ANALYSIS OF OPERATION AND RESEARCH OF THE ENERGY CHARACTERISTICS ROTARY DISPERSER
Abstract and keywords
Abstract (English):
The article deals with issues related the use of rotary pulsating apparatus as dispersants, in the processing of liquid dispersions containing dietary fiber. Considerable intensification of the milling process can be achieved by conducting the process in a liquid medium, the process efficiency is improved due to the action of water due to mechanical activation disperse systems to be treated. An approach to determining the energy balance of the components in terms of physical size, easily accessible for direct measurements without the use of specialized tools and methods and binding costs of available capacity on the dispersion of the characteristics of the process - the multiplicity of processing and degree of grinding object of study is a model mixture is a suspension of the pulp of carrots water in a concentration of 5 mass%. The duration of exposure to the treated product is characterized by the multiplicity of treatment, depending on which determines the amount of power consumed by the device when idling and in the processing of model mixture. Determined experimentally, depending on the frequency of spraying, the following quantities characterizing the dispersion process: the temperature of the mixture model, the efficiency of the grinding process, the degree of crushing. Presented in the integral characteristic relates the specific energy consumption for the dispersion process with a degree of grinding and allows comparative analysis with other designs of dispersants. It is found that the dispersion process effectively proceeds up to a value of the multiplicity of processing, when reaching a number of useful consumed power remains practically constant, which does not lead to an increase of fineness, consumption unit power consumed only to move the product to be treated, and further increase the degree of crushing can be achieved by increase the speed of the rotor. On the basis of analysis of experimental data generated for ways to reduce dispersion of the expenditure of energy.

Keywords:
The rotary-pulsation device, dispersion, dispersions with dietary fiber, energy costs
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение Одним из процессов, широко используемых в пищевой промышленности, является диспергирование - сокращение крупности исходного сырья до размеров частиц, соответствующих технологии переработки или до потребительских размеров. Процесс диспергирования растительного сырья характеризуется значительными затратами подво- димой энергии, что обусловлено высокой струк- турной прочностью и анизотропией свойств. Высо- кая прочность растительного сырья связана с осо- бенностями морфологического строения расти- тельной ткани, обусловлена наличием твердой не- растворимой клеточной стенки, состоящей главным образом из целлюлозы, погруженной в полисаха- ридный матрикс из гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Целлюлозный каркас обеспечивает проч- ностные свойства растительной ткани, а полисаха- ридный матрикс - ее упругие свойства. Любой процесс разрушения (образования новой поверхности в твердом теле), независимо от пере- рабатываемого сырья, характеризуется очень низкой энергетической эффективностью. Согласно теории П.А. Ребиндера, в поверхностную энергию преобразуется только избыток энергии упругой деформации, накопленной материалом, отсюда КПД процесса составляет менее 1 % [1]. Одним из путей интенсификации разрушения твердых тел является осуществление процесса в среде жидко- сти, причем для пищевых материалов таковой в наилучшем случае является вода и ее растворы. При этом эффективность процесса повышается за счет механоактивирующего действия воды в дис- персных системах, подвергаемых обработке. Влия- ние концентрации влаги в растительных дисперс- ных системах велико. При насыщении водой сни- жается прочность адгезионного взаимодействия растительных структур. Вода повышает подвиж- ность связей, снижает энергию поверхностных вза- имодействий, замещая более прочные межмолеку- лярные связи в биополимерах водородными [2]. При таком понижении адгезионной прочности це- лесообразно получать пюреобразные стерилизо- ванные продукты с заданной концентрацией сухих веществ, минуя стадию высушивания с целью кон- сервации или же низкотемпературного хранения. Кроме того, измельчение растительной клетчатки является непростой технологической проблемой. Целлюлоза (клетчатка) и пектиновые вещества от- носят к классу веществ, которые в настоящее время принято назвать пищевыми волокнами, они долж- ны обязательно входить в рацион питания человека в качестве компонента. Клетчатку также называют грубыми пищевыми волокнами, а пектиновые ве- щества - мягкими. Перспективным оборудованием для дисперги- рования растительного сырья в жидкой среде яв- ляются аппараты роторно-пульсационного типа (РПА), которые позволяют проводить процесс в условиях интенсивной гидромеханической актива- ции. Несмотря на распространенность РПА и их высокую эффективность, они обладают весьма су- щественным недостатком - большим энергопотреблением. Но вопросу энергетических затрат на процессы, протекающие в РПА, по настоящее вре- мя внимания уделялось недостаточно. Большинство представленных в литературе подходов к определению мощности либо матема- тически сложны, либо содержат значительное ко- личество экспериментально определяемых пара- метров, зачастую требующих применения доста- точно специализированных средств измерения вхо- дящих в них величин. Это делает затруднительным их использование при проведении инженерных расчетов [3]. В работе [4] автором предложена ме- тодика определения удельных затрат без значи- тельного количества конструктивных и режимных параметров работы аппарата по заданным техниче- ской характеристикой значениям производительно- сти и физико-механическим свойствам обрабатыва- емого материала - вязкостью и плотностью. Во многих работах [5, 6, 7], в балансе энергети- ческих затрат процессов, протекающих в РПА, включены затраты мощности на измельчение, но их относят к диссипативным потерям, а полезными считают затраты энергии на приведение материала в движение, создание напора, нагрев обрабатывае- мой среды. То есть РПА рассматривается главным образом как насос или нагнетатель. Процесс раз- рушения частиц дисперсной фазы в РПА весьма сложен, он может протекать в двух режимах: сдви- говом и кавитационном. Несмотря на то, что кави- тация является фактором, значительно интенсифи- цирующим процесс диспергирования, для пищевой промышленности работа аппарата в таком режиме не может являться приемлемой из-за жестких тре- бований к безопасности пищевых продуктов в от- ношении содержания металлических примесей. Поскольку при возникновении кавитационных яв- лений протекают процессы эрозийного разрушения рабочих органов [8], частицы материала рабочих органов попадают в конечный продукт. Исследова- телями отмечалось, что эффективная работа дис- пергатора возможна в режиме высоких сдвиговых деформаций [9] без кавитационных явлений. Для расчета оборудования для измельчения необходимо связывать затраты энергии с параметрами, характе- ризующими процесс измельчения, в первую оче- редь со степенью измельчения материала - главной количественной характеристикой процесса. Целью исследования является изучение работы РПА с позиции распределения энергии, определе- ние энергии, затраченной непосредственно на раз- рушение частиц дисперсной фазы в жидких дис- персных системах, содержащих пищевые волокна, изучение влияния параметров работы РПА на сте- пень измельчения. Объекты и методы исследований Для исследования процессов измельчения дисперсных систем, содержащих в своем составе пи- щевые волокна, была спроектирована, изготовлена и смонтирована экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. В состав установки входят: роторно-пульса- ционный аппарат, циркуляционная емкость, система соединительных трубопроводов с запорной ар- матурой. На линии подачи продукта из РПА в цир- куляционную емкость установлен ротаметр для контроля объемного расхода. Для пуска установки в работу и регулирования предназначен пульт управления, в состав которого входят: преобразова- тель напряжения, пусковая аппаратура, лаборатор- ный автотрансформатор и измерительный комплект К-505 для измерения потребляемой установки мощности. а б Рис. 1. Экспериментальная установка: а - принципиальная схема установки: 1 - РПА, 2 - циркуляционная емкость, 3 - ротаметр, 4 - пульт управления; б - рабочие органы аппарата Исследование процесса измельчения проводили при обработке модельной смеси, представляющей собой дисперсную систему (суспензию), дисперс- ную фазу которой составляет мезга моркови со средним размером частиц 0,7 мм и массовой кон- центрацией 5 %. Зазор между ротором и статором при этом сохранялся постоянным и составлял 1 мм. Полученной суспензией заполняли циркуляци- онный контур установки, необходимая частота вращения ротора устанавливалась при помощи лабораторного автотрансформатора. Отбор проб для микроскопического анализа размера частиц дис- персной фазы осуществляли при достижении тре- буемой кратности обработки. Частота вращения вала электродвигателя опре- делялась тахометром часового типа. Объемный расход определяли при помощи поплавкового ро- таметра LZM-20G производства компании Yuyao Kingtai Instrument Co. Ltd. Размер частиц мезги моркови определяли микроскопированием с ис- пользованием цифрового оптического микроскопа Bresser LCD и обработкой полученных микрофо- тографий с помощью программного обеспечения J Micro Visionv 1.27. Мощность, потребляемая аппаратом, определялась при помощи ваттметра, входящего в состав измерительного комплекта К-505. Результаты и их обсуждение Выделим основные виды энергозатрат в РПА. При обработке жидких дисперсных систем с твер- дой фазой в РПА полезно затрачиваемой энергией является работа на разрушение частиц дисперсной фазы, так как он является диспергатором по своему технологическому предназначению. Кроме того, значительная энергия затрачивается на перемеще- ние обрабатываемой среды через аппарат и нагрев обрабатываемого материала. Энергию, затрачиваемую на разрушение частиц дисперсной фазы в РПА WР, Дж, можно предста- вить в следующем виде Wр = Wо - (WП + WК) - Wт, (1) где WО - полная энергия, Дж; WП - работа, затрачиваемая на создание напора, Дж; WК - работа, затрачиваемая на сообщение потоку среды скорости, Дж; WТ - комплексные затраты энергии, выражен- ные нагревом среды, Дж. Энергия, затрачиваемая на создание напора WП, Дж, определяется по формуле WП = ∆П = (Рвых - Рвх) /ρg, (2) где ∆П - изменение потенциальной энергии потока среды; Рвых - давление в выходном патрубке аппа- рата, м; Рвх - давление во входном патрубке аппа- рата, м. Энергия, затрачиваемая на сообщение потоку обрабатываемой среды скорости WК, Дж, определя- ется по формуле Wк= ∆К = Нsс - Нsр, (3) где ∆К - изменение кинетической энергии потока среды; Нsс- скоростной напор в зоне между стато- ром и корпусом аппарата, Нsр - скоростной напор в полости ротора. Энергетические затраты на нагрев среды пред- ставим в следующем виде WТ = сpVΔt, (4) где с - удельная теплоемкость среды, кДж/(кг∙°С); ρ - плотность среды, кг/м3; ∆t - изменение темпе- ратуры среды при обработке, °С. Коэффициент полезного действия процесса раз- рушения η, %, определяется по формуле Т = Wр Wо ∙ 100%. (5) ханическую энергию, и ее механоактивация при установленных параметрах работы РПА завершена. В дальнейшем потребляемая мощность затрачива- Приняв, что потери в электродвигателе, приводном механизме и внутренние потери будут одинаковы как при работе аппарата под нагруз- кой при обработке дисперсной системы, так и при работе аппарата, заполненного водой, не со- держащей каких-либо частиц, затраты мощности на разрушение дисперсной фазы представим в следующем виде ется только на создание напора и перемещение об- рабатываемой среды через аппарат. На рис. 3 пред- ставлены графики зависимости температуры обра- батываемой среды в циркуляционной емкости в зависимости от кратности обработки. об об Wр = Wпр - Wв , (6) пр где W об - общие затраты энергии при обработке об дисперсной системы, Дж; Wв - общие затраты энергии при работе аппарата, заполненного водой, Дж. В качестве параметра, характеризующего про- должительность воздействия РПА на обрабатывае- мый материал, целесообразно использовать крат- ность обработки, представляющую собой количе- ство циклов, которое проходит объем материала через аппарат за определенный промежуток време- ни при заданной производительности и времени обработки. Кратность обработки Ко определяется следующим выражением: о К = Qт, (7) Vс где Q - объемный расход обрабатываемого продукта через аппарат, м3/с; т - время обработки, с; Vс - объем обрабатываемого продукта, м3. Предварительные эксперименты показали, что экспериментальный РПА достигает кавитационно- го режима при 1800-1900 об/мин. В этой связи определение потребляемой мощности проводили при постоянной частоте вращения ротора аппарата n = 1560 об/мин. Снятие показаний ваттметра про- изводили с интервалом 60 секунд. В дальнейшем показания времени были пересчитаны в кратность обработки в соответствии с формулой (7). На рис. 2 представлены графики зависимости потребляемой аппаратом мощности при работе ап- парата с водой, не содержащей посторонних включений - чистой жидкостью (кривая 2), с модельной смесью - суспензией с заданной концентрацией дисперсной фазы (кривая 1) и мощности, затрачи- ваемой на измельчение (кривая 3) в зависимости от кратности обработки при фиксированной частоте вращения ротора. При работе аппарата с модельной смесью затра- ты мощности линейно убывают при кратности об- работки в диапазоне от 0 до 100. При Ко > 100 за- траты мощности остаются постоянными, при этом процесс измельчения частиц дисперсной фазы пре- кращается и дальнейшее увеличение степени из- мельчения возможно при увеличении частоты вра- щения ротора. При работе аппарата с чистой водой стационар- ный режим работы аппарата достигается при крат- ности обработки более 40. Предположительно, чистая жидкость больше не поглощает внешнюю ме- Рис. 2. Зависимость мощности, потребляемой РПА, от кратности обработки: ■, ●,▲ - экспериментальные данные; ▬ аппроксимация; ■ - затраты мощности при работе аппарата с модельной смесью; ● - затраты мощности при работе аппарата с водой; ▲ - затраты мощности на измельчение дисперсной фазы Рис. 3. Зависимость температуры обрабатываемой среды от кратности обработки Из графиков на рис. 3 видно, что зависимость изменения температуры при работе с чистой водой и модельной смесью имеет одинаковый характер, что говорит о незначительном вкладе вязкости мо- дельной смеси (при используемой массовой кон- центрации) на затраты энергии на процесс переме- щения модельной смеси через аппарат. При обра- ботке модельной смеси затрачиваемая мощность с увеличением кратности обработки снижается главным образом за счет уменьшения размеров частиц дисперсной фазы. На рис. 4 представлена графическая зависи- мость КПД процесса диспергирования η, %, от кратности обработки модельной смеси в РПА. Рис. 4. Зависимость КПД процесса разрушения от кратности обработки модельной смеси в РПА Анализ графика показывает, что до кратности 40 процесс протекает нестационарно, что может быть пояснено одновременностью механоактива- ции дисперсионной среды и диспергированием дисперсной фазы. В дальнейшем диспергирование продолжается, и одновременно формируется струк- тура дисперсной системы на молекулярном уровне. Главным технологическим параметром для оценки работы и расчета диспергаторов является степень измельчения i, представляющая собой от- ношение среднего характерного размера частиц до и после измельчения. Для технологического расчета оборудования необходимо знать характер зависимости степени измельчения от продолжительности обработки. Определение размера частиц дисперсной фазы модельной смеси осуществляли с использованием программного обеспечения J Micro Vision 1.27. Ча- стицы дисперсной фазы модельной жидкости пред- ставляют собой тонкие хлопья различной формы и длины, поэтому в качестве параметра, характери- зующего размер частиц дисперсной фазы, исполь- зовался эквивалентный цилиндрический диаметр dэкв, мм, что позволит применять полученные дан- ные при дальнейших технических расчетах. Для проведения микроскопирования проводи- ли отбор проб исследуемой модельной смеси до обработки и при обработке с кратностью 32,5; 65; Микрофотографии получали при увеличении в 40 раз. Размер микрофотографий - 3264  2448 пикселей, разрешение - 72 пикселя/дюйм. Для перехода к физическим единицам измерения осуществлялась калибровка с использованием объекта-микрометра. На рис. 5 представлены микрофотографии ча- стиц дисперсной фазы модельной смеси при различной кратности обработки. а б в г Рис. 5. Микрофотографии частиц дисперсной фазы при различной кратности обработки в РПА: а - до обработки; б - Ко = 32,5; в - Ко = 65; г - К = 130 В результате обработки данных анализа микрофотографий в среде MS Excel были построены гистограмы распеределения частиц дисперсной фазы по размерам, представленные на рис. 6. дисперсной фазы составляет 0,26 мм, степень измельчения - 2,70. После 65 циклов обработки модельная смесь становится более гомогенной, содержание частиц размером до 0,10 мм составляет 94 %, средний размер частиц - 0,13 мм, степень измельчения - 5,46. После 130 циклов средний размер частиц дисперсной фазы составляет 0,12 мм, степень измельчения - 5,90. В диапазоне изменения кратности обработки с 65 до 130 не происходит значительного повышения а гомогенности модельной смеси и уменьшения среднего размера частиц, и, учитывая результаты определения мощности затрачиваемой на измель- чение, рационально прекратить процесс измельче- ния при Ко = 100, поскольку в дальнейшем процесс измельчения частиц дисперсной фазы не протекает, о чем говорит прямой участок на кривой 3 (рис. 2). Дальнейшего увеличения степени измельчения возможно достичь за счет увеличения градиента скоростей, которое достигается главным образом увеличением частоты вращения ротора. Для определения рациональных режимов работы б роторных диспергаторов необходимо иметь пред- ставление об удельных затратах энергии, затрачиваемой на измельчение единичного объема обрабатыва- емой дисперсной системы, в зависимости от степени измельчения и кратности обработки. Энергоемкость процесса диспергирования Э, кВт· ч / кг, с учетом степени измельчения i опре- деляют по формуле [10] Э = Nд , (8) Q∙i где Nд - затраты мощности на диспергирование, Вт; Q - производительность диспергатора, кг/ч. в В то же время полезная мощность затрачивается не только на измельчение дисперсной фазы, но и на изменение физико-механических свойств обрабатываемого продукта и структурообразование устойчивой дисперсной системы. Выразив производительность РПА из формулы пр (7) и приняв, что Nд = Wр = Wоб в Wоб , представим интегральные затраты энергии на диспергирование и образование устойчивой дисперсной си- стемы Nи, кВт· ч/м3 следующим образом: об об (Wпр -Wв ∙т Nи = . (9) К ∙V ∙i г о с Рис. 6. Гистограммы дисперсной фазы при разной кратности обработки Ко: а - до обработки; б - Ко = 32,5; в - Ко = 65; г - Ко = 130 Модельная смесь до обработки в РПА представляет собой полидисперсную систему, в которой присутствует 33,4 % частиц с размером более 1,00 мм. Средний размер частиц составляет 0,71 мм. После 32,5 циклов обработки содержание частиц с размером до 0,10 мм увеличивается приблизительно в два раза и состаляет 75 %, средний размер частиц После проведения расчета по формуле (9) для известных значений кратности обработки и соот- ветствующей ей степени измельчения получено следующее аппроксимирующее выражение: y = 1809,3x-1,064, с величиной достоверности R2 = 0,98. На рис. 7 представлена зависимость интеграль- ных затрат энергии на диспергирование и форми- рование дисперсной системы от кратности обра- ботки. Наиболее эффективно процесс диспергирования протекает до определенного значения кратности обработки, после которого дальнейшее увеличение времени работы аппарата при данной частоте вра- щения ротора не проводит к значительному приро- сту степени измельчения, поскольку количество по- лезно затрачиваемой мощности снижается, и про- цесс диспергирования практически прекращается. Рис. 7. Зависимость интегральных затрат энергии на диспергирование в РПА от кратности обработки По результатам проведенных экспериментов и их анализа можно сделать следующие выводы: предлагаемый подход к определению удель- ных энергозатрат связывает затраты полезной мощности на диспергирование с характеристиками процесса - кратностью обработки и степенью измельчения; с целью сокращения непроизводительных за- трат энергии на диспергирование гетерогенных систем рациональным будет проведение процесса в несколько этапов при различной частоте враще- ния ротора, необходимо для каждого материала определять время (либо кратность обработки), при котором процесс становится неэффективным по предложенной авторами методике; проведенные эксперименты показали, что в промышленных установках целесообразно исполь- зовать насосы, компенсирующие затраты энергии РПА на создание скоростного напора, что повысит эффективность РПА как диспергатора; предлагаемый подход к определению затрат мощности на измельчение частиц дисперсной фазы включает в себя параметры, легко доступные для непосредственного измерения и не требует приме- нения специализированных средств и методов из- мерения физических величин.
References

1. Popov A.M., Rudnev S.D., Rybina O.E. O selektivnom izmel'chenii, selektivnosti izmel'cheniya i selektivnoy funktsii [On the selective milling, grinding and selective selectivity function]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pishchevaya tekhnologiya [News institutes of higher Education. Food technology], 2006, no. 5, pp. 42-44.

2. Rudnev S.D., Vayman E.F., Yaremchuk A.I. Intensifikatsiya i povyshenie kachestva selektivnoy de-zintegratsii adgezionnym razuprochneniem rastitel'noy tkani [Intensification and quality improvement of selective disintegration with adhesive softening of plant tissue]. Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv [Food Processing: Techniques and Technology], 2010, vol. 17, no. 2, pp. 50-55.

3. Promtov M.A., Stepanov A.Yu., Aleshin A.V. Metody rascheta kharakteristik rotornogo impul'snogo apparata [Methods for calculating the rotary pulse machine]. Tambov: TGTU Publ., 2015. 148 p.

4. Chervyakov V.M., Yudaev V.F. Gidrodinamicheskie i kavitatsionnye yavleniya v rotornykh apparatakh [Hydrodynamic cavitation phenomena and in rotary machines]. Moscow: Mashinostroenie-1 Publ., 2007. 128 p.

5. Fesenko A.V. Analiz energeticheskikh kharakteristik rotornykh apparatov dlya gidrodinamicheskoy aktivatsii zhidkostey [Analysis of energy characteristics of rotary devices for hydrodynamic activation of liquids]. Visnik NTU «KhPI» [The Bulletin of NTU «KhPI»], 2015, no. 4, pp. 190-193.

6. Fesenko A.V., Lyubimyy Yu.N., Gasanov M.I. Osobennosti obrabotki zhidkostey v rotornykh akti-vatorakh [Features in rotary fluid handling activators]. Visnik NTU «KhPI» [The Bulletin of NTU «KhPI»], 2012, no. 53, pp. 19-30.

7. Ivanets V.N., Bakin I.A., Ivanets G.E. Intensifikatsiya protsessov gomogenizatsii i dispergirovaniya pri poluchenii sukhikh, uvlazhnennykh i zhidkikh kombinirovannykh produktov [Intensification of homogenization and dispersion processes when obtaining dry, moistened and liquid composite foodstuffs] Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv [Food Processing: Techniques and Technology], 2012, vol. 26, no. 3, pp. 34-45.

8. Volkov V.A. Effektivnost' sovremennogo oborudovaniya dlya proizvodstva zernovoy patoki [Effectiveness of modern equipment for grain molasses]. Mir nauki, kul''tury, obrazovaniya [The world of science, culture and education], 2013, vol. 38, no.1, pp. 351-354.

9. Scheibe W. Formation and dispersion of agglomerates during dry fine grindings. ZKG International., 1991, no. 2, pp. 57-62.

10. Opredelenie udel'nogo raskhoda energii na protsess drobleniya [Determination of specific energy consumption in the process of crushing]. Available at: http://kalxoz.ru/str/12drobilki2.htm. (accessed 28 November 2016).


Login or Create
* Forgot password?