РАЗДЕЛ 2
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ.
Благодаря известным работам [16, 18, 19, 29, 31, 52] в развитии теории и техники воздействий механических колебаний на технологические процессы достигнуты определенные успехи. Однако разработать общий подход к решению задач этой теории, при котором были бы воедино связаны все аспекты этой проблемы, пока не удается. Настоящая работа представляет собой попытку в первом приближении наметить такой подход на основе результатов изучения влияния механических колебаний на ряд процессов пищевой технологии. Хотя предлагаемые аналитические решения не являются строгими, их использование позволило дать объяснение некоторым важным экспериментальным фактам. Теоретические предпосылки, изложенные в этом разделе, адекватны полученным нами экспериментальным данным.
2.1. Теоретическое обоснование интенсификации процесса мойки пищевого сырья с помощью механических колебаний и параметров работы моечной машины с вибрирующим рабочим органом.
Математическое описание процесса, создание математической модели, отражающей физические, в основном механические, взаимодействия в процессе мойки пищевого сырья возможно только после уяснения физической сущности процесса, т.е. взаимодействия всех участвующих в процессе тел и сред.
Изучение особенностей механизма мойки показывает, что процесс удаления слоя загрязнений может быть разделен на несколько стадий. На первой стадии происходит образование трещин грязевой пленки, на второй - разрыв сплошности пленки на фрагменты, а на третьей - разрывы образовавшихся фрагментов и их унос с поверхности очищаемого изделия с потоком жидкости.
Мойка в вибрационном поле сопровождается значительным ускорением процессов растворения пленки загрязнения, что обусловлено импульсным воздействием жидкости на пленку и действием переменных давлений на границе жидкость - твердое тело. При этом создаются высокие вибрационные ускорения, способствующие отрыву частиц загрязнений, слабо связанных с очищаемой поверхностью продукта, а также увеличению диффузии моющей жидкости в поры и трещины, образующиеся на поверхности пленки загрязнений. Последнее в свою очередь приводит к увеличению поверхности контакта слоя загрязнений с жидкостью. Образование пор и трещин на поверхности пленки загрязнений субпродуктов вызывается соударениями тел с поверхностью перфорированных поворотных лотков при вибротранспортировании, их деформацией под воздействием вибрации лотков, а также падением тел при их переориентировании с одного лотка на другой.
С целью определения импульса мгновенных сил давления и влияния высоты падения на его величину рассмотрим процесс переориентирования тела (куска субпродукта) при его падении с предыдущего лотка на последующий (рис. 3.5 - 3.7). При этом происходит прямой упругий удар тела массой о поверхность массы лотка (бесконечной по сравнению с массой тела).
Применяя теорему об изменении кинетической энергии, имеем
где - масса тела; - скорость тела в момент соприкосновения с поверхностью лотка; - составляющая скорости вибротранспортирования тела по вертикали; - высота падения тела; - ускорение свободного падения.
Отсюда .
На основании теоремы об изменении количества движения получаем формулу для импульса мгновенных сил давления
,
где - импульс мгновенных сил давления; - масса лотка; - составляющая скорости движения нижнего лотка по вертикали до удара.
Принимая, что а , окончательно получим
Аналогичным образом, используя уравнение изменения количества движения можно определить импульс, действующий на тело во время его соударения с лотком при вибротранспортировании.
Таким образом, использование низкочастотных механических колебаний (вибраций) позволяет увеличить количество контактов и поверхность соприкосновения продукта с вибрирующей поверхностью лотков, нарушить целостность пленки загрязнений, увеличить поверхность ее контакта с жидкостью и, следовательно, значительно интенсифицировать процесс мойки пищевого сырья.
2.1.1. Определение скорости вибротранспортирования и производительности.
Анализ процессов мойки разнообразного пищевого сырья показывает, что наиболее рациональным направлением совершенствования этого процесса является разработка новых вибрационных машин с рабочим органом, передающим колебания непосредственно продукту. При моделировании вибротранспортирования субпродуктов на вибрирующей шероховатой плоскости при их струйной мойке следует прежде всего определить ряд важных показателей процесса: скорость транспортирования, произво-дительность, мощность и параметры вибрации.
Производительность вибрационных моечных машин зависит от скорости перемещения продукта по вибрирующей поверхности. Эта скорость, в свою очередь, определяется законом, величиной амплитуды, частоты и направлением колебаний рабочего органа, углом наклона его к горизонту и пр. На движение продукта по вибрирующей поверхности влияет его вязкость, высота слоя, форма частиц продукта, влажность, липкость и упругость частичек, силы внутреннего и внешнего трения, воздухопроницаемость и прочие факторы. Такое многообразие факторов, которые определяют процесс мойки при вибрационном транспортировании, затрудняет его исследование аналитическими методами и ставит известные границы использования и обобщения результатов экспериментов.
С целью интенсификации процесса мойки аналитическое исследование транспортирования продукта в рабочем органе машины должно предусматривать виброперемещение в режиме непрерывного, интенсивного подбрасывания и состоять из быстрых малых перемещений отдельных частиц, кратных периоду вынужденных колебаний.
Существующие способы определения средней скорости вибротранспортирования не дают достаточной точности, ввиду сложности определения промежутков времени нахождения продукта (в виде материальной точки) в свободном полете, совместном движении с лотком