Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Кондитерская промышленность характеризуется как успешно функционирующее звено агропромышленного комплекса России, выпускающее кондитерские изделия, общей среднегодовой производственной мощностью 3,5 млн тонн с коэффициентом использования 60,5 процента. В настоящее время российский рынок кондитерских изделий близок к насыщению, рост объемов производства в будущем будет в основном осуществляться за счет наиболее динамично растущего спроса на кондитерские изделия с заданными качественными характеристиками. Согласно Стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности предстоящий  период до 2020 года будет характеризоваться переоснащением отдельных видов производств и технологических потоков высокоэффективным оборудованием, позволяющим выпускать продукцию высокого стабильного качества с наименьшими затратами на производство. Анализ отечественных и зарубежных исследований [1,2] показал, что решение задачи снижения энергоемкости и себестоимости шоколадных изделий при одновременном повышении их качества требует технического перевооружения организаций с внедрением современных достижений научно-технического прогресса в наиболее энергоемкий многостадийный  процесс измельчения рецептурных компонентов и их смесей [3,4,5]. При этом к приоритетному направлению относится внедрение в производство  импортозамещающего инновационного оборудования и технологий, в том числе и инновационных аппаратов отечественного производства – электромагнитных механоактиваторов [6,7,8].

Целью исследования  является экспериментальное подтверждение теоретических зависимостей, устанавливающих взаимосвязь между электромагнитными и скоростными режимами работы ЭММА, при которых обеспечивается максимизация механических воздействий при минимальных затратах энергии на их формирование.  Выявление режимов работы электромагнитного механоактиватора, при которых достигается заданный технологический эффект измельчения сахарной пудры, предназначенной для производства шоколада.

Материал и методы исследований. Объектом исследования является зависимость технологического эффекта измельчения сахарного песка от физико-механических процессов, происходящих в рабочем объеме механоактиваторов при различных режимах его работы. Использованы аналитические и экспериментально-статистическими методы исследований.

Результаты исследования и их обсуждение   

Одним из факторов, влияющих на величину силового взаимодействия ферромагнитных размольных элементов в рабочем объеме ЭММА, является скорость их переориентации в структурных группах, завися­щая от частоты вращения ротора аппарата [9]. Экспериментальные исследования процесса диспергирования сахарного песка проведены на макете,  моделирующем рабочий объем цилиндрических ЭММА (рисунок 1). С целью установле­ния влияния ско­ростного режима работы ЭММА  на дисперсность продукта были проведены серии экспери­ментов при час­тоте вращения внутреннего цилиндра устройства в диапазоне n = 14 c-1 – 26 c-1. Технологический эффект процесса измельчения оценивался величиной "прохода" (Dб30) фракций больше 30 мкм и гранулометричес­кими характеристиками, изображенными в виде диаграмм. Результаты исследований представлены на рис. 2 и 3.

Рис.1. Рабочий объем ЭММА:

1 – цилиндрический корпус; 2 – ротор; 3 – ферромагнитные размольные элементы; В – индукция магнитного поля; n – частота вращения ротора

 

 

Рис. 2. Зависимость «прохода» измельченной сахарной пудры от частоты вращения внутреннего цилиндра ЭММА при силе тока в обмотке управления Iy:

1 – Iy = 0,2 A; 2 – Iy = 0,4 A; 3 – Iy = 0,6 A; 4 – Iy = 0,8 A

 

Рис. 3. Диаграммы фракционного состава сахарной пудры, полученной на ЭММА

при частоте вращения внутреннего цилиндра n, c-1: 1 – n = 23,5 c-1; 2 – n = 21 c-1

 

Анализ полученных данных подтвердил, что характер зависимостей Dб30 = f(n)  определяется электромагнитным режимом работы ЭММА, влияющим на динамику физико-механических процессов формирования структурных групп из ферромагнитных размольных элементов в рабочем объеме устройства. Возрастающий ход зависимостей характерен для высоких электромагнитных режимов работы, определяемых током в обмотке управления Iy > 0,2 А и обусловлен усилением суммарных ударно-истирающих нагрузок по обрабатываемому продукту со стороны размольных элементов в результате их четкой переориентации в «слое скольжения» [10,11]. При этом установлено, что с увеличением тока управления, исследуемые кривые смещаются в область более измельченного материала. Так, при диспергировании продукта в электромагнитном режиме работы Iy =0,8 А зависимость Dб30 = f(n)  имеет наивысшее расположение и при n = 26 c-1 доля частиц сахарной пудры размером более 30 мкм, которая ухудшает органолептические показа­тели шоколада, составляет примерно 5 %, что соответствует требо­ваниям, предъявляемым к качеству рецептурного компонента при производстве шоколадных масс.

При диспергировании продукта в режиме работы, определяемым током управле­ния Iy = 0,2 А, характер зависимости Dб30 = f(n) меняется и она имеет экстремальный характер. Так, при увеличении частоты вращения от 14 до 23,5 с-1 "проход" по контролируемой фракции возрастает и, достигнув максимума Dб30  = 68 % при n  = 23,5 с-1, резко снижается. Экстремальный ход зависимости обусловлен в дан­ном случае изменением траектории движения размольных ферроэлементов. Возрастающая ветвь зависимости может быть объяснена увеличением числа и силы соударений между размольными элементами в результате ускорения процесса их переориентации в струк­турных группах. Падающая часть характеристики обусловлена нару­шением равновесного состояния приложенных к ферротелам сил магнитного и механического характера.

При увеличении частоты вращения ротора выше максимального  (в данном случае при n = 23,5 с-1) центробежные силы преобладают над силами сцепления ферромагнитных элементов в основаниях структуры групп с поверхностью внутреннего цилиндра, что вызывает их переориен­тацию к периферийной части рабочего объема устройства и вовлечению в совместное круговое движение. Групповое вращение размольных элементов у поверхности наружного цилиндра снижает силовое воздействие на продукт и вероятность соударений с частицами измельчаемого материала. В результате не достигается заданный условиями производства технологический эффект измельчения, что приводит к нерациональному использованию привнесенной в рабочий объем энергии и увеличению контролируемого параметра – энергоемкости готовых изделий.

Сравнительный анализ гранулометрического состава продуктов помола, обрабатываемых в скоростных режимах работы n = 23,5 с-1 и n = 21 с-1 (рис. 3), подтвердил вышеизложенные доводы о влиянии траектории движения размольных элементов в рабочем объеме ЭММА на однородность гранулометрического состава диспергированной сахарной пудры.

При диспергировании продукта в экстремальном скоростном режиме количество ударных импульсов на частицы уменьшается в результате оттеснения части ферромагнитных размольных элементов к периферий­ной области рабочего объема устройства. При этом сила ударных нагрузок со стороны размольных элементов, охваченных в структурные группы, возрастает. В результате компенсации числа ударов их силой доля частиц сахарной пудры размером менее 30 мкм в экстремальном режиме незначительно увеличивается (примерно на 2 %), а однород­ность продукта за счет снижения интенсивности обработки снижается.

Таким образом, из экспериментальных исследований и диспер­сионного анализа установлено, что измельчение в экстремальном скоростном режиме приводит к получению более полидисперсного про­дукта с размерами частиц в достаточно широком диапазоне (от 150 до 10 мкм и менее). В то время как в сахарной пудре, полученной при частоте вращения внутреннего цилиндра n = 21 c-1, практически отсутствуют частицы размером более 130 мкм, а доля мелкодисперсных  фракций (менее 10 мкм), ухудшающая экономические показатели производства готового шоколада, уменьшается с 22 до 18 %, то есть примерно в 1,2 раза, что свидетельствует о повышении степени его монодисперсности.

Таким образом, на основании проведенных экспериментов по диспергированию сахарного песка электромагнитным способом механоактивации установлена возможность управления дисперсностью обрабатываемого продукта путем регулирования частоты вращения ротора. При этом установлено, что увеличение скоростного режима работы эффек­тивно до определенного экстремального значения, обусловленного электромагнитным режимом работы аппарата [12,13]. В этом случае соотношение сил магнитного и механического характера, приложенных к размольным ферроэлементам, обеспечивает их четкую переориентацию в структурных группах, что способствует формированию энергонапряженных ударно-истирающих диспергирующих нагрузок. Обеспечение заданной траектории дви­жения размольных элементов и создание слоя скольжения в средней части рабочего объема способствует повышению как однородности, так и степени измельчения обрабатываемого продукта.

Заключение

Экспериментально подтверждены теоретические зависимости, устанавливающие соотношение между электромагнитными и скоростными режимами работы ЭММА, при котором обеспечивается максимизация механических воздействий при минимальных затратах энергии на их формирование.

Измельчение сахарного песка до сахарной пудры при напряженных электромагнитных и высоких скоростных режимах работы ЭММА позволили получить продукт высокого качества, отвечающего требованиям, предъявляемым к гранулометрическому составу рецептурных компонентов шоколадных изделий.  Минимальное содержание частиц крупных классов с размером более 30 мкм составляет 5 % (по норме не более 10 %).

Рецензенты:

Ракутько С.А., д.т.н., доцент, гл. научный сотрудник лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП, г. Москва;

Салова Т.Ю., д.т.н., профессор кафедры «Энергообеспечение предприятий» СПбГАУ, руководитель ведущей научной и научно-педагогической школы СПб «Системы, узлы и агрегаты двигателей», г.Санкт Петербург.