Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки РФ
ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра «Технологические системы пищевых
и перерабатывающих производств»
Выпускная квалификационная работа бакалавра
Направление 150400
«Технологические машины и оборудование»
Комплексное исследование процесса
и оборудования измельчения свёклы
в стружку на сахарном производстве
Студент группы 661101с _______________ Соломатин Д.С.
(подпись, дата)
Руководитель работы _______________ к.т.н., доц. Собина Л.Г.
(подпись, дата)
Консультанты: _______________ к.т.н.,доц.
(подпись, дата)
Заведующий кафедрой _______________ д.т.н.,проф. Прейс В.В.
(подпись, дата)
Тула, 2014 год
|
[1] ОГЛАВЛЕНИЕ [2] ВВЕДЕНИЕ [3] 1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ [4] 2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ [5] 3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ [6] ЗАКЛЮЧЕНИЕ [7] СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ |
Видное место в питании человека занимают сахара и среди них свекловичный сахар C12H22O11. Он обладает хорошими вкусовыми качествами, легко усваивается организмом, отличается высокой калорийностью, способствует восстановлению и сохранению работоспособности, служит источником энергии для умственной и физической деятельности человека.
Кроме непосредственного употребления сахара в пищу, его значительное количество используется при изготовлении кондитерских и хлебобулочных изделий, варенья, повидла и других промышленных и домашних пищевых изделий. На эти цели расходуется более 30% сахара.
Для получения сахара из свёклы её необходимо измельчить в стружку, которая в настоящее время получается на свеклорезках при помощи ножей, установленных в специальные рамы. Процесс изрезывания на данных устройствах является несовершенным для последующего экстрагирования сахара, поэтому нуждается в замене более современной технологией измельчения.
Новая политика руководства Тульской области относительно пищевой промышленности и сельского хозяйства направлена на возрождение свеклосахарного производства и снабжение его современным оборудованием, позволяющим повысить технологичность операций для получения сахара из сахарной свёклы.
Цель выпускной квалификационной работы – провести комплексное исследование процесса и оборудования измельчения свёклы в стружку на сахарном производстве и дать предложения по модернизации технологии измельчения.
Задачами работы является анализ сырья, исследование технологии получения сахара, анализ и комплексная оценка процесса и оборудования для измельчения свёклы в стружку и выдвижение предложений по модернизации на уровне идеи.
1.1. Сырьё
Первые упоминания о свёкле на территории Руси относятся к 10-11 вв. Своё распространение в России сахарная свёкла получила в 14 в. На сегодняшний день она является основным сырьём для производства сахара.
1.1.1 Ботаническое описание
Сахарная свёкла – разновидность обыкновенной свёклы, содержащей много сахарозы. Она выращивается сугубо для производства сахара.
Корнеплод сахарной свёклы обычно имеет коническую форму. С двух сторон на нём расположены бороздки, из которых растут тонкие корешки с корневыми волосками, через которые растение получает из почвы влагу и питательные вещества. Корешки распространяются в землю на глубину 1,5…2 м, охватывая боковыми отростками площадь до 2 м2 [7, 54].
Мякоть плотная, белая. На рис. 1.1 показано, как в корнеплоде различают головку 1, шейку 2, собственно корень 3 и хвостик 4 [17].
Рис. 1.1. Сахарная свёкла к концу первого года развития:
1 – головка, 2 – шейка, 3 – корень, 4 – хвостик
Корнеплоды свёклы, предназначенной для переработки, должны быть крупными, гладкими, с высоким содержанием сахарозы [12].
1.1.2. Строение, химический состав и технологические качества
Распределение сахарозы и несахаров неравномерно и зависит от сорта свёклы и условий произрастания. В табл. 1.1 показано примерное содержание сахарозы и несахаров в составе отдельных частей плода [3].
Таблица 1.1
Примерное содержание сахарозы и несахаров в составе частей плода
|
Части корнеплода (рис. 1.1.) |
Масса части, % |
Чистота свекловичного сока |
Содержание компонентов в отдельных частях корнеплода, % к общей концентрации |
||||
|
сахароза |
инвертный сахар |
калий |
натрий |
вредный азот |
|||
|
1 |
12,59 |
74,0 |
8,0 |
57,0 |
19,1 |
34,1 |
17,6 |
|
2 |
11,5 |
88,2 |
11,47 |
2,8 |
8,8 |
8,6 |
8,6 |
|
3 |
69,1 |
89,1 |
74,12 |
34,2 |
63,6 |
52,1 |
60,0 |
|
4 |
6,81 |
83,5 |
6,43 |
6,0 |
8,4 |
4,8 |
4,8 |
Основная часть сахарозы располагается непосредственно в корне растения. Однако в свёкле присутствует ряд примесей, не содержащих в своем составе сахар. На рис. 1.2 показано, что несахара содержатся как в соке, так и в нерастворимой мякоти [25, 26]. Подобные примеси затрудняют проведение технологического процесса получения сахара, поэтому их относят к «вредным» несахарам.
Рис. 1.2. Примерный состав корнеплодов сахарной свёклы
Данный химический состав является только примером: реальный состав может отличаться, изменяясь под влиянием ряда условий: качества семян, посева, климата, роста и дальнейшего ухода за посевами.
1.1.3. Ращение сахарной свёклы
Всхожесть семян сахарной свёклы должна быть не ниже 85%. Этих показателей в настоящее время добиваются при помощи дражирования – нанесения дражировочной массы на предварительно отшлифованную поверхность семян [54].
После посева семян в первую очередь прорастает зародышевый корешок, углубляясь в землю. Через 9…12 суток на поверхности появляются семядоли, выполняющие роль листьев. Этот период называется фазой вилочки. За первой парой каждые 2-3 дня появляются вторая, третья, четвертая и пятая пары листьев на замену семядолям. С появлением всходов начинается обработка почвы, уничтожение сорняков, прореживание. Прореживание – важный элемент ухода за свёклой, поскольку густота её насаждения напрямую влияет на урожайность и содержание сахара [6].
При неблагоприятных погодных условиях есть риск развития цветоносных побегов у корнеплодов первого года. Такую свёклу называют цветушной, она плохо изрезывается в стружку из-за повышенной волокнистости, повышающей сопротивление резанию в 3…5 раз по сравнению с обычными корнеплодами. Основные методы борьбы с цветушностью – выведение особо устойчивых сортов и посев в наиболее оптимальные сроки для получения в конечном результате качественного спелого сырья [7].
1.1.4 Уборка урожая
Перед уборкой сахарную свёклу исследуют на выявление участков, пригодных для определённых сроков хранения. Результаты исследования используют для правильного распределения свёклы по срокам хранения и составления графиков выкапывания и вывоза свёклы [53]. На рис. 1.3 представлен пример такого графика.
Рис. 1.3. Примерный график выкапывания свёклы
В настоящее время уборка сахарной свёклы осуществляется при помощи комплекса комбайнов и ботвоуборочных машин, исключающих ручной труд при выкапывании и очистке плодов от примесей. Свеклоуборочным машинам удается собрать с поля 90…94% корнеплодов[6]. Отрицательно на процесс уборки могут сказать погодные условия или определённые характеристики почвы, при которых на корнеплодах остаётся часть земли и камней, которые последуют в дальнейшем на хранение.
1.1.5. Хранение
После уборки сахарная свёкла представляет собой качественно другой организм, лишённый притока веществ за исключением поглощения кислорода и выделения углекислого газа. Доля растворимой золы в соке увеличивается, что приводит к снижению уровня сахарозы и накоплению несахаров [54]. Важным аспектом хранения является замедление процессов, протекающих в корнеплоде – дыхания, прорастания и увядания.
Дыхание. При хранении в оптимальных условиях цельных, с правильно отрезанной головкой плодов сахароза расходуется на дыхание и эти потери незначительны, но при хранении плодов повреждённых, содержащих большое количество земли, зелёной массы и других примесей, потери сахара на дыхание заметно увеличиваются.
Различают два вида дыхания – аэробное, более эффективное с энергетической точки зрения, и анаэробное, менее эффективное, которое наблюдается при недостатке в воздухе кислорода. Установлено, что при низких плюсовых температурах снижение концентрации кислорода до 2% не вызывает преимущественно анаэробного дыхания [52]. В табл. 1.2 видно, что с повышением температуры резко увеличивается доля анаэробного дыхания, ведущая к потерям сахарозы.
Таблица 1.2
Зависимость потерь сахарозы от температуры хранения
|
Температура, °С |
1 |
3 |
6 |
9 |
11 |
15 |
|
Потери сахарозы, % к массе свёклы |
0,01 |
0,014 |
0,02 |
0,03 |
0,038 |
0,05 |
Возникновению анаэробного дыхания способствует увядание.
Увядание. При хранении сахарной свёклы без укрытия происходит потеря влаги, нарушается стабильность ферментов, увеличивается потеря углеводов. В табл. 1.3 показаны потери сахара при обезвоживании.
Таблица 1.3
Изменения в сахарной свёкле при потере влаги
|
Потери влаги, % |
Потери сахарозы, % к массе свёклы |
Снижение чистоты свекловичного сока, % |
Масса корнеплодов, поражённых гнилью, % |
|
0 |
1,3 |
1,8 |
– |
|
7 |
3,4 |
4,6 |
37 |
|
13 |
6,1 |
11,3 |
55 |
|
28 |
8,9 |
16,8 |
96 |
При увядании наряду с потерей массы снижается упругость тканей, что негативно влияет на качество нарезки.
Прорастание. Значительное влияние на потери углеводов при хранении оказывает прорастание. Из табл. 1.4 видно, как уменьшается содержание сахарозы в корнеплодах.
Таблица 1.4
Потери сахарозы при прорастании
|
Масса ростков, % к массе свёклы |
0,5 |
1 |
2 |
3 |
5 |
|
Потери сахарозы, % к массе свёклы |
0,5 |
0,8 |
1,1 |
1,2 |
1,6 |
Свёкла, убранная без доочистки, особенно склонна к прорастанию, поэтому необходимо производить очистку корнеплодов еще до складирования в кагаты на длительное хранение.
1.1.6. Результаты работы над сырьём
Работы по выведению сортов свёклы с повышенным содержанием сахара начались еще в конце 18-го века [21]. За это время учёным удалось "повысить" содержание сахарозы почти в 20 раз. Результаты работы селекционеров видны в табл. 1.5.
Таблица 1.5
Сравнительные характеристики гибридов сахарной свёклы
|
Гибрид |
Год регистрации |
Тип гибрида |
Вегетационный период, дн |
Урожайность, ц/га |
Сахаристость, % |
|
Портланд |
2007 |
триплоид |
160 |
875 |
18 |
|
Хамбер |
2007 |
триплоид |
160 |
847 |
18,5 |
|
Гранате |
2007 |
диплоид |
150 |
834 |
18,2 |
|
Шаннон |
2007 |
диплоид |
150 |
812 |
17,9 |
Однако на фоне успехов селекционеров химический состав и технологические качества свёклы ухудшились в связи с ростом количества вносимых в почву удобрений, механизацией выращивания и уборки свёклы без ручной доочистки. В соке увеличилось количество редуцирующих и растворимых азотистых веществ, зольных элементов, снизилась концентрация калия, натрия и фосфора, уменьшилась чистота сока [15].
1.2. Общая технология
На современных заводах в качестве типовой принята схема технологического процесса, представленного на рис 1.4. Она включает в себя непрерывный процесс с циклом доочистки.
Рис. 1.4. Типовая технологическая схема свеклосахарного производства
На схеме указано превращение свёклы с поля в сахар. Вначале свёкла подвергается уборке свеклоуборочными машинами и складируется в соответствии с установленными нормами. По мере необходимости партии сырья поступают на свеклосахарное предприятие, где проходят процесс очистки от различной степени примесей. После этого свёкла измельчается в стружку и подается на диффундирование. Полученный свекловичный сок проходит несколько степеней очистки, прежде чем стать сиропом и попасть на кристаллизацию. Уваренный сироп (утфель) подаётся на центрифугирование, откуда идёт либо на повторную доочистку, либо выходит в виде сахара или мелассы.
1.2.1. Приёмка сахарной свёклы
При уборке и транспортировке свёклы к ней примешиваются лёгкие и тяжёлые примеси. При приёмке корнеплодов, лаборатория проводит анализ получаемого сырья [3]. Приёмка сахарной свёклы, пробоотбор, определение загрязнённости и сахаристости проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 17421-82 "Свёкла сахарная для промышленной переработки. Требования при заготовках". Корнеплоды кондиционной сахарной свёклы должны соответствовать требованиям, указанным в табл. 1.6.
Таблица 1.6
Требования к приёмке сахарной свёклы
|
Физическое состояние |
не потерявшие тургор |
|
Цветушные корнеплоды, % не более |
1 |
|
Подвяленные плоды, % не более |
5 |
|
Корнеплоды с сильными механическими повреждениями, % не более |
12 |
|
Зелёная масса, % не более |
3 |
*содержание мумифицированных, подмороженных, загнивших корнеплодов не допускается
Партии свёклы осматриваются, делятся по категориям, взвешиваются вместе с транспортом, определяется загрязнённость и сахаристость.
1.2.2. Хранение свёклы
После проведения технологической оценки сахарной свёклы она поступает на хранение. Для сохранности её делят по категориям [52].
Первая категория. Это корнеплоды, убранные до 5 октября. Они должны быть технически спелыми, с минимальным количеством механических повреждений, процент загрязнённости не должен превышать 10%.
Вторая категория. Должна представлять собой здоровые не подмороженные плоды, убранные после 5 октября. Допускаются механические повреждения около 12%.
Третья категория. Такие корнеплоды могут иметь сильные механические повреждения и могут быть убраны с поля довольно поздно, после 25 октября. В свёкле третьей категории могут присутствовать подмороженные корнеплоды, но без почерневших тканей.
Для хранения корнеплоды укладывают в кагаты. Корнеплоды сахарной свёклы – живые организмы, в которых протекают процессы дыхания, а при неправильном хранении может происходить прорастание и загнивание корнеплодов сахарной свёклы.
Прорастание начинается через 5…7 суток после уборки при повышенной температуре и влажности. Процесс прорастания – отрицательное явление, ведущее к потерям сахарозы.
Для предотвращения прорастания удаляют верхушки головки корнеплода при уборке и обрабатывают корнеплоды перед укладкой в кагаты 1%-ым раствором натриевой соли гидразида малеиновой кислоты (3…4 л на 1 т свёклы) [2].
Загниванию способствует рост микроорганизмы, которые развиваются на отмерших, повреждённых, подмороженных и увядших участках корнеплодов. Затем они поражают живые, но ослабленные клетки, поэтому важным условием предохранения сырья от порчи является сохранение его целостности. Кроме того, необходимо создать благоприятные условия для защитных реакций в ответ на механические и другие повреждения.
Для микроорганизмов большое значение имеет температура и влажность. Сохранению корнеплодов способствуют поддержание температуры 1…2 °С, газового состава воздуха в межкорневом пространстве, влажности с помощью принудительного вентилирования кагатов и ликвидация очагов гниения сахарной свёклы.
В целом, автоматизация возделывания и уборки сахарной свёклы привели к ухудшению качества материала вследствие снижения внимания к каждому корнеплоду отдельно: недопустимо увеличилась общая загрязнённость сырья. Большую часть этих загрязнений составляют земля, травянистые примеси, ботва и свекловичный бой, которые уплотняют пространство кагата, ухудшают аэрацию. Кроме того, мелкий и повреждённый материал поражаются микроорганизмами, способствуя гниению сырья.
На сегодняшний день одним из методов снижения загрязнённости является гидравлический способ очистки корнеплодов с последующим их хранением в мытом виде [25, 24, 26].
1.2.3. Подача свёклы в завод
При уборке и транспортировке свёклы кроме земли, прилипшей к свёкле, к ней примешиваются лёгкие и тяжёлые примеси – ботва, солома, песок, шлак, камни и даже отдельные металлические предметы. При попадании подобных примесей в свеклорезку, ножи тупятся и повреждаются, что ведёт к ухудшению качества свекловичной стружки и снижению производительности технологического процесса. Для получения стружки высокого качества необходимо более полно отделять от свёклы лёгкие и тяжёлые примеси, для чего на пути подачи сырья на завод устанавливают соломоловушки и ботволовушки, камнеловушки и песколовушки.
1.2.4. Мойка свёклы
C ростом автоматизации процесса уборки урожая растет и процент загрязнений: если при ручной уборке количество прилипших к свёкле загрязнений составляет 1…3% от массы свёклы, то при поточной механизированной уборке комбайном – 10…12%. При этом микроорганизмы заносятся именно с почвой, оставшейся на корнях. Из этого следует, что свёклу необходимо отмыть от прилипшей к ней почвы для предохранения ножей в резке от их притупления и для предупреждения загрязнения диффузионного сока.
Свёкла частично отмывается от приставших к ней примесей в гидравлическом транспортёре и свеклоподъёмных устройствах. Для окончательной очистки свёклы от загрязнений и дополнительного отделения тяжёлых и лёгких примесей применяются свекломойки. Отмытую свёклу из свекломойки элеватором, после которого установлен контрольный ленточный транспортёр с подвесным электромагнитным сепаратором, направляют в бункер перед свеклорезками.
Наличие двух свекломоек в моечном отделении необходимо для более высокого эффекта отмывания свёклы от загрязнения и для повышения чистоты диффузионного сока.
1.2.5. Получение свекловичной стружки диффузионного сока
Диффузией называется извлечение из сложного по своему составу вещества, с помощью растворителя. Движущая сила диффузии – разность концентраций веществ в соприкасающихся растворах и телах, которая перемещает растворённое вещество в сторону с меньшей концентрацией.
В сахарном производстве для получения готового продукта из свекловичной массы сырью необходимо придать вид стружки. Процесс получения стружки из свёклы осуществляется на свеклорезках при помощи диффузионных ножей, установленных в специальных рамках [14].
После того, как свёкла была изрезана в стружку, она по ленточному транспортёру направляется к диффузионному аппарату, предварительно взвешиваясь ленточными весами.
Важнейшее требование, предъявляемое к диффузионным аппаратам – это соблюдение принципа противотока сока и стружки при равномерном заполнении всего аппарата [27].
Освобождённый от мезги диффузионный сок направляется на известково-углекислотную очистку.
1.2.6. Очистка диффузионного сока
Диффузионный сок – многокомпонентная система, содержащая сахарозу и несахара. Неочищенный диффузионный сок имеет почти чёрный цвет, сильно пенится и содержит взвешенные частицы, которые трудно отфильтровать. Из неочищенного сока сахар получился бы тёмного цвета и с малым выходом: почти все несахара замедляют процессы очистки и кристаллизации сахара, поэтому от их присутствия необходимо избавиться в процессе очистки диффузионного сока.
Известно много методов очистки сока, но на практике применяется только один – очистка известью (процесс дефекации) и осаждение её избытка диоксидом углерода (процесс сатурации).
Дефекация. Цель процесса дефекации – осторожным воздействием извести нейтрализовать кислоты, осадить несахара, образующие нерастворимые соли с ионами кальция, коагуляция и осаждение высокополимеров (белки, сапониты и красящие вещества). Оптимум плотности осадка и прозрачности раствора при дефекации наблюдается при рН 11 (при 0,2…0,3 % извести), но если прибавить сразу к соку 2…3 % необходимой извести, то наблюдается частичная пептизация осадка, который трудно отделяется путем фильтрации, поэтому дефекацию ведут в два приёма. Сначала проводится процесс преддефекации – к диффузионному соку добавляют 0,2…0,3 % извести, повышая рН до 10,8…11,4 в течение 3…5 мин. Затем проводится основная дефекация в аппарате основной дефекации, куда при помощи струйного дозатора добавляется известковое молоко.
Далее дефекованный сок поступает на первую сатурацию.
Сатурация. Сатурация – это дополнительная очистка сока путём адсорбции на частицах СаСО3 и разложение сахаратов кальция. Так происходит дополнительная очистка и осветление сока, нейтрализация извести. Сатурация проводится в аппаратах непрерывного действия – сатураторах, где обрабатывается сатурационным газом, содержащим 28…32 % СО2. В результате воздействия углекислоты на свободную известь щелочность сока на первой сатурации снижается до 0,08…0,10 % СаО. Происходит постепенная нейтрализация извести, сок немного остывает, его подогревают до температуры 100 °С, фильтруют и направляют на вторую сатурацию.
Цель второй сатурации – уменьшить содержание извести и солей кальция до 0,015…0,025 % СаО при рН 9…9,5. Необходимость вызвана образованием накипи, вызывающая затруднения при уваривании сока и увеличивающая выход мелассы и потерю сахара в ней. После второй сатурации чистота сока повышается, что можно увидеть в табл. 1.7 [4].
Однако после сатурации сок все ещё имеет сомнительный оттенок, поэтому он поступает на дальнейшую очистку – сульфитацию.
Сульфитация. Сульфитация – это осветление сока и снижение его вязкости для улучшения условий фильтрации и стерилизации, а также его обезжиривание. При сульфитации сок обрабатывают сернистым газом, превращающим непредельные соединения в бесцветные. Тем не менее, сок при этом не очищается, поскольку все вещества остаются в растворе. Видимая эффективность составляет 15…30%, но истинная эффективность обесцвечивания – всего 8…10%. Объясняется это снижением уровня pH: при возвращении к прежнему значению интенсивность цвета почти полностью восстанавливается. Основной эффект сульфитации заключается в предотвращении образования красящих веществ
Таблица 1.7
Сравнительные характеристики диффузионного сока в процессе очистки
|
Показатель |
Сок II сатурации |
Диффузионный сок |
|
Содержание сухих веществ, % |
13,3 |
13,7 |
|
Содержание сахарозы, % |
12,2 |
12,05 |
|
Содержание нерастворимых сухих веществ, % к массе сока |
1,18 |
1,64 |
|
Содержание нерастворимых сухих веществ на 1 г воды в соке, г |
0,0125 |
0,019 |
|
Чистота, % |
91,73 |
87,96 |
Очищенный таким способом сок поступает на выпаривание.
1.2.7. Сгущение соковыпариванием
Сульфитированный и очищенный сок II сатурации – это ненасыщенный раствор сахарозы и несахаров, оставшихся в нём. При сгущении сахароза начинает процесс кристаллизации с образованием сахара – конечного продукта производства. Сгущение проводится в два этапа. На первом сок выпаривают до насыщенного состояния в выпарной установке с использованием ретурный пар, на втором выпаривается под разрежением.
В результате разложения редуцирующих веществ цветность сахарозы может увеличиваться на 120…150%. Один из наиболее эффективных способов торможения реакции – хорошая циркуляция сока в кипятильных трубах и небольшое время сгущения до сиропа.
1.2.8. Уваривание, кристаллизация и центрифугирование утфелей
Кристаллизация сахара – завершающий этап в его производстве, здесь выделяют практически чистую сахарозу из многокомпонентной смеси, которой является сироп.
Выделение сахара из раствора проводят в две или три ступени в зависимости от сахаристости сырья. На первой стадии утфель (смесь кристаллов и межкристального пространства) становится мягким и малоподвижным. Кристаллы отделяют от общей массы, а остаток вновь сгущают, выкристаллизовывая остальную сахарозу. На последнем этапе сахарозу выкристаллизовывают, охлаждая её в утфелемешалках.
После отделения сахарозы, из оставшегося раствора почти невозможно отделить кристаллическую сахарозу, поэтому этот оттёк – мелассу – удаляют как отход производства [8].
Кристаллизацию проводят при температуре не выше 80 °С для обеспечения минимального разложение сахарозы и слабого нарастания цветности. В табл. 1.7 указан рекомендуемый интервал температур.
Таблица 1.7
Рекомендуемые интервалы температур кристаллизации
|
Утфель |
Рекомендуемая температура, °С |
|
|
в начале цикла |
в конце цикла |
|
|
I |
74…76 |
70…73 |
|
II (промежуточный) |
74 |
65…70 |
|
II (последний) |
72 |
65 |
|
III |
68 |
58…60 |
Данные температурные режимы дают возможность снизить потери сахарозы, не допуская разрушения углерода сахара.
Далее смесь сиропа отправляют на уваривание утфеля I. Готовый утфель выгружают в утфелемешалку, без охлаждения разделяют в центрифугах на сахар-песок и первый оттёк, затем слой сахара промывают, получая оттёк большей чистоты. Влажный сахар высушивают, упаковывают в мешки и отправляют на склад.
1.2.9. Сушка, охлаждение и хранение сахара
Целью сушки является удаление поверхностной влаги и обеспечение длительного хранения кристаллического сахара. На сушку направляется сахар с t=60 °C после центрифугирования и влажностью 0,8…1,5% [33].
Сахар-песок высушивают подогретым воздухом до содержания влаги 0,14% при хранении в мешках и до 0,04% при хранении в силосах ёмкостью 10000…20000 т.
Высушенный и охлаждённый сахар подается на машину рассева. Для бестарного хранения формируются фракции с коэффициентом однородности до 10%. Далее сахар поступает в бункеры, находящиеся в упаковочном отделении, из которых затаривается в мешки, взвешивается, зашивается и ленточным транспортёром направляется в склад.
1.3. Особенности и важность процесса резки
Для извлечения сахара из сахарной свёклы корнеплоды предварительно измельчают в мелкую стружку. Стоит отметить всю значимость этого процесса, которому ранее не уделялось должного внимания, хотя для процесса диффузии, при котором из свёклы выделяются сахара, сырьём являются не цельные корнеплоды, а оптимально заготовленная стружка [27]. В ходе теоретических исследований и практических наблюдений было установлено несовершенство применяемого способа резания.
Для предложения нового подхода к процессу измельчения необходимо более детально изучить существующий метод с позиции результата предыдущих процессов и с позиции сырья для процессов последующих.
1.3.1. Факторы, влияющие на процесс резания
Качество свекловичной стружки во многом зависит от факторов выращивания сахарной свёклы и предварительной обработки на производстве. Влияние на качество резания свёклы представлено в виде причинно-следственой диаграммы (рис. 1.5).
Влияние сырья на процесс резки. В процессе резки основное воздействие оказывает качество плодов. Значимым фактором его качества являются биологические данные, заложенных селекционерами в семени: от них напрямую зависит всхожесть и дальнейшее развитие корнеплодов [54].
В период роста и развития плода значительное влияние оказывают климатические условия и уход, формирующие физико-химические свойства сырья: состав, строение, упругость поверхности, и т.д., задающие геометрические параметры плодов – их размер и форму. Эти свойства влияют на возможность автоматизированного сбора свёклы с поля и дальнейшего её использования на производстве [53].
Рис. 1.5. Причинно-следственная диаграмма процесса резания
Так же следует обратить внимание на соблюдение правил хранения, поскольку от этого зависит сохранение сочности сырья [52]. Сочные плоды обеспечивают наибольший выход свекловичного сока и требуют меньших усилий для измельчения в стружку.
Влияние степени загрязнённости сырья на резку. Загрязнения делятся на три группы – лёгкие (ботва, свекловичный бой), средние (почва, песок) и тяжёлые (камни, ферритные включения). При поступлении в свеклорезку плохо очищенных плодов портятся ножи. Происходит это при забивании ножей волокнами свёклы и зелёными примесями или при соударении ножа и более твёрдого тела. В конечном итоге ножи приходят в негодность и требуют замены. К примеру, проросшие плоды значительно менее упругие, образуют при измельчении мезгу и портят ножи, подмёрзшие обладают повышенной хрупкостью, что приводит не к нарезке плодов, а к разламыванию и засорению ножевых рам бракованной недорезанной, изломанной стружкой и увеличенному конечному выходу мелассы [1, 8].
Влияние конструктивных особенностей на резку. Огромное значение для качества стружки имеют конструктивные особенности измельчающих устройств. В настоящее время предпочтение отдается центробежным свеклорезкам, обладающим высоким качеством измельчения и возможностью замены ножей без остановки всего процесса [26, 18, 29].
От качества ножей зависит качество готовой стружки. Важным является угол взаимного расположения ножевых кромок, качество стали, квалитет точности деталей и погрешности при монтаже ножевых рам.
Число ножей, устанавливаемых в рамах, рассчитывается из соображений скорости нарезки, зависящей от частоты взаимного соприкосновения поверхности свёклы и ножа, в результате которого и образуется стружка. Частота соприкосновения может быть искусственно увеличена с помощью применения «улиток», откидывающих свекольную массу на ножи, или при изменении коэффициента загрузки, что отразится на скорости образования стружки. От частоты соприкосновения будет зависеть качество нарезки и количество брака: недорезанной или истёртой в мезгу стружки.
Влияние функциональных особенностей на резку. На процессе резания сказывается выбор оптимального температурного режима – слишком холодная свёкла будет ломаться при резании с образованием мезги, а горячая потеряет упругость, увеличит процент клеток паренхимной ткани, раскрытых при непосредственном контакте с ножами во время резания, что повлечёт за собой увеличение количества несахаров в диффузионном соке [5]. Кроме того, части менее упругих плодов будут застревать между ножами, значительно сокращая срок службы ножа.
В настоящее время применяются свеклорезки, не полностью использующие своё рабочее пространство: как правило, нагружается верхняя часть устройства, в то время как нижняя часть почти не используется в процессе. Снижение коэффициента загрузки приводит к неравномерности износа режущих поверхностей и быстрому выходу из строя ножевых рам.
Основной вывод, который следует из анализа причинно-следственной диаграммы – несовершенство процесса резания из-за высокой зависимости от качества поставляемого сырья и используемого оборудования. Необходимо модернизировать процесс с целью получения более качественной стружки, сведя к минимуму вредное воздействие внешних факторов.
1.3.2. Резание как фактор влияния
Процесс резания лежит в основе последующих процессов сахарного производства, обеспечивая сырьём дальнейшие его этапы, зависящие от того, насколько качественно была заготовлена стружка, и какой процент от общей массы свёклы попал в брак. Вредным фактором на сахарном производстве является образование мезги, которая образуется при истирании стружки в кашицу. Мезга – это отход производства, вредный с экономической и технологической точки зрения [1]. Этот и другие аспекты, зависимые от процесса резки, подробнее отражены на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Схема влияния процесса резания на последующие операции
Жомообразование. Процесс резания оказывает большое влияние на количество побочного продукта сахарного производства – жома [20]. Фактически, в состав жома должна попасть вся изрезанная мякоть свёклы, но практика показывает несовершенство резания – значительная часть стружки переходит в мезгу, образующую при прессовании и сушке не жом, а пыль, являющуюся опасным фактором производства. Пылеобразование, связанное с сушкой слишком тонкой стружки или мезги, зависит в первую очередь от процесса резки.
Стоит также отметить экономическую выгоду от жома – он является вторичным при производстве, но также находит своё место на рынке и делает свеклосахарное производство почти безотходным. Таким образом, необходимо применять все меры по увеличению выхода жома, не ухудшающие качество и количество основного продукта – сахара, в том числе и максимальное использование потенциала процесса резки.
В современном мире важным вопросом является энергосбережение и экономия питьевой воды, поэтому необходимо оценить зависимость потребления энергии от качества резки. Увеличение размера стружки влечёт за собой снижение затрат на измельчение отдельно взятого корнеплода, однако снижает при равных прочих условиях количество сахарозы, экстрагированной из полученной стружки. Компенсировать потери можно продлением процесса диффундирования, но это повлечёт новое увеличение затрат электроэнергии, воды и очищающих диффузионный сок компонентов, поэтому требуются практические эксперименты для установления зависимости затрат от параметров стружки, в т.ч. геометрических размеров.
От качества нарезаемой стружки и количества брака напрямую зависит скорость засорения фильтров, запрессовывания стружки в ситах диффузионного аппарата [14]. В связи с этим повышаются требования к контролю процесса производства, внедряется дополнительный человеческий труд. Рациональнее добиться такого качества стружки, при котором трудоёмкость будет снижена и человеческое вмешательство будет минимальным [5].
Получение свекловичной стружки из корнеплодов является промежуточным процессом на производстве сахара, он не должен задерживать свёклу в гидротранспортёре, чтобы не снижать её сахаристость, и обязан обеспечивать дальнейшие операции оптимальной загрузкой сырьём. Таким образом, динамика нарезки и объёмы перерабатываемой свёклы напрямую влияют на производительность завода в целом.
Диффузионный процесс. Процесс резания определяет геометрические характеристики стружки, что напрямую влияет на равномерность и скорость протекания диффузии: чем больше площадь контакта свекловичной массы с водой, тем выше скорость реакции при одинаковой температуре. Однако от качества нарезки зависит максимальная температура, которую можно применить к стружке до начала денатурации белка и смещения сахарозы внутрь клетки под действием встречной термодиффузии.
Качество результатов процесса резки влияет на чистоту диффузионного сока от несахаров – они удерживаются в клеточных стенках. В этом преимущество экстракционного процесса обессахаривания перед применявшимся ранее прессовым способом, при котором свёклу полностью истирали и отфильтровывали сок.
Однако эффективность очистки диффузионным методом колеблется в интервале 8…12%, что оставляет пути для совершенствования процессов получения сахара [27].
2.1. Классификация устройств резания
В процессе обработки сахарная свёкла превращается в стружку на свеклорезках [18]. Их действие основано на взаимоотносительном движении свёклы и ножей, которое может осуществляться разными способами.
Классификацию машин для резания свёклы (рис. 2.1) можно дать, исходя из взаимного относительного движения свёклы и режущих устройств.
Рис.2.1. Классификация свеклорезок
Как видно из схемы, в некоторых конструкциях свеклорезок движутся ножи, закреплённые во вращающемся диске, свёкла же неподвижна; такие свеклорезки называются дисковыми. В других конструкциях свёкла прижимается неподвижными устройствами к вращающемуся барабану – такие устройства называются барабанными свеклорезками. В третьих ножи закреплены неподвижно, а свёкла движется, прижимаясь к ножам действием центробежной силы. Такие резки называются центробежными [17, 29].
2.2. Дисковые свеклорезки
Для нарезки свёклы в стружку заданного размера широкое применение нашли машины непрерывного действия с подвижным рабочим органом – диском, в прямоугольных отверстиях которого расположены ножевые рамы. Примером такого устройства является дисковая 26-рамная свеклорезка с верхним приводом (рис. 2.2) [17].
Конструкция состоит из корпуса 21, диска 10 с ножевыми рамами 12, бункера 22 для свёклы, привода и устройства 17, предохраняющего ножи от повреждения при попадании тяжёлых примесей. Корпус 21 свеклорезки установлен при помощи опорных лап 19 на металлическом каркасе и представляет собой литую чугунную деталь с двумя течками. Течки образованы двумя стенками, расположенными концентрично с двумя торцевыми стенками, образующими пространство переменного сечения, в которое поступает предназначенная для резания свёкла.
Принцип действия свеклорезок заключается в следующем. Свёкла, очищенная от всякого рода примесей, после автоматических весов непрерывным потоком поступает в бункер 22 и затем в прижимы 9. Загрузочный бункер и прижимы обеспечивают постоянную подачу свёклы на диск 10 под таким давлением, которое обеспечивает получение стружки высокого качества. Проходя под плодами свёклы, ножи срезают слой определённой толщины. После изрезывания всего плода, его место занимает следующий, обеспечивая непрерывность процесса. Таким образом, формируется слой изрезанной в стружку свёклы.
Для лучшего заполнения корпуса свеклорезки свёклой делают не более двух прижимных каналов. Для достаточного прижатия свёклы к режущим устройствам диска высота слоя свёклы в бункере должна быть не более 1,5...2,0 м.
Рис. 2.2. Дисковая свеклорезка с верхним приводом:
1 – наружный кожух, 2 – внутренний кожух, 3 – устройство для вращения диска при замене ножевых рам, 4 – муфта электромагнитная,
5 – устройство регулировочное для муфты, 6 – гидромуфта,
7 – электродвигатель, 8 – теплообменник, 9 – прижимы, 10 – диск,
11 – редуктор угловой, 12 – рама ножевая, 13 – вал редуктора выходной,
14 – ступица, 15 – накладка, 16 – отверстие, 17 – предохранительное
устройство, 18 – люк для замены ножей, 19 – опорные лапы,
20 – штыри, 21 – корпус, 22 – бункер
Примерные технические характеристики дисковой свеклорезки представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Технические характеристики дисковой свеклорезки с верхним приводом
|
Показатель |
Значение |
|
Число рам, шт |
26 |
|
Диаметр диска, мм |
2200 |
|
Частота вращения диска, мин-1 |
43...66 |
|
Передаточное отношение углового редуктора |
22,166 |
|
Электродвигатель привода: мощность, кВт частота вращения вала, мин-1 |
35 1500 |
|
Электродвигатель вращения диска при замене ножевых рам: мощность, кВт частота вращения вала, мин-1 |
1,5 1500 |
Средняя скорость резания свёклы составляет около 8 м/с. Наличие гидромуфты в системе привода позволяет изменять эту скорость в пределах 1:3. Однако регулирование скорости резания имеет ограничения. Оказывается, что при меньшей скорости резания уменьшается содержание мезги в свекловичной стружке, а толщина стружки увеличивается.
Производительность свеклорезки зависит от общей длины режущей кромки ножей в рамах, средней окружной скорости резания, толщины срезаемого слоя свёклы. Диаметр диска свеклорезки выбирают в соответствии с её производительностью. Обычно он находится в пределах 1500...2500 мм. Число ножевых рам в диске зависит от его диаметра. В малых дисках диаметром до 1500 мм размещают 12...14 рам, в средних диаметром до 2000 мм – 16...18 рам, в больших дисках диаметром свыше 2000 мм – 20...26 рам.
2.3. Барабанные свеклорезки
Особенностью конструкции барабанных свеклорезок является наличие вращающегося барабана с ножами и неподвижной улитки.
Свеклорезка состоит из кожуха, вращающегося барабана с ножевыми рамами, неподвижной улитки и загрузочного устройства [29].
На рис. 2.3 приведена схема свеклорезки типа А2-ПРА-12 .
Рис. 2.3. Свеклорезка А2-ПРА-12:
1 – шибер, 2 – станина, 3 – крышка кожуха, 4 – кожух, 5 –вал, 6 – редуктор, 7 – электродвигатель, 8 – улитка, 9 – барабан, 10 – ножевые рамы,
11 – карман-ловушка, 12 – приёмный бункер, 13 – шнек
В неподвижном кожухе 4 свеклорезки на горизонтальном валу 5 вращается барабан 9, имеющий 12 окон с ножевыми рамами 10. На станине 2 укреплена улитка 8 для предотвращения вращения свёклы. Её рабочая поверхность и внутренняя поверхность барабана не должны иметь выступов, впадин и трещин. Быстроизнашивающиеся части улитки, барабана и ножевых рам выполнены в виде сменных деталей из легированной стали. Для улавливания примесей улитка снабжена карманом-ловушкой 11.
Принцип действия свеклорезки заключается в следующем. Свёкла подается внутрь барабана шнеком 13, в приёмном бункере 12. Бункер закрывается шибером 1. Вращение свеклорезка получает от электродвигателя 7 через редуктор 6. При открытом шибере 1 свёкла подаётся через бункер и шнек 13 в барабан, заполняя нижнюю половину. При вращении барабана свёкла удерживается неподвижной возле ножей за счёт клинового прижима улитки и изрезывается ножами. Полученная стружка через проёмы ножевых рам 10 попадает в пространство между барабаном и кожухом, а затем через горловину в опорной плите выводится из свеклорезки.
Осматривают ножи и производят их замену, открывая крышку кожуха 3 только при остановленной машине. Ножевые рамы извлекают через специальное отверстие в торце кожуха. Барабан при этом движется на пониженной скорости, управляемый непосредственно у свеклорезки. Не допускается радиальное и торцевое биение барабана, измеренное по его внутренней поверхности. Радиальный зазор между бандажами барабана и корпусом, стойкой, ограничителем улитки должен быть не более 0,5 мм.
Скорость вращения шнека и барабана синхронизированы, за счёт чего в свеклорезку поступает требуемое количество свёклы в соответствии с производительностью устройства, регулируемой изменяющейся частотой вращения привода. Типовые технические характеристики приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Технические характеристики барабанных свеклорезок
|
Типы конструкций Показатель |
СБ-8 |
А2-ПРА-12 |
«Магена» 8-рамная |
|
Число ножевых рам, шт |
8 |
12 |
8 |
|
Производительность, т/сут: |
1500 |
2000 |
1500 |
|
Скорость резания свёклы, м/с |
4…5 |
4…8 |
5…8 |
|
Частота вращения привода, мин-1 |
16,7 |
16,7 |
16,7 |
|
Мощность электродвигателя привода, кВт |
55 |
75 |
55 |
|
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота |
4180 1890 2000 |
4720 1880 1755 |
3900 1900 2000 |
|
Масса, кг |
6917 |
7600 |
5927 |
Барабанные свеклорезки просты по устройству, но в процессе эксплуатации потребляют большое количество ножей и энергии, стружка получается низкого качества, смена ножей осуществляется только при остановке машины. Ножевые рамы должны плотно входить в окна, находиться на одной высоте, не качаться в радиальном направлении после прижима винтом, но вместе с тем после ослабления прижима выниматься свободно, без применения молотка или рычага. Рабочая поверхность рамы должна образовывать с внутренней поверхностью барабана единую цилиндрическую поверхность без выступов и впадин.
2.4. Центробежные свеклорезки
На центробежных свеклорезках при нормальных условиях эксплуатации получают стружку наилучшего качества, в них расходуется наименьшее число ножей на 100 т свёклы по сравнению со свеклорезками других конструкций. Характерной чертой является возможность замены ножей во время работы устройства.
Производительность свеклорезок регулируют изменением частоты вращения ротора или числа установленных ножей. Центробежные свеклорезки имеют 12 или 16 ножевых рам (соответственно СЦБ12 и СЦБ16) [18].
В России используют центробежные свеклорезки трех типов:
- СЦБ-12 – 12-рамная с нерегулируемым приводом;
- СЦБ-12А – 12-рамная с регулируемым приводом;
- СЦБ-16М – 16-рамная с регулируемой частотой вращения ротора.
Схематично центробежная свеклорезка изображена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Принципиальная схема центробежной свеклорезки:
1 – кожух, 2 – барабан, 3 – ножевые рамы, 4 – приспособления для
регулировки толщины стружки, 5 – вал, 6 – улитка, 7 – верхний фланец,
8 – нижний фланец, 9 – лопасти, 10 – бункер, 11 – течка
Принцип действия свеклорезки заключается в следующем. Свёкла загружается в свеклорезку через загрузочный бункер 10. В барабане 2 свёкла разгоняется до скорости резания лопастями 9 вращающейся улитки 6 и под действием центробежной силы прижимается к режущей кромке ножевых рам 3, скользя по которым свёкла постепенно изрезывается в стружку. Через проёмы ножевых рам она выпадает в пространство между барабаном 2 и кожухом 1, затем стружка поступает на дальнейшую обработку по течке 11.
Свекольные ножи закладывают по два в нижнюю раму и закрепляют их болтом с гайкой. На рис. 2.5 изображены установка рамы с ножами в корпусе центробежной свеклорезки.
Рис. 2.5. Установка рамы с ножами в корпусе центробежной свеклорезки:
1 – регулировочная планка; 2 – свеклорезальный нож; 3, 4 – болты;
5 – клин; 6 – пружина; 7 – гайка; 8 – рама; 9 – направляющая планка;
10 – корпус свеклорезки
Установка рамы по высоте окна осуществляется регулировочным болтом. Чтобы рама плотно сидела в окне и не выпадала из него, имеются направляющие планки [18]. Для врезания в свёклу лезвия ножа должны возвышаться над планкой на некоторую величину , причем необходимую высоту разъёма ножа регулируют планкой 1, расположенной перед ножом. Планка поднимается и опускается при помощи клина 5. Стружка, выходящая из-под ножа, не должна круто изгибаться и вследствие этого ломаться, поэтому лезвие ножа устанавливают на некотором расстоянии от планки, которое называется зазором. Для замены рабочих рам с ножами во время работы свеклорезки ниже них в окнах корпуса располагают глухие рамы, которые перемещают на место рабочих во время замены.
Улитка центробежной свеклорезки СЦБ-16М состоит из верхнего и нижнего конусных дисков, стянутых бандажами. Между дисками расположены лопасти, на торцах которых установлены контрножи, регулирующие зазор между лопастями и корпусом свеклорезки. Он должен находиться в пределах 5…6 мм.
Для обдува ножей подводится пар или воздух при давлении не менее 0,5 МПа. Пар или воздух поступают в коллектор и при помощи форсунок распределяются по высоте ножей, установленных в рамах. Воздух или пар для обдувки должны подводиться к режущим кромкам ножей в направлении, противоположном вращению улитки.
В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию известного устройства. Из узлов свеклорезки наибольший интерес представляют корпус, улитка и режущие устройства.
ВНИИЭКИПродмаш предложил конструкцию свеклорезок, производительность которых можно плавно изменять на ходу при помощи гидравлических устройств. При этом изменяется скорость резания свёклы и качество получаемой стружки.
УкрНИИПродмаш разработал конструкцию высокопроизводительной 24-рамной свеклорезки А2-ПРБ-24. Эта свеклорезка при высокой производительности (3000 т свёклы в сутки) обеспечивает получение свекловичной стружки высокого качества, имеет пониженную металлоёмкость и энергопотребление, но те же габариты, что и свеклорезка СЦБ-16М.
Для регулирования производительности центробежных свеклорезок на ходу необходимо применять многомашинный привод или гидромуфты для изменения частоты вращения ротора свеклорезки. Все эти устройства усложняют её привод и, самое главное, приводят к отклонению от оптимальной скорости резания свёклы.
В конструкции центробежной свеклорезки с гидравлическим подъёмом улитки последняя поднимается или опускается, регулируя производительность свеклорезки при оптимальной скорости резания. Конструктивно эта свеклорезка отличается от свеклорезки СЦБ-16М наличием устройства для подъёма улитки, жёстко соединённой со шлицевой втулкой, которая закреплена на толкателе при помощи фланца и гайки. Во избежание попадания посторонних примесей соединение плотно закрыто обтекателем. На верхней конической части ведомого пустотелого вала жёстко закреплена шлицевая муфта. Таким образом, улитка вместе со шлицевой втулкой при помощи толкателя может перемещаться вдоль шлицевой муфты ведомого вала. Толкатель, перемещаясь вверх и вниз при помощи гидравлического механизма подъёма, перемещает и улитку, которая перекрывает или открывает доступ свёклы к режущей кромке ножей.
Свеклорезки комплектуются односкоростным приводом или приводом, позволяющим изменять число оборотов улитки. При односкоростном приводе применяется электродвигатель переменного тока мощностью 75 кВт, при этом скорость вращения улитки составляет 143 мин–1 и скорость измельчения свёклы равна 9 мс–1. Привод с регулируемым числом оборотов снабжен электродвигателем постоянного тока.
Технические характеристики свеклорезок приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Технические характеристики центробежных свеклорезок
|
Типы конструкций Показатель |
СЦБ-12 |
СЦБ-12А |
СЦБ-16М |
|
Число ножевых рам, шт |
12 |
12 |
16 |
|
Диаметр корпуса, мм |
1200 |
1200 |
1600 |
|
Производительность при пластинчатая стружка желобчатая стружка |
1050 1500 |
1050 2100 |
1500 2500 |
|
Скорость резания свёклы, м/с |
9 |
6 |
9,5 |
|
Частота вращения улитки, мин-1 |
143 |
96…143 |
71,5…113 |
|
Мощность электродвигателя привода, кВт |
75 |
75 |
100 |
|
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота |
4300 2040 2560 |
4950 2040 2560 |
5650 2440 3000 |
|
Масса, кг |
5700 |
7800 |
11400 |
Для плавного изменения производительности свеклорезок в качестве привода предусмотрен трёхмашинный агрегат с плавным регулированием частоты вращения ротора. Многомашинные агрегаты могут быть заменены приводами с тиристорными преобразователями – более простыми и дешёвыми.
Достоинством данной конструкции свеклорезок является то, что при изменениях производительности свеклорезки оптимальная скорость резания свёклы сохраняется. Это позволяет получить свекловичную стружку хорошего качества.
2.5. Сравнительная оценка оборудования
При сравнительном анализе принципов действия свеклорезок и их технических характеристик (см. табл. 2.1, табл. 2.2, табл. 2.3) можно выделить как преимущества, так и их недостатки.
Центробежные свеклорезки имеют много преимуществ перед другими машинами:
- при нормальных условиях эксплуатации получают стружку наилучшего качества;
- большая скорость резания свёклы;
- расходуется наименьшее число ножей на 100 т свёклы по сравнению со свеклорезками других конструкций;
- ножи можно менять на ходу;
- производительность можно регулировать изменением частоты вращения ротора или числа установленных ножей.
Все свеклорезки отличаются по своим габаритам и массе. Центробежные свеклорезки, несмотря на свои большие габариты и массу, имеют достаточно высокую производительность.
Недостатками центробежных свеклорезок является потребляемая мощность и расход воздуха. Потребляемая мощности электродвигателя привода центробежных свеклорезок достигает 100 кВт, в то время, когда мощность дисковых свеклорезок доходит всего до 35 кВт [18]. Расход воздуха для обдува ножевых рам на одно устройство составляет 12 куб. м/мин для центробежных свеклорезок и 9 куб. м/мин для барабанных и дисковых.
Несмотря на указанные недостатки, из всех рассмотренных конструкций на предприятиях сахарной промышленности для получения стружки из свекловичного корня наиболее целесообразно использовать центробежные свеклорезки.
3.1. Обоснование размеров свеклосахарной стружки
При современных технологиях получения сахара из свёклы значительная её часть расходуется нерационально, т.к. продукт из сырья экстрагируется не полностью [3]. Для повышения выработки необходимо исследовать новые методы производства, которые не могут обойтись без четкого математического моделирования.
Значительной проблемой при производстве сахара является эффект скручивания свекловичной стружки малой толщины под воздействием высоких температур. Малая толщина является наиболее целесообразной с точки зрения максимального вымывания сахаров [26]. При сворачивании площадь контакта стружки с водой резко падает, что приводит к снижению выработки сахара. Необходимо определить степень уменьшения площади при эффекте скручивания стружки малой толщины.
Исходными данными являются плоды сахарной свёклы среднего размера. В целях создания математической модели объекту придается форма шара с усреднённым диаметром, рассекаемого на части параллельными сечениями с заданным шагом .
Находим площадь контакта плода с водой и усреднённые значения. Согласно теореме о хордах, (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Расчётная модель корнеплода
При этом сечение смещается от центра к краю окружности диаметром через заданный шаг . Таким образом, формула преобразуется к следующему виду:
,
где – число совершённых шагов от центра окружности к краю.
Исходя из формулы, площадь круга, получаемого при сечении
.
Однако при суммировании по этой формуле будет учтена только половина окружности от центра до края. Для получения полной площади контакта нужно внести коррективы. Поскольку стружка обладает двумя поверхностями контакта, формула изменяется к виду:
,
где – число шагов от центра к краю окружности,
.
Средняя площадь при этом будет равна
.
Из расчётов видно, что максимальная площадь контакта стружки с водой будет при минимальном шаге нарезки, однако в этом случае возможен эффект скручивания нарезки в трубочки, что в значительной мере влияет на площадь контакта.
Для более наглядного обоснования теории сворачиваемости производится следующий шаг – выражение площади свернувшейся стружки. Для упрощения расчётов производится замена круглых моделей эквивалентными по площади квадратными аналогами. Сторона квадрата при этом равна
.
Сворачивая модели в трубочку, каждый оборот будет иметь свою длину окружности. При заданном внутреннем отверстии формулы длин окружности будут иметь следующий характер:
,
и т.д., что позволяет сделать вывод о закономерности увеличения длин окружностей в зависимости от шага нарезки:
,
где – число оборотов.
Таким образом, сумма всех длин будет находиться по формуле
Экспериментальным путем находим число слоев , минимально превышающее сторону квадрата .
Задача разрешима средствами MathCad: подбирается первое (наибольшее) значение, при котором сумма длин получается немного больше, чем имеющаяся сторона квадрата. Оно подставляется в расчётную формулу, а затем производится проверка выражения . Истинное значение выражения ведет к снижению числа оборотов на 1, ложное оставляет без изменений. При удовлетворении выражения остаётся часть, образующая неполный цилиндр, причем длина окружности в его основании будет равна, значит часть незаконченного цилиндра будет равна
,
а часть незаконченного цилиндра
.
Соответственно площадь незаконченного цилиндра:
.
Площадь законченного цилиндра:
.
Еще одна поверхность образована оставшимся отверстием:
.
Таким образом, суммарная площадь поверхности свернувшейся стружки:
.
Установлено эмпирическое отношение площади плоской стружки к площади свернувшейся стружки, находящееся в интервале 2...5. При нарезке плодов большего диаметра эта цифра достигает 11…13.
Исходя из результатов исследования, можно сделать вывод о нецелесообразности нарезки свёклы минимальной толщины – при выборе толщины следует руководствоваться данными о скручивании получаемой стружки, что повысит выработку конечного продукта.
Толщина около 1 мм трудно реализуема на производстве, так как получается большое количество брака в виде мезги, возможность получения точной по толщине стружки с низким процентом брака решается соответствующими технологическими системами [26]. На сегодняшний момент используются устройства центробежного, барабанного и дискового принципа действия, реализующих большее значение толщины, например, 4…7 мм [29]. При этом решение поставленной задачи осуществляется не в полной мере, поэтому перед автором стоит задача разработка технического решения на уровне идеи.
3.2. Патентный поиск нового решения задачи изрезывания
свёклы в стружку
Проведён патентный поиск, в ходе которого были изучены способы измельчения различных пищевых продуктов, указавшие на неполноту использования современного технологического уровня в области пищевых производств: недопустимый процент брака, невозможность реализации задаваемого интервала функциональных параметров продукта, несовременные, энерго- и материалозатратные подходы [43, 44, 48, 49, 51].
В качестве нового метода резания свёклы были рассмотрены различные современные методы резания: лазерная, ультразвуковая, плазменная, газовая и водоструйная резка; было произведено ознакомление с новым методом точного резания сверхтвёрдых материалов – криорезкой [9-11, 13, 22, 23, 28, 30-32, 34-42, 45-47, 50, 55].
Принцип водоструйной резки – наиболее естественный и крайне точный межмолекулярный метод разделения пищевых продуктов, создающий наиболее оптимальные поверхности для последующего процесса диффузии свеклосахарного производства и обеспечивающий минимальное отношение брака к качественной продукции.
Таким образом, из всех современных технологий резания материалов наиболее подходящим для инновационного внедрения в пищевое производство является технология водоструйной резки.
В условиях современной реализации гидроабразивной резки отмечены существенные минусы, решение которых в пищевом производстве требует затрат времени и инвестиций для исследований. Известные изобретения в области водоструйной резки создают дополнительные благоприятные условия для протекания процесса, снижают вес конструкции, повышают показатели струи и увеличивают эксплуатационное время устройств.
Автор сформулировал предложение по способу для резания свёклы в стружку и устройство для его реализации.
3.3. Инновационный способ для резания свеклы в стружку
и устройство для его реализации
3.3.1. Обзор технологии водоструйной резки
Расширение номенклатуры материалов, используемых в промышленности и строительстве, требует новых технологий их обработки. Одной из таких технологий является резка высокоскоростной струёй воды под большим давлением – водоструйная резка [11].
Применение энергии движущегося потока жидкости в технике достаточно изучено. Это новый раздел в технологии обработки материалов, который предусматривает качественно иной подход к процессу резания: обрабатывать естественной жидкой средой машиностроительные материалы различной твёрдости искусственного происхождения.
С помощью водоструйной резки могут обрабатываться практически все материалы: бумага и картон, ткани, кожа и резина, стекло и керамика, гранит и мрамор, бетон и железобетон, все виды полимерных материалов, в том числе композиционные, фольгированные и металлизированные пластики, все виды металлов и сплавов, включая труднообрабатываемые – нержавеющие и жаропрочные стали, твёрдые и титановые сплавы. Эти примеры показывают лишь часть бесконечно широкого диапазона применения технологии водоструйной резки, наиболее универсальной среди существующих методов обработки резанием [22].
За рубежом спектр отраслей, в которых сегодня применяются технологии водоструйной резки, широчайший [55]. Прежде всего это космическая отрасль и ракетостроение, оборонная промышленность, авиа- , судо- , автомобиле- и приборостроение, электротехника и микроэлектроника, лёгкая и пищевая промышленность, строительство, медицина.
В пищевой промышленности водоструйная резка применяется для осуществления следующих технологических операций: резка продуктов глубокой заморозки, различных плотных пищевых продуктов, шоколада, хлеба, кондитерских изделий [11]. Стальные ножи при работе портят продукт, а вода экологически чистая и абсолютно безвредна.
Инструментом водоструйной резки материалов является определённым образом сформированная струя жидкости, исходящая из специального сопла диаметром 0,08…0,5 мм со сверхзвукой скоростью (1200 и более м/с) и обеспечивающая рабочее давление на заготовку в 400 МПа и более. Поскольку расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет несколько миллиметров, давление струи превышает предел прочности материала. Большая мощность струи обеспечивает резание, а точнее, разрушение твёрдой структуры, на молекулярном уровне.
Существуют два способа водоструйной резки материалов:
- резка водой, или гидрорезка – waterjet cutting;
- гидроабразивная резка – abrasive waterjet cutting [55].
Наличие абразива в струе увеличивает её технологические возможности – жидкостно-абразивной суспензией можно резать твёрдые и труднообрабатываемые материалы значительной толщины. Режимы водоструйной резки, осуществляемой обоими способами, могут быть расширены за счёт подвода к струйной головке хладагента, способствующего образованию в струе льдинок, которые придают ей абразивные свойства.
При водоструйной резке учитывается угол между направлением струи и обрабатываемой поверхностью. Максимальная режущая способность и производительность процесса достигаются при угле атаки в 90°.
Струя жидкости является незатупляемым режущим инструментом, не требующим замены в процессе работы. Но не всякая жидкостная струя пригодна для резания материалов. При истечении из сопла она должна обладать требуемым строением, геометрическими и гидродинамическими свойствами: давление струи в области контакта с обрабатываемой поверхностью должно быть выше, чем предел прочности материала заготовки.
3.3.2. Основные компоненты оборудования водоструйной резки
Принципиальная схема комплекса для осуществления процесса водоструйной резки изображена на рис. 3.2.
Рис. 3.3.1. Принципиальная схема оборудования водоструйной резки:
1 – система подачи абразива, 2 – режущая головка, 3 – ловушка струи,
4 – система управления, 5 – трубопровод, 6 – насос высокого давления
В него входят: система подачи абразива 1 (для гидроабразивной резки), режущая головка 2, ловушка струи 3 (которая часто совмещается с координатным столом), система программного управления 4, система трубопровода 5 и насос высокого давления 6. Дополнительно комплекс может оснащаться: устройством предотвращения столкновений режущей головки с заготовкой; системой режущих головок; системой предварительного просверливания; координатным столом и рядом других.
Насос высокого давления создает струю жидкости, являющуюся режущим инструментом. Разработана универсальная принципиальная гидравлическая схема, где в качестве усилителя используется специальный мультипликатор двустороннего или одностороннего действия.
Режущая головка осуществляет окончательное формирование высоконапорной тонкой струи как режущего инструмента по своим геометрическим и энергетическим параметрам. Конструктивные особенности струйной головки (взаиморасположение деталей, характер их соединения и герметизация), оказывая влияние на гидродинамические характеристики и компактность формируемой струи, определяют качество и надежность её работы. На рис. 3.3. показаны принципиальное устройство режущих головок как для гидро- , так и для гидроабразивной резки.
Рис. 3.3. Принципиальное устройство режущих головок
Формирование сверхзвуковой струи жидкости как режущего инструмента осуществляется с помощью сопла. Разработана универсальная методика анализа гидравлических характеристик сопел с различными профилями внутреннего канала.
Гидрорежущее оборудование обладает разной степенью универсальности и автоматизации, в том числе изготавливается и в виде роботизированных комплексов [9].
Выбор компоновки зависит от условий обработки, что позволяет достичь заданных результатов, как по производительности, так и по качеству. Кроме того, используются стандартные регулирующие, распределительные, контрольные и вспомогательные гидравлические устройства.
3.3.3. Оборудование для резания высокоскоростной струёй жидкости
Реализация нового способа резки возможна только при соответствующем оборудовании. В нём резание может быть осуществлено:
- перемещением заготовки относительно неподвижной режущей струи;
- взаимным перемещением заготовки и струи;
- перемещением струи относительно неподвижной заготовки [32].
Как правило, материал для резки располагается на координатном столе, который является второй составной частью установки гидроабразивной резки и позволяет перемещать режущую головку с высокой точностью в трех координатах. Над столом в направлении оси абсцисс Х движется портал, на котором в свою очередь установлена тележка, двигающая в направлении оси ординат Y, а на этой тележке установлена рабочая головка с режущим соплом, способная двигаться в направлении оси аппликат Z. Таким образом, режущее сопло может резать материал в трех координатах, что позволяет обрабатывать с высокой точностью как плоские, так и объёмные заготовки [19].
По мере развития технологии водоструйной резки появляются технологические системы для гидрорезания. В общем случае водоструйные резки состоят из гидроузлов низкого и высокого давления, в котором давление жидкости повышается до уровня, требуемого для резания материалов; систем транспортировки жидкости высокого давления к струйной головке; координатного стола с ЧПУ; узла дозирования абразива; элементов регулировки и приёмника (уловителя) отработавшей струи жидкости [22]. Высокое давление жидкости создаётся насосами высокого давления или мультипликаторами, приводимыми в действие насосами низкого давления. При этом выходное давление жидкости увеличивается по отношению к входному в соотношении от 10:1 до 20:1 и выше.
Для равномерного истечения жидкости из сопла с постоянной скоростью и давлением в систему подключается ресивер или аккумулятор жидкости высокого давления, предназначенные для сглаживания пульсации давления, возникающих при работе насоса высокого давления или во время реверса поршней мультипликатора. На рис. 3.4 указана принципиальная гидросхема установки для водоструйной резки [23].
Рис. 3.4. Принципиальная гидросхема водоструйной резки:
1 – масляный бак, 2 – гидрораспределитель, 3 – компрессор, 4 – система
обратных клапанов, 5 – мультипликатор, 6 – ресивер, 7 – отсечной клапан,
8 – сопло, 9 – заготовка, 10 – уловитель, 11 – водяной бак
Масло из бака 1 под давлением 20 МПа, создаваемым регулируемым аксиально-поршневым насосом, через гидрораспределитель 2 подаётся в полости низкого давления мультипликатора 5 «масло — вода», расположенного в агрегате высокого давления 3 устройства. В состав агрегата 3 входят также система обратных клапанов 4, ресивер 6 и отсечной клапан 7. Вода, подаваемая из бака 11, проходя через фильтр, под некоторым давлением подаётся в соответствующие полости цилиндров высокого давления мультипликатора. Оттуда высоконапорная жидкость через ресивер 6 и отсечной клапан 7 поступает к соплу 8 и направляется на обрабатываемую поверхность листа. После разрезки заготовки 9, оставшаяся энергия струи гасится в уловителе 10 и оттуда перетекает в агрегат подготовки воды 11. Струйная головка относительно заготовки перемещается при помощи широкодиапазонных цифровых электрогидравлических приводов по заданной программе.
На рис. 3.5 показана установка, предназначенная для резки материалов высоконапорной струёй воды с применением хладагентов для создания потока льдинок, выполняющих роль абразивного материала.
Рис. 3.5. Установка для гидрорезания с охлаждением рабочей жидкости:
1 – масляный бак, 2 – насос, 3 – распределитель, 4 – мультипликатор,
5 – водяной бак, 6 – трубопровод, 7 – охладитель, 8 – термический элемент, 9 – трубопровод, 10 – шарниры, 11 – струйная головка.
Отличительной особенностью установки является введение узла охлаждения рабочей жидкости 7, которое позволяет придать струе абразивные свойства за счёт образования льдинок. Гидросхема её типовая: масло из бака 1 нагнетается в полость низкого давления мультипликатора 4 через распределитель 3 насосом 2. Вода из бака 5 подаётся в соответствующие цилиндры высокого давления мультипликатора 4. По трубопроводам высокого давления 6, охлаждаясь в охладителе 7, высоконапорная струя жидкости подаётся к струйной головке 11. Для обеспечения гибкости трубопровода высокого давления в его конструкцию введены шарниры 10. Истечение воды из сопла происходит при давлении 100…350 МПа.
Для повышения интенсивности снятия материала при одновременном уменьшении затрат на техническое обслуживание воду перед выходом из сопла изобарически охлаждают до -10…-20 °С с целью образования ледяных кристаллов. При данных условиях вода остаётся в жидком состоянии и только при выходе из сопла часть воды кристаллизуется в лёд, вследствие чего сопло не подвергается абразивному воздействию кристаллов льда.
Обычно сопла изготавливаются из искусственных камней: сапфира, алмаза, корунда. Их стойкость составляет 250…500 часов.
Технологию резки водой часто сравнивают с такими способами резки, как лазерная и плазменная резка [34]. В этой связи необходимо сказать, что плазменные и лазерные резки и методика гидроабразивной резки различаются принципиально, т.е. не только количественно, но и качественно. Обеспечиваемые при резке водой точность реза в сочетании с холодным характером реза и полным отсутствием как механического, так и термического влияния на зону резки дают уникальные возможности по шаблонной резке материалов и объёмных объектов.
Программное обеспечение для резки водой дает возможность использования самых современных способов обработки материалов сразу «под размер», с минимальными отходами и без какой-либо последующей механической или термической обработки.
Метод гидроабразивной резки в высшей степени универсален в том смысле, что позволяет обрабатывать с одинаковой точностью и большие и малые детали с различной выпуклостью [10].
Диапазон возможных скоростей гидроабразивной резки (т.е. фактически регулируемый диапазон скоростей передвижения режущей головки над столом) колеблется от 1 до 30000 мм в минуту в зависимости от материала, что делает возможным качественную и точную резку на одной и той же установке объектов самых разных размеров и толщин [47].
3.3.4. Достоинства и недостатки водоструйной резки
Основные достоинства водоструйной резки состоят в следующем [11]:
1. Нивелирование теплового воздействия. Генерируемое в процессе резания тепло практически мгновенно уносится водой. В результате не происходит заметного повышения температуры в разрезаемом материале.
2. Универсальность обработки. При гидроабразивной резке последних не создается разрывов в структуре материала, который, таким образом, сохраняет свои первоначальные свойства. Механическое воздействие происходит лишь на микроскопическом уровне. Таким образом, несмотря на большую кинетическую энергию струи воды, отсутствует какая-либо деформация материала и высокоточная резка выполняется без появления неровностей кромки.
3. Оборудование гидроабразивной резки особенно эффективно при выполнении фасонных резов, то есть при резке в двух осях (Х и Y).
4. Хорошее качество поверхности. Можно получать финишную поверхность с шероховатостью Ra 0,5…1,5 мкм.
5. Технологичность процесса. Инструмент резки (струя воды или вода плюс абразив) не нуждается в переточке; ударная нагрузка на изделие минимальна, отсутствует обратная реакция на режущий инструмент, так как между изделием и инструментом нет непосредственного контакта; низкое тангенциальное усилие на деталь позволяет в ряде случаев обойтись без зажима этой детали; существует возможность резки на расстоянии около 200 метров от насоса, а также возможность резки от одного насоса высокого давления одновременно двумя и более режущими головками на одном столе или несколькими головками на разных столах.
6. Экономичность процесса. Скорость резания высокая. Рез можно начинать в любой точке заготовки. Малая ширина реза позволяет экономить дефицитные материалы при их раскрое. Среднее потребление воды в абразивно-жидкостном режущем устройстве невелико – около 3…4 л/мин, несмотря на высокие давления использования (400 МПа и более).
7. Автоматизация процесса. Достаточно легко использовать системы компьютерного управления, оптические следящие устройства и полномасштабных шестикоординатных роботов.
8. Доступность. Использование таких относительно недорогих компонентов, как вода, и, например, кварцевый песок в качестве абразива, делает процесс доступным.
9. Безопасность. Поскольку нет тепла, накапливаемого при абразивно-жидкостной струйной обработке, процесс взрыво- и пожаробезопасен. Отсутствует радиационное излучение, опасность вылета шлаковых или мелкодисперсных частиц. Переносимая по воздуху пыль фактически устранена. Уровень шума колеблется в пределах 85-95 дБ.
К недостаткам технологии гидрорезания можно отнести:
- конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости;
- относительно низкую стойкость сопла и сложность его изготовления.
Факторами, сдерживающими практическое внедрение водоструйной техники на предприятиях, являются:
- высокая энергоёмкость по сравнению с рядом других типов резания;
- несоответствие реальных характеристик заявленным (например, меньшая скорость струи, не позволяющая выполнять процесс резания определённых материалов);
- отсутствие у некоторых потенциальных потребителей необходимого масштаба производства, что делает установку гидрорежущего оборудования нерентабельной;
- высокая стоимость по сравнению с другим (например, электромеханическим) оборудованием для резки.
3.3.5. Отечественные водоструйные резки
Вопросом водоструйной резки заинтересованы многие отечественные исследовательские лаборатории и машиностроительные компании, занимающиеся изготовлением режущего оборудования.
Исследовательская лаборатория гидрорезания (г. Владимир) предоставляет полуавтоматический станок с ЧПУ для разрезки труднообрабатываемых объектов, вырезки отверстий произвольной формы и деталей сложного контура. Станок состоит из двух модулей: привода главного движения – станции высокого давления и привода подач – двухкоординатного стола. Привод подач оснащен системой ЧПУ для точного перемещение стола по двум взаимно перпендикулярным координатам и получения качественного результата по заданной программе.
Савеловский машиностроительный завод – одно из крупных станкостроительных предприятий России. Кроме изготовления нового оборудования завод производит капитально-восстановительный ремонт и модернизацию ранее выпущенного технологического оборудования, обеспечивает внедрение новых технологий высокоскоростной водоструйной резки и встраиваемость в современные технологические системы.
В Санкт-Петербурге располагается официальный представитель фирмы Water Jet Sweden в России – компания Росмарк-Сталь, осуществляющая весь комплекс сервисного обслуживания, поставку запасных частей и расходных материалов.
ОАО "Туламашзавод" представляет технологическую установку гидроабразивного резания, предназначенную для резки сложнофасонных форм объектов из любых материалов со следующими габаритами рабочей поверхности стола – длиной до 4000 мм, шириной до 2000 мм.
ОАО ЭНИМС принимает заказы на изготовление как отдельных узлов установок для водоструйной резки, так и всей установки в комплекте.
3.3.6. Водоструйная резка на свеклосахарном производстве
Благодаря своим уникальным качествам, водоструйная резка может быть востребована при обработке самых различных материалов, например, при разделении биологических тканей высоконапорной струёй жидкости, которая может оказаться наиболее подходящей для ведения подобных работ из-за естественного происхождения режущего инструмента [23].
Исследуемая технология водоструйной резки может быть использована в свеклосахарном производстве для получения качественной стружки с выделением минимального количества несахаров в соответствии со схемой, указанной на рис 3.6.
Рис. 3.6. Схема внедрения технологии водоструйной резки:
1 – грохот, 2 – отверстие I размера, 3 – отверстие II размера, 4 – отверстие III размера, 5 – бункер, 6 – шибер, 7 – перфорированная лента, 8 – лоток,
9 – приёмочное устройство, 10 – корпус, 11 – продольно-ориентированные сопла, 12 – поперечно-ориентированные сопла, 13 – течка,
14 – перфорированная лента, 15 – лоток
Принципиально способ измельчения сахарной свёклы в стружку при помощи высокоскоростных струй жидкости, внедрённый в свеклосахарное производство, предполагает следующие операции.
Свёкла поступает в грохот 1 для классификации плодов по размеру от меньшего I к большему IV. Эта операция необходима для полной бесперебойной загрузки режущего устройства без простоев. Классифицированные плоды через отверстия 2, 3, 4 или непосредственно с классификатора поступают в бункер 5, после заполнения которого до расчётной отметки открывается шиберная заслонка 6 и плоды поступают на транспортёр. Проходя по перфорированной ленте 7, вода, оставшаяся после мойки, стекает через отверстия в ленте на лоток 8, а свёкла доходит до конца транспортёра и падает в приёмочное устройство 9 гидроабразивной резки. Под воздействием гравитационных сил корнеплоды в корпусе 10 проходят через ряды тонких высокоскоростных струй воды из продольно-ориентированных сопел 11 и поперечно-ориентированных сопел 12, разделяясь на ломтики с ровными краями. Продольное и поперечное расположение позволяет получить нарезку заданного сечения. Полученная стружка спускается по течке 13 на вибрационный транспортёр. Качественная стружка по перфорированной ленте 14 попадает в диффузор, а брак и отходы производства (камни, песок), имеющие размер менее требуемого, проваливаются через отверстия в лоток 15.
Нарезанная предложенным способом стружка обладает наиболее подходящими для процесса диффузии поверхностями, обеспечивающими более эффективное вымывание сахаров и препятствующим экстрагированию значительной части несахаров из стружки, поскольку резание производится за счёт разрушения межмолекулярных связей в корнеплодах с минимальным сокоотделением и максимальной сохранностью наиболее ценных сахаросодержащих паренхимных тканей [26].
В ходе выпускной квалификационной работы было проанализировано такое сырьё сахарной промышленности, как сахарная свёкла, были сделаны выводы о необходимости уделить внимание предварительным этапам сахарного производства для повышения выхода конечного продукта. Был проведён анализ такого процесса сахарного производства, как резка – измельчение корнеплодов в стружку. Отмечены основные факторы влияния на качество осуществляемого процесса и сделаны выводы о влиянии процесса на дальнейшее производство. На основе проделанной работы можно сделать выводы о значимости процесса резки и о необходимости его углубленного изучения с целью повышения наукоёмкости и технологичности процесса для дальнейшего совершенствования сахарного производства.
Было проанализировано оборудование для получения качественной свекловичной стружки. Изучено разнообразие известных свеклорезок, выявлены их отличительные особенности, дана сравнительная оценка оборудования и выбрано наиболее целесообразное из них устройство для получения стружки из свёклы.
В ходе исследования была составлена расчётная модель получаемой в процессе резания стружки и описано обоснование выбора её наиболее целесообразного размера.
Исходя из сформулированных задач повышения технологичности и наукоёмкости процесса, был проведён патентный поиск с целью изучения современных способов резания и применимости этих способов в пищевой промышленности. На основе этих данных был предложен новый способ для резания свёклы в стружку и устройство для его реализации на уровне идеи.
В выпускной квалификационной работе обозначен инновационный подход к известному процессу резки сахарной свёклы в стружку, который имеет практическое значение для повышения производительности и снижения себестоимости процессов свеклосахарного производства.
1. Бронштейн Д.Т., Немировский Л.И. Исследование отходов свеклосахарного производства: обзор. М.: Центр. науч.-исслед. ин-т информ. и техн.-эконом. исслед. пищевой пром-сти. 1972, 38 с.
2. Бугаенко И.Ф. Общая технология отрасли: Научные основы технологии сахара: учебник. СПб: Гиорд, 2007. 512 с.
3. Бугаенко И.Ф. Технохимический контроль сахарного производства. М.: Агропромиздат, 1989. 216 с.
4. Волошин З.С., Левин Л.И., Яцковский П.В. Современное автоматизированное оборудование для сатурации соков в свеклосахарном производстве: обзор. М.: Центр. науч.-исслед. ин-т информ. и техн.-эконом. исслед. пищевой пром-сти. 1974. 49 с.
5. Волошин З.С., Макаренко Л.П., Яцковский П.В. Автоматизация сахарного производства. 2-е изд., перераб и доп. М.: Агропромиздат, 1990. 271 с.
6. Вопросы уменьшения удельного расхода сырья и увеличения выхода сахара: сб. науч. тр. Вып. XXIII / Министерство пищевой промышленности СССР. М.: Пищевая промышленность, 1974. 96 с.
7. Вострухин Н.П., Вострухина Н.П., Фолитар И.И. Справочник свекловода. Мн.: Урожай, 1969. 240 с.
8. Герасименко А.А., Олянская С.П. Гривцева Э.А. Меласса и мелассообразование в свеклосахарном производстве. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1984. 318 с.
9. Гидроабразивная резка [Электронный ресурс] // О сварке: [сайт]. [2011]. URL:http://www.osvarke.com/gidroabrazivnaya-rezka.html (дата обращения: 20.05.12).
10. Гидроприводной силовой агрегат для установок водоструйной резки: пат. RU 2415309 C1. Рос. Федерация. № 2009142287/06; заявл. 18.11.2009, опубл. 27.03.2011. Бюл. № 9. 10 с.
11. Заякин С. Резать водой // Оборудование: журн. 2003. URL: http://www.vodorezka.ru/rezat_vodoy.html (дата обращения 20.05.2012).
12. Князев В.А. Приёмка и хранение сахарной свёклы по прогрессивной технологии. М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1984. 200 с.
13. Лазерные технологии на машиностроительном заводе: монография / Н.Г. Терегулов [и др.]. Уфа: АН Респ. Башкортостан, Отд-ние физ.-мат. и техн. наук. 1993. 263 c.
14. Механизация трудоёмких процессов на сахарных заводах / Жарик Б.Н. [и др.]. Киев: Урожай, 1988. 160 с.
15. Морозов В.Б. Комплексная безопасность в пищевых и перерабатывающих производствах: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 108 с.
16. Морозов В.Б. Самостоятельная работа студентов в дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»: учебно-методическое пособие. Тула: ТулГУ, 2011. 104 с.
17. Морозов В.Б. Технологические системы подготовки и переработки сырья свёклосахарных производств: учеб. пособие. Тула: ТулГУ, 2010. 96 с.
18. Оборудование для механической переработки в пищевых производствах: учеб. пособие / В.Н. Долгунин [и др.]. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 80 с.
19. Определение чувствительности высокоэнергетических материалов к воздействию высокоскоростных струй жидкости: монография / А.А. Акимов [и др.]. Тула: Гриф и К, 2009, 108 с.
20. Орлов В.Д., Заборсин А.Ф., Яровой С.Л. Производство сушеного свекловичного жома. М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1983. 113 с.
21. Орловский Н.И. Этапы развития отечественной селекции сахарной свёклы. К.: Ротапринт, 1973. 156 с.
22. Павлов Э. Гидроабразивная резка // Умное производство: журн. 2009. URL: http://www.stanko-lid.ru/article/index.php?ELEMENT_ID=6870 (дата обращения 20.05.2012).
23. Развитие научно-технических решений в медицине: учеб. пособие / В.Н. Канюков, Н.Г. Терегулов, В.Ф. Винярский, В.В. Осипов. Оренбург: ОГУ, 2000. 255 с.
24. Сапронов А.Р., Бобровик Л.Д. Сахар. М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1981. 256 с.
25. Сапронов А.Р., Жушман А.И., Лосева В.А. Общая технология сахара и сахаристых веществ. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1990. 397 с.
26. Сапронов А.Р., Сапронова Л.А. Технология сахарного производства. М.: Колос, 1999, 495 с.
27. Сидоренко Г.А., Дегтяренко Г.Н., Вострикова Р.М. Введение в технологии продуктов питания: Методические указания к лабораторному практикуму. Оренбург: ГОУ «ОГУ», 2004, 38 с.
28. Способ резки и обработки материалов энергетической струёй и устройство, его реализующее: пат. RU 2006108833 A. Рос. Федерация. № 2006108833/02; заявл. 21.03.2006, опубл. 27.09.2007. Бюл. № 27. 1 с.
29. Справочник по технологическому оборудованию сахарных заводов / В.Г. Белик [и др.]. Киев: Техника, 1982. 304 с.
30. Стивен Эшли. Криогенная резка // В мире науки. 2004. № 6. С. 9.
31. Стол устройства для резки материала струёй воды: пат. RU 93051308 A. Рос. Федерация. № 93051308/08; заявл. 12.11.1993, опубл. 27.05.1996. Бюл. № 12. 4 с.
32. Столы – координатные столы, графопостроители и столы на пневмоподушках. [Электронный ресурс] // ЗСК: [сайт]. [2011]. URL: http://www.zsklaser.ru/stati/stoli__koordinatnie_stoli,_grafopostroiteli_i_stoli_na_pnevmopodushkah_/ (дата обращения: 20.05.12).
33. Сушка, хранение и упаковка сахара-песка: сб. науч. тр. Вып. XXIV / Министерство пищевой промышленности СССР. М.: Пищевая промышленность, 1975. 144 с.
34. Технологии резки [Электронный ресурс] // О сварке: [сайт]. [2011]. URL:http://www.osvarke.com/ rezka.html (дата обращения: 20.05.12).
35. Тихомиров А.В. Технология газолазерной резки металлов и неметаллических материалов. М.: ЦНИИТхимнефтемаш, 1982, с.40.
36. Тихомиров Р.А., Гусенко В.С. Гидрорезание неметаллических материалов. Киев: Техника, 1984г. 150 с.
37. Ультразвуковое обрезающее устройство и способ ультразвуковой резки: пат. RU 2404047 C2. Рос. Федерация. № 2008117106/02; заявл. 26.07.2006, опубл. 20.11.2010. Бюл. № 32. 29 с.
38. Установки гидроабразивной резки [Электронный ресурс] // О сварке: [сайт]. [2011]. URL:http://www.osvarke.com/ustanovki-gidroabrazivnoj-rezki.html (дата обращения: 20.05.12).
39. Устройство для газоструйной резки материалов: пат. RU 2003129677 A. Рос. Федерация. № 2003129677/02; заявл. 06.10.2003, опубл. 10.04.2005. Бюл. № 10. 1 с.
40. Устройство для гидроабразивной резки: пат. RU 2393077 C1. Рос. Федерация. № 2009124138/02; заявл. 25.06.2009, опубл. 27.06.2010. Бюл. № 18. 6 с.
41. Устройство для лазерной резки: пат. RU 92009319 A. Рос. Федерация. № 92009319/08; заявл. 01.12.1992, опубл. 10.05.1995. Бюл. № 7. 9 с.
42. Устройство для резки высоконапорной струёй жидкости: пат. RU 2030976 C1. Рос. Федерация. № 4904222/08; заявл. 20.12.1990, опубл. 20.03.1995. Бюл. № 8. 3 с.
43. Устройство для резки пищевых продуктов: пат. RU 2009106729 A. Рос. Федерация. № 2009106729/02; заявл. 26.02.2009, опубл. 10.09.2010. Бюл. № 25. 2 с.
44. Устройство для резки сахарной свёклы в стружку: пат. RU 98117417 A. Рос. Федерация. № 98117417/13; заявл. 21.09.1998, опубл. 10.09.2000. Бюл. № 19. 3 с.
45. Устройство для резки струёй воды: пат. RU 2035273 C1. Рос. Федерация. № 4829900/27; заявл. 29.05.1990, опубл. 20.05.1995. Бюл. № 7. 4 с.
46. Устройство для резки струёй жидкости высокого давления: пат. UA 1598338 А1. СССР. № 4389011/27; заявл. 09.03.1988, опубл. 30.12.1994. Бюл. № 7. 3 с.
47. Устройство для резки струёй жидкости сверхвысокого давления: пат. RU 2019391 C1. Рос. Федерация. № 4784750/27; заявл. 23.01.1990, опубл. 15.09.1994. Бюл. № 6. 5 с.
48. Устройство для резки хлебных продуктов: пат. RU 2006138958 A. Рос. Федерация. № 2006138958/02; заявл. 03.11.2006, опубл. 10.05.2008. Бюл № 13. 1 с.
49. Устройство для резки экструдированного пищевого продукта: пат. RU 2009100312 A. Рос. Федерация. № 2009100312/02; заявл. 30.12.2008, опубл. 10.07.2010. Бюл. № 19. 1 с.
50. Устройство для струйной гидроабразивной резки: пат. RU 2019390 C1. Рос. Федерация. № 4724173/27; заявл. 26.07.1989, опубл. 15.09.1994. Бюл. № 6. 5 с.
51. Устройство и способ резки ломтиками овощей и фруктов: пат. RU 2009125220 A. Рос. Федерация. № 2009125220/02; заявл. 31.01.2008, опубл. 20.03.2011. Бюл. № 8. 2 с.
52. Хелемский М.З. Хранение сахарной свёклы. М.: Пищ. пром-сть, 1964. 471 с.
53. Хелемский М.З., Краснокутский Б.И., Струшенко А.Х. Приёмка, хранение и переработка свёклы, убираемой механизированным способом: обзор. М.: Центр. науч.-исслед. ин-т информ. и техн.-эконом. исслед. пищевой пром-сти. 1971, 39 с.
54. Яценко В.Г.. Справочник свекловода. М.: Россельхозиздат, 1977. 189 с.
55. Kennedy Bill. Now in 3-D! // Tool Engineering, 2011. Vol. 63. №9. P. 58, 60-66, 68.