формования конфетной массы выпрессовыванием использованы математические методы планирования эксперимента /34,41,13/, которые позволяют получить математическую модель исследуемого процесса в реализованном диапазоне изменения факторов, влияющих на процесс, наиболее экономичным и эффективным способом.
Математическую модель представляли в виде уравнения регрессии первого порядка Как было сказано выше, снижение давления в предматричной зоне формующего пресса приводит к повышению эффективности процесса выпрессовнвания конфетной массы. В то же время, как было показано в разделе 1.3, на эффективность воздействия вибрации при фермова-
нии дисперсных материалов значительное влияние оказывает процесс затухания колебаний в массе. Одной из основных величин, определя ющих характер распространения и затухания колебаний в материале, является амплитуда колебаний давления. Поэтому в качестве функции отклика у (выходной параметр) принимали: величину снижения дав ления _ 7=P±=J2.,OO%, (3.8) где рс - давление в предматричяой камере при стационарном режиме, Па; Pv - давление в предматричной камере при вибрационном воздействии, Па; и амплитуду колебаний давления Рс - # Кт , к" , С3.9) где 6 - размах колебаний давления, мы; Кт - тарировочный коэффициент, кПа/мм.
За основные факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на процесс формования конфетных масс с использованием формующего устройства, оснащенного виброэлементом, были приняты следующие: осл - частота колебаний виброэлемента, Jcs - скорость стационарного потока, -Хз - длина формующего канала, xv - расстояние от виброэлемента до фильеры, xs - амплитуда колебания, осе -диаметр виброэлемента. В связи с большим количеством факторов использовали дробный факторный эксперимент ДФЭ , при этом задавались условиями, приведенными в табл.3.1.
Величину давления фиксировали по показаниям датчиков, установленных вдоль (давление Р, ) и перпендикулярно (давление г ) направлению движения виброэлемента. Матрица планирования и результаты опытов для функции отклика у-Р- представлены в табл. 3.1, 3.2, 3.3 приложения 3. Как видно из результатов вычислений (Приложение 3), уравнение первого порядка адекватно описывает процесс в заданных интервалах варьирования факторов. С целью удобства обработки опытных данных результаты вычислений получены при использовании в качестве выходного параметра if величины размаха колебаний о (мм), взятой непосредственно с ленты самописца. ееоовмвашя» Явление з раз-шчинх: точках: щюд-матряявоя камеры изменяется до закону
Характер распределения давления при различных положениях виброэлементов в предматричной камере
Следовательно, в границах варьирования факторов модель второго порядка адекватна поверхности отклика.
Анализ уравнения регрессии второго порядка для давления показал, что наиболее значимыми факторами являются амплитуда колебаний, диаметр внброэлемента и скорость стационарного потока, которые приблизительно в равной степени влияют на функцию отклика. Воздействие, оказываемое амплитудой колебаний и диаметром виброэлемента на величину относительного снижения давления, можно представить величиной периодической объемной деформации.
Величина J увеличивается с уменьшением скорости стационарного потока, на что указывает отрицательный знак у коэффициента при втором факторе. Уменьшение длины формующего канала также приводит к возрастанию функции отклика. Наименьшее влияние на процесс в заданном диапазоне варьирования факторов оказывает частота колебаний виброэлемента. В уравнении второго порядка для давления Рг коэффициенты регрессии несколько отличаются ОТ соответствующих коэффициентов для давления Р/ , однако основные закономерности и механизм исследуемого процесса сохраняются.
Для графической интерпретации уравнения второго порядка для давления Р строили зависимости функции отклика от факторов, задаваясь двумя значениями на различных уровнях варьирования факторов.
Так, задаваясь основными уровнями у факторов 0, ос$ t ос& из уравнения регрессии, получали выражение для построения зависимостей снижения давления от длины формующего канала (фактор &/ ) при различных значениях уровней фактора ОСв - 115 (скорость стационарного потока).
Анализ графика (рис.3.5) показал, что представленные кривые имеют вид монотонно-убывающей функции. Величина относительного снижения давления J падает с увеличением длины формующего канала, причем с возрастанием скорости стационарного потока падение происходит более резко. Так, при скорости потока v = 0,014 м/с величина J- в диапазоне длины формующего канала от 15 до 75 мм уменьшается на 6%, а при V = 0,76 м/с - на 16$.
Значительное снижение величины 3- для всех кривых наблюдается на участке от = J5 мм до I = 45 мм, а затем происходит более плавное изменение « , увеличивающееся по мере возрастания скорости потока. Цри длине формующего канала = 15 мм кривые сближаются и точки располагаются в области максимального значения ВеЛИЧИНЫ 2С .
Несколько иной характер зависимостей наблюдается в случае варьирования факторов, характеризующих колебательный процесс, для таких зависимостей закономерен экстремальный характер кривых, вследствие чего их удобно представлять в виде поверхностей отклика в трехмерном пространстве.
На рис.3.6 представлена поверхность отклика, построенная по уравнению, полученному при варьировании факторов xs (скорость стационарного потока) и с$ (амплитуда колебаний):
Как видно из графика, данная зависимость представляет собой выпуклую поверхность, состоящую из основного каркаса в виде ряда парабол, построенного при варьировании фактора ос и направляющих, представляющих собой прямые (ввиду малого значения коэффициента регрессии), построенных при варьировании фактора сХ4 .
Поверхность отклика, показанная на рис.3.7, получена при варьировании факторов осл (длина формующего канала) и ос4 (амплитуда колебаний) по следующему уравнению: и= 4азб-г,-5бос; + з,/4ос4 +/54сс,ос4 +о, accf -Ьэзос (3,28) Направляющие построенные при варьировании фактора в данном случае имеют вид гипербол, придающих поверхности отклика форму "седловины". Наибольшее значение величина J имеет при основном уровне фактора &ч ( А = 2 мм) и при нижнем уровне фактора ccj ( = 35 мм).
Наиболее сложную форму имеет поверхность отклика, построенная на основе зависимостей, порученных при варьировании факторов, характеризующих колебательный процесс. Так, на рис.3.8 изображена поверхность отклика, полученная при варьировании факторов (амплитуда колебаний) и 1 (частота колебаний) по уравнению: у= 4al36 + 3,rt3Cb+oi &acs+s3/iocuocs (3в29) - 5,33 ОСІ - гв Xs Обе зависимости при варьировании факторов Х4 и Л$- представляют собой параболы, в совокупности придающие поверхности отклика "куполообразную форму".
