Преимуществом данной схемы, по сравнению, например, с установкой, предложенной в работе [2], является уменьшение доли вспомогательного времени в общем рабочем цикле установки, сокращение количества единиц оборудования в технологическом комплексе при сохранении его неизменной производительности, а также осуществление предварительного виброударного обезвоживания отходов в то время, когда они еще находятся в накопительном баке 3 (см. рисунок 1). Все это обеспечивает повышение эффективности установки. В тоже время, на ней, как и на установке, выполненной по предыдущей схеме [2] реализуется трехстадийное виброударное обезвоживание отходов в пресс-форме закрытого типа с последовательным увеличением от стадии к стадии интенсивности нагрузки, что позволяет достигнуть их минимальной конечной влажности.
В работе [9] указывается, что скелет (основа) капиллярно-пористых коллоидных тел, к которым относятся отходы пищевых производств, образован отдельными волокнами, сложен по своей структуре и обладает большой развитой поверхностью. Поры и капилляры, созданные в результате образования листа из волокон, имеют самую разнообразную форму и размеры, могут быть сквозными (без дна) и несквозными, сообщающимися непосредственно и при помощи разветвленной системы пор с окружающей средой. Кроме того, сами волокна, радиус капилляров в которых различен, отличаются большой пористостью. Смоделировать точно такую сложную структуру не представляется возможным, поэтому авторы занимающимися подобными задачами [4 - 6, 9, 10] вводят ряд допущений и упрощений. Известно также [9, 10], что жидкая фаза коллоидных капиллярно-пористых тел, в зависимости от величины энергии ее связи с твердыми частицами основы, условно разделяется на химически-связанную, адсорбционно-связанную (физико-химическая связь), капиллярно-связанную (физико-механическая связь) и свободную. По нашему мнению, вполне допустимой является структура капиллярно-пористых тел, в том числе отходов пищевых производств, схематично представленная на рисунке 2. На данной схеме твердая фаза отходов образует трубчатый каркас, при этом их свободная жидкость находится в полостях квадратного поперечного сечения размером l, капиллярно-связанная - в каналах диаметром d, а адсорбционно-связанная и химически связанная - в порах стенок каналов толщиной д.
В работе [1] обосновано, что в процессе виброударного обезвоживания отходов в пресс-форме в течении каждого цикла нагрузки при прохождении в объеме порции осевых и радиальных волн напряжений и деформаций, а также удалении части жидкой фазы, обеспечивается равномерное перераспределение твердых частиц по объему с все более полной их укладкой. Таким образом, с высокой степенью вероятности, можно считать, что вид структуры твердой фазы в ходе обезвоживания не меняется, она становится лишь более плотной [1]. При этом первой под действием сравнительно небольших давлений удаляется свободная жидкость из полостей квадратного поперечного сечения. Одновременно каналы диаметром dс из верхних слоев при сжимании порции перемещаются в промежутки между каналами нижних слоев и равномерно распределяются в них (рисунок 2, а, б). В результате расстояния между каналами уменьшаются от lс (рисунок 2, а) в начальный момент цикла до lк (рисунок 2, б). Далее при более высоких давлениях начинает удаляться капиллярно-связанная жидкость, происходит разрыв каналов, увеличение числа последних в единице объема порции, изменение их формы и размеров (рисунок 2, б, в). Одновременно также вытекает оставшаяся часть свободной жидкости из полостей между каналами. На третьем этапе нагрузка еще более возрастает, таким образом, удаляется часть адсорбционно-связанной жидкой фазы из пор стенок каналов толщиной дс при их сжатии (рисунок 2, в) и практически вся свободная жидкость.
Средние значения lc, dc и дс для выделенного объема обезвоживаемых отходов можно определить методами микроструктурного анализа. Значение lк, в соответствии с рисунком 2, б рассчитываем как , размер bа принимаем , а (см. рисунок 2, в).
Необходимое для удаления свободной жидкости давление в среде отходов в средней по высоте точке пресс-форме, на ее оси, где это давление, создаваемое суммарным усилием FмzУ(t) [1] на пуансоне и днище пресс-формы является минимальным, определяем по формуле
(1)
где FмzУmin - минимальное в течении цикла виброударной нагрузки значение FмzУ(t) [1] в момент времени, непосредственно предшествующий удару вибростола 17 (см. рисунок 1) об торец корпуса гидроцилиндра 19 при его возврате в исходное нижнее положение; Sм - площадь поперечного сечения порции отходов; ДpмУв, ДpмУг, Дpст - соответствующие FмzУmin местные потери давления [11] в среде отходов между днищем пресс-формы и рассматриваемой средней точкой в вертикальной (ДpмУв) и горизонтальной (ДpмУг) плоскостях, а также потери давления при вытекании жидкости через стенки пресс-формы (Дpст), рассчитываемые по зависимостям
(2)
где жм, жст - коэффициенты местных сопротивлений [11] при прохождении жидкостью ячейки структуры твердой фазы отходов (см. рисунок 2), а также отверстия в стенке пуансона 10 (см. рисунок 1); сж - плотность жидкой фазы отходов в момент времени [1]; - соответствующие скорости перемещения жидкой фазы относительно вертикальной оси z и горизонтальной оси у [1]; Нм - исходная высота порции отходов.
В связи с тем, что по мере удаления жидкости из пресс-формы размеры полостей в структуре твердой фазы уменьшаются от lс до lк (см. рисунок 2, а, б) и возрастают потери ДpмУв, ДpмУг для предотвращения падения производительности обезвоживания необходимо обеспечить соответствующее увеличение рс от рс.min до минимального капиллярного давления рк.min [9]
(3)
где уж - поверхностное натяжение между газовой и жидкой фазами отходов [9].
Значение рс зависит в первую очередь от максимального давления р1 в гидросистеме ГИП [1] установки (см. рисунок 1), которое можно бесступенчато и с высокой точностью изменять по ходу реализации рабочего процесса обезвоживания. Тогда условие для определения рс на первом этапе виброударного обезвоживания, при удалении из порции отходов основной части свободной жидкости можно записать как
(4)
По найденным значениям рс с помощью формул [1] можно рассчитать соответствующие необходимые повышения р1.
Условие, по которому определяется длительность tэI первого этапа имеет вид
(5)
где УWoI - суммарный объем жидкой фазы, вытекающей из пресс-формы на рассматриваемом этапе [1]. Данный объем для первого, второго и третьего этапов обезвоживания рассчитываем как
(6)
где Wo.i - объем жидкости, удаляемой в течении i-го цикла обезвоживания [1]; k1, k2,…, kn - число циклов виброударной нагрузки длительностью Тц1, Тц2, …, Тц.n, реализованных при соответствующих возрастающих значениях р1: р11, р12, …, р1n; n - число стадий изменения р1.
Длительность первого, второго и третьего этапов находим как
(7)
Условие для определения рк на втором этапе обезвоживания, при удалении капиллярно-связанной жидкости может быть представлено как
(8)
Соответствующие требуемые значения FмzУ, по которым впоследствии по формулам [1] рассчитываются р11, р12, …, р1n для второго этапа определяем таким образом
(9)
На рассматриваемом втором этапе обезвоживания необходимо удалить объем жидкости (см. рисунок 2, б, в)
(10)
Для распределения УWoII по циклам виброударной нагрузки и нахождения соответствующей длительности tэII второго этапа используем формулы (6, 7).
В работе [9] приводится формула для расчета энергии связи адсорбционно-связанной воды
(11)
в которой R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура воды.
В работе [1] содержатся уравнения балансов энергии для вибропресса с ГИП при обезвоживании на нем отходов пищевых производств, с помощью которых, в зависимости от конструктивных и рабочих параметров вибропресса можно определить энергию Ео.пI, расходуемую на обезвоживание. Приравняв Ео.пI к А, вычисленную по формуле (11) получим зависимость для расчета минимально необходимого давления pа.min в среде отходов для удаления из них адсорбционно-связанной жидкости.
В соответствии с данными проведенных нами экспериментальных исследований [1, 2], конечная влажность Uк3 трех указанных выше отходов пищевых производств составляет не менее 20 - 25%. В основном это химически-связанная жидкость, удалить которую с использованием только механических способов обезвоживания не представляется возможным [9]. Кроме того, в структуре обрабатываемой порции остается незначительное количество адсорбционно-связанной, капиллярно-связанной и даже свободной жидкой фазы (см. рисунок 2, в), удаление которой требует значительных энергозатрат, а потому нецелесообразно.
С учетом вышеизложенного, объем УWoIII жидкости, удаляемой на третьем этапе можно найти из условия
(12)
где см - первоначальная плотность обезвоживаемых отходов.
Далее с использованием формул (6, 7) рассчитываем параметры нагрузки на третьем этапе обезвоживания и его длительность tэIII.
С помощью приведенных выше формул процессы выброударного обезвоживания могут быть существенно рационализированы, с обеспечением их более высокой экономической эффективности.
Выводы
1. Приведенная в статье схема установки для трехстадийного виброударного обезвоживания отходов пищевых производств, имеет по сравнению с разработанным ранее авторами технологическим комплексом аналогичного назначения меньшую материалоемкость при соответствующей обеспечиваемой конечной влажности отходов (22 - 25%) и более высокой производительности.
2. Для повышения энергетической эффективности процессов и оборудования для виброударного обезвоживания, предлагается осуществлять их поэтапно с подведением минимально необходимой энергии для последовательного удаления из отходов свободной, капиллярно-связанной и адсорбционно-связанной жидкости. Приводятся формулы для расчета оптимального повышения давления в среде отходов с целью их указанного поэтапного обезвоживания, а также для определения длительности каждого этапа и объема, удаленной в ходе его реализации жидкой фазы.
Литература
1. Севостьянов И. В. Процессы и оборудование для виброударного разделения пищевых отходов [Текст]: монография/ И. В. Севостьянов. - Saarbrьcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 417 с. - ISВN: 978-3-659-47395-1.
2. Севостьянов И. В. Установка для виброударного обезвоживания отходов пищевых производств в пресс-форме [Текст]/ И. В. Севостьянов, А. В. Слабкий, А. В. Полищук, А. И. Ольшевский // Технологический аудит и резервы производства, 2015. - №4/4 (24). - С. 41 - 46. - ISSN 2226-3780.
3. Соколов А. Я. Прессы пищевых и кормовых производств [Текст] / Соколов А. Я. - М.: Машиностроение, 1973. - 288 с.
4. Лимонов Г. Е. Научные основы интенсификации и оптимизации тепломассообменных процессов мясной промышленности с использованием вибрации: дис.... доктора техн. наук: 05.18.12 [Текст] / Лимонов Генрих Евсеевич -- М., 1990. - 359 с.
5. Унгурян М. А. Интенсификация процесса обезвоживания и брикетирования свекловичного жома: дис.... канд. техн. наук: 05.18.12 [Текст]/ Унгурян Мирча Алексеевич. - М., 1983. - 217 c.
6. Урьев И. Б. Физико-химические основы интенсификации технологических процессов в дисперсных системах [Текст]/ Урьев И. Б. - М.: «Знание», 1980. - 64 с.
7. Яковлев С. В. Обработка и утилизация осадков производственных сточных вод [Текст]/ С. В. Яковлев, Л. С. Волков, Ю. В. Воронов, В. Л. Волков. - М.: Химия, 1999. - 448 c.
8. Аткинсон Б. Биохимические реакторы [Текст]/ Б. Аткинсон. - М.: Пищевая промышленность, 1979. - 280 с.
9. Лыков А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки [Текст] / А. В. Лыков. - М. - Л.: Государственное энергетическое издательство, 1956. - 464 с.
10. Гончаревич И. Ф. Вибрационная техника в пищевой промышленности [Текст]/ И. Ф. Гончаревич, И. Б. Урьев, М. А. Талейсник. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 279 с.
11. Башта Т. М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы [Текст]/ Т. М. Башта, Б. Б. Некрасов. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.
References
1. Sevost'janov I. V. (2013) Processy i oborudovanie dlja vibroudarnogo razdelenija pishhevyh othodov. Monografija. Saarbrьcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 417.
2. Sevost'janov I. V. (2015) Ustanovka dlja vibroudarnogo obezvozhivanija othodov pishhevyh proizvodstv v press-forme. Tehnologicheskij audit i rezervy proizvodstva, №4/4 (24), 41 - 46.
3. Sokolov A. Ja. (1973) Pressy pishhevyh i kormovyh proizvodstv. M.: Mashinostroenie, 288.
4. Limonov G. E. (1990) Nauchnye osnovy intensifikacii i optimizacii teplomassoobmennyh processov mjasnoj promyshlennosti s ispol'zovaniem vibracii: dis.... doktora tehn. nauk: 05.18.12. M., 359.
5. Ungurjan M. A. (1983) Intensifikacija processa obezvozhivanija i briketirovanija sveklovichnogo zhoma: dis.... kand. tehn. nauk: 05.18.12. M., 217.
6. Ur'ev I. B. (1980) Fiziko-himicheskie osnovy intensifikacii tehnologicheskih processov v dispersnyh sistemah. M.: «Znanie», 64.
7. Jakovlev S. V. (1999) Obrabotka i utilizacija osadkov proizvodstvennyh stochnyh vod. M.: Himija, 448.
8. Atkinson B. (1979) Biohimicheskie reaktory. M.: Pishhevaja promyshlennost', 280.
9. Lykov A. V. (1956) Teplo- i massoobmen v processah sushki. M. - L.: Gosudarstvennoe jenergeticheskoe izdatel'stvo, 464.
10. Goncharevich I. F. (1977) Vibracionnaja tehnika v pishhevoj promyshlennosti. M.: Pishhevaja promyshlennost', 279.
11. Bashta T. M. (1982) Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody. M.: Mashinostroenie, 423.