CC BY
53
4. Hudspeth, J. Sensitivity, polarity, and conductance change in the response of vertebrate hair cells to controlled mechanical stimuli [Текст]/ J. Hudspeth, D.P. Corey. - Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 74:2407-2411.
5. Lindeman, H.M. Studies on the morphology of the sensory organs of the vestibular apparatus [Текст]/ H.M. Lindeman. - Ergebn. Anat. Entw Gesch 1969; 42:1-113.
6. Ross, M.D. The suprastracture of the saccular macula [Текст]/ M.D. Ross, T.E. Komorovski, K.M. Donovan, K.G. Pote. - Acta Ot-olaryng. (Stockh.), 103: 56-63.
7. Fernandez, C.Z. Physiology of peripheral neurons innervating otolith organs of the squirrel monkey. III. Response dynamics [Текст]/ C.Z. Fernandez, J.M. Goldberg .- Neurophysiol., 39:985-996.
8. Parker, D.E. Physiological and behavioral effects of title-induced body fluid shifts, Aviat., Space and Env [Текст]/ D.E. Parker. - Med 1983.54:402-409.
9. Benser, M.E. Hair-bundle stiffness dominates the elastic reactance to otolithic-membrane shear [Текст]/ M.E. Benser, N.P. Issa, A.J. Hudspeth. - Hearing Res.,68:243-252.
10. Vries, H.D. The mechanics of the labyrinth otoliths [Текст]/ H.D. Vries - Acta-Oto-Laryng., (Stockh.), 38:262-273.
-□ □-
У статтi приводяться схема експеримен-тального стенда з гiдроiмпульсним приводом для вiброударного зневоднення вологих дисперс-них харчових вiдходiв. Представлено графши отриманих за допомогою стенда експеримен-тальних залежностей, зггдно iз якими пропоно-ваш споыб i обладнання забезпечують нижчу у порiвняннi з видомими мехашчними способами зневоднення ктцеву волог^ть видходЯв - 20 -25%
Ключовi слова: вiброударне зневоднення, вологi дисперсш харчовi видходи, гидропмпуль-
сний привод
□-□
В статье приводятся схема экспериментального стенда с гидроимпульсным приводом для виброударного обезвоживания влажных дисперсных пищевых отходов. Представлены графики полученных с помощью стенда экспериментальных зависимостей, в соответствии с которыми предлагаемые способ и оборудование обеспечивают более низкую по сравнению с известными механическими способами обезвоживания конечную влажность отходов - 20 -25%
Ключевые слова: виброударное обезвоживание, влажные дисперсные пищевые отходы,
гидроимпульсный привод -□ □-
УДК 66.066
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВИБРОУДАРНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВЛАЖНЫХ ДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ ОТХОДОВ
И. В. Севостьянов
Кандидат технических наук Кафедра металлорежущих станков и оборудования автоматизированного производства Винницкий национальный технический университет ул. Хмельницкое шоссе, 95, г. Винница, Украина,
21021
Е-mail: [email protected]
1. Введение
Серьезной проблемой ряда отечественных предприятий пищевой промышленности является проблема утилизации их отходов, в том числе, спиртовой барды, пивной дробины, свекловичного жома, кофейного и ячменного шлама, которые относятся к влажным дисперсным материалам. В большинстве случаев данные отходы выливаются на грунт, что приводит к загрязнению окружающей среды, кроме того, часто требует затрат на их транспортировку. Более рационально
осуществлять обезвоживание отходов до влажности 20 - 25%, что позволяет использовать их твердую фазу в качестве ценной добавки к сельскохозяйственным кормам либо как топливо. Жидкая фаза отходов (вода) после достаточно качественной очистки может быть возвращена в природу без негативных последствий для нее или повторно использоваться на производстве. Таким образом, задача разработки высокоэффективных способов и оборудования для обезвоживания влажных дисперсных пищевых отходов является достаточно актуальной.
©
2. Основная часть
К известным и распространенным механическим способам обезвоживания дисперсных пищевых отходов относятся прессование на шнековых, вальцовых и ленточных прессах, а также центрифугирование на сепараторах и декантерных центрифугах [1]. Данные способы и оборудование как правило не обеспечивают конечной влажности отходов - ик ниже, чем 70 - 76% [1]. Правда в отдельных случаях при обезвоживании на шнековых прессах свекловичного жома может быть достигнута ик = 30 - 40% [2], однако при этом существенно снижается производительность рабочего процесса. Меньшее распространение получило оборудование для вибрационного обезвоживания - вибросита, виброгрохоты, виброцентрифуги, вибросеператоры [3]. Последнее обусловлено тем, что при их использовании для достижения низких ик необходимо практически беспрерывно изменять частоту и амплитуду вибраций в соответствии с изменением физико-механических характеристик обрабатываемых отходов. А это, в свою очередь, требует применения сложной аппаратуры контроля и регулировки [3]. Электролитическое обезвоживание является малопроизводительным и достаточно энергоемким способом [1]. Термические способы, осуществляемые на барабанных, распылительных, вакуумных сушилках, требуют при реализации наибольших затрат энергии и поэтому используются преимущественно для окончательного обезвоживания [4]. Так, энергоемкость обезвоживания свекловичного сока и спиртовой барды на наиболее экономичных вакуумных сушилках составляет Эо = 740 - 760 кВт-ч/т выпаренной жидкости [4]. Химические и биологические способы часто малопроизводительны (длительность фазового разделения порции рассматриваемых отходов может составлять от 10 до 40 ч), а оборудование для их осуществления является чрезвычайно громоздким и дорогим [1, 4].
В связи с вышеизложенным, нами для обезвоживания влажных пищевых отходов предлагается способ виброударной инерционной нагрузки на оборудовании с гидроимпульсным приводом (ГИП) [5]. Высокая эффективность предлагаемого способа по сравнению с известными способами (по производительности, энергоемкости, обеспечиваемой конечной влажности отходов) была доказана теоретически [1, 6] и на основании расчетов [7]. Однако для более обоснованного утверждения про их высокую эффективность необходимо создать стенд с ГИП для виброударного обезвоживания и провести на нем эксперименты по удалению жидкой фазы из основных видов пищевых отходов.
На рис. 1 представлены схема и фотография данного стенда, созданного нами на базе инерционного вибропресс-молота с ГИП модели ИВПМ-16 [5]. Стенд содержит основной гидроимпульсный и вспомогательный гидравлический приводы с насосами соответственно 21 и 26. Кроме насоса ГИП включает предохранительный клапан 28, регулятор расхода 9, гидрораспределитель 20, одноцикловый гидроаккумулятор 22 и основной элемент управления и регулирования ГИП - вибровозбудитель 23 [5]. В состав вспомогательного привода входят также гидрораспределитель 24, фильтр 25 и переливной клапан 27. Собственно вибропресс состоит из: станины 2 с колоннами
19 и на виброопорах 18; основного гидроцилиндра 14 ГИП; вспомогательного гидроцилиндра 1; вибростола 11, жестко связанного с плунжером гидроцилиндра 14 и подпружиненного относительно станины 2; подвижной траверсы 4 с инерционными пригрузами 3, приводимой с помощью гидроцилиндра 1. Технологическая оснастка для обезвоживания включает: валки 5, 8, установленные в подшипниках скольжения на траверсе 4 и вибростоле 11, поддон 6 С-образного поперечного сечения (рис. 1, разрез А-А) с большим числом сквозных мелких отверстий, закрытых сверху фильтровальной тканью; закрепленные на вибростоле кронштейны 7 для поддержки поддона; установленный вокруг вибростола желоб 10, связанный посредством эластичной трубки 12 с баком 15.
Рис. 1. Принципиальная гидрокинематическая схема экспериментального гидроимпульсного стенда для виброударного обезвоживания влажных дисперсных пищевых отходов на базе вiбропреса ИВПМ-16
В процессе экспериментов со стендом порция отходов (кофейного шлама, свекловичного жома или спиртовой барды), с начальной влажностью ин = 75% укладывалась слоем толщиной 5 мм на поверхность поддона 6. Включался насос 26 вспомогательного гидропривода; гидрораспределитель 24 переключался в нижнюю по схеме позицию. В результате поршень гидроцилиндра 1 и вместе с ним траверса 4 с пригрузами
3 и валком 5 поднимались вверх до упора. Между валками 5 и 8 на кронштейны 7 устанавливался поддон с отходами. Гидрораспределитель 24 переключался в верхнюю позицию, обеспечивая опускание траверсы
4 с валком 5 до установки последнего на порцию отходов. При необходимости, с помощью клапана 27 в гидросистеме вспомогательного привода настраивалось определенное давление рабочей жидкости (контролируемое по манометру) и соответствующее заданному усилию Рст статического прижима валка 5 к порции отходов. Запускался насос 21 ГИП, гидрораспределитель 20 переключался в верхнюю позицию. В следствии автоматического переключения вибро-
Прикладная механика
возбудителя 23 из одной рабочей позиции в другую, давление рабочей жидкости в полости гидроцилиндра 14 периодически изменялось от р2 = 2 МПа до р! = = 11 МПа (значения р1, р2 можно предварительно и точно регулировать) [6]. Таким образом, плунжер 14 и вместе с ним вибростол 11, валки 5 и 8, поддон с порцией отходов, и траверса 4 с пригрузами 3 осуществляли вертикальные возвратно-поступательные перемещения с частотой V до 40 Гц и амплитудой zIа до 4 мм. Порция отходов, зажатая между валками 5 и 8, подвергалась виброударной нагрузке снизу и инерционной нагрузке сверху, что способствовало вытеснению с отходов жидкости. Последняя стекала в желоб 10, а далее по трубке 12 - в бак 15. При равномерном вращении в противоположные стороны связанных с валками рукояток, поддон 6 перемещался в горизонтальном направлении, тем самым обеспечивалось обезвоживание всей порции отходов.
В задачи экспериментов со стендом входило:
- выбор параметров нагрузки отходов в процессе их виброударного обезвоживания на стенде, от которых в наибольшей степени зависят
параметры эффективности рабочего процесса - производительность Пж [кг/мин] по удаленной из отходов жидкости, энергоемкость Эо [кВтч/т] обезвоживания и конечная влажность отходов ик [%];
- определение конструктивных и рабочих параметров стенда, при изменении которых можно точно и в достаточно широких пределах регулировать параметры нагрузки;
- выбор аппаратуры для точного измерения и регистрации параметров нагрузки, рабочих параметров стенда и параметров эффективности процесса виброударного обезвоживания;
- определение оптимальных параметров нагрузки, обеспечивающих наивысшие параметры эффективности обезвоживания основных видов пищевых отходов;
- определение на оптимальных режимах нагрузки отходов эффективности предлагаемого способа, сравнение ее с эффективностью известных способов обезвоживания.
В результате проведенных ранее теоретических исследований процессов виброударного обезвоживания пищевых отходов [8], установлено, что основными параметрами нагрузки, определяющими их эффективность являются амплитуда zIа и частота V колебаний вибростола 11, максимальное давление рг.тах в полости гидроцилиндра 12 ГИП, а также средняя скорость vп перемещения поддона 6 с отходами.
Эффективное (простое, точное, бесступенчатое и в достаточно широких пределах) увеличение или уменьшение zIа, V и рг.тах, можно обеспечить, изменяя такие параметры стенда (вибропресса) как [5]: площадь про-
ходного сечения Sp регулятора расхода 9, рабочий объем W;> гидроаккумулятора 22, давление открытия р! виброзбудителя 23, величину предварительного сжатия zoy пружин 13, массу ти.п пригрузов 3 и усилие Рст статического прижима валка 5 к порции отходов. Скорость vп определяется частотой пв вращения валков 5, 8, и их диаметром.
Значения амплитуды z^ и частоты v колебаний вибростола 11 определялись с помощью тензометриче-ского датчика перемещений 17 (рис. 1) модели TURC Ni8-M18-Li. Давление рг.тах в полости гидроцилиндра 14 ГИП регистрировалось тензометрическим датчиком давления 16 модели ADZ-SML-10.0. Кроме этого, использовались АЦП модели Е14-140, персональный компьютер и стандартное программное обеспечение для АЦП - программный пакет LGraph2. Значения vп определялись с помощью секундомера.
На рис. 2 представлены осциллограммы изменения давления рг в гидроцилиндре ГИП и перемещения zI вибростола стенда в процессе обезвоживания на нем кофейного шлама.
Рис. 2. Осциллограммы изменения давления рг рабочей жидкости в гидроцилиндре ГИП и перемещения zl вибростола экспериментального стенда при виброударном обезвоживании порции кофейного шлама
Производительность Пж виброударного обезвоживания рассчитывалась как отношения массы жидко-
сти тж.у, удаленной из порции отходов на поддоне 6 (см. рис. 1) к продолжительности То процесса обезвоживания порции
п = тжу.
ж T
Масса m*
(1)
иж.у, в свою очередь, рассчитывалась как разность масс порции до - тп.н и после - тп.к обезвоживания (тп.н, тп.к определялись с помощью электронных весов с точностью до 1 г). Время То контролировалось по секундомеру.
Энергоемкость Эо обезвоживания может быть вычислена как отношение затрат энергии - Ео на осуществление рабочего процесса к массе тж.у. При этом
Ео определялись как произведение суммарной установленной мощности N3^ электродвигателей стенда на То
N Т
. ^эХ1 о
(2)
Конечная влажность ик порции отходов после их виброударного обезвоживания определялась с использованием формулы
и = Вжо = тп.к- тт
(3)
в которой тж.о - масса жидкости оставшейся в порции после ее обезвоживания; тт - масса твердой фазы порции после ее полного высушивания.
Эксперименты по определению параметров эффективности исследуемых процессов - Пж, Эо и ик, при поочередном изменении одного из параметров нагрузки - zIа, V, рг.тах, vп, повторялись не менее 9 раз (необходимое число экспериментальных измерений-записей на каждом режиме было рассчитано по формулам теории вероятностей [9]). После этого вычислялось среднеарифметическое значение каждого параметра, используемое при построении графиков экспериментальных зависимостей, некоторые из которых приведены на рис. 3. Максимальная результирующая среднеквадратическая погрешность измерений, вычисленная по методике [9], не превышала 5,2%.
Анализ зависимостей (рис. 3) показал, что с увеличением амплитуды zIа и частоты V колебаний вибростола, а также по мере приращения давления рг.тах в полости гидроцилиндра ГИП производительность Пж виброударного обезвоживания увеличивается, а с возрастанием скорости vп перемещения поддона - падает. При этом наращивание V обеспечивает увеличение Пж лишь до определенного предела (V = 35 Гц - при обезвоживании кофейного шлама). Однако при дальнейшем повышении данного параметра нагрузки в результате более интенсивного разрыхления нижних слоев порции отходов, а также того, что удаленная жидкость не успевает вытекать через отверстия поддона и отсасывается назад в среду порции, Пж начинает падать. Наиболее заметное увеличение Пж обеспечивается при возрастании рг.тах.
Энергоемкость Эо виброударного обезвоживания, наоборот, с увеличением zIа, V и рг.тах уменьшается, что обусловлено возрастанием тжу. С повышением vп энергоемкость Эо увеличивается, что объясняется уменьшением продолжительности процесса обезвоживания единицы массы порции отходов.
Что касается конечной влажности ик отходов, то последняя с увеличением zIа, V и рг.тах уменьшается, а с увеличением vп - возрастает.
Наивысшая производительность Пж рабочего процесса обеспечивается при обезвоживании кофейного шлама (рис. 3а), более низкая - при обезвоживании свекловичного жома и самая низкая - при обезвоживании спиртовой барды. Соответственно энергоемкость Эо будет наиболее низкой в процессе обезвоживания шлама (рис. 3б), тогда как процессы обезвоживания жома и барды являются более энергоемкими. Наиболее низкая конечная влажность ик отходов (20%) до-
стигалась при обезвоживании шлама (рис. 3в), а жом и барда обезвоживались в меньшей степени (минимальная ик соответственно 22% и 24%). Однако в целом различие в значениях параметров эффективности при реализации процессов виброударного обезвоживания основных видов влажных дисперсных отходов пищевых производств, является несущественным.
Рис. 3. Экспериментальные зависимости: а — производительности Пж виброударного обезвоживания от амплитуды zlа колебаний вибростола
при V = =30 Гц; рг.тах = 11 МПа; V,, = 300 мм/мин; б — энергоемкости Эо виброударного обезвоживания от частоты V колебаний вибростола при zlа = 1 мм; рг.тах = 11 МПа; V;! = 300 мм/мин; в — конечной влажности ик порции отходов после их обезвоживания от максимального давления рг.тах в полости гидроцилиндра ГИП при zlа = 1 мм; V = 30 Гц; vп = 300 мм/мин Основным преимуществом предлагаемого способа по сравнению с другими механическими способами обезвоживания следует считать обеспечение существенно более низкой конечной влажности отходов -20 - 24% против 30 - 76% Рассматриваемый стенд (рис. 1) уступает известному оборудованию для механического обезвоживания по производительности Пж и энергоемкости Эо (например, для шнекового пресса ВПД-7 при обезвоживании спиртовой барды Пж = 23,3 кг/мин, а Эо = 5 кВтч/т [4]). Однако это об-
т
т
ж. у
ж. у
т
т
условлено тем, что стенд является опытной машиной, созданной на базе оборудования другого назначения [6]. Кроме того, после обезвоживания отходов на шнековом прессе, они обязательно подвергаются дополнительной сушке, таким образом, общая средняя производительность процесса падает, а энергоемкость существенно возрастает [2, 4]. В работе [10] приведены перспективные схемы промышленного оборудования с ГИП для виброударного обезвоживания, которое в соответствии с нашими оценками, расчетами и экспериментами, по Пж и Эо приближается к шнековым прессам, при обеспечении существенно более низкой ик.
Таким образом, более высокую эффективность предлагаемого способа виброударного обезвоживания отходов пищевых производств на оборудовании с ГИП по сравнению с эффективностью других известных способов, можно считать экспериментально доказанной. Последнее, в свою очередь, позволяет после создания надежного и эффективного промышленного оборудования с ГИП для виброударного обезвоживания, использовать его для рационального решения актуальной проблемы утилизации влажных дисперсных отходов пищевых производств.
3. Выводы
1. В результате анализа известных способов и оборудования для обезвоживания влажных дисперсных пищевых отходов установлено, что известные механические способы не обеспечивают конечной влажности отходов ниже ик = 30 - 76%, термические и электролитические способы - слишком энергоемки (Эо = 740 -2500 кВтч/т), а химические и биологические способы
- малопроизводительны (продолжительность разделения порции отходов - 10 - 40 ч), кроме того, для осуществления последних необходимо громоздкое и дорогое оборудование.
2. В соответствии с результатами проведенных на стенде с ГИП экспериментов по виброударному обезвоживанию порций кофейного шлама, свекловичного жома и спиртовой барды установлено, что предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с другими известными механическими способами существенно меньшую конечную влажность отходов: ик = 20 - 24%.
3. Более низкая по сравнению со шнековыми прессами производительность Пж и более высокая энергоемкость Эо стенда обусловлены тем, что он является опытной машиной, созданной на базе оборудования другого назначения. Кроме того, после обезвоживания отходов на шнековых прессах, в связи с необходимостью их дополнительной сушки, общая производительность процесса будет уменьшаться, а энергоемкость -увеличиваться. Таким образом, по всем основным показателем эффективности предлагаемый способ виброударного обезвоживания имеет преимущества перед известными способами.
4. Полученные в результате экспериментов на стенде с ГИП зависимости параметров эффективности процесса виброударного обезвоживания кофейного шлама, свекловичного жома и спиртовой барды (Пж, Эо, ик) от параметров их нагрузки: амплитуды zIа и частоты V колебаний вибростола стенда, максимального давления рг.тах в полости гидроцилиндра ГИП, средней скорости vп перемещения поддона с порцией отходов - позволяют определять оптимальный режим реализации предлагаемого способа в зависимости от вида отходов и при условии обеспечения наивысшей эффективности рабочего процесса.
Литература
1. 1скович-Лотоцький, Р. Д. Анашз cnoco6iB сепарування вологих дисперсних MaTepianiB та обладнання для i'x реашзацй [Текст] / Р. Д. 1скович-Лотоцький, I. В. Севостьянов // Вюник нацюнального техшчного ушверситету Украши "Кшвський полпех-шчний шститут". Машинобудування, 2009. - Випуск №57. - С. 50 - 55. - ISSN 0201 - 744X.
2. Казаков, К. В. Разработка энергосберегающей технологии сушки свекловичного жома с исследованием параметров шнекового пресса [Текст]: дис. ... канд. техн. наук : 05.20.01 / К. В. Казаков. - Белгород, 2002. - 156 с.
3. Гончаревич, И. Ф. Вибрационная техника в пищевой промышленности [Текст]: учеб. / И. Ф. Гончаревич, И. Б. Урьев, М. А. Талейсник. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 279 с.
4. Дикис, М. Я. Технологическое оборудование консервных заводов [Текст]: учеб. / М. Я. Дикис, А. Н. Мальский. - М.: Пищевая промышленность, 1969. - 777 с.
5. 1скович-Лотоцький, Р. Д. Основи теорй розрахунку та розробка процеав i обладнання для вiброудaрного пресування [Текст]: моногрaфiя / Р. Д. 1скович-Лотоцький. - Вшниця: УН1ВЕРСУМ - Вшниця, 2006. - 338 с. - ^N 966-641-178-4.
6. 1скович-Лотоцький, Р. Д. Вiбрaцiйнi та вiброудaрнi технологи в процесах сепарування вологих дисперсних мaтeрiaлiв [Текст] / Р. Д. 1скович-Лотоцький, I. В. Севостьянов // Вiбрaцii' в техшщ та технолопях, 2007. - №4. - С. 18 - 21. - ISВN 5-7763-9123.
7. 1скович-Лотоцький, Р. Д. Розрахунок пaрaмeтрiв вiбропрeсового обладнання з гiдроiмпульсним приводом для зневоднення вторинних продукйв переробних та харчових виробництв [Текст] / Р. Д. 1скович-Лотоцький, I. В. Севостьянов // Вюник Схщноукра'шського нацюнального ушверситету iмeнi Володимира Даля, 2007. - №3. - Ч. 1. - С. 105 - 108.
8. Севостьянов, I. В. Математичне моделювання процеав вiброудaрного сепарування вологих дисперсних матер1ашв [Текст] / I. В. Севостьянов, Р. Д. ккович-Лотоцький // Вiбрaцii' в техшщ та технолопях, 2008. - №2. - С. 39 - 45. - ISВN 5-7763-9123.
9. Грачев, Ю. П. Математические методы планирования экспериментов [Текст]: учеб. / Ю. П. Грачев. - М. : Пищевая промышленность, 1979. - 199 с.
10. Севостьянов, I. В. Перспективш схеми гiдроiмпульсних машин для потокового вiброудaрного фазового роздшення вологих дисперсних мaтeрiaлiв [Текст] / I. В. Севостьянов // Промислова гщравлша i пневматика, 2012. - №3 (37). - С. 7 - 11. - ISSN 1994 - 4691.
.................................................................................................................................................................................................................................уз
