Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в стране создана мощная научная и техническая база для перевода плодоовощного комплекса на индустриальные метода производства основных продуктов, их хранения и переработки. Средняя годовая стоимость основных производственных фондов отраоли в I986-ISB7 годах была в
2.7 раза, энерговооруженность труда - в 2 раза, а фондовооружен
ность - более, чем в 3 раза выше, чем в I97I-I975 годах. За пос
ледние 15 лет в развитие материально-технической базы плодоовощ
ных предприятий Ленинграда было вложено более 250 млн.рублей.
Вместе о тем,в этой важнейшей отрасли народного хозяйства имеет-
оя большое число нерешенных проблом повышения эффективности произ
водства, высвобоадения работников от тяжелого физического труда,
сохранения произведенных продуктов при транспортировке, перегруз
ке, хранении и товарной обработке.
Потери плодоовощной продукции в 1987 году достигли более
2.8 млн.тонн, что превышает годовой объем потребления этих про
довольственных ресуроов по Москва и Ленинграду вместе взятым и
равноценно потерям ча сушу более 800 млн.рублей.
Анализ статистических материалов за года XI и ХП пятилеток показывает, что несмотря на увеличение капитальных вложений в Главленплодоовоищром как в активную, так и пассивную части оо-ковных фондов и повышение уровня механизации труда (до 2Q%), среднегодовая численность ежедневно привлекаемых на плодоовощные базы работников с других предприятий Ленинграда постоянно возрастает, хотя при атом практичеезш не снижается, а в последние годы даже увеличивается уровень потерь продукции.
По экспериментальным материалам, полученным в I98I-I987 гг. в Ленинграде и Риге, реально количество стандартного картофеля к маю месяцу снижается до 55-35$, так что потери картофеля в 2-3 раза больше, чем по официальным отчетным данным.
Фактические потери картофеля на плодоовощных базах Ленинграда в течении года приближаются к 100 тыо.тонн, что эквивалентно всему объему картофеля, поступающего в Ленинград из Ленинградо-кой области.
Указанное заставіяет завозить и закладывать на хранение почти в 1,4 раза больаэ картофеля, чем это требуется для удовлетворения реальной потребности населения.
В денежном выражении потери картофеля по Ленинграду достигают в отдельные годы 4 млн.рублей при уровне цен 10 копаек за 1 кпкограш, причем еще такое ко количество покрывается аа счет покупателей.
Нйстог..л;о ко острую проблему составляй! вопроси экономии трудовых рэсурсов. На плодоовошных базах уровень механизации труда на щютлЕении десятилетий не превышая 12-1. что сформировано такущ социально-экономическую проблему, как использование на малоквалифицированных ручных работах привлеченного труда высококвалифицированных работников предприятий других отраслей. При этой численность привлекаемых превышала статную численность плодоовоа-них баз, а в пиковые периоды закладки продукции на хранение число привлекаемых работников в 3-4 раза больше количества штатных работников. За годы XI, ХП пятилеток количество ежедневно привлекаемых с других предприятий города работников практически не уменьшалось и составляло по базам Главлзкшшдоовошрома около 6000 человек, а в период закладки продукции на хранение достигало 12000 человек.
Необходимо таккэ отметить, что в связи с большой энергоемкостью технологических процессов обработки и хранения плодоовощной продукции, важную роль в проблема ресурсосбережения играет экономия энергии. Так, оценки показывают, что объем потребления энергии на плодоовошных базах страны превышает 2 или.кВт, что эквивалентно половине мощности Братской ГЭС.
Кроме того, все возрастающую экологическую проблему приобретают вопросы загрязнения окружавшей среды, связанные со сбросом в канализационные сети загрязненной воды посла систем мойки и дефектации картофеля, а также с отправкой отходов на поля сельскохозяйственных предприятий.
Б настоящее время ситуация erne более обострилась, так как процесс децентрализации плодоовощного производства (на 40-60), характерный для I99I-I993 гг. к естественный для переходного периода, связанного с расширением ыногообраэия форы собственности, бздэт к увеличению доли мелкотоварного производства, для которого очзрчзнный круг вопросов наиболее существенен.
^ Ежегодное постоянство уроввд потерь плодоовощей п картофеля при кесшсовдемсп качзстве постуиашай продукции, стабильность
объемов привлеченного труда, всо более обостряющаяся экологичо-екая ситуация, при систематическом нардгцизаши капитальных вложя-ний, ставят вопрос о научном обосновании ресурсосборегаюяріх процессов на плодоово!Ц1ых предприятиях.
Вопросам совершенствования плодоовощного комплекса, как основе повышения объективности сохранешя и обработки плодоовощей, в отечественной и зарубетной научной и технической литературе уделено немало внимания.
Том не менее, при наличии определенных успехов, в обосновании и реализации отдельных процессов, отсутствуют системный подход к формированию замкнутого технологического цикла обработки картофеля.при его движении от закладки на длительное хранение до потребителя, а также научные основы и рекомендации но уточнению параметров и совсрпснствояанию технологических процессов и технических решений по комплексной механизации плодоовощных систем и ПОВМІЕЗНИЮ их »)[х|іектишюсти.
На сегодняшний день очевиден разрыв между темпами повышения производства плодоовощной продукции и картофеля и его сохранности, механизации труп;а при обработка и хранении. Таким образом, рассматриваемая п диссертационной работе проблема теоретического обоснования и экспериментальнмх исследование ресурсосберегающих процессов хранения и обработки картофеля, представляется своевременной и крупной.
Цели и задачи исследования
На основании анализа проблемной ситуации, сложившейся в плодоовощном комлтексе, п качестве сугубо практической цели исследования выбрано решение актуальной технической и социально-экономической проблемы сокращения потерь картофеля при длительном хранении, ликвидации ручного и привлеченного труда, повышения уровня механизации и автоматизации технологических процессов товарной обработки, снижения ресурсоемкости и экологического воздействия плодоовощного производства на окружающую среду.
Для успеівной реализации такой концепции развития плодоовогп-ногс комплекса закономерно встает вопрос о научном обеспечении проблемы обоснования технологических процессов обработки картофеля и оптимизации их параметров.
Как следует из обзора и анализа литературных материалов, я также самого объекта исследования, комплекс машин для хранения и товарной обработки картофеля представляет собой "сложную", "боль-
шую систему".' При этом масштабность, величина системы отражает лишь количество ее элементов и связей между ними, а сложность характеризует неоднородность зиїх элементов и связей.
Количество элементов, составляющих плодоовощной комплекс, определяете его строго очерченными целевыми функциями и результатами морфологического анализа многообразия технологических процессов и технических систем, реализующих эти процессы.
Для сформированного таким образом типового технологического процесса обработки картофел* иа плодоовощных предприятиях, были выделены следующие основные подсистемы, требующие индивидуального исследования и специфического языка описания:
подсистема разгрузки и транспортировки насыпи клубней картофеля, в которой осуществляется процесс механического взаимодействия клубня с рабочими органами машин, требующий для своего списания привлечения методов общей теории удара не вполне упругих тел, учитывающих как нелинейно-упругие, так и пластические свойства соуда; *щихея объектов;
подсистема длительного хранения картофеля, формирующая живое сечение насыпи, условия тепломассообмена клубня как физико-биологического объекта с окружающей средой, а так же закономерности протекания химических реакций в процессе дыхания клубнэй и особенности аэродинамической обстановки в насыпи; описание названной подсистемы связано с привлечением теории конвективного тепломассо-переноса и химической кинетики;
подсистема осушки влаги с поверхности клубней картофеля, создающая специфическую аэродинамичаску» обстановку и формирующая особенности массоуноса, усложненного наличием в насыпи почвенных примесей; закономерности осуществляемых здесь процессов определяются математическим аппаратом теории теплсуассопереноса в условиях обтекания клубней неизотермическим ламинарным и турбулентным газо~-вым потоком;
подсистемы дефекгации, отбраковки клубней по качеству; первая из них использует для своего функционирования различие в плотности доброкачественных «'дефектных клубней, а описание ее можэт быть осуществлено методами теории вероятностей; действие второй подсистемы осношвается на различии в оптических свойствах поверхности здоровых и больных или травмированных клубней, а закономерности процесса дефекгации, ввиду сложности их аналитического описания, целесообразно выявлять статистическими методами;
подсистема объемного доеиропа/гая картофеля, в которой форми-
роваїпіо номинальной массы дозы осуществляется за счет комбинаторных процессов взаимодействия клубней мезду собой и с ограничивающей поверхностью дозатора, а также под влиянием процесса массо--уноса влаги в условиях естественной конвекции;'математическое списание подсистемы связано с использованием комбинаторной геометрии и теории конвективного массопереноса.
Качественная и количественная сторона связей столь разнородных процессов и систем плодоовощного комплекса нашла исчерпывающее отражение в экономико-математической модели его эффективности, разработанной на основе эконшетрической науки и позволяющей осуществлять оптимизационный анализ и синтез исследуемых технологий.
Как следует из изложенного, комплексное изучение процессов и оборудования по обработке картофеля невозможно осуществлять иначе, чем по подсистемам,причем не только потому, что их на всегда охватишь "одним аэглядом", но, в основном, потому, что нооднородность каддой из них требует для своего описания индивидуального языка. То ость, исследуемые комплексы являются "диффузными", "пло-хоорганизованными", "слабоструктурированными системами". Однако, кроме того, что ,.как и любая другая сложная система, плодоовощной комплекс по обработке картофеля обладает иерархической структурой, ему присуще так же свойство целостности, то есть изменения, возникающие в какой-либо из подсистем, сказываются на параметрах других элементов и на функционировании всего комплекса.
Таким образом, особенности и сложность азработки концепции организации и проведения исследований, а так же формулирования научной проблемы определены многообразием разнородных явлений и факторов, действующих в системе и приводящих к необходимости изучения различных по природе, но тесно взаимодействующих и взаимообусловленных процессов.
Целостность и органическое единство научных исследований обеспечивается рассмотрением плодоовощного комплекса как сложной системы взаимодействия клубней картофеля с рабочими органами машин и техническими средствами, формируицего требуемое качество продукции на выходе из комплекса. Для такой концепции исследова-. ний, на всех стадиях изучения закономерностей осуществляем:!»: процессов особый акцент делается на том решающем обстоятельство, что клубни картофеля, как физико-биологические объекты, формируют на различных технологических этапах их обработки те своеобразные специфические условия взаимодействия с рабочими органами, техническими средствами и окружающей средой, которые определяют язык описа-
ния рассматриваемых процессов, а также соответствующие критерии их оптимизации и предельно допустимые параметри.
На основании рассмотрзнного сфорлударовача решаемая d диссертации научная проблема: "Соадаше основ системного соверавкстио-вания аорогпдромехашческих и теллсыассообменних процессов, характерных для плодоовощного комплекса по обработке и хранению картофеля".
При отом в работе защищается научное положение, ааклечанцее-ся п разработанное методолог/.н оптимизации плодоовощного комплекса на основе экономико-математической модели его эффективности и системы уравнений технологических процессов, описывающих частные и обобщенные целевые функции и учнтываю.цкх вмрокий спектр таких аргументов оптимизации, как физико-технические параметры процессов и оборудования, а также технико-эконсмическиа характеристики комплекса.
Объект и методы исследования
Объектом исследования явились технологические системы для разгрузки, длительного хранения и товарной обработки картофеля, а так же тепломассообменные, аэродинамические, механические, физико-химические, вероятностные и-комбинаторно-геометрические процессы, осуществляемые в них перед отправкой продукции потребителю.
Основные методы исследования - аналитический, численный и експериментальний. При натурном моделировании и исследовании промышленных образцов машин, использовался метод фото- и киносъемки. При теоретическом описании конкретных процессов применялись методы, теории подобия, дифференциального и интегрального исчисления, теория дифференциальных уравнений, функций комплексной переменной, тензорный анализ, эконометрия, а так же теоретико-игровыо методы. По результатам анализа особенностей и условий взаимодействия клубней картофеля с рабочими органами машин, техггаческкми устройствами и окружающей средой,при их разгрузке, хранении, дефектации, осушке и объемном дозировании, разрабатывалось теоретическое описание соответствующего процесса в виде конкретной математической модели. Определяющие качественные и количественные зависимости подвергались расчетному исследованию и экспериментальной проварка как на. специально созданных установках, гак и на опыгно-прсмыиленных образцах технологического оборудования. Отдельные задачи по установлению взаимосвязей и аакономврноствй изменения параметров, определяющих особенности протекция ряда процессов, решались методами
теория планирования эксперимента.
'деленные и расчетные исследования теоретических зависимостей и обработка экспериментальных данных проводились с использованием ЭВМ.
Научная новизна
В диссертации поставлена и редана научная проблема создания основ системного совершенствования азрогидромеханических и тепло-массообменных процессов, характерных для плодоовощного комплекса по обработке и хранению картофеля.
При этом:
предложен обобщенный принцип описания эффективности, заключающийся в создании экономико-математической модели как инструмента, взаимоувязывающего системы плодоовощного комплекса в единое целое и исчерпывающего широкий спектр параметров исследуемой техники, технологических процессов и даетцего возможность оптимизации как всего комплекса по основным определяющим факторам, так и комплектующих его систем по частным аргументам;
реализована иаучная концепция исследований, о беспечи вакупая их целостность и органическое единство, заключающаяся в рассмотрении клубней картофеля как физико-биологических объектов, формирующих на различных технологических этапах и в различных производственных зонах их обработки те специфические условия взаимодействия с рабочими органами машин, техническими средствами и окружающей средой, которые определяют язык описания изучаемых процессов, а так же критерии их опткиизации и предельно допустимые параметры динамического и теплового нагружения;
получили дальнейшее развитие научные основы и теоретические метедн исследования я расчета теллс-массосбменнмх параметров технологического процесса хранения картофеля, учитывающие закономерности химической кинетики;
определены закономерности изменения параметров качества кар-тофяля в процессе длительного хранения, сформирована экспериментально-аналитическая модель его сохранности;
разработана математическая модель процесса ударного не вполне упругого взаимодействия клубней картофеля с рабочими органами машин и узлов, осуществлена оценка ггредельнкх параметров ряодинамч-ческого нагруялния клубней;
разработаны экспериментально-аналитические модели процессов дефектяцни клубней картофеля по плотности соляного раствора и коэф-
фициенту спектрального отражения;
сформирована математическая модель процесса осук-ш поверхностной влаги с клубней картофоля, позволяющая оптимизировать технологические режимы;
дано нау-шое обоснование системы объемного дозирования, осуществлена оценка влияния процесса массоуноеа на точность формируемой дозы в комплексах товарной обработки картофеля;
осуществлено теоретическое описание процесса истечения насыпи картофеля как ноньптоновскоП идкости из бункера-накопителя;
сформированы критерии оптимизации технологаческих процессов обработки картофеля;
уточнены некоторые тепло-физические, физико-механические, а так ко статистические массо-габаритные характеристики клубней;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность управления качеством процессов длительного хранения и товарной обработки картофеля;
сформулированные в диссертации принципы,методология оптимизации, математические модели использованы при разработке оптимальной технологии и технических систем по обработке картофеля.
Практическая ценность и значимость выполненной работы состоит d том, что на основе анализа и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны, предложены и внедрены:
практические рекомендации по формировании оптимальной технологии хранения и товарной обработки картофеля, по аппаратурному оформлению процессов и проектированию соответствующих маши и оборудования;
способы снижения пардаьтров динамического воздействия рабочих органов технических систем на клубни картофеля до безопасного уровня;
способ длительного хранения и оптимальные режимы технологического процесса обеспечивающие минимум потерь;
способ и экономически целесообразные значения разделительной плотности солевого раствора системы двухстадийной дефектации картофеля по плотности;
значения базовой длины волны и длины волны распознавания дз-_фек?ов для технологического процесса и оптико-электронной система отбракоокн клубней по коэффициенту спектрального отражения поверхности;
конструкция и оптимальные параметры системы осушки поверхностной влаги с клубней картофеля, а так же целесообразные параметры режимов процесса осушки;
способ и оптимальные режимы процесса объемного дозирования картофеля и геометрические характеристики дозатора.
Предложенные технологические и технические решения использованы:
ЕНИИХПП, г.Тбилиси, ГИПРОНИсельпром.г.Срел, оптово-розничное объединение (0Р0) "Ригаплодоовощ" г.Рига, Мосгорплодоовощпром, Главленплодоовощпром (ГЛПОП), ЛФ "ГИПРОТОРГ", ЕВДИнефтехим, ЛШ им.К.Маркса, ПО Ленподъемтрансмаш, ИГО им.С.М.Кирова, ЛЕППРОМ-ТРАНСПРОЕКТ и другими предприятиями и организациями.
Результаты исследований внедрены:
при проектировании инерционно-разгрузочных комплексов ИРМ-в, ИРМ-9 производительностью 60 тонн/час в ЛФ "ГИПРОТОРГ" и эксгшуа- тации их в 1976...1988 гг. на плодоовощных базах ГЛПОП;
при создании и опытно-промышленной эксплуатации в течение 1983... 1985 гг. систем безотходного хранения картофеля в условиях автономного вентилирования контейнеров с годовым экономическим эффектом 4,28 руб. на тонну ггоодукции (около 170 тыс.руб. в год по Выборгской плодоовощной базе ГЛІЮП в масштабах цен 100 руб. за тонну);
при создании, отработке и промышленной -эксплуатации в 1982... 1966 гг. комплекса товарной обработки картофеля производительностью 1,5 тонны в час (ТОК-1,5) на Выборгской плодоовощной базе ГЛПОП с реальным годовь'ч экономическим эффектом более 100 тыс.руб.;
при создании системы обработки картофеля производительностью 15 тонн в час на две технологических "нитки" с подтвержденным годовым экономическим эффектом 970 тыс.рублей и высвобождением от ручного труда более 200 человек;
при разработке, изготовлении и промышленной эксплуатации комплектующего расфасовочно-упаковочного оборудования с годовым экономическим эффектом более 120 тыс.рублей;
при реконструкции плодоовощных баз в ОРО "Ригаплодоовощ" с годовым экономическим.эффектом 385 тыс.руб. (Уровень цен 1989 года).
В масштабе цен 1992 года суммарный годовой экономический аффект составил около 700 млн.рублей.
Апробация работы
Основные результаты исследований доложены и зшдищены на следующих конференциях, семинарах и совещаниях.
Ежегодный научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ЛИСТ им.Ф.Энгельса.
Коллегии министерства плодоовощного хозяйства Латвийской ССР в 1986 году.
Заседания 11ТС в 1987 гс*ду:
НПО "Поиск" г.Новгород, НШТоргмат, НИИКХ Москва, ВІР Ленинград, Мосагропром, ЛТИХП.-ДГУ, ХАИ, Е^ повышения эффективности отраслей АПК Совета экономического и социального развития при Ленинградском ОК КПСС.
Всесоюзные и республиканские конференции и семинары (1974 -1990 гг.).
Межведомственный координационный совет Акадеыии наук СССР в 1989 г.
Научный совет по государственной научно-технической программе "Высокоэффективные процессы производства продовольствия" при ГКНТ СССР, ГОСАГРОПРОЖ СССР, Правления Союза инженерных обществ СССР в 1989 г.
Экспертный научно-технический совет ГИПРОНИсельпром, г.Орел в 1990 г.
Совместное заседание кафедр торгово-технологического оборудования, оборудования предприятий общеегяенного питания, физики, механики, высшей математики в 1992 г. в С-ПбТЭИ.
Публикации
По материалам диссертации издано свыше 47 научных работ обарш объемом более 43 печатных листов. Среди них статьи, брошюры, лекции, учебные пособия, справочные кздания, опубликованные в акадеьтаческих, центральных, республиканских и региональных издательствах, 3 авторских свидетельства, учебник.
Объем работы
'Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложений. Текстовая часть изложена на 509 страницах, из которых 305 страниц основного текста, 94 рисунка, 54 таблицы, 408 наименований библиографии, 5 приложений объемом 167 страниц.