Машина для зневоднення відходів харчових виробництв машина

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Вінницький національний технічний університет

Машина для зневоднення відходів харчових виробництв машина

Севостьянов Іван Вячеславович

Ольшевський Анатолій Ігорович

Анотація

Машина для зневоднення відходів харчових виробництв машина

Севостьянов Іван Вячеславович

доктор технічних наук, доцент, доцент кафедри металорізальних верстатів та обладнання автоматизованого виробництва,

Ольшевський Анатолій Ігорович

магістрант кафедри технології та автоматизації машинобудування,

Вінницький національний технічний університет

У статті приводиться схема високоефективного технологічного комплексу для віброударного зневоднення відходів харчових виробництв (спиртової барди, пивної дробини, бурякового жому, кавового шламу). Комплекс забезпечує високу продуктивність робочого процесу при його порівняно низькій енергоємності та значному ступеню зневоднення відходів. Наводяться залежності для визначення робочих параметрів віброударного зневоднення.

Ключові слова: віброударне зневоднення, відходи харчових виробництв.

Аннотация

Севостьянов Иван Вячеславович

доктор технических наук, доцент, доцент кафедры металлорежущих станков и оборудования автоматизированного производства,

Ольшевский Анатолий Игоревич

магистрант кафедры технологии и автоматизации машиностроения,

Винницкий национальный технический университет

В статье приводится схема высокоэффективного технологического комплекса для виброударного обезвоживания отходов пищевых производств (спиртовой барды, пивной дробины, свекольного жома, кофейного шлама). Комплекс обеспечивает высокую производительность рабочего процесса при его сравнительно низкой энергоемкости и значительной степени обезвоживания отходов. Приводятся зависимости для определения рабочих параметров виброударного обезвоживания.

Ключевые слова: виброударное обезвоживание, отходы пищевых производств.

The summary

MACHINE FOR DEHYDRATION OF A WASTE OF FOOD PRODUCTIONS

Sevostyanov I. V.

doctor of technical science

senior lecturer of chair metal-cutting machine tools and the equipment of the autmated manufacture,

Vinnitsa national technical university

Olshevsky A. I.

magistrant of chair of technology and automation of mechanical engineering

Vinnitsa national technical university

The scheme of a highly effective technological complex for vibro-blowing dehydration of a waste of food manufactures (spirit bards, beer pellet, beet press, coffee slime) are presented in this article. The complex provides high efficiency of working process at its rather low power consumption and considerable degree of dehydration of a waste. Dependences for definition of working parameters vibro-blowing dehydration are resulted.

Keywords: vibro-blowing dehydration, a waste of food manufactures.

1. Постановка проблеми

віброударний зневоднення спиртовий жом

В наш час актуальною проблемою вітчизняної харчової промисловості є проблема ефективної утилізації відходів (спиртової барди, пивної дробини, бурякового жому тощо), які в основному виливаються на ґрунт, що призводить до забруднення довкілля. Але у випадку зневоднення цих відходів, вони можуть використовуватись як цінна добавка до сільськогосподарських кормів або в якості добрив. Отже розробка і впровадження раціональних способів зневоднення відходів харчових виробництв та обладнання для їх реалізації дозволять розв'язати описану вище проблему з мінімальними негативними наслідками для навколишнього середовища та одержанням харчовими підприємствами додаткового прибутку від реалізації корму або добрив.

Основними задачами, що розв'язуються під час розробки способів та обладнання для зневоднення, є: забезпечення високої продуктивності та низької енергоємності робочого процесу, компактності, надійності та дешевини використовуваного обладнання, а також мінімальної кінцевої вологості оброблюваних відходів. Розв'язання вказаних задач дозволить ефективно вирішити проблему утилізації відходів харчових виробництв.

2. Аналіз останніх досліджень і публікацій

На даний момент відомо багато способів зневоднення вологих дисперсних матеріалів на обладнанні різних типів, серед яких одним з найбільш ефективних є спосіб віброударного зневоднення на машинах з гідроімпульсним приводом (ГІП) [1]. За результатами проведених нами експериментальних досліджень та розрахунків [1], вказаний спосіб забезпечує достатньо високу продуктивність робочого процесу за зневодненим матеріалом (1 - 10 т/год - для кавового шламу, бурякового жому та спиртової барди), малу енергоємність зневоднення - 90 кВт·год/т видаленої рідини (для порівнянні при вакуумному випарюванні аналогічних відходів енергоємність сягає 740 - 760 кВт·год/т, а при використанні розпилювальних, барабанних, вальцьових сушарок - до 2500 кВт·год/т), низьку кінцеву вологість відходів (20 - 24% проти 30 - 76% - при зневодненні на шнекових пресах і декантерних центрифугах). Крім цього, за конструктивною складністю, габаритами та надійністю машини для віброударного зневоднення є адекватними іншому відомому обладнанню для механічного зневоднення. Пропоновані машини практично не містять деталей з дорогих легованих сталей, мідних та латунних сплавів, які є основними в конструкції обладнання для термічного, хімічного та біологічного зневоднення, що обумовлює високу вартість останнього [1].

3. Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми та мета статті

Але для забезпечення вказаних вище високих параметрів ефективності машин для віброударного зневоднення потрібно розробити їх раціональні схеми, а також залежності для визначення робочих параметрів досліджуваних процесів, що й є метою статті.

4. Виклад основного матеріалу

На рис. 1 представлена схема технологічного комплексу в складі шнекового преса та вібропресової машини з ГІП для зневоднення. Відходи подаються через патрубок 13 шнекового преса, шнек 10 якого безперервно обертається (привод забезпечує електродвигун 16 через пружну муфту 15 і редуктор 14). Шнек подає відходи уздовж внутрішнього циліндра 11, створюючи в їх середовищі деякий статичний тиск рш.п. Віджата з відходів рідка фаза проходить через дрібні наскрізні отвори в стінках циліндра 11, закриті зсередини металевою фільтрувальною сіткою (отвори і сітка на схемі не показані), збирається у зовнішньому циліндрі 12 і далі через отвір в останньому стікає в бак 18, звідки йде на фільтрування [1]. Попередньо зневоднені відходи подаються через патрубок 19 і гумовотканинний рукав 20 у прес-форму 21 вібропресової машини з ГІП для остаточного зневоднення [1]. Циліндр 12 шнекового преса жорстко закріплений на станині 17.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

До прес-форми 21 прикріплені чотири пластини 1 (див. розріз А - А на рис. 1), з якими, у свою чергу, жорстко зв'язані штифти 28. У прес-форму 21 зверху вільно входить пуансон 8. Між пуансоном і прес-формою установлені пружини 27, одягнені на штифти 28, що вільно входять в отвори пуансона 8 (див. розріз Б - Б на рис. 1). У прес-формі 21 виконана велика кількість наскрізних отворів діаметром 2 - 3 мм, закритих зсередини металевою фільтрувальною сіткою (на схемі не показані). Ліворуч за схемою до прес-форми 21 прикріплений жолоб 2 (див. розріз В - В на рис. 1). Пуансон 8 навантажений зверху інерційними масами 40, кількість яких можна змінювати. Прес-форма 21 закріплена на вібростолі 26, що, у свою чергу, зв'язаний із плунжером гідроциліндра 25 ГІП. Станина вібропресової машини складається з верхньої 41, середньої 4 і нижньої 6 поперечин. Верхня і середня поперечини з'єднуються чотирма колонами 39, а середня і нижня поперечини - колонами 5. Станина спирається на чотири віброопори 7. Вібростіл 26 підпружинений відносно середньої поперечини 4 чотирма пружинами 24. Знизу вібростіл 26 притискається до бурта поперечини 4 і до чотирьох упорів 23. На поперечині 4 під вібростолом 26 установлений бак 22. Пуансон 8 переміщається по колонах 39 (див. розріз В - В на рис 1). На верхній поперечині 41 установлений допоміжний гідроциліндр 42, шток якого зв'язаний з пуансоном 8. ГІП вібропресової машини складається з насоса 32 з фільтром у всмоктувальній гідролінії, одноциклового рідинного гидроакумулятора 33, запобіжного клапана 29, регулятора витрат 30, двопозиційного дволінійного гідророзподільника 31 з електромагнітним керуванням та двокаскадного трилінійного віброзбуджувача 34, підключеного за схемою «на вході» [2]. Привод допоміжного гідроциліндра 42 включає насос 36 з фільтром 37 у всмоктувальній гідролінії, переливний клапан 35 та двопозиційний чотириходовий гідророзподільник 38 з електромагнітним керуванням.

Працює вібропресова машина в такий спосіб. При включеному насосі 32, закритому гідророзподільнику 31 (верхня позиція за схемою) і закритому вібровозбуджувачі 34 (верхня позиція за схемою) робоча рідина від насоса надходить у порожнину гідроакумулятора 33, тиск у якому збільшується. При досягненні максимального значення тиску (р1 = 11 - 14 МПа), величину якого можна точно попередньо налаштовувати, віброзбуджувач 34 відкривається (нижня позиція за схемою) і робоча рідина від насоса 32 і з порожнини гідроакумулятора 33 під вказаним тиском надходить до робочої порожнини гідроциліндра 25. Плунжер останнього швидко переміщується вверх, долаючи зусилля попереднього стискання пружин 24. Разом із плунжером переміщуються прес-форма 21 з порцією відходів 9, пуансон 8 з масами 40, шток і поршень допоміжного гідроциліндра 42. При падінні тиску робочої рідини на вході у віброзбуджувач 34 до мінімальної величини (р2 = 4 - 5 МПа) віброзбуджувач закривається (верхня позиція за схемою), з'єднуючи порожнину гідроциліндра 25 зі зливом. Тиск в останньому також зменшується до величини тиску рб у зливному баку, в результаті чого плунжер, вібростіл 26, прес-форма 21 з відходами 9, що зневоднюються, пуансон 8 з масами 40, а також шток і поршень гідроциліндра 42 під дією власної сили ваги і сили пружності стиснених пружин 24 повертаються у вихідне нижнє положення з ударом вібростолу 26 наприкінці холостого ходу об бурт поперечини 4 та об упори 23. Даний ударний імпульс передається відходам 9 і пуансону 8, що стискає пружини 27 і забезпечує додаткове навантаження відходів зверху. Тим часом у нагнітальній гідролінії насоса 32 знову починається етап збільшення тиску з повторенням описаного циклу спрацьовування ГІП. Таким чином, при періодичному збільшенні і зменшенні тиску робочої рідини в порожнині гідроциліндра 25, вібростіл 26 і зв'язані з ним рухомі елементи, у тому числі відходи 9, здійснюють вертикальні зворотно-поступальні переміщення з частотою н до 60 Гц і амплітудою zа до 4 мм (дані параметри можна безступінчасто регулювати за допомогою віброзбуджувача 34 і регулятора витрат 30). В результаті відходи 9 у прес-формі 21 піддаються віброударному навантаженню, що сприяє видаленню з них рідкої фази. Остання витікає через фільтрувальну сітку й отвори в прес-формі 21 і збирається в баку 22, з якого йде на фільтрування. Зневоднений концентрат витискається з прес-форми на жолоб 2 і далі скидається на стрічковий конвеєр 3, по якому подається на сушіння. Привод допоміжного гідроциліндра 42 слугує для піднімання й опускання пуансона 8 з масами 40 з метою періодичного (раз у зміну) очищення прес-форми 21 від залишків відходів 9, а також при необхідності для забезпечення статичного притискання пуансона 8 до порції відходів 9 у прес-формі 21 у процесі їх зневоднення. Для підйому пуансона 8 необхідно від'єднати від нього рукав 20, запустити насос 36 і переключити золотник гідророзподільника 38 у нижню за схемою позицію. Тоді робоча рідина від насоса 36 буде подаватись під тиском у штокову порожнину гідроциліндра 42, а поршнева порожнина останнього буде з'єднана зі зливом. Тиск робочої рідини в штоковій порожнині буде зростати, а в поршневий зменшуватись. В результаті поршень та шток гідроциліндра 42 і разом з ними пуансон 8 з вантажами 40 піднімуться вверх. Для опускання пуансона гідророзподільник 38 перемикається у верхню за схемою позицію.

Робоча рідина від насоса 36 при цьому подається в поршневу порожнину гідроциліндра 42, тоді як його штокова порожнина сполучається зі зливом.

Для створення додаткового статичного притискання пуансона 8 до порції відходів 9 переливний клапан 35 налаштовують на певний тиск рпр, що відповідає заданому зусиллю притискання і при увімкненому насосі 36 перемикають гідророзподільник 38 у верхню за схемою позицію.

Одним з основних робочих параметрів процесів віброударного зневоднення відходів харчових виробництв, від якого залежіть його продуктивність, є тиск рв у середовищі порції 9 відходів у прес-формі 21.

Але величина рв буде змінюватись у продовж кожного циклу віброударного навантаження порції 9 та по об'єму останньої.

У поперечному перерізі прес-форми 21 (див. розріз А - А на рис. 1) максимальні значення рв будуть у шарах порції, що безпосередньо прилягають до днища прес-форми (тиск рвІ.тах) та до пуансона 8 (тиск рвІІ.тах) в момент часу початку переміщення вібростолу 26 вверх.

При цьому з достатньо високою для проектних розрахунків точністю значення рвІ.тах, рвІІ.тах можна розрахувати за формулами

(1)

де рг.тах - максимальний тиск у порожнині гідроциліндра 25 ГІП, який приблизно дорівнює р1; Sпл, Sп, Sш.д - площі поперечного перерізу плунжера гідроциліндра 25, прес-форми 21 (пуансона 8) та ефективної площі поршня з боку штокової порожнини гідроциліндра 42; сп, z0п - коефіцієнт жорсткості та попереднє стискання пружин 24; тІІ - маса верхнього виконавчого елемента вібропресової машини, що включає маси пуансона 8, інерційних мас 40, поршня і штока допоміжного гідроциліндра 42; g - прискорення сили тяжіння; аІІ - прискорення маси тІІ (під час проведення проектних розрахунків значення прискорень виконавчих елементів вібропресових машин з ГІП можна наближено приймати рівними (8 ч 10) g [2]; Rк,у - сумарна сила сухого тертя між колонами 39 та пуансоном 8, між штифтами 28 та пуансоном 8, а також в ущільненнях поршня і штока допоміжного гідроциліндра 42 (згідно із розрахунками [2], проведеними для вібропресових машин різного призначення, величину Rк,у з високим ступенем наближення можна прийняти рівною 1/10 значення рушійного зусилля

Fр = .

Размещено на http: //www. allbest. ru/

На рис. 2, а представлена аналітична залежність зміни тиску рв.тах у поперечному перерізі порції відходів у прес-формі по висоті останньої, на початку циклу віброударного навантаження. Як показали розрахунки [1] величина рвІ.тах є дещо більшою за рвІІ.тах. Крім цього, очевидно що у середніх шарах порції тиск рв.тах є меншим за рвІ.тах, рвІІ.тах, у зв'язку із втратами енергії на пружне і в'язке демпфірування у середовищі порції. Однак при незначній висоті порції Нп зменшенням рв.тах у середніх перерізах можна знехтувати.

На рис. 2, б представлена аналітична залежність зміни рв.тах по довжині Lп порції у шарі відходів, що безпосередньо прилягає до днища прес-форми на початку циклу віброударного навантаження. І ця залежність є також нелінійною. Максимальним значення рв.тах буде в точці на вертикальній осі порції:

рв.тах = рвІ.тах.

На вході у прес-форму у перерізі з'єднання останньої з гумовотканинним рукавом 20 (див. рис. 1) тиск рв.тах буде приблизно відповідати тиску на виході шнекового преса:

рв.тах.вх = рш.п.

На виході з прес-форми у перерізі приєднання жолоба 2 тиск рв.тах дорівнюватиме атмосферному тиску:

рв.тах.в = р0.

Ще одним важливим робочим параметром процесів віброударного зневоднення, від якого також значною мірою залежіть їх ефективність є частота н коливань вібростолу 26 (див. рис. 1) [1]. Як відомо, частота н є зворотно-пропорціональною періоду коливань Т, який для розглядуваної гідросистеми відповідає тривалості Тц циклу спрацьовування ГІП. Отже

(2)

Тривалість Тц, в свою чергу, складається з часу tн.т набору тиску у об'ємі Wо.а ГІП, що акумулює від р2 до р1 та часу tз.т зменшення тиску від р1 до р2. Об'ем Wо.а включає внутрішній об'єм Wа гідроакумулятора 33 та об'єми гідроліній довжинами lн1, lн2, з площами прохідних перерізів fн1, fн2, які з'єднують насос 32 з гідроакумулятором 33 та віброзбуджувачем 34. Тобто

(3)

Час tн.т наближено визначаємо за допомогою формул [3]

(4)

де ДWо.а - збільшення об'єму робочої рідини в об'ємі Wо.а, що забезпечується за рахунок подачі Qн насоса 32 та призводить до збільшення тиску

Др = р1 - р2;

Qр.в - витрати робочої рідини, що зливається через площу прохідного перерізу fр.в регулятора витрат 30; Ко.а - зведений модуль об'ємної пружності об'єму Wо.а [3], що можна визначити за формулами [1, 3]

; (5)

де Кр.а.ср - середня величина адіабатного модуля об'ємної пружності робочої рідини в об'ємі Wо.а при зміні тиску від р1 до р2; Кр.а1, Кр.а2 - адіабатні модулі пружності при тисках р1 і р2 з урахуванням вмісту нерозчиненого повітря; Wp, Wг - відповідно, об'єми рідинної і газової фаз робочої рiдини при атмосферному тиску р0; Kн1, Kн2, Kа - зведені модулі об'ємної пружності стінок гідроліній і порожнини об'єму Wо.а; Kм - модуль об'ємної пружності матеріалу гідролінії або порожнини; дн1, дн2, да, dн1, dн2, dа - товщини стінок та діаметри гідроліній і порожнини об'єму Wо.а.

Інші параметри у формулах (4) визначаємо таким чином [3]

 , (6)

де мр.в - коефіцієнт витрат регулятора витрат [3]; ср - густина робочої рідини.

З формул (4) отримуємо

(7)

Після підстановки у (7) формул (5, 6) можна розрахувати tн.т. За результатами експериментів [1] значення tз.т для вібропресових машин з ГІП з віброзбуджувачем «на вході» [2], незалежно від їх призначення складає

(8)

Для визначення амплітуди zа коливань вібростолу складаємо рівняння руху виконавчих елементів вібропресової машини на етапі їх переміщення з граничного нижнього у граничне верхнє положення

(9)

де тІ - маса нижнього виконавчого елемента машини, що включає маси плунжера гідроциліндра 25, вібростолу 26, прес-форми 21 та порції відходів 9.Розв'язуючи рівняння (9) чисельними методами на комп'ютері при

визначаємо .

Висновки і пропозиції

1. Одним з найбільш ефективних способів зневоднення відходів харчових виробництв за продуктивністю, енергоємністю та кінцевою вологістю відходів, що забезпечується, є спосіб віброударного навантаження на вібропресових машинах з ГІП, що відрізняються компактністю, надійністю та порівняно невисокою вартістю.

2. Для реалізації пропонованого способу авторами розроблені схема високоефективного комплексу в складі шнекового преса та вібропресової машини з ГІП, а також методика розрахунку основних робочих параметрів останньої, впровадження яких на підприємствах харчової промисловості України дозволить ефективно розв'язати проблему утилізації їх відходів.

Список літератури

1. Севостьянов И. В. Процессы и оборудование для виброударного разделения пищевых отходов. Монография/ И. В. Севостьянов. - Saarbrьcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 417 с.

2. Искович-Лотоцкий Р. Д. Машины вибрационного и виброударного действия/ Искович-Лотоцкий Р. Д., Матвеев И. Б., Крат В. А. - Киев: Технiка, 1982. - 208 с.

3. Башта Т. М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы/ Т. М. Башта, Б. Б. Некрасов. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

Размещено на Allbest.ru