Недостатком современной холодильной отрасли является отсутствие технологии, с помощью которой можно без существенной потери качества получать замороженный криолабильный растительный полуфабрикат [1, 3].

Это обусловлено необратимым криоповреждением лабильной части ряда биологически активных веществ.

По нашему мнению, одной из главных характеристик качества криолабильного замороженного полуфабриката можно назвать реологические характеристики. Например, вязкость, напряжение сдвига, или такие мало исследованные параметры для растительных продуктов, как усилие нагружения при величине деформации, т.к. в результате воздействия низких температур происходит разрушение структуры продукта, что обусловлено активизацией деятельности ферментов [4].

Проанализировав некоторые работы ученых на аппаратах по определению реологических характеристик, можно сделать вывод, что в целом исследования схожи. Главной задачей в исследовании реологических характеристик – установить разницу между сырьем, обработанным способом шоковой заморозки и необработанным продуктом. Исходя из данной теории, мы решили использовать методики исследования реологических характеристик различных продуктов. После проведенных исследований, в том числе представленных в других работах [2], нам удалось зафиксировать разницу между обрабатываемыми продуктами. Именно это и являлось целью нашего исследования.

Самый современный и перспективный аппарат по определению реологических характеристик растительного сырья, выпускаемый в России, является структурометр СТ-2, результаты которого с помощью специальной программы выводятся на монитор компьютера (рис. 1). Структурометр в пищевой отрасли в основном применяется для определения прочностных и реологических характеристик хлебобулочных и кондитерских изделий.

Рис. 1.  Структурометр СТ-2

Отсутствие конкретной методики по определению реологических характеристик замороженных растительных продуктов позволило авторам творчески подойти к решению данной проблемы и модифицировать одну из уже существующих методик по определению деформационных и реологических характеристик, относящихся к другим видам продуктов.

За основу исследования была взята методика 2 – «Определение прочности пищевого продукта» и методика 30 – «Определение напряжения сдвига пищевого продукта, записанные в программу к структурометру.

Для исследования были выбраны свежие, замороженные и размороженные плоды киви сорта «Хейворд», фейхоа, хурма сортов «Шоколадный королек» и «Яблочный».

Для исследования использовались продукты плотной консистенции на стадии товарной зрелости, не имевших видимых дефектов.

Продукты нарезались на кусочки приблизительно одинакового размера по ширине и длине. Для этой цели брались только центральные слои плода. Толщина каждого кусочка составляла10 мм. После нарезки плод обрабатывался и подвергался исследованию.

Исследования проводились несколько раз с целью верификации проделанной работы. Ниже на рисунках представлены последние полученные результаты, которые графически коррелируют с предыдущими опытами.

Процесс исследования и трактовка результатов

Свежий продукт. После равномерной нарезки кусочки плода киви толщиной10 мм помещались на столик аппарата вплотную к индентору, после чего проводилось исследование.

Размороженный продукт, обработанный обычным способом. После нарезки продукт помещался в специально сконструированную криокамеру [1] и с помощью диоксида углерода (жидкого азота), подвергался замораживанию. Температура диоксида углерода составляла –70 °С, а температура жидкого азота была ниже –165 °С. После замораживания обычным способом, продукт размораживался посредством постепенного понижения температуры: при снижении температуры в криокамере до 0 °С, дверца камеры открывалась для прохода теплого комнатного воздуха, который постепенно отеплял продукт до температуры 18–20 °С.

Размороженный продукт, обработанный пектином, электромагнитным полем низкой частоты (ЭМП НЧ) и СО₂ (N₂). Перед непосредственно замораживанием, продукт выдерживался в растворе криопротектора (смесь воды и пектина). Затем продукт помещался в криокамеру, где обработка электромагнитным полем низкой частоты и замораживание осуществлялись одновременно.

Свежий продукт, обработанный электромагнитным полем низкой частоты. Для анализа результата воздействия низкими частотами, нарезанный продукт помещался под специальный излучатель и в течение заданного времени (20 минут), продукт подвергался обработке.

Свежий продукт, обработанный раствором криопротектора. Свежий продукт после нарезки погружался в ванну с раствором пектина и воды и выдерживался в течение определенного времени.

1 Определение прочности свежего, замороженного и размороженного продукта.

Настоящая методика основана на определении параметра усилия нагружения F_н. За окончательный результат принималось среднее арифметическое значение результатов трех определений.

Среднее арифметическое значение усилия нагружения F_{н ср} определялось:

F_{н ср} = [(∑₁) + (∑₂) + (∑₃) + …] /4, г,

где: ∑₁, ∑₂, ∑₃, ∑₄ – сумма точек деформации линии, мм.

Изменение усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в свежий, замороженный и размороженный плод киви, фейхоа, хурмы сортов «Яблочный» и «Шоколадный королек» представлены на рисунках 2-5, соответственно.

1.1 Киви сорта «Хейворд»

На рис. 2 показан график изменения усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в нарезанный плод киви.

фиолетовая – обработанный пектином,

 зеленая – свежий,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

красная – размороженный после обычного способа замораживания

Рис. 2. Изменение усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения

в нарезанный плод киви

В таблице 1 представлены результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в нарезанный плод киви.

Табл. 1. Результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в нарезанный плод киви

1.2 Фейхоа

Для исследования был выбран цельный плод фейхоа в связи с невозможностью точный показаний результатов работы прибора «Структурометр СТ-2» из-за специфических свойств плодов фейхоа.

На рис. 3 показан график изменения усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в цельный плод фейхоа.

зеленая – свежий,

темно-зеленая – свежий обработанный ЭМП НЧ,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

красная – размороженный после обычного способа замораживания

Рис. 3. Изменение усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в цельный плод фейхоа

В таблице 2 показаны результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в цельный плод фейхоа.

Табл. 2. Результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в цельный плод фейхоа

1.3 Хурма сорта «Яблочный»

На рис. 4 показан график изменения усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в цельный плод фейхоа.

зеленая – свежий,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

красная – размороженный после обычного способа замораживания

Рис. 4. Изменение усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в нарезанный плод хурмы сорта «Яблочный»

В таблицу 3 сведены результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в нарезанный плод хурмы сорта «Яблочный».

Табл. 3. Результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в разрезанный плод хурмы сорта «Яблочный»

1.4 Хурма сорта «Шоколадный королек»

На рис. 5 представлен график изменения усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в нарезанный плод хурмы сорта «Шоколадный королек».

зеленая – свежий,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

красная – размороженный после обычного способа замораживания

Рис. 5. Изменение усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в нарезанный плод хурмы сорта «Шоколадный королек»

В таблице 4 представлены результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в разрезанный плод хурмы сорта «Яблочный»

Табл. 4. Результаты исследования изменений усилия нагружения на инденторе в зависимости от глубины его внедрения в разрезанный плод хурмы сорта «Яблочный»

Из рисунков 2–5 видно, что в результате низкотемпературного воздействия обычным способом на незащищенный криолабильный продукт, после размораживании он теряет свои структурно-механические свойства. Однако, как видно из тех же рисунков, пенетрация пектина и обработка электромагнитным полем низкой частоты позволяет защитить часть структурно-механических свойств продукта.

На рисунке 2 показано, что в результате обработки продукта криопротектором, улучшаются структурно-механические свойства продукта (исследование проводили на нарезанных плодах киви).

Из рисунка 3 видно, что электромагнитное поле низкой частоты уменьшает усилие заданной деформации, что обусловлено активацией некоторых ферментов и выходу влаги из внутриклеточного пространства в межклеточное.

Таблицы 1–4 в цифрах показывают потерю криолабильным продуктом качества после низкотемпературного воздействия, что доказывает, что с помощью данной методики можно заметить разницу между обрабатываемыми холодом продуктами.

2 Определение предельного напряжения сдвига пищевых продуктов.

2.1 Киви сорта «Хейворд»

На графике (рис. 6) показана кинетика изменения усилия нагружения на инденторе «конус» при его внедрении в пищевой продукт (замороженный, свежий и размороженный).

зеленая – свежий,

темно-зеленый – свежий обработанный ЭМП НЧ,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

красная – размороженный после обычного способа замораживания

Рис. 6. Кинетика изменения усилия нагружения индентора «конус» при его внедрении в нарезанный киви

2.2 Фейхоа

На рис. 7 показана кинетика изменения усилия нагружения при внедрении индентора в фейхоа.

зеленая – свежий,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

красная – размороженный после обычного способа замораживания

Рис. 7. Кинетика изменения усилия нагружения индентора «конус» при его внедрении в цельный фейхоа

2.3 Хурма сорта «Яблочный»

На рис. 8 показана кинетика изменения усилия нагружения при внедрении индентора в плод хурмы сорта «Яблочный»

зеленая – свежий,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

темно-зеленая – свежий обработанный ЭМП НЧ,

красная – размороженный после обычного способа замораживания

Рис. 8. Кинетика изменения усилия нагружения индентора «конус» при его внедрении в нарезанный плод хурмы сорта «Яблочный»

2.4 Хурма сорта «Шоколадный королек»

На рис. 9 показана кинетика изменения усилия нагружения при внедрении индентора в плод хурмы сорта «Шоколадный королек».

зеленая – свежий,

голубая – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

синяя - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

красная – размороженный после обычного способа замораживания,

темно-зеленая – свежий обработанный ЭМП НЧ

Рис. 9. Кинетика изменения усилия нагружения индентора «конус» при его внедрении в нарезанный плод хурмы сорта «Шоколадный королек»

Из анализа результатов исследований, самый худший показатель реологических характеристик у киви (особенно ярко выражено у плода, замороженного жидким азотом), что обусловливается нежной структурой тканей плода. Не рекомендуется производить замораживание киви жидким азотом из-за сильного расслаивания после размораживания.

В целом, судя по графикам, представленных на рисунках 6–9 можно сделать вывод о преимуществе рекомендуемого способа замораживания перед обычным способом.

Следует отметить линии на графиках, показывающие результаты анализа после обработки продукта ЭМП НЧ. В результате воздействия ЭМП НЧ, продукт теряет часть структурно-механических свойств, в результате имея схожие показатели с замораживанием обычным способом. Но, учитывая, что это обусловливается выходом влаги из продукта, применение ЭМП НЧ является перспективным для пищевых продуктов, имеющих повышенное влагосодержание.

Выше представленной информации не хватает, чтобы вполне оценить каждый способ обработки в свете его влияния на продукт с точки зрения качества, и как результат, дать оценку технологии для внедрения в производство.

3 Химический состав субтропических фруктов

Нами было проведено исследование химического состава киви (табл. 5)  после тех же самых способов обработки, которые применялись при анализе реологических характеристик: 1 – свежий, 2 – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂, 3 – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂, 4 – размороженный после обычного замораживания, 5 – свежий обработанный ЭМП НЧ, 6 – свежий обработанный пектином.

Данные по химическому составу других продуктов (фейхоа, хурма) в таблице 6-8 составлены на основе средне приводимого в различных источниках показателя.

3.1 Киви сорта «Хейворд»

В табл. 5 представлен химический анализ нарезанного плода киви.

Табл. 5. Химический состав киви

* 1 – свежий, 2 - размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и СО₂,

3 – размороженный после обработки пектином, ЭМП НЧ и N₂,

4 - размороженный после обычного замораживания,

5 - свежий обработанный ЭМП НЧ, 6 – свежий обработанный пектином

Из таблицы 5 следует, что пектин частично существенно позволяет защитить криолабильные витамины и минеральные вещества, а также белки при воздействии низких температур. Воздействие электромагнитного поля низкой частоты позволяет увеличить выход питательной среды (влаги) для микроорганизмов.

Далее в таблицах 6–8 приведены данные химического состава свежих субтропических фруктов (фейхоа, хурма) без нашей обработки.

3.2 Фейхоа

В табл. 6 представлен химический состав цельного плода фейхоа.

Табл. 6. Химический состав фейхоа

3.3 Хурма сорта «Яблочный»

В табл. 7 содержатся данные по химическому составу разрезанного плода хурма сорта «Яблочный».

Табл. 7. Химический состав хурмы сорта «Яблочный»

3.4 Хурма сорта «Шоколадный королек»

В табл. 8 представлены показатели химического состава разрезанного плода хурма сорта «Шоколадный королек».

Табл. 8. Химический состав хурмы сорта «Шоколадный королек»

Из таблиц 6–8 можно судить о перспективах применения быстрого замораживания с использованием нашей технологии, ведь из приведенных таблиц химического анализа субтропических фруктов видно, что в данных фруктах содержится большое количество питательных веществ, необходимых для нормального снабжения ими организма в несезонный период.

Выводы

Итак, из данных представленных с данной публикации графиков следует, что при размораживании криолабильный растительный продукт значительно теряет свои реологические характеристики.

Благодаря дивергенции в линиях графика по свежему и дефростированному продуктам, что определяет качественные реологические характеристики замороженного криолабильного растительного полуфабриката, в дальнейшем нами планируется проводить исследования на аппарате «Структурометр СТ-2» в целях исследования влияния различных видов обработки при заданных режимах на криолабильное субтропическое сырье.

На основе анализа реологических характеристик криопротектированных продуктов, оптимальное время пенетрации 1,5 %-го раствора пектина в киви – 15 минут. Благодаря защитным свойствам пектина в результате замораживания сохраняется большая часть питательных веществ.

Обработка продуктов ЭМП НЧ позволяет перейти влаги продукта из связанного внутриклеточного пространства в межклеточное.

Одной из основных задач в технологии замораживания на сегодняшний день является совершенствование обработки растительного сырья низкотемпературными средами с целью получения полуфабрикатов с длительным сроком хранения и высокими потребительскими и производственными качествами.

Высокие производственные качества определяются масштабностью применения в промышленности. Повышению производственных качеств способствует метод фракционирования, т.е. разделение измельченного продукта на фракции. Фракционирование (замороженных или сублимированных) продуктов достигается за счет предварительного замораживания и измельчения. Следует отметить, что по данным И.А. Рогова, Б.С. Бабакина и Ю.А. Фатыхова многие виды сырья (продуктов) биологического происхождения эффективно поддаются измельчению при температуре в их центре не более -28…-40 °С.

По существу на данный момент одной из задач является получение криопорошков их субтропического сырья.

На рис. 1 представлена схема, раскрывающая возможности применения фракционированных замороженных и сублимированных субтропических продуктов.

Рис. 1. Направления применения фракционированных замороженных и сублимированных субтропических продуктов

Исходя из данных, представленных на рисунке 1 можно сказать, что криообработка субтропического сырья обладает широкими перспективными возможностями за счет практического широкомасштабного применения в пищевой и фармакологической промышленности. На данный момент существующий ассортимент криопорошков позволяет использовать при производстве продуктов различного вида и назначения.

На рис. 2 представлена технологическая схема производства замороженных продуктов.

 Рис. 2. Технологическая схема производства фракционированных замороженных/сублимированных полуфабрикатов из субтропического сырья

На представленной выше технологической схеме фигурными скобками выделены вспомогательные технологические процессы, не относящиеся к процессу изменения свойств обрабатываемого продукта. На данном этапе необходимо обеспечить качественную транспортировку, приемку, хранение и др. процессы с учетом требований ГОСТов или технических условий, регламентирующих обращение с фруктовым субтропическим сырьем.

Одним из главных условий на этапе транспортирования и хранения является условие гигиеничности транспорта. Не допускается перевозка сырья вместе с другими видами продуктов (мясом, рыбой, молоком и т.д.).

Субтропические плоды, как и другие виды растительных продуктов не должны подвергаться абразивному воздействию (удары, порезы и т.п.), т.к. незащищенная кожицей мякоть субтропических фруктов начинает подвергаться окислению со стороны воздуха, вследствие чего происходит переход к гиперфазе активизации деятельности ферментов и повышению интенсивности дыхания. Как результат – выбраковка части партии сырья.

Выделенные в технологической схеме холодильные процессы выглядят наиболее сложными во всем процессе производства. Также во многом из-за высокой стоимости сжиженных газов (диоксид углерода, азот) продукт имеет высокую себестоимость. Но благодаря существенному прорыву в технологическом способе получения азота методом мембранного разделения на собственно азот и кислород с парами воды появилась перспектива значительного удешевления производства криозамороженных продуктов. Затруднением является экспансия данного метода на предприятия холодильной пищевой промышленности.

Возможности переработки отходов субтропического сырья

Также в КубГТУ изучается возможность безотходной технологии производства субтропического (растительного) сырья.

Целью данного исследования является получение безотходной технологии обработки растительного сырья.

Объектом исследования выступает вторсырье, остающееся после обработки растительного сырья.

В рамках теоретико-эмпирических исследований, сотрудниками проведен ряд опытов по безотходному производству замороженных фруктов. На базе исследований планируется подготовить заявки на изобретения.

На рис. 3 представлена технологическая схема переработки отходов, остающихся после производства растительного сырья методом криоконсервирования (метод 1).

Рис. 3. Технологическая схема переработки отходов из растительного сырья (метод 1)

В качестве добавочных компонентов могут быть как недорогие стабилизирующие вещества и криопротекторы, так и вещества, увеличивающие питательную ценность продукта (например, в качестве корма животным).

На рис. 4 показана аналогичная представленной выше технологическая схема переработки отходов (метод 2), остающегося после криоконсервирования растительного сырья.

Рис. 4. Технологическая схема переработки отходов из растительного сырья (метод 2)

Второй метод от первого отличается меньшей стоимостью за счет применения сушки перед замораживанием, за счет которой отпадает необходимость криокристаллизирования влаги продукта, т.к. в результате качественной сушки в продукте остается порядка до 20-25 % влаги. Вторым отличием является исключение из процесса дорогостоящей сублимации. Необходимо отметить, что при этом влаги в продукте останется в 2-4 раза больше, чем при использовании 1 метода.

Кроме того, витаминно-минеральный состав при переработке первым методом будет существенно лучше благодаря применению добавок (например, недорогого криопротектора). После криоизмельчения частью кристаллизованная сжиженным криогенным газом влага будет сублимировать в атмосферу.

Об изложенном в публикации можно кратко сделать вывод, что совершенствование обработки субтропических продуктов методом низкотемпературного консервирования и обезвоживания позволяет творчески подойти к решению задач. Криопорошки и замороженные фракционированные полуфабрикаты обладают широкими рамками применения и имеют неоспоримые преимущества в хранении. Криопереработка отходов растительного (субтропического) сырья остается открытым направлением, но потенциально имеет высокие энергозатраты, что задерживает ее практическое применение.

При потреблении таких плодов, как уже  неоднократно доказано учеными, у людей возникают различные мутации в организме и репродуктивная дисфункция, что поставило реальную угрозу существования здоровых людей.

Таким образом, ежегодно происходит увеличение числа генномодифицированных овощей и фруктов, потребляемых населением. Остановить этот процесс в условиях постоянно растущей урбанизации населения и глобальной рыночной экономики ни экономическими, ни какими-либо другими способами невозможно. Единственный способ – увеличить число выращиваемых за год овощей и фруктов путем ускорения роста растений, плодоношения и увеличения габаритов плодов, при этом без использования химических веществ, вне зависимости от природно-климатических и почвенных условий выращивания. – Это один из предлагаемых авторами приемов органического земледелия.

Предварительно выполненными поисковыми исследованиями нами установлена возможность эффективного воздействия на овощное и фруктовое сырье постоянными и импульсными электромагнитными полями различной частоты, мощности, напряженности и индуктивности [1–4]. Такое воздействие на исследуемые объекты возможно путем обработки сырья специально сконструированными электромагнитными генераторами и излучателями постоянного поля в интервале от 1…100 Гц.

В ближайшее время актуально решение следующих фундаментальных проблем, возникающих из-за потребления генномодифицированных овощей и фруктов:

- возникновение различного рода мутаций в человеческом организме;

- увеличение числа людей с нарушенной репродуктивной функцией.

Каждая из этих проблем далее передаются по наследству следующим поколениям.

Кроме того, генномодифицированные овощи и фрукты, характеризуются худшими органолептическими показателями (прежде всего, вкуса и аромата) и низкими показателями химического состава. Из-за низких органолептических достоинств людям приходится питаться в основном мясными, молочными и рыбными продуктами, около 90…95 % которых обрабатываются консервантами, вызывающих аналогичные проблемы – мутации в организме человека и репродуктивную дисфункцию.

На взгляд авторов перечисленные проблемы удается решить путем использования супер магнитно-резонансного генератора, который позволяет:

1) ускорить рост растений и, соответственно, увеличить число выращиваемых фруктов с одного растения;

2) ускорить плодоношение и увеличить число плодоношения растений, тем самым увеличить число выращиваемых за год овощей и фруктов вне зависимости от природно-климатических и почвенных условий выращивания, без использования химических веществ;

3) увеличить габариты выращиваемых плодов.

Все это даст возможность стабильно снабжать население натуральными овощами и фруктами увеличенных габаритов, с лучшими органолептическими показателями (прежде всего, вкусом и ароматом) и повышенным содержанием витаминно-минерального комплекса, в течение всего года вне зависимости от природно-климатических и почвенных условий выращивания, без использования химических веществ.

С применением генератора постепенно придется отказаться от выращивания генномодифицированных овощей и фруктов, использования химических веществ, повысить долю потребления населением фруктов и овощей и значительно снизить потребление мясных, молочных и рыбных продуктов, произведенных с использованием консервантов.

Процесс разработки генератора стоится по следующим этапам.

1 этап. Разработка магнитно-резонансного генератора широкой зоны действия на основе авторских теоретических и экспериментальных исследований.

2 этап. Изготовление разработанного магнитно-резонансного генератора.

3 этап. Апробация использования разработанного магнитно-резонансного генератора на растениях и плодах, овощах в целях установления наличия эффекта роста растений, их плодоношения, увеличения габаритов плодов, в зимний, весенний, летний и осенний периоды.

4 этап. Определение оптимального расположения генератора в зависимости от зоны его действия. Определение оптимальных частотных диапазонов, мощности, напряженности и индуктивности электромагнитного поля для различных видов плодовых растений и овощей в зависимости от зоны распространения электромагнитного поля. Определение способа стабилизации и оптимизации работы генератора.

Показатели наличия эффекта магнитно-резонансного генератора определяются на основании:

+ органолептических показателей овощей и фруктов;

+ химического состава овощей и фруктов;

+ реологических показателей овощей и фруктов;

+ габаритов растений;

+ габаритов овощей и фруктов;

+ микроскопических исследований структуры овощей и плодов;

+ визуального анализа растений, овощей и фруктов;

+ магнитно-электрометрических измерений работы генератора и генерируемого им зоны действия электромагнитного поля, и др.

Таким образом, разработка супер магнитно-резонансного генератора для ускорения роста и плодоношения растений должна стать одной из наиболее приоритетных задач российской науки. От качества и происхождения потребляемых фруктов и овощей, которые в первую очередь восполняют недостаток витаминно-минерального комплекса в рационе питания человека, зависит национальная безопасность страны с точки зрения устойчивости генофонда относительно вынужденных мутационных процессов, возникающих вследствие потребления генномодифицированных овощей и фруктов.

Защита от гидроудара холодильного компрессора и повышение показателя эффективности наряду с вопросом полной автоматизации холодильной машины остается главной проблемой исследований в области холодильной техники [1-3].

Явление гидроудара рассматривается, в частности, в работах [4-6]. Причинами гидроудара могут быть: неправильно подобранный терморегулирующий вентиль, неудачный монтаж и конструкция нагнетательного трубопровода, попадание рабочего вещества в жидком состоянии во всасывающую полость компрессора и т.д. В статье рассматривается защита от гидроудара при попадании во всасывающую полость рабочего вещества в жидком состоянии.

В настоящее время самым простым и недорогим способом защиты от гидроудара остается использование отделителя жидкости, предназначенного для отделения жидкой фазы холодильного агента [7-8].

Недостатками применения отделителя жидкости можно назвать:

- ввиду высокой степени автоматизации современных холодильных машин этот способ может считаться морально устаревшим;

- наличие гидравлического сопротивления;

- уменьшение удельной объемной производительности. Этот недостаток снижает в некоторой степени эффективность холодильной машины (показатель холодильного коэффициента ε). Как показала практика жидкостного впрыска, поршневой компрессор способен работать в режиме «на грани влажного хода» (безопасного влажного хода), поэтому видится перспективным применение средств автоматизации, которые, при некритичном значении соотношения в рабочем веществе влажный-перегретый пар, способствовали его перенаправлению в обход отделителя жидкости.

Кроме отделителя жидкости, применяется «косвенная защита» от гидроудара с помощью направления рабочего вещества из испарителя через электродвигатель (для герметичных и полугерметичных компрессоров) или через рекуперативный теплообменник. Кроме косвенной защиты от гидроудара, этими способами достигается следующее:

- теплообмен между рабочим веществом на всасывании и электродвигателем (т.е. пропускание рабочего вещества через обмотку электродвигателя) позволяет снизить температуру электродвигателя [9];

- конвективный теплообмен в рекуперативном теплообменнике между парожидкостной смесью, поступающей из испарителя, и жидкой фазой рабочего вещества, направляемой к терморегулирующему вентилю, способствует увеличению показателя холодильного коэффициента, поскольку температуру переохлаждения хладоагента после конденсатора для хладоновых холодильных машин / установок с рекуперативным теплообменником определяют по удельной энтальпии (2), исходя из уравнения теплового баланса процесса в рекуперативном теплообменнике (1) [10]:

i₃ = i_3′ + i_1′ – i_1”, кДж/кг,                     (1)

i₃ = i_3′ – (0,60…0,85) × (i_1” – i_1′), кДж/кг,             (2)

где    i_3′, i_1” и i_1′ – соответственно энтальпии точек 3′, 1” и 1′ (рис. 3);

0,60…0,85 – коэффициент (обычно, принимается равным 0,8), учитывающий «потери» из-за разницы теплоёмкостей (более, чем в 2 раза) и скорости движения сухого насыщенного пара и жидкой фазы хладоагента. Например, перегрев пара в рекуперативном теплообменнике хладоагента R134a на каждые 5 °С дает переохлаждение жидкости на 3…4 °С.

Недостатками перечисленных выше двух способов, которые условно назовем «конвективными», является следующее:

- при снижении тепловой нагрузки в более холодный период, площади теплообмена рекуперативного теплообменника может быть недостаточно для предотвращения гидроудара вследствие невыкипания жидкости, поступающей из испарителя. Кроме того, известно из практики, что низкая температура окружающей среды создает проблемы с работой холодильной машины из-за недостаточного перепада давлений конденсации P_к и кипения P₀ (что также усиливает вероятность гидроудара). Особенно эта проблема актуальна для водяных конденсаторов. Для холодильных машин и воздушным конденсатором применяют реле давления, включающее вентилятор по достижению заданного давления нагнетания или регулятор давления конденсации KVR или кипения KVP [11], что, однако, не всегда решает обозначенную проблему, и не способствует повышению холодильного коэффициента.

Применяемый в настоящее время жидкостный впрыск (в частности, фирма Bitzer, система CIC [12]) предназначен для двухступенчатых холодильных компрессоров, но недостаточно надежен и не предназначен для защиты от гидроудара.

Учитывая написанное выше, следует заключить о перспективах применения системы автоматической защиты, которая позволяла повысить показатель холодильного коэффициента и одновременно с этим защитить поршневой холодильный компрессор от гидроудара.

Цели и задачи исследования

Объект исследования – холодильный поршневой компрессор.

Предмет исследования – система автоматической защиты холодильного поршневого компрессора от гидроудара.

Цель исследования – проанализировать возможность повышения показателя холодильного коэффициента на основе способа автоматической защиты холодильного поршневого компрессора от гидроудара.

Предлагается автоматическая защита холодильного поршневого компрессора от гидроудара, суть которой состоит в применении датчиков и реле, перенаправляющих холодильный агент с помощью двухпозиционных электромагнитных клапанов из основной линии всасывания (безопасную – с отделителем жидкости) через неосновную (без отделителя жидкости). Кроме защиты компрессора от гидроудара, в зависимости от особенностей холодильной установки, достигается следующее:

- снижение гидравлического сопротивления на линии всасывании и в отделителе жидкости. Каждый вспомогательный аппарат холодильной машины (установки) характеризуется гидравлическим сопротивлением. Проходя через отделитель жидкости, давление холодильного агента несколько снижается, и достигает минимального значения непосредственно перед всасывающим клапаном. Однако это достоинство превращается в недостаток, если учитывать, что предлагаемая защита от гидроудара требует установки дополнительной автоматической запорной арматуры (соленоидные клапаны), исходя из этого, можно приблизительно оценить, что один недостаток компенсируется другим, и данный фактор можно не учитывать;

- при «некритичном» соотношении объемов всасываемого рабочего вещества, находящегося в двухфазном состоянии во всасывающей линии (пар – жидкость), растет показатель объемной производительности компрессора, и, соответственно, значение холодильного коэффициента ε, а также снижается температура нагнетания во второй ступени 2-ступенчатой машины. Видится альтернатива используемого в последнее время жидкостному впрыску.

Основная часть

Основная идея предлагаемого способа заключается именно в повышении холодильного коэффициента за счет безопасного влажного хода.

Если все же рассматривать снижение гидравлического сопротивления, то, открыв литературу по проектированию холодильных установок, можно увидеть, что значения коэффициента, учитывающего потери давления во всасывающей линии и отделителе жидкости, столь незначительны, что в расчетах холодильных установок их можно не учитывать [13-15]. Вместо этого для крупных и средних холодильных установках чаще при приблизительных расчетах используют формулы для определения депрессии на линиях всасывания и нагнетания, или общий коэффициент потерь давления Δp, которым и вовсе пренебрегают; для расчета насосов более важное значение имеют потери температуры на линиях циркуляции хладоносителя.

Потери давления (депрессии) на всасывании ∆p_вс и нагнетании ∆p_н
для холодильных поршневых аммиачных компрессоров:

∆p_вс = (0,03…0,05) p₀, Па,                 (3)

где    p₀ – давление кипения холодильного агента, Па;

∆p_н = (0,05…0,07) p_к, Па,                 (4)

где    p_к – давление конденсации холодильного агента, Па.

Автоматическая защита от гидроудара может достигаться за счет установки на всасывающей линии одного из предлагаемых элементов:

- датчика расхода, реагирующего на прохождение более плотной фазы рабочего вещества в состоянии влажного пара;

- датчика плотности, отзывающегося на изменение плотности проходящего по всасывающему патрубку рабочего вещества;

- датчика концентрации.

Многие из перечисленных элементов автоматической защиты работают на основе изменения напряжения на датчике (ΔU, В), который имеет сопротивление (R, Ом).

Рассмотрим два случая применения датчиков, работающих на основе изменения сопротивления (напряжения).

1. Датчик представляет собой термистор (терморезистор).

Известно, что чем ниже температура, тем выше сопротивление термистора. Для многих полупроводников сопротивление термистора выражается экспоненциальным законом, а график функции в рабочем диапазоне температур представляет собой, в частном случае, функцию обратной пропорциональности вида (гипербола):

y = k/x,                        (5)

или, например,

y = log_ax,                         (6)

и т.д.

На самом деле, реальные расчётные формулы (для конкретных случаев) достаточно сложны, и определяются на заводах-изготовителях, исходя из характеристик реальных термисторов.

2. Датчик представляет собой термопару – спай двух проводников (термоэлектродов, при нагревании «горячего» спая на концах «холодного» спая образуется термоэлектродвижущая сила постоянного тока).

Согласно уравнению функции прямой пропорциональности (только для заранее определенного диапазона температур, поскольку дальше функция становится нелинейной, скорее, параболической вида y = x²):

y = kx + b,                        (7)

где     y – зависимая переменная;

x – аргумент;

k = tgα,

а, согласно закону Ома:

U = IR,                         (8)

где    I – сила тока, А,

соответственно

U = IRdR,                        (9)

dU = IdR.                        (10)

Известно, что чем ниже температура, тем ниже сопротивление термопары, соответственно:

R_t = R₀ (1 + at),                     (11)

где     R_t – сопротивление датчика R (Ом) при его нагревании на t (℃);

R₀ – сопротивление датчика (Ом) при t₀ = 0 ℃;

t – температура, ℃;

a – температурный коэффициент изменения сопротивления.

Учитывая, что работа термопар сравнительно хорошо изучена, надежность достаточна, а цена ниже, чем термисторов, то применение термопар предпочтительнее.

На рис. 1 показана схема подключения системы автоматической защиты холодильного поршневого компрессора от гидроудара при использовании во всасывающей линии датчика влажного хода.

На схеме предусмотрены два ответвления линии всасывания: основная (безопасная, с отделителем жидкости) и неосновная (без отделителя жидкости).

PSL – реле низкого давления аварийное; PI – манометр; PSH – реле высокого давления аварийное; Км – компрессор; КС – клапан соленоидный; ОЖ – отделитель жидкости; E – датчик влажного хода; Кт – контроллер влажного хода; РЗГ – реле защиты от гидроудара

Рисунок 1 – Схема электрического подключения системы автоматической защиты холодильного поршневого компрессора от гидроудара при использовании во всасывающей линии датчика влажного хода

Предлагаемое на рис. 1 техническое решение работает следующим образом. При изменении электрического сопротивления (напряжения) датчика влажного хода E срабатывает контроллер влажного хода Кт, управляющий реле РЗГ, которое подачей электрического тока на катушки соленоидных клапанов КС перенаправляет поток холодильного агента с опасной концентрацией жидкой фазы через отделитель жидкости (т.е. холодильный агент движется к компрессору через безопасную линию, с отделителем жидкости).

Клапан соленоидный устанавливается в непосредственной близости от всасывающего патрубка компрессора.

На рис. 2 показана представлена схема автоматической защиты холодильного поршневого компрессора от гидроудара при использовании во всасывающей линии датчика влажного хода.

Приборы автоматической защиты: PS – реле давления; PI – манометр; H – пост кнопочный;
E – датчик влажного хода; AS – реле автоматической защиты компрессора от гидроудара;
Значения величин: L – срабатывание прибора по низкому давлению; H – срабатывание прибора по высокому давлению;
Рисунок 2 – Схема автоматической защиты холодильного поршневого компрессора от гидроудара при использовании во всасывающей линии датчика влажного хода

Ввиду опасности гидроудара при поломке соленоидного клапана, обозначенного на схеме (рис. 2) под номером 10, рационально установить резервный клапан.

При увеличении/уменьшении сопротивления R вследствие изменения показателя соотношения жидкой/газообразной фаз или температуры рабочего вещества на всасывании холодильной машины, меняется U, соответственно, контроллером подаётся команда исполнительным элементам (соленоидным клапанам) на открытие/закрытие проходного сечения линий всасывания.

Исходя из представленных выше схем, работа системы автоматической защиты компрессора от гидроудара на основе контроллера влажного хода допускается задавать по:

1) падению температуры t_вс на всасывании (в точке t_р.т, см. рис. 3). Если при установившемся рабочем режиме снижается температура всасывания t_вс, при одновременном снижении температуры в холодильной камере t_вн и температуры в испарителе t_исп (повышение разницы температур последних двух датчиков на величину Δt определяет образование снеговой шубы), то контроллер принимает данный сигнал как прохождение насыщенного/влажного пара (предельное значение), при превышении порогового значения этой температуры t_вс контроллер переключает контакты и электрический ток течет на через отделитель жидкости;

2) по изменению соотношения пар/жидкость на базе их датчиков: расхода, плотности или концентрации. Другими словами, предлагаемый датчик влажного хода в данном случае может быть выполнен на основе датчика расхода, плотности или концентрации. Из перечисленных датчиков наиболее перспективными подвидами, на примере которых может быть создан датчик влажного хода, могут считаться:

- акустический расходомер;

- электромагнитный расходомер;

- ультразвуковой плотномер;

- полупроводниковый датчик концентрации.

Присутствие в холодильном контуре компрессорного масла несколько усложняет задачу, однако, задача остается решаемой.

На диаграмме условные обозначения: давления: P_к и P₀ – конденсации и кипения; температуры: t_к и t₀ – конденсации и кипения; t_п – переохлаждения жидкости в рекуперативном теплообменнике; t_и – пара на выходе из испарителя; t_р.т – пара после рекуперативного теплообменника; t_вс – всасывания; t_н – нагнетания
Рисунок 3 – Цикл холодильной машины с рекуперативным теплообменником в термодинамической диаграмме

Температуры: t₀ – кипения; t_к – конденсации; t_вс – всасывания; t_н – нагнетания

Рисунок 4 – Цикл холодильной машины без рекуперативного теплообменника

в термодинамической диаграмме

Температуры: t₀ – кипения; t_к – конденсации; t_вс – всасывания; t_н – нагнетания

Рисунок 5 – Цикл двухступенчатой аммиачной холодильной машины с полным промежуточным охлаждением пара
после компрессора первой ступени и промежуточным сосудом змеевиковым

Далее рассмотрим, как применение вышеуказанного способа защиты от гидроудара влияет на показатель холодильного коэффициента.

Вспомним, что показатель холодильного коэффициента определяется выражением:

ε = Q₂ / |A| = T₀ / (T – T₀),                (12)

где    Q₂ – теплота, поглощаемая хладоагентом, кДж;

A – работа (отрицательная) цикла холодильной машины, кДж;

T₀ – температура хладоагента, К;

T – температура теплоотдающего тела, К.

Работа компрессора в граничных условиях (на грани влажного хода) позволяет повысить удельную работу сжатия, и, соответственно, показатель холодильного коэффициента, поскольку удельная работа сжатия [10]:

- одноступенчатого компрессора (или первой ступени двухступенчатого компрессора):

l_т1 = i₂ – i₁, кДж/кг,                    (13)

где    i₂ и i₁ – энтальпии точек 3 и 1 (рис. 3-4), 

- второй ступени двухступенчатого компрессора:

l_т2 = i₄ – i₃, кДж/кг,                    (14)

где    i₄
и i₃ – энтальпии точек 4 и 3 (рис. 5), в свою очередь, теоретическая мощность компрессоров:

- одноступенчатых:

N₁ = М₁ × l_т1, кВт,                    (15)

где    М₁
– массовый расход хладоагента, кг/с;

l_т – удельная работа сжатия паров компрессоре, кДж/кг,

- двухступенчатых:

N_т2 = М₂ × (i₄ – i₃), кВт,                (16)

где    M₂ – массовый расход хладоагента на 2-й ступени, кг/с,

а действительный массовый расход хладоагента для:

- одноступенчатого компрессора (или первой ступени двухступенчатого компрессора):

М₁ = λ × V₁ / v₁, кг/с,                    (17)

где    λ – коэффициент подачи компрессора, м³/кг;

V₁ – объёмная подача (производительность) компрессора, исходя из требований уменьшения коэффициента рабочего времени (0,5…0,8), м³/с;

v₁ – удельный объём всасываемого пара, м³/кг,

- второй ступени двухступенчатого компрессора:

М₂ = М₁ × [(i₂ – i₇) / (i₃ – i₆)], кг/с.                (18)

где    i₂, i₇, i₃ и i₆ – энтальпии точек 2, 7, 3 и 6 (рис. 5),

и действительная производительность (холодильная мощность) холодильной машины (одноступенчатой или двухступенчатой с одной температурой кипения) составляет:

Q_0д = М₁ × q₀, кВт,                    (19)

где    q₀ – удельная массовая холодильная мощность хладоагента, кДж/кг.

Исходя из указанных выше формул видно, что, с ростом массового (или объемного) расхода хладоагента, пропорционально растет показатель холодильной мощности, соответственно (на примере одноступенчатого компрессора):

N₁ = (М₁ + ΔМ₁) × (l_т1 + Δ l_т1), кВт,                (20)

другими словами:

- увеличивается показатель массового расхода хладоагента на величину ΔМ₁;

- увеличивается удельная работа сжатия на величину Δl_т1 за счет поступления во всасывающую полость компрессора пара с более низкой температурой t_вс (для циклов без рекуперативного теплообменника, рис. 4), соответственно, адиабата сжатия приблизится к правой пограничной кривой термодинамической диаграммы, уменьшая тем самым количество теплоты, которое нужно отвести в конденсаторе;

отсюда следует, что:

ε = Q₂ / |A – ΔA|,                    (21)

где    ΔA – уменьшение работы холодильной машины, кДж.

Аналогично для цикла двухступенчатой холодильной машины.

Следует отметить, что, по сравнению с другими вариантами увеличения холодильного коэффициента, предлагаемый способ не поставлен в зависимость от уравнения теплового баланса, поскольку отделитель жидкости не участвует в теплообмене.

Поступление холодильного агента с большой плотностью увеличивает показатель холодильной мощности, т.е. в единицу времени компрессор выполняет большую работу в граничных условиях (на грани влажного хода) на величину ΔМ₁.

Кроме того, вместо применяемой в настоящее время емкости для отделения жидкой фазы хладоагента предлагаемый способ увеличивает «степень автоматизации» холодильной машины, что упрощает контроль и эксплуатацию холодильной машины.

Заключение

Таким образом, по сравнению с озвученными в начале статьи способами – применения отделителя жидкости, направление рабочего вещества через электродвигатель компрессора, использование рекуперативного теплообменника – предлагаемый в статье способ
автоматической защиты холодильного компрессора от гидроудара позволяет (при определенных условиях) несколько повысить показатель холодильного коэффициента. Этот способ перспективен для малых и средних холодильных машин и установок, однако требует более глубокого изучения и опытной апробации. Недостатком данного способа является немалые капитальные затраты, сопоставимые с затратами на жидкостный впрыск, применяемый, в частности, для двухступенчатых компрессоров.

В советский период расчёт холодильного поршневого компрессора приводился в литературе под авторством следующих учёных: Розенфельд Л.М., Ткачев А.Г., Гуревич Е.С., Фотин Б.С., Пирумов И.Б., Прилуцкий И.К., Пластинин П.И., Кошкин Н.Н. и др.

Иностранная литература представлена, в основном, периодом 1980…2010 гг., поэтому из зарубежных источников можно выделить небольшое число источников, например, [1-2], в которых, однако, не приводится последовательность динамического расчёта поршневого холодильного компрессора. Следует отметить высокую публикационную активность автора Heinz P. Bloch.

Делая краткий вывод по вышесказанному, можно резюмировать, что в настоящее время информации по холодильной тематике, связанной с холодильными поршневыми компрессорами, недостаточно [3], а современные требования указывают на необходимость «свежей» литературы, не старше пяти лет. В России по холодильным компрессорам уже давно не выходили в свет новые учебные пособия, учебники, которые способствовали бы усвоению смысла и последовательности динамического анализа холодильного поршневого компрессора. Исходя из этого авторы решили привести подробную и понятную последовательность динамического анализа холодильного поршневого компрессора.

1. Исходные данные. Для расчета используем следующие данные [4]: хладагент R717; температура кипения хладагента t₀ = 0 °С; температура конденсации хладагента t_к = 35 °С; диаметр поршня D = 140 мм; ход поршня S = 0,126 м; степень сжатия – 3,14; температура всасываемых паров t_вс = 15 °С.

На рисунке 1 показана кинематическая схема компрессора с составляющими силами и углами для динамического анализа.

Рисунок 1 – Кинематическая схема компрессора с составляющими силами и углами для динамического анализа

Заранее следует отметить, что при проектировании холодильных компрессоров условно принято, что силы П, I_п, R_п, P (сумма П, I_п и R_п) и P_ш при их положительном значении вызывают сжатие шатуна. Положительная сила P_t действует против вращения вала, положительная сила P_r действует от кривошипа к оси вращения вала.

Для расчета сил и построений графиков используем компьютерную программу MS Excell, указав в ней значения функций (таблица).

Таблица – Функции для расчета значений сил и построения графиков

2. Построение расчетной индикаторной диаграммы. Потери давления (депрессии) на всасывании ∆p_вс и нагнетании ∆p_н
для аммиачных компрессоров:

∆p_вс = (0,03…0,05) p₀ = 0,05 × 4,4 бар = 0,22 × 10⁵ Па.             (1)

∆p_н = (0,05…0,07) p_к = 0,07 × 15 бар = 1,05 × 10⁵ Па.             (2)

Сила от давления всасывания:

p_всF_п = (p₀ – ∆p_вс) F_п = (4,4 – 0,22) × 10⁵ × 0,015386‬ ≈ 6431 Н.         (3)

Сила от давления кипения:

p₀F_п = p₀ × F_п = 4,4 × 10⁵ × 0,015386‬ ≈ 6770 Н.             (4)

Сила от давления конденсации:

p_кF_п = p_к × F_п 15 × 10⁵ × 0,015386‬ ≈ 23079 Н.             (5)

Сила от давления нагнетания:

p_нF_п = (p_к + ∆p_н) F_п = (15 + 1,05) × 10⁵ × 0,015386‬ ≈ 23694 Н.        (6)

Масштаб длин:

m_s = m_sG / m_sN = 1 / 1 = 1,                (7)

где    m_sG – значение длины на чертеже, мм;

m_sN – значение длины в натуре, мм.

Масштаб сил:

m_p = m_pG / m_pN, мм/Н,                     (8)

где    m_pG
– значение силы на чертеже, мм;

m_pN – значение силы в натуре, Н.

m_p = 1 / 200 = 0,005 мм/Н.

Так, длина П на индикаторной диаграмме в масштабе составит:

17586 Н / 100 = 117,24 мм.

Величина мертвого пространства (в абсолютном выражении):

С = c₀S, м,                         (9)

где    S – ход поршня, м.

Следует отдельно отметить,
что величина вредного пространства малой и средней производительности для вертикальных компрессоров – до 1 мм, горизонтальных 1,2…2,5 мм, средней и большой производительности определяется коэффициентом c₀ и может достигать больших значений.

С = 0,04 × 0,126 = 5 × 10^-3 м.

Радиус кривошипа:

r = S / 2 0,126 / 2 = 6,3 × 10^-2 м.                 (10)

Значение φ = 10…15°, примем φ = 10°.

Значение политропы сжатия для аммиачных компрессоров n_c = 1,20…1,25, политропы расширения n_р = 1,10…1,15. Примем n_c = 1,2, n_р = 1,1.

Построение политропы на индикаторной диаграмме (для сжатия ψ_с и расширения ψ_р):

(tgφ + 1)ⁿ = tgψ + 1.                     (11)

tgψ_с + 1 = (tg10° + 1)^1,2;        tgψ_с = (tg10° + 1)^1,2 – 1;        tgψ_с = 0,372;

ψ_с = arctg0,372 ≈ 20,4°;     tgψ_р + 1 = (tg10° + 1)^1,1;    tgψ_р = (tg10° + 1)^1,1 – 1;

tgψ_р = 0,196;     ψ_р = arctg0,196 ≈ 11,1°.

Ордината точки, соответствующая давлению p_н (p_нF_п):

y = m_pp_iF_п.                         (12)

y(p_нF_п) = 0,005 × 23694 Н = 118,47 мм;     y(p_кF_п) = 0,005 × 23079 Н = 115,40 мм.

y(p₀F_п) = 0,005 × 6770 Н = 33,85 мм;    y(p_всF_п) = 0,005 × 6431 Н = 32,16 мм.

Строим диаграмму по методу Брауэра [2] (рисунок 2). Это также возможно сделать по методу Брикса.

Рисунок 2 – Расчетная индикаторная диаграмма

Следует отметь, что линия сжатия c’-d на представленном выше графике не столь пологая, а линия a-d достаточно
длинна, поскольку степень сжатия составляет всего лишь 3,14; по этой причине в компрессоре достаточно, как видно из графика, около половины хода поршня для открытия нагнетательного клапана. Отсюда следует логичный вывод, что чем больше пологость политроп сжатия c’-d и расширения a-b и чем уже линии всасывания b-c и нагнетания d-a, тем больше степень сжатия компрессора и меньше период открытия всасывающего клапанов. Кроме того, при выполнении диаграммы желательно, чтобы точек, образующих адиабату сжатия, было как можно больше на диаграмме; количество точек обоих адиабат зависит так же от масштаба и углов ψ_с, ψ_р и φ. Данная диаграмма приблизительно отражает цикл поршневого холодильного компрессора.

3. Построение диаграммы суммарной силы. Отрезок от центра окружности О диаметром D, равным ходу поршня в масштабе длин, соответствующей α = 180°:

L = λ_rlr / 2 = 0,156 × 6,3 × 10^-2 / 2 = 4,914 × 10^-3 м,         (13)

где    λ_rl – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (λ_rl = 0,156);

r – радиус кривошипа, м.

Длина шатуна:

L_ш = r / λ_rl = 0,063 / 0,156 = 0,4038 м = 403,8 мм.     (14)

Масштаб длин выбирается таким же, как и на индикаторной диаграмме:

m_s = m_sG / m_sN = 2 / 1 = 2.

Примем массу поршня m_порш = 2,24 кг вместе с уплотнительными и маслосъемными кольцами и поршневым пальцем, массу шатуна m_ш = 5,13 кг.

Масса поступательно движущейся части шатуна, сосредоточенной на оси поршневого пальца:

m_ш.п = 1/3 m_ш = 1/3 × 5,13 = 1,71 кг.                 (15)

Итого масса поступательно движущихся частей:

m_п = m_п + m_ш.п = 2,24 + 1,71 = 3,95 кг.             (16)

Масса вращающейся части шатуна:

m_вр = 2/3 m_ш = 2/3 × 5,13 = 3,42 кг.                 (17)

Угловая скорость вращения (циклическая частота) коленчатого вала (и нижней головки шатуна):

ω = 2πn = 2 × 3,14 × 16 = 100,48 рад/с.             (18)

Силы инерции поступательно движущихся частей:

I_п = -m_пrω²(cosα + λ_rlcos2α), Н,                 (19)

где    m_п – масса поступательно движущихся частей (для бескрейцкопфных машин – относят поршень и часть шатуна – 1/3 его массы), кг;

r – радиус кривошипа, м;

ω² – угловая скорость вращения вала компрессора, рад/с;

α – угол поворота кривошипа (за начало принимается мертвая точка в начале хода поршня к валу);

λ_rl – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

I_п = I_п1 + I_п2, Н,                     (20)

где    I_п1, I_п2 – силы инерции первого и второго порядка, Н.

     I_п1 = -m_пrω²cosα, Н.                        (21)

     I_п2 = -m_врrω²λ_rlcos2α, Н.                    (22)

Силы инерции вращающихся частей:

I_вр = m_врrω², Н,                    (23)

где    m_вр – масса вращающихся частей (2/3 шатуна, масса шатунной шейки и другие неуравновешенные вращающиеся массы, приведенные к оси кривошипа), кг.

При построении диаграммы суммарной силы сила трения поступательно движущихся частей условно принимается постоянной. Значение силы трения для одного цилиндра:

            (24)

Мощность трения, исходя из теплового расчета:

N_тр = 82,6 × 30 = 2478 Н.

Депрессии давления на всасывании и нагнетании обычно составляют:

Δр_к = Δр₀ = 10 кН/м² = 10³ Па = 10^-3 МПа.

Для бескрейцкопфных компрессоров:

F_к = F_в = F_п.

Суммарная сила, действующая в направлении оси цилиндра:

P = П + I_п + R_п, Н,                     (25)

где    R_п – сила трения поступательно движущихся частей, Н.

Силы от давления газа на поршень:

П = [(p_к + Δр_н) × F_к] – [(p_в – Δр_вс) × F_в], Н,             (26)

где    p_к, p_в – давление со стороны крышки цилиндра и со стороны вала (примем равными соответственно p_к и p₀), Па;

F_к, F_в – площади поршня со стороны крышки и со стороны вала, м².

П = [(15 + 1,05) × 15,39 × 10^-3] – [(4,4 – 0,22) × 15,39 × 10^-3] × 10⁵‬ ≈ 18210 Н.

Условно силы, сжимающие шатун, считаем положительными, растягивающие – отрицательные.

Сила П меняет свое значение в зависимости от угла поворота кривошипа. Поскольку давление в картере бескрейцкопфных компрессоров равно давлению всасывания, то при развертывании индикаторной диаграммы по углу поворота кривошипа давление во всех точках уменьшается на величину, соответствующую давлению в картере.

Зависимость между углом поворота кривошипа α и перемещением поршня x:

x = r × (1+ λ_rl / 2 sin²α – cosα), мм,                 (27)

где    λ_rl – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

r – радиус кривошипа, м.

На диаграмме суммарной силы вырисовываются четыре кривые:

- сила трения, условно принятая постоянной R_п для четырех цилиндров, на графике. Знак этой силы меняется каждые 180º;

- сила давления газа на поршень П, определяется кривой, приведенной на индикаторной диаграмме;

- силы инерции поступательно движущихся частей I_п;

- суммарная сила ΣF, получающаяся при графическом суммировании всех указанных выше сил (через программу MS Excell).

Диаграмма суммарной силы приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Диаграмма суммарной силы

Из диаграммы видно, что максимальная сила сжатия составляет 18475 Н, максимальная сила растяжения составляет минус 1704 Н.

Диаграмма суммарной силы согласуется с индикаторной диаграммой по градусу повороту кривошипа и линии силы П.

Компрессоры большой степени сжатия π возможно определить по достаточно короткой линии нагнетания по сравнению с общей длиной линии, изображающей ход поршня S (менее 45º на диаграмме суммарной силы).

4. Построение диаграммы тангенциальных сил.

Тангенциальная сила, действующая на кривошип [3, 6]:

                 (28)

Сила, действующая на стенку цилиндра (или направляющую крейцкопфа):

P_н = Ptgβ, Н.                 (29)

Сила, действующая по оси шатуна:

P_ш = P / cosβ, Н.                     (30)

Значения силы P (на диаграмме ΣP) берутся из диаграммы суммарной силы для соответствующих α.

Сила трения вращающихся частей:

            (31)

Суммарная кривая тангенциальных сил можно рассматривать и как кривую момента, противодействующую вращения вала компрессора:

M_вр = (ΣP_t + R_вр) × r, Н×м.                 (32)

При построении диаграммы тангенциальных сил учитываем, что угол смещения кривошипов (при четырех цилиндрах) составляет 90º.

Диаграмма тангенциальных сил представлена на рисунке 4.

P_{t ср} – средняя величина тангенциальных сил; ΣP_t – суммарная кривая тангенциальных сил

Рисунок 4 – Диаграмма тангенциальных сил

Максимальная суммарная тангенциальная сила ΣP_t на сжатие составила 18113 Н, сила растяжения каждого P_t составляет -1165 Н.

5. Построение диаграммы радиальных сил.

Радиальная сила, действующая на кривошип:

                     (33)

Кроме силы P_r в радиальном направлении на кривошип действуют постоянные силы инерции вращающихся масс.

m_ш.вр = 2/3 m_ш = 2/3 × 5,13 = 3,42 кг.             (34)

Масса части шатунной шейки, приходящейся на один шатун:

                     (35)

где    d_ш.ш – диаметр шатунной шейки (примем равной 0,102 м), м;

l_ш.ш – длина шатунной шейки (примем равным 0,085 м), м;

ρ – плотность материала коленчатого вала, кг/м³.

Сила инерции от вращающейся части шатуна:

I_ш.вр = m_ш.врrω² = 3,42 × 0,063 × 100,48² ≈ 2175 Н.         (36)

Сила инерции от массы части шатунной шейки, приходящейся на один шатун:

I_ш.ш = m_ш.шrω² = 2,56 × 0,063 × 100,48² ≈ 1628 Н.             (37)

Силы инерции I_вр.ш и I_ш.ш действуют от оси вращения вала, т.е. являются отрицательными.

На кривошипный (шатунный) подшипник действует сумма сил:

P_r^‘ = P_r – I_ш.вр, Н.                     (38)

На вал компрессора действует сумма сил:

P_r^” = P_r – (I_ш.вр + I_ш.ш), Н.                 (39)

На рисунке 5 показана диаграмма радиальных сил.

Рисунок 5 – Диаграмма радиальных сил

Максимальная радиальная сила составила: P_r = 15513 Н; P_r’ = 13338 Н; P_r” = 11710 Н.

6. Уравновешивание. Чтобы компенсировать действие сил инерции, нужно применять многорядную компоновку и противовесы. Используем четырехрядную компоновку с двумя коленами (шатунными шейками) вала под углом 180°, угол между рядами – 90°. При данной компоновке силы инерции первого порядка взаимно уравновешены, силы инерции второго порядка не уравновешивают [1-2].

Результирующая сил инерции второго порядка, действующая по горизонтали:

I_п2 = 2√2 m_пrω²λcos2α, Н,                 (40)

где    m_п – масса противовеса, кг.

Силы инерции неуравновешенных вращающихся масс взаимно уравновешены.

Момент сил инерции первого порядка, действующий в плоскости колен, постоянный по величине при всех положениях вала:

M₁ = m_пrω²a, Н×м.                 (41)

где    a – расстояние между серединами колен, м;

b – расстояние между противовесами, м.

Этот момент может быть уравновешен двумя противовесами с массой, приведенной к радиусу кривошипа:

                     (42)

где    m_п – масса поступательно движущихся частей, кг.

Момент сил инерции второго порядка равен нулю.

Масса противовеса, приведенная к радиусу кривошипа:

                    (43)

где    V₀ – объем противовеса, м³;

ρ – плотность материала противовеса, кг/м³;

r_пр – расстояние от центра массы противовеса до оси вращения, м.

Рисунок 6 – Схема к расчету уравновешивания

Рисунок 7 – Схема к расчету противовесов

Масса неуравновешенной части щеки:

m_щ = V_щρ = 1,785 × 10^-4 × 7850 = 1,4 кг,            (44)

где    V_щ – объем неуравновешенной части щеки, м³.

Полная величина неуравновешенной части щеки:

                (45)

где    i – число шатунов на шатунной шейке, шт.;

m_ш.ш – масса части шатунной шейки, приходящейся на один шатун, кг;

r_щ – радиус инерции щеки;

m_щ – масса неуравновешенной части щеки, кг;

r – радиус кривошипа, м;

m_ш.вр – масса вращающейся части шатуна, кг.

Приведенная масса противовеса, уравновешивающая момент сил инерции неуравновешенных вращающихся масса:

                (46)

Полная приведенная масса противовеса:

            (47)

Масса противовеса:

                (48)

где    r_пр – приведенный радиус инерции противовеса, который определяется по принимаемым размерам противовеса известными методами механики, м.

Угол габарита противовеса:

           (49)

где    h_ср – средняя толщина противовеса, м.

Сила инерции противовеса:

I_пр = m_прr_прω² = 11,60 × 0,074 × 100,48² ≈ 8667 Н.        (50)

Сила инерции неуравновешенной части щеки:

I_щ = m_щr_щω² = 1,4 × 0,08 × 100,48² ≈ 1136 Н.            (51)

7. Расчет маховика. Окружная скорость обода (не должна быть выше 30…40 м/с для чугунных и 100 м/с – для стальных маховиков):

v_об = r_нω, м/с,                        (52)

где    r_н – радиус обода, м;

Максимальная избыточная работа:

            (53)

где    f_max – площадь наибольшей избыточной площадки на диаграмме тангенциальных сил, мм²;

m_х – масштаб длин, мм/м;

m_р – масштаб сил, мм/Н.

            (54)

Требуемый момент инерции маховика:

                (55)

где    δ – допускаемая степень неравномерности вращения вала компрессора (δ≤1/30…1/40 – при ременной передаче, δ≤1/80 – при соединении муфтой, δ≤1/8…1/10 – при частичной нагрузке).

Достаточная для обеспечения допускаемой степени неравномерности масса муфты:

                    (56)

где    r_и – радиус инерции муфты, м.

Степень неравномерности вращения муфты при ее массе 25 кг:

            (57)

v_об = 0,15 × 100,48 = 15,07 м/с.

Таким образом, рассмотрена особенности и структурированная последовательность выполнения расчетов для построения диаграмм тангенциальных сил и радиальных сил, расчета противовесов и маховика, выполняемых при проектировании холодильного поршневого компрессора.

Таким образом, рассмотрена рассмотрены особенности и структурированная последовательность выполнения расчетов для построения индикаторной диаграммы и диаграммы суммарных сил, производимых при проектировании холодильного поршневого компрессора.