Обоснование конструктивных параметров вакуумного пресса

Введение. Для получения сока из винограда и ягод наряду с корзиночными и шнековыми прессами распространение получают вакуумные прессы, обеспечивающие «мягкий» режим прессования мезги, исключающий повреждение кожицы ягод винограда и косточек, что даёт возможность получить конечный продукт высокого качества, а отпрессованную мезгу использовать в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности [1–4].

Одной из характеристик производительности вакуумного пресса является количество выделенного сусла за период прессования. Оно зависит от массы загружаемой в камеру прессования мезги, содержащегося в ней сока и продолжительности цикла прессования и определяется зависимостью [5]:

V -V .

max    min

, м3/ч,

Q =

T

ц

где  Vmax  – исходный объём мезги, загруженной в камеру прессования, м3;

V min – объём мезги, оставшейся после отделения сусла, м³;

τ ц – продолжительность цикла прессования, ч.

Продолжительность цикла прессования включает в себя затраты времени на выполнение вспомогательных операций т во , непосредственно на процесс прессования τ п и на загрузку пресса и выгрузку отпрессованной мезги т в :

, ч. (2) ц в . о п з , .

Длительность процесса загрузки и разгрузки сырья зависит от объёма камеры прессования и может быть определена по формуле

^Т з = ^T" V max , ^ч, (3) где τ′ – продолжительность загрузки единицы объёма исходного сырья и выгрузки переработанного, ч/м³.

В процессе прессования объём загруженной в камеру прессования мезги изменяется в пределах от V max до V min . При этом высота слоя мезги будет изменяться от H до H min на величину х (рисунок в представлении сжатия поршнем).

P пр – давление прессования, МПа; Н – начальная высота слоя мезги, м; Н min – конечная высота слоя мезги, м

Изменение высоты слоя мезги в процессе прессования

P пр – pressing pressure, MPa; H – the initial height of the pulp layer, m; Н min – final height of the pulp layer, m

Change in the height of the pulp layer during the pressing process

Уменьшение объёма мезги в камере прессования, происходящее в результате

отделения сусла, можно определить с помощью степени отжима, которая будет равна [4, 5]:

A V X

Y =----=    ,

V   H max

где ∆ V – изменение объёма мезги за счёт

отделения сусла в процессе прессования (∆ V = V max – V min , м³), м³;

x – изменение толщины слоя мезги по высоте, м;

H – начальная высота слоя мезги, загруженной в камеру прессования, м.

Степень отжима Ψ зависит от количества выделившегося в процессе прессования сусла. Для упрощения допустим далее, что степень отжима мезги Ψ = const и зависит только от ряда технологических параметров, при которых происходит процесс прессования (сорт винограда, состояние мезги, содержание в ней сока и др.).

Тогда степень отжима продукта в зависимости от продолжительности прессования можно представить в виде [6]:

Y = ^a o • P • ^f(M) ,         (5)

где α0   – коэффициент относительной сжимаемости мезги;

Р – давление прессования, Па;

f (M) – функция степени уплотнения скелета мезги.

Коэффициент        относительной сжимаемости мезги равен:

^a o

a

,

1 + 8о

где α – коэффициент уплотнения;

ε о – начальное значение коэффициента

пористости мезги.

Функцию степени уплотнения скелета мезги представим в виде [6, 7]:

f ( M ) = 1

8   n =” e

П 2 ‘ _й = і 2 n - 1

,

где M – степень уплотнения скелета мезги в любой момент времени τ п .

Тогда для степени уплотнения скелета мезги в процессе прессования в любой момент времени прессования получим [6]:

Этот объём может быть определён по формуле

_ . п^г • N -т м 3 • с

M =------Г п , ----,

4 • H²     Н

где N – постоянный множитель, который может быть определён по формуле [8]:

N =

к ф      м • с ²

^ao • Рс • g ’ Н ’

V =----- ^к м -----п , м 3 ,     (11)

о2     M где Fкм – площадь крышки мембраны пресса, м2.

Степень уплотнения скелета мезги при этом составит [6]:

где k ф – коэффициент фильтрации;

ρ c – плотность сусла, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

M = f^-1 •

к a « • P J

,

С

другой

где f^-1(х) – функция, обратная функции

f(M) :

стороны,

производительность пресса зависит от объёма мезги, загружаемой в камеру прессования и определяется по формуле [6]:

_f - 1

f^{- 1}

Q o =

V о

2 • r + V • F ^тв.о ' Vo ^T

, м3/ч,

где V о – объём мезги, загруженной в камеру прессования, м³.

V o

F K . M . • a ₀ • P

V

•

71 * Ғ ү _ ^{п 1} к. м.

o ₄

пр

•

-

22 п • x

при 0 <  x < ^,

Л

ln П т⁽¹ - ^x ) ^при к ⁸        J

Подставив уравнение получим:

1N т пр

, м3,

In — • 1

к8

к

п

-

V

^a o • P

— x <  1 .

в

(11),

v a при 0 < — < —.

P2

a v

, м 3 , при — < — <  a

2    P '

o .

Полученные выше зависимости

В этой связи целесообразно относятся к варианту прессования при постоянном давлении P, величина которого характеризует как сопротивления движению своеобразного «поршня», так и необходимое усилие для разрушения скелета продукта.

Однако процесс прессования мезги будет более эффективным, если его осуществлять при ступенчатом изменении давления в пределах от 0 до максимального значения P max [8, 9].

0 = Фо < Ф1 < Ф2 < -0 = Т пр 0 < ^пр 1 < ^пр 2 < осуществлять его в несколько этапов со ступенчатым увеличением давления. При этом будем считать, что на каждом этапе прессования давление постоянное:

Р( т ) = P i при T i _ 1 <  т < T i , (17) где τ i – момент времени, при котором степень отжима достигнет величины Р , ( i = 1, 2, 3, … i ).

Рассмотрим условия, при которых протекает процесс ступенчатого прессования:

< Ф і = ^;

^ пр 3 <... < Т пр і = Т пр :

О = Ро<Рі<Рз<-<Рі= Р .

В ходе дальнейшего рассмотрения процесса прессования будем считать также, что степень отжима Т изменяется в пределах от Ti-1 до Ti при давлении прессования Pi по условию, в соответствии с которым степень отжима Ti-1 достигается при давлении P(i)=Pi c самого начала процесса прессования [10, 11].

Тогда момент времени, в течение которого протекает процесс прессования, составит:

т^ -4=^- (f-1     - f-1 (—)), ч.(18)

1 1     1    гс2^ ү    OapPLV   J    \.а^Рі/ у'

Степень уплотнения скелета мезги можно представить в виде следующей зависимости:

K-^=i(f^'(^-f^(19)

При этом выражения для определения условиях прессования, будут иметь оптимального объёма мезги, загружаемой в следующий вид.

камеру прессования при различных мезги (очевидно

При условии 0 < — < — , i = 1,2,3, ... i оптимальный объём ■      '                        Pi2

порядка трёх), загружаемой в камеру прессования, составит:

Vo = Ғ. -«o^ • (е$-1 ((^ - т)) . м3.(20)

°О    Фі                                         °Офі

При условии — <      < а₀, і = 2,3,4, ... і ,      — < — <  а₀ оптимальным

'      '                  2        Pi                                                     2P объёмом мезги, загружаемой в камеру прессования, будет:

Vo =— •         • (-ln - - Й-! In °°^Рі-Фі ) 2, м3.(21)

0      4 V      пр \      8    ^t-1   а°^рі-фі_17 ,

В соответствии с найденными значениями V о для различных условий прессования объём камеры прессования должен быть равным:

К. п . = V o + V m , м 3 , (22) где V м – объём, занимаемый мембраной, м³.

Объём камеры прессования, занимаемый гофрированной мембраной в полностью сжатом состоянии, будет:

V m = ^t² • Я ”'" . м 3 . (23) где Я M ^ⁱⁿ - высота гофрированной мембраны в сжатом состоянии м³, равная:

Я ^ = 2 ■ б ст - и г + 5 к , м, (24) где δ ст – толщина стенки гофры, м;

δ к – толщина крышки мембраны;

n г – число гофр, шт.

Диаметр камеры прессования может быть определён по ф орм уле

^D к . ^п = ^ 314 Р Р , м             ⁽²⁵⁾

где F пр – усилие прессования, Н.

При известных значениях объёма камеры прессования и её диаметра можно определить её высоту:

Я к . п =^ , м.           (26)

Полученные зависимости дают возможность определения основных параметров вакуумного пресса для отжима сока и могут быть положены в основу методики его расчёта.

Анализ полученных выражений позволяет сделать следующие выводы.

• 1.    Производительность вакуумного пресса зависит от объёма загружаемой мезги, содержания в ней сока и продолжительности цикла прессования.

• 2.    На продолжительность цикла прессования наибольшее влияние оказывают длительность вспомогательных операций (открытия и закрытия камеры прессования, включения пресса в работу и др.), затраты времени на загрузку и разгрузку пресса, а также на осуществление непосредственно самого процесса прессования. Высота слоя мезги в камере прессования, давление прессования, степень отжима мезги, коэффициент относительной сжимаемости её также оказывают определённое влияние на продолжительность процесса прессования.

• 3.    Степень отжима мезги Ψ является величиной постоянной и зависит от технологических условий прессования, таких как сорт винограда, состояние мезги, содержание в ней сока, давление прессования и коэффициент пористости.

• 4.    Объём загружаемой в камеру прессования мезги определяется площадью крышки гофрированной мембраны, постоянной величиной N , степенью уплотнения мезги, продолжительностью прессования и зависит от коэффициента относительной сжимаемости мезги и давления прессования.