автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.01, диссертация на тему:Мониторинг ферропримесей и совершенствование методов их извлечения в технологии переработки злаковых, крупяных и других продуктов

Полисмакова Мария Николаевна

МОНИТОРИНГ ФЕРРОПРИМЕСЕЙ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИХ ИЗВЛЕЧЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЛАКОВЫХ, КРУПЯНЫХ II ДРУГИХ ПРОДУКТОВ

Спец. 05.18.01 Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

Автореферат 2 5 НОЯ 2010

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2010

004613558

Диссертация выполнена на кафедре технологии переработки зерна Московского государственного университета пищевых производств и на кафедре экологии и безопасности жизнедеятельности Московского государственного технического университета МАМИ

Научный руководитель: Сандуляк A.A., к.т.н., доц., лауреат премии

Правительства РФ в области науки и техники для молодых ученых Московский государственный технический университет «МАМИ»

Официальные оппоненты: Черных В.Я., д.т.н., проф., зав.каф.

«Технологии хлебопекарного и макаронного производств» Московский государственный университет пищевых производств

Шевцов A.A., д.т.н., проф., Засл.изобретатель РФ, зав.каф. «Технологии хранения и переработки зерна» Воронежская государственная технологическая академия

Ведущая организация: НОУ ДПО «Международная промышленная

академия»

Защита состоится « » 2010 г. ъ-УУ часов на заседании диссер-

тационного совета Д 212.148.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г.Москва, Волоколамское шоссе, дом.11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять Ученому секретарю Совета

Автореферат разослан « хУ>> ¿з^у^Л/С.^ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Белявская И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последствием переработки злаковых, бобовых культур, крупяных и других продуктов являются ферропримеси, образующиеся вследствие износа и коррозии оборудования, а также после его ремонта и обслуживания. Своевременный и объективный контроль этих ферропримесей, их эффективное удаление являются одной из актуальных задач в решении проблем обеспечения экологичности и безопасности пищевых систем, что в соответствии с «Доктриной продовольственной безопасности...» входит в принципиальную стратегию государственной политики.

Постоянное наличие этих примесей в пищевых продуктах, (мука, крупа, какао, сахар, чай и многих других) зачастую повышенное, не позволяет квалифицировать эти продукты как экологически чистые и безопасные для здоровья. К тому же такие примеси дестабилизируют работу оборудования, вызывая повреждения, повышенный износ его элементов, а также способствуют опасному искрообразованию (в частности при размоле муки), способному спровоцировать разрушительный взрыв.

Все это говорит о том, что «фактор ферропримесей» - начиная с необходимости получения достоверной информации о содержании таких примесей (их размерах, дисперсном составе, концентрации) и заканчивая разработкой технико-технологических решений по их эффективному удалению - обязан входить в число ключевых вопросов технологии переработки злаковых, крупяных, бобовых и других пищевых сред.

Вместе с тем, в настоящее время существующие методы контроля ферропримесей не обеспечивают получение объективных результатов: показатели, полученные методами, регламентируемыми действующими ГОСТами, существенно занижены по сравнению с реальными. А из-за отсутствия соответствующих характеристик (свидетельствующих об особенностях силового воздействия на феррочастицы) продолжает оставаться недостаточным и уровень технико-технологической проработки магнитных сепараторов (как отечественных, так и

импортных), потребность в которых для оснащения и переоснащения различных линий технологической переработки зерновых, крупяных и других пищевых сред неуклонно возрастает.

Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка прецизионного способа контроля содержания ферропримесей (ме-талломагнитных примесей) в муке, крупе и других продуктах, разработка объективного подхода к анализу размеров ферропримесей на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям, а также получение достоверных диагностических характеристик (с выявлением пассивных зон) магнитных сепараторов, предназначенных для удаления ферропримесей.

В связи с этим в работе решаются следующие основные задачи:

1. Посредством как обычных (количественных), так и объемно-долевых гистограмм провести мониторинг ферропримесей пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других сред, в том числе проверку на соответствие установленным нормам по размерам. Оценить истинный вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

2. Проанализировать регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, разработать более объективный метод контроля, расширив число операций магнитофоретического извлечения ферропримесей из пищевых сред, практикуя функциональное представление пооперационной массы извлекаемых ферропримесей от порядкового номера операции - для получения возможности последующей экстраполяции получаемых зависимостей и нахождения совокупной массы и концентрации ферропримесей. Показать наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого и игнорируемого) содержания ферропримесей и тем самым обосновать необходимость его учета. Оценить погрешность для случая проведения ограниченного числа операций (в сравнении с данными, получаемыми с учетом оценки остаточного содержания ферропримесей).

3. Получить данные по влиянию угла наклона желоба (используемого в механических устройствах контроля ферропримесей, например, приборах типа ПВФ) на величину препятствующей магнитному захвату кинетической энергии потока анализируемой среды.

4. С использованием типичного модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получить и проанализировать соответствующие развернутые характеристики индукции поля (при обязательной визуализации силовых линий магнитной индукции), в том числе с использованием принципа суперпозиции. Найти также развернутые характеристики ее градиента и магнитного силового фактора (как наиболее объективной, по существу - арбитражной, характеристики). На примере детализированной характеристики индукции выявить те ее особенности, которые бы позволяли напрямую (до получения данных силового фактора) идентифицировать пассивные зоны.

5. Разработать и осуществить промышленную апробацию методов и средств контроля ферропримесей, а также опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для их удаления из злаковых, крупяных и других продуктов (и тем самым повышения их качества и безопасности).

Научная новизна работы

Посредством объемно-долевых гистограмм осуществлен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов, в том числе контроль на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям.

Разработан прецизионный метод контроля содержания ферропримесей, основанный на их неоднократном магнитофоретическом извлечении. В т.ч.: - получены опытные данные масс осадка ферропримесей пищевых систем, предложено представлять эти данные в виде функциональной зависимости пооперационных масс от порядкового номера операции магнитофореза — с установлением ее аналитического (экспоненциального) вида;

- на основании объективной экстраполяции такой зависимости впервые получены выражения для оценки любой операционной, постоперационной и совокупной (с учетом остаточной) массы ферропримесей;

- по полученным выражениям и необходимым контрольным экспериментальным данным найдены истинные значения содержания ферропримесей в пробах муки, манной крупы и других пищевых сред.

Исследованиями, выполненными на модуле магнитного сепаратора (с визуализацией хода магнитных силовых линий), получены развернутые «пошаговые» характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции), развернутые характеристики ее градиента и силового фактора. Впервые предложен подход к получению развернутой информации о потенциальных возможностях модуля сепаратора, в том числе информации о его пассивных зонах. Предложен и реализован также несколько упрощенный, оперативный подход, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - с выявлением функциональных особенностей линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих характеристик и, как следствие, выявлением пассивных зон. Практическая ценность работы

Для многочисленных пищевых систем (пшеничная и ржаная мука, манная и кукурузная крупа, какао-порошок и др.) на основании объемно-долевых гистограмм показан фактический вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

Критически проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в муке, крупе и других продуктах, основанные на проведении кратных (как правило, трехкратных) операций магнитофо-ретического накопления ферропримесей и использовании механических средств с неоправданно большими углами наклона рабочих желобов. Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей показано наличие существенной доли остаточного (ранее в ла-

бораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

В соответствии с разработанным методом контроля найдены истинные значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и др. Оценена погрешность определения содержания ферропримесей при проведении ограниченного (регламентируемого) числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей, которая в известной мере компрометирует официальную (основывающуюся на традиционных методах контроля) информацию о присутствии ферропримесей в пищевых средах, в том числе поступающих в розницу.

По выявленному стремительному росту кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) в зависимости от угла наклона желоба показано, что практикующийся «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, приборы типа ПВФ) неправомочен.

Исследованиями показано, что:

- для получения объективных характеристик магнитного поля в рабочей зоне магнитного сепаратора (прежде всего, для правильного текущего позиционирования измерительного датчика) исключительно необходимой является предварительная искусственная визуализация силовых линий магнитной индукции;

- полноправными характеристиками работоспособности магнитных сепараторов являются характеристики силового фактора, а характеристики индукции поля - лишь в случае их кусочной линеаризации (в полулогарифмических координатах): с выявлением пассивных зон.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым -для повышения их качества и безопасности.

Апробация работы, внедрения, публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ (в т.ч. патенты РФ на изобретение и полезную модель). Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре при МГУПП по актуальным вопросам продовольственной безопасности (2010), на научно-практических семинарах в рамках выставки «Зерно-комбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), на 10-й юбилейной международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», (Туапсе, 2008), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2008), используются в 2-х учебных курсах.

В диссертации использовались результаты научно-исследовательской работы «Исследование и разработка новых методов магнитофоретической очистки жидкостей и сыпучих сред от феррозагрязнений при эксплуатации машин в производстве хлебных, полимерных и керамических изделий», выполнявшейся автором (в соавторстве с молодыми учеными А.А.Сандуляк, В.А.Ершовой) в 2006-08 гг. в МГТУ «МАМИ», прошедшей обсуждение научно-технической общественностью (МГУПП, Хлебозавод ПЕКО, Одинцовская кондитерская фабрика А.Коркунов, машиностроительный завод оборудования сельхозпере-работки «ФРЕГАТ» и др.) и удостоенной Премии Правительства РФ 2008г. в области науки и техники для молодых ученых.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из пищевых продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности. Они демонстрировались на международных выставках «Агропродмаш» (Москва, 2008, 2009гг.), «Зерно-комбикорма-ветеринария» (Москва, 2008,2010 гг.), «Росупак» (Москва, 2009г.). Экономический эффект от внедрения разработок составил 1,2 млн. рублей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах, содержит 58 рисунков, 17 таблиц, она состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 138 наименований и приложений.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ

В первой главе проведен критический анализ состояния вопроса о контроле ферропримесей (металломагнитных примесей) и магнитных аппаратах для их удаления.

Проведенный анализ показал, что зачастую содержание ферропримесей (их концентрация, масса, объем, размеры) в сырьевых компонентах, а также готовой продукции превышает установленные нормативы, причем существенно. Наличие же ферропримесей в зерновых, крупяных, бобовых и других пищевых продуктах расценивается как опасный для жизни и здоровья фактор, а также как серьезная причина дестабилизации работы самого оборудования.

Систематизированы сведения о существующих методах определения содержания ферропримесей: путем измерения физических характеристик среды; магнитной локализации феррочастиц жидкости; неоднократного фильтрационного магнитофореза (с измерением выходных концентраций); определения фракции ферропримесей с использованием закономерностей такого магнитофореза; неоднократного магнитофореза с измерением суммарной массы осадка. В связи с выполненным обзором и анализом существующих методов и средств контроля ферропримесей, определены перспективные направления разработки прецизионного метода контроля ферропримесей пищевых продуктов.

Установлено, что вопросу изучения размеров феррочастиц, к сожалению, не уделяется должного внимания в лабораторной и промышленной практике. Между тем, этот вопрос представляется весьма важным, прежде всего, с точки зрения оценки (ранее не рассматривавшейся) истинного «вклада» феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

Обосновывается необходимость пересмотра принципиального подхода к идентификации пассивных зон и углубления соответствующих положений в

области изучения характеристик рабочих зон магнитных сепараторов с разработкой соответствующих методов анализа этих зон.

Во второй главе, в результате исследований дана наиболее объективная оценка долевого представительства феррочастиц тех или иных размеров в различных пищевых средах - таких как мука пшеничная, мука ржаная, манная и кукурузная крупа, какао-порошок, а также черный чай (перед фасовкой), комбикорм.

Как первый шаг, полученные многочисленные данные о размерах феррочастиц представлены в виде количественных (количественно-долевых) гистограмм (рис.1). Складывающееся на основании этих гистограмм «терпимое»

¡чух, "Л

0,05 0,1

3.15 02 0,25 0,:} 0 35 д.

а)

б)

%

70

60 50

30 20 10

С-

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 ->

В)

Г)

Рис 1. Гистограммы распределения ферропримесей по размерам, ордината -относительное количество частиц определенных размеров 3. Формальное отклонение от нормы (штриховая вертикаль) в % от всего количества феррочастиц: а) в муке пшеничной - 3%; б) в манной крупе - 9%; в) в кукурузной крупе - 5% г) в какао-порошке - 1%.

мнение о представительстве ферропримесей повышенных и высоких размеров в анализируемых продуктах коренным образом меняется, если перейти к более объективной оценке: в виде гистограмм, показывающих объемную (массовую) долю в общем содержании ферропримесей (рис.2).

Так, по данным, получаемым в виде традиционных гистограмм (рис.1), в анализируемых пробах явно преобладают частицы сравнительно малых размеров - менее 0,3мм, а доля «запредельных» частиц мала. Создается видимость, что частицы размерами сверх допустимой нормы (более 0,3мм, на рис.1 затушевано) имеют в пробах анализируемых продуктов (мука пшеничная, мука ржаная, манная и кукурузная крупа, какао-порошок и др.) как бы сравнительно малое представительство: от 1 до 9%.

в) г)

Рис 2. Гистограммы распределения ферропримесей по размерам, ордината -относительный объем частиц. Фактическое отклонение от нормы (штриховая вертикаль) в % от всего объема (массы, концентрации) феррочастиц: а) в муке пшеничной - 27%; б) в манной крупе - 78%; в) в кукурузной крупе - 79%; г) в какао-порошке - 29%

Но эти данные отражают преимущественно лишь чисто сам факт присутствия феррочастиц - без учета, какую долю объема (массы, а, следовательно, и концентрации) они составляют в общем балансе ферропримесей.

Показано, что данные о размерах частиц целесообразно представлять в виде объемных (объемно-долевых) гистограмм распределения частиц по размерам д (рис.2), например, уподобляя реальные частицы, в частности, сферическим частицам с эквивалентным диаметром <5.

Преобразованные описанным приемом данные более объективны в отношении оценки долевого представительства феррочастиц тех или иных размеров. В отличие от предшествующего вида гистограмм, объемно-долевая гистограмма показывает, какой именно объем У1 частиц (например, по отношению к общему объему V изучаемых частиц) тех или иных размеров находится в пробе данной среды. А это, по сути, адекватная информация и о концентрации ферропримесей, причем автоматически - о доле «запредельной компоненты» ферропримесей.

В частности, для проанализированных продуктов долевой вклад недопустимых по размерам ферропримесей (рис.2, затушеванные области) оказался довольно существенным: 27% для пшеничной муки, 33% для ржаной муки, 78% для манной крупы, 79% для кукурузной крупы, 29% для какао-порошка (для черного чая и комбикорма подобные данные столь же велики). А это вряд ли терпимо как с точки зрения качества продуктов, так и с точки зрения надежности работы соответствующего оборудования.

В третьей главе в результате выполненных исследований разработан прецизионный метод контроля массы ферропримесей в пробе (и их концентрации) - метод неоднократных операций магнитофореза с функционально экстраполируемой характеристикой пооперационных масс осадка ферропримесей.

Суть предлагаемого нового подхода такова: проводится легализация экспериментальных операционных данных масс извлекаемых из проб пищевых продуктов ферропримесей т в виде соответствующей зависимости и устанавливается функциональный вид полученной убывающей зависимости. Это дает

возможность для ее объективной экстраполяции до сколь угодно большого значения числа операций п.

В частности, получаемые зависимости тот п (рис.3) достаточно хорошо

\

\

л

\

'X

№ к

И (XX

пт,г

0,35 0,3 025 0,2 0,15 0,1 0,05

\

\

К

\

с

1 1 ч

12 3 4 5

12 3 4

а)

б)

1 2 3 4 Л

В)

Рис.3. Массы осадка ферропримесей в пробах пищевых продуктов после каждой из операций магнитофореза: а) мука пшеничная (проба№1), б) мука пшеничная (проба№2), в) манная крупа.

т, г

V

\ N

N

С 1 2 3 4 5 е п

* 5 Я

а)

б)

О 1 2 3 4 Л

В)

Рис.4. Изображенные в полулогарифмических координатах массы осадка ферропримесей после каждой из операций магнитофореза - согласно рис.3.

линеаризуются в полулогарифмических координатах (рис.4), свидетельствуя об экспоненциальном убывании:

т=Асхр(-к-п) (1)

с легко реализуемой возможностью определения экспериментальных параметров А и к (графически и обратным пересчетом при произвольной паре соответствующих друг другу значений лит).

Общая масса ферропримесей анализируемой среды, в том числе с учетом остаточной (после фактического выполнения п операций магнитофоретическо-го извлечения) массы, определяется посредством нахождения суммы членов дискретной зависимости (1), представляющей собой количественный ряд в виде убывающей геометрической прогрессии. Следовательно, при известном первом члене этой прогрессии гп\ =Л-ехр(-Ы) и ее знаменателе д=ехр(-к) масса ферропримесей, находящаяся в пробе анализируемой среды, определяется как суммарная потенциальная масса осадка т\ а„ которая могла бы быть получена при теоретически неограниченном числе операций (п—*оо), т.е.

т. А

/И1...*=2>„=Г!-=-г • (2)

л=1 1-? ехрЛ-1

При известной массе М пробы анализируемой среды находится истинное значение концентрации с =

В случае осуществления ограниченного числа (п) операций масса извлекаемых из пробы анализируемой среды ферропримесей т\ „ находится с использованием (1) как сумма ограниченного числа членов такой прогрессии:

тХп=±т,-т>-т"-1 = ЛХ~ £ХрМ'п), (3)

'=' \-q ехрА;-1

при этом поддается оценке и соответствующая погрешность „=(т\.

т{ ...„)/ш1 ш(х100%).

Исследования, проведенные на пшеничной муке, манной крупе, чайном листе, показали превышение фактической концентрации ферропримесей: в 1,53 раза и более. При этом, если ограничиваться традиционно рекомендуемым числом операций, то ошибка в определении концентрации составит до 20% и более.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов.

Первичными характеристиками модуля (и аппарата в целом) являются данные магнитной индукции В (напряженности Я). Крайне необходимым уело-

вием для измерения В, которое выдерживалось при выполнении исследованиий, является искусственная визуализация силовых линий поля и соответствующее позиционирование измерительного датчика.

Для всего рабочего зазора (того или иного размера) модуля такая характеристика - это соответствующая дистанционная кривая индукции, показывающая характер изменения этой индукции в пределах рабочего зазора модуля.

Задача, связанная с созданием (и развернутой паспортизацией) аппаратов такого типа обязывает каждый раз находить индивидуальные дистанционные кривые индукции - применительно к тому или иному рабочему зазору.

Показано, что решение этой задачи может быть упрощено, если, следуя общепринятому в подобных случаях подходу, убедиться в возможности применения принципа суперпозиции к значениям напряженности или индукции (при значениях относительной магнитной проницаемости, близкой к 1) магнитных полей, создаваемых обоими встречными магнитными элементами.

С позиций этого принципа в случае использования однотипных магнитных элементов можно воспользоваться дистанционной характеристикой индукции лишь одиночного магнита, оперируя этой характеристикой и ее «зеркальным отражением», расположенным симметрично на расстоянии, равном величине заданного технологического зазора.

Результирующая характеристика индукции В (квазизазора) сопоставлялась с отдельно получаемыми фактическими данными индукции В, измеренной в реальном (эквивалентном) зазоре между противостоящими магнитными элементами.

Соответствующие дистанционные кривые индукции получены приемом «мелкого шага» применительно к определенному зазору (фиктивному или фактическому) в практическом интервале величин этого зазора ¿=(13-33)лш.

На рис.5 показаны дистанционные кривые индукции в пределах полузазора Ы2 фиктивного и фактического позиционирования магнитных элементов. Полученное согласие соответствующих зависимостей свидетельствует о воз-

можности использования принципа суперпозиции, что облегчает задачу получения достоверных характеристик модуля и сепаратора в целом.

В. мТл

4

/ □

г I

Рис.5. Дистанционные кривые индукции в пределах полузазора Ы2 фиктивного и фактического позиционирования магнитных элементов: 1 - для модуля из двух противостоящих магнитных элементов, 2 — для одиночного магнитного элемента, 3 - то же, но симметричная хвостовая часть, 4 - результат суперпозиции (кривых 1 и 2); Ь=23мм.

0 2 4 6 а 10 х,мм

Что касается выявления пассивных зон модуля (и сепаратора в целом), то в работе выполнен анализ, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - по функциональным особенностям линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих зависимостей. Он позволяет осуществлять упрощенную процедуру идентификации пассивных зон модуля (рис.6) - по выявлению хвостового участка зависимости, близкого к автомодельному.

Базовым же, по сути - прямым, методом выявления пассивных зон является метод, основанный на получении характеристик магнитного силового фактора.

При проведении исследований после получения первичной характеристики индукции (обязательно - детальной, пошаговой) путем дифференцирования находилась характеристика ее градиента (рис.7а). После этого обе эти характеристики были обобщены с использованием соответствующих первичных дан-

ных индукции и градиента и получены характеристики магнитного силового фактора (рис.7б).

В.Тл

0.3 0,2

о

-¡Чъ

В.Тл

0.4

0,3

6 б)

Рис.6 Изменение индукции поля (в пределах полузазора 6/2=11,5мм по мере удаления от одного из противостоящих магнитных элементов-дисков); а и б - в обычных и полулогарифмических координатах.

|<®.'1Ь|, Тл-мм 0.05 г

\

\ \

\ \

\ \

8 ю г. мн

а)

с.о-нь

I

С,012|"

0,01 г

I

0.008 \ ¡3,008 ! 0.004

1 \

1 \

1 \ \

1 \

! : \ \

\ Ч

|

б)

Рис.7. Полученная на основании данных рис.ба характеристика градиента индукции поля (а) и силового фактора (б): в пределах полузазора 6/2=11,5лш между парой противостоящих магнитных элементов.

Полученная, наиболее информативная, характеристика магнитного силового фактора поля позволяет выявлять на ней зону с исчезающе малыми значениями и квалифицировать как пассивную, т.е. слабоэффективную с точки зре-

ния ее способности к захвату ферропримесей (металломагнитных примесей), присутствующих в подлежащей очистке среде.

По полученным данным магнитного силового фактора оценено, что доля пассивной зоны составляет, по меньшей мере, величину порядка 25% и этот результат вполне согласуется с результатом, установленным при анализе характеристик индукции В в полулогарифмических координатах (рис.66) - с выявлением хвостового участка автомодельности этой характеристики. Такие подходы крайне важны для объективного определения уровня работоспособности аппарата, а также для создания и промышленного использования магнитных сепараторов и других аппаратов аналогичного назначения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов с позиций соответствия их фактических размеров нормативным требованиям. Посредством перехода к объемно-долевым гистограммам оценен истинный вклад феррочастиц определенных размеров (в том числе и «запредельных») в их концентрацию.

2. Проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, основанные на проведении неоднократных операций их магнитного накопления. Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей муки, манной крупы и других продуктов показано наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

3. Разработан прецизионный метод контроля ферропримесей в пищевых продуктах, предложены решения, связанные с установлением аналитического (как показали эксперименты - экспоненциального) вида зависимости пооперационных масс, последующей экстраполяцией этой зависимости для оценки этих масс и совокупной, включая остаточную, массы ферропримесей.

4. В соответствии с разработанным прецизионным методом контроля сред найдены истинные (отличающиеся от значений, получаемых при формально декларируемом числе операций) значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и других продуктах. Вскрыта и оценена погрешность при проведении ограниченного числа операций магнитофо-ретического накопления ферропримесей.

5. Путем изучения влияния угла наклона желоба на величину кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) и выявления ее стремительного роста показано, что имевший до настоящего времени место «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, в приборах типа ПВФ) неправомочен.

6. Проведены исследования модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получены и проанализированы развернутые экспериментальные (с соблюдением условий текущего позиционирования измерительного датчика и искусственной визуализации силовых линий поля) характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции). Получены также развернутые характеристики ее градиента (графическим и/или аналитическим дифференцированием) и магнитного силового фактора - как основы для выявления пассивных зон.

7. Выполнен анализ рабочих зон магнитного сепаратора, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - по функциональным особенностям линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих зависимостей — позволяющий осуществлять упрощенную процедуру выявления пассивных зон модуля.

8. Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и устройств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым — для повышения их качества и безопасности. Экономический эффект от внедрения составил 1,2 млн. руб.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сандуляк A.A., Мартынов О.В., Полнсмакова М.Н. и др. Прецизионный магнитный метод контроля ферропримесей // Хлебопродукты, 2010, №3.

2. Сандуляк A.A., Полисмакова М.Н., Ершов Д.В. и др. Определение истинной доли фракции ферропримесей запредельных размеров в пищевых продуктах // Хлебопродукты, 2010, №7.

3. Сандуляк A.A., Полисмакова М.Н., Свистунов Д.И. и др. Контроль ферропримесей пробными, экстраполируемыми операциями магнитофореза // Известия МГТУ «МАМИ», 2010, №1(9).

4. Сандуляк A.A., Полисмакова М.Н., Ершов Д.В. и др. Функциональная экстраполяция массово-операционной характеристики магнитофореза как основа прецизионного метода контроля феррочастиц // Измерительная техника, 2010, №8.

5. Сандуляк A.A., Пугачева М.Н., Ершова В.А. и др. Характеристики зон захвата ферропримесей в магнитных очистных аппаратах // Известия МГТУ «МАМИ», 2009, №2(8).

6. Сандуляк A.A., Сандуляк A.B., Мартынов О.В., Пугачева М.Н. Особенности магнитных сепараторов для очистки сырья от ферропримесей // Хлебопродукты, 2008, №9.

7. Сандуляк A.A., Сандуляк A.B., Ершова В.А., Пугачева М.Н. Риск как функция содержания ферропримесей в рабочих средах энергообъектов // Безопасность в техносфере, 2008, №6(15).

8. Сандуляк A.A., Мартынов О.В., Ершова В.А., Сандуляк A.B., Пугачева М.Н., Ершов Д.В. Гребенчатые магнитные сепараторы // Комбикорма, 2009, №3.

9. Сандуляк A.A., Полисмакова М.Н., Свистунов Д.И. и др. Устройство для определения содержания в текучей среде магнитновосприимчивых примесей // Патент РФ № 93305, 2010.

10. Сандуляк A.B., Пугачева М.Н., Сандуляк A.B. и др. Способ определения концентрации магнитовосприимчивых примесей в текучей среде // положи-

тельное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 2009123311 от 19.06.09.

11. Сандуляк А.В, Сандуляк А.А., Пугачева М.Н. и др. Способ идентификации пассивных зон в рабочем объеме магнитного сепаратора // положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 2009114927 от 22.04.09.

Polismakova M.N.

Monitoring of ferroimpurities and removal methods perfection in the technology of grain and other foodstuffs treatment

In the present work are given experimental results, which show, that volume-trical-share histograms give true information about real contribution which make fer-roparticles of various dimensions into the total ferroimpurities volume (mass, concentration). Such histograms need to be principal in order to ensure quality of foodstuffs and equipment safety. The original method of ferroimpurities control in food mediums is given. It means the measuring of deposited ferroparticles mass after each operation of magnetophoresis, then receiving of functional relation of operation-by-operation mass and its extrapolation, that allows to define the total mass (including the rest) of ferroparticles and theirs concentration.

Detect methods of passive zones in magnetic separators were elaborated, based on analysis of such field characteristics of module as magnetic induction and force factor.

Elaborated control methods, pilot and industrial magnetic separators destined for ferroimpurities removal of various foodstuffs are tested and successfully work on 5 food plants.

Подписано в печать 12.10.2010 Заказ №315 Тираж 110

Бумага типографская Формат 60x90/16

г. Москва, Цветной Бульвар, д. 32/4

Тел.: (495) 785-92-72

Типография ООО «Литера А»

ГЛАВА 1. Состояние вопроса о контроле ферропримесей и магнитных аппаратах для их удаления. Задачи исследования.

1.1. Ферропримеси как опасный фактор качества и надежности работы оборудования. О критических размерах ферропримесей.

1.2. О спектре размеров ферропримесей пищевых сред.

1.3. Анализ методов определения содержания ферропримесей.

1.3.1. Методы, основанные на измерении физических характеристик.

1.3.2. Магнитная локализация феррочастиц жидкости.

1.3.3. Неоднократный фильтрационный магнитофорез (с измерением выходных концентраг^ий).

1.3.4. Определение фракции ферропргшесей с использованием закономерностей магнитофореза (обратная задача).

1.3.5. Неоднократный магнитофорез (с измерением суммарной массы осадка).

1.4. Характеристики рабочих зон магнитных сепараторов.¿>

1.4.1. О модуле магнитного сепаратора (с противостоящими магнитными элементами).

1.4.2. Основные имеющиеся данные испытаний модуля.

ГЛАВА 2. Изучение ферропримесей пищевых сред на их соответствие допускаемым размерам (по данным количественных и объемных гистограмм).

2.1. Размеры ферропримесей как регламентируемый параметр.

2.2. Получение количественных гистограмм ферропримесей различных пищевых сред.

2.2.1. Данные по муке.

2.2.2. Данные по манной и кукурузной крупе.

2.2.3. Данные по какао-порошку и другим пищевым средам.

2.3. Получение объемно-долевых гистограмм ферропримесей различных пищевых сред.

2.3.1. Данные по муке.

2.3.2. Данные по манной и кукурузной крупе.

2.3.3. Данные по какао-порошку и другим пищевым средам.

ГЛАВА 3. Проведение исследований и разработка нового прецизионного метода контроля содержания ферропримесей пищевых сред.

3.1. О сравнительных характеристиках устройств-анализаторов для контрольного выделения ферропримесей.

3.2. Разработка метода неоднократных операций магнитофореза (с функционально экстраполируемой характеристикой пооперационных масс осадка ферропримесей).

3.3. Методика неоднократного, функционально экстраполируемого, магнитофореза.

3.4. Результаты проведения неоднократного, функционально экстраполируемого, магнитофореза для определения достоверной концентрации ферропримесей пищевых сред.

3.4.1. Данные по муке.

3.4.2. Данные по манной крупе.

3.4.3. Данные по другим пищевым средам.

ГЛАВА 4. Исследование характеристик рабочих зон магнитных сепараторов

4.1. Экспериментальные характеристики индукции: о возможности использования принципа суперпозиции.

4.1.1. Характеристики в приосевом направлении. Теневое перекрытие магнитных элементов.

4.1.2. Характеристики в неосевом направлении. Частичное теневое перекрытие магнитных элементов.

4.2. Выявление пассивных зон по «излому» (в полулогарифмических координатах) характеристики индукции.

4.3. Выявление пассивных зон по заниженным значениям силового фактора.

Актуальность работы. Последствием переработки злаковых, бобовых культур, крупяных и других продуктов являются ферропримеси, образующиеся вследствие износа и коррозии оборудования, а также после его ремонта и обслуживания. Своевременный и объективный контроль этих ферропримесей, их эффективное удаление являются одной из актуальных задач в решении проблем обеспечения экологичности и безопасности пищевых систем, что в соответствии с «Доктриной продовольственной безопасности.» входит в принципиальную стратегию государственной политики.

Постоянное наличие этих примесей в пищевых продуктах, (мука, крупа, какао, сахар, чай и многих других) зачастую повышенное, не позволяет квалифицировать эти продукты как экологически чистые и безопасные для здоровья. К тому же такие примеси дестабилизируют работу, оборудования; вызывая повреждения, повышенный износ его элементов, а также способствуют опасному искрообразованию (в частности при размоле муки), способному спровоцировать разрушительный взрыв.

Все это говорит о том, что «фактор ферропримесей» - начиная с необходимости получения достоверной информации о содержании таких примесей (их размерах, дисперсном составе, концентрации) и заканчивая разработкой технико-технологических решений по их эффективному удалению - обязан входить в число ключевых вопросов технологии переработки злаковых, крупяных, бобовых и других пищевых сред.

Вместе с тем, в настоящее время существующие методы контроля ферропримесей не обеспечивают получение объективных результатов: показатели, полученные методами, регламентируемыми действующими ГОСТами, существенно занижены по сравнению с реальными. А из-за отсутствия соответствующих характеристик (свидетельствующих об особенностях силового воздействия на феррочастицы) продолжает оставаться недостаточным и уровень технико-технологической проработки магнитных сепараторов (как отечественных, так и импортных), потребность в которых для оснащения и переоснащения различных линий технологической переработки зерновых, крупяных и других пищевых сред неуклонно возрастает.

Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка прецизионного способа контроля содержания ферропримесей (металломагнитных примесей) в муке, крупе и других продуктах, разработка объективного подхода к анализу размеров ферропримесей на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям, а также получение достоверных диагностических характеристик (с выявлением пассивных зон) магнитных сепараторов, предназначенных для удаления ферропримесей.

В связи с этим в работе решаются следующие основные задачи:

1. Посредством как обычных (количественных), так и объемно-долевых гистограмм провести мониторинг ферропримесей пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других сред, в том числе проверку на соответствие установленным нормам по размерам. Оценить истинный вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

2. Проанализировать регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, разработать более объективный метод контроля, расширив число операций магнитофоретического извлечения ферропримесей из пищевых сред, практикуя функциональное представление пооперационной массы извлекаемых ферропримесей от порядкового номера операции - для получения возможности последующей экстраполяции получаемых зависимостей и нахождения совокупной массы и концентрации ферропримесей. Показать наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого и игнорируемого) содержания ферропримесей и тем самым обосновать необходимость его учета. Оценить погрешность для случая проведения ограниченного числа операций (в сравнении с данными, получаемыми с учетом оценки остаточного содержания ферропримесей).

3. Получить данные по влиянию угла наклона желоба (используемого в механических устройствах контроля ферропримесей, например, приборах типа ПВФ) на величину препятствующей магнитному захвату кинетической энергии потока анализируемой среды.

4. С использованием типичного модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получить и проанализировать соответствующие развернутые характеристики индукции поля (при обязательной визуализации силовых линий магнитной индукции), в том числе с использованием принципа суперпозиции. Найти также развернутые характеристики ее градиента и магнитного силового фактора (как наиболее объективной, по существу - арбитражной, характеристики). На примере детализированной характеристики индукции выявить те ее особенности, которые бы позволяли напрямую (до получения данных силового фактора) идентифицировать пассивные зоны.

5. Разработать и осуществить промышленную апробацию методов и средств контроля ферропримесей, а также опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для их удаления из злаковых, крупяных и других продуктов (и тем самым повышения их качества и безопасности).

Научная новизна работы

Посредством объемно-долевых гистограмм осуществлен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов, в том числе контроль на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям.

Разработан прецизионный метод контроля содержания ферропримесей, основанный на их неоднократном магнитофоретическом извлечении. В т.ч.: - получены опытные данные масс осадка ферропримесей пищевых систем, предложено представлять эти данные в виде функциональной зависимости пооперационных масс от порядкового номера операции магнитофореза - с установлением ее аналитического (экспоненциального) вида;

- на основании объективной экстраполяции такой зависимости впервые получены выражения для оценки любой операционной, постоперационной и совокупной (с учетом остаточной) массы ферропримесей;

- по полученным выражениям и необходимым контрольным экспериментальным данным найдены истинные значения содержания ферропримесей в пробах муки, манной крупы и других пищевых сред.

Исследованиями, выполненными на модуле магнитного сепаратора (с визуализацией хода магнитных силовых линий), получены развернутые «пошаговые» характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции), развернутые характеристики ее градиента и силового фактора. Впервые предложен подход к получению развернутой информации о потенциальных возможностях модуля сепаратора, в том числе информации о его пассивных зонах. Предложен и реализован также несколько упрощенный, оперативный подход, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - с выявлением функциональных особенностей линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих характеристик и, как следствие, выявлением пассивных зон.

Практическая ценность работы

Для многочисленных пищевых систем (пшеничная и ржаная мука, манная и кукурузная крупа, какао-порошок и др.) на основании объемно-долевых гистограмм показан фактический вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

Критически проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в муке, крупе и других продуктах, основанные на проведении кратных (как правило, трехкратных) операций маг-нитофоретического накопления ферропримесей и использовании механических средств с неоправданно большими углами наклона рабочих желобов.

Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей показано наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

В соответствии с разработанным методом контроля найдены истинные значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и др. Оценена погрешность определения содержания ферропримесей при проведении ограниченного (регламентируемого) числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей, которая в известной мере компрометирует официальную (основывающуюся на традиционных методах контроля) информацию о присутствии ферропримесей в пищевых средах, в том числе поступающих в розницу.

По выявленному стремительному росту кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) в зависимости от угла- наклона желоба показано, что практикующийся- «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, приборы типа ПВФ) неправомочен.

Исследованиями показано, что:

- для получения объективных характеристик магнитного поля в рабочей зоне магнитного сепаратора (прежде всего, для правильного текущего позиционирования измерительного датчика) исключительно необходимой является предварительная искусственная визуализация силовых линий магнитной индукции;

- полноправными характеристиками работоспособности магнитных сепараторов являются характеристики силового фактора, а характеристики индукции поля - лишь в случае их кусочной линеаризации (в полулогарифмических координатах): с выявлением пассивных зон.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности.

Апробация работы, внедрения, публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ (в т.ч. патенты РФ на изобретение и полезную модель). Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре при МГУПП по актуальным вопросам продовольственной безопасности (2010), на научно-практических семинарах в рамках выставки «Зерно-комбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), на 10-й юбилейной международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», (Туапсе, 2008), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2008), используются в 2-х учебных курсах.

В диссертации использовались результаты научно-исследовательской работы «Исследование и разработка новых методов магнитофоретической очистки жидкостей и сыпучих сред от феррозагрязнений при эксплуатации машин в производстве хлебных, полимерных и керамических изделий», выполнявшейся автором (в соавторстве с молодыми учеными А.А.Сандуляк, В.А.Ершовой) в 2006-08 гг. в МГТУ «МАМИ», прошедшей обсуждение научно-технической общественностью (МГУПП, Хлебозавод ПЕКО, Одинцовская кондитерская фабрика А.Коркунов, машиностроительный завод оборудования сельхозпереработки «ФРЕГАТ» и др.) и удостоенной Премии Правительства РФ 2008г. в области науки и техники для молодых ученых.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из пищевых продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности. Они демонстрировались на международных выставках «Агропродмаш» (Москва, 2008, 2009гг.), «Зернокомбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), «Росупак» (Москва, 2009г.). Экономический эффект от внедрения разработок составил 1,2 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов с позиций соответствия их фактических размеров нормативным требованиям. Посредством перехода к объемно-долевым гистограммам оценен истинный вклад феррочастиц определенных размеров (в том числе и «запредельных») в их концентрацию.

2. Проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, основанные на проведении неоднократных операций их магнитного накопления. Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей муки, манной крупы и других продуктов показано наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

3. Разработан прецизионный метод контроля ферропримесей в пищевых продуктах, предложены решения, связанные с установлением аналитического (как показали эксперименты — экспоненциального) вида зависимости пооперационных масс, последующей экстраполяцией этой зависимости для оценки этих масс и совокупной, включая остаточную, массы ферропримесей.

4. В соответствии с разработанным прецизионным методом контроля сред найдены истинные (отличающиеся от значений, получаемых при формально декларируемом числе операций) значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и других продуктах. Вскрыта и оценена погрешность при проведении ограниченного числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей.

5. Путем изучения влияния угла наклона желоба на величину кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) и выявления ее стремительного роста показано, что имевший до настоящего времени место «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, в приборах типа ПВФ) неправомочен.

6. Проведены исследования модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получены и проанализированы развернутые экспериментальные (с соблюдением условий текущего позиционирования измерительного датчика и искусственной визуализации силовых линий поля) характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции). Получены также развернутые характеристики ее градиента (графическим и/или аналитическим дифференцированием) и магнитного силового фактора — как основы для выявления пассивных зон.

7. Выполнен анализ рабочих зон магнитного сепаратора, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - по функциональным особенностям линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих зависимостей - позволяющий осуществлять упрощенную процедуру выявления пассивных зон модуля.

8. Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и устройств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности. Экономический эффект от внедрения составил 1,2 млн. руб.