Организация роторных технологий продуктов питания

Специалисты различных отраслей пищевой промышленности перерабатывают сельскохозяйственную продукцию, имеющую значительные величины допусков на основные показатели качества. При этом они используют самое разнообразное оборудование и этим обеспечивают требуемые показатели качества пищевой продукции. Это оборудование, как правило, адаптировано инженерами пищевых производств к существующим диапазонам показателей качества сельхозсырья. Однако адаптация машин и аппаратов всё же имеет определенный предел и, несмотря на все усилия инженеров, не позволяет подойти к созданию р о т о р н о й т е х н и к и, которая требует значительно более узких диапазонов технологических свойств сельхозсырья.

Такая возможность открывается в связи с созданием аграрно-пищевых технологий, которые, с одной стороны, могут обеспечить требуемые кондиции растениеводческой и животноводческой продукции сельского хозяйства, а с другой — требуемые кондиции обрабатываемых пищевых сред и готовой продукции.

Классы технологических операций. Любая технологическая операция выполняет две основные функции: обработку объекта (технологический процесс) и подачу объекта в рабочую зону (транспортный процесс). Исходя из этого положения и учитывая, что технологический поток должен быть непрерывным, академик АН СССР и ВАСХНИЛ Л. Н. Кошкин предложил классификацию технологических машин, в основу которой положена взаимосвязь и взаимозависимость технологического и транспортного процессов и их влияние на производительность и конструктивные особенности машин и аппаратов. По этому критерию все технологические операции разделены на четыре класса.

Операции I класса. В этих операциях технологическая обработка пищевой среды происходит только после завершения транспортного процесса (подачи формы в рабочую зону) и наоборот, т. е. один процесс прерывается другим (рис. 4.5). Это операции дискретного действия.

Производительность ПI машин этого класса операций определяется длительностью всего технологического цикла T ц обработки объекта. Цикл включает длительность технологического T техн и транспортного T тр процессов:

где L техн и L тр — величины технологического и транспортного перемещений; υтехн и υтp — величины технологической и транспортной скорости.

 

Рис. 4.5 Схема операции I класса (а); устройство для дозирования и формования массы в отливочной машине (операция I класса) (б):

1 — бункер; 2 — корпус отливочной головки; 3 — золотник; 4 — мерный цилиндр; 5 — поршень; 6 — насадка; 7 — форма; 8 — ленточный конвейер

 

B машинах, выполняющих операции I класса, для повышения производительности необходимо сокращать длительность как технологического, так и транспортного процесса, т. е. как Т техн, так и Т тр. Величины технологического и транспортного перемещений полностью определяются свойствами пищевой среды и геометрическими размерами объектов обработки, поэтому сокращение времени на выполнение операций

может быть достигнуто только увеличением соответствующих скоростей. Повышения же скоростей ограничиваются: транспортной — допустимыми значениями ускорений движения исполнительных органов машины, технологической — ее допустимыми значениями, определяемыми физико-механическими, теплофизическими и биохимическими свойствами обрабатываемого материала. Эти обстоятельства и являются тормозом увеличения выпуска продукции машинами, реализующими операции I класса.

Операции II класса. Для них характерно совпадение во времени транспортного и технологического процессов (рис. 4.6). Транспортный процесс становится непрерывным, а транспортная υ_тp и технологическая υ_техн скорости равны между собой.

Производительность машин П II, реализующих операции II класса, определяется длительностью цикла T ц обработки пищевой среды рабочим органом. Этот цикл равен отношению величины матрицы h к технологической или транспортной скорости:

Рис. 4.6 Схема операции II класса (а); устройство для формования массы шнековым нагнетателем (операция II класса) (б):

1 — ленточный конвейер; 2 — матрица; 3 — шнек; 4 — бункер.

В машинах для операций II класса транспортная скорость ограничена (а в пределе равна) технологической, поэтому повышение производительности ограничивается допустимыми значениями технологической скорости, которая, в свою очередь, обусловлена технологическими свойствами обрабатываемого сырья.

Операции III класса. Эти операции отличаются от операций II класса взаимной независимостью транспортного и технологического процессов. Объекты обрабатываются при их непрерывном транспортировании совместно с рабочими органами через рабочую зону по какой-либо замкнутой траектории (рис. 4.7). Машины, созданные по этому принципу, получили название роторных, поскольку транспортный процесс первоначально был реализован как вращательное движение.

Рис. 4.7 Схема операции III класса (а); устройство для дозирования массы продукта в виде жгута круглого сечения в роторной режущей

машине (операция III класса) (б):

1 — откидной нож; 2 — неподвижная направляющая; 3 — жгуг продукта; 4 — ротор

Производительность машин для операций III класса П III, как и операций II класса, определяется длительностью цикла Т ц, равного отношению шага h выхода изделий к транспортной скорости v _тр:

В отличие от операций II класса скорость транспортирования в операциях III класса не ограничивается технологической скоростью. Поэтому при создании машин, реализующих операции III класса, повышение производительности теоретически связано только с увеличением транспортной скорости. Практически же повышение производительности этих машин вызывает увеличение длины технологической зоны, что необходимо для сохранения времени технологической обработки пищевой среды.

Таким образом, при создании машин для операций III класса преодолевается важный к а ч е с т в е н н ы й р у б е ж: ограничением производительности является уже не технология пищевых продуктов, в частности технологические свойства сырья и полуфабрикатов, а технология машиностроения (свойства металлов и неметаллов и способы их обработки).

Рис. 4.8 Схема операции IV класса (а); устройство для сушки продукта (операция IV класса) (б):

1 — генератор инфракрасного излучения; 2 — воронка; 3 — продукт

Операции IV класса. Для них также характерна независимость скорости транспортного процесса от технологической скорости. В операциях IV класса обработка осуществляется при массовом транспортировании пищевой среды или объектов в произвольном положении через рабочую зону (рис. 4.8). Понятие «рабочий орган» заменяется понятием «рабочая среда», которая осуществляет технологическое воздействие непосредственно на весь поток, проходящий через рабочую зону.

Более точно машины этого класса операций следует называть аппаратами.

Производительность машин для операций IV класса определяется длительностью цикла Т ц выхода одного объекта и количеством n объектов в сечении потока:

где h — размер объекта в направлении вектора скорости.

При создании машин для операций IV класса повышение производительности может быть достигнуто как в результате увеличения транспортной скорости (при соответствующем удлинении зоны обработки), так и в результате увеличения количества объектов в поперечном сечении потока.

Рассмотренная классификация технологических операций неразрывно связана со стадиями развития техники. Первыми были машины, в которых обрабатывался неподвижный объект, т. е. при прекращении его транспортирования (например, тестомесильная машина «Стандарт», большинство заверточных и фасовочных машин, различные варочные котлы и т. п.). Намного позже появились машины, выполняющие обработку массы или отдельных предметов в процессе их транспортного движения (машины для прокатки и закатки теста, охлаждения карамельной массы после уваривания, экструдеры и т. п.). Машинам, в которых обработка пищевой среды выполняется в процессе непрерывного совместного транспортирования этой среды и рабочих органов, не более 50...60 лет. Первые серьезные шаги в развитии таких машин были сделаны лишь в последние десятилетия. Это машины для формования карамели формующими цепями и роторами, отсадки заготовок пирожных «Эклер», розлива различных жидкостей и др. То же относится к машинам (аппаратам) с транспортированием пищевой среды в зоне обработки. Например, аппараты для охлаждения и нагревания молока, туннельные печи для хлеба, шкафы ускоренной выстойки конфет и др.

Последовательность развития технологических операций и машин от I класса к IV не случайна: она — объективная закономерность, обусловленная, с одной стороны, расширением возможностей энергетических, материальных и информационных средств на данном этапе развития производительных сил общества и, с другой стороны, — развитием самих технологий, т. е. способов воздействия на обрабатываемый материал.

Эволюция технологического потока. Оценим перспективы технологических операций рассмотренных классов с точки зрения организации и эффективности технологического потока будущего, и прежде всего создания безлюдных технологий.

Перспектива развития операции I класса. Производительность машин, реализующих операции I класса, обусловлена технологическими параметрами операции и динамическими возможностями механизма перемещения пищевой среды в зону и из зоны обработки. Отсюда следует, что производительность в каждом конкретном потоке для каждой конкретной операции задана однозначно.

На базе операций I класса нецелесообразно компоновать машины и аппараты в линии будущего. При компоновке таких линий обязательно окажется, что величины технологических L _техн и транспортных L _тр перемещений, а также технологических v _техн и транспортных v _тр скоростей разных операций в потоке будут различны. Неодинаковыми окажутся и циклы операции Τ ц, что обусловит различную производительность машин и аппаратов в потоке. Поэтому условие равной производительности, необходимое при объединении машин и аппаратов в единую систему, не выполняется. Одинаковая производительность машин в таких линиях может быть лишь результатом случайного совпадения величин технологических параметров на разных операциях. Вероятность такого совпадения при более или менее значительном числе операций чрезвычайно мала. Итак, технологические операции I класса не могут служить основой для создания высокоэффективных линий, так как

где α_техн и α_тр — ускорения деталей в механизмах машин, связанных с обеспечением технологических и транспортных процессов.

Перспектива развития операции II класса. Существенным отличием операций II класса является то, что вследствие совмещения во времени технологический и транспортный процессы не прерывают друг друга и могут происходить непрерывно с постоянной скоростью. Величины скоростей этих процессов не ограничиваются предельными ускорениями деталей транспортирующих механизмов.

Производительность машин и аппаратов, реализующих операции II класса, лимитируется лишь допустимой величиной скорости течения технологического процесса. Поэтому высокая производительность оборудования сопряжена с технологическим скоростным режимом, но в отличие от операций I класса высокая производительность уже совместима с оптимальными динамическими условиями работы механизмов.

В этом состоит важное преимущество операции II класса. Однако и совокупность операций II класса нельзя рассматривать как линии будущего, так как

П = f (v _техн) = f (v _тр). (4.6)

Перспектива развития операции III класса. В этих операциях, имеющих важное значение при создании линий, также важен характер соотношения между производительностью, динамическим режимом работы машин и технологическим режимом процесса. Если в операциях I класса высокая производительность несовместима с оптимальными технологическими и техническими режимами, а в операциях II класса — только с оптимальными технологическими режимами, то в операциях III класса существует возможность достижения высокой производительности без использований высоких ускорений в механизмах привода и высокой скорости самого технологического процесса преобразования пищевой среды.

Иначе говоря, как бы ни была велика заданная производительность, она может быть достигнута в результате увеличения только скорости транспортного процесса при сохранении любой достаточно малой или достаточно большой (оптимальной) скорости технологического процесса. Конечно, при этом увеличивается и длина «рабочей зоны».

Возможности операций III класса с точки зрения производительности машин не ограничиваются как технологическими свойствами обрабатываемого сырья и промежуточного продукта, так и динамикой привода и рабочих органов машин. Это означает, что производительность машин, в которых осуществляются операции III класса, определяется лишь скоростью процесса транспортирования.

В линиях использование операций III класса весьма перспективно, поскольку при высокой (в пределе неограниченной) производительности могут быть сохранены оптимальные технологические и динамические режимы, которые обусловливают и технологическую, и конструкционную надёжность. Это, безусловно, ведёт к стабильному качеству продукции, минимуму простоев оборудования по разным причинам и максимальному коэффициенту использования машин и аппаратов в технологической линии. Таким образом, операции III класса наиболее пригодны для организации технологического потока, так как

П = f (v тр). (4.7)

Перспектива развития операций IV класса. Операции IV класса также позволяют создавать машины (аппараты) произвольной производительности. Одинаковая производительность различных операций технологического потока может быть достигнута как путём изменения скорости процесса транспортирования в этих операциях с соответствующим изменением длины «рабочей зоны», так и путём соответствующего изменения поперечного сечения потока.

Операции IV класса, как и операции III класса, обеспечивают оптимальные условия объединения машин и аппаратов соответствующих конструкций в технологические комплексы, системы машин, так как

П = f (v _тр; n), или П = f (v _тр; в), (4.8)

где n — количество объектов в сечении потока; в — ширина потока сплошной среды.

Роторный технологический поток. Итак, только два последних способа выполнения технологических и транспортных процессов, т. е. два последних класса операций могут быть в общем случае инженерной основой для создания высокоэффективных технологических потоков в линиях. При этом операции IV класса в наиболее полной мере соответствуют требованиям высшей формы автоматизма и непрерывности потока.

Однако далеко не все технологические преобразования исходного сырья и промежуточных продуктов возможно осуществить в операциях IV класса. Это касается, в частности, дозирования, смешивания, формообразования и ряда других механических и гидромеханических процессов.

Поэтому принципиальной основой для широкого осуществления комплексной автоматизации в отраслях, перерабатывающих сельскохозяйственное сырьё, являются операции III и IV классов.

В этой связи важнейшей задачей ближайшего будущего является создание оборудования для операции III и IV классов и распространение их хотя бы на отдельные части линий.

Машины для этих операций могут быть выполнены по двум схемам: роторной и роторно-конвейерной.

При роторной схеме рабочие органы монтируются на жёстких роторах, при роторно-конвейерной схеме — на гибких замкнутых транспортных системах-конвейерах.

Эти две схемы машин имеют принципиальные различия, которые определяют их важнейшие технические возможности. Роторная схема машин соответствует начальной стадии развития операций III и IV классов и обладает ограниченными возможностями как по технико-экономическим показателям, так и по диапазону применения. Роторно-конвейерной схема машин соответствует развитой форме этих операций. Поскольку такие операции первоначально были реализованы в форме роторных машин и линий, то многие относящиеся к ним технические решения сохраняются и в роторно-конвейерных машинах и линиях.

Необходимо подчеркнуть, что сегодня разработка любой современной технологии пищевых продуктов выполняется без учёта классов операций, которые будут в ней реализованы. Как правило, технологический поток представляет собой н а б о р о п е р а ц и й р а з н ы х к л а с с о в. С этой точки зрения развитие такой технологии носит тупиковый характер. По-видимому, целесообразно ещё на первых этапах разработки технологий предусматривать возможность её реализации в операциях III и IV классов. Таким образом, речь идёт о разработке р о т о р н ы х т е х н о л о г и ч е -

с к и х п о т о к о в.

Признаками такого роторного потока должны быть: простота его структуры, малооперационность, стабильность свойств сырья и промежуточных продуктов, постоянство параметров окружающей среды, относительная простота рецептуры, структуры и формы изделия. Конечно, не всякий пищевой продукт можно получить по такой технологии. Поэтому лишь малая часть существующих производств может быть положена в основу разработки роторных технологических потоков.

Можно утверждать, что роторный поток не с о д е р ж и т т е х н и ч е с -к о г о п р о т и в о р е ч и я, присущего всем традиционным потокам: производительность — качество. Это техническое противоречие раскрывается следующим образом: рост производительности ведет к снижению качества продукта. Именно в этом заключается препятствие к повышению производительности современных линий, как правило, базирующихся на операциях I и II классов.

*…*…*

Создание потоков с операциями высших классов возможно лишь при новом стиле мышления, методологическую основу которого составляет системный подход к проблеме развития линий. В настоящее время процессы в машинах и аппаратах линий протекают с неизвестной точностью, устойчивостью, надёжностью, стохастичностью, чувствительностью. Другими словами, количественная оценка качества технологий практически отсутствует.

Таким образом, сегодня создаются и эксплуатируются технологические линии, в которых организован технологический поток преобразуемых пищевых сред, и совершенно не обращается внимание на важнейший системообразующей фактор — стабильность самих механизмов ведущих процессов. Все усилия учёных и инженеров обеспечить стабильность ведущих процессов по основным показателям выходов процессов путём их автоматизации, т. е. постоянной корректировке заведомо некачественных процессов, не приведут к созданию роторной технологии. Для такой технологии требуется высокоточное по технологическим свойствам исходное сырьё. Единственная возможность получения такого сырья открывается при создании сквозной аграрно-пищевой технологии, позволяющей обеспечить адресность производимого сельскохозяйственного сырья, полуфабрикатов и готовой пищевой продукции.

Вот почему прежде необходимо разобраться с качеством современных аграрных и пищевых технологий, а затем повысить их качество до необходимых кондиций. Следующий шаг — создание аграрно-пищевых технологий, системы процессов которых есть методологическая основа для избирательной разработки принципиально новой техники — роторных и роторно-конвейерных машин, т. е. роторной системы машины.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: