Введение к работе
Актуальность работы. Последствием переработки злаковых, бобовых культур, крупяных и других продуктов являются ферропримеси, образующиеся вследствие износа и коррозии оборудования, а также после его ремонта и обслуживания. Своевременный и объективный контроль этих ферропримесей, их эффективное удаление являются одной из актуальных задач в решении проблем обеспечения экологичности и безопасности пищевых систем, что в соответствии с «Доктриной продовольственной безопасности...» входит в принципиальную стратегию государственной политики.
Постоянное наличие этих примесей в пищевых продуктах, (мука, крупа, какао, сахар, чай и многих других) зачастую повышенное, не позволяет квалифицировать эти продукты как экологически чистые и безопасные для здоровья. К тому же такие примеси дестабилизируют работу оборудования, вызывая повреждения, повышенный износ его элементов, а также способствуют опасному искрообразованию (в частности при размоле муки), способному спровоцировать разрушительный взрыв.
Все это говорит о том, что «фактор ферропримесей» - начиная с необходимости получения достоверной информации о содержании таких примесей (их размерах, дисперсном составе, концентрации) и заканчивая разработкой технико-технологических решений по их эффективному удалению - обязан входить в число ключевых вопросов технологии переработки злаковых, крупяных, бобовых и других пищевых сред.
Вместе с тем, в настоящее время существующие методы контроля ферропримесей не обеспечивают получение объективных результатов: показатели, полученные методами, регламентируемыми действующими ГОСТами, существенно занижены по сравнению с реальными. А из-за отсутствия соответствующих характеристик (свидетельствующих об особенностях силового воздействия на феррочастицы) продолжает оставаться недостаточным и уровень технико-технологической проработки магнитных сепараторов (как отечественных, так и
С І
4 импортных), потребность в которых для оснащения и переоснащения различных линий технологической переработки зерновых, крупяных и других пищевых сред неуклонно возрастает.
Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка прецизионного способа контроля содержания ферропримесей (ме-талломагнитных примесей) в муке, крупе и других продуктах, разработка объективного подхода к анализу размеров ферропримесей на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям, а также получение достоверных диагностических характеристик (с выявлением пассивных зон) магнитных сепараторов, предназначенных для удаления ферропримесей.
В связи с этим в работе решаются следующие основные задачи:
-
Посредством как обычных (количественных), так и объемно-долевых гистограмм провести мониторинг ферропримесей пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других сред, в том числе проверку на соответствие установленным нормам по размерам. Оценить истинный вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.
-
Проанализировать регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, разработать более объективный метод контроля, расширив число операций магнитофоретического извлечения ферропримесей из пищевых сред, практикуя функциональное представление пооперационной массы извлекаемых ферропримесей от порядкового номера операции - для получения возможности последующей экстраполяции получаемых зависимостей и нахождения совокупной массы и концентрации ферропримесей. Показать наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого и игнорируемого) содержания ферропримесей и тем самым обосновать необходимость его учета. Оценить погрешность для случая проведения ограниченного числа операций (в сравнении с данными, получаемыми с учетом оценки остаточного содержания ферропримесей).
-
Получить данные по влиянию угла наклона желоба (используемого в механических устройствах контроля ферропримесей, например, приборах типа ПВФ) на величину препятствующей магнитному захвату кинетической энергии потока анализируемой среды.
-
С использованием типичного модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получить и проанализировать соответствующие развернутые характеристики индукции поля (при обязательной визуализации силовых линий магнитной индукции), в том числе с использованием принципа суперпозиции. Найти также развернутые характеристики ее градиента и магнитного силового фактора (как наиболее объективной, по существу - арбитражной, характеристики). На примере детализированной характеристики индукции выявить те ее особенности, которые бы позволяли напрямую (до получения данных силового фактора) идентифицировать пассивные зоны.
5. Разработать и осуществить промышленную апробацию методов и
средств контроля ферропримесей, а также опытно-промышленных образцов
магнитных сепараторов для их удаления из злаковых, крупяных и других про
дуктов (и тем самым повышения их качества и безопасности).
Научная новизна работы
Посредством объемно-долевых гистограмм осуществлен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов, в том числе контроль на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям.
Разработан прецизионный метод контроля содержания ферропримесей, основанный на их неоднократном магнитофоретическом извлечении. В т.ч.: - получены опытные данные масс осадка ферропримесей пищевых систем, предложено представлять эти данные в виде функциональной зависимости пооперационных масс от порядкового номера операции магнитофореза — с установлением ее аналитического (экспоненциального) вида;
на основании объективной экстраполяции такой зависимости впервые получены выражения для оценки любой операционной, постоперационной и совокупной (с учетом остаточной) массы ферропримесей;
по полученным выражениям и необходимым контрольным экспериментальным данным найдены истинные значения содержания ферропримесей в пробах муки, манной крупы и других пищевых сред.
Исследованиями, выполненными на модуле магнитного сепаратора (с визуализацией хода магнитных силовых линий), получены развернутые «пошаговые» характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции), развернутые характеристики ее градиента и силового фактора. Впервые предложен подход к получению развернутой информации о потенциальных возможностях модуля сепаратора, в том числе информации о его пассивных зонах. Предложен и реализован также несколько упрощенный, оперативный подход, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - с выявлением функциональных особенностей линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих характеристик и, как следствие, выявлением пассивных зон. Практическая ценность работы
Для многочисленных пищевых систем (пшеничная и ржаная мука, манная и кукурузная крупа, какао-порошок и др.) на основании объемно-долевых гистограмм показан фактический вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.
Критически проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в муке, крупе и других продуктах, основанные на проведении кратных (как правило, трехкратных) операций магнитофо-ретического накопления ферропримесей и использовании механических средств с неоправданно большими углами наклона рабочих желобов. Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей показано наличие существенной доли остаточного (ранее в ла-
7 бораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.
В соответствии с разработанным методом контроля найдены истинные значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и др. Оценена погрешность определения содержания ферропримесей при проведении ограниченного (регламентируемого) числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей, которая в известной мере компрометирует официальную (основывающуюся на традиционных методах контроля) информацию о присутствии ферропримесей в пищевых средах, в том числе поступающих в розницу.
По выявленному стремительному росту кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) в зависимости от угла наклона желоба показано, что практикующийся «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, приборы типа ПВФ) неправомочен.
Исследованиями показано, что:
для получения объективных характеристик магнитного поля в рабочей зоне магнитного сепаратора (прежде всего, для правильного текущего позиционирования измерительного датчика) исключительно необходимой является предварительная искусственная визуализация силовых линий магнитной индукции;
полноправными характеристиками работоспособности магнитных сепараторов являются характеристики силового фактора, а характеристики индукции поля - лишь в случае их кусочной линеаризации (в полулогарифмических координатах): с выявлением пассивных зон.
Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым -для повышения их качества и безопасности.
8 Апробация работы, внедрения, публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 работ (в т.ч. патенты РФ на изобретение и полезную модель). Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре при МГУПП по актуальным вопросам продовольственной безопасности (2010), на научно-практических семинарах в рамках выставки «Зерно-комбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), на 10-й юбилейной международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», (Туапсе, 2008), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2008), используются в 2-х учебных курсах.
В диссертации использовались результаты научно-исследовательской работы «Исследование и разработка новых методов магнитофоретической очистки жидкостей и сыпучих сред от феррозагрязнений при эксплуатации машин в производстве хлебных, полимерных и керамических изделий», выполнявшейся автором (в соавторстве с молодыми учеными А.А.Сандуляк, В.А.Ершовой) в 2006-08 гг. в МГТУ «МАМИ», прошедшей обсуждение научно-технической общественностью (МГУПП, Хлебозавод ПЕКО, Одинцовская кондитерская фабрика А.Коркунов, машиностроительный завод оборудования сельхозпере-работки «ФРЕГАТ» и др.) и удостоенной Премии Правительства РФ 2008г. в области науки и техники для молодых ученых.
Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из пищевых продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности. Они демонстрировались на международных выставках «Агропродмаш» (Москва, 2008, 2009гг.), «Зерно-комбикорма-ветеринария» (Москва, 2008,2010 гг.), «Росупак» (Москва, 2009г.). Экономический эффект от внедрения разработок составил 1,2 млн. рублей.
9 Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах, содержит 58 рисунков, 17 таблиц, она состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 138 наименований и приложений.
