Характеристика и ассортимент соков и сокосодержащих напитков

В ситах протирочных машин отверстия имеют круглую форму. В проектируемой машине также применяется сито с отверстиями круглой формы. Диаметр отверстий в первую очередь зависит от геометрических параметров косточек плодов. Согласно экспериментальным данным применяем d = 6 мм, тогда длина режущей кромки будет равна:

                   l = φ·π·d = 0,35·3,14·0,006 = 0,005652 м.                   (5.3)

 

Количество режущих кромок равно количеству отверстий сита, которое определяется по формуле:

                                                                                                (5.4)

где: φс – коэффициент живого сечения сита, все экспериментальные сита были изготовлены с коэффициентом живого сечения φс = 0,4;

Fс – площадь внутренней поверхности сита, м2;

f0 – площадь одного отверстия, м2

Площадь внутренней поверхности сита

                                          Fс = π·Dв·Lс                                                                    (5.5)

где: Dв – внутренний диаметр сита, примем Dв = 300 мм;

Lс – конструктивная длина сита, Lс = 300 мм,

Согласно экспериментальным наблюдениям отделение мякоти от косточек происходит не по всей длине сита, а зависит от физико-механических характеристик плодов и может быть принята равной 2/3Lс.

тогда:

                   Fс(2/3) = 2/3π·Dв·Lс = 3,14·0,3·0,3·0,67 = 0,1893 м2           (5.6)

Площадь отверстия определяется по формуле:

                      f0 = 0,785·d2 = 0,785·0,0062 = 0,00002826 м2                     (5.7)

где: d = 6 мм – диаметр отверстий сита

Определим количество отверстий

                                                                    (5.8)

Qм = 0,5·0,3·0,005652·0,0005·2679·1050·5 = 5,96  кг/с = 21458 кг/ч

Коэффициент использования перфорированной поверхности может быть определен на основании следующих рассуждений.

Согласно экспериментальным исследованиям известно, что наиболее активно процесс отделения мякоти от косточки происходит при расположении плодов на внутренней поверхности сита в один ряд. Такое расположение может быть гарантировано для случая, когда между лопастями располагается один плод. Для примера возьмем плод круглой формы в поперечном сечении при максимальном диаметре равном 10 мм, с учетом вариации между диаметрами разных плодов шаг между лопастями примем lZ = 20 мм. Тогда количество лопастей при внутреннем диаметре сита Dв = 300 мм будет равно:

                                Zл = π·Dб/ lZ = 3,14·0,3/0,02 = 47,12 шт.                (5.9)

Примем Zл = 47 шт.

Уточним шаг между лопастями:

                                                 (5.10)

С учетом принятой толщины лопастей δл = 5 мм шаг между лопастями будет равен:

                         (5.)

Перемещаясь вдоль образующей сита, благодаря углу опережения лопастей коэффициент использования сита носит переменный характер, т.к. масса целого плода уменьшается до массы косточки, то активная площадь представляет собой треугольник, основанием которого в месте загрузки является проекция целого плода на поверхность сита, в конце проекция косточки на плоскость сита. Площадь такого треугольника определяется по формуле:

        S∆ = d·2/3·L·0,5 = 0,02·0,67·0,3·0,5 = 2,1·10-3 м                          (5.)

При максимальном количестве лопастей Zл = 47 шт., сумма площадей составит:

                Σ S∆ = S∆· Zл = 2,1·10-3·47 = 9,87·10-2 м                                     (5.)

Тогда коэффициент использования всей поверхности сита составит:

                                              (5.)

В разработанной конструкции машины количество лопастей равно восьми, в этом случае коэффициент использования площади сита составит:

 

                                (5.)

Тогда производительность машины будет равна:

Qм = К8·φ·l·δ·Z0(2/3)·ρ·vр = 0,06·0,35·0,00659·0,0005·2679·1050·3 =2102 кг/ч

Принимаем Qм = 2000 кг/ч

Найдем производительность машины по косточкам:

                                             (5.)

где a =18% - среднее значение отношения массы косточки к массе плода

Общая производительность машины составит:

Q = 2000+439 = 2439 кг/ч

Принимаем Q = 2500 кг/ч

 

5.4. Силовой  расчет

 

Мощность электродвигателя машины для отделения мякоти может бать определена по формуле:

                                                                                                (5.)

где: N1, N2 – мощность необходимая для резания продукта(мякоти) и трения его о поверхность сита, Вт;

η – к.п.д. привода, для проектируемой машины привод состоит из клиноременной передачи, тогда:

η = ηк.п. · η2под. = 0.95·0,99 = 0,94

где: ηк.п.= 0,95 - к.п.д. клиноременной передачи;

ηпод. = 0,99 - к.п.д. одной пары подшипников.

Мощность необходимая для резания плода определяется по формуле:

                                         N1=K2/3·φ·Zл·q·Σl0·νл                                                                 (5.)

где: K2/3 – коэффициент использования сита, K2/3 = 0,06;

φ – коэффициент использования длины кромки отверстия сита, φ = 0,35;

           Zл – количество лопастей, Zл = 8шт;

q – удельное  сопротивление при резании продукта на единицу длины кромок отверстий, примем q = 150 Н*м;

Σl0 – общая длина кромок отверстий сита

                                       Σl0 = Z0·φ·lкр = Z0·φ·π·d0                                                         (5.)

  где: Z0 – количество активных отверстий сита, Z0 = 2672 шт;

φ – коэффициент использования длины кромки отверстия, φ = 0,35;

lкр – полная длина кромки отверстия;

d0 – диаметр отверстия, d0 = 6 мм,

тогда:

Σl0 = 2672·0,35·3,14·0,006 = 15,11м

 

 

Окружная скорость лопастей:

                                           νл = πDn/60                                               (5.)

где: D – внутренний диаметр сита, D = 0,3 м, в данном случае внутренний диаметр сита совпадает с поверхностью продукта, перемещаемого по поверхности сита;

n – частота вращения лопастей, примем n = 750 об/мин, тогда:

 

Согласно экспериментальным данным окружную скорость лопастей рекомендуется принимать в диапазоне 7…11 м/с. Для дальнейших расчетов примем ее среднее значение, т.е. νл = 9 м/с

Определим мощность затрачиваемую на резание продукта:

N1=0,06·0,3·8·150·15,11·9 = 2937 Вт

Принимаем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором RAM100LB4 мощностью 3 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.5. Энергетический  расчет

 

Для определения расхода теплоносителя при нагреве косточкосодержимого сырья составим уравнение теплового баланса для нестационарного режима.

                                               Qобщ.с. = Q1с + Q5с                                                     (5.)

где: Qобщ.с – общее количество тепловой энергии, затрачиваемое на проведение теплового процесса для нестационарного режима, Дж;

Q1с – расход тепла на подогрев сырья для стационарного режима, Дж;

Q5с – потеря тепла в окружающую среду наружней поверхностью аппарата при стационарном режиме, Дж;

Из уравнения теплового баланса определяют расход теплоносителя. Так как при нагреве косточкосодержащего сырья применяют водяной пар при условии его полной конденсации в рабочей камере то его расход определяется по формуле:

                                                   Д = Qобщ.с./iп – iк                                                            (5.)

где: iп , iк – теплосодержание пара и конденсата, Дж/кг

Известно что при производстве из слив и кизила соков с мякотью, целые плоды с помощью бланширователей подогревают паром в течении 15 -20 минут до температуры 75-90ºС с давлением не менее 0,15 МПа.

В результате тепловой обработки происходит разрушение плазматического слоя, что облегчает последующую переработку(протирание с целью отделения мякоти от косточек с одновременным измельчением мякоти, отжим сока на прессах и др. )

Косточкосодержащие плоды подогревают в целом виде в среде пара, который непосредственно попадает в камеру с плодами. При этом количество теплоты, расходуемой на подогрев продукта для стационарного режима определяется по формуле:

                                          Q1с = mпр.·Спр.(tк – tн)                                    (5.)

 

где: mпр – масса подогреваемого продукта, примем mпр = 2500кг;

Спр – удельная теплоемкость продукта, Спр = 3,75·10-3 Дж/кг·град;

tк – конечная температура продукта, tк = 85ºС;

tн – начальная температура продукта, tн = 20ºС

Количество теплоты за 1 с будет равно:

Q1с = 2500/3600·3,75·103(85 - 20) = 156250 Дж/с =156,2 кЖд/с

Потери тепла в окружающую среду определяются по формуле:

                             Q5с = F α(tст – tв)                                                           (5.)

где: F – площадь наружней поверхности аппарата, м2;

α – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением Вт/м2град;

tст – средняя температура наружней поверхности аппарата, согласно требованиям безопасного обслуживания tст = 55ºС;

tв – температура окружающей среды, принимаем tв = 20ºС

Наружную поверхность аппарата в первом приближении определим на основании следующих условий: во-первых, для нагрева примем аппарат периодического действия, во-вторых для упрощения расчетов примем, что рабочая камера выполнена в форме цилиндра, тогда её общая наружная поверхность с расчетом подогрева 2500 кг сырья определяется по формуле:

                                  Fобщ =  Fб +  Fд +  Fк                                                                     (5.)

где: Fб – боковая поверхность аппарата, м2;

Fд, Fк – соответственно поверхность крышки и днища аппарата, м2. Для упрощения расчетов примем форму днища и крышки плоскими.

Боковая поверхность определяется по формуле:

                                   Fб = π ·Dн ·H                                                           (5.)

где; Дн – наружний диаметр аппарата,

                              Dн = (2·δ)+Дв                                                                                              (5.)

где: δ – толщина стенки аппарата, примем δ = 5 мм;

Дв – внутренний диаметр аппарата, примем Дв = 1,5 м,

тогда:

Dн = 2·0,005+1,5 = 1,51

Опуская промежуточные расчеты, для принятого внутреннего диаметра Дв = 1,5 м, коэффициента использования рабочей камеры φ = 0,82 и насыпной массе кизила ρ = 520 кг/м3 высота аппарата будет H = 3,3 м, тогда боковая поверхность будет равна:

Fб = 3,14·1,51·3,3 = 15,65 м2

Поверхность крышки определяется по формуле:

Fк = 0,785·Dк = 0,785 · 1,51 = 1,19 м2

Примем Fд = Fк = 1,19 м2, тогда общая поверхность будет равна:

Fобщ. = 15,65+1,19+1,19 = 18,03

Суммарный коэффициент конвекции и излучения можно определить по формуле:

α = 9,74+0,07(tст – tв) = 9,74+0,07(55 – 20) = 12,9 Вт/м2град

Тогда потери тепла в окружающую среду будут равны:

Q5с = 18,03·12,19(55 - 20) = 7692 Вт

Общее количество энергии для нагрева 2500 кг кизила при стационарном режиме будет равно:

Qобщ.с. = 156250 + 7692 = 163942 Вт = 163,9 кВт

Расход пара будет равен:

Д = 163,9/2693 - 466 = 0,0736 кг/с = 265 кг/ч

Следовательно для подогрева 1 тонны сырья расход пара составит

106 кг.

По состоянию на июнь 2010 г. Стоимость 1 т. Пара за 1 ч. составляет приблизительно 230 грн., тогда стоимость количества пара для подогрева 2500 кг сырья составит 24,38 грн/ч, а потери в окружающую среду 2,86 грн/ч.

Удельная энергоемкость оборудования рассчитывается по формуле:

 

                                              Эу = N/Qm                                                                   (5.)

где: N – мощность электродвигателя, Вт;

Qm – массовая производительность мащины, кг/ч, тогда разрабатываемой машины удельная энергоемкость составит

Эу = 3000/2500 = 1,2 Вт/кг

Как показано выше на нагрев 2500 кг сырья расходуется Qобщ.с. =163942 Вт, удельные затраты при этом составят:

                Пу = Qобщ.с./ Qm = 163942/2500 = 65,58 Вт/кг                  (5.)

Так как плоды в горячем состоянии протираются с помощью протирочных машин, то потери тепла будут еще больше.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Общие  выводы 

 

1. Предложен    новый способ   первичной    переработки    плодов косточковых культур без  предварительной термообработки: отделение  мякоти от косточек в поле  центробежных сил на перфорированной  поверхности с одновременным  разделением на полуфабрикат  и отходы (косточки).

2. Предложенный способ приводит  к упрощению общей технологической  схемы переработки косточкового  сырья за счет изъятия оборудования  для   предварительного нагревания  и уменьшение затрат теплоносителя.

         3. Предложенный    способ    приводить    к   упрощению    общей технологической   схемы    переработки    косточкового    сырья    за   счет использования более эффективного оборудования для транспортировки полуфабриката.

4. Возникает возможность в случае  необходимости получать полуфабрикат  разной дисперсности в зависимости  от требований технологии за  счет переоборудования машины. Возникает  возможность переработки косточкового  сырья с плохо отделяемой или  неотделяемой косточкой.