Розробка та дослідження обладнання для водорізання харчових продуктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ ІМЕНІ МИХАЙЛА ТУГАН - БАРАНОВСЬКОГО

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ВОДОРІЗАННЯ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

Спеціальність 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

ГОРДІЄНКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ

ДОНЕЦЬК - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному університеті економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Погребняк Володимир Григорович, Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановского, завідувач кафедри екології та фізики, проректор з науково-педагогічної роботи і міжнародних зв'язків.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бабенко Віктор Віталійович, Інститут гідромеханіки національної академії наук України, м. Київ, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, доцент Дуб Володимир Васильович, Харківський державний університет харчування та торгівлі, доцент кафедри устаткування підприємств харчування.

Захист дисертації відбудеться "12" березня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.055.02 Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського за адресою: пр. Театральний, 28, м. Донецьк, 83055, аудиторія 3231.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донецького національного університета економіки і торгівлі імені Михайла Туган- Барановського за адресою: бул. Шевченко, 30, м. Донецьк, 83017.

Автореферат розісланий "10" лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 11.055.02, к. т. н., доцент Л.М. Антропова

АНОТАЦІЯ

Гордієнко О.В. Розробка та дослідження обладнання для водорізання харчових продуктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. - Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, Донецьк, 2010.

Запропоновано спосіб водорізання для різання твердих харчових продуктів, що дозволить значно вдосконалити процес, раціональність якого підтверджена дослідженнями. Встановлено основні фактори, що визначають процес різання твердих харчових продуктів за допомогою високошвидкісного струменя води. Запропоновано використовувати граничну напругу зрушення в якості показника оцінки опору твердих харчових продуктів при різанні їх високошвидкісним струменем води. Отримане рівняння для визначення раціональної швидкості переміщення високошвидкісного струменя води над поверхнею твердого харчового продукту, залежно від його фізико-механічних характеристик та величини робочого тиску. Знайдено залежність, що дозволяє визначати глибину різа твердого харчового продукту з обліком основних визначальних факторів, рішення якої сприяло визначенню раціональних параметрів різання, водорізного обладнання й більш детальному вивченню процесу водорізання. Розроблені та експериментально досліджені нові конструкції ущільнень плунжера гідромультиплікатора двосторонньої дії установки водорізання харчових продуктів, що мають високий ресурс роботи (приблизно 800 год). Розроблена методика розрахунку параметрів установки водорізання харчових продуктів, а проведені виробничі випробування в промислових умовах дозволяють рекомендувати її для впровадження у виробництво.

Ключові слова. Тверді харчові продукти, водорізання, гранична напруга зрушення, ущільнення плунжера, установка водорізання харчових продуктів.

АННОТАЦИЯ

Гордиенко А. В. Разработка и исследование оборудования для водорезания пищевых продуктов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств - Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского, Донецк, 2010.

Диссертация содержит результаты экспериментальных исследований, направленных на усовершенствование процесса резания твердых пищевых продуктов.

Предложено использовать способ водорезания для резания твердых пищевых продуктов, что позволит существенно усовершенствовать процесс резания твердых пищевых продуктов на предприятиях пищевых производств. Новизна подтверждена патентами Украины.

Экспериментальным путём на специальном стенде установлены основные факторы, определяющие процесс резания твердых пищевых продуктов при помощи высокоскоростной струи воды.

На специальном оборудовании экспериментальным путём изучены и определены физико-механические свойства твердых пищевых продуктов, что позволило получить зависимость для нахождения глубины их реза. Предложено использовать в качестве показателя оценки сопротивляемости твердых пищевых продуктов при резании их высокоскоростной струей воды предельное напряжение сдвига. Установлено, что с увеличением значения предельного напряжения сдвига глубина реза продукта уменьшается по линейной зависимости.

Проведенные экспериментальные исследования на спроектированном и изготовленном экспериментальном стенде позволили изучить процесс резания твердых пищевых продуктов высокоскоростной струей воды. Найдено рациональное расстояние между срезом струеформирующей насадки и поверхностью твердого пищевого продукта. Выявлено, что увеличение числа проходов высокоскоростной струи воды по резу продукта до 7-10 раз позволит получить такую же глубину реза как и за один проход, но при повышенных значениях скорости перемещения высокоскоростной струи воды относительно твердого пищевого продукта. Установлено, что глубина реза продукта увеличивается с возрастанием давления воды во всем интервале его значений, а с увеличением скорости перемещения высокоскоростной струи воды относительно твердого пищевого продукта глубина реза продукта интенсивно уменьшается. Получена функциональная зависимость, которая описана полиномом второй степени, позволяющая определить значение рациональной скорости перемещения высокоскоростной струи воды относительно твердого пищевого продукта, в зависимости от значений его предельного напряжения сдвига и давления воды. Предложена обобщённая формула для расчёта глубины реза твердого пищевого продукта, прорезаемого высокоскоростной струёй воды, в зависимости от основных факторов, определяющих процесс резания твердых пищевых продуктов при помощи высокоскоростной струи воды.

Разработаны и изготовлены, а также исследованы две новые конструкции уплотнений плунжера гидромультипликатора двухстороннего действия установки водорезания пищевых продуктов. Экспериментально подтверждена эффективность их работы и целесообразность использования: ресурс работы новых конструкций уплотнений составляет около 800 ч, что в 1,5 раза больше, чем у стандартного уплотнения, а величина объема утечек воды у одного на 29 %, у другого на 40% ниже, чем со стандартным уплотнением.

Разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета основных параметров и показателей работы установки водорезания пищевых продуктов, которая сводится к расчету параметров гидромультипликатора двухстороннего действия.

На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований разработано техническое задание на установку водорезания пищевых продуктов. Новизна конструкции подтверждена четырьмя патентами Украины. Проведенные испытания в производственных условиях позволяют рекомендовать ее к внедрению на предприятиях отрасли.

Ключевые слова. Твердые пищевые продукты, водорезание, предельное напряжение сдвига, уплотнение плунжера, установка водорезания пищевых продуктов.

ANNOTATION

Gordienko О.V. Working out and research of the equipment for water cutting of foodstuffs. - the Manuscript.

Dissertation for the obtaining of candidate of technical sciences degree in speciality 05.18.12. - processes and equipment of foodstuffs, microbiological and pharmaceutical production - Donetsk national university of economics and trade named after Tugan-Baranovsky, Donetsk, 2010.

The way of water cutting for cutting of firm foodstuffs which allow to considerably improve the process, the rationality of which is confirmed by researches, is offered. The major factors which define the process of foodstuffs cutting by the means of high-speed stream of water are defined. The use of limiting pressure of the shift as an indicator of foodstuffs resistibility estimation during their cutting by high-speed stream of water is offered. The equation for definition of rational speed of moving of water high-speed stream over foodstuffs, surface, depending on its physicomechanical characteristics and the size of working pressure is received. The dependence which allows to define the depth of foodstuffs cutting taking into account the basic defining factors is found. This dependence promoted the definition of rational parametres of cutting, the water carved equipment and more detailed water cutting process studying. New designs of consolidations of hydroanimator of bilateral action of foodstuffs water cutting equipment, having high working resource (approximately 800 h) are developed and experimentally investigated. The methods of foodstuffs water cutting parametres calculation are developed, and the conducted industrial tests in production conditions allow to recommend them for installation into manufacture.

Keywords. The нard foodstuffs, water cutting, the limiting pressure of shift, the consolidations of hydroanimator, the foodstuffs water cutting equipment.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Різання, як один з технологічних процесів обробки харчових продуктів, широко застосовується в різних галузях промисловості: харчовій, рибній, м'ясній, комбікормовій та ін.

Для різання харчових продуктів використовують різноманітні засоби та обладнання. Однак при використанні цих засобів та обладнання виникають значні труднощі при різанні твердих (заморожених) харчових продуктів.

Альтернативним способом обробки є процес водорізання, що виключає існуючі недоліки.

Водорізання використовується в різних галузях промисловості, окрім харчової. З використанням методу водорізання в харчовій промисловості можливо буде досягнути значних переваг перед вже існуючими засобами для різання твердих харчових продуктів: знизити втрати продукту через малу ширину різа (до м); підвищити ступінь санітарної безпеки та якість поверхні розділення; різати в будь-яких напрямках; знизити час простою на технічне обслуговування; різати тверді харчові продукти при всіх практично важливих температурах, навіть до температури рідкого азоту.

Питання різання були предметом дослідження вчених О. І. Пєлєєва, М. Н. Кліменко, О. Н. Позднишева, О. Н. Даурського, Ю. А. Мачихіна, В. О. Захарова, В. Г. Проселкова, С. Г. Гуревича, Н. І. Жиліна, В. М. Воркунова, П. С. Сичевої, В. Н. Щогольова, Є. В. Островського, Н. О. Предтеченського, І. М. Лебедєва та ін. Однак аналіз літератури з теорії та практики різання харчових продуктів показав, що дані, які б пояснювали якісні й кількісні закономірності процесу водорізання твердих харчових продуктів відсутні. Було з'ясовано, що на підприємствах харчових виробництв метод водорізання не використовується для різання твердих харчових продуктів. Тому з погляду наукової новизни, цей метод викликає великий інтерес. Огляд літературних джерел також показав, що на загальну працездатність водорізного обладнання впливає працездатність його ущільнень. Однак ущільнення, що існують, мають низький термін служби та ресурс роботи. Внаслідок цього з'являється необхідність створення конструкції ущільнення з високими техніко-економічними показниками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського: держбюджетні теми Д-2006-3 «Поліпшення характеристик технологічного обладнання харчових виробництв» № держреєстрації 0105U007784 (у рамках якої особисто автором розроблено науково-методичні рекомендації щодо процесу водорізання твердих харчових продуктів) та Д-2009-3 «Науково-технічні засоби удосконалення конструкції обладнання харчових виробництв з метою поліпшення їх експлуатаційних характеристик» № держреєстрації 0108U011130 (в якій особисто автором розроблена програма і методика проведення експериментальних досліджень).

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є встановлення закономірностей процесу різання твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води, необхідних для обґрунтування параметрів обладнання для водорізання харчових продуктів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені такі завдання:

встановити основні закономірності та технологічні параметри процесу водорізання твердих харчових продуктів;

визначити фізико-механічні властивості твердих харчових продуктів;

дослідити вплив геометричних, гідравлічних і режимних параметрів струменеформуючої насадки, а також фізико-механічних властивостей твердих харчових продуктів на показники процесу водорізання;

розробити метод розрахунку глибини різа твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води;

створити нові конструкції ущільнень з високими техніко-економічними показниками та ресурсом роботи для обладнання водорізання твердих харчових продуктів, а також проведення їх експериментальних випробувань;

розробити методику розрахунку основних параметрів і показників роботи установки водорізання твердих харчових продуктів, яка оснащена новим ущільненням.

Об'єкт дослідження - процес різання твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води.

Предмет дослідження - обладнання для водорізання харчових продуктів.

Метод дослідження. Поставлені задачі вирішувались з використанням експериментально-статистичного методу дослідження процесу водорізання твердих харчових продуктів із застосуванням сучасних вимірювальних приладів та обладнання. Експериментальні дані оброблялися методами математичної статистики. Обробка даних здійснювалася з використанням новітніх комп'ютерних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів.

У дисертаційній роботі запропоновано використання високошвидкісного струменя води щодо вдосконалення процесу різання твердих харчових продуктів, а саме:

Вперше:

запропоновано спосіб різання твердих харчових продуктів, в основу якого покладений спосіб різання високошвидкісним струменем води;

вивчено процес водорізання твердих харчових продуктів з різними фізико-механічними властивостями, з обліком геометричних, гідравлічних і режимних параметрів струменеформуючої насадки, що дозволило обґрунтовано визначати глибину різа;

розроблено метод розрахунку глибини різа твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води, що забезпечує можливість вибору гідравлічних параметрів установки водорізання харчових продуктів;

розроблено методику розрахунку основних параметрів і показників роботи установки водорізання харчових продуктів, що дозволяє робити обґрунтований вибір її параметрів.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що

запропонована конструкція стендової установки, що забезпечує дослідження процесу різання твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води в широкому діапазоні зміни режимних і гідравлічних параметрів, а також реєстрацію показників процесу роботи нових ущільнень;

розроблені та випробувані дві нові конструції ущільнень плунжера гідромультиплікатора двостороньої дії установки водорізання харчових продуктів;

визначено діапазон важливих раціональних значень відстані між зрізом струменеформуючої насадки та поверхнею твердого харчового продукту, при яких досягається максимальна глибина різа;

отримані розрахункові залежності для визначення раціональної швидкості переміщення високошвидкісного струменя води над поверхнею твердого харчового продукту, що забезпечує максимальну швидкість збільшення бічної поверхні різа, і глибини різа, прорізуваного високошвидкісним струменем води в твердому харчовому продукті;

розроблена та реалізована на персональному комп'ютері методика розрахунку основних параметрів установки водорізання харчових продуктів;

результати наукових досліджень захищені деклараційними патентами України № 30071, № 40388, № 40440 та № 41394.

патенти № 30071, № 40388 та № 40440 придбані харчовим підприємством ТОВ ДКЗП «Донецький комбінат заморожених продуктів»;

розроблено та затверджено технічне завдання «Установка водорізання харчових продуктів» і відповідні технічні інструкції;

результати наукових розробок впроваджено на 6 підприємствах: (ТОВ ДКЗП «Донецький комбінат заморожених продуктів», ТОВ «Фірма «ВІ-ВА ЛТД», ТОВ «Донміськзбут», ТОВ «Армукргруп», ТОВ «КІЗ» і ТОВ «Політранс-Плюс»).

Особистий внесок здобувача. Автор розробив методику проведення наукових досліджень; виконав аналіз отриманих результатів і сформулював загальні висновки; брав безпосередню участь у підготовці експериментального стенду; розробив методику та провів дослідження з вивчення закономірностей процессу водорізання твердих харчових продуктів, а також роботи нових конструкцій ущільнень плунжера; виконав обробку і аналіз отриманих результатів; брав особисту участь у розробці комп'ютерної програми та її реалізації на ПК.

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи й результати досліджень доповідалися, обговорювалися та були схвалені на щорічних наукових конференціях за підсумками науково-дослідної роботи професорсько-викладацького складу ДонНУЕТ імені Михайла Туган-Барановського в 2007-2009 рр.; 7 Міжнародних науково-практичних конференціях: «Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація й економіка», м. Святогірськ, 2007, 2009 р.; «Розвиток наукових досліджень 2006», м. Полтава, 2006 р.; «Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв, ресторанного господарства й торгівлі», м. Харків, 2008 р.; «Інноваційні енерго- та ресурсозберігаючі технології і обладнання в хлібопекарській, макаронній, харчоконцентратній і зернопереробній областях харчової промисловості», м. Київ, 2008 р.; «Проблеми енергетичної ефективності харчових і хімічних виробництв», м. Одеса, 2009 р.; «Молоді вчені в рішенні проблем аграрної науки та практики», м. Львів, 2009 р.; 3 Всеукраїнських науково-практичних конференціях: «Нові ресурсо- та енергозберігаючі технології харчових виробництв», м. Полтава, 2007 р.; «Наукові досягнення молоді - рішенню проблем харчування людства в XXI столітті», м. Київ, 2007 р.; «Сучасні технології хімічних і харчових виробництв», м. Дніпропетровськ, 2008 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Техника и технология пищевых производств», м. Могильов, Республіка Білорусь, 2007 р.; Міжнародній конференції студентів і аспірантів «Сучасні технології харчових виробництв», м. Дніпропетровськ, 2009 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи в збірниках наукових праць, затверджених ВАК України опубліковано 7 статей і 9 тез доповідей. Отримано 4 деклараційні патенти України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновку, 4 додатків (обсягом 55 сторінок) і списку використаних джерел з 150 найменувань. Текстова частина займає 143 сторінки машинописного тексту, містить 16 таблиць (на 15 сторінках) і 89 рисунків (на 59 сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, наданий опис предмету й об'єкту досліджень. Поставлена мета досліджень і наведені завдання, вирішення яких сприяє створенню раціональної конструкції обладнання для водорізання харчових продуктів. Внесені пропозиції, що дозволяють оцінити наукову та практичну значимість роботи, вірогідність отриманих результатів. Перелічені заходи щодо апробації результатів роботи.

У першому розділі «Різання харчових продуктів» наведений аналіз існуючих літературних джерел. Встановлено, що існуюче обладнання для різання харчових продуктів металоємне, дороге, не надійне в роботі, або має значні труднощі при різанні твердих харчових продуктів.

Запропоновано використовувати метод водорізання для різання твердих харчових продуктів. Аналіз літературних джерел показав, що на сьогоднішній день є велике різноманіття обладнання для водорізання. Однак, це обладнання не може бути використане і не передбачене для різання харчових продуктів, внаслідок своїх конструктивних особливостей і наявних недоліків. Тому необхідна розробка нової конструкції обладнання для водорізання твердих харчових продуктів.

Аналіз технічних рішень в області розробки ущільнень плунжера гідромультиплікатора водорізного обладнання показав, що існуючі типи ущільнень не відповідають вимогам, які висуваються до обладнання для водорізання харчових продуктів. У зв'язку з цим з'являється необхідність розробки нових конструкцій ущільнень плунжера.

У розділі сформульовано основні підсумки аналізу літератури й завдання досліджень.

У другому розділі «Методика та техніка експериментальних досліджень» розроблено програму експериментальних досліджень закономірностей процесу різання твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води.

Для виконання експериментальних досліджень використовувалась експериментальна стендова установка для водорізання, що забезпечує тиск води до 500 МПа і її витрату до 1 л/хв.

Працює експериментальна стендова установка для водорізання наступним чином: масло від гідравлічного насосу 2, який працює від електродвигуна 1 поступає через розподільник масла 3 у циліндр низького тиску 7 гідромультиплікатора двохсторонньої дії 4 та викликає зворотньо-поступальний рух плунжерів 5 та поршня 6. В результаті цього робоча рідина, яка знаходиться в одному з циліндрів високого тиску 8, надходить по трубопроводу високого тиску 9 через ресивер 10 в соплову голівку 11. В цей час в іншому циліндрі високого тиску 8 від насосної установки 12 по трубопроводу низького тиску 13 через фільтр очищення води 14 надходить робоча рідина на заповнення порожнечі гідромультиплікатора 4. Для забезпечення тривалого витікання безперервного струменя води постійного тиску в експериментальну стендову установку для водорізання вбудований ресивер 10. Управління експериментальною стендовою установкою для водорізання здійснюється з пульта електронного керування 15. Реєстрація робочого тиску в трубопроводах низького та високого тисків здійснюється манометрами 16, 17, 18. Для поділу циліндрів низького та високого тисків експериментальна стендова установка для водорізання обладнана ущільненням плунжера 15.

Встановлено, що процес різання твердих харчових продуктів за допомогою високошвидкісного струменя води з обліком властивих йому особливостей визначається наступними основними факторами: тиском води перед струменеформуючою насадкою Р₀, швидкістю витікання високошвидкісного струменя води зі струменеформуючої насадки , діаметром отвору струменеформуючої насадки d₀, довжиною циліндричної ділянки l_ц проточної частини струменеформуючої насадки, швидкістю переміщення високошвидкісного струменя води , відстанню між зрізом струменеформуючої насадки та поверхнею харчового продукту l₀, кількістю проходів високошвидкісного струменя води по харчовому продукту n, а також фізико-механічними властивостями харчового продукту.

Як основні показники оцінки ефективності процесу різання твердих харчових продуктів за допомогою високошвидкісного струменя води були прийняті глибина різа h і швидкість збільшення бічної поверхні різа .

Визначено й описано методи експериментальних досліджень процесу водорізання твердих харчових продуктів, їх фізико-механічних властивостей та математичної обробки експериментальних даних з використанням обчислювальної техніки.

Із дослідних тіл використовувались: філе хека, фарш з хека та яловичі гомілкові кістки. Зразки філе хека та фаршу з хека формувалися в бруски розміром м, які були досліджені в температурному інтервалі від 0 ⁰С до мінус 21 ⁰С. Для створення та підтримки температури використовували широкотемпературний термостат, що дозволяє створювати й зберігати температуру в інтервалі від мінус 25 ⁰С до плюс 20 ⁰С. Зразки твердих харчових продуктів з різними фізико-механічними властивостями укладалися на пересувний робочий стіл стенда. Для вибору найбільш відповідального показника фізико-механічних властивостей твердих харчових продуктів за процес їх водорізання, що може бути прийнятий як показник оцінки опірності твердих харчових продуктів при різанні їх високошвидкісним струменем води, що забезпечує не тільки найбільшу тісноту зв'язку із глибиною різа, але й найбільшу надійність кореляційної залежності були проведені експериментальні дослідження з визначення твердості HB, граничної напруги зрізу й граничної напруги зрушення твердих харчових продуктів. Вимір твердості HB робили по методу Брінеля (вдавлення сталевої кульки) відповідно до вимог, викладеними в ГОСТ 9012-59. На конічному пластомірі КП-3 системи Воларовича за допомогою конуса, з кутом при вершині 45⁰ визначали граничну напругу зрушення , а за допомогою циліндра із внутрішнім діаметром м і товщиною стінки м - граничну напругу зрізу . Вимір фізико-механічних властивостей м'язової тканини хека робили поперек волокон, тому що показаннями уздовж волокон можна зневажити.

У третьому розділі «Метод розрахунку глибини різа харчових продуктів високошвидкісним струменем води» визначений найбільш відповідальний показник фізико-механічних властивостей твердих харчових продуктів за процес їх водорізання, визначено вплив граничної напруги зрушення твердих харчових продуктів, відстані від зрізу струменеформуючої насадки до поверхні харчового продукту, який ріжеться, кількості проходів високошвидкісного струменя води, тиску води й діаметру отвору струменеформуючої насадки, швидкості переміщення високошвидкісного струменя щодо харчового продукту на глибину його різа. Отримана розрахункова формула для визначення раціональної швидкості переміщення високошвидкісного струменя води над поверхнею твердого харчового продукту та залежність, що дозволяє визначати глибину різа твердого харчового продукту.

Для встановлення найбільш значимого показника оцінки опірності твердих харчових продуктів при їх водорізанні та для розробки метода розрахунку глибини різа твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води була проведена серія експериментальних досліджень по водорізанню твердих харчових продуктів.

В результаті обробки експериментальних досліджень впливу фізико-механічних властивостей твердих харчових продуктів на глибину їх різа високошвидкісним струменем води встановлено, що гранична напруга зрушення забезпечує не тільки найбільшу тісноту зв'язку із глибиною різа, але й найбільшу надійність кореляційної залежності (коефіцієнт кореляції R² перебуває в межах 0,98-0,99). У зв'язку із цим в якості показника оцінки опірності твердих харчових продуктів при різанні їх високошвидкісним струменем води може бути прийняте значення їхньої граничної напруги зрушення . Тому надалі використовувався саме цей показник фізико-механічних властивостей твердих харчових продуктів.

Аналіз результатів проведених експериментів, показує, що між глибиною різа h і граничною напругою зрушення твердого харчового продукту існує прямолінійна залежність, що характеризує зниження глибини різа h при збільшенні граничної напруги зрушення . Так, для філе хека, зі зростанням від 1,12 до 4,0 глибина різа h знижується приблизно в 3 рази. Для фаршу з хека зі зростанням граничної напруги зрушення від 1,24 до 3,98 кПа h приблизно знижується в 3,4 рази.

Аналіз експериментальних даних дає можливість виділити три основних області значень граничної напруги зрушення твердих харчових продуктів в залежності від температури:

I: область температур «а» - низька гранична напруга зрушення (до 2,2 кПа), що відповідає температурі від 0 до мінус 7 ⁰С;

II: область температур «в» - середня гранична напруга зрушення (від 2,2 до 3,8 кПа), що відповідає температурі від мінус 7 до мінус 17 ⁰С;

III: область температур «с» - висока гранична напруга зрушення (більше 3,8 кПа), що відповідає температурі нижче мінус 17 ⁰С.

Слід зазначити, що починаючи з температури мінус 20 ⁰С і нижче темпи збільшення граничної напруги зрушення твердих харчових продуктів є несуттєвими.

Обробка експериментальних дос- ліджень впливу відстані від зрізу струменеформуючої насадки до поверхні твердого харчового продукту, який ріжеться l₀ на глибину його різа h (Рис. 3) показує, що зі збільшенням відстані l₀ спочатку відбувається зростання глибини різа h, а потім зменшення її у всьому діапазоні значень l₀ незалежно від тиску води, діаметру отвору струменеформуючої насадки й граничної напруги зрушення твердих харчових продуктів. Встановлено, що найбільш ефективно різання відбувається при значеннях l₀ в межах (4 - 6) м.

Дослідження впливу кількості проходів n високошвидкісного струменя води на глибину різа h твердого харчового продукту (Рис. 4) показали, що при збільшенні кількості проходів струменя води по різу приріст його глибини спочатку відбувається пропорційно n, а потім при незмінному розташуванні насадки щодо поверхні зразка твердого харчового продукту, який ріжеться, зменшується, причому більш інтенсивно для струменя меншого діаметру.

Аналіз результатів досліджень впливу тиску води Р₀ на глибину різа h твердого харчового продукту (Рис. 5) показує, що підвищення тиску води 200 до 500 МПа призводить до збільшення глибини різа в 5,7 - 40,2 рази, а зміна діаметру отвору струменеформуючої насадки від 0,2 до м викликає зростання глибини різа в 17,6 - 47 разів при різанні твердих харчових продуктів з від 4,310^-3 до 2,91 кПа відповідно.

Дослідження впливу швидкості переміщення високошвидкісного струменя води щодо твердого харчового продукту, який ріжеться на глибину його різа h (Рис. 6) й швидкість збільшення його бічної поверхні різа показали, що при різанні твердих харчових продуктів з різними значеннями граничної напруги зрушення при всіх значеннях тиску води зі збільшенням швидкості глибина різа h інтенсивно зменшуються, а швидкість збільшення бічної поверхні різа спочатку зростає, досягаючи максимуму, а потім знижується.

В результаті аналізу й обробки експериментальних даних отримана розрахункова формула для визначення раціональної швидкості переміщення високошвидкісного струменя води над поверхнею твердого харчового продукту, що відповідає максимальній швидкості збільшення бічної поверхні різа продукту:

. (1)

Множинний коефіцієнт кореляції для вираження (1) склав . Критерій Фішера . Критичне значення критерію Фишера при 5 % рівні значимості склало , що підтверджує адекватність отриманої залежності (1) експериментальним даним. Значення коефіцієнтів у рівнянні (1) витримують перевірку на значимість за критерієм Ст'юдента.

В результаті обробки експериментальних даних була отримана розрахункова залежність в безрозмірних параметрах, що дозволяє визначати глибину різа твердого харчового продукту з урахуванням довжини циліндричної ділянки проточної частини струменеформуючої насадки, гідравлічних і режимних параметрів високошвидкісного струменя води, а також граничної напруги зрушення твердих харчових продуктів,

високошвидкісний установка різання харчовий

. (2)

Множинний коефіцієнт кореляції для залежності (2) склав , критерій Фішера = 174. Критичне значення критерію Фішера для залежності (2) при 5 % рівні значимості склало = 1,29, що підтверджує адекватність отриманої розрахункової залежності експериментальним даним. Значення коефіцієнтів у рівнянні витримують перевірку на значимість за критерієм Ст'юдента.

У четвертому розділі «Дослідження ущільнення плунжера гідромультиплікатора двосторонньої дії» розроблено та випробувано один з основних вузлів обладнання водорізання харчових продуктів - ущільнення плунжера гідромультиплікатора двостороньої дії.

Було виготовлено дві нові конструкції ущільнень плунжера, одне з яких неведено на Рис. 7.

Під дією тиску води набір ущільнювальних кілець 4, 5, 6, 7 та металева втулка 8 стискає резинове ущільнювальне «О» образне кільце 3 в осьовому напрямку. При цьому резинове «О» образне кільце 3 розширюється в радіальному напрямку та притискається до стінок металевого циліндра 2 та плунжера 1. На зовнішній поверхні резинової прокладки 9 встановлено металеве нажимне кільце 10. Ущільнювальні кільця після збірки піджаті гайкою 11, яка забезпечує внутрішній напружений стан. Таким чином відбувається герметизація.

Дослідження працездатності нових ущільнень проводилися на експериментальній стендовій установці для водорізання з варійованими параметрами робочого тиску - від 100 до 500 МПа. Для цього нові ущільнення були по черзі вбудовані в корпус гідромультиплікатора двосторонньої дії установки для водорізання для поділу циліндрів низького та високого тисків.

В результаті аналізу отриманих експериментальних даних було встановлено, що величина зміни тиску води , яка визначається за залежністю (3) та є за різницею між тиском води в трубопроводі високого тиску установки для водорізання зі стандартним капролоновим ущільненням плунжера гідромультиплікатора і тиском води - з новою конструкцією ущільнення плунжера для двох нових конструкцій ущільнень у всіх випадках позитивна та залишається незмінною близько 800 год, потім починає стрімко знижуватися.

=-, МПа. (3)

Ресурс роботи нових конструкцій ущільнень плунжера гідромультиплікатора в 1,5 рази більше, ніж у стандартного ущільнення (близько 500 год). Однак, обсяги витоків води зростають зі збільшенням робочого тиску від 100 до 500 МПа.

З новими конструкціями ущільнень обсяги витоків води (Q_max1= 0,88 л/хв і Q_max2= 0,75 л/хв) на 29 % та 40 % нижчі, ніж обсяги витоків води (Q_max3= 1,24 л/хв) зі стандартним ущільненням (Рис. 8). Отже, розроблені конструкції ущільнень плунжера гідромультиплікатора можуть бути рекомендовані для використання в обладнанні для водорізання.

У п'ятому розділі «Методика розрахунку параметрів установки водорізання харчових продуктів» на підставі результатів проведених експериментальних досліджень по різанню твердих харчових продуктів високошвидкісним струменем води, а також результатів експериментальних досліджень процесу роботи нових конструкцій ущільнень розроблена методика розрахунку основних параметрів та показників роботи установки водорізання харчових продуктів, яка зводиться до розрахунку параметрів гідромультиплікатора двосторонньої дії, параметри якого є визначальними.

Методика дозволяє проводити розрахунок, по-перше, гідравлічної потужності (тиску й витрати води) гідромультиплікатора двосторонньої дії, необхідної для різання твердих харчових продуктів із заданою граничною напругою зрушення високошвидкісним струменем води, для заданих геометричних і режимних параметрів струменеформуючої насадки та глибини різа і, по-друге, основних геометричних параметрів гідромультиплікатора двосторонньої дії, а також вибір насосної установки.

Матеріали досліджень передано для впровадженя на ТОВ «Фірма «ВІ-ВА ЛТД» (очікуваний економічний ефект від випуску обладнання для водорізання твердих харчових продуктів становитиме 160,4 тис. грн у рік за умови випуску 200 шт), ТОВ ДКЗП «Донецький комбінат заморожених продуктів» (очікуваний економічний ефект становить 34,9 тис. грн. при строку окупності 3 роки), ТОВ «Донміськзбут», ТОВ «Армукргруп», ТОВ «КІЗ» і ТОВ «Політранс-Плюс».

ВИСНОВКИ

1. З аналізу літературних джерел встановлено, що метод водорізання не використовується в харчовій промисловості незважаючи на явні переваги цього методу різання над вже існуючими. Відсутні відомості про вплив фізико-механічних властивостей твердих харчових продуктів, а також геометричних, гідравлічних і режимних параметрів струменеформуючої насадки на показники процесу водорізання твердих харчових продуктів. Зазначені обставини свідчать про актуальність теми дисертаційної роботи.

2. Доведено, що для оцінки опірності твердого харчового продукту різанню високошвидкісним струменем води доцільно використовувати значення його граничної напруги зрушення.

3. Визначений діапазон раціональних значень відстані між зрізом струменеформуючої насадки й поверхнею твердого харчового продукту (l_0рац= м), при яких досягається максимальна глибина різа.

4. Встановлено, що глибина різа продукту зростає зі збільшенням гідравлічних параметрів високошвидкісного струменя води для діаметрів отворів струменеформуючої насадки від 0,2 до м.

5. Отримана розрахункова формула для визначення раціональних значень швидкості переміщення високошвидкісного струменя води щодо твердих харчових продуктів.

6. Встановлена розрахункова залежність у безрозмірних параметрах для визначення глибини різа твердого харчового продукту, високошвидкісним струменем води.

7. Розроблені та експериментально випробувані дві конструкції ущільнення установки водорізання харчових продуктів. Підтверджено їхню ефективність і доцільність використання в обладнанні для водорізання харчових продуктів.

8. Встановлено, що розрахунок основних параметрів та показників роботи установки водорізання харчових продуктів зводиться до розрахунку параметрів гідромультиплікатора двосторонньої дії, параметри якого є визначальними. В результаті розроблена та реалізована на персональному комп'ютері методика розрахунку параметрів гідромультиплікатора двосторонньої дії установки водорізання харчових продуктів.

9. Методика розрахунку параметрів установки водорізання харчових продуктів, а також всі конструктивні рішення та рекомендації придбані Донецьким комбінатом заморожених продуктів (ТОВ ДКЗП «Донецький комбінат заморожених продуктів»).

10. Рультати наукових розробок передано для впровадженя до ряду підприємств: ТОВ «Фірма «ВІ-ВА ЛТД» (очікуваний економічний ефект 160,4 тис. грн.), ТОВ ДКЗП «Донецький комбінат заморожених продуктів» (очікуваний економічний ефект 34,9 тис. грн.), ТОВ «Донміськзбут», ТОВ «Армукргруп», ТОВ «КІЗ» і ТОВ «Політранс-Плюс».

11. Розроблене та затверджене технічне завдання УВ-РПП.ТЗ «Установка водорізання харчових продуктів», в якому зазначена достатня кількість раціональних та оптимальних параметрів для виготовлення діючої промислової установки водорізання харчових продуктів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Гордієнко О. В. Гідрорізання в харчовому виробництві/ О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк, С. О. Фоменко// Обладнання та технології харчових виробництв: темат. зб. наук. пр. - Донецьк, ДонНУЕТ, 2007. - Вип. 16. - С. 26-31.

2. Гордієнко О. В. Дослідження процесу водорізання харчових матеріалів і продуктів/ О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк // Обладнання та технології харчових виробництв: темат. зб. наук. пр. - Донецьк, ДонНУЕТ, 2008. - Вип. 18. - С. 280-287.

3. Заплетніков І. М. Експериментальне визначення впливу фізико-механічних властивостей харчових продуктів на процес їх водорізання/ І. М. Заплетніков, О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк// Науковий Вісник Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій імені С. З. Ґжицького. - Львів, 2009. - Т. 11. - №2 (41), частина 5 - С. 38-42.

4. Гордієнко О. В. Вплив твердості заморожених харчових продуктів на параметри процесу водорізання та водорізного обладнання/ О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк// Обладнання та технології харчових виробництв: темат. зб. наук. пр. - Донецьк, ДонНУЕТ, 2009. - Вип. 20. - С. 148 - 153.

5. Гордієнко О. В. Влияние гидравлических параметров высокоскоростной струи воды на эффективность процесса водорезания пищевых продуктов/ О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк// Перспективы пищевых технологий: темат. зб. науч. тр. - Одеса: ОНАХТ, 2009. - Вип. 35. - Т. 2. - С. 134 - 137.

6. Гордієнко О. В. Розробка конструкції ущільнювача плунжера гідромультиплікатора двосторонньої дії водорізного обладнання та його дослідження/ О. В. Гордієнко// Вісник ДонНУЕТ. 2009. - № 1 (41)' - Технічні науки. - С. 30-35.

7. Погребняк В. Г. До питання розрахунку параметрів установки для водорізання харчових продуктів/ В. Г. Погребняк, О. В. Гордієнко// Обладнання та технології харчових виробництв: темат. зб. наук. пр. - Донецьк, ДонНУЕТ, 2009. - Вип. 22. - С. 111-119.

Тези і матеріали наукових конференцій:

8. Гордиенко А. В. Измельчение замороженных мяса и рыбы сруями воды высокого давления/ А. В. Гордиенко, А. В. Погребняк// Розвиток наукових досліджень 2006: ІІ Міжнар. наук.-практ. конф., Полтава, 27-29 листопада 2006 р.: тез. доп. - Полтава: Вид-во «ІнтерГрафіка», 2006. - Т. 6. - С. 17-19.

9. Гордієнко О. В. Гідрорізання в харчове виробництво/ О. В. Гордієнко, С. І. Салдень// Сучасні технології хімічних та харчових виробництв: I Всеукр. конф., Дніпропетровськ, 2008 р.: тез. доп. - Дніпропетровськ: ДНУ, 2008. - С. 9.

10. Гордієнко О. В. Особливості структури тонких рідинних струменів надзвукової швидкості/ О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк// Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: V Міжнар. наук.-прак. конф., Святогірськ, 12-14 вересня 2007 р.: тези доп. - Донецьк: ДонНУЕТ, 2007. - С. 58 - 59.

11. Гордиенко А. В. Повышение эффективности гидрорезания пищевых материалов путем модификации рабочей жидкости/ А. В. Гордиенко, А. В. Погребняк// Техника и технология пищевых производств: VI Междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 22-23 мая 2007 г.: тез. докл. - Могилев: МГУП, 2007. - С. 346.

12. Гордієнко О. В. Спосіб різання харчових продуктів та матеріалів/ О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк// Стратегічні напрямки розвитку підприємств харчових виробництв, рестораного господарства і торгівлі: Міжнар. наук.-прак. конф., Харьків, 2009 р.: тези доп. - Харьків: ХДУХТ, 2008. - С. 329 - 330.

13. Гордиенко А. В. Основные параметры, влияющие на водорезание пищевых продуктов/ А. В. Гордиенко// Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: VІ Міжнар. наук.-техн. конф., Святогірськ, 2009 р.: тези доп. - Донецьк: ДонНУЕТ, 2009. - С. 4 - 6.

14. Гордиенко А. В. Метод изучения процесса резания пищевых продуктов высокоскоростными струями воды/ А. В. Гордиенко, Р. В. Жданов, А. А. Куксин// Сучасні технології харчових виробництв: I Міжнар. конф., Дніпропетровськ, 2009 р.: тези доп. - Дніпропетровськ: ДНУ, 2009. - С 6.

15. Гордієнко О. В. Водоструменеве здрібнювання харчових матеріалів/ О. В. Гордієнко, А. В. Погребняк// Нові ресурсо- та енергозберігаючі технологии харчових виробництв: Всеукр. наук.-прак. конф., Полтава, 2007 р.: тез. доп. - Полтава: РВЦ ПУСКУ, 2007. - С. 165-167.

16. Гордієнко О. В. Визначення фізико-механічних характеристик заморожених м'яса та риби/ О. В. Гордієнко О. В., С. І. Салдень// Інноваційні енерго- й ресурсозберігаючі технології та обладнання в хлібопекарській, макаронній, харчоконцентратній і зернопереробній галузях харчової промисловості: Міжнар. наук.-прак. конф., Київ, 2008 р.: тези доп. - Київ: НУХТ, 2008. -С 19.

Деклараційні патенти:

17. Пат. 40388 U Україна, МПК⁶ (2009) А 22 С 18/00, А 22 С 25/00, В 26 D 3/00, Спосіб різання харчових продуктів і матеріалів/ Гордієнко О. В., Погребняк А. В.; заявник та патентовласник Донецький державний университет економіки та торгівлі ім. М. Туган-Барановського. - № u 2008 11663; заявл. 30.09.2008; надрук. 10.04.2009, Бюл. № 7. - 3 с.

18. Пат. 30071 U Україна, МПК⁶ (2006) В 24 С 3/00, Пристрій для гідрорізання харчових матеріалів/ Гордієнко О. В., Погребняк А. В.; заявник та патентовласник Донецький державний университет економіки та торгівлі ім. М. Туган-Барановського. - № u 2007 11443; заявл. 15.10.2007; надрук. 11.02.2008, Бюл. № 3. - 4 с.

19. Пат. 40440 U Україна, МПК⁶ (2009) F 16 J 15/18, F 16 J 15/50, Ущільнювач штоку, поршня або плунжера/ Гордієнко О. В., Погребняк А. В., Перкун І. В.; заявник та патентовласник Донецький державний университет економіки та торгівлі ім. М. Туган-Барановського. - № u 2008 12767, заявл. 31.10.2008; надрук. 10.04.2009, Бюл. № 7. - 3 с.

20. Пат. 41394 U Україна, МПК⁶ (2009) F 16 J 15/16, F 16 J 15/50, Ущільнювач плунжера/ Гордієнко О. В., Погребняк В. Г.; заявник та патентовласник Донецький державний университет економіки та торгівлі ім. М. Туган-Барановського. - № u 2008 12633, заявл. 28.10.2008; надрук. 25.05.2009, Бюл. № 10. - 4 с.

Особистий внесок:

У роботах (1, 2, 3, 4, 5, 6, 16) автором проведено експерименти, зроблено математичну обробку експериментальних даних, здійснені узагальнення й аналіз отриманих результатів.

У роботах (7, 14, 15) автором особисто виконана постановка задач, розроблена методика розрахунку водорізного обладнання, запропонована методика експериментів, підготовлено матеріали до публікації.

У роботах (8, 9, 10, 11, 12, 13) автором особисто виконано обгрунтування доцільності використання високошвидкісного струменя води для різання твердих харчових продуктів, систематизацію літературних даних, підготовлено об'єкти досліджень.

У роботах (17, 18, 19, 20) автором особисто проведено патентний пошук, підготовлено опис до деклараційних патентів на корисні моделі та сформульовано формули винаходів.

Размещено на Allbest.ru

...