Динамика пневмопривода пресса для отжима виноградного сока на стадии разрыхления сырья

Введение. Как известно, с глубокой древности для изготовления соков и вин применялись физические способы отжима сырья. Но, так как отжимать вручную достаточно трудоемко, со временем стали появляться различные отжимающие устройства. Это, как правило, прессы различных принципов действия: гравитационные, центробежные, шнековые, рычажные, винтовые и др. В настоящее время известны различные конструкции прессов и прессов-стекателей для растительного сырья.

Наиболее эффективным по нашим данным является пневматический пресс для отжима сока винограда. Среди источников энергии для этих целей в наибольшей мере в условиях хозяйств подходят пневматические устройства [1, 2, 3].

Более глубокое изучение и улучшение различных циклов работы таких прессов позволит улучшить процесс отжима сока, а также снизить энергозатраты [4, 5].

Методика исследований. В работе использованы преимущественно теоретические методы научного исследования. Теоретические исследования пневмопривода пресса выполнены с применением методов газовой динамики, теоретической механики, с использованием основ дифференциального и интегрального исчисления и обработки данных стандартными программами к ЭВМ.

Результаты исследований и их обсуждение. Среди операций отжима сока из виноградного сырья важное место занимает технологический процесс разрыхления сырья перед следующей операцией его сжатия [6, 7, 8].

Эта операция проводится 3–4 раза в общей длительности процесса отжима сока. На рисун-

Обычно в таком прессе в корпусе 1 установлена перфорированная корзина 2 для прессуемого поршнем 3 сырья. Над поршнем образована пневмокамера 4 с приводом от воздуховода 5. В процессе рыхления сырья объём этой камеры V остаётся постоянным, а давление в

1 – кривая изменения давлений в камере 4 по рисунку 1;

2, 3 и 4 – уровни атмосферного, избыточного давлений и вакуума в линиях привода пресса Рисунок 2 – Циклограмма пневмопривода пресса

На следующем участке t в при этой величине вакуума h происходит разрыхление сырья, находящегося в перфорированной корзине 2. Далее на отрезке времени t нап включается подача воздуха избыточного давления в камеру 4, происходит наполнение её воздухом доизбы-точного давления H , при этом начинается сжатие прессуемого сырья. Последний же участок t p заканчивает цикл t ц , и на этом отрезке времени происходит основной процесс сжатия прессуемого материала с отделением сока.

Истечение воздуха из камеры 4 пресса происходит при постоянном её объёме в трубопровод и далее в ёмкость большого объёма, находящуюся под постоянным вакуумом h без ке 1 представлена схема камеры прессования в момент разрыхления сырья.

• 1    – корпус камеры; 2 – перфорированная корзина;

• 3 – поршень; 4 – камера пневмопривода; 5 – воздуховод Рисунок 1– Схема камеры прессования в пневмопрессе для отжима сока

ней периодически меняется в соответствии с обеспечением в этой камере вакуума h или подачи в неё воздуха избыточного давления H . Циклограмма изменения давлений в ней представлена на рисунке 2. По нему длительность цикла t ц состоит из нескольких отрезков времени. На первом происходит истечение t ист воздуха из камеры 4 от избыточного давления H до вакуума h в ней.

теплообмена с окружающей средой. По этой причине процесс истечения может быть принят изотермическим, и время истечения t описывается следующим дифференциальным уравнением [9, 10]:

Ріх рҢ   /Ц'Ф^Ратvатdt          ,.,

^Рі =          V        ^,            ( )

рН где Pi – текущее абсолютное давление в ваку-ум-проводе 5, Па;

Ph и P ат – абсолютное давление в камере 4 при истечении воздуха из неё и атмосферное давление, Па;

vат – удельный объем воздуха атмосферно- го давления;

f – площадь сечения шланга, по которому происходит истечение воздуха из камеры 4, м²;

µ – коэффициент расхода воздуха линии откачки воздуха из камеры 4;

ψ – функция расхода воздуха.

* = Ml5>HR,   (2)

где p – абсолютное давление среды, в которую происходит истечение воздуха;

k – показатель адиабаты, k = 1,41.

В общем случае процесс истечения воздуха начинается в надкритической области и заканчивается в подкритической. Для времени истечения воздуха из этой камеры в надкритической области после интегрирования выражения 1 получим

,          V In^-

^P ' ^{p t} и ^c т                           ^{,             ( )}

М 2 v max J V ^г ат ^и ат

Ψ max – функция расхода в надкритической области.

Длительность истечения воздуха в подкритической области

"            VZ_t

^Г ист  ^№Гт ’

! dA где Zi интеграл вида Z t = fp~pP- , ^p кр ^Т,

при этом

Z max =1,35.

Здесь ^р кр = ^ - критическое отношение давлений (для воздуха β =1,89).

Интеграл Z i представляет сложную функцию из-за наличия в нем дробных степенных показателей при ψ . Его решение затруднено, а величины представлены в работе доктора технических наук И.Н. Краснова «Доильные аппараты», 1974. В ней приведены табличные значения интеграла в зависимости от отношения р

—, что важно в пневмоприводе пресса для ви-Pi нограда.

В таком случае общая длительность истечения воздуха из камеры 4 пресса может быть представлена следующим выражением:

V Іп ^ ат

£   _ _______Р*Р ист   Р^Фтах jV Рат v ат

1,35 V р 2 /^Р ат Р ат

Полученное выражение имеет сложный вид в основном из-за сложности определения Z i , что вызывает необходимость упрощения выражения 2 для функции расхода воздуха в подкритической области течения газа. Представляя тренд функции для ^ в виде степенного уравнения

V = -3,0933x3 + 2,327x2 + 0,863x,

после некоторых преобразований и упрощений выражение для нахождения Z i будет таким:

z _t = S

-3,0933х⁴+2.327х³+0.863х 2

dx .

Проинтегрировав его, найдем:

Z i = -0,237 log(1,03 - x) - 1^16 - 3,13 log(x) + 3,362 log(x + 0,272) + C .

Следовательно, Z max =1,31282, что на 2,8% отличается от истинного значения интеграла, но даёт возможность определения длительности истечения воздуха из камеры постоянного объёма в широком диапазоне степени вакуумирования её в подкритической области течения газа.

Наполнение воздухом камеры 4 пресса осуществляется также практически при постоянном объеме. Дифференциальное уравнение наполнения её воздухом имеет вид [9]:

Уd(_;Р^)=м*^V' аT ^ ІT dt . (7)

Процесс наполнения также начинается в надкритической области и заканчивается в подкритической. Длительность наполнения в надкритической области течения газа получим, проинтегрировав выражение (7) в пределах от р/рндоркр/рн:

p.

V(0,528-^^)

^t нап =

P l ^ max Z V ^Р ат ^v ат

В подкритической области течения газа длительность наполнения камеры 4 может быть определена по формуле

"            V tнап = ТТТГрХХ ^t, M1J V Рат иат

где согласно работе [5] I i – интеграл вида

1 d(^L)

I t = f p кр   ^{p ат} , значение которого составляет

Р ат  ^

I max =1,132.

Тогда общая длительность наполнения воздухом камеры 4 пресса воздухом избыточно- го давления может быть представлена следую-

щей зависимостью:

=   VW^28-^ )      1,132 _у

^ l ^ max f V Р ат ^v ат    ^- i ^f^^P am ^v ат

.

времени течения газа из камеры 4 пресса, как и в выражении (5) используем упрощенный вариант для функции расхода воздуха (6) в подкритической области газа. Тогда

Учитывая необходимость использования

дополнительных таблиц со значениями интеграла I i при расчёте промежуточных интервалов

W

-3,0933x 3 +2.327X 2 +0.863X

dx.

После его интегрирования получим

/_i = -0,2433 log(1,025 - x) + 1,159 log(x) - 0,915 log(x + 0,27) + C .      (11)

По нему I max =1,0471, что обеспечивает ошибку в расчётах длительности наполнения воздухом камеры 4 пресса, не превышающую 7% без применения табличных значений этого интеграла.

Полученные выражения положены далее в основу расчёта усовершенствованного пресса для отжима сока из виноградного сырья.

Выводы. Таким образом, одно из направлений совершенствования процесса отжима сока из винограда и различных фруктов – разработка пресса на основе использования в его приводе не только избыточного давления, но и вакуума. В расчёте параметров такого пресса целесообразно использовать приведенные в статье зависимости динамики его пневмопривода. Применение пресса с рекомендуемой системой пневмопривода обеспечивает снижение энергетических затрат на отжим сока применительно к малым хозяйственным образованиям.