Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наукове обґрунтування вибору раціональних конструктивно-технологічних параметрів процесів і обладнання харчових та фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Встановлення взаємозв'язку між конструктивними особливостями обладнання та технологічними параметрами процесів перероблення сировинних матеріалів є інформаційною базою для створення нових та удосконалення існуючих технологій харчових та фармацевтичних виробництв. Оскільки переважна більшість сировинних матеріалів є висококонцентрованими дисперсними системами, то особливе місце серед процесів їх перероблення займають технології за участю твердих фаз, що здійснюються, як правило, з використанням обладнання із зовнішнім підведенням енергії: - змішування, подрібнювання, екструзії, транспортування, ущільнення, формування, гранулювання, диспергування і т. п. Подібні процеси супроводжуються масообміном (перерозподілом) складових фаз, зміною об'єму дисперсної системи та її деформацією, тобто одночасним протіканням деформаційних‚ хімічних‚ температурних та масообмінних процесів. Для ефективного проведення відповідних технологічних операцій необхідно забезпечити раціональну конструкцію робочих органів і режимів оброблення дисперсних матеріалів (ДМ), тобто на етапі проектування обрати необхідні конструктивно-технологічних параметри. У якості наукової основи проведення проектувальних робіт доцільно використовувати теоретичні методи дослідження, які основані на модельному описуванні подібних процесів у формі нелінійних просторово-нестаціонарних крайових задачі математичної фізики, що дозволяє врахувати конструктивні параметри обладнання, технологічні характеристики процесів та структурно-механічні властивості сировини у реальному масштабі часу. Однак, отримання аналітичних рішень цих задач, як правило, пов'язано зі значними математичними труднощами. Це обумовлює актуальність подальшого розвитку методів математичного моделювання нерівноважних процесів деформування ДМ, які дозволять науково обґрунтувати визначення раціональних конструктивних параметрів елементів обладнання, а також енергоожадні режими оброблення сировини, що забезпечують необхідну якість готової продукції.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась у Національному університеті харчових технологій відповідно до плану держбюджетних науково-дослідних робіт НУХТ протягом 1993-2005 рр. у межах наукового напрямку «Розробка наукових основ тепломасообмінних та інших робочих процесів харчових виробництв, з метою створення нового високоефективного обладнання, засобів механізації та автоматизації для харчових та переробних галузей АПК» (код виду н/т діяльності 1.216 за КВНТД), а також згідно основних наукових напрямів та найважливіших проблем фундаментальних досліджень у галузі природничих, технічних і гуманітарних наук на 2009-2013 роки (1.2.1., 1.2.3.) (Наказ МОН України, НАН України №1066/609 від 26.11.09 року). Крім того, основні положення роботи зв'язані з виконанням науково-дослідних господарських договорів: №13/92 від 27.02.1992 р. «Створення та впровадження у виробництво пресово - дифузійної технології сокодобування для цукрових заводів України» (здобувач виконавець роботи); №719/98 від 01.01.1999 р. «Підвищення надійності та довговічності роботи шнекового маслопреса»; №904/00 від 01.09.2000 р. «Розроблення методів підвищення зносостійкості деталей шнекового маслопреса»; №612/97 від 01.03.1997 р. (№д.р. 0196001645) «Розробка механічних систем обертально-зворотної дії»; №46/03 від 01.09.2003 р. «Конструювання та виготовлення технічної документації швидко - розбірної металоконструкції для тентового навісу»; №128/02 від 01.11.2002 р. «Аналіз наслідків взаємодії елементів технологічного обладнання та будівельних споруд з предметами, що розлітаються при аварійному руйнуванні ротора турбомашини» (здобувач керівник робіт).

Окремі розділи дисертації розроблені в межах творчої співпраці з:

- лабораторією «DRUCK - und THERMALVERFAHREN GmbH, D-85375» м. Нєйхарм (Німеччина) «Розробка технологічного обладнання для високошвидкісного процесу мінералізації органічних матриць шляхом розпаду перекису водню в автоклаві високого тиску» (здобувач керівник теми);

- Київським науково-дослідним та проектно-конструкторським інститутом «Енергопроект», м. Київ при виконанні проектно-конструкторських робіт по модернізації відповідальних елементів енергетичного обладнання (здобувач керівник робіт);

Мета і завдання досліджень полягають у розробленні нових теоретичних методів дослідження тепломассобмінних процесів у дисперсних системах з врахуванням реальних конструктивно-технологічних та просторово-часових параметрів їх перероблення, а також створенні на їх основі математичного забезпечення для інформаційних технологій проектування процесів та обладнання харчових та фармацевтичних виробництв.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені таки задачі:

1. Проаналізувати та узагальнити методи дослідження закономірностей процесів тепломасопереносу, деформування та формозмінення дисперсних волого-насичених матеріалів в умовах термосилового навантаження.

2. Розвинути математичне формулювання крайової задачі механіки дисперсних середовищ у режимі пружно-в'язко - пластичного деформування твердої фази.

3. На основі проекційно - сіткових методів: методів скінчених елементів (МСЕ) та скінчених різниць (МСР) розробити математичні моделі процесів та обладнання з перероблення дисперсних харчових матеріалів, а саме пресування, гранулювання та формування екструзією; оброблення у шнекових пристроях; профілювання валковими пристроями; подрібнення у вовчках; теплового та напружено-деформованого стану окремих елементів конструкцій та ін.

4. Розробити узагальнений методологічний підхід до створення інформаційних технологій проектування (ІТП) машин і апаратів з перероблення дисперсних харчових матеріалів.

5. Застосувати розроблені методологічні здобутки (методи, алгоритми, програмне забезпечення) для виконання проектних розрахунків процесів та обладнання харчових та фармацевтичних виробництв.

6. Здійснити перевірку достовірності отриманих результатів порівнянням з відповідними аналітичними та чисельними розв'язками та експериментальними даними; внести (за потреби) уточнення в запропоновані математичні моделі.

7. Впровадити результати досліджень у практику проектних та виробничих підприємств.

Об'єкт дослідження - тепломасообмінні процеси у харчових дисперсних і конструкційних матеріалах та обладнання для їх реалізації.

Предмет дослідження - конструктивно-технологічні параметри процесів і обладнання харчових та фармацевтичних виробництв та методи їх дослідження.

Методи дослідження ґрунтуються на методах математичного моделювання із застосуванням: а) положень теорії дисперсних середовищ та фізико-хімічної механіки, б) проекційно-сіткових методів розв'язання крайових задач математичної фізики; в) обчислювальної техніки. Застосування ітераційної методики порівняння результатів обчислювальних експериментів з даними, що отримані аналітичними та експериментальними методами дозволило визначити структурно-механічні параметри дисперсних матеріалів та оцінити достовірність результатів імітаційного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробленні наукових засад створення математичних моделей деформаційних, температурних та масообмінних процесів перероблення харчових дисперсних матеріалів, що забезпечило ефективне теоретичне дослідження взаємозв'язку між конструктивними параметрами обладнання, структурно-механічними властивостями сировини та технологічними показниками її перероблення з метою визначення їх раціональних значень.

Отримані наступні нові наукові результати:

1. Сформульовано крайову задачу механіки дисперсних волого насичених харчових матеріалів у режимі пружно - в'язко - пластичного деформування твердої фази з врахуванням скінчених переміщень та ефектів термомеханічної зв'язаності.

2. Розроблено математичну модель термомеханічного стану дисперсних систем у нерівновжних процесах харчових виробництв у реальному часовому вимірюванні, яка враховує конкретні конструктивно-технологічні параметри обладнання, структурно-механічні та реологічні властивості сировини.

3. Розроблено наукові основи створення ІТП процесів та обладнання по переробленню дисперсних харчових матеріалів.

4. Отримані аналітичні розв'язки задач нестаціонарного пресування ДМ з врахуванням фільтраційної консолідація дисперсного каркасу та кінетики відокремлення рідкої фази.

5. Розроблені математичні моделі:

- процесів формування ДМ екструзією та коекструзією, яка враховує геометричні параметри формуючих філь'єр, умови адгезії на їх поверхнях, структурно механічні параметри сировини та режими її нагнітання, зміни фазового складу у процесі оброблення, критерії забезпечення показників якості готових виробів та ін.;

- пресування дисперсних волого-насичених матеріалів у шнекових пристроях та виконано теоретичне дослідження впливу геометричних та експлуатаційних показників шнекового пристрою на параметри руху соняшникової мезги та розподілення тиску у міжвитоковому просторі, деформування твердої та кінетику відділення рідкої фази та ін.;

- процесів подрібнення м'ясу у м'ясорізальних вовчках та виконано дослідження закономірностей проходження сировини крізь отвори решітки та формування дисперсності готового продукту в залежності від конструкції та розмірів ріжучого комплекту;

- профілювання валковими пристроями довільних геометричних об'ємів з сипкими матеріалами, яка дозволяє досліджувати кінетику формоутворення об'єкту та параметри ущільнення продукту, визначати сили опору вантажу по стрічці та навантаження на елементи обладнання.

Дістали подальший розвиток:

- методика розв'язання крайових задач вищезазначеного типу на основі проекційно-сіткових методів (МСЕ та МСР), кроково-ітераційні алгоритми, що враховують крайові ефекти для відповідних фізичних полів;

- дослідження збіжності, точності та стійкості чисельних розв'язків у прикладних задачах механічного оброблення ДМ;

- методи, алгоритми та комп'ютерні програми автоматизованого розрахунку кінетики параметрів, що визначають стан дисперсних систем у відповідних технологіях їх перероблення.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечено застосуванням адекватних математичних моделей; коректним вибором проекційно-сіткових методів та багаторазовою перевіркою чисельних алгоритмів; задовільним узгодженням при порівнянні результатів обчислювальних експериментів з даними аналітичних та експериментальних досліджень.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці та впровадженні методик і рекомендацій щодо науково обґрунтованого проектування, модернізації і вибору обладнання, а також визначення раціональних режимів його експлуатації, зокрема:

1) методики створення ІТП процесів та обладнання для термомеханічного оброблення ДМ;

2) розробленні інструментального програмного забезпечення PLAST-002, яке дозволяє користувачу у діалоговому режимі отримувати кількісну інформацію про закономірності процесів деформування дисперсних двофазних структур при відомому законі навантаження у режимі пружно-в'язко-пластичної течії твердої фази; використовується з 1996 року в якості базового у складі САПР проектних та виробничих підприємств, а також у навчальному процесі факультету інженерної механіки та пакувальної техніки Національного університету харчових технологій;

3) методики проектування формуючих пристроїв для екструзійного оброблення ДМ (тісто, м'ясо - кісткова суміш, праліне, двохкомпонентні дисперсні системи та ін.), яка дозволила визначити раціональні конструктивно - технологічні параметри окремих функціональних вузлів обладнання та видати рекомендації щодо їх конструювання;

4) результатів проведених обчислювальних експериментів по дослідженню процесів гранулювання ДМ, що дозволили визначити раціональні режими та енергоощадні способи гранулювання (захищені патентами України №№24775 А, 30058 U) та впроваджені на підприємствах ТОВ СП «Грантех» (м. Київ) з економічним ефектом 120 тис. грн.;

5) результатів використання ІТП шнекових пристроїв для визначення тиску у міжвитковому просторі шнека, кінетики відокремлення рідкої фази та продуктивності масло-преса типу РЗ-МШП; впровадження результатів на ВАТ «Ізмаїльський завод ремонтно-технологічного обладнання» дозволило підвищити довговічність експлуатації шнеку пресів та забезпечило економічний ефект понад 40 тис. грн. на рік;

6) проектуванні пристрою для кріплення матриці макаронного преса виробничої лінії «Demaco» на ВАТ «Київська макаронна фабрика», що дозволило провести модернізацію вузла пресування з економічним ефектом 17 тис. грн. на рік;

7) проведенні проектних розрахунків для розроблення та виготовлення конструкторської та технологічної документації на автоклав, що призначений для проведення високотемпературної мінералізації органічних речовин у фармацевтичної промисловості; автоклав виготовлено, проведені лабораторні випробування і впроваджено на підприємстві DRUCK - und THERMALVERFAHREN GmbH, D-85375 Neufahrn (Німеччина); отримано економічний ефект 30 000 євро;

8) проведенні проектно-конструкторських робіт по модернізації відповідальних елементів енергетичного обладнання (віброзахісту трубопроводів АЕС, продовженню терміну експлуатації роторів та корпусів парових турбін); впровадження цих результатів дозволило отримати соціальний (забезпечення високого рівня безпеки технічних об'єктів) та економічний (250 тис. грн.) ефект.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану проблеми, обґрунтуванні і формулюванні ідеї і теми дисертації; постановці крайової задачі механіки дисперсних середовищ у режимі пружно-в'язко-пластичного деформування твердої фази; розробленні принципів побудови математичних моделей типових процесів та обладнання по переробленню ДМ; розробленні концепції та принципів створення ІТП процесів та обладнання; здійсненні перевірки достовірності отриманих результатів шляхом порівняння з відповідними аналітичними та чисельними розв'язками та експериментальними даними.

Математичне та фізичне моделювання проводилися безпосередньо здобувачем з частковим залученням наукових співробітників, аспірантів та магістрантів. Впровадження результатів дисертаційної роботи здійснювалось колективом наукових співробітників при безпосередній участі здобувача та під його науковим керівництвом. Усі винаходи, що зроблені в ході виконання роботи, є результатом колективної творчості і базуються на результатах досліджень здобувача. Конкретний внесок здобувача в наукових працях, що опубліковані у співавторстві наведено у списку основних опублікованих праць за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації виконана шляхом їх оприлюднення та публічного обговорення на міжнародних наукових конференціях: 12th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA'96 (1996, Praha, Czech Republic); VIII konf. nauk. tech. «Budowa i eksplotacja maszyn przemyslu spozywczego» (1998, Bialystock, Poland); I Ogolnoposke Seminarium Naukowe «Wybrane problemy w budowie i eksploatacji maszyn» (2000, Bialystok, Poland); XVIII Международная конференция «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов» (2000, Санкт Петербург, Россия); International Conference DFPM 2005 «DEFORMATION and FRACTURE in STRUCTURAL PM MATERIALS» (2005, IMRSAS, Kosice, Slovakia); EURO PM2005 Congress (2005, Prague, Czech Republic); III, IV, VI «International Conference Strategy of Quality in Industry and Education» (2007, 2008, 2010, Varna, Bulgaria); ХVIII Міжнародна науково-практична конференція «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» MicroCAD-2010 (2010, Харьків, Україна); Міжнародна науково-практична конференція «Інноваційні енерго- й ресурсозберігаючі технології та обладнання в хлібопекарській, кондитерській, макаронній, харчоконцентратній і зернопереробній галузях харчової промисловості» (2008, Київ, Україна); Міжнародна науково-технічна конференція «Інноваційні технології, проблеми якості і безпеки сировини та готової продукції у мясній та молочній промисловості» (2007, Київ, Україна); Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми машинознавства» (2008, Київ, Україна); ХI Міжнародна научна конференція «Удосконалення процесів та обладнання харчових та хімічних виробництв» (2006, Одеса, Україна); ХII Міжнародна науково-методична конференція «Сучасний український університет: теорія і практика впровадження інноваційних технологій» (2008, Суми, Україна); Міжнародні науково-технічні конференції «Проблеми и перспективы развития транспорта промышленных регионов» (2005, 2006, Днепропетровск, Украина); ХII-ХV ежегодная Международная научная школа по механической обработке дисперсных материалов и сред «Вибротехнология» (2002-2005, Одесса, Украина); ІІІ, IV Міжнародні науково-технічні конференції «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий (2004,2008, Жуковка, Большая Ялта, Автономная республика Крым); Міжнародна науково-технічна конференція «Конструкційна міцність матеріалів і ресурс обладнання АЕС» (2009, Київ, Україна); V Міжнародна науково-технічна конференція «Аеропорти та їх інфраструктура» (2003, Київ, Україна); Международная научно-техническая конференция «Проблемы механики горно-металлургического комплекса» (2002, 2004, 2005, Днепропетровск, Украина); Международная конференция «Современное материаловедение: достижения и проблемы» (2005, Киев, Украина); Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития транспорта в промышленно развитых регионах» (2006, Днепропетровск, Украина); Международная научно-техническая конференция «Ресурс, надежность и эффективность использования энергетического оборудования» (2010, Харьков, Украина); IV Українсько-Польська науково-технічна конференція молодих науковців «Механіка та інформатика» (2006, Хмельницький, Україна); Международная конференция «HighMatTech» (2007, Киев, Украина); XVII, XVIIІ Міжнародні науково-технічні конференції «Теорія та практика процесів подрібнення, розподілу, змішування та ущільнення матеріалів» (2009, 2010, Одеса, Україна); Міжнародна науково-технічна конференція «Вібрації в техніці та технологіях» (2009, Вінниця, Україна); Международная научно-техническая конференция «Физико-химические проблемы в технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» (2010, Харьков, Украина); ІХ Міжнародна науково-практична конференція «Прогресивна техніка та технологія-2008» (2008, Київ, Україна); Всероссийская научно-техническая конференция «Математическое моделирование технологических процессов обработки материалов давлением» (1990, Пермь, Россия); ІХ зимняя школа по механике сплошных сред (1991, Пермь-Кунгур, Россия); Республиканский семинар «Физика и механика пластических деформаций порошковых материалов» (1991, Луганск, Украина); Міжнародні науково - технічні конференції «Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо - та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості» (1997,1999,2000, Київ); ІХ Міжнародна науково-технічна конференція «Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи» (2005, Київ).

За темою дисертації опубліковано 92 друковані праці, у тому числі 49 статей у фахових виданнях України (з них 7 без співавторів), 41 стаття у наукових журналах та збірниках праць конференцій (з них 12 без співавторів), 2 патенти України.

Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Основна частина дисертації представлена на 270 сторінках і містить 197 рисунків, що повністю займають площу 113 сторінок. Загальний обсяг роботи становить 438 сторінок, у тому числі 2 додатки на 13 сторінках і список використаних джерел з 452 найменувань на 43 сторінках.

Основний зміст роботи

дисперсний термосиловий тепломасоперенос крайовий

У вступі обґрунтована актуальність теми, показано зв'язок роботи з науковими програмами і темами, сформульовано мету та основні завдання досліджень, наведено наукова новизна, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, інформацію про апробацію результатів дисертації та основні публікації.

У першому розділі наведено аналіз літературних джерел, що присвячені визначенню основних параметрів, що впливають на закономірності тепломасообміних процесів при переробленні харчових ДМ. Ці параметри умовно розділені на три групи: 1) конструктивні (геометричні форми робочих органів, матриць, філь'єр та ін.); 2) технологічні (схеми процесів; взаємозв'язок властивостей заготовок і готових виробів, кінетика фазового складу матеріалів в умовах неусталеної течії ДМ; зусилля, що діють на робочі органи машин; продуктивність та ін.); 3) структурно-механічні (об'ємні місткості складових фаз; дифузійні, реологічні модулі; дисперсність компонентів; волого поглинальна здатність та ін.). Конкретний набір вищеназваних параметрів визначають тенденції розвитку новітніх інформаційних технологій проектування, наукові та методологічні основи яких було закладено у кінці минулого століття науковою школою Стабникова В.Н.

Показано, що побудувати сучасну інформаційну методологію проектування можна лише на основі ґрунтовного аналізу взаємовпливу конструктивно - технологічних параметрів технічних систем із застосуванням сучасних математичних моделей.

Основні підходи до моделювання процесів термомеханічного перероблення дисперсних матеріалів із зовнішнім підведенням енергії висвітлено у роботах Товажнянського Л.Л., Петрика М.Н., Семченко Г.Д., Кравецького Г.Д., Остапчука М.В., Тарана В.М., Романкова П.Г. та ін. Серед цих підходів перспективними є: структурно-системно-інформаційний, кінетичний, стохастично-ймовірний, термодинамічний, фізико-математичний, а також підходи з використанням принципів аналогій, топологій, мов моделювання, дисперсійного, регресивного і кореляційного аналізу. Показано, що нові можливості в математичному моделюванні відкриваються при використанні варіаційного методу для формулювання відповідних співвідношень.

Одним з ключових питань, від якого у значній мірі залежать адекватність результатів моделювання є відомості про структурно-механічні та реологічні властивості конкретних ДМ. В роботах Ребіндера П.А., Бартенєва Г.М., Овчинікова П.Ф., Николаєва Б.Л., Урьєва Н.В., Мачихіна Ю.А., Горбатова О.С. та ін. створено наукові засади механізму структуроутворення ДМ з метою забезпечення необхідної структури (пористість; розмір, форма пор та капілярів; дисперсність компонентів та ін.) і необхідних властивостей матеріалів (міцність, модулі деформації, структура, волого-поглинальна здатність та ін.). З'ясування на мікроскопічному рівні закономірностей і механізмів процесів утворення дисперсних систем, процесів їх деформації і руйнування, з'ясування ролі молекулярно-поверхневих явищ у відповідних системах протягом конкретних технологічних процесів разом з відповідними модельними уявленнями, що запропоновані в роботах Штерна М.Б. та його учнів дає підґрунтя для формулювання визначальних співвідношень, що описують процеси ущільнення дисперсних систем з врахуванням ефектів зміни концентрацій фаз.

Проведений аналіз можливості використання теоретичних методів при проектуванні технологічного обладнання по переробленню ДМ показав, що використання сучасних проекційно-сіткових методів дозволяють ефективно врахувати конструктивно-технологічні та структурно-механічні параметри при комп'ютерному моделюванні. Однак, використання цих потужних методів обмежується недостатнім розвитком крайових задач і відповідних алгоритмів їх розв'язання. Мало досліджені математичні формулювання у формі крайових задач математичної фізики для просторово-часових закономірностей дослідження масообмінних процесів деформування у нерівноважних процесах харчових виробництв. До теперішнього часу не існує однозначної відповіді на питання про вибір та обґрунтування коректності методів розрахунку елементів технологічного обладнання для більшості технологій перероблення дисперсних матеріалів з врахуванням всього комплексу конструктивно-технологічних параметрів.

Показано, що більшість досліджень по визначенню конструктивно-технологічних параметрів основані на емпіриці, або на критеріальних співвідношеннях, яки не дозволяють отримати кількісну інформацію про розподілення фізичних полів у реальному просторово-часовому вимірюванні.

Таким чином, виконаний у роботі аналіз наявних досліджень свідчить про їх недостатність для вирішення проблеми створення наукових засад вибору раціональних параметрів процесів та обладнання харчових та фармацевтичних виробництв, а також надав можливість сформулювати мету і задачі дослідження.

Другий розділ присвячений розробленню наукових основ створення математичних моделей нерівноважних реологічних процесів при термомеханічному обробленню дисперсних матеріалів у типових технологічних операціях харчових та фармацевтичних виробництв. Розглядаючи конкретну переробну технологію, приймаємо концепцію подання сировинних дисперсних мас як двохфазних сумішей пористої або зернистої твердої деформованої структури з рідиною чи газом, яку надалі будемо розглядати у вигляді моделі суцільного текучого середовища з приписуваними їй фізичними властивостями, яки феноменологічно відображають молекулярну структуру середовища і внутрішні рухи речовини, що відбуваються в ній. Для описання механічної поведінки таких матеріалів необхідно використовувати поняття напружень, деформацій, щільності, а також швидкості зміни цих параметрів. Ці тензорні та скалярні характеристики мають локальну природу і визначаються за допомогою операцій граничного переходу, коли елементи простору (об'єми і поверхні) стягуються до точок (матеріальних). У традиційних моделях континуума точки ототожнюють з частками середовища (нескінченно малий об'єм матеріального континуума), а ті, у свою чергу, є елементарними носіями властивостей матеріалу. Подібне ототожнення в дисперсній масі ускладнюється через брак єдиної думки про те, що потрібно розуміти під часткою такого середовища. Класичне уявлення про частку в механіці дисперсних середовищ полягає в ототожненні її з твердими зернами різної дисперсності. Виникає такий парадокс: кожна частка середовища це по суті тверде тіло, що деформується. Оскільки кожна дискретна частка взаємодіє із сусідніми, розподіл напружень у ній неоднорідний. З метою спрощення аналізу відносного руху часток ДМ прийняті наступні гіпотези та припущення:

1. Дисперсійне середовище розглядається як безперервна фаза, яка має інші фізико-механічні властивості на відміну від властивостей твердої фази і може змінювати свій об'єм. У свою чергу властивості матеріалу твердої фази в мікрооб'ємах дисперсної системи співпадають із властивостями макроскопічного компактного полікристалічного матеріалу.

2. Має місце об'ємна стискуваність матеріалів (здатність змінювати свій об'єм без порушення форми) за рахунок системи пор, капілярів та інших мікронедосконалостей.

3. Прийнята структурна модель ДМ, тобто фіксований об'єм, що зайнятий матеріалом складаються з набору представницьких елементів (ПЕ), розміри яких є нижньою границею застосування моделі суцільного середовища, за межею якої застосовують моделі, що будуються на основі молекулярної та статистичної фізики.

4. Для врахування параметрів дисперсності, крім традиційних для суцільного середовища характеристик напружено - деформованого стану, структурна модель ДМ доповнюється двома параметрами: об'ємною вмисністю дисперсійного середовища б₂, та відносної густини дисперсного матеріалу б₁ = 1 - б₂, що характеризує ступінь відхилення густини дисперсного матеріалу від ідеального компактного стану.

5. На відрізку часу, що передує t₁ > t_0, має місце рух часток недеформованого середовища. На поточному часовому інтервалі [t₁, t₂], рух часток середовища може бути представлено суперпозицією кінцевих зсувів рухомого недеформованого середовища, а також переміщень, обумовлених ії деформацією.

У межах прийнятих припущень для описування термомеханічних процесів у дисперсних матеріалах обрано тривимірний евклідовий простір з різними системами координат: декартовою ох¹ х² х³ (з базисними векторами І_і що пов'язані з окремими структурними елементами⁾ та конвективною ОХ¹Х²Х³ (з базисними векторами g_i), що «вморожена» в структурні елементи. Використання конвективної системи координат дозволяє зв'язувати компоненти тензорів швидкостей деформування d і градіентів швидкостей переміщень лінійними співвідношеннями Коши: , де - радіус - вектор, що визначає положення кожної точки ПЕ в будь-який момент часу ; - швидкість точки ПЕ. Це дозволяє врахувати фізичні аспекти фізичного стану матеріалу у процесі деформування, тобто розкласти тензор швидкості деформування на зворотну (пружну) та незворотну (в'язко - пластичну) при заданому градіенті переміщення :

. (1)

Для визначення напруженого стану незалежно від обраної системи координат повни напруження у^t у ПЕ дисперсної суміші визначаються суперпозицією напружень у твердій фазі у та гідростатичного тиску у рідинному дисперсійному середовищі Р (тиск у порах):

, (2)

а також по аналогії з механікою волого насичених ґрунтів «ефективними» (або «фіктивними»)) напруженнями: .

У базисі конвективних координат напружений стан матеріалу характеризується тензором напружень Коші:

. (3)

З метою врахування скінчених деформацій в процесі формозмінення ПЕ у розгляд вводиться ряд умовних («псевдо») напружень, а саме тензор напружень Піоли-Лагранжа (1-й тензор напружень Піоли-Кірхгофа) ; 2-ий тензор напружень Піоли-Кірхгофа: ; тензор напружень Кірхгофа: . Компоненти тензора умовних і дійсних напружень у декартовому базисі зв'язані співвідношеннями:

; ; , (4)

де ^r і ^t щільності матеріалу у відліковій і поточній конфігураціях ПЕ відповідно. При переході до конвективної системи координат маємо:

. (5)

Динамічні аспекти регламентуються рівняннями балансу у формі закону збереження кількості руху з врахуванням закону збереження маси у межах ПЕ ДМ:

, (6)

де u і v вектори середньої швидкості зсуву твердих часток та точок газорідкої фази відповідно; ₁, ₂ - об'ємні вмісти твердої та газорідкої фази в представницькому об'ємі відповідно; ₁, ₂ - їхні середні густини; P - вектор гідростатичного тиску у газорідкій фазі; F₁ і F₂ - вектори об'ємних сил у твердій і рідкій фазах відповідно; - оператор диференціювання по матеріальним координатам, .

При цьому для кожної з фаз ДМ рівняння відносного руху фаз представляються у вигляді:

(7)

, (8)

де відповідно до конкретного механізму взаємопроникнення фаз дисперсної системи (фільтрація, дифузія і т. п.) враховується сила R, яка пропорційна відносної середньої швидкості потоку газорідкої фази (аналог сили в'язкого опору):

, (9)

де - коефіцієнт динамічної в'язкості (кг с/м) для нестисливої рідини; а - узагальнений коефіцієнт, що враховує конфігурацію простору пор дисперсійного середовища.

Для ДМ зі значними силами міжфазної взаємодії (тісто, кондитерські маси та ін.) можна припустити, що відносний рух фаз відсутній (v = u), тобто дисперсний матеріал рухається, як одне ціле. Для таких матеріалів доцільно використати припущення про нехтування розділення між фазами шляхом об'ємного осереднення характеристик дисперсної системи (густини , швидкостей , напружень ). Таким чином з врахуванням б₁+б₂=1, рівняння (6) приймає вигляд:

. (10)

Зазначимо, що для процесів, які проходять повільно (немає інерційних ефектів):

, (11)

рівняння (8) з врахуванням (9) відображає закон фільтрації в ізотропному пористому середовищі:

. (12)

При невеликих градієнтах тиску або швидкостях фільтрації рівняння (12) не протирічить лінійному закону Дарсі.

З використанням фундаментальних законів термодинаміки - рівнянь балансу енергії, ентропії та вільної енергії ц (на базі перетворення Лежандра) з врахуванням закону Фур'є отримано рівняння теплопереносу у межах ПЕ

, (13)

де та С_v - коефіцієнти теплопровідності та теплоємності відповідно; Т - температура; ; W_R, W_h та W_d величини робіт, що пов'язані з ефектами динамічного повернення стану матеріалу при релаксаційних процесах різної фізичної природи, незворотного рівноважного процесу деформування та, що витрачається на зміну внутрішньої структури ДМ відповідно.

Для формулювання визначальних співвідношення (між деформаціями та напруженнями) у межах ПЕ ДМ розроблена методика, яка складається з наступних етапів:

1. Вводиться у розгляд два рівні структурного аналізу ДМ - мікроаналіз (на основі розглядання окремого мікро-фрагменту (частки) дисперсної системи формулюються співвідношення щодо параметрів його механічної поведінки) та макроаналіз, де виконується осереднення параметрів по макрооб'єму ПЕ. Для цього розглянуто ідеалізований мікро-фрагмент ДМ - елементарний об'єм у вигляді кругового порожнього циліндра. Матеріал даного циліндра (тверда фаза ДМ на мікро рівні) вважається нестисливим, а його вісь збігається з напрямком одного з головних компонентів тензора швидкостей деформації.

. (14)

2. Для нівелювання результатів введеної ідеалізації розглядається параметр швидкості локальної (на мікрорівні) енергії деформування твердої фази з подальшим її осередненням по всьому об'єму циліндра:

. (15)

При виведенні (15) враховані параметри дисперсності матеріалу , ₁; , а також узагальнена реологічна модель матеріалу твердої фази , де у_т -границя текучості, - параметр інтенсивності швидкостей деформацій ПЕ, у_0,г_0, n - константи апроксимації експериментальних даних; е, Г - перший та другий інваріанти тензора напружень; .

3. На основі (15) формулюється загальна структура визначальних співвідношень через компоненти тензорів напружень і швидкостей деформацій :

, (16)

4. Конкретизуються співвідношення (16) відповідно до обраної моделі матеріалу. Згідно принципу дисипативного детермінізму для моделі пружно - в'язко - пластичного матеріалу достатньо задати параметри: вільну енергію Гельмгольца Д, яка визначає зворотну складову механічної потужності деформування

(17)

разом з тензором швидкостей зворотної (пружної) деформації e^e; узагальнений дисипативний потенціал Д_м зі скалярною функцією л(Ф), що визначає механічну дисипацію енергії (у нерівності Клаузіуса-Дюгема):

Д_м = (Ф) Ф = у_ij·e^н _ji. (18)

З рівняння (17) слідують визначальні співвідношення для пружного режиму деформування ПЕ:

, (19)

де компоненти тензора пружних властивостей матеріалу твердої фази.

Для забезпечення загального вигляду визначальних співвідношень у формі (16) функціонал Ф, що визначає у просторі напружень границю зворотного і незворотного станів макро - об'єму ДМ, слід представити у вигляді:

Ф (р, , ₁, , t) = , (20)

де Р - рівень гідростатичного тиску в дисперсному середовищі; ² - другий інваріант девіатора ефективних напружень; к(t) - визначає характерний розмір поверхні навантаження у процесі деформування. З врахуванням (18,19) отримаємо визначальні співвідношення незворотного режиму деформування ПЕ ДМ:

. (21)

Розглядаючи процес нерівноважного незворотного деформування, вважаємо, що повні ефективні напруження , можуть бути представлені у вигляді суми рівноважної ^p і нерівноваженої складових ^v:

= ^p + ^v. (22)

Особливістю даної моделі є те, що поняття рівноважної пружно-в'язко-пластичної течії матеріалу виявляються альтернативним його пружно-пластичному деформуванню.

Рівноважну складову тензора напружень (22) визначаємо на підставі (21):

, (23)

де - другий інваріант девіатора швидкостей деформації e_ik. У свою чергу для нерівноважної складової тензора напружень на підставі (21) маємо:

, (24)

де з - коефіцієнт в'язкості твердої фази матеріалу.

Рівняння (22) з врахуванням (23) та (24) дозволяє визначити незвротну складову швидкості деформування ДМ:

, (25)

або у матричному вигляді

e^н = [Z^н] , (26)

де [Z^н] матриця, компоненти якої визначають параметри в'язко - пластичної моделі ДМ.

5. Формулюються визначальні співвідношення для пружно - в'язко - пластичного режиму деформування твердої фази матеріалу. Для цього використовуємо розкладання вектора e^н у (25) в ряд Тейлора по часовому аргументу t_n < t < t_n + Дt_n в околиці моменту t_n в припущенні про малість Дt_n:

.(27)

Враховуючі адитивне розкладання швидкості деформування (1) та лінійну інтерполяцію (26) на часових шарах t_n та t_n+1 , з (19) слідують співвідношення у матричному вигляді:

, (28)

де - конституціональна матриця пружно-в'язко-пластичності, {VP} - вектор «реологічного» корегування напружень. В роботі наведені вирази співвідношень (28) для окремих реологічних режимів формоутворення ПЕ ДМ. Система рівнянь (1) - (28) доповнюється завданням початкових та граничних умов, що відображають специфіку конкретної технологічної операції оброблення ДМ.

Третій розділ присвячено розробленню методів та засобів ефективного аналізу взаємовпливу конструктивних, технологічних та структурно-механічних параметрів процесів термомеханічного оброблення дисперсних матеріалів. В якості наукової бази запропонованих методологічних розробок використовуються положення, що наведені у попередньому розділі. Для можливості врахування максимальної кількості параметрів процесів та обладнання запропоновано ІТП типу «математична модель - інтелектуальна експертна система - система автоматизованого проектування», схему якої наведено на рис. 2.

Ця технологія основана на розгляданні технологічного процесу у вигляді мультикомпонентної системи взаємозв'язаних об'єктів досліджень (ОД): дисперсної суміші, елементів технологічного обладнання, термомеханічного навантаження та ін., що забезпечує об'єктно-орієнтовану методологію дослідження відповідної предметної області. При цьому використовується «інструментальний» метод проектування, успішна реалізація якого передбачає наявність таких основних засобів: 1. Інформаційну модель (ІМ) ОД, що містить опис, як всіх утворюючих її елементів і зв'язків між ними, так і їх станів на всіх етапах подальшого аналізу. Розроблення ІМ ОД основана на об'єктно-орієнтованому аналізі, який на відміну від традиційних технологій дослідження дозволяє ефективно визначити їх мету з подальшим ії відображенням при створенні математичної моделі ОД відповідно до законів математичних абстракцій. 2. Розрахункову схему (РС) ОД, як результат синтезу всієї інформації згідно ІМ з врахуванням основних орієнтаційних напрямів дослідження ОД. 3. Математичну модель у вигляді аналітичної, алгоритмічної та цифрової моделей (рис. 2), яка відображає всі властивості ОД у межах розробленої РС і дозволяє автоматизувати ії практичне використання із застосуванням комп'ютерних технологій.

Ефективність практичного використання запропонованої ІТП при розгляданні конкретних технічних об'єктів залежить від методики визначення їх раціональних конструктивно-технологічних параметрів (рис. 3).

При розгляданні більшості технологічних операцій перероблення сировинних мас у харчовій та фармацевтичної промисловості у якості ОД приймаємо фіксований об'єм довільних геометричних параметрів, що зайнятий ДМ. Відповідна аналітична модель його термомеханічного стану прийнята у формі співвідношень (1) - (28).

Алгоритмічна модель згідно запропонованих методологічних розробок складається з таких основних частин (рис. 4): - розв'язання сформульованої задачі проекційно-сітковими методами: МСЕ за просторовими змінними та МСР за часовим аргументом; - обчислювальні алгоритми, які реалізують відповідні технологічні операції (наприклад: пресування, екструзія, штампування, формоутворення, змішування, екстракція та ін.).

Дискретний аналог ОД (згідно рис. 4) створюється в результаті заміни вихідної області сукупністю N_e підобластей - скінчених елементів (СЕ) , взаємодіючих у кінцевому числі вузлових точок. З використанням варіаційної форми методу Галеркіна отримано дискретний аналог рівнянь механічної рівноваги (6) - (12) у вигляді:

.(29)

Для врахування структурно-механічних параметрів ДМ в роботі отримано нові дискретні аналоги визначальних співвідношень (16) - (28) для прийнятих моделей деформування твердої фази, а саме: 1) пружно-пластичної (рівноважної) у циліндричній системі координат:

, (30)

де - коефіцієнт пластичного формоутворення заданого об'єму ДМ; - коефіцієнт пластичної об'ємно зсувної деформації; - коефіцієнт пластичної зміни об'єму ДМ, S_i - компоненти девіатора тензора напружень; твердої фази матеріалу. Як видно з (30) у випадку К_f=K_s=K_p=0 маємо матрицю пружних властивостей [D^e] твердої фази ДМ.

2) пружно - в'язко - пластичної (нерівноважної) у циліндричній системі координат:

, (31)

де

Алгоритмічна модель, що розроблена у вигляді багато етапної ітераційної процедури, реалізована у вигляді автоматизованої інструментальній системі PLAST-002 (цифрова модель), яка має «дружній» піктограмний інтерфейс і дозволяє у діалоговому режимі ефективно виконувати необхідні сценарії роботи. Вона складається з наступних основних підсистем: 1) графічного редактора для створення геометричної моделі ОД; 2) сіткового генератора для автоматизованого генерування скінчено-елементної моделі ОД; 3) завдання граничних та початкових умов згідно розрахункової схеми ОД; 4) обчислювального процесора, що реалізує рівноважні (YPPPOR.exe) та нерівноважні (YVPPOR.exe) режими деформування ДМ з відповідними розрахунками технологічних параметрів; 5) візуалізації результатів розрахунків у вигляді кольорової карти досліджувальних функцій; 6) монітора, що здійснює взаємодію підсистем; 7) базу даних для зберігання результатів обчислювальних експериментів.

У четвертому розділі наведено приклади практичного використання розроблених методологічних (рис. 2-4) та інструментальних (рис. 5) розробок для визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів типових технологічних операцій та елементів технологічного обладнання харчових та фармацевтичних виробництв, а саме:

1. Проектування формуючих пристроїв у процесах екструзії ДМ. Згідно загальної концепції розроблення ІТП технологічного обладнання (рис. 2), розроблено методику визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів процесів екструзії ДМ, згідно якої проведено комплекс проектувальних розрахунків при розгляданні технологічних операцій:

· оброблення тіста екструзією при виготовленні джгутів різного діаметру;

· екструзії мас з праліне у виробництві пралінових сортів цукерок;

· коекструзії для виготовлення тісто-фаршевого джгута;

· грануляції дисперсних матеріалів екструзією.

При створенні математичних моделей цих процесів були розроблені спеціальні аналітичні та алгоритмічні моделі, що дозволили врахувати конструктивні параметри формуючих матриць та технологічні особливості їх взаємодії з матеріалом сировини в процесі екструзії. Створення на їх основі відповідних спеціальних цифрових підсистем з подальшою їх компіляцією з базовими робочими блоками і системними бібліотеками дозволило розробити модернізований проблемно-орієнтований варіант цифрової моделі PLAST - EXTR - 002. Основні результати обчислювальних експериментів полягають у: - визначенні взаємозв'язку між тиском нагнітання сировини та конструктивними параметрами пристроїв; - дослідженні швидкості руху джгута на виході з матриці (продуктивності) в залежності від умов контактного тертя; - аналізі розподілення напружень в об'ємі ДМ, що дозволяє обґрунтувати навантаження на елементи обладнання та прогнозувати якість готових виробів; - визначенні тисків нагнітання сировини у отвори матриці гранулятора та відповідних експлуатаційних режимів вузла пресування для різних конструктивних варіантів.

2. Проектування шнекових пристроїв в процесах транспортування та пресування харчових матеріалів. Згідно методики визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів розроблено розрахункову схему, яка дозволяє врахувати геометричні розміри міжвиткового простору шнека та відповідного спіралеподібного характеру руху ДМ.

Для цього прийнято припущення про ототожнення руху матеріалу у міжвитковому просторі шнека з рухом матеріалу у каналі змінного перерізу, який відповідає формі розгорнутого у пряму лінію спіралеподібного міжвиткового каналу шнека. Розрахункова схема поведінки матеріалу при такому русі базується на умовному відокремленні процесу стискання матеріалу у каналі від його транспортування вздовж каналу. Це дозволяє спростити формулювання граничних умов при розробленні відповідної математичної моделі. Альтернативний варіант розрахункової схеми поведінки ДМ у шнековому пристрої прийнятий у вигляді дископодібного зразка з розмірами, що змінюються відповідно до зміни міжвиткового простору шнека. Використання запропонованих розрахункових схем привело до розроблення відповідної проблемно - орієнтованої цифрової моделі PLAST-002-SNEC, яка призначена для проведення обчислювальних експериментів пресування та транспортування ДМ у шнекових пресах.

З використанням вищезазначених методологічних розробок виконано комплекс проектувальних робіт, що спрямовані на підвищення експлуатаційних показників маслопресу РЗ-МШП виробництва ВАТ «Ізмаїльський завод ремонтно-технологічного обладнання». Реальні конструктивні параметри зони пресування преса відображені у розрахунковій схемі з відповідними геометричними параметрами, що відображають зміну міжвиткового простору. При заданих структурно-механічних параметрах мезги на вході у ділянку пресування шнека (густина 570 кг/м³, модуль пружності твердої фази 17 МПа, граничні напруження на зсув твердої фази 1.8 МПа, об'ємний вміст твердої фази 40%) проведено комплекс обчислювальних експериментів по визначенню основних технологічних параметрів: зміни максимального тиску Р у міжвитковому просторі, модуля максимальної швидкості u виходу рідкої фази (олії) скрізь частки твердої фази мезги та значення середньої густини мезги . Характер розподілення тиску по перерізу каналу свідчить, що максимальне його значення суттєво залежить від кута між поверхнями витка та валу шнека.

Залежність між довжинами каналу Y і шнека L використовується для перерахунку параметрів пресування у геометричній системі «шнек-канал». Визначено час проходження частки матеріалу по шнеку (згідно складає 39,5с).

Продуктивність шнекового преса в залежності від його конструктивно-технологічних параметрів визначається співвідношенням

В наведених залежностях щ та F(x) частота обертання (с^-1) валу та площа перерізу шнекового каналу відповідно.

Аналогічні проектні розрахунки виконані для процесів пресування бурякових сокостружкових сумішей у пресово-дифузійних технологіях виробництва цукру та транспортування м'ясу у м'ясорізальних вовчках.

3. Проектування м'ясо-різальних вовчків в процесах подрібнення м'ясу. Процеси подрібнення м'ясу, що реалізуються у м'ясо різальних вовчках, можна розділити на таки основні технологічні операції: транспортування (або нагнітання); різання; екструзія; пресування. Особливістю такої технології є зниження до мінімуму ефектів пресування (для збереження рідкої фази в продукті) сировини при проходженні крізь отвори решітки (екструзії). Вважаємо, що під дією тиску нагнітання відбувається деформування та переміщення фаршу в отворі решітки на величину l (рис. 19). Від конструктивних параметрів решітки, а саме діаметра отворів і товщини решітки залежать показники якості процесу подрібнення, а саме дисперсність готового продукту (фаршу) і його волого-місткість. Ці параметри є визначальними для розрахунку тиску, що забезпечує раціональний режим проходження сировини крізь отвори решітки. Цей тиск, у свою чергу, обумовлює деформацію (прогин) решіток, яка при певних значеннях може суттєво погіршувати процес різання сировини. Одним з основних параметрів, що визначається в результаті моделювання процесу екструзії м'ясного фаршу є переміщення матеріалу в отворі решітки за певний проміжок часу, який відповідає часовому інтервалу між проходженням будь-яких сусідніх лез ножа відносно конкретного отвору решітки (рис. 19).

Для визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів процесів подрібнення м'ясу згідно загальної концепції розроблення ІТП технологічного обладнання (рис. 2,3) розроблена методика, яка враховує всі основні конструктивно-технологічні параметри, а саме: діаметр отворів решітки, їх загальну кількість та розташування; ширину перемички між отворами решітки; геометричні параметри ножів, частота їх обертання щ та кількість ріжучих лез n_p; структурно-механічні характеристики сировини; продуктивність та ін. Розроблена алгоритмічна модель зводиться до послідовності наступних етапів:

...