CC BY
13
УДК 664.6.002
АЛГОРИТМ СОГЛАСОВАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАКАРОННОГО ПРЕССА С СВЧ-ГЕНЕРАТОРОМ
ALGORITHM OF COORDINATION OF CONSTRUCTION AND REGIME PARAMETERS OF PASTA EXTRUDER WITH MICROWAVE GENERATOR
В. С. Иванов, М. В. Белова V. S. Ivanov, M. V. Belova
ФГБОУВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»,
г. Чебоксары
Аннотация. Приведен алгоритм согласования конструкционных и режимных параметров пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ), разработанный на основе известных формул с учетом сложного профиля поперечности резонаторной камеры и изменений вязкости теста в зависимости от температуры эндогенного нагрева.
Abstract. The article provides the algorithm of coordination of construction and regime parameters of pasta extruder for high-temperature formation of macaroni foods under the influence of super high frequency electromagnetic field (SHF EMF). The algorithm was developed on the basis of well-known formulas taking into account the complicated profile of transversality of resonator chamber and changes of dough viscosity depending on the temperature of endogenous heat.
Ключевые слова: макаронный пресс, электромагнитное поле сверхвысокой частоты, эндогенный нагрев, высокотемпературное формование макаронных изделий.
Keywords: pasta extruder, super high frequency electromagnetic field, endogenous heat, high-temperature formation of macaroni foods.
Актуальность исследуемой проблемы. Анализ ресурсов и объемов производства макаронных изделий показал, что годовой объем их производства в 2011 г. в России достиг 1 млн тонн, в Чувашской Республике - до 15 тыс. тонн. Объем потребительского рынка макаронных изделий составляет 50 млрд руб. в год. Для повышения производительности макаронного пресса осуществляют термообработку теста путем нагрева матрицы до 75...85 оС, направленную на увеличение вязкости и клейстеризацию крахмала, но при этом энергетические затраты достаточно высокие. Поэтому использование СВЧ-энергии для увеличения скорости нагрева теста, позволяющей снизить энергетические затраты на формование макаронных изделий высокого качества, актуально.
Материал и методика исследований. Источниками СВЧ-энергии служили генераторы MW71ER, DL-63L 20S потребляемой мощностью 1,2 кВт, работающие на частоте 2450 МГц. Контроль мощности привода нагнетательного шнека осуществляли с помощью цифрового измерителя мощности D2436АВ. Измерение массы теста в процессе
исследований проводили с помощью электронных весов Е^405, а температуры в тесте и изделии - с помощью цифрового контролера Е5С^ где для фиксации значения температуры использовали термопару за пределами СВЧ-генератора. Максимальную нагрузку, выдерживаемую макаронным тестом и изделием, определяли с помощью лабораторного тензометра. Скорость вращения нагнетательного шнека и измельчающего механизма контролировали с помощью фототахометра ДТ-2234А.
Результаты исследований и их обсуждение. Техническая новизна конструктивного исполнения пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ состоит в том, что он содержит резонаторную камеру с поперечным сечением в виде параболического сегмента, причем ее нижним основанием служит камера со шнеком-нагнетателем, а верхним - генераторный блок с излучателем, направленным во внутрь резонаторной камеры. На боковой стороне резонаторной камеры вырезано отверстие и установлена решетка измельчающего механизма, связанного с подающим шнеком, над которым установлена приемная емкость.
I. Методика обоснования параметров резонаторной камеры СВЧ-генератора
1. Вводим исходные данные: необходимая производительность макаронного пресса с СВЧ-генератором Qпреcc = 7...10 кг/ч; превышение температуры макаронного теста
АТ = 55.65 оС, плотность теста - 1,2__1,4 г/см3, влажность теста - 28.30 %, мощность
источника СВЧ-энергии Р = 800 Вт, частота электромагнитного поля / = 2450 МГц.
2. Добротность резонаторной камеры, представленной Г. И. Атабековым, с учетом поперечного сечения резонаторной камеры, представленной в виде параболического сегмента (площадь параболического сегмента составляет 2/3 площади прямоугольника), объема камеры, выбранного как V = А3, составляет
.2 „3 » 2
■ -а -А— а-Ь-с-у
Q =...... "
р „ 2 ,а-с Ь -с а Ьч
4-ж •(-— + —- + — + —) (1)
Ь2 а2 2Ь 2а (1)
2
£о-А2а-а3 А --Л3-у 4 3
= --------4 2 33------- = 3 П-80 -ІЇа -А-(/-А) -у,
4 - ж - 3 3
где: Ж0 - энергия электромагнитного поля, запасенная в резонаторе, Вт-с; Р - активная
мощность, затрачиваемая на потери от вихревых токов в стенках резонатора, на потери
через щель в виде излучения, на потери в макаронном тесте, находящемся в резонаторной
камере, Вт; ю =2п/ - частота электромагнитного поля, с-1; ео - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м (8,85-10-12 Ф/м); р1а - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м (4л-10-7 Гн/м); а, в, с - размеры прямоугольной резонаторной камеры, стороны которой приняты равными длине волны, м; у - удельная проводимость алюминия, из которого изготовлена резонаторная камера, См/м (3,45-107 См/м); X - длина волны, м (12,24 см); А -толщина поверхностного слоя резонатора, где вихревые токи равномерно распределены (1,73 мкм), определяется по формуле
А= --------2----- , м. (2)
\2ж/-Иіа у
3. Добротность резонаторной камеры с учетом ее объема (Ю. Н. Пчельников)
Q = 2У / (А-5), (3)
где: V - объем резонаторной камеры, м3 (1800 см3);
л и 2
Ь - площадь внутренней поверхности стенок резонатора, м .
4. Добротность резонаторной камеры с учетом электрических параметров макаронного теста и мощности источника излучения
_ 0,277-106 -Е -го -г ■tg8 -К-ю А- 5
О = ~---------------------------!--------, (4)
где: Е - напряженность электрического поля, В/м; е, tg3 - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь теста при влажности 29_30 % и температуре 20 °С (18,4 и 0,13); V1 - объем теста в резонаторной камере, м3 (300_500 см3).
Отсутствие потерь на излучение, малая величина потерь в стенках камеры приводят к тому, что резонатор имеет высокую собственную добротность, достигающую 10000 и более.
Приравнивая значения добротностей из формул (3) и (4), определяем удельную мощность:
р / у =р = 0,555 - л-10 -Е-го ■г ■tgS-Ух-/-А-5
■1- ^ уд. - 2у ,Вт / м. (5)
5. Продолжительность воздействия ЭМП СВЧ на тесто с учетом формулы (5)
. АТ -р-с 2У- АТ -р-с
Ат =-----------=--------------6---------------------------, с , (6)
Руд-ц 0,555-л-106-Е-г0-г-1^8-Уг /-А-5-ц
где: р - плотность теста при влажности 29_30 %, кг/м3 (1300_1400 кг/м3); с - удельная теплоемкость макаронного теста, кДж/кг-0С (2,4 кДж/кг-0С); АТ - приращение температуры материала за промежуток времени Ат , °С/с; Ц - термический КПД (0,67).
Принимая приращение температуры теста, равное 55_65 оС, определяем продолжительность воздействия ЭМП СВЧ, т. е. Ат по формуле (6). С другой стороны, продолжительность воздействия можно представить в виде
Ат3
Ат = Ат1 + Ат2 +—^, с, (7)
где: Ат1 - продолжительность воздействия на тестовые пряди после измельчителя, с; Ат2 -продолжительность воздействия на тестовые пряди, находящиеся над нагнетательным шнеком, с; Ат3 - продолжительность нагнетания теста шнеком, с.
6. Производительность СВЧ-генератора с учетом формулы (6)
И-3600-р , .
О = -^----—,кг/ч. (8)
Ат
II. Методика согласования параметров нагнетательного шнека и формующего механизма (Г. И. Старшов, Ф. Г. Зуев)
7. Производительность нагнетательного шнека
Ош = 0,127(В - d)•(H- 3)(1- Ю • р Г«ш-3600, кг/ч, (9)
где: В и d - диаметры витка и вала шнека, м (31 и 12 мм соответственно); Н- шаг витков шнека, м (15 мм); 3 - толщина витка шнека в осевом направлении по наружному диамет-
ру, м (1 мм); ко - коэффициент отставания; р - плотность материала, кг/м3; у - коэффициент заполнения межвиткового пространства (0,9); шш - угловая скорость вращения шнека, с-1 (5,23 с-1).
8. Коэффициент отставания зависит от температуры нагрева Т теста, влияющей на его вязкость ц и текучесть, коэффициент треният
ка = ф [ fтр., И , Т ] . (10)
Динамическая вязкость теста влажностью 29.30 %
И = 1 006,5 • е -02 6 22 т , Па- с, (11)
где Т - температура теста, оС.
9. Производительность формующего органа
к
Qм = (—М~) • Ар • р • 3600 , кг/ч , (12)
И
где: кМ - величина, учитывающая геометрические параметры матрицы, м3; л - коэффициент, определяющий физические свойства уплотненного макаронного теста (вязкость 400.580 Па-с при влажности 20.30 %); Ар - перепад давления в прессовой головке (20.80 кПа).
10. Противоток макаронного теста, уменьшающий подачу теста
Qн = (Кн -®ш - — ■ АрИ°~2 -360°- P,кг / ч , (13)
И ’ где: Кн - величина, учитывающая геометрию нагнетающего органа, м3; К2 - величина, учитывающая объем нагнетания, м3.
11. Рабочее давление при равенстве производительности формующего органа и противотока теста
Кн -а • ¡и • 102 ^
Ар = —-----^^ ,Па. (14)
К + К 40 (14)
М 1 2
12. Сравниваем значения производительности СВЧ-генератора с производительностью шнека (11) и матрицы (14).
Резюме. Варьируя удельной мощностью СВЧ-генератора, величиной давления прессования и угловой скоростью вращения шнека, достигаем равенства производительности всех рабочих органов (СВЧ-генератора, нагнетательного шнека и матрицы пресса). Теоретические исследования показывают, что при удельной мощности СВЧ-генератора 1,6__2,5 Вт/г тестовые пряди массой 500 г, находящиеся в резонаторной камере, эндоген-
но нагреваются до 75.85 оС за 160.180 с. Производительность СВЧ-генератора составляет 7.8 кг/ч. Удельные энергетические затраты на высокотемпературное формование макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ составляют 0,186.0,22 кВт-ч/кг.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов, В. С. Пресс для макаронных изделий / В. С. Иванов, Г. В. Новикова // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - № 12. - С. 26-27.
