Математические модели для определения статических и динамических характеристик машины и процесса очистки картофеля аэродинамическим способом (некоторые результаты проекта 16–38–00343 РФФИ)



Математические модели для определения статических идинамических характеристик машины ипроцесса очистки картофеля аэродинамическим способом(некоторые результаты проекта 16–38–00343 РФФИ)

Джабборов Нозим Исмоилович, доктор технических наук, профессор;

Захаров Антон Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства

Работа выполнена по проекту РФФИ № 16–38–00343. В статье изложены результаты теоретических исследований технологического процесса очистки клубней картофеля аэродинамическим способом. Приведены математические модели для расчета средней и критической воздушной нагрузки на поверхности клубня, критической температуры, количества тепла, переданное клубню картофеля в процессе очистки, а также продолжительность процесса очистки картофеля аэродинамическим способом в зависимости от многочисленных факторов, влияющих на качество процесса.

Ключевые слова: аэродинамический способ очистки, клубни картофеля, воздушный поток, способы очистки, коэффициент адгезии, динамическая нагрузка, коэффициент поглощения тепла, воздушно-тепловой поток, критическая нагрузка, критическая температура

На поверхности клубней, особенно выращенных на тяжелых почвах, может содержаться прилипшая почва (осенью до 7–9 %, весной до 4–5 %) [1, 2, 3, 5]. Надежный способ ее удаления — мойка клубней. Но она сложна в реализации, энергоёмка. Поэтому все большее внимание привлекает сухая очистка клубней.

По результатам исследований [2] установлено, что наилучшее отделение почвенных примесей происходит на клубнях, выращенных на торфяной и супесчаной почвах, где коэффициент адгезии составил соответственно 0,02–0,05 и 0,02-0,06. На суглинистых и глинистых почвах отделение почвенных примесей затруднено, при этом коэффициент адгезии находится соответственно в пределах 0,04–0,08 и 0,05–0,1.

Влажность почвы для сухой очистки клубней картофеля известными способами не должна превышать 30 % [1, 2, 3]. В противном случае клубни картофеля для сухой очистки не пригодны.

Клубни картофеля, имеющие округлую форму и гладкую поверхность кожуры, характеризовались более низким коэффициентом адгезии по сравнению с сортами, обладающими овальной формой и шероховатой поверхностью.

Анализ технологических процессов и конструкций технических средств позволил выявить основные недостатки применяемых в производстве способов очистки картофеля.

В качестве недостатков известных способов очистки картофеля можно отнести следующие.

Клубни, вышедшие из мойки, несут на своей поверхности воду, до 1 % от их веса, поэтому их подвергают обсушиванию.

В зависимости от загрязненности картофеля расход воды для его мойки может колебаться от 1 до 6 м³/т.

При мойке сильно загрязненных клубней картофеля, снижается не только качество очистки, но и производительность моечных машин, при этом расход воды на мойку увеличивается в 1,5–2 раза.

Общими недостатками барабанно-щёточной машины является то, что в процессе очистки их барабанные грохоты забиваются растительными остатками и ботвой, а также низкое качество очистки. Из-за длинного ворса щеток, воздействие на загрязнения происходит боковой поверхностью, что не способствует очистке почвы из углублений и неровностей на поверхности картофеля.

Повреждаемость поверхности клубней, неспособность очищать загрязнения из углублений и неровностей являются существенными недостатками очистителя машины с кулачковым очистителем.

Недостатком транспортного очистителя является то, что рабочие органы в виде рельефно-обрезиненных барабанов не удаляют загрязнения из неровностей на поверхности клубней. К тому же, при очистке почвы повышенной влажности (более 24 %) эффективность очистки резко снижается.

Обладая высокой производительностью, применяемые машины не способствуют эффективной очистке клубней при высокой влажности слипшейся почвы и при большом загрязнении клубнеплодов.

При высокой материалоемкости, значительных габаритах, наличии в конструкции большого числа технологически сложных деталей, применяемые машины не обеспечивают высокую производительность технологического процесса сухой очистки корнеплодов.

Анализ отечественных конструкций и современных машин западных фирм показывает, что очистители, оборудованные кулачковыми, вибрационными и грохотными рабочими органами, использующими динамическое воздействие на связанные загрязнения, не обеспечивают требуемого качества работы при высоком уровне загрязнений.

Увеличения эффекта очистки изменением параметров и режимов работы машин приводит к повреждению клубнеплодов.

Применяемая в настоящее время мойка клубней картофеля требует большого расхода пресной воды и затрат электроэнергии на сушку.

Кроме этого, эксплуатация моющих машин требует наличия системы канализации, отстоя, очистки загрязнённой воды, удаления остатков очистки, что является объектом загрязнения окружающей среды. В связи с этим большое внимание уделяется снижению использования воды в процессе очистки клубней картофеля и применению механических воздействий на обрабатываемый материал (сухая очистка).

Машины для сухой очистки корнеклубнеплодов, выпускавшиеся в советское время ЛФКС — 3000 физически и морально устарели, и к тому же их выпуск прекращен. В связи с этим возникает необходимость разработки нового эффективного способа и устройства, лишенного вышеперечисленных недостатков и имеющие более широкие технологические возможности [3–5].

Предреализационная обработки картофеля включает ее очистку от примесей (почвенных частиц или пласта). При этом с наружного покрова картофеля убираются почвенные загрязнения при сохранении целостности клубня и его первоначального внешнего вида. Данный способ практически осуществляется в машинах для сухой очистки картофеля и используется для предреализационной подготовки картофеля с поставкой его к месту реализации без дополнительной доработки [6–8].

Настоящая работа направлена на повышение качества предреализационной обработки картофеля путем повышения эффективности очистки картофеля от примесей новым аэродинамическим способом.

Предлагаемый аэродинамический способ должен обеспечить ускоренную сушку картофеля и позволяет её очистить при влажности почвы, прилипшей к ней, более 30 %.

Аэродинамический способ основан на применение сжатого нагретого воздуха до определенной температуры для очистки клубней. Предлагаемый аэродинамический способ относится к сухим способом очистки картофеля. Аэродинамический способ очистки включает в себя использование определенной воздушной нагрузки на поверхность клубни, а также создание постоянного потока воздуха с постоянной положительной температурой для вывода загрязненного воздуха из системы очистки в фильтрующий элемент. При таком способе очистки на поверхность клубни подается направленный воздушный поток с определенным давлением и температурой.

Сжатый воздух можно производить на месте потребления, экологичен и безвреден, удобен в применении. Сжатый и нагретый воздух, необходимый для чистки клубней, необходимо подавать через специальные форсунки специальной конструкции с эффектом эжектора. При этом струи сжатого воздуха увлекают за собой воздух, окружающий сопло. Применение таких форсунок обеспечивает надлежащую силу и геометрию продувки.

Система математических моделей учитывают многочисленные факторы, которые влияют на энергетические, технико-экономические и качественные показатели процесса очистки клубней аэродинамическим способом.

В общем случае, в математической модели для определения среднего динамического давления (воздушной нагрузки) необходимо учитывать вышеперечисленные факторы, такие как давление воздуха при выходе из форсунки, давление воздуха на поверхности клубня картофеля, изменение направления давления воздуха в зависимости от формы клубня.

Математическую модель для определения среднего значения воздушной нагрузки (динамического давления) можно представить в виде:

1. Среднее значение динамической нагрузки (воздушной нагрузки) при постоянной воздушной нагрузке и температуре (Па или Н/м²) на поверхности клубни:

,(1)

где коэффициент, учитывающий изменение давления воздуха при выходе из форсунки для расстояния до поверхности клубни картофеля; аэродинамический коэффициент, учитывающий изменение направления давления воздуха в зависимости от формы клубни; давление воздуха на выходе из форсунки, Па.

Повышение эффективности очистки клубней можно достичь путем создания пульсирующего воздушного потока, то есть воздушной нагрузки и ее температуры. При этом среднее значение давления воздуха будет меньше, чем — давление воздуха на выходе из форсунки, при постоянной воздушной нагрузке и температуре.

Пульсация воздушного потока это переменная составляющая на выходе из форсунки. Частота пульсации воздушного потока зависит от настройки системы подачи сжатого воздуха и, скорее всего, представляет гармоническую нагрузку.

Коэффициент пульсации воздушного потока представляет собой отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей на выходе форсунки к среднему значению давления воздуха .

Математическую модель для определения среднего значения динамической нагрузки (пульсационной воздушной нагрузки) (Па) при кратковременной (переменной пульсирующей) воздушной нагрузке и температуре на поверхность клубня картофеля можно представить в виде:

2. Среднее значение динамической нагрузки (пульсационной воздушной нагрузки) (Па) на поверхность клубня картофеля:

(2)

При А) и В) значения и могут иметь разный эффект действия на клубни.

Аэродинамический способ, по сравнению с известными способами очистки, должен быть экологически чистым, экономически и энергетически эффективным. Эффективность очистки зависит от степени сноса примесей с поверхности клубней. Степень сноса примесей от очищаемой поверхности клубня зависит от площади воздействия воздушного потока, значения механической нагрузки на клубень при его трении о другие клубни и о чашу машины, воздушной нагрузки, общей площади клубня, а также количества воздействия динамической нагрузки. С учетом этого, коэффициент, учитывающий снос грязи с поверхности клубни картофеля можно определить по формуле:

(3)

где площадь воздействия потока воздуха на клубень, м²; среднее значение динамического давления (воздушной нагрузки) на поверхности клубня картофеля, Па; частота воздействия потока воздуха (динамической нагрузки) на клубень; общая площадь поверхности клубня, м²; среднее значение механической нагрузки на клубень картофеля при ее трении друг о друга и о чашу машины, Па.

Критическая воздушная нагрузка (динамическое давление) это нагрузка, превышение которой вызывает повреждение клубней картофеля.

Критическое динамическое давление (воздушной нагрузки) на клубень (Па) определяется по формуле:

(4)

где поправочный коэффициент, учитывающий прочность кожуры клубней. (Прочность кожуры клубней зависит от структурно-механических свойств, то есть размера, массы, формы, относительной плотности, объемной массы, скважности, механической прочности различных сортов картофеля, а так же от срока его хранения); экстремальное значение давление воздуха, превышение которого вызывает повреждение клубней картофеля в начальном периоде хранения клубней картофеля, Па.

Механическая прочность клубней картофеля определяется прочностью кожуры и мякоти на раздавливание, прочностью мякоти и кожуры на прокол и допустимой высотой падения.

Прочность кожуры и мякоти на раздавливание характеризует устойчивость картофеля к поверхностному или глубокому раздавливанию клеток.

Прочность кожуры и мякоти на прокол характеризуется усилием, которое необходимо для разрушения сравнительно небольшого количества клеток, проникающего в глубину. Прочность на прокол устанавливают вместе с кожицей и мякотью пенетрометром.

При хранении картофеля прочность мякоти увеличивается, особенно при низкой влажности воздуха.

Допустимая высота падения определяется как высота, при падении с которой картофель не приобретает видимых механических повреждений. Данный показатель зависит от прочности мякоти на раздавливание, а также от характера поверхности, на которую падает клубень и его массы.

Значения поправочного коэффициента колеблются в широких пределах в зависимости от прочности кожуры картофеля различных сортов и продолжительности их хранения.

Значения поправочного коэффициента можно определить по формуле:

(5)

где первоначальное значение усилия, которое необходимо для разрушения сравнительно небольшого количества клеток, проникающего в глубину, соответствующее 2-х — 3-х дневному периоду после уборки картофеля, Па; значение усилия, необходимое для разрушения сравнительно небольшого количества клеток, проникающего в глубину, соответствующего определенному сроку хранения , Па; начальный период хранения картофеля, ч; время хранения клубней до предреализационной очистки картофеля, ч.

Среднее значение динамической нагрузки (пульсационной воздушной нагрузки) (Па) на поверхность клубня картофеля должна быть .

Среднее значение динамической нагрузки (постоянной воздушной нагрузки) (Па или Н/м²) на поверхности клубня также должно быть .

Критическая температура потока воздуха это такая температура, при которой кожура клубней получают температурный ожог.

Критическую (или экстремальную) температуру потока воздуха (^оС), подаваемую на поверхность клубня можно рассчитать по формуле:

(6)

где поправочный коэффициент (4); значение экстремальной температуры, причиняющий клубни тепловой ожог, соответствующий начальному периоду хранения картофеля .

Под начальным периодом хранения картофеля подразумевается время от уборки картофеля с поля, транспортировки и первичной очистки вплоть до постановки на хранение. В данном периоде кожура и мякоть картофеля имеют наименьшую прочность.

Предлагаемый аэродинамический способ очистки подразумевает применение теплого или горячего направленного воздуха под определенным давлением на очищаемую поверхность клубней. При этом естественно происходит передача определенного количества тепла очищаемому объекту. Количество тепла, передаваемого клубню, зависит от коэффициента поглощения тепла, площади поверхности клубня, первоначальной температуры клубня и примеси, и, естественно от температуры воздуха, подаваемого через форсунку.

С учетом изложенного, количество тепла, (Вт) переданное клубню картофеля через площадь , можно определить по выражению:

(7)

где наружная, подаваемая через форсунку температура воздуха, ⁰С; температура клубня и грязи на её поверхности, ⁰С; площадь поверхности клубня картофеля, на которой подается воздух под давлением и определенной температурой, м²; коэффициент поглощения тепла (теплопередачи от струи воздуха к поверхности), представляющий отношение тепла, поглощенного поверхностью клубня к падающему на него тепловому потоку (Вт/м²·^оС); поправочный коэффициент, учитывающий частоту и продолжительность воздействия воздушно-теплового потока на клубень.

Механические способы очистки различными рабочими органами (щеточными и т. д.) основаны на царапание грязи от поверхности картофеля.

Аэродинамический способ основан на принцип отрыва грязи от поверхности картофеля пульсационным воздушным потоком.

Аэродинамическое устойчивое колебание потока воздуха и воздушной нагрузки на клубень картофеля обеспечивает растрескивание почвенной корки (примеси) (рисунок 10).

При аэродинамическом способе очистки контрастный гидротермический режим почвы обеспечивает быструю сушку примесей. А быстрая сушка приводит к образованию твердой корки (рисунок 10). Это особенно характерно для глинистых грунтов, которые имеют высокую плотность, слипание и заплывание.

Прочность почвенной корки на поверхности клубней зависит от физико-механического состава прилипшей в них почвенной грязи.

Время образования почвенной корки на поверхности клубня зависит от твердости (плотности) , влажности , температуры клубни и примеси, температуры воздушного потока и коэффициента поглощения тепла клубня и почвенной примеси.

Среднее время очистки картофеля в зависимости от многочисленных факторов, влияющих на качество процесса, можно определить следующим уравнением:

(8)

где время воздействия направленного воздушного потока на клубни, ч; поправочный коэффициент, зависящий от твердости, влажности, плотности и коэффициента поглощения тепла почвенной примеси и поверхности клубня.

Рис. 1. Твердая почвенная корка на поверхности клубней картофеля и ее растрескивание в следствии контрастного гидротермического режима

Поправочный коэффициент определяется по формуле:

(9)

первоначальная твердость примеси и поверхности клубня до очистки, кг/см²; твердость примеси и поверхности клубня в начале образования твердой корки, г/см²; первоначальная влажность примеси и поверхности клубня до очистки, %; влажность примеси и поверхности клубня в начале образования твердой корки, %; температура примеси и поверхности клубня до очистки, ^оС; температура направленного воздушного потока на клубни, ^оС; коэффициент поглощения тепла клубнями и почвенной примеси.

Вследствие образования и подачи сжатого воздуха, пульсации воздушного потока с большими скоростями, при движении общего потока воздуха в системе, включая систему очистки загрязненного воздуха, в машине для аэродинамической очистки клубней может образоваться шум аэродинамического происхождения. Вопросы снижения возможного шума аэродинамического происхождения в системе может стать предметом отдельных исследований.

Разработанные математические модели являются аналогом машины и технологического процесса очистки клубней аэродинамическим способом. В связи с этим, значения параметров, полученные на основе разработанных моделей и объекте исследований, могут немного различаться. В связи с этим возникает задача установления близости разработанных математических моделей к реальному объекту исследований, то есть их адекватности.

В целом аэродинамический способ очистки клубней, как показывает анализ, является сложным процессом, и весь процесс сложно поддается полному строгому математическому описанию. В этой связи нами определены наиболее существенные параметры оценки, с помощью которых наиболее качественно охарактеризовать структуру и эффективность процесса.

Литература:

1. Устроев А. А., Захаров А. М. Эффективность сухой очистки картофеля // Молодой ученый. — 2016. — № 4. — С. 84–87.

2. Воробей А. С. Предреализационная подготовка картофеля машиной сухой очистки с профилированными вальцами. Дисс. канд. техн. наук. — Минск, 2011. — 131 с.

3. Рунцо А. А. Основы расчета средств механизации для отделения примесей от корнеклубнеплодов / А. А. Рунцо, А. С. Климович // Вопросы сельскохозяйственной механики: ЦНИИМЭСХ Нечерноземной зоны СССР. — Минск, 1970. — Т. 19. — С. 189–195.

4. Корбут Л. А. Сельскохозяйственные машины и орудия Германии: технический обзор / Л. А. Корбут, С. В. Чуешкова; под ред. Л. А. Корбут, С. В. Чуешковой. — Берлин, 1947. — 613 с.

5. Prufbericht Rubentrockenreiniger mit Brocltr «F-160» Hersteller: VEB.Dampfer — ban Lommmatzech. — № 2467. — 8 s.

6. Захаров А. М., Орешин Е. Е. Повышение качества товарного картофеля / Техника в сельском хозяйстве. 2012. № 1. С. 26–27.

7. Орешин Е. Е., Захаров А. М. Эффективность использования блока сухой очистки при подготовке к реализации продовольственного картофеля / Молочнохозяйственный вестник. 2012. № 4 (8). С. 45–51.

8. Логинов Г. А., Фомин И. М., Орешин Е. Е., Захаров А. М. Экологические требования к технико-технологическим решениям при производстве картофеля / Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2010. № 82. С. 51–57.