Технологическое оборудование для

Шаронова Т.В.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

ПЕРЕРАБОТКИ МЯСА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Для студентов, обучающихся по специальности 110303.65 – «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции»

Рекомендовано Методическим советом

(протокол №___ от _________________ 2009 г.)

Рассмотрено на заседании кафедры «Электрооборудование и механизация

переработки сельскохозяйственной продукции»

(протокол №___ от _________________ 2009 г.)

Чебоксары 2009.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Кафедра «Электрооборудование и механизация переработки

сельскохозяйственной продукции»

Т.В. Шаронова

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

ПЕРЕРАБОТКИ МЯСА

Практическая работа №1.

Практическая работа №2.

Расчет мездрильной машины.

В расчете определяют производительность и мощность привода машины.

Производительность (шт/ч) мездрильных машинкак машин, периодически действующих,

,

где — продолжительность полного цикла обработки одной шкуры, с; — продолжительность технологической обработки, с; — продолжительность подготовительно-заключительных операций, с.

Продолжительность технологической обработки (с)

,

где L — длина шкуры (в направлении обработ­ки), м; — длина участка, обрабатываемого дважды, м; — выход рабочего органа за контур шкуры, м; v — окружная скорость подающих валов, м/с; — коэффициент проскальзывания шкуры по подающему валу; = 0,7...0,9; — продолжительность перемещения подающего вала, с.

По нормативным данным, примерно

= 0,2 м; = 0,1 м; = 1,6...2 с.

Подготовительно-заключительные операции включают укладку шкуры на подающий вал машины, переворот ее и выгрузку. Они составляют до 100 % продолжительности технологической обработки.

Мощность электродвигателя (кВт) привода машины

,

где — мощность режущего механизма, Вт; N₂ — мощность подающего механизма, Вт; — КПД передач от двигателя к ножевому валу; — коэффициент запаса мощности.

Винтовые ножи режущего механизма срезают слой материала и одновременно растягивают шкуру в осевом направлении. Суммарная удельная окружная сила резания р_ок (приведенная к 1 м длины ножевого вала) составляет 0,7...1,2 кН/м.

Общая сила резания (Н):

,

где — рабочая длина вала, м.

Ножевой и подающий валы вращаются навстречу друг другу, поэтому мощность (Вт) режущего механизма

,

где v_ок — окружная скорость ножевого вала, м/с; — окружная скорость подающего вала, м/с.

Мощность (Вт) подающего механизма

,

где — КПД передачи от ножевого к подающему валу.

Для протягивания шкуры через зону резания на линии контакта подающего и транспортирующего валов необходима сила тяги Р_т, равная силе резания (Р_т= Р_ок). Сила тяги создается за счет сил трения шкуры о поверхности валиков. В машинах с одним транспортирующим валом (рис.1, а) подающий вал 2 прижимает шкуру 4 к ножевому 1 и транспортирующему 3 валам. После выхода из-под транспортирующего вала шкура не имеет натяжения.

Рис.1. Схема расчета подающих механизмов:

а – с одним транспортирующим и подающими валами; б – с одним транспортирующим и двумя подающими валами; в – с двумя транспортирующими и одним подающим валами; 1 – ножевой вал; 2 – подающий вал; 3 – транспортирующий вал; 4 – шкура; 5 - прижимной вал.

Сила прижатия (Н) шкуры к подающему валу (по Эйлеру)

,

где — коэффициенты трения скольжения шкуры соответственно по подающему и транспортирующему валам; е — основание натуральных логарифмов; — угол обхвата подающего вала, рад.

По схеме, показанной на рис. 4.38, б, транспортирующий вал 3 входит в зазор между двумя подающими валами 2 и создает одинаковые силы прижатия к ним . Если коэффициенты трения на поверхностях подающих валов неодинаковы, то необходимая сила прижатия (Н)

,

где — угол обхвата, рад; — коэффициенты трения соответственно на первом и втором подающих валах; — коэффициент трения на транспортирующем валу.

В схеме (рис.1, в) подающий вал 2 прижимается к двум транспор­тирующим 3 силами :

,

где — сила, Н; — коэффициенты трения на первом и втором транспортирующих валах; — коэффициент трения на подающем валу; — угол обхвата шкурой транспортирующего вала, рад.

Практическая работа №3.

Практическая работа № 4.

Расчёт процесса резания.

Резание — один из видов измельчения материалов лезвием. При резании уменьшается линейный размер материала, увеличиваются число новых частиц и их суммарная площадь боковой поверхности. Дня резания характерно образование плоских поверхностей, частиц правильной формы (пластины, параллелограммы и кубы), а также однородных гомогенных масс.

Разделение на части резанием без образования стружки. Этим способом режут твердые пластичные, упруго-пластичные и твердообразные материалы. В качестве инструмента используют ножи и пуансоны.

Режущий элемент ножа (рис. 4.1, а) называют режущей кромкой или лезвием 1, которое образуется пересечением наклонных граней (скосов) 2. Кроме того, нож имеет боковые 3, торцевые 5 грани и обух 4. Угол между скосами называют углом заострения или заточки. Ножи бывают с односторонней (б), двусторонней симметричной (в) и несимметричной (г) заточкой.

Рис. 4.1. Ножи: а — основные элементы ножа: 1 — лезвие; 2 — наклонные грани (скосы); 3 — боковая грань; 4 - обух; 5 — торцевая грань; б — нож с односторонней заточкой; в, г — ножи с двусторонней симметричной и несимметричной заточкой

Рис. 4.2. Основные виды режущих устройств: а— ножей: 1, 2— с прямолинейным нормальным или наклонным лезвием; 3-е двусторонним приложением сил; 4—с круглым лезвием; 5, 6 — с криволинейным (серповидным) лезвием с внешним или внутренним заострением; б— пуансонов: 1- спрямой режущей кромкой; 2-е криволинейной режущей кромкой.

Лезвие ножа (рис. 4.2, а) может быть прямолинейным нормальным (1) или наклонным (2) по отношению к поверхности материала, с односторонним или двусторонним (3) приложением сил. Кроме того, лезвие может быть круглым (4) или криволинейным (серповидным) с внешним (5) или внутренним (б) заострением. Криволинейные лезвия профилируют в виде непрерывных или ступенчатых кривых.

При резании на лезвии ножа создаются нормальные контактные напряжения, приводящие к разрушению материала.

Пуансоны (рис.4.2, б) с прямой 1 или криволинейной 2 (круглой, треугольной или любой другой) кромкой имеют угол заострения 90° и создают в материале касательные, сдвиговые напряжения.

Нож может совершать относительно поверхности разрезаемого материала два движения (рис. 4.3, а): нормальное и касательное. Нормальное движение определяется скоростью подачи v_n, а касательное — скоростью скольжения v_л. Их сумма является скоростью резания:

Отношение скоростей:

называют коэффициентом скольжения.

Угол (угол скольжения) может меняться от 0 до 90°, а коэффициент К—от 0 до .

При v_л= 0, = 0 и К = 0 лезвие ножа подается со скоростью подачи v_nпо нормали к поверхности материала(рис. 3, б). Подобный процесс называют рубящим резанием. При v_л > 0 процесс называют скользящим илинаклонным резанием.

Рис. 4.3. Способы резания ножом: а — скользящее резание; б — рубящее резание.

К динамическим процессам относятся вибрационное и ударное (им-пульсное) резание. При вибрационном резании (см. рис. 4.3, б) нож движется по нормали к продукту с по­стоянной скоростью подачи v_n и одновременно в этой же плоскости колеблется с переменной скоростью v_K. При ударном резании нож массой т ударяет по поверхности разделяемого материала с начальной скоростью v_H.

Сила Р_к, приведенная к единице длины лезвия (Н/м), при которой разрушается материал,

,

где [ _к] - допускаемое контактное напряже­ние, Па; - острота лезвия, м.

Рис. 4.4. Схемы нагружения ножа при резании: а — без опережающей трещины; б - с опережающей трещиной.

Суммарная боковая сила (Н) на наклонной грани

,

где АБ - длина наклонных граней; l - длина лезвия, м; L – длина зоны деформации, м; Е – модуль упругости материала, Па.

Сила нормального давления

;

осевого

.

На боковых гранях ножа деформация материала будет постоянной и равной половине толщины ножа b, напряжение , а сила бокового давления (Н)

/

При относительном движении ножа в материале на его поверхностях возникают силы трения

и ,

где - коэффициент трения скольжения.

Сила подачи (Н), необходимая для преодоления найденных сил сопротивления (на двух сторонах ножа),

Анализ действия вил на клиновую часть лезвия проводим, как правило, экспериментально. Так, по данным А. И. Пелеева, наименьшая сила при резании мяса получается при угле заточки ножа 2{J = 12... 14°. При увеличении угла заточки до 45° сила резания возрастает в 1,5...3 раза. Возрастает сила резания и при угле заточки меньше 12° из-за потери лезвием механической прочности (лезвие сминается).

Согласно гипотезе Ребиндера, общая работа (Дж) резания

А = А₁ + А₂ + А₃,

где А₁ — работа разрушения молекулярных сил сцепления; А₂ - работа пластических деформаций; А₃ — работа внешнего трения между поверхностью ножа и материалом.

Коэффициент трансформации остроты лезвия

.

При = 20° - 0,2; при 60° = 0,8.

В общем виде мощность (Вт), необходимая для резания,

,

где Р_р, Р_п, Р_л - соответственно силы резания, подачи и скольжения, Н; v_p, v_п , v_л - скорость резания, подачи и скольжения лезвия, м/с.

Однако в связи с трудностями аналитического и экспериментального определения сил на практике используют расчет по удельной мощности N_yд (Вт/м²) или работе А_уд (Дж/м²), приведенным к единице площади разреза, и тогда мощность (Вт)

,

а работа (Дж)

A=A_yдF,

где F - площадь вновь образованной поверхности, м².

Значения N_yд и А_уд определяют экспериментально для конкретных режущих механизмов.

Резание на части с образованием стружки. Его используют для разрезания костей, туш на полутуши и четвертины, нарезания мясо-костных полуфабрикатов, мездрения шкур, измельчения замороженных мясных блоков. Процесс осуществляют инструментом с гладкой режущей кромкой — резцом или несколькими резцами, собранными на общем основании (пилы, фрезы).

Резец (рис. 5, а) состоит из кромок (передней АБ, передних боковых АД и БЕ, задних боковых АГ и БВ), граней (передней АБЕД, задней АБВГ, боковых АДГ и БВЕ), углов (переднего , заточки , заднего , резания ). При этом = 90° и .

Схема процесса резания резцом с прямолинейной передней кромкой (лезвием) показана на рис. 4.5, б. Резец за один проход снимает стружку толщиной h при общей толщине материала Н. На лезвии создается разрушающая сила Р_к, после чего отделяется стружка, которая изгибается и скользит по передней грани. Нормальная сила (Н), возникающая при отгибании стружки,

,

где - угол заточки, рад; G — модуль сдвига, Па; l - длина режущей кромки, м.

Рис. 4.5. Резание резцом;а— схема резца; б— схема процесса резания

Силы трения продукта по передней и задней граням равны и , где - коэффициент трения. Если продукт прижимается к резцу силой Р_н, то появляется и дополнительная сила трения . Тогда сила подачи

.

Величина угла заточки в значительной степени влияет на механическую прочность резца, стойкость лезвия и условия отвода теплоты, образующейся при резании. Оптимальное значение его определяют с учетом свойств измельчаемого материала и требований, предъявляемых к свойствам получаемой стружки. При больших углах резание хрупких материалов происходит с опережающей трещиной, а стружка значительно деформируется и может ломаться. Это нежелательно, например, при резании замороженных блоков на пластины.

Сила прижатия Р_н зависит от конструкции машины и может быть равна силе тяжести продукта или силе механических (гидравлических) толкателей.

Практическая работа № 5.

Практическая работа № 6.

Практическая работа № 7.

Практическая работа № 8.

Практическая работа № 9.

Практическая работа № 10.

Практическая работа № 11.

Расчёт отстойников

Аппараты, в которых суспензии и эмульсии разделяются в поле земного тяготения вследствие разной плотности дисперсной и дисперсионной фаз, называют отстойниками.

При расчете отстойников определяют площадь поверхности осаждения, скорость осаждения и геометрические характеристики аппаратов. Исходные данные: производительность по исходной суспензии, характеристики суспензии (состав, концентрация и дисперсность дисперсионной фазы, плотности жидкой и твердой фаз, вязкость и др.). Разделение суспензий в отстойниках происходит, если плотность дисперсионной среды _ж и дисперсной фазы _ч различны. Если , то процесс называют осаждением, и частицы опускаются на дно или полки отстойника; если — отстаиванием, при котором частицы всплывают к поверхности.

При расчете отстойников учитывают, что должны быть выделены частицы самого малого размера.

Производительность отстойника (кг/с) по осветлённой фазе

где G_c – массовый расход исходной суспензии, кг/с; х_н – массовая доля твёрдой фазы в исходной суспензии, кг/кг; х_ос – массовая доля твёрдой фазы в осадке, кг/кг.

Общая площадь (м²) поверхности осаждения

,

где — плотность осветленной суспензии. кг/м³; V_c — объемная подача суспензии, м /с: v_CT — скорость стесненного осаждения, м/с.

Скорость (м/с) свободного осаждения частиц, которые не создают взаимных помех,

,

где — коэффициент динамической вязкости осветленной суспензии, Па с; Re — критерий Рейнольдса; — диаметр частицы, м.

Критерий Рейнольдса определяют через критерий Архимеда в зависимости от режима осаждения. При ламинарном режиме (Re < 2) Re = 0,06Ar, при переходном (2 < Re < 500) Re=0,152Аг⁰'⁷¹⁵, при турбулентном .

Критерий Архимеда

,

где g— ускорение свободного падения, м/с²; — кинематическая вязкость, м²/с

Предельные значения критерия Архимеда: для ламинарного режима Аг < 36, переходного 36 < Аг < 83 000. турбулентного Аг > 83 000.

Вычислив критерий Аг, определяют, в каком режиме происходит осаждение, затем по соответствующей формуле вычисляют критерий Re и по формуле — скорость свободного осаждения v_oc. Если форма частиц отлична от круглой, то в формуле вводят эквивалентный диаметр частицы

,

где — коэффициент формы; для округлых частиц = 0,77, угловатых = 0,66, продолговатых = 0,58, пластинчатых = 0,43.

Скорость стесненного осаждения определяют по эмпирическим формулам в зависимости от ε — объемной доли жидкой фазы в суспензии.

При

,

при

.

Объемная доля жидкой фазы

,

где _с — плотность исходной суспензии, кг/м³.

Для определения площади поверхности осаждения в отстойниках непрерывного действия используют видоизмененную формулу

.

После определения площади осаждения определяют объем и размеры аппарата в зависимости от его конструкции: периодический, одно- или многоярусный, непрерывный и т. д.

Практическая работа № 12.

Расчёт охладителей жира.

При расчете охладителей определяют количество отводимой теплоты, производительность аппаратов, тепловые балансы и поверхности теплообмена, расход охлаждающей жидкости.

Количество отводимой теплоты (Дж/кг) при охлаждении жира до полного застывания (кристаллизации)

,

где с_н, с_к — удельная теплоемкость расплавленного и застывшего жира, Дж/(кг К); — температуры жира начальная, застывания и конечная, °С; r_ж — скрытая теплота кристаллизации жира, Дж/кг.

Для расчетов можно принимать с_н = = 2300 Дж/(кг К), с_в = 1460 Дж/(кг • К), r_ж = (1,21...1,46)10⁸ Дж/кг.

Температуры начала застывания жиров: говяжьего 34...38 ^оС, бараньего 34...35, свиного 22...33°С.

Производительность (кг/с) периодически действующих охладителей

,

где G — масса единовременной загрузки, кг; — продолжительность цикла, с; V — геометрический объем аппарата, м³; — коэффициент заполнения; ср = 0,8...0,85; — плотность продукта, кг/м³; _охл — продолжительность охлаждения, с; _п.з — продолжительность подготовительно-заключительных операций, с.

Расчет цилиндровых охладителей. Производительность (кг/с) цилиндровых охладителей непрерывного действия равна

,

где - площадь поперечного сечения продукта, ; v_oc — осевая скорость движения продукта, м/с; D_ц, D_в — диаметры внутренний цилиндра и внешний вытеснителя, м; — коэффициент полезного использования сечения с учетом объема лопастей; = 0,7...0,8.

Осевая скорость (м/с) создается питательным насосом и может быть определена при заданных начальных значениях производительности и при предполагаемых значениях D_ц и D_в:

.

Площадь поверхности теплообмена при охлаждении жира F (м²) при заданной производительности М (кг/с) определяют по формуле

,

где q — удельное количество теплоты, отводимой от жира при охлаждении, Дж/кг; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); — среднеарифметическая или среднелогарифмическая разность начальной и конечной температур продукта, К.

Зная площадь поверхности теплопередачи и периметр цилиндра определяем суммарную длину (м) цилиндра

.

По суммарной длине определяют рациональные длины и число отдельных цилиндров в аппарате.

Расчет пластинчатых аппаратов. При технологическом расчете пластинчатых аппаратов определяют площади поверхностей теплообмена, расходы теплоты, пара и хладоносителя, гидравлическое сопротивление аппарата и размеры выдерживателя. Исходными данными для расчета служат производительность аппарата, начальные и конечные температуры продукта и рабочих жидкостей и их физические свойства.

Тепловой баланс охладителя

,

где Q — тепловая нагрузка аппарата (расход холода), Дж/с; М — производительность аппарата, кг/с; с — средняя удельная теплоемкость продукта в данном интервале температур, Дж/(кг • К); t₁, t₂ — начальная и конечная температуры продукта, С; G_р — расход рабочей жидкости (воды), кг/с; с_р — средняя удельная теплоемкость рабочей жидкости, Дж/(кг К); — начальная и конечная температуры рабочей жидкости, °С.

Температура (°С) холодной воды при выходе из аппарата

,

где — кратность рабочей среды.

Кратность рабочей среды — отношение расхода рабочей среды к расходу продукта:

.

Разность температур на входе и выходе из аппарата:

;

.

Определяют предварительно максимально допустимую скорость потоков в аппарате с учетом его гидравлического сопротивления и условий теплообмена по формуле

,

где k — предполагаемый коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); — гидравлическое сопротивление продукта, Па; — коэффициент гидравлического сопротивления по длине канала; с_п — теплоемкость продукта, Дж/(кг • К); _п — плотность продукта, кг/м³.

В случае охлаждения жира можно ориентировочно принять k = 1000 Вт/ (м² К). Коэффициент гидравлического сопротивления

для ленточно-поточных пластин

,

для сеточно-поточных пластин

Зная скорость движения продукта, находят число каналов в пакете (м² К)

.

Если получается дробное число, то его округляют до целого и уточняют значение скорости v.

Коэффициент теплопередачи k

,

где — толщина стенки, м; — теплопроводность материала стенки, Вт/(м К).

Площадь поверхности теплообмена (м²)

.

Число пластин в секции

где f — площадь поверхности теплопередачи одной пластины, м².

Значение гидравлического сопротивления аппарата

,

где - приведенная высота пластины, м;

Практическая работа № 13.

Практическая работа № 14.

Практическая работа № 15.

Расчёт сушилок

Сушка – это технологический процесс, при котором из продукта удаляется связанное вещество – вода в результате подвода из вне теплоты.

Параметрами, определяющими режим сушки, служат свойства поступающего и отработавшего сушильного агента, его максимальная температура, скорость и направление движения, а также продолжительность сушки. Свойствами исходного продукта являются влажность и теплоемкость.

Влажность продукта определяют как отношение массы влаги в общей массе материала w (%) или к массе абсолютно сухого остатка материала w_c (%):

.

где G_B, G, G_c — масса влаги, влажного продук­та и сухого вещества, кг.

Общая масса влажного продукта (кг)

Масса (кг) влаги продукта

Масса (кг) сухого вещества 100

.

Расчет сушильной камеры (башни).

Первым этапом расчета сушильной установки является расчет сушильной камеры. Независимо от конструкции установки вначале определяют количество испаренной влаги, баланс влаги и расход воздуха. Далее с учетом конструктивных особенностей аппарата определяют его основные размеры и составляют тепловой баланс.

Количество испаренной влаги для периодически и непрерывно работающих установок

,

где G₁ и G₂ — масса или массовый расход влажного и высушенного материала, кг или кг/ч.

Зная влажность материала до и после сушки, можно определить массу испаренной влаги

.

Баланс влаги в сушильной камере записывают в следующем виде:

,

где — масса или массовый расход влаги в сыром материале, кг или кг/ч; -масса или массовый расход влаги, ушедшей с воздухом, кг или кг/ч; L — масса или массовый расход абсолютно сухого воздуха, кг или кг/ч; — влажность поступившего иушедшего воздуха, г/кг; - масса илимассовый расход влаги, поступившей с воздухом, кг или кг/ч; — масса или массовый расход влаги в сухом материале, кг или кг/ч.

Отсюда получаем массовый расход (кг/ч) абсолютно сухого воздуха

.

Относительный расход абсолютно сухого воздуха на 1 кг испаренной влаги (кг/кг)

.

Расчет контактных сушильных установок.

При расчете контактных установок определяют их производительность по влажному материалу, материальный и тепловой балансы, расход пара на сушку. При расчете непрерывнодействующих вальцовых установок определяют и мощность привода.

Расчет шкафной сушилки.

Производительность (кг/ч) шкафной периодически действующей установки по влажному материалу

,

где — масса единовременной загрузки влажного материала, кг; V_x — объем этого материала, м³; _в — плотность влажного материала, кг/м³; _ц — продолжительность цикла сушки, ч; _с — продолжительность процесса сушки, ч; _пз — продолжительность подготовительно-заключительных операций (загрузка, выгрузка и т. д.), ч.

Продолжительность сушки трудно определить аналитически, поэтому ее находят из экспериментально определенной напряженности (испарительной способности) поверхности нагрева А по испаренной влаге [кг/(м² • ч)]:

,

где F — площадь теплопередающей поверхности, м².

Площадь поверхности (м²) нагрева определяется из основного уравнения теплопередачи

,

где — коэффициент увеличения площади нагрева из-за неплотности заполнения продуктом; = 1,2...1,3; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К); — температура конденсации насыщенного пара в плитах, С; t_ср — температура воздушной среды в камере, °С.

Расход пара (кг/ч) на сушку

,

где — потери теплоты сушилкой, Дж/ч; — удельная энтальпия пара и конденсата, Дж/кг.

Расчет вальцовой сушилки.

Производителъностъ (кг/с) вальцовой сушилки по влажному материалу

,

где — коэффициент полезного использования длины вальца; = 0,7...0,81; l — длина образующей вальца, м; — толщина пленки материала, м; v_ок — окружная скорость барабана, м/с; — плотность влажного материала, кг/м³.

Окружная скорость (м/с)

,

где D — внешний диаметр вальца, м; _с — продолжительность сушки, с; — коэффициент, учитывающий часть окружности вальца, на котором происходит сушка; = 0,75...0,8.

Продолжительность сушки определяют по экспериментально полученной напряженности поверхности нагрева [кг/(м² • ч)]

,

где F — площадь поверхности нагрева, м²; .

Мощность электродвигателя привода (кВт) вальца расходуется на трение в опорах и в приводном механизме, а также на преодоление сопротивления снимаемого слоя сухого продукта:

,

где Р — сила отделения пленки сухого продукта, приведенная к 1 м длины ножа, Н/м; Р = (30...45)10²;