автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Совершенствование бытовых коптильных установок за счет электрофикации основных технологических операций копчения

од

На правах рукописи

Овчаров Дмитрий Анатольевич,

Совершенствование бытовых коптильных установок за счет электрификации основных технологических операций копчения

Специальность 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 1998

Работа выполнена в Саратовском государственном агроинженерноы университете

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Ерошенко Г. П.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ - кандидат технических наук, доцент Таранов U.A.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОШЮНШТЫ - доктор технических наук,

профессор Долгопятов P.M.

кандидат технических наук, доцент Маковецкий С.Я.

ВЭДЩЕЕ ПРЕДОРИЯТИЕ - Саратовское областное объединение "Агропромэнерго"

Защита диссертации состоится----1998 г.

в часов на заседании диссертационного совета KI20.04.02. Саратовского государственного агроинженерного университета по адресу: МОоОО, г.Саратов, ул.Советская, 60 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан _ I99Ö г.

Ученый секретарь ■диссертационного совета доктор технических наук профессор

/Волосевич Н.Д./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. Для переработки сельскохозяйственной продукции широко используется копчение. Этим способом перерабатывается от 30% до 50% мяса, птида и рыбы. Ассортимент копченостей достигает пятидесяти наименований.

Коптильные установки широко применяются не только на перерабатывающих предприятиях АПК, но и в бытовых условиях сельским и городским населением. Развитие рыночных отношений, стимулирующих бытовое производство копченостей для реализации в торговле, повысило спрос на бытовые коптильные установки. Однако они уступают промышленным коптильным установкам по функциональные возможностям и удельным технико-экономическим показателям.

Попытки улучшить бытовые коптильные установки за счет переноса в них элементов электрокопчения, используемых в промышленных образцах, -не дали положительных результатов. Назрела необходимость научного обоснования способов электрификации Сиговых коптильных установок.

Актуальность темы подтверждается массовым применением бытовых коптильных установок и возможностью резкого сокращения удельных энергозатрат и продолжительности копчения.

Цель р&Сеиш заключается в расширении функциональных возможностей, а так»® в снижении в 5...10 раз удельных энергозатрат и в 10... 12 раз продолжительности обработки продукции в бытовых коптильных установках за счет электрификации их основных технологических операции.

Объектом исследования служат малогабаритные (емкостью 10..200 литров) коптильные установки, используемые в быту сельских и городских жителей, а также на малых перерабатывающих предприятиях.

Средне« исследоааиия - электротехнологические процессы образования и осаждения дама в малогабаритных коптильных установках.

Задачи исследовании. 1. Обосновать рациональную структурную схему и экономически оправданное удорожание бытовой электрической коптильной установки (ЭКУ).

2. Разработать теорию, обосновать параметры и конструкцию электрического дьыогенератора (ЭДГ).

3. Разработать теорию и технические средства электрического осаждения дьма в бытовых ЭКУ.

4. Выполнить лабораторные и производственные испытания созданных образцов.

5. Дать экономическую оценку предлагаемых решений.

Научная новизна. 1. Выявлена аналитическая зависимость между параметрами бытовых коптильных установок и экономически оправданными дополнительными затратами на их электрификацию.

2. Определены условия одновременного поддержания требуемой температуры дымления древесины и заданной температуры внутри коптильной камеры с помощью одного электронагревателя. Разработан метод расчета дымогенератора.

3. Доказана возможность и выявлена область применения злектроосавдения дыма в поле импульсного коронного разряда. Сформулированы требования к импульсным источникам высокого напряжения (ИИВН). Разработана теория рабочего процесса ШВН с тиристорным разрядником.

Цракпгееск&а ценность. Разработанная бытовая ЭКУ имеет расширенные функциональные возможности (обеспечивает холодное и горячее копчение), снижает продолжительность копчения от 4...5 ч до 10...20 минут, а удельные энергозатраты - в 5...15 раз по сравнению с огневыми коптильными установками.

Апробгхфся работы. Основные положения работа доложены и одобрены на научно-технических конференциях СГАУ (г. Саратов 199б-1998гг.), АЧГАА (г. Зерноград 1996-1997гг.). . Экспериментальные образца бытовой ЭКУ демонстрировались на выставках СГАУ, ярмарке «Сад и огород» СГСХА и Всероссийском совещании руководителей АПК (г. Саратов 1997 г.).

Раалх-гзация результатов исспадозаккя. Разработанные бытовые ЭКУ прошли производственную проверку и внедрены в АОЗТ СКВО (Северо-Кавказский военный округ) Зерноградского района, Ростовской области, в АО «Кольшлейагропромснаб» р.п. Колыллей Пензенская область, ООО «Агрозапчасть» г. Саратов. •

Публикагрп*. По материалам диссертации опубликовано четыре работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (-94 наименования), изложенных на i 2-3> страницах машинописного текста и включает 21 рисунок, 7 таблиц и 3 приложения.

С0ДЕРИДНИ2 гавспы В первой глаже рассмотрены технологические основы копчения, требования к коптилькьы установкам и обзор их ^ конструкций, а также способы и технические средства электрокопчения.

Выявлено, что удельные технико-экономические показатели бытовых коптильных установок значительно хуже, чем у промышленных. Улучшение показателей промышленных установок достигнуто за счет их комплексной электрификации. Показано, что для совершенствования бытовых коптильных установок необходимо электрифицировать основные технологические операции,

Электротехнология имеет широкое применение в сельском хозяйстве для очисти воздуха, ионизация помещений, предпосевной обработки и сортировки семян, распыления аэрозолей,и т.п. Научные основы электротехнологии развиты в трудах Бородина И.Ф., Изакова Ф.Я., Тарушкина В.Н., Возмилова А.Т., Ксенза Н.В., Рогова И.А. и др. ученых.

Электроколчение применяют в крупных коптильных установках на перерабатывавших предприятиях АПК. Бытовые коптильные установки используют огневой способ создания дама и ' его термодиффузионное осаждение на продукт. Попытки применения электрокопчения в бытовых коптильнях не дали положительных результатов, поскольку еще не изучены особенности электрификации малых установок.

В заключении главы сформулированы задачи исследования.

■ Вторая лдава посвящена разработке технических средств и теоретических основ электрификации бытовых коптильных установок.

На первом этапе проведен морфологический анализ ЭКУ по главным конструктивно-технологическим признакам: тип коптильной камеры, расположение и тип дамогенератора, способ осаждения дыма. Выявлено 72 варианта ЭКУ, а затем выбрано три рациональные конструкции.

Для обоснования наилучшего варианта определены экономические требования к бытовым ЭКУ. На основании анализа уравнений удельных затрат получено выражение допустимого, по условию абсолютной эффективности, удорожания ЭКУ по сравнению с огневой установкой.

Кэ К0 <{Пэ!П01иьЗ ЕНК0), (1)

где КЭ,К0- стоимости электрической и огневой установок, Лэ, По - их годовые производительности, Д3 - разность эксплуатационных затрат, £// - коэффициент окупаемости.

Для предельных режимов применения сравниваемых установок (1 - одинаковое число часов использования в течение года; 2 -одинаковый годовой выпуск продукции) определены лимитные цены на ЭКУ: для 1 режима - К3 Кд < 45; для 2 режима Кэ К0 й 2,5.

Основной вариант бытовой ЭКУ показан на рис.1. Она состоит из диэлектрической колпаковой камеры 1, подставок 2, коронируетях электродов 3, диэлектрического основания с водяным затвором 4, встроенного электрояымогенератора ЭДГ и наружного импульсного источника высокого напряжения ИИВН.

Рис.1.Основной вариант бытовой ЭКУ : 1-диэагектрячес-' кая колпаковая камера,2-под-ставка.З-коронирующие электроды 4-яяэлектрическое основание с гидравлическим затвором, ЯГ-лшогенератор ИЙШ-источник импульсов внсокого налряхения.

Рабочий процесс холодного копчения начинают с размещения деревянных брусков в ЭДГ и продукта на подставке. Затем устанавливают защитную сетку и ЭКУ подключают к сети 220В. Через 2-3 мин в камере образуется необходимая задымленность. Подключают ИИВН и через 8...12 мин копчение заканчивается -установку отключают от сети и дают остыть.

Выбор конструкции ЭДГ выполнен по результатам поисковых исследований 4 вариантов. Окончательно принят ЭДГ с непосредственным тепловьм контактом нагревательного провода и деревянного бруска. ЭДГ состоит из диэлектрической рамки, на которую с, двух сторон укладывают нагревательный провод типа НИХРОМ с шагом 10-12 мм. Бруски дерева размещают сверху и снизу рамки, что обеспечивает за счет давления брусков саыокомпенсашю удлинения провода.

Теоретическое обоснование параметров ЭДГ требует учета ряда ограничений, связанных с необходимостью одновременно поддерживать заданную температуру и заданную температуру продукта копчения. Для учета этих особенностей найдена температурная характеристика провода

¡„=N1" (Кмс13н). (2)

где N, Кц - конструктивный и монтажный коэффициенты, /, с1ц- ток и диаметр нагревательного провода, п = 1,5. .1,9-коэффициент чувствительности температуры провода к току (в работе определен эмпирически).

'Затем из уравнений теплового баланса для наибольшей температуры камеры определены диаметр, длина провода и другие параметры ЭДГ

<}и^.КмЫ{акРкЫк)п и2(н , (3)

LH=U2mi2H (4рРк), (4)

где а к, FK, At - коэффициент теплоотдачи, площадь и перегрев камеры,' iff - заданная температура нагрева провода.

Изучена связь параметров ЭДГ и объема ЭКУ, а таюке разработана схема стабилизации температуры камеры с помощью тиристорного коммутатора.

Применение традиционных схем злектроосаэкдения да« в бытовых коптильнях резко увеличивает их габариты и стоимость. Вместе с тем в таких установках возможности высоковольтных источников используются не полностью, хотя создается избыток электронов.

Детальное изучение электротехнологии осаждения дьма позволило подучить следукщ/то математическую запись условия эффективного осаждения дама:

* * — / ГА

Иду S =Е/К, (5)

* *

где Яд- относительная залымленность ' камеры, v -

относительная скорость движения задымленного воздуха, 8 -относительное значение межэлектродного зазора, 'Е-напряженность в зазоре, К- эффективность зарядки частиц дыма.

Анализ этого уравнения показал целесообразность использования в бытовых ЭКУ импульсного напряжения. Это позволяет поддерживать баланс между числом электронов и частиц дама и применять эффективные импульсные источник» высокого напряжения (ИИВН).

. На рис.2 показана принципиальная схема одного' из разработанных ШВН. Он состоит из накопительного конденсатора.

С1 и тиристорного ключа УД4, включенного в первичную цепь повыиавдего трансформатора Тр.

№

С1 %УЛ2

Рис.2.Принщшиальная схема ИИВН : У01 МОЛ ,У03 ,-миолы, С 1 -накопительный ковденсотор ^^ -тйристорный ключ, £ 2. -резистор

Исследование этой схемы выполнено методом припасовывания отдельных стадий создания импульсов. Каждая стадия изучена по классической теории переходных процессов.

Для стадии заряда С1 получены уравнения тока, напряжения и продолжительности заряда

'с - 1щ 8>п(йЯ + К 2)

, ис - ит вшЦ) = ' агс8'т(2а>С)

(О

(6)

Для стадии формирования импульса найдены о&щие уравнения тока и напряжения трансформатора. Из них определены уравнения

для практически реализуемого случая открытия тиристора при амплитуде обратной полуволны питающего напряжения

/ = (2ит 2 ^¡п ел - (21/т гУ* (щ

}, (7)

где /7 = /? 2/,, = 1 ¿С, £,С- параметры колебательного контура (трансформатора к накопительной емкости).

Продолжительность импульса приближенно определяется формулой

Анализ уравнений (б), (7) и экспериментальная проверка показали, что обший ток складывается из основной составляющей, имегацей частоту сети, и высокочастотной составляющей, которая, затухая, колеблется вокруг основного тока. Тиристор пропускает лишь те полупериолы тока, которые совпадают с его полярностью. Изучены возможные режикы работы ШВН и определены уравнения для расчета его основных параметров. Например, накопительный конденсатор должен иметь

В заключении главы сформулированы основные научные положения электрификации бытовых ЭКУ.

/// =0,57« =0,5 ©о .

(8)

емкость

(9)

где ,(Г2 - числа витков трансформатора.

В третьей тоава изложены методика и результаты экспериментальных исследований.

Для проверки теоретических положений и выбора лучших конструктивных решений изготовлены и испытаны экспериментальные образцы ЭДГ (4 варианта), ИИВН (3 варианта) и бытовых ЭКУ (4 варианта). Экспериментальная установка (рис.3) позволяла контролировать режим работы ЭДГ, ИИВН и ЭКУ в целом. Качество продукции оценивалось в лаборатории центра государственного санитарно-эпидемиологического надзора в Саратовской области.

л/22 О

Рис. 3.6 Электрическая схема экспериментальной установки

Температурная характеристика ЭДГ в зоне контакта провода

и- древесины, рассчитанная по уравнению (2), совпадает с

экспериментальной с точностью ± 5 %■ в интервале рабочих

температур. Экспериментальные данные испытания ЭДГ в целом

приведены в таблице 1 для следующих вариантов:

1-электроконфорка, 2-открытая спираль, 3-зигзагообразный нагреватель, 4-струнный нагреватель.

Таблица 1

Экспериментальные данные испытания ЭДГ

Номер Варианта Мощность Вт Темп, провода,°С Наим. даам. провода,мм Наработка на отказ,ч

Средняя Местная

1 800 600 800 0,4 1500

2 •400 400 1200 0,5 10

3 200 300 €00 0,3 200

4 200 300 400 0,3 1500

ИИВН испытаны вначале без коптильной установки, а затем в комплекте ЭКУ. На первом этапе подтверждена работоспособность генератора импульсов, а также совпадение расчетных и опытных данных. На втором этапе изучены режимы осаждения дьыа при разных параметрах импульсов. В этих экспериментах использованы имитаторы продукта, выполненные в виде пластин из влажного поролона. Установлено, что глубина проникновения дьма в сопоставимых условиях при импульсном кбронном разряде всего лишь на 5...10% меньше, чем при постоянном напряжении.

Производственные испытания выполнены при копчении сала, мяса и птииы, (около 150кг). Подготовка продукции выполнялась по типовой' технологии. Готовая продукция получила положительную оценку по вкусовым и органолептическим свойствам, а также по биохимическим показателям.

В четвертой плаве дана оценка эффективности бытовых ЭКУ. Результаты анализа приведены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели Типы установок

Огневая Аромат ЭКУ 1-1 ЭКУ 1-2

Объем камеры, л 16 34 24 24

Масса установки, кг 6 30 3 б

Масса продукта, кг • 10 20 10 10

Мощность ЭДГ, Вт - 0,8 0,15 0,15

Длит-ть копчения, ч 10 10 10 0,4

. Стоимость, т.руб 300 500 255 495

Удел, затраты на , энергию, руб/кг 60 40 15 1

Примечания: 1. «Аромат» - промышленная коптильная установка с электроконфоркой. 2. Затраты в неденоминированных рублях

основные вывода

.1. Третья часть мясной и рыбной продукции, производимой в стране, перерабатывается копчением. Коптильные установки широко используются на перерабатывающих предприятиях АПК и в бытовых условиях. Однако бытовые коптильные установки имеют повышенные удельные энергозатраты, - малую производительность, ограниченные функциональные

возможности и нестабильное качество продукции. Основнъм направлением ' совершенствования бытовых коптильных установок служит электрификация их основных

технологических операций и автоматизация процесса копчения. -

2. Электрификация традиционных бытовых коптильных установок требует дополнительных затрат. Установлена аналитическая зависимость между экономически оправданным удорожанием ЭКУ и ее параметрами. При 'ограниченном объеме перерабатываемой продукции удорожание не должно превышать 2,5 раза, а при односменном круглогодичном использовании - 45 раз. Лимитная цена бытовой электрической коптильной установки емкостью в 10-20л в первом случае составляет 600 тысяч неденоминированных рублей, а во втором - 15 млн. руб.

3. Методом морфологического анализа выявлено 72 конструктивных варианта бытовых ЭКУ и выбрано три рациональных варианта. Типовая ЭКУ состоит из диэлектрической колпаковой камеры, диэлектрического основания с гидрозатвором, встроенного электрического дымогенератора, внешнего импульсного источника высокого напряжения, коронирукиего электрода в виде сетки и осадительного электрода, роль которого выполняет продукт копчения.

4. Разработано, создано и испытано четыре варианта дымогенератора. Установлено, что энергосберегающий и надежный дамогенератор должен иметь непосредственный тепловой контакт нагревательного элемента с древесиной.

' разработана теория рабочего процесса такого дымогенератора. Она позволяет выбрать его параметры с гарантией одновременного поддержания заданной температуры дымления и необходимой по технологии копчения температуры продукта. Показана возможность практической реализации

предложенного дымогенератора и его автоматического управления тиристорньм коммутатором.

5. Обоснована возможность осаждения дыма в бытовой ЭКУ с помощью импульсного коронного разряда. Такая электротехнология осаждения дыма на продукт позволяет поддерживать рациональное соотношение между числом частиц дыма и числом зарядов, а также применять - простые и надежные импульсные источники высокого напряжения. Для бытовой ЭКУ емкостью 10-100л ИИВН должен иметь импульсную мощность до 1500Вт, амплитудное напряжение 20-35кВ, 'скважность импульсов 20-60, частоту следования -50Гц.

■ б. Разработано, создано и испытано три варианта ИИВН. Типовой источник питается от сети 220В, имеет "удвоение" входного напряжения на накопительном конденсаторе, тиристорный ключ и выходной трансформатор, выполненный на катушке зажигания Б104. КОронирующим электродом служит сетка из ■ провода диаметром 0,4 мл (нихром), размещенная на внутренней стороне коптильной камеры, а осадительньм . - продукт копчения.

7, Теория рабочего процесса ШВН,- использующая метод , прйпасошвания и классическую теорию переходных процессов,

дает количественное описание тока разряда, выходного напряжения и других параметров источника. Получены уравнения для расчета скважности импульсов и емкости накопительного конденсатора.

8. Лабораторные испытания подтвердили работоспособность дамогенератора и импульсного источника. Рассчитанные температурные . характеристики ЭДГ подтверждаются экспериментально с точностью ±5%, а вольтамперная

характеристика ИИВН с точностью ±7%. Производственные испытания подтвердили эффективность и надежность функционирования бытовой ЭКУ с ЭДГ и электроосаждением. Энергозатраты снижены в среднем в восемь раз, а продолжительность копчения сократилась с 5ч до 20 минут. Биологический анализ I продуктов копчения, выполненный в лаборатории СЭС, подтвердил их пригодность к употреблению и высоко качество. 9. Результаты внедрения и экономические расчеты подтверждают безусловную эффективность Сьгговой ЭКУ с

электродымогенератором емкостью 10-20л по сравнению с традиционной огневой коптильной установкой при годовом объеме производства до ЗООкг/год (стоимость ниже на 15%, а энергозатраты - на 400%). ЭКУ с электроосаждением дыма имеет положительную рентабельность при годовом объеме производства более ЗООкг/год. Срок окупаемости составляет один год при объеме производства 2000кг/год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Ерошенко Т.П., Овчаров Д.А. Электрокоптпьная установка -Информ. лист №300-95, ЦНТИ, СаратовД995..

2. Ерошенко Г.П., Овчаров Д.А* Методические вопросы измерения . импульсов высокого напряжения - материалы учебно-

методическо^ конференции СГАУ - Саратов, 1998. С 141.

3. Овчаров Д.А. Электрический дымагенератор для коптильных установок,- Информ. лист №36-98, ЦНТИ, Саратов,1998.

4. Ерошенко Т.П., Овчаров Д.А. Импульсные источники питания для электротехнологических установок. - В кн. Высокоэффективные электротехнологии и биоинформационные системы управления в АПК / Сб. материалов наушо-ыетодического семинара энергетического факультета. -М., ¿ГАУ, 1997, С.36. •о. Овчаров Д.А. По двум проводам. -Сельский механизатор, 1У98, С.32.

6. Ерокенко Г.П., Овчаров Д.А. Бытовая электрокоптильная установка -Проспект научно-технических разработок "Ученые СГАУ : сельским товаропроизводителям" - Саратов, ЩГИ, 1998.