Обоснование параметров устройства для сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое Гнездилов Александр Анатольевич

Содержание к диссертации

Основные обозначения и сокращения 6

Введение 15

1. Состояние вопроса по очистке скорлупы товарных яиц от загрязнений. Зада
чи исследований 18

1. Строение яйца 18

2. Пищевая ценность яиц 21

3. Физико-химические свойства и другие сведения о курином яйце 23

4. Показатели товарных качеств яиц 26

5. Контроль качества яиц 29

6. Факторы, влияющие на качество товарных яиц 30

7. Способы очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений 33

8. Существующие машины и устройства для сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений ......36

Выводы. Задачи исследований 41

2. Теоретические основы процесса сухой очистки товарных яиц в виброкипя-

щем слое абразивного материала 43

2.1. Виброкипящий слой, его свойства и возможности использования для

очистки яиц 43

2.1.1. Физические основы образования виброкипящего слоя сыпучих

материалов 43

2.1.2. Свойства виброкипящего слоя 47

9. Пористость 47

10. Эффективная вязкость 49

11. Распространение механических колебаний 50

12. Насосный эффект 51

13. Самонагрев 52

14. Перемешивание сыпучего материала 53

15. Статическая электризация 53

16. Самоистирание 54

2.2. Теоретическое определение съема загрязнений с единицы поверхности
скорлупы в единицу времени 55

17. Определение силы ударного взаимодействия абразивной частицы с поверхностью скорлупы яйца 55

18. Определение съема загрязнений с поверхности скорлупы одной абразивной частицей 58

19. Определение съема загрязнений с единицы поверхности скорлупы в единицу времени 64

20. Определение дополнительных величин математической модели процесса сухой очистки товарных яиц от загрязнений 65

Выводы 67

3. Программа и методика экспериментальных исследований 69

21. Программа экспериментальных исследований 69

22. Описание экспериментальной установки для сухой очистки товарных яиц и обоснование ее параметров 70

23. Устройство экспериментальной установки для сухой очистки товарных яиц 70

24. Рабочий процесс экспериментальной установки для сухой очистки товарных яиц 72

3.3. Методика исследования эффективной вязкости дисперсных систем при
вибрациях 74

25. Существующие способы и устройства, основанные на них, для определения эффективной вязкости дисперсных систем 74

26. Описание экспериментальной установки по исследованию вязкости дисперсных систем 76

27. Методика планирования экспериментов. Выбор факторов, влияющих на вязкость дисперсных материалов 81

28. Обработка результатов эксперимента 85

3.3.4.1. Проверка однородности дисперсий в отдельных точках

плана эксперимента. Дисперсия воспроизводимости 85

2. Коэффициенты регрессии 87

3. Проверка адекватности математической модели 88

3.4. Методика планирования основного эксперимента. Выбор факторов,
влияющих на процесс сухой очистки товарных яиц 90

1. Выбор материала рабочей среды для экспериментальных исследований 90

2. Выбор факторов, влияющих на процесс сухой очистки яиц 92

3. Отсеивающий эксперимент 93

4. Методика планирования отсеивающего эксперимента.. ..93

5. Порядок проведения отсеивающего эксперимента 94

6. Обработка результатов отсеивающего эксперимента 96

3.4.4. Основной эксперимент 99

7. Методика планирования основного эксперимента 99

8. Порядок проведения основного эксперимента 102

9. Обработка результатов основного эксперимента 102

3.5. Экспериментальное определение усилия на яйцо в виброкипящем слое
абразивного материала 102

Выводы 105

4. Анализ экспериментальных исследований 107

10. Исследование эффективной вязкости различных материалов при воздействии вибрации 107

11. Исследование процесса сухой очистки яиц в виброкипящем слое абразивного материала 113

12. Определение количества снимаемого материала с поверхности скорлупы яйца в процессе сухой очистки 114

13. Определение энергоемкости процесса сухой очистки яиц 119

3. Исследование виброкипящего слоя и установление характера силового воздействия на яйцо 123

4. Обоснование параметров и режимов процесса сухой очистки яиц 127

1. Установление оптимальных параметров эффективной вязкости для сухой очистки яиц 127

2. Установление оптимальных параметров процесса сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое 129

3. Установление оптимальных параметров энергоемкости процесса сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое 132

4. Установление оптимальных параметров силового воздействия на яйцо в виброкипящем слое 133

Выводы 134

5. Определение экономической эффективности процесса сухой очистки товар
ных яиц 136

5. Устройство и работа машины для сухой очистки яиц в виброкипящем слое абразивного материала 136

6. Обоснование конструктивных параметров машины для сухой очистки яиц в виброкипящем слое абразивного материала 139

7. Определение производительности машины для сухой очистки яиц в виброкипящем слое абразивного материала 143

8. Определение показателей сравнительной экономической эффективности 145

9. Расчет экономического эффекта от снижения эксплуатационных затрат 146

10. Определение дополнительных показателей оценки экономической эффективности машины 152

11. Определение дохода от применения технологии сухой очистки товарных яиц 154

Выводы 158

Общие выводы по работе 159

Библиографический список 161

Приложения 171

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

В диссертационной работе приняты следующие обозначения: А_н — годовой объем работы предлагаемой (новой) машины, шт; Л-нп - суммарное количество загрязненного и частично загрязненного яйца,

пошедшего на производство яичного порошка, шт; А_тз — количество частично загрязненного яйца, шт; В - балансовая стоимость, руб.;

Б_н - балансовая стоимость предлагаемой машины, руб.; Дт - доплаты к тарифному фонду, руб.;

Ді - доход от сухой очистки загрязненных яиц по сравнению с мойкой, руб.; Д2 - доход от сухой очистки частично загрязненных яиц, руб; Д₃ - доход от реализации загрязненных и частично загрязненных яиц, идущих

на производство яичного порошка, руб.; Еэл - удельное количество потребляемой электроэнергии, кВт-ч/шт; Е_эл,б и Е_элн — потребление электроэнергии при базовом и новом варианте

соответственно, кВт-ч/шт; 3 — удельные прямые эксплуатационные затраты, руб./шт; З_а — амортизационные отчисления на реновацию машины, руб./шт; Зб и 3„ — удельные прямые эксплуатационные затраты в базовом и новом

варианте, руб./шт; З_м - затраты на основные и вспомогательные материалы, руб./шт; З_п - затраты на оплату труда обслуживающего персонала, руб./шт; .3,,,-трудоемкость, чел.-ч;

З_т.б и З_тм - трудоемкость по серийной и предлагаемой машине соответственно,

чел.-ч./шт; З_то - затраты на техническое обслуживание и ремонт, руб./шт; З_э - затраты на электроэнергию, руб./шт; К- удельные капиталовложения,руб./шт; Котп - коэффициент, учитывающий отчисления на отпуск;

7 К_р - районный коэффициент; К_с - коэффициент спроса;

К-соц - коэффициент, учитывающий отчисления на социальны нужды; Л- количество операторов; М_к - общая конструктивная масса машины, кг; М_уд - удельная металлоемкость машины, кг/шт;

М_удб и М_удм — удельная металлоемкость машины по базовому и новому варианту

соответственно, кг/шт; Н_а - норма амортизационных отчислений, %; Н_м - удельный расход материала, ед./шт;

Н_то - норматив затрат на техническое обслуживание и ремонт машины, %; Руст ~ номинальная паспортная мощность машины, кВт; Т_год - нормативная годовая загрузка машины, ч; Тобсл - стоимость обслуживания рабочего процесса, руб.; Т_оч - часовая тарифная ставка на очистку, руб./ч; Тф - тарифный фонд, руб.;

Ц- цена серийной яйцемоечной машины у завода-изготовителя, руб.; Ц_м - цена реализации мытых яиц, руб./шт; Ц_рм - оптовая цена 1 кг расходуемого материала, руб./ед; Ц_п - цена реализации яичного порошка в переводе на одно яйцо, руб./шт; Ц_чз - цена реализации частично загрязненного яйца, руб./шт; Ц_эл - тариф на электроэнергию, руб./кВт-ч; Да - цена реализации яиц категории С1, руб./шт; Э_год - суммарный годовой экономический эффект, руб.

а — амплитуда колебаний, м;

а_ч - глубина врезания частицы в обрабатываемую поверхность, м;

acoh

— аналог числа Рейнольдса;

коэффициент перегрузки;

8 а — величина, равная половине эффекта отдельных факторов;

я,²₊₁Д²₊₂, ...,a²_N__x — квадраты значений а, для фиктивных факторов;

B_t — величина эффекта отдельных факторов;

Ъ — ширина царапины, м;

Ъ_т - ширина исследуемого тела, м;

bo, bi, by, bjji — коэффициенты уравнения регрессии;

Сизд - суммарная стоимость стандартных комплектующих, руб.;

С_м - затраты на приобретение материалов, из которых изготовлена

предлагаемая машина, руб.;

С_н - затраты на сухую очистку одного яйца, руб./шт;

С_п - затраты на производство яичного порошка в переводе на одно яйцо,

руб./шт;

С_тр - стоимость труда при изготовлении предлагаемой машины, руб.;

С_э - затраты электроэнергии при изготовлении предлагаемой машины, руб.;

D - диаметр виброемкости, м;

d_cp - средний диаметр, м\

d₃ - эквивалентный диаметр, м\

d— средний размер отверстий двух смежных сит, м;

кг Е₀ - эффективность очистки, 2 ;

М 'С

-, Вт-ч

Е_э - удельная энергоемкость, ;

F - сила, Н;

F^pacH — расчетное значение критерия Фишера;

F'"^{a л} — табличное значение критерия Фишера;

F_mp - сила трения, Н\

f — число степеней свободы, или коэффициент внешнего трения скольжения;

/' - коэффициент внутреннего трения в плоскости среза;

G — общая масса навески, кг;

9 G^paC4 - расчетное значение критерия Кохрена; G^ma6jI — табличное значение критерия Кохрена;

м g — ускорение свободного падения, ~;

h — высота загрузки виброемкости, м;

масштабный фактор;

h₀ - высота слоя без зазора между частицами, м;

h_om - высота отскока, м;

h_n — высота падения, м;

h_CJl — высота виброкипящего слоя, м;

h_Ui - расстояние от крайней нижней точки емкости до направляющих шарика, м\

к_я - положение яиц по высоте слоя, %;

/_л — величина линейного тока в цепи, А;

г, j, I - номера факторов;

j_а - износ абразива, —;

А:— число факторов, или коэффициент восстановления при ударе;

к_ад — степень свободы дисперсии адекватности;

к_в — степень свободы дисперсии воспроизводимости;

к_ш - коэффициент, характеризующий положение направляющих шарика по

высоте слоя, %; к_п — коэффициент, учитывающий неполноту съема; 1_ср - длина среза, м; 1_т - длина исследуемого тела, м; 1_Я — расстояние между яйцами, м; /я - положение яиц по длине радиуса емкости, м; М₀, М_ч и М₃ - масса прошедших очистку, абсолютно чистых и загрязненных яиц

соответственно, кг; т — число коэффициентов в эмпирическом уравнении регрессии;

т_я - масса яйца, кг;

т_ч - масса абразивной частицы, кг;

N - число опытов при планировании эксперимента, или нормальная реакция к

поверхности, Н;

N_de — активная мощность, потребляемой из сети электродвигателем, Вт;

Ыя — количество яиц, гит;

п — число варьируемых факторов, или количество повторений;

Пуд - число ударов одной абразивной частицы в единицу времени на единице

1 площади, -; с

rij - число параллельных опытов в отдельных точках плана эксперимента;

Р — нагрузка, Н;

Р_р - сила резания, Н;

Р_с - прочность скорлупы, Н;

Р_я - усилие, создаваемое виброкипящим слоем на яйцо, Н;

P_N ~ нормальная составляющая силы удара, Н;

Pi - давление среды в точке /, 77а;

Pi+i - давление среды в точке і+l, Па;

Р_к - касательная составляющая силы удара, Н;

Р_у - сила удара, Н;

Р₀ - начальная нагрузка, Н;

р - число уровней, или давление, Па;

Pi - весовой выход (масса) класса, кг;

,_ гит

Q — часовая производительность установки, ;

Q_co - масса загрязнений, снятых с единицы поверхности скорлупы в единицу

времени, -;

с-м

Qcpe₃ - сила при срезе (сдвиге), Па;

Q_m - сила, сжимающая обрабатываемый материал в направлении, нормальном к

плоскости среза, Н;

q₄ - масса единичного среза, кг;

S — площадь поверхности, м\

-5^е и S¹ — соответственно внешний и внутренний ударные импульсы, Н-с;

S_m - срезывающая сила, преодолевающая сопротивление обрабатываемого

материала срезу, Н; 5"- площадь срезаемого слоя обрабатываемого материала, м\

*ад — дисперсия адекватности;

^J _в - дисперсия воспроизводимости;

s_CJl — количество следов частиц на единице поверхности, —у;

^sb, - среднеквадратичная ошибка в определении коэффициента регрессии;

s_bi - дисперсия оценок коэффициентов; .s,²- дисперсия оценки коэффициента а,; sf- дисперсия наблюдений;

^йу - построчная дисперсия;

^yj max - наибольшая в ряду дисперсия;

Т_} - продолжительность укладки яиц в приспособление для их загрузки, ч\

Т₂ - продолжительность фиксации приспособления для загрузки яиц в экспериментальной установке, ч;

Т₃ - продолжительность нахождения яиц в виброкипящем слое абразивного материала, ч;

Т₄ - продолжительность снятия фиксации приспособления для загрузки яиц в экспериментальной установке, ч;

Т₅ - продолжительность изъятия яиц из приспособления для их загрузки, ч;

t — время очистки яиц, с;

t_Kp - критическое значение критерия Стьюдента;

12 ^а; к_в — критерий Стьюдента;

/_а - часовой расход абразива,—;

и_л - линейное напряжение, В;

и — коэффициент, учитывающий отношение нормальной составляющей силы

резания к касательной;

м V- скорость, -~;

тгкас

у_ч - относительная касательная скорость перемещения частицы по

обрабатываемому материалу, —;

V_CJl - полный объем виброкипящего слоя, м ;

V_cp - объем рабочей среды, м³;

V_m4 - объем непосредственно твердых частиц, м ;

V₄ - объем одной частицы, м³;

У_э — эквивалентный объем, м³;

V_n - объем яйца, м³;

Ki и К₂- вектор скорости центра масс до удара соответственно яйца и частицы;

V'i и V'i- вектор скорости центра масс после удара соответственно яйца и

частицы; W— относительная влажность, %\ W_x - сила сопротивления, Н; Х{ - кодированное значение z'-ro фактора; x_b Xj, х\ - измеряемые значения;

*i max - максимальное натуральное значение /-го фактора; *» mm — минимальное натуральное значение г'-го фактора; х,о - натуральное значение основного уровня /-го фактора;

Уjk — значение критерия оптимизации для отдельного опыта;

уj — среднее арифметическое значение параметра оптимизации в^'-м опыте;

13 pj - вычисленное с помощью уравнения регрессии значение параметра

оптимизации; а — уровень значимости; у — передний угол резания частицы, град', АЕ^г_л^д — годовая экономия потребления электроэнергии, кВт-ч;

А3* - годовая экономия труда, чел.-ч;

A3j^d — годовой экономический эффект,руб.;

AM- масса удаленного загрязнения с поверхности яиц, кг;

АМ^гд — снижение металлоемкости новой машины, кг;

А_ср - коэффициент затухания силового импульса по высоте виброкипящего слоя

(коэффициент демпфирования); AT- время соударения, с;

AS_X - нормальная составляющая импульса силы удара, Н-с; AS_у - касательная составляющая импульса силы удара, Н-с;

А-ь, - доверительный интервал коэффициента регрессии;

Лхі — интервал варьирования z'-ro фактора; 8_С — толщина скорлупы, м;

1С?

S - удельная масса материала,—_Т;

Є - степень очистки товарных яиц от загрязнений, %; є_сл - пористость виброкипящего слоя;

щ - коэффициент, учитывающий дополнительные расходы на транспортировку, монтаж и предпусковую подготовку серийной яйцемоечной машины; г\_н — коэффициент, учитывающий дополнительные расходы на монтаж и предпусковую подготовку предлагаемой машины без учета затрат на ее транспортировку; в - угол среза, град;

X - мгновенный коэффициент трения при ударе;

/л - динамическая вязкость, Пас;

м² v - кинематическая вязкость, —;

— коэффициент силового воздействия по радиусу виброемкости;

р_н - насыпная плотность материала, 5* \

р₁ и р₂ — радиус-вектор, характеризующий расстояние от центра масс

соответственно яйца и частицы до точки удара С;

р_х - радиус округления вершины частицы, м;

^Т - продолжительность всего процесса очистки, ч;

is - касательное напряжение среза, Па;

(р - угол сдвига фаз, или угол внешнего трения скольжения, град; (р' - угол внутреннего трения, град; — угол между углами резания и среза, град; со - угловая частота колебаний, с'¹;

сох и о)2 — вектор угловой скорости до удара соответственно яйца и частицы; (о'\ и (о'г - вектор угловой скорости после удара соответственно яйца и частицы;

Введение к работе

По своему строению и химическому составу куриное яйцо весьма совершенно. Оно является для человека ценным, экологически чистым диетическим продуктом. Пищевая значимость куриного яйца в кулинарии неоспорима. Оно содержит все необходимые для жизни витамины и микроэлементы, находящиеся в нем в оптимальной пропорции. Поэтому потребление людьми яиц очень велико. Увеличение количества производимых птицефабриками яиц ведет к необходимости улучшения их качества. Одним из главных показателей качества яиц является чистота скорлупы. Загрязненность скорлупы не только снижает товарный вид яиц, но и является основным источником их бактериальной зараженности, приводящей к быстрой порче. К тому же, согласно российским техническим условиям (далее РТУ) [39], свежие яйца, имеющие загрязнения выше нормы, реализуют для промышленной переработки и в сети общественного питания. А это наносит колоссальный экономический ущерб предприятиям, производящим товарное яйцо.

Для очистки поверхности скорлупы яиц от загрязнений на яйцескладах птицефабрик и в пищевой промышленности применяются моечные машины, отличающиеся по своему принципу действия, производительности и качеству выполнения этой операции. В яйцемоечных машинах используется вода или специальные водные моющие растворы, что снижает сроки хранения товарных яиц. Вода является своего рода транспортным средством, доставляющим вредную микрофлору с поверхности яйца внутрь, и полностью смывает защитную восковую оболочку, покрывающую скорлупу. В связи с чем, более предпочтительной считается сухая очистка. Но машины и устройства, работающие по способу сухой очистки, как правило, имеют низкую производительность, сложную конструкцию и быстро изнашиваемые рабочие органы, что ограничивает их производство и применение.

Использование вибрации устраняет приведенные выше недостатки, а также способствует интенсификации процесса очистки, повышает его уровень

механизации и автоматизации, увеличивает экономическую эффективность и производительность труда [11].

В настоящее время все более широкое применение в химической, металлургической, нефтеперерабатывающей, строительной, пищевой и других отраслях промышленности и сельского хозяйства находит виброкипящий слой сыпучего материала. Широкие технологические возможности в сочетании с высокой производительностью ставят виброобработку в кипящей среде в число наиболее актуальных и перспективных способов очистки поверхности скорлупы яиц от загрязнений. Возможности виброкипящего слоя еще мало изучены.

Цель исследований - повышение эффективности очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений посредством применения виброкипящего слоя абразивного материала.

В данной работе мы рассмотрим особенности виброкипящего слоя и попытаемся применить его возможности к процессу сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений.

Объект исследований — процесс сухой очистки скорлупы товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала.

Предмет исследований — закономерности и явления, возникающие в процессе сухой очистки скорлупы товарных яиц в виброкипящем слое абразивного материала.

Методы исследований - структурный анализ; математическое моделирование; отсеивающий и основной эксперименты, их планирование.

Научная гипотеза заключается в том, что эффективность очистки скорлупы товарных яиц можно повысить путем использования виброкипящего слоя абразивного материала.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель процесса сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений вибрирующими абразивными частицами на основе уравнений теории резания металлов, учитывающая особенности виброкипящего слоя и длительность виброобработки.

2. Предложены способ и устройство для измерения эффективной вязкости сыпучих материалов (патент РФ № 2267770), находящихся под воздействием вибрации.

3. Получена регрессионная модель процесса сухой очистки скорлупы яиц, подтверждающая теоретическую модель и позволяющая обосновать кинематические режимы виброобработки.

Практическая значимость работы определяется:

1. возможностью использования разработанных технических решений по сухой очистке скорлупы товарных яиц от загрязнений на яйцескладах птицефабрик, в цехах переработки яиц, на кондитерских фабриках и на базах общественного питания;

2. применением предлагаемой математической модели поведения вибро-кипящего слоя сыпучего материала для совершенствования технологического оборудования сухой очистки скорлупы товарных яиц от загрязнений и его рабочих органов.

Апробация работы. Результаты научных исследований были доложены и одобрены:

1) в ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии на Международной научно-практической конференции «Машинно-технологическое, энергетическое и сервисное обеспечение сельхозтоваропроизводителей Сибири», посвященной 100-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (2008 г.);

2) на проводимых в АГАУ научно-практических конференциях в 2002-2008 гг.

Публикации. На тему диссертационной работы в период ее выполнения опубликовано 5 печатных работ и получено 2 патента РФ на изобретения.

Данная работа выполнена в Алтайском государственном аграрном университете в 2008 г.

Похожие диссертации на Обоснование параметров устройства для сухой очистки товарных яиц в виброкипящем слое

Обоснование параметров и режима работы устройства для очистки ореха черного от перикарпаРевяко Сергей Иванович

Повышение эффективности сухой очистки корнеклубнеплодов путем обоснования параметров роторно-щеточного устройстваДусенов, Максут Кажиахметович

Разработка устройства для очистки и обеззараживания воды с обоснованием его параметров и режимов работыТвердунов, Павел Сергеевич

Обоснование параметров и режимов работы устройства для фракционирования и очистки зернового вороха перед плющениемИсупов, Алексей Юрьевич

Совершенствование процесса очистки грубых стебельных кормов от инородных твердых примесей с разработкой и обоснованием параметров сепарирующего устройстваСаяпин, Владимир Викторович

Повышение качества очистки корнеплодов сахарной свеклы разработкой и обоснованием конструктивных и режимных параметров транспортирующе-очистительного устройства комбайнаЯнгазов, Рамиль Усманович

Совершенствование технологического процесса сушки зерна гречихи с обоснованием параметров сушилки с псевдоожиженным слоемСидорчук Анатолий Павлович

Обоснование основных параметров рыхлителя подпахотного слоя почвы для снижения стока талых вод со склонов Егоров Виталий Петрович

Совершенствование технологического процесса сушки зерна пшеницы и обоснование конструктивных параметров сушилки с псевдоожиженным слоемВолженцев Андрей Владимирович

Разработка и обоснование параметров машины для плоскорезной обработки почвы с одновременным разуплотнением подпахотного слояПопов, Игорь Васильевич