Методика определения связи массовой и объемной концентраций масла в семенах и результаты ее использования

8. Kazakov V. A. Tekhnicheskie sredstva dlya polucheniya plyushchennogo furazhnogo zema (Technical facilities for obtaining the crushed forage grain), Uluchshenie ekspluatatsionnykh pokazatelei sel'skokhozyaistvennoi energetiki, materialy VIII Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Nauka-Tekhnologiya-Resursosberezhenie», g. Kirov, 03 fevralya 2015 g., Kirov, FGBOU VPO Vyatskaya GSKhA, 2015, Vyp. 16, pp. 87-92.

9. Marsov V. I., Slavutskii V. A. Avtomaticheskoe upravlenie tekhnologicheskimi protsessami na predpriyatiyakh stroitel'noi industrii (Automatic control of technological processes at the enterprises of construction industry), Stroiizdat, Leningradskoe otdelenie, 1975, 287 p.

10. Sysuev Vasiliy, Semjons Ivanovs, Peter Savinyh, Vladimir Kazakov The movement and transformation of grain in a two-stage crusher, In: Engineering for Rural Development, Proceedings, Volume 14, Jelgava, pp. 22-27..

11. Kazakov V. A., Moshonkin A. M. Usovershenstvovanie pitayushchego ustroistva dvukhstupenchatoi plyushchilki zerna (Improvement of feeding unit in a two-stage grain crusher), Agrarnaya nauka v usloviyakh mo-dernizatsii i inno-vatsionnogo razvitiya APK Rossii, Sb. materialov Vserossiiskoi nauchno-metodicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyashchaetsya 100-letiyu akademika D. K. Belyaeva, T. 3, Ivanovo, FGBOU VO Ivanovskaya GSKhA, 2017, pp. 75-79.

12. Romaliiskii V. S. Plyushchilka dlya vlazhnogo zerna (Crusher for wet grain), Kombikorma, 2004, № 6, P. 23.

13. Andrianov A. M. Opredelenie proizvoditel'nosti plyushchilki dlya zerna (Determination of production performance of grain crusher), Mekhanizatsiya podgotovki kormov v zhivotnovodstve, Sb. nauch. tr. Voronezhskogo SKhI im. K.D. Glinki, Voronezh, 1984, pp. 25-35.

УДК 665.3: 532.685

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СВЯЗИ МАССОВОЙ И ОБЪЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЙ МАСЛА В СЕМЕНАХ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Е. В. Славнов, д-р техн. наук, профессор; ФГБУН Пермский ФИЦ УрО РАН, ул. Королева 1, г. Пермь, Россия, 614000 E-mail: slavnov@icmm .ru;

М. А. Трутнев, канд. техн. наук, доцент; А. В. Костицин, аспирант, ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ, ул. Петропавловская, 23, г. Пермь, Россия, 614990 E-mail: kaftog@pgsha.ru

Аннотация. Исследования проведены в лаборатории «Микромеханика структурно-неоднородных сред» ФГБУН Пермский ФИЦ УрО РАН и лаборатории освоения агрозоотехно-логий ФГБОУ ВО Пермский ГАТУ. Согласно ГОСТу 10857-64, одной из оценок семян масличных культур является масличность, то есть массовая концентрация масла в семенах Стм. Однако, при математическом описании отжима масла используются уравнения, в которых среда рассматривается как двухкомпонентная смесь, содержащая жидкую (масло) и плотную (все остальное) компоненты с соответствующими плотностями рм, рпк. При этом в расчетах используется объемная концентрация масла CVM, которая связана с массовой зависимостью

f _ а-Стм , где a = рпк /рм. Затруднение вызывает определение плотности плотной ком™ " Стм (а-1) +1

поненты рпк. Для решения этой задачи и вычисления зависимости объемной концентрации от массовой разработана методика и проведены экспериментальные исследования на семенах рапса и подсолнечника. Предлагаемая методика осуществляется в две стадии. На первой из них определяется масличность семян (массовая концентрация масла Стм) и плотность отжатого из них масла рм. Далее измельчают навеску семян, например, экструзией, и получают «раствор» плотной компоненты в масле, плотность которого известна. Подготовленный образец взвешивают и помещают в цилиндр с хорошо притертым поршнем. Образец уплотняют давлением и вычисляют его объем по высоте образца в цилиндре при известной площади внутреннего диаметра цилиндра. На второй стадии вычисляют плотности плотной компоненты и объемной

концентрации См . В результате получены зависимости: С ^=1.0888• ^ + 0.0523 - для семян рапса; С ум= 1.0252 • Стм + 0.1221 - для ядра семян подсолнечника, которые могут быть использованы при математическом моделировании процесса отжима масла.

Ключевые слова: семена, масличные культуры, содержание масла, массовая концентрация, объемная концентрация.

Введение. Исторически так сложилось, что в области выращивания и переработки масличных культур был введен показатель -масличность. Его понятие и метод определения закреплены ГОСТом 10857-64 «Семена масличные. Метод определения масличности». По сути дела, этим ГОСТом дается метод определения массовой концентрации масла с учетом естественной влажности продукта. Видимо, поэтому в литературных источниках практически не используется понятие «концентрация масла», и, тем более, указания на то, что она массовая, а не объемная. Использование показателя «масличность» вполне естественно. Его удобно определять, используя массовые показатели (находятся взвешиванием) до и после экстракции масла. Данный показатель можно использовать в производстве. Имея количество сырья и массовую концентрацию, можно легко определить количество полезного продукта (масла) в исходном сырье. Однако, когда встает вопрос о математическом описании (моделировании) процесса отжима масличных культур, то в известных уравнениях, в частности, уравнение фильтрации Дарси [1], или уравнения, описывающие течения жидкостей [2, 3, 4], в качестве переменных используется «скорость течения». В данном случае встает вопрос о соотношении концентраций массовой и объемной. Этот же вопрос появляется при моделировании процесса [5, 6] или нахождении фильтрующих и других физических свойств масличных культур [7, 8].

Целью работы является разработка методики и ее использование для определения связи между двумя концентрациями масличных культур - массовой и объемной.

Методика. Семя масличных культур имеет сложное строение и содержит кожуру, эндосперм, семядоли, зародыш, зачатки корешков. Однако при моделировании процесса отжима часто используемый подход заключается в том, что масличную культуру рассматривают как двухкомпонентную смесь [9, 10, 11, 12], содержащую масло (жидкую компо-

ненту) и «все остальное» (плотную компоненту). Оговоримся сразу, что рассматриваемые образцы семян имеют естественную влажность не выше 1%, что легко обеспечить в процессе их подготовки.

Определим связь объемной и массовой концентраций. По определению, объемную концентрацию двухкомпонентной смеси можно записать как отношение объема масла ко всему объему смеси:

V»

С =

V +¥

' м 1 ' пк

где С - объемная концентрация масла в образце;

^, - объемы масла и плотной компоненты в образце, соответственно.

Выразим в выражении (1) объемы компонент через их плотность и массу:

С = тм / Рм ,

Ум тм / Рм + тпк ! рпк где т , т - масса масла и плотной компоненты в образце, соответственно;

Рм, Рпк - плотность масла и плотной компоненты, соответственно.

Найдем обратную величину объемной концентрации масла, и в правой части уравнения (2) вынесем за скобки в знаменателе

1/Рпк:

^Р^.Рт^.

СУШ Рпк тм

Обозначим символом а отношение плотностей плотной компоненты и масла Рпк / Рм = а, тогда выражение (3) примет вид:

1 = а• тм + тпк тпк .

а • тм а • тм

Для двухкомпонентной системы масса смеси (образца) т равна сумме масс масла и плотной компоненты щ = тпк + тм, тогда тпк = щ - тм. Подставим последнее выражение в уравнение (4) и получим

"Е 1 .

С

1 1 щ 1 .

= 1+—

а т„ а

В правой части уравнения (5) второй член выражения представляет собой обратную величину массовой концентрации масла в образце 1/Сум , умноженной на величину 1/а. С учетом этого (5) примет вид:

= __1.

Сум а Стм а

Сделав очевидные арифметические преобразования, получим:

1 _ Стм (а -1) +1 .

Сум а' Стм

Из уравнения (6) следует, что объемная концентрация связана с массовой концентрацией выражением

С = а 'Стм .

См Стм (а-1)+1 Разрешив выражение (7) по отношению к массовой концентрации С , определим

зависимость массовой концентрации от объемной:

Г - С™ .

Стм а - С„м{а-1)

Выражения (7) и (8) определяют связь между массовой и объемной концентрациями. Чтобы их использовать, необходимо знать па-

раметр а = рпк / рм, представляющий отношение плотностей плотной компоненты и масла. Плотность масла представлена, практически, для всех масличных культур в литературных источниках, и определить ее для конкретного образца большого труда нее составляет. Однако, авторы не смогли найти каких-либо данных о плотности плотной компоненты.

В качестве исследуемой культуры был выбран рапс. Согласно ГОСТу 10857-64, семена рапса были тщательно экстрагированы (трижды). На рисунке 1 представлены микрофотографии образцов рапса до экстракции (рис. 1 а), и после экстракции (рис. 1 б и в). В качестве масштаба на фотографиях (рис. 1 б и в) использована проволока диаметром 0,17 мм. Была определена масличность образца (массовая концентрация), которая составила 0,446, что соответствует 44,6% содержания масла. Плотность масла равнялась 920 кг/м3 (0,92 г/см3). В результате экстракции масла получился сухой остаток в виде разрушенных сферических жестких частиц (рисунок 1 б, в), плотность которых следовало определить.

а б в

Рис. 1.Микрофотографии образцов рапса: а) до экстракции; б) после экстракции с малым увеличением; в) после экстракции с большим увеличением.

Для этого сухой остаток измельчили в кофемолке, взвесили и поместили в специальную оснастку, представляющую цилиндрическую основу с притертым поршнем. Образец спрессовали достаточно высоким давлением 50 МПа (500 атм.) и измерили объем. В результате получили значение его плотности 970 кг/м3 (0,97 г/см3). Образец поместили в воду и увидели, что небольшая часть частиц стала медленно погружаться на дно, но большая часть оставалась на поверхности воды.

Использовали стандартную методику измерения плотности с помощью пикнометра. Измельченный образец взвесили и поместили в пикнометр. В качестве жидкости с известной плотностью использовали дистиллированную воду. В результате получили плотность 1097 кг/м3 (1,097 г/см3). Результат соответствовал поведению экстрагированного образца, помещенного в воду. Невысокое значение измеренной плотности можно объяснить тем, что экстрагированные семена имеют микропори-

стую структуру с характерным размером пор меньше размолотых частиц. Пропитать водой подобную структуру достаточно сложно.

Но самое главное, проведенный эксперимент натолкнул на мысль использовать своеобразную «пикнометрию» в условиях естественного нахождения плотной компоненты в масле.

Предлагаемая методика осуществляется в две стадии. На первой из них определяется масличность семян (массовая концентрация масла Стм) и плотность отжатого из них масла рм. Далее измельчают навеску семян, например, экструзией, и получают «раствор» плотной компоненты в масле, плотность которого известна. Подготовленный образец взвешивают и помещают в цилиндр с хорошо притертым поршнем. Образец уплотняют давлением, и вычисляют его объем по высоте образца в цилиндре при известной площади внутреннего диаметра цилиндра.

На второй стадии вычисляют плотности плотной компоненты и объемной концентрации Сум в следующей последовательности. Имея образец массой ^ с известной массовой концентрацией ^ , определяют массу содержавшегося в нем.

По известным массе и плотности масла, вычисляют объем, занимаемый маслом V = т / п и объем плотной компоненты

' м " 1м ' Им

^ = V б - V«. Тогда, определив плотность плотной компоненты по выражению

масла т =С  т

тм = ^ тм т1

П = (т т )/К , вычисляют соотноше-

Нпк ("'об "'м' пк '

ние плотностей а = рпк / рм и рассчитывают

объемную концентрацию Сум.

Результаты. Полученная таким образом плотность плотной компоненты в естественных условиях в экструдате рапса составила 1300 кг/м3 (1,3 г/см3).

Возникает вопрос: Насколько отличаются плотности плотной компоненты у одной культуры и у разных масличных культур? Для этого аналогичный эксперимент был проведен с рапсом другого урожая и ядром семени подсолнечника.

Второй образец рапса (урожай 2017 г.) с масличностью 0,45 (содержание масла 45%) и плотностью масла 950 кг/м3 (0,95 г/см3) содержал плотную компоненту с плотностью 1400 кг/м3 (1,4 г/см3). Величина а = рпк / рм

для первого и второго образцов семени рапса равна соответственно 1,41 и 1,47. Относительная разница составляет не более 4,1%. Посмотрим, как такая величина повлияет на соотношение объемной и массовой концентраций. Зависимость объемной концентрации от массовой концентрации описывается выражением Сум= 1.0888 Стм + 0.0523 с достоверностью Я2 = 0,9966 для образцов различных урожаев (рис. 2, кривая 1). Можно полагать, что для конкретной масличной культуры связь массовой и объемной концентраций с высокой долей вероятности является с допустимой погрешностью величиной неизменной.

к 0.8

I 0.7

¡Ё 0.6

0 0.5 го 0.4

1

1 0.3

<8 0.2

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 массовая концентрация

0.7

Соб п

Линейный

Соб р

Линейный

Рис. 2. Зависимость объемной и массовой концентраций семян рапса и ядра семян подсолнечника

При определении плотности компоненты плотной фракции ядра семян подсолнечника можно отметить интересный факт, который заключается в том, что плотность смеси рапса и ядра семян подсолнечника (масло и плотная компонента) имеют одинаковую плотность 1,1476 г/см3.

Плотность ядра семян подсолнечника составляет 1,7 г/см3, а плотность масла 0,95 г/см3, тогда а = 1,789. Расширение области описания по массовой концентрации показывает нелинейную связь между концентрациями. Однако, с достаточной точностью и в этом случае можно использовать линейную аппроксимацию. Зависимость объемной и массовой концентраций для ядра семян под-

солнечника описывается выражением Сум= 1 0252  Стм + 0.1221 с достоверностью Я2 = 0,995 (рисунок 2, кривая 2).

Выводы. 1. Предложена методика определения связи между массовой и объемной концентрациями масла в семенах масличных культур.

2. Экспериментальным путем установлена связь между массовой и объемной концентрациями масла в виде уравнений: Сум= 1.0888  Стм + 0.0523 - для семян рапса; Сум= 1.0252Стм + 0.1221 - для ядра семян подсолнечника, которые могут быть использованы при математическом моделировании процесса отжима.

Литература

1. Шейдеггер А. Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. Москва; Ижевск : Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008. 254 с.

2. Петухов Б. С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. Москва : Энергия, 1967. 412 с.

3. Тарг С. М. Основные задачи теории ламинарных течений // Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва, Ленинград, 1951. 420 с.

4. Tadmore Z., Klein I. Engineering principles of plasticating extrusion.-Krieger, 1978. 500 p.

5. Petrov Ilya. Modelling of extrusion type squeeze of oil crops with hydraulic conductivity dependent on oil concentration and pressure level // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies. 2012. Vol. 6. Part 3. P. 64-71.

6. Anferov C. D., Skulskiy O. I., Slavnov E. V. Mathematical model of rape oil extrusion // Journal of International Scientific Publications Ecology & Safety. 2012. V. 6. Part 2. рр. 81-87. (URI.: htpp//www/scientificpublications.net/download/ecology-and-safety-2012-2.pdf).

7. Slavnov E.V. and Petrov I.A. Method of determining the filtration properties of oil-bearing crops in the process of their pressing by the example of rape-oil extrusion. //Journal of Engineering Physics and Termophysics. July 2014. Vol. 87. No. 4. рр. 888 -892.

8. Rzedzicki Z. and Blaszczak W. Impact of microstructure in modeling physical properties of cereal extrudates // Int. Agropfysics. 2005. N.19. P. 175-186.

9. Белобородов В. В. Основные процессы производства растительных масел. Москва : Пищевая промышленность, 1966. 480 с.

10. Анфёров С. Д., Скульский О. И., Славнов. Е. В. Модель экструзионного отжима масла из семян рапса // Вычислительная механика сплошных сред. 2015. Т. 8. № 2. С. 144-152.

11. Карташов Л. П., Зубкова Т. М., Корякина М. А., Совершенствование конструкции пресс-экструдера для отжима масла из семян рапса // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2011. № 4. С. 73-74.

12. Петров И. А., Славнов Е. В. Моделирование шнек-прессового отжима как совокупности процессов течения вязкой несжимаемой смеси и фильтрации жидкости сквозь пористую среду // Вычислительная механика сплошных сред. 2013. Т. 6. № 3. С. 277-285. doi:10.7242/1999-6691/2013.6.3.31.

DETERMINATION METHOD OF THE CONNECTION BETWEEN MASS AND VOLUME OIL CONCENTRATION IN SEEDS AND THE RESULTS OF ITS USE

E. V. Slavnov, Dr. Tech. Sci., Professor

Perm Federal Research Center of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences 1, Koroleva St., Perm, 614000, Russia E-mail: slavnov@icmm.ru

M. A. Trutnev, Cand. Tech. Sci., Associate Professor A. V. Kostitsin, Post Graduate Student Perm State Agro-Technological University 23, Petropavlovskaya St., Perm, 614990, Russia E-mail: kaftog@pgsha.ru

ABSTRACT

The research was carried out in the "Micromechanics of structurally nonuniform medium" laboratory of the Perm Federal Research Center of Ural Branch of the Russian Academy of Sciences and in the laboratory of agrozootechnologies development of the Perm State Agro-Technological University. According to the State Standard of Russia No. 10857-64 (GOST 10857-64), one of the estimates of oil-seeds is oil content, in other words, mass concentration of oil in seeds - Стм. However, mathematical description of oil pressing is carried out according to the equations, where medium is regarded as a two-component mixture containing liquid (oil) and solid (all the rest) components with corresponding densities рм, рпк. In this case, the volume concentration of oil CVM, that is related to

mass dependence „ _ аСтм , where a = рпк / рм is used in calculations. The density of solid

VM - Стм (а-1) +1

component рпк is difficult to determine. A special method was developed and experimental research was carried out on rape seeds and sunflower seeds in order to solve this problem and calculate the dependence of volume concentration on mass. The proposed method consists of two stages. In the first stage, the oil content of seeds (mass concentration of oil Стм) and the density of oil extracted from these seeds are determined pM. In the next stage, the sample of seeds is crushed, for example, by extrusion, for obtaining the "solution" of solid component in oil, its density is known. The prepared sample is weighted and placed in a cylinder with a well-fitted piston. The sample is compressed by pressure and its volume is calculated by the sample height in a cylinder where the area of inner diameter is known. The second stage involves calculation of the density of solid component and volume concentration CVM. As a result, the following dependences were obtained: CVM—1.0888 • CmM + 0.0523 - for rape seeds; С VM—1.0252 • CmM + 0.1221 - for the core of sunflower

seeds, which can be used for mathematical modeling of the process of oil pressing.

Key words: seeds, oil crops, oil content, mass concentration, volume concentration.

References

1. Sheidegger A.E. Fizika techeniya zhidkostei cherez poristye sredy (Physics of the flow of liquids through porous media), Moskva, Izhevsk, Institut komp'yuternykh issledovanii, NITs «Regulyamaya i khaoticheskaya dinamika», 2008, рр. 249.

2. Petukhov B.S. Teploobmen i soprotivlenie pri laminarnom techenii zhidkosti v trubakh (Heat transfer and resistance at laminar flow of liquid in pipes), Moskva, Energiya, 1967, 412 р.

3. Targ S.M. Osnovnye zadachi teorii laminarnykh techenii (The main problems of the theory of laminar flows), Gosu-darstvennoe izdatel'stvo tekhniko-teoreticheskoi literatury, Moskva, Leningrad, 1951, 420 р.

4. Tadmore Z., Klein I. Engineering principles of plasticating extrusion, Krieger, 1978, 500 p.

5. Petrov Ilya. Modelling of extrusion type squeeze of oil crops with hydraulic conductivity dependent on oil concentration and pressure level, Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies, 2012, volume 6, Part 3, рр. 64-71.

6. Anferov C.D., Skulskiy O.I., Slavnov E.V. Mathematical model of rape oil extrusion, Journal of International Scientific Publications Ecology & Safety, 2012, V. 6, Part 2, рр. 81-87. (URI.: htpp//www/scientificpublications.net/download/ecology-and-safety-2012-2.pdf).

7. Slavnov E.V. and Petrov I.A. Method of determining the filtration properties of oil-bearing crops in the process of their pressing by the example of rape-oil extrusion, Journal of Engineering Physics and Termophysics, July 2014, Vol. 87, No. 4, рр. 888 -892.

8. Rzedzicki Z. and Blaszczak W. Impact of microstructure in modeling physical properties of cereal extrudates, Int. Agropfysics, 2005, No. 19, рр. 175-186.

9. Beloborodov V.V. Osnovnye protsessy proizvodstva rastitel'nykh masel (The main processes of production of vegetable oils), Moskva: Pishchevaya promyshlennost', 1966, 480 р.

10. Anferov S.D., Skul'skii O.I., Slavnov. E.V. Model' ekstruzionnogo otzhima masla iz semyan rapsa (Model of extrusion of oil from rapeseed), Vychislitel'naya mekhanika sploshnykh sred, 2015, T. 8, No. 2, рр. 144-152.

11. Kartashov L.P., Zubkova T.M., Koryakina M.A. Sovershenstvovanie konstruktsii press-ekstrudera dlya otzhima masla iz semyan rapsa (Improving the design of a press extruder for pressing oil from rapeseed), Vestnik Rossiiskoi akademii sel'skokhozyaistvennykh nauk, 2011, No. 4, рр.73-74.

12. Petrov I.A., Slavnov E.V. Modelirovanie shnek-pressovogo otzhima kak sovokupnosti protsessov techeniya vyazkoi neszhimaemoi smesi i fil'tratsii zhidkosti skvoz' poristuyu sredu (Modeling of screw-press pressing as a set of processes of flow of a viscous incompressible mixture and filtration of a liquid through a porous medium), Vychislitel'naya mekhanika sploshnykh sred, 2013, T. 6, No. 3, рр. 277-285, doi:10.7242/1999-6691/2013.6.3.31.