К расчету энергоэффективности тонкого измельчения с использованием методов криотехнологий

Определение максимального значения интегрального критерия как для отдельной ЭТЛ, так и для поточного производства в целом, является сложной математической задачей. Это обусловлено тем, что сами функции Эам(0, Эпэ(t), Энл(1) являются случайными и достаточно сложна корреляционная связь между ними.

Литература

1. Исаенко Д.А., Пиркин А.Г. Вероятностный подход к оценке энергетической эффективности функционирования поточных линий на предприятиях АПК// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2011. - № 23. - С. 434441.

2. Туровцев О.Г. Организация производства и управление предприятием: учебное пособие. -М.: Инфра-М, 2002. - 350 с.

3. Гулин С.В., Пиркин А.Г. Использование комплексного подхода для решения задач эксплуатации сложных энерготехнологических систем на предприятиях АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2014. - № 37. - С.199-203.

4. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений: монография. - СПб: СПбГАУ, 2005. - 137 с.

5. Карпов В.Н. Научные проблемы энергоэффективности действующих технических систем. // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2017. -№ 4(49). - С.268-274.

Literatura

1. Isaenko D.A., Pirkin A.G. Veroyatnostnyj podhod k ocenke ehnergeticheskoj ehffektivnosti funkcionirovaniya potochnyh linij na predpriyatiyah APK// Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2011. - № 23. - S. 434-441.

2. Turovcev O.G. Organizaciya proizvodstva i upravlenie predpriyatiem: uchebnoe posobie. - M.: Infra-M, 2002. - 350 s.

3. Gulin S.V., Pirkin A.G. Ispol'zovanie kompleksnogo podhoda dlya resheniya zadach ehkspluatacii slozhnyh ehnergotekhnologicheskih sistem na predpriyatiyah APK // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2014. - № 37. - S.199-203.

4. Karpov V.N. EHnergosberezhenie. Metod konechnyh otnoshenij: monografiya. - SPb: SPbGAU, 2005. - 137 s.

5. Karpov V.N. Nauchnye problemy ehnergoehffektivnosti dej stvuyushchih tekhnicheskih sistem. // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2017. - № 4(49). -S.268-274.

УДК 663.915

Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА

К РАСЧЕТУ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ КРИОТЕХНОЛОГИЙ

Тонкое и сверхтонкое измельчение сырья в атмосфере воздуха приводит к интенсивному его окислению и разложению вследствие выделения тепловых потерь при энергонапряженном силовом воздействии на продукт рабочих органов механоактиваторов. При этом теряется значительная часть витаминов, ароматических и питательных веществ, образуются агрегаты частиц порошков. Диспергирование в инертных средах способствует устранению указанных недостатков [1 ].

Анализ литературы показал высокую эффективность использования криогенной технологии при производстве плодово-ягодных порошков из фруктов, ягод, а также из отходов соковых и винных заводов, масел, пряностей, шоколада, эфирномасличного растительного сырья, фруктов, при переработке мясных продуктов для выработки колбас и т.д. [2].

Цель исследований - разработка методики расчета энергоэффективности аппаратов с магнитоожиженным слоем и использованием методов криотехнологий.

Материалы, методы и объекты исследований. Объектом исследования являются электромагнитные механоактиваторы. К предмету исследования относятся методики определения энергоэффективности в аппаратах-механоактиваторах с магнитоожиженным слоем и использованием методов криотехнологий.

Результаты исследований. Предварительно раздробленные продукты перед измельчением подвергали сублимационной сушке в течение нескольких часов. Затем высушенное сырье охлаждали до температуры около - 196°С и помещали в криогенный диспергатор, работающий при такой же температуре. В результате помола частицы готового продукта имели размер 5-10 мкм [1].

Пищевые характеристики исходного продукта в полученных порошках остаются практически неизменными. Порошки хорошо сохраняются в герметичной упаковке, не теряют сыпучести, удобны для транспортировки, в том числе и в труднодоступные районы. Восстановленные соки имеют вкус натурального продукта. При сравнительном анализе традиционной («теплой») технологии и криогенной («холодной»), включающей сублимационную сушку и помол с использованием жидкого азота, установлено, что в исходных продуктах, а также в порошках, полученных при помощи различных технологий, контролировали активность витаминов (С, В1, В2, Е, каротина), содержание микроэлементов (К, №, Са, Мg, Р), сахаров (общее, глюкозы, фруктозы, сахарозы), органических кислот (яблочной, лимонной, винной), белка и общую обсемененность микроорганизмами. Выявлено, что криогенная технология позволяет сохранить в порошках практически без изменений витамины, микроэлементы, сахара, органические кислоты, тогда как при тепловой сушке сохраняется витаминов около 50%, а сахаров и органических кислот меньше соответственно на 10 и на 25-40%. Микробиологические исследования показывают, что высокое содержание в плодово-ягодных порошках сахаров (около 70%) и кислот (около 10%) делает их естественными консервантами и существенно снижает опасность их обсемененности микроорганизмами. Даже при хранении порошков в течение 6 мес. в негерметичной упаковке их общая обсемененность не превышала 300 микроорганизмов на 1 г, что допускается нормами, существующими в пищевой промышленности.

Таким образом, криогенная технология позволяет получить плодово-ягодные порошки с повышенным содержанием биологически активных и питательных веществ. Эти порошки могут стать основой для создания высококачественных пищевых продуктов.

Большие возможности открываются для использования способа криогенного измельчения при переработке пряностей. Промышленная переработка пряностей осуществляется на российских предприятиях, которые выпускают их в целом или в размолотом виде. Для помола пряностей по традиционной технологии в основном применяют молотковые дробилки с вращающимися ударными приспособлениями. В процессе помола, особенно в быстродействующих мельницах, из-за интенсивного трения образуется значительное количество теплоты, которая приводит к существенным потерям влаги и эфирных масел. С учетом того, что закупки по импорту пряностей в нашей стране достигают десятков тысяч тонн, потери эфирных масел в процессе их переработки равнозначны потерям валютных средств.

Наиболее эффективным и часто применяемым способом сохранения влажности и ароматических веществ в процессе переработки пряностей является способ, основанный на охлаждении продукта азотом при температуре -196°С [2]. При этом молотый продукт и саму

мельницу охлаждают циркулирующим газообразным азотом. Часть потока газообразного азота служит для дополнительного охлаждения и выноса продукта тонкого помола. За счет непрерывной подачи азота обеспечивается создание среды инертного газа. Потери эфирных масел при традиционной технологии переработки в зависимости от вида перерабатываемых пряностей и от наружной температуры могут составлять от 20 до 30% [3, 4]. Поскольку помол пряностей осуществляется в среде инертного газа, потери в результате окисления кислородом воздуха значительно сокращаются. Благодаря применению охлаждения в процессе помола лучше сохраняются летучие эфирные масла, и при одинаковом составе исходного пряного сырья достигается повышение качества вырабатываемых изделий.

Общий вид устройства представлен на рис. 1. Наружный корпус выполнен из диамагнитного материала. Ротор изготовлен из магнитомягкого феррита TSF - 7099. Коэффициент заполнения рабочей камеры мелющими телами К = 0,4. Электромагниты установлены «отталкивающим» полюсом в сторону входа в камеру, что позволяет исключить попадание в зону выгрузки положительно заряженных размольных тел. Над разгрузочным окном с заслонкой установлен ротаметр, позволяющий во время работы установки поддерживать заданный интервал разброса частиц путём регулирования ряда параметров: интенсивности электромагнитных полей, скорости вращения ротора и скорости подачи продукта. Встроенный в корпус рабочей камеры датчик температуры контролирует и поддерживает в рабочей камере температурный режим.

Рис. 1. Общий вид криоизмельчителя

В результате исследований выявлено, что при низких температурах пряности становятся хрупкими, что способствует их тонкому помолу. Установлено, что пряности тонкого помола в электромагнитных механоактиваторах лучше и равномернее распределяются в готовом продукте и приобретают высокую экстрактивность [5].

Для математического описания процесса тонкого и сверхтонкого измельчения справедлива энергетическая теория Риттингера:

А = к - ДР,

др = -1,

РХБН

где АР — прирост новой поверхности, м2; к — коэффициент пропорциональности, равный работе, затраченной на образование новой поверхности; G — производительность; г — степень измельчения; р — плотность порошкообразного сыпучего продукта, кг/м3; х — фактор формы частиц материала (табличное значение); Бн — начальный размер кусков.

Для оценки энергетической эффективности измельчения целесообразно использовать параметр эффективности - отношение полезно достигаемого результата измельчения к суммарным энергетическим затратам, достигаемым в рабочем объеме аппарата:

Э = ^, ,

т Н • м2 м • Дж

где V — рабочий объем измельчителя, м3; N — затраченная работа в единицу времени, Дж. Параметр эффективности показывает прирост новой поверхности в единице объема измельчителя на единицу затраченной работы в единицу времени. С учетом формулы (1) энергетическая эффективность:

э = 6а

или

Э = —,

т

г 6(г -1) м2 „ где К =-,--критерий качества.

РХ^н кг

Показатель энергетической эффективности (2) может быть использован для сравнения любых видов измельчающего оборудования (при условии обработки идентичных материалов), если его привести к безразмерному виду:

Э = —

рШ

Для сравнения энергетической эффективности в представленные формулы введен

показатель прочности материала П, :

м2

Э = , -1

VN м3

N

Необходимо отметить, что входящая в формулу (5) величина - также косвенно

ДО

характеризует прочность материала:

П = ^,

р

м

аV

где Лх =-м - работа разрушения материала объемом Vм упругой деформацией (а -предел

2Е

прочности материала, Па; Е-модуль Юнга, Па).

Тогда критерий, учитывающий прирост площади поверхности измельченного материала и его прочностные характеристики, равен:

п=е-оа!^

Р 2Е с2

С учетом представленных формул параметр эффективности имеет вид:

Э=0

рVN 2Е

Таким образом, параметр эффективности процесса измельчения будет тем выше, чем больший прирост поверхности будет достигнут для более прочных материалов при меньших энергетических затратах и минимальном рабочем объеме аппарата.

Рис. 2. Удельная энергия измельчения электромагнитным способом с использованием криотехнологии: 1 - какаовелла; 2 - скорлупа кедровых орехов; 3 - смесь компонентов

В результате сравнения полученных на лабораторном стенде данных (рис. 2) с результатами исследований [2, 4] установлено, что удельный расход энергии на образование единицы поверхности продукта в криоизмельчителе в 2,5 - 2,7 раза меньше по сравнению с энергозатратами на измельчение аналогичных продуктов такой же крупности традиционным способом.

Выводы. Параметр эффективности процесса измельчения в ЭММА будет тем выше, чем больший прирост поверхности будет достигнут для более прочных материалов при меньших энергетических затратах и минимальном рабочем объеме аппарата. Применение азота в качестве хладагента для охлаждения позволяет увеличить хрупкость материала (тем самым уменьшить дисперсность порошка, внедрить безотходную технологию), не допуская перегрева и окисления (благодаря инертной среде), сохранить качество и витамины исходного продукта, повысить производительность при одновременном снижении энергозатрат. Криоизмельчитель позволяет перерабатывать термолабильное сырье без нежелательного эффекта налипания перерабатываемого продукта к рабочим органам диспергатора и с минимальным параметром износа оборудования.

Литература

1. Беззубцева М.М., Платашенков И.С., Волков В.С. Электромагнитный криоизмельчитель для диспергирования продуктов растительного происхождения // Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий: сб. науч. тр. СПбГАУ. -СПб, 2008. - С. 96-100.

2. Венгер К.П. Научные основы создания техники быстрого замораживания пищевых продуктов: автореф. дис. ... доктора техн. наук: 05.18.12. - М., 1992. - 45 с.

3. Веркин Б.И., Зиновьев М.В., Повстяный Л.В. Криогенное измельчение фармацевтических и пищевых продуктов // Препринт Физико-технического института низких температур. - Харьков: АН УССР, 1985. - С. 1-25.

4. Павлюк Р.Ю., Бутко А.Е., Благой Ю.П. Криогенное измельчение пряноароматического и лекарственного растительного сырья и возможности его применения в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности // Препринт Физико-технического института низких температур. - Харьков: АН УССР, 1990. - С. 1-26.

5. Беззубцева М.М. Перспективы внедрения криогенных электромагнитных механоактиваторов в аппаратурно-технологические системы предприятий АПК // Международный журнал экспериментального образования. - 2016. - №11-2. - С. 257-258.

Literatura

1. Bezzubceva M.M., Platashenkov I.S., Volkov V.S. Jelektromagnitnyj krioizmel'chitel' dlja dispergirovanija produktov rastitel'nogo proishozhdenija // Problemy jenergoobespechenija predprijatij APK i sel'skih territorij: sb. nauch. tr. SPbGAU. - SPb. 2008. - S. 96-100.

2. Venger K.P. Nauchnye osnovy sozdanija tehniki bystrogo zamorazhivanija pishhevyh produktov: avtoref. dis. ... doktora tehn. nauk: 05.18.12. - M., 1992. - 45 s.

3. Verkin B.I., Zinov'ev M.V., Povstjanyj L.V. Kriogennoe izmel'chenie farmacevticheskih i pishhevyh produktov // Preprint Fiziko-tehnicheskogo instituta nizkih temperatur. - Har'kov: AN USSR, 1985. - S. 1-25.

4. Pavljuk R.Ju., Butko A.E., Blagoj Ju.P. Kriogennoe izmel'chenie prjanoaromaticheskogo i lekarstvennogo rastitel'nogo syr'ja i vozmozhnosti ego primenenija v pishhevoj, kosmeticheskoj i farmacevticheskoj promyshlennosti // Preprint Fiziko-tehnicheskogo instituta nizkih temperatur. -Har'kov: AN USSR, 1990. - S. 1-26.

5. Bezzubceva M.M. Perspektivy vnedrenija kriogennyh jelektromagnitnyh mehanoaktivatorov v apparaturno-tehnologicheskie sistemy predprijatij APK // Mezhdunarodnyj zhurnal jeksperimental'nogo obrazovanija. - 2016. - №11-2. - S. 257-258.

УДК 621.436.2

Канд. техн. наук Р.А. ЗЕЙНЕТДИНОВ

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ С УЧЕТОМ НЕОБРАТИМОСТИ ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Один из важнейших и эффективных путей совершенствования рабочего процесса дизелей - управление процессом сгорания в цилиндре. Этот путь предполагает знание реальных связей между различными предшествующими и сопутствующими сгоранию процессами и явлениями, в первую очередь между процессами топливоподачи, смесеобразования и теплопередачи. Установление зависимости выгорания топлива от текущей его подачи при определенных термо- и газодинамических условиях в камере сгорания дизеля позволяет исследовать процесс тепловыделения. Характер его протекания во многом влияет на топливно-экономические и ресурсные показатели поршневого двигателя.

Динамика тепловыделения во многом зависит от тепловых потерь и несовершенства процесса сгорания. Однако этот вопрос в настоящее время изучен недостаточно, что можно объяснить сложностью и неравновесностью процессов, происходящих в двигателе при сгорании топлива.

Цель исследования. Выделяющаяся в процессе сгорания теплота прямо пропорциональна количеству сгоревшего топлива и зависит от многих факторов, влияющих на совершенство процессов смесеобразования и сгорания топлива. Здесь решающую роль в протекании рабочего процесса играет динамика развития и распространения топливного факела, которая отражается на эффективных показателях дизеля. Однако развитие топливных факелов, теплообмен между окружающей средой и распыленным жидким