відходів харчової та переробної промисловості - Визначення реологічних властивостей дисперсних матеріалів - страница 1

Страницы:
1 

УДК 664.149:635.1

Є.В. Штефан, кандидат технічних наук

E.Shtefan Д.В. Риндюк, аспірант D. Rynduk

ВИЗНАЧЕННЯ РЕОЛОГІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ДИСПЕРСНИХ МАТЕРІАЛІВ - ВІДХОДІВ ХАРЧОВОЇ ТА ПЕРЕРОБНОЇ

ПРОМИСЛОВОСТІ THE DEFINITION OF REOLOGICAL PROPERTIES OF DISPERSE MATERIALS - FOOD AND PROCESS INDUSTRY SCRAPS

Розглянута проблема визначення реологічних параметрів дисперсних матеріалів типу лузги соняшника, соломи, жому, пивної дробини, деревної стружки та ін.. Обґрунтована актуальність визначення цих параметрів при розробленні інформаційних технологій проектування        обладнання. Представлена методика

експериментального визначення реологічних параметрів дисперсних матеріалів.

Ключові слова: реологічні параметри, експериментальна методика, інформаційна технологія проектування, математичне моделювання.

The problem of definition of reological parameters of disperse materials as sunflower hull, straw, beetcake, beer grain, wood shaving etc. is considered. The urgency of definition of these parameters by the development of information technologies of designing of equipment is substantiated. The technique of experimental definition of reological parameters of disperse materials is submitted.

Key words: reological parameters, experimental technique, information technology of designing, mathematical simulation.

© Є.В. Штефан, Д.В. Риндюк, 2007

Останнім часом в харчовій та переробній промисловості виникла проблема по раціональному використанню відходів виробництва таких, як лузга соняшника, солома, жом, пивна дробина, деревна стружка та ін.. В більшості випадків ці відходи використовують в якості комбікормів, біопалива та ін.. Але, зважаючи на невелику насипну густину таких матеріалів, транспортування їх є економічно не вигідним. Це обумовлює збільшення насипної густини цих матеріалі за рахунок пресування (брикетування, тюкування, гранулювання та ін.). Виходячи з аналізу різних технологій пресування, процес гранулювання є найбільш раціональним, оскільки реалізується в безперервному режимі, дозволяє отримати вироби найбільшої густини, а також забезпечує універсальність подальшого використання гранул (біопаливо, комбікорм з різною фракцією). В роботах [2,5] показано, що ефективна реалізація технологій пресування методами грануляції в значній мірі залежить від конструктивних особливостей відповідного обладнання, що забезпечують необхідні експлуатаційні показники. Для ефективного проектування такого технологічного обладнання необхідно враховувати структурно-механічні особливості матеріалів, що обробляються, і, в першу чергу, таки їх реологічні властивості, як пружність, пластичність, в'язкість.

Відмітимо, що використання у проектувальній практиці експериментальних фізичних моделей є економічно невигідним, а класичні емпіричні залежності, що застосовуються для проектних розрахунків, не дозволяють врахувати всі технологічні особливості (нагрівання, формозмінення, ущільнення та ін.)процесу гранулювання [2].

Тому, для аналізу взаємовпливу більшості конструктивно-технологічних параметрів процесів пресування доцільно використовувати інформаційні технології проектування (ІТП) [3].

Основним принципом, що покладений в основу запропонованої ІТП є   обчислювальний   експеримент   по   дослідженню взаємовпливуконструктивно-технологічних параметрів процесу пресування з врахуванням реологічних властивостей дисперсного матеріалу. Побудова ІТП основана на принципі розглядання у єдиному комплексі постановки задачі, методів її розв'язування та реалізації розрахункового алгоритму у вигляді програмної системи. Функціональним ядром ІТП є математична модель відповідної технічної системи, що враховує конструктивно-технологічні параметри обладнання.

Наприклад, ІТП обладнання для грануляції [5] розглядає технологічний процес у вигляді мультикомпонентної системи взаємозв'язаних об'єктів досліджень: сировини, що гранулюється (дисперсної маси), елементів технологічного обладнання (матриця гранулятора, пресуючий ролик та ін.), механічного навантаження та ін. При цьому використовується концепція подання сировинних мас як двохфазних сумішей пористої або зернистої твердої деформованої структури з рідиною чи газом. Для описування поведінки дисперсної маси використано поняття напружень, деформацій, щільності, а також швидкості зміни цих параметрів. Ці тензорні та скалярні характеристики мають локальну природу і визначаються за допомогою операцій граничного переходу, коли елементи простору (об'єми і поверхні) стягуються до точок. Тому, для спрощення математичного описування механічної поведінки дисперсних мас, використовується для відповідних структурно-механічних параметрів просторове усереднення по твердій та газорідкій фазах [3].

Значною проблемою при отриманні адекватних результатів чисельного моделювання процесів пресування є відсутність в довідковій літературі реологічних характеристик відповідних видів дисперсних матеріалів.

Слід відмітити, що в працях К. Валентаса, Е. Ротштейна, Р. Сингха [1] представлені реологічні характеристики деяких дисперсних матеріалів, але інформації про такі матеріали, як соняшникова лузга,

зжом, пивна дробина, деревна стружка та ін. не наведено.

Як відомо, дисперсний матеріал (рис.1.) складається з дисперсійного середовища та дисперсної фази. Відмітимо, що дисперсна фаза не є однорідною. Це зумовлено тим, що до складу дисперсної фази, в даному випадку, входять різні хімічні сполуки.

Рис. 1. Структура дисперсного матеріалу (1-дисперсійне середовище, 2-дисперсна фаза)

Наприклад, деревна стружка складається з безпосередньо частинок дерева (дисперсна фаза) та повітря (дисперсійне середовище), що знаходиться між частками дерева.

Як відомо [4], дерево складається переважно з органічних речовин (99% загальної маси). Елементний хімічний склад стружки з деревини різних порід практично однаковий. Абсолютно суха деревина в середньому містить 49% вуглецю, 44% кисню, 6% водню, 0,1-0,3% азоту. Дані хімічні елементи утворюють основні органічні речовини: целюлозу, лігнін і геміцелюлозу. При спалюванні деревини залишається її неорганічна частина - зола. До складу якої входять кальцій, калій, натрій, магній і інші елементи.

Целюлоза - природний полімер, полісахарид з довгою ланцюговою молекулою. Це стійка речовина, нерозчинна у воді і звичайних органічних розчинниках (спиртах, ефірах і ін.). Набір макромолекул целюлози створюють волоконця мікрофибрил, яки утворюють целюлозний каркас стінки клітини деревини. Мікрофибрили орієнтовані переважно уздовж довгої осі клітини, між ними знаходиться лігнін,геміцелюлоза, а також вода.

Лігнін - полімер ароматичної природи (поліфенол) складної будови; містить більше вуглецю та менше кисню, ніж целюлоза.

Геміцелюлоза - група полісахаридів, у яку входять пентозани і гексозани.

Крім основних органічних речовин, у деревині присутня деяка кількість екстрактивних речовин (танідів, смол, камеді, пектинів, жирів і

ін.).

Аналогічний склад мають і інші подібні дисперсні матеріали (солома, лузга соняшника та ріпаку та ін.), але їх точний склад і реологічні параметри мало, або і зовсім не відомі.

Таким чином, визначення реологічних характеристик дисперсних матеріалів є актуальною проблемою при проектуванні технологічних умов їх якісного ущільнення. Розв'язання цієї проблеми у значній мірі пов'язано з труднощами визначення речовини саме твердої фази.

Мета даної роботи полягає у вирішенні даної проблеми шляхом розробки методу визначення реологічних параметрів дисперсних матеріалів (солома, лузга соняшника, жом, деревна стружка та ін.) для подальшого їх використання при проведенні математичного моделювання процесів пресування.

В основу метода покладено експериментальні дослідження з використанням спеціального пресуючого обладнання, яке забезпечує високий тиск ущільнення дисперсного матеріалу до стану з незначним (наближеним до нуля) об'ємним вмістом газорідинної фази. Отриманий в результаті матеріал умовно вважаємо не дисперсним, а компактним (однофазним), тобто матеріалом твердої фази.

В залежності від структурних змін, що відбуваються в дисперсному матеріалі заданого об'єму під час пресування можна умовно виділити 4 зони пресування (рис.2.).

L

Рис. 2. Графік залежності тиску пресування Р від лінійної деформації L представницького об'єму зразка

В І зоні відбувається витіснення дисперсійного середовища (повітря, рідина) з об'єму дисперсного матеріалу; процес характеризується незначним підвищенням тиску при значних переміщеннях пуансона.

В ІІ зоні відбувається ущільнення безпосередньо дисперсної фази; процес характеризується зменшенням переміщення пуансона та поступовим підвищенням тиску.

В ІІІ зоні проходить витіснення газорідинної фази з об'єму твердих часток матеріалу; процес характеризується значним підвищенням тиску при невеликих переміщеннях.

В IV зоні відбувається ущільнення складових дисперсної фази (руйнування клітин) при різкому підвищенню тиску та незначній величині переміщення пуансона.

Методика визначення реологічних параметрів дисперсних матеріалів представлена наступними етапами.

1.  Визначення структурних параметрів дисперсного матеріалу

перед початком пресування: маси m0 , об'єму V0, густини р = ,

0ередньої дисперсності Дср, загального фазового складу.

2. Визначення технічних параметрів виробів відповідної технології пресування заданої сировини: продуктивність виробництва, геометричні параметри виробів, густина матеріалу та реологічні характеристики виробів.

3. Визначення зони відповідно рис.2, що відповідає структурним змінам заданого технологічного режиму пресування.

4. Визначення рівня тиску Рекс, що реалізується у заданій технології виготовлення виробів у відповідності з діаграмою рис.2.

5. Розробка вузла пресування експериментального стенду установки для об'ємного пресування дисперсних матеріалів (рис.3.). Розміри вузла пресування обираються з умови забезпечення необхідного тиску Рекс в об'ємі V0.

6. Проведення процесу пресування матеріалу об'ємом V0 на експериментальному стенді (рис.3.) та отримання зразка відповідних розмірів об'єму V-r з умовно компактного матеріалу.

7. Проведення експериментальних випробувань отриманого зразка і визначення реологічних параметрів матеріалу твердої фази Ч.к, які

характеризують пружність, пластичність, в'язкість, густину.

8. Визначення об'єму дисперсійного середовища: V, =V0 - V .

9. Визначення об'ємного вмісту дисперсійного середовища у початковому об'ємі V0:

V

а = v. (1)

У 0

10. Визначення реологічних параметрів дисперсного матеріалу:

Ч>д = (1 д)     . (2)

Слід відмітити, що параметр ад є змінним у процесі пресування, тому і реологічні параметри дисперсного матеріалу Ч.д змінюються згідно (2) і наближуються до відповідних параметрів Ч.к твердої фази.

ВидА

Рис. 3. Схема експериментального стенду (1- корпус, 2- дно, 3-пуансон, 4- дисперсний матеріал, 5 - прес, 6- індикатор сили ,7-графічний пристрій)

Висновки:

Розроблена універсальна методика, яка дозволяє визначити реологічні властивості дисперсних матеріалів різних типів. Отримані результати будуть використані для подальших досліджень та при проектуванні обладнання для грануляції дисперсних матеріалів.

Література:

1. Валентас К.Д. Пищевая инженерия: справочник с примерами расчетов: Пер. с англ../ К.Д. Валентас, Є. Ротштейн, Р.П. Сингх. - С.Пб.: Профессия, 2004.-848с.:ил.

2. Використання методів математичного моделювання для проектування вузлів преса-гранулятора/ Штефан Є.В., Риндюк Д.В. "Механіка та інформатика" Збірник наукових праць молодих вчених, Хмельницкий ,ХНУ 2005 -С.172-175.

3. Моделювання поведінки дисперсних систем у нерівноважних процесах харчових виробництв/ Штефан Є.В. Наукові праці УДУХТ,2000, № 8, с.63-66.

4. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина : Перевод с английского А.В. Оболенской и З.П. Ельницкой. Под редакцией доктора технических наук, профессора А.А. Леоновича, МОСКВА "ЛЕСНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ", 1988.-540с.

5. Штефан Є.В., Заєць Ю.О., Риндюк Д.В. Визначення конструктивно-технологічних параметрів процесів переробки харчових матеріалів холодною екструзією/ Комбікормова промисловість України. №5(18),2006,с.16-20.

Страницы:
1 


Похожие статьи

відходів харчової та переробної промисловості - Визначення реологічних властивостей дисперсних матеріалів