Статья опубликована в №47 (июль) 2017
Разделы: Техника
Размещена 17.05.2017. Последняя правка: 20.08.2017.
Просмотров - 1515

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПОСОЛА РЫБЫ В ВИБРАЦИОННОМ ПОЛЕ

Слабяк Вадим Петрович

-

Уральский Государственный Аграрный Университет

аспирант

Минухин Леонид Аронович, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой пищевой инженерии аграрного производства инженерного факультета ФГБОУ ВО УрГАУ

УДК 62-932.4

Введение. Известны данные, в частности, что процесс посола значительно  интенсифицируется под воздействием механических колебаний [1,2,3,4,5,6,7]. Ведение процесса посола в интенсивных формах известно в виде взаимодействия рассола и рыбы, при котором на границе их раздела возникает значительная относительная скорость движения, которая способствует повышению эффективности воздействия колебаний на процесс посола рыбы. Также известна определяющая роль внешнего массообмена [2,3]. Однако, относительная скорость движения на границе фаз продукт-рассол является комплексной величиной, которая зависит от ряда рабочих параметров в ходе процесса посола в поле механических колебаний. А значит, зная диапазоны величин, влияние каждой величины на процесс, можно заранее задавать оптимальный режим с параметрами, необходимыми для достижения требуемого результата. Решение этого вопроса позволит обоснованно конструировать оборудование для посола рыбы, и в процессе посола использовать оптимальные целесообразные режимы.

Таким образом, целью исследований, проведенных в данной работе, явилось изучение влияния составных параметров относительной скорости движения рассола и рыбы на процесс посола.

В задачи исследования входили: проведение экспериментальных исследований в лабораторной установке; сравнение разных режимов сочетания параметров и относительного взаимодействия участвующих в процессе посола фаз и влияния их на внешний массообмен.

Для проведения исследований использовали лабораторный комплекс (рисунок 1), созданный специально для изучения влияния механических колебаний  на массообменные процессы, размещенный в лаборатории кафедры пищевой инженерии аграрного производства. Для осуществления различных форм относительного движения сред на границе сред рассола и рыбы этот комплекс был доработан. В данном исследовании рабочими параметрами для оценки их влияния на конечную соленость рыбы использовались показатели концентрации посолочных веществ в рассоле, продолжительность посола, а также частота и амплитуда механических колебаний продукта. В качестве основного сырья для исследований была выбрана горбуша. Для этого применялись выявленные практически диапазоны параметров по данным исследований в статьях по массообмену [1,2,3] при посоле рыбы. Итоговые данные по опытам сопоставлены между собой таблично и графически, которые получены в настоящей работе на установке (рисунок 1).

Основной принцип работы состоит в создании механических колебаний посредством вращения масс толкателей, установленных на валах с  эксцентриситетом. Установка работает следующим образом: солевой раствор и исследуемый образец для исследования процесса загружаются в рабочую емкость 8, закрывается сверху крышкой  и ставится на основание. Затем аппарат подключается к сети. На пульте управления задаются необходимые рабочие параметры, которые обеспечиваются для ведения процесса.

 
Установка включает в себя: 1 – двигатель; 2 – основание; 3, 4, 5 – зубчатые колеса; 6 – дебалансеры; 7 – пружина; 8 – рабочая емкость с раствором; 9 – дополнительное основание для  образца рыбы; 10 – образец рыбы; 11 – стойки вибростола;

Рисунок 1 - Установка для осуществления процесса посола

Методика исследований

Методика исследований аналогична изложенной в работах [1, 2, 3]. Измерение концентрации соли проводилось в исследуемых образцах с помощью солемера, в совокупности с аргентометрическим способом методом по ГОСТу 7636 – 85 с интервалом 10 минут. Навеску рыбы для измерения измельчали вручную. В качестве объекта исследований была принята горбуша, она разделялась на 8 равных частей (стейков) по ГОСТу 814-96 и были приняты, как лабораторный материал соответственно ГОСТу 7631-85. А базовой методикой являлся регрессионный анализ полного факторного эксперимента [8]. Опыты осуществлялись в лаборатории кафедры ПИАП, инженерного факультета УРГАУ, на лабораторной установке, основу которой составляла вибрационная машина марки Я3-ФМС-8, производства ООО ФПК СПКБ «УРАЛМЯСОМАШ Диапазон рабочих параметров принят соответственно рекомендациям [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Образец рыбы 12 фиксируется шпажкой на дополнительном основании 15 с пружинами в рабочую емкость с рассолом 8, затем заливается рассол. На пульте управления  задаются  нужные рабочие показатели процесса. Продолжительность воздействия вибрации на процесс в серии опытов составляла не более 20 минут. Далее рыба досаливается традиционным способом до требуемой солености. Проведение выбранного режима исследований более 20 минут, лишь способствует серьезным разрушениям целостности и структуры тканей образцов.

Установка для серии исследований показана на рисунке 2.


Рисунок  2 -  Изображение установки для  исследований

Основная задача такого анализа сводится к получению математической модели процесса, проверке адекватности и значимости всех коэффициентов уравнения.

Исходные границы значения факторов влияния в экспериментальном исследовании: - частота колебаний,  = f, Hz = 15÷25;- продолжительность посола,    = τ, мин = 10÷20;- концентрация рассола,  = ,  %  = 9,4÷10;

Проводились два параллельных опыта, по внутренним и внешним точкам продукта.

Таблица 1 Исходные данные к анализу четвертой серии исследований

Показатель	x1	x2	x3
	20	15	9,7
Yj	5	5	0,3
+1	25	20	10
-1	15	10	9,4

Оценка значимости коэффициентов регрессии по кр. Стьюдента (1):

                                                                     (1)

 где t_кр – табличное значение в соответствии с уровнем значимости и числом степеней свободы для средней дисперсии , t_кр = 2,306. Итак, в уравнение регрессии включаются только значимые коэффициенты.

Таблица 2 Значения для расчета дисперсий

N	x1	x2	x3	Параллельные опыты
				y1E	y1I	y2E	y2I
1	-	-	-	6,57	5,25	6,37	5,25
2	+	-	-	7,67	4,51	7,67	5,25
3	-	+	-	6,57	5,25	6,57	5,25
4	+	+	-	7,67	7,67	8,72	7,67
5	-	-	+	7,67	5,25	7,27	4,51
6	+	-	+	7,53	5,15	7,53	5,15
7	-	+	+	8,27	7,67	7,67	6,45
8	+	+	+	8,72	7,67	8,72	7,67

Проверка адекватности уравнения регрессии без лишних членов по критерию Фишера. Табулированное значение критерия Фишера – F_табл. при α = 0,05, для степеней свободы f = N – l  и значения f = N(m - 1).

      

Таким образом, включаем в уравнение регрессии только значимые коэффициенты.

 

 
Из  уравнения  следует,  что  фактор  х3 влияет  на выходной  параметр  у  сильнее,  чем  х1. Минимальное  воздействие  на  параметр  у  оказывает фактор  x1. 

Из  уравнения  следует,  что  фактор  х2 влияет  на выходной  параметр  у  сильнее,  чем  остальные. Минимальное  воздействие  на  параметр  у  оказывает фактор  x3.  Уравнение  регрессии  содержит  парные эффекты  взаимодействия – x1x2 и x1x2x3  следовательно, фактор x1 при изменении значения фактора x2 x3 взаимно изменяют силу своего  влияния  на  y,  и  наоборот.

Проверим, насколько различаются значения выходной величины, рассчитанные по уравнению регрессии, и результаты эксперимента

Выходные значения величин по внутренним и внешним точкам по уравнению регрессии отличаются от результатов эксперимента в среднем на 10%, что является допустимым, с учетом резкого сокращения времени посола рыбы, т.к. вибрация - сложно контролируемый процесс не подвергаемый точному прогнозу. На этом этапе идет транспортировка  частиц соли рассола в капилляры межволокнистого пространства.

Уравнения оптимизации процесса.

Для практического использования уравнения регрессии с оставшимися членами приведем его в натуральный масштаб по формуле  (3):                            

Проверим правильность перевода уравнения в натуральные обозначения факторов.

Таблица 3 Результаты проверки перевода в натуральный масштаб при внешних точках

N	n	Cкр	т.Е	yi т.Е
1	15	9,4	6,47	6,57	6,8
2	25	9,4	7,67	7,67	7,43
3	15	9,4	6,57	6,57	6,8
4	25	9,4	8,2	7,67	7,43
5	15	10	7,47	7,67	7,73
6	25	10	7,53	7,53	8,361
7	15	10	7,97	8,27	7,73
8	25	10	8,72	8,72	8,361

Таблица  4 Результаты проверки перевода в натуральный масштаб при внутренних точках

N	n	τ	Cкр	n τ	n τ Cкр	т.I	yi т.I
1	15	10	9,4	1510	15109,4	5,25	5,25	5,455
2	25	10	9,4	2510	25109,4	4,88	4,51	3,863
3	15	20	9,4	1520	15209,4	5,25	5,25	5,889
4	25	20	9,4	2520	25209,4	7,67	7,67	7,471
5	15	10	10	1510	151010	4,88	5,25	5,455
6	25	10	10	2510	251010	5,15	5,15	5,395
7	15	20	10	1520	152010	7,06	7,67	7,421
8	25	20	10	2520	252010	7,67	7,67	7,471

Проведение уравнения регрессии для внутренних точек из кодированных в натуральные обозначения не имеет смысла, так как проведение в натуральную величину, а также решение уравнения слишком громоздко. Это связано с тем, что распределение рассола внутри  образца рыбы идет по более сложной схеме. А, исходя из проведенных исследований, очевиден вывод, что решающую роль при вибромассировании играет внешний массообмен, потому что частицы соли из рассола поступают в межволоконное капиллярное пространство в структуре мяса за короткое время, около 10-20 минут. А далее внутренний массобмен протекает без вибрации, т.е. происходит проникновение частиц соли в белковую структуру, включающее биохимические изменения тканей рыбы.

Графики зависимостей  факторов.

Поскольку уравнение регрессии  включает разные факторы и комплексные факторы, оно становится сложным, и невозможным описать линейной функцией. Но оперируя зависимостью факторов между собой, можно составить их графические соотношения (рисунок 3).

График зависимости выходной  солености рыбы У от частоты колебаний Х1

 

Зафиксируем значение фактора Х3 на уровне +1: Х3 = +1.

При X1 = +1 Х1 = -1: У = 20,07 У = 7,51; Если Х3 = -1,

При X1 = +1;Х1 = -1: У =11,07 У = – 1,49;

График зависимости солености рыбы  У от солености рассола Х3

Зафиксируем значение фактора Х1 на уровне +1: Х1 = +1.

При X3 = +1 Х3 = -1: У = 20,07 У = 11,07; Если Х1 = -1,

При X3 = +1;Х3 = -1;: У =7,51 У = – 1,49;

По графикам на рисунке 3 взаимозависимостей факторов посола можно определить, как оперировать факторами, чтобы получить параметр соответственный относительного другого.

Уравнение оптимизации по внешним пробам образца: 

Где   фактор  х3 влияет  на выходной  параметр  у  сильнее,  чем  х1.

По внутренним пробам:  

Рисунок 3 – зависимость солености рыбы у соответственно от частоты колебаний х1 и продолжительности посола х3.

Выходные значения величин по внутренним и внешним точкам по уравнению регрессии отличаются от результатов эксперимента в среднем на 10%, что является допустимым, с учетом резкого сокращения времени посола рыбы, т.к. вибрация - сложно контролируемый процесс без точного прогноза. Итак, чем ниже соленость рассола, тем соленость в рыбе при посоле тоже будет низкой. А чем меньше частота воздействующих колебаний, тем меньше при посоле в таком режиме будет концентрация соли в рыбе за выделенный промежуток времени.

 
Сравнение полученных результатов. Известны результаты взаимодействия гетерогенных фаз рассола-рыбы, при исследовании которых можно выделить следующее. В работах [1, 2, 3] эксперимент ведется в условиях когда рыба и рассол находятся в незакрепленном положении, когда у обоих фаз одинаковая скорость колебаний, при практически нулевой относительной скорости на границе раздела фаз рассола-рыбы. А также, когда одна из фаз системно связывается к колебательному источнику, т.е. когда емкость в статическом положении, либо рыбы, относительно минимизирования воздействию поля вибрации. В данном случае по данным, полученным в ходе исследования, очевидно, что такой посол происходит эффективнее, чем единая колебательная система, так как возникает определенная относительная скорость колебаний на границе фаз рассол-рыба. 

Текущее экспериментальное исследование логично построенно из соображения, что задание определенной относительной скорости колебаний на границе фаз рассола-рыбы, способствует повышению эффективности посола в условиях воздействия механическими колебаниями. При исследовании [3], было осуществлено соображение, что путем обеспечения значительной относительной скорости на границе рассол-рыба, а также при доработке устройства емкости, с целью придания рыбе своей частоты, а значит скорости колебаний, будет достигнут эффективный режим процесса посола рыбы в вибрационном поле. Итак, было выявлено наиболее оптимальное взаимодействие двух взаимодействующих фаз рассола и рыбы, что послужило основой для исследования в текущей статье. Таким образом, выявлены главные недостатки предыдущих исследований - минимальная относительная скорость на границе фаз рыбы рассола, вплоть до полного отсутствия, сложность подбора исходных параметров (продолжительность посола, частота колебаний, концентрация исходного рассола)  для достижения определенного результата (соленость рыбы, время посола).

Выводы. Таким образом провели регрессионный анализ полного факторного эксперимента, а именно исследование влияния рабочих параметров – факторов продолжительности посола, частоты  колебаний, солености рассола, на конечную соленость. Для обеспечения необходимых условий колебательных движений рассола и рыбы использовали пружины с большей жесткостью, чем пружины основания в емкости. Откуда видно, что создаваемая относительная скорость движения на границе раздела фаз рассола-рыбы существенно интенсифицирует процесс посола рыбы в поле механических колебаний. При этом сама эта скорость зависит, как от амплитуды и частоты колебаний, так и от продолжительности посола, концентрации соли в рассоле.

Таким образом установлено, что процесс посола рыбы под воздействием колебаний целесообразно проводить до значений концентрации, в зависимости от технологии по посолочным веществам в рыбе разных видов (лососевые, ставридовые) при следующих параметрах: - для  С = 8%, А = 5 мм, f  = 25 Hz; τ = 20 мин., Ср = 9,4%; - для С = 6%  при А = 5 мм; f = 15 Hz; τ = 10  мин., Ср = 9,4%;   При этом тенденция одинакова для значений солености по внешним  и внутренним точкам. А скорость посола почти в 2 раза больше, по сравнению с прежними исследованиями [1,2,3].
Итак, можно заранее определять необходимые исходные параметры (продолжительность посола, частота колебаний, концентрация исходного рассола), для обеспечения требуемого результата (соленость рыбы, время посола).

Проведены экспериментальные исследования в лабораторной установке, а именно анализ влияния составных рабочих параметров процесса посола рыбы в поле механических колебаний на его интенсификацию. 

Литература
1. Слабяк В.П., Минухин Л.А. Повышение эффективности посола рыбы в поле механических колебаний // Аграрный вестник Урала. - 2015. - №3. - С.21-25.
2. Слабяк В.П., Минухин Л.А. Исследование кинетики процесса посола рыбы в поле механических колебаний // Аграрный вестник Урала. - 2015. - №4. - С.62-66.
3. Слабяк В.П., Минухин Л.А. Влияние относительной скорости фаз на процесс посола рыбы в поле вибрации Аграрный вестник Урала. - 2016. - №3. - С. 42-48.
4. Потапов А.Н., Иванец В.Н. Интенсификация массообменного процесса в вибрационном экстракторе // Техника и технология пищевых производств, 2013. № 1;
5. Мищенко В.Я., Кувардина Е.М. Интенсификация массообменных процессов при извлечении пектиновых веществ из растительного сырья с применением вибрационного воздействия // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2010. Т. 12, №4(3);
6. Мустафина А.С., Сорокопуд А.Ф., Федяев К.С. Интенсификация извлечения аскорбиновой кислоты в поле низкочастотных механических колебаний // Техника и технология пищевых производств, 2013. № 2;
7. Ершов А.М., Бестужев А.С.,. Фатыхов Ю.А, Балашов С.О. Исследование массообменных процессов при комбинированном сухом посоле рыбы // Вестник МГТУ, 2010. Т. 13, №4/1, с.673-677;
8. Кошелева А.В., Сахарова А.Т., Разжигаева Л.А. Планирование научного эксперимента //Методические указания – М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1975. – 76 с.;

Рецензии:

17.05.2017, 22:47 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: 1. Тема статьи актуальна. Результаты и выводы заслуживают опубликования. 2. В статье не раскрыто, чем предлагаемый в статье метод интенсификации предпочтительнее существующих методов, разработанных другими авторами (например, [4-7] и т.п.). 3. В работе рассмотрен только экспериментальный метод исследования, но о теоретическом методе исследования процесса интенсификации напрямую почти ничего не сказано. Считаю, что нужно сказать несколько слов о теоретических методах исследования и показать их преимущества и недостатки. 4. После незначительных дополнений статью можно будет рекомендовать к публикации.

15.07.2017, 15:25 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Все выводы по другим статьям не нужно представлять. Нужно сжато подытожить связь предыдущих работ с представленной и резюмировать преимущества и недостатки. После чего читателю статьи будет всё понятно. На всё это уйдёт 2-3 абзаца.



Комментарии пользователей:

15.07.2017, 17:41 Слабяк Вадим Петрович Отзыв: Спасибо! Я понял, что вы хотели донести до меня, как автора. Исправлю по возможности, если еще есть шанс на опубликование.

21.08.2017, 16:56 Лобанов Игорь Евгеньевич Отзыв: После исправлений из текста статьи понятно, в чём преимущества данного научного исследования. Считаю, что статья может быть рекомендована к опубликованию.

Оставить комментарий