автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Экспериментальное определение реодинамических характеристик картофельной мезги и теоретическое обоснование процессов ее гидротранспортирования

На правах рукописи

ПЕЛЕНКО ФЕДОР ВИКТОРОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАРТОФЕЛЬНОЙ МЕЗГИ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЕЕ ГИДРОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ

Специальность 05.18.12 -Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543052

Санкт - Петербург - 2013

005543052

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (НИУ ИТМО)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Верболоз Елена Игоревна

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Лисицын Александр Николаевич директор ГНУ ВНИИЖ Россельхозакадемии

кандидат технических наук, Вавилов Борис Кузьмич ФГБОУ ВПО "СПбГТЭУ" доцент кафедры технического обеспечения торговых и технологических процессов

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится 2013 года в /у часов

на заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО). Институт холода и биотехнологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9. Тел./факс: (812)315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 2013 года

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Интенсификация процессов обработки и снижение потерь сырьевых ресурсов на стадии промышленного производства - важная задача развития пищевой отрасли страны.

Особенностью современного этапа развития агропромышленного комплекса России является недостаточно широкое практическое применение в пищевой промышленности технологий и процессов глубокой переработки продовольственных ресурсов. Сегодняшняя отечественная экономика, как и мировая, ориентирована на безотходные технологии, которые могут быть реализованы только за счет их научного обоснования и ускорения научно-технического прогресса соответствующей техники. В этих условиях важно находить новые пути ресурсосберегающей переработки сырья, в частности, обработки овощей и картофеля. Если раньше продукты очистки пищевых объектов от кожуры в большинстве случаев использовались не эффективно, то сегодня принципиально важно сохранить эти материалы для дальнейшей переработки.

За последние 10 лет в развитие материально-технической базы пищевых предприятий, например Санкт-Петербурга, вложены сотни миллионов рублей. Однако имеется еще большое число нерешенных вопросов, в том числе таких, как создание малоотходных и безотходных технологий, в том числе абразивных.

В теоретическом плане представляются чрезвычайно актуальными постановка и реализация задач математического моделирования реодинамических характеристик продуктов абразивной обработки пищевого сырья, процессов транспортировки и технологической переработки получаемой мезги. Действительно, при производстве группы пищевых изделий одной из важных проблем является внесение натуральных добавок (красители, витамины, наполнители, стабилизаторы, ароматизаторы и т.д.), которые необходимо в оптимальном количестве и равномерно распределять по всему объему. Повышение потребительских свойств отечественной продукции за счет внесения в нее биологически активных веществ собственного производства и вывод изделий на конкурентоспособный уровень представляется стратегической социально-экономической задачей отрасли. Сегодня на российский рынок поступает значительное количество дорогостоящих импортных пищевых добавок. В то же время можно получить дешевые аналогичные компоненты из отечественного сырья за счет более глубокой, интенсивной технологической переработки овощей, в том числе картофеля. Перспективным направлением реализации принципа безотходной технологии в пищевых производствах и изыскания дополнительной сырьевой базы является использование картофельной мезги, получаемой таким прогрессивным методом, как абразивное воздействие.

Значительная часть (от 30% до 50%) перерабатываемых сегодня клубнекорнеплодов необратимо теряется в форме продуктов очистки. В то же время кожура и клеточный сок представляют собой богатейший с

биологической точки зрения материал. Дополнительные сырьевые ресурсы от использования кожуры и некондиционного картофеля, теряющихся безвозвратно, оцениваются для России при современной технологии хранения, переработки и реализации ориентировочно в 4 млн. тонн в год, что в денежном выражении составляет около 15 млн. $ ежегодно. Практическая реализация безотходных, в том числе абразивных технологий переработки картофеля, тормозится в настоящее время недостаточной разработанностью теоретических и экспериментальных исследований процессов абразивной обработки, а так же сложных, порою аномальных реологических свойств картофельной мезги, включая математическое описание особенностей гидромеханических процессов перемещения продуктов переработки в рабочих каналах аппаратов. Таким образом, выбранная тема представляется актуальной. Актуальность диссертации обусловлена так же специфичностью объекта исследования, представляющего собой двухфазную суспензию, проявляющую аномалию вязкости и особенности пограничного течения, что до настоящего времени не нашло достаточного отражения в существующей литературе.

Работа проводилась в соответствии с фундаментальной НИР кафедры ТММП ИХиБТ НИУ ИТМО по теме: «Развитие научных основ и совершенствование оборудования мясных, молочных и других пищевых производств» (Государственная регистрация № 01.2.007 03504), которая относится к списку критических технологий РФ «Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания, утвержденных Президентом РФ Пр - 843 от 21 мая 2006 года.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование реодинамики продуктов абразивной обработки картофеля в форме картофельной мезги, выявление особенностей ее течения для снижения энергоемкости оборудования и интенсификации процесса гидравлической транспортировки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- изучить закономерности изменения реологических свойств картофельной мезги в зависимости от температуры, влагосодержания, размеров хлопьев мезги, скорости сдвига;

осуществить математическое моделирование реологических свойств картофельной мезги;

- разработать математическую модель гидродинамического процесса транспортирования мезги в условиях проскальзывания на стенке трубы.

Автор защищает:

-полученные экспериментальные зависимости вязкости картофельной мезги от температуры, влагосодержания, степени измельчения и скорости сдвига;

-объяснение проявляемой аномалии вязкости картофельной мезги в диапазоне скорости сдвига от 10 с'1 до 145 с"1;

-полученные данные по максимальному значению напряжений сдвига 2310 Па при течении мезги в диапазоне скоростей сдвига 0,333-1,0 с"1; -оптимальное значение скорости сдвига ~ 80 с*1, обеспечивающее минимальные напряжения сдвига, составившие 900-1170 Па и наименьшую энергоемкость процесса гидротранспортирования картофельной мезги; -уравнение нестационарного режима пограничного течения мезги при ее реометрии;

-реологические уравнения течения картофельной мезги; - полученные аналитические зависимости для профиля скоростей потока и величины расхода с учетом явления проскальзывания на стенке трубы.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является картофельная мезга как продукт абразивной очистки клубней от кожуры, который представляет собой хлопьеобразные полидисперсные макрочастицы перидермы с размерами от 0,6 до 3,0 мм, взвешенные в водной среде с долей твердой фазы 5-25% (с долей жидкой фазы 95-75% соответственно). Предмет исследования - реологические характеристики мезги и закономерности ее течения в каналах.

Методы исследования. В работе использованы поисково-системный, аналитический и экспериментальный методы исследования. Поисковый метод применен при анализе современных литературных данных. Аналитический метод использован при математическом описании процессов течения картофельной мезги в условиях проскальзывания на стенке и количественном анализе результатов реометрии. Экспериментальные исследования проводились с применением вискозиметрическоой установки "Яео1ез1". Для количественного анализа экспериментальных данных использованы современные методы компьютерной обработки информации и математической статистики.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

выявлены реологический класс исследуемой среды, как неньютоновской жидкости (Бингамовского типа) на начальном участке, а также аномалия ее вязкости;

дано объяснение механизма изменения реологических свойств картофельной мезги как аномально-вязкой среды;

получены статистические характеристики параметров фракционного состава продуктов очистки клубней картофеля от кожуры;

выявлены закономерности изменения реологических свойств мезги в зависимости от температуры, влагосодержания, степени измельчения;

осуществлено математическое описание нестационарного режима пограничного течения картофельной мезги при ее реометрии, позволившее уточнить методику проведения экспериментов;

сформирована математическая модель процесса гидродинамического транспортирования картофельной мезги в каналах машин и аппаратов в условиях проскальзывания на стенке.

Практическая значимость работы заключается в следующем: Получены зависимости вязкости картофельной мезги от температуры, влагосодержания, степени измельчения и скорости сдвига; Полученные закономерности изменения структурно-механических свойств вторичного пищевого сырья позволили рассчитать и спроектировать аппарат для утилизации этого сырья с разделением на отдельные фракции и представить необходимые материалы в патентное ведомство в качестве заявки на изобретение.

Материалы исследований используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, студентов и магистров по направлениям 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 260602 «Пищевая инженерия малых предприятий», а также 150400 «Технологические машины и оборудование», в рамках Программ «Машины и агрегаты пищевой промышленности» и «Процессы и аппараты пищевых производств».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических и научно-практических конференциях (2003-2013г.г.) профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ИХиБТ НИУ ИТМО, а также на научно-технических конференциях "Актуальные проблемы техники и технологии переработки молока", посвященной 70-летию Алтайского края (Барнаул, 2007г.) и «Актуальные проблемы совершенствования торгово-технологического оборудования и повышение экономической эффективности торговых предприятий» (Санкт-Петербург, 2007г.). Кроме того, материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении дисциплин «Специальное технологическое оборудование», и «Физико -механические свойства сырья и готовой продукции».

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 13 печатных работах, из которых 1 патент на изобретение и 6 публикаций в рецензируемых изданиях ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков и 8 таблиц. Библиография включает 110 наименований отечественных и зарубежных литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В рамках структуры диссертации дан анализ состояния вопроса, определен предмет и выбран объект исследования, обоснована актуальность.

Осуществлена постановка цели и задач исследования, отмечены научная новизна, практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ Определение структурно-механических свойств картофельной мезги.

Одной из задач исследования являлось определение статистических параметров размерных характеристик хлопьев картофельной мезги и оценка их влияния на реологические характеристики. Результаты исследования иллюстрируются гистограммой распределения, приведенной на рисунке 1.

Мооп ЭШ.О^ 313 Еггог Зкоутвм Килом Мех Мп М«<Иал 1.7Й 0,572 0,0809 -0,0в3 -Р.708 2.9 0,7 .1.8

Рисунок 1 - Гистограмма распределения фракционного состава мезги

Как следует из рисунка, размеры хлопьев мезги варьируют от 0,6 до 3,0 мм. На рисунке 2 приведена зависимость максимальных напряжений сдвига для картофельной мезги при различном фракционном составе, что позволило оценить наибольшее значение максимальных напряжений, составившее величину 2310 Па.

ГО

Ф 2

X со

2 ф

і 5 500 -У Л

% X 0 5 5. с го X 1 2 3 Средний размер хлопьев мезги, мм

Рисунок 2 - Зависимость максимальных напряжений сдвига от размера хлопьев мезги

Экспериментальное определение реодинамических характеристик картофельной мезги. На рисунке 3 приведены экспериментальные реологические кривые для различных значений влагосодержания (доли влаги) картофельной мезги, позволившие сделать следующие выводы.

1 .Наличие предельных напряжений сдвига в состоянии покоя мезги. 2.Формирование максимальных сдвиговых напряжений в диапазоне скоростей сдвига у= 0,333-1,0 с' .

1600 1400

—» 1000' л

Б

400 200

г\

-

"в....

Гч

Г\ ■—

Г4

20 40 60 60 100 120 140 160

' \Л/=95% ' !/У=75% ' \Л/=90% №/-80% \Л(=85%

скорость сдвига, (1/с)

Рисунок 3 - Кривые течения картофельной мезги при различных значениях доли жидкой фазы

Знание этого максимального напряжения сдвига картофельной мезги позволяет обосновать мощность подбираемой насосной установки. 3.Существование оптимального значения скорости деформации потока мезги у = 80 с", при котором минимизируются сдвиговые напряжения.

Обеспечение минимальных напряжений сдвига позволяет существенно (на 13,9%) снизить потребление электроэнергии насосной установкой.

На рисунке 4 приведена зависимость динамического коэффициента вязкости мезги от температуры, Математическая обработка результатов позволила записать эту зависимость в виде ц = 3086*Т" 3.

Рисунок 4 - Температурная реометрическая кривая: ц = 3090*Т"°'753

Аналитическое описание кривых течения мезги реологическими уравнениями. Проведенные экспериментальные исследования позволяют записать эмпирическую формулу для кривой течения в следующем виде.

т = ае~°* + Ье~№ + цу , (1)

где т - напряжение сдвига; у - скорость сдвига; ц - динамический коэффициент вязкости; остальные коэффициенты - эмпирические параметры, при малых скоростях сдвига в суспензии возникает напряжение, состоящее из трех компонентов:

г = тр+ тпр+ т„. (2)

Первое слагаемое обоих уравнений (1) и (2) определяет напряжения разрушения стержня мезги тр, вторая составляющая отражает прочность внутренней структуры центрального стержня (ядра) тпр, третье слагаемое характеризует напряжения вязкости картофельной мезги тв.

Превалирование той или иной из составляющих в уравнениях (1) и (2) на разных участках скорости сдвига формирует характер реологических кривых приведенных на рисунке 3.

Уравнение нестационарного режима пограничного течения картофельной мезги при ее реометрии. Одной из общих проблем реометрии, на которую редко обращают внимание, является оценка длительности нестационарного пускового режима реометра после приложения нагрузки к испытываемому образцу, которая гарантирует адекватность экспериментальных результатов. Для такой оценки решали следующую математическую задачу:

^ = Л д2у*. (3)

дг р ду2

^^ X л

V, (0, 0 - 0; V, О, 0) = 0; —(Я, 0 = —, где = V,

ду Л Р

здесь V - коэффициент кинематической вязкости; р - плотность; ух-скорость; □ - коэффициент динамической вязкости; Я - толщина слоя; тн~ постоянное напряжение, приложенное к верхней пластине; у - координата, перпендикулярная к вектору скорости; ¿-время процесса измерения вязкости.

По интегралу расхода 0 определяли время асимптотического выхода процесса течения на стационарный режим.

н

0(0= \чх(у^)с1у> о

Для этого найдено искомое поле скоростей в виде:

v,0,0 = — Л

_ JL V

vn Л I

i

2Я

С помощью программы MathCad Professional были проведены вычисления, результаты которых приведены на рисунке 5.

Экспериментальные данные динамики переходного процесса измерения вязкости мезги представлены на рисунке 6.

Рисунок 5 - Теоретическая кривая выхода пускового режима реометра в стационарное состояние

Рисунок 6 - Экспериментальный график переходного процесса

Из сопоставления приведенных материалов можно считать их адекватными, а для обеспечения корректных данных в экспериментальных исследованиях на установке "Реотест" необходимо обеспечивать временной лаг до снятия показаний с прибора не менее 1 минуты.

Гидродинамика течения мезги в рабочих каналах. Для определения профиля скорости в области сдвигового течения использовано степенное

реологическое уравнение нелинейного вязкопластического материала (уравнение Гершеля-Балкли):

(6)

где: 1о - предельное напряжение сдвига; - коэффициент консистенции (эффективная вязкость); у- скорость сдвига; п - индекс течения.

Записывая это уравнение в виде: . (¡V

(V

и интегрируя его, получаем профиль скорости по сечению трубы: 1

м " п / 2 тА

п+1 У V АР)

I

и

+с

(8)

г - текущее значение радиуса сечения потока; С - постоянная интегрирования.

В условиях "прилипания" на стенке трубы г = Я, = 0, уравнение (8) запишется в следующем виде:

1

п

п+1

т!

\

¿Р)

Я

п4

2фп

\

№

(9)

Здесь: И. - радиус трубы; □ -длина трубы; АР - перепад давлений на длине □.

В ходе экспериментальных исследований реологических особенностей течения картофельной мезги было выявлено то обстоятельство, что на стенке трубы условие "прилипания" не выполняется. Ненулевое значение скорости потока на обтекаемой поверхности отмечается в литературных источниках. Так, на возможность существования такого граничного условия указывает С.Гольдштейн еще в 1948 году. О проскальзывании потока пишет А.А.Гухман. В работе В.ГШсаченко приводятся экспериментальные данные о значениях скорости на стенке, достигающих 30-56% от скорости на оси потока. Поэтому обобщенное решение уравнения (8) осуществлялось с учетом явления проскальзывания потока на стенке трубы.

Условие проскальзывания, обобщающее результаты работы запишем в

виде:

здесь: Ктах - скорость на оси трубы; 0<(я<1 - коэффициент прилипания, (3=1 - условие прилипания, $5=0 - течение с полным вытеснением. С учетом соотношения (10), уравнение (8) примет вид:

0-РК., = -г

21

ЦпАР

я + Н 2/ 0

с = 0-р)гшшх- —

21

П

Iи"&Р

п + 1

21

(П)

Подставляя найденное значение «С» в (8) получим закон распределения скоростей потока по сечению для мезги с учетом проскальзывания на стенке:

21 п

/МР

п+1

' АР

у--гп

21 0

и+1

3 "'к^-т.

1-п+К 21 //"АР

/»1 \т

(12)

Учитывая, что общий поток двухфазной среды состоит из сдвигового течения и течения ядра (стержня), получим:

л+1

21 п ( АР

т) = Ктержия = (1 - <р)Гт —г— — я—- Т0

цпАР

(13)

но так как Кех ~ Ктержш , ТО

1 21

„ И + 1

цпА Р

п I рАР

Я—--Тс,

21

Подставляя (11) в (9), получаем:

п+1

Г(г)=-Т

21 п

¿и" АР

и+1

АР

г--тп

21 0

п+1

2/

Полный суммарный расход составит величину:

@ Осдв Остерж

(И)

(15)

При известном распределении поля скоростей (15) может быть вычислен объемный расход мезги по уравнению:

в=2я

п

и+ІІ АР

ж-1

(17)

Объемный расход сдвигового течения составит величину:

\3

ли

//(и+1)

З/н-1

_ фп+\) _

+2гп

2/ 0

2»1

2п-<рп+1

ф&г+Ъ

..(19)

Расход материла, движущегося в стержневом режиме, запишется:

П - Р2ІІ 21

Устерж ~ л п

<Р\ АР

1

п

-п + іу 21

¡л"

,(20)

Полный объемный расход нелинейной вязкопластичной двухфазной среды находим суммированием двух последних уравнений (19) и (20) в соответствии с соотношением (16).

Таким образом, в работе получено уравнение расхода при гидротранспортировании картофельной мезги по трубам круглого сечения с учетом ее реологических характеристик ¡г и п в условиях проскальзывания на стенке с коэффициентом <?. Коэффициент прилипания <р определяется по экспериментальному значению расхода. Как показывают расчеты по экспериментальным параметрам реальной установки, в случае бесстержневого течения коэффициент прилипания составляет величину <р ~ 0,4453. В случае течения с ядром величина (р уменьшается незначительно лишь на 0,22%, чем можно вполне пренебречь.

Проведенные натурные испытания системы гидротранспортирования картофелеочистительной машины МОК-125 подтвердили основные научные положения диссертационной работы, при этом годовой экономический эффект от внедрения результатов составил 1439 рублей на одну установку. Фотография установки приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Фотография натурной экспериментальной установки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. По результатам исследования получены экспериментальные зависимости вязкости картофельной мезги от температуры, влагосодержания, степени измельчения и скорости сдвига.

2. Выявлена аномалия вязкости картофельной мезги в области скоростей сдвига от 10 с"1 до 145 с'1 и определено оптимальное значение скорости сдвига ~ 80 с"1, обеспечивающее минимальные напряжения сдвига (900-1170) Па и энергоемкость процесса гидротранспортирования картофельной мезги.

3. Экспериментально доказано, что в зоне скоростей деформации 0,333-1,0 с'1 достигаются максимальные значения напряжений сдвига, которые составляют 2310 Па. Это значение является определяющим при выборе установочной мощности насосного оборудования.

4. Получено уравнение нестационарного режима пограничного течения картофельной мезги при ее реометрии, позволившее уточнить методику исследований.

5. Разработана аналитическая реологическая модель течения картофельной мезги в виде линейно-экспоненциального эмпирического уравнения.

6. Получены обобщенные аналитические зависимости для профиля скоростей потока мезги и величины объемного расхода с учетом явления проскальзывания на стенке трубы, позволяющие осуществлять уточненные гидравлические расчеты, а также определять конструктивные и энергетические характеристики насосного оборудования.

7. Полученные материалы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров, а также внедрены в ООО "Лилия" при модернизации системы гидротранспорта картофелеочистительной машины МОК-125 с годовым экономическим эффектом 1439 рублей на одну установку.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Алексеев Г.В., Пеленко Ф.В. Исследование абразивных рабочих органов для обработки пищевого сырья // СПБГУНИПТ,- СПб., 2002.-11с. - Деп. в ВИНИТИ 04.04.02.,№ 615-В2002.

2. Арет В.А., Алексеев Г.В., Пеленко Ф.В. Об абразивном воздействии на пищевое сырье. Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств: Сборник научных трудов:- М.: МГУПБ, 2002,-С.302-303.

3. Арет В.А, Алексеев Г.В., Пеленко Ф.В. Структурно-механические свойства вторичного пищевого сырья. Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств: Сборник научных трудов:- М.: МГУПБ, 2002,- С.304-307.

4. Арет В.А., Антонов А.И,, Байченко JI.A., Пеленко Ф.В., Орлов П.В. Реометрия суспензий на ротационном вискозиметре // Сб. научн. тр. «Технология и техника пищевых производств: Итоги и перспективы развития на рубеже XX и XXI веков. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2003. - С. 265-270.

5. Пеленко В.В., Ширшиков A.M., Иваненко В.П., Пеленко Ф.В. Консистентные кривые течения картофельной мезги. Развитие теории и практики создания оборудования для переработки пищевой продукции: Межвуз. сб. научн. тр., ч.1. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2004. -С. 14- 17.

6. Алексеев Г.В. , Арет В.А., Пеленко Ф. В. , Антонов П.В. Устройство для разделения смеси твердых продуктов, Патент №2232056, БИ № 12 , 2004.

7. Пеленко В.В., Крысин А.Г., Пеленко Ф.В. Ламинарное течение неньютоновских жидкостей в цилиндрических трубах. Тенденции развития торгово-технологического оборудования и повышение экономической эффективности предприятий торговли и общественного питания: Межвуз. сб. научн. тр. - СПб.: СПбТЭИ, 2005. - С.43 - 47.

8. Пеленко В.В., Арет В.А., Крысин А.Г., Пеленко Ф.В., Ольшевский Р.Г. Особенности течения вязкопластических нелинейных сред в круглых прямых трубах // Вестник международной академии холода. Научно-теоретический журнал. - Санкт-Петербург - Москва: Издательский дом "Холодильная техника", 2008. - №2. - С. 34-36.

9. Пеленко В.В., Арет В.А., Васильев Д.А., Морозов Е.А., Пеленко Ф.В. Течение продуктов обработки растительного сырья в перерабатывающих аппаратах // Пищевая технология. - М.: Известия ВУЗов, 2008. - №5-6. - С. 77-80.

Ю.Пеленко В.В., Арет В.А., Гусев Б.К., Пеленко Ф.В. Течение вязкопластических нелинейных сред с пограничным проскальзыванием // Вестник Красноярского государственного аграрного университета: Межвуз. сб. научн. тр. - Красноярск: КрасГАУ, 2008. - №2. - С. 54-57.

11.Пеленко В .В., Арет В. А., Верболоз Е.И., Пеленко Ф.В. Внешнее трение в моделировании работы червячного экструдера [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал "Процессы и аппараты пищевых производств". Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012. - №1.

12.Пеленко В.В., Арет В.А., Верболоз Е.И., Иваненко В.П., Пеленко Ф.В., Крысин А.Г. Особенности течения тонких пленок жидкости в условиях проскальзывания на обтекаемой поверхности. [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал "Процессы и аппараты пищевых производств . Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012. - №2.

13.Зайцев A.B., Пеленко Ф.В. Моделирование течения вязкой жидкости в трубе. [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал "Процессы и аппараты пищевых производств". Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2012. - №1.

Подписано в печать Zß. li. 1?. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. Печ. л. 1.0 . Тираж 80 экз Заказ № ¿J 7 НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., чу ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

(

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИРФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ

04201453211

ПЕЛЕНКО Федор Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КАРТОФЕЛЬНОЙ МЕЗГИ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЕЕ ГИДРОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ.

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертац ия на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Е.И. Верболоз

Санкт - Петербург - 2013

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................4

1. Актуальность темы диссертации..................................................................................................................4

2. Объект и предмет исследования....................................................................................................................8

3. Цель и задачи работы..........................................................................................................................................................8

4. Методы исследования......................................................................................................................................................9

5. Научная новизна диссертационной работы............................................................................9

6. Практическая значимость исследования..................................................................................10

7. Объекты защиты................................................................................................................................................................11

8. Результаты внедрения и апробация итогов исследований........................11

9. Основные публикации..........................................................................................................................................12

10. Структура и объем работы............................................................................................................................12

Глава I. Аналитический обзор состояния вопроса реодинамики

суспензий и обоснование направлений исследования..................................13

1.1. Особенности реометрии и реодинамики объекта исследований.. 13

1.2. Основные научные направления исследований........................................................29

1.3. Выводы по главе..............................................................................................................................................................29

Глава II. Экспериментальные исследования

структурно-механических свойств продуктов абразивной

обработки корнеплодов (картофельной мезги)....................................................................32

2.1. Исследование структуры фракционного состава мезги..............................32

2.2. Исследование реодинамики мезги методом ротационной вискозиметрии..........................................................................................................................................................................................34

2.2.1. Анализ и выбор аппаратурного обеспечения

экспериментальных исследований............................................................................................................................34

2.2.2. Методика проведения эксперимента..................1............................................................41

2.2.3. Обоснование времени выхода реометра на стационарный режим..... 46

2.3. Выводы по главе........................................................................................58

Глава III. Экспериментальное определение реодинамических характеристик картофельной мезги и их математическое моделирование............................................................................................ 60

3.1. Зависимости реодинамических характеристик от влагосодержания, температуры и от скорости сдвига..............................................60

3.2. Зависимость реодинамических характеристик мезги от степени измельчения....................................................................................................................................................................................74

3.3. Аналитическое описание кривых течения мезги

реологическими уравнениями..........................................................................................................................76

3.4. Выводы по главе..................................................................................................................................................84

Глава IV. Исследование гидродинамики течения мезги в рабочих каналах......................................................................................................................................................................................................85

4.1. Описание закономерностей движения мезги в цилиндрических каналах с учетом явления проскальзывания на стенке................................................85

4.1.1. Простейший случай течения в условиях "прилипания" (нулевой скорости на стенке).................................................................. 88

4.1.2.Математическое описание течения картофельной мезги

с учетом явления проскальзывания потока на стенке трубы..... 89

4.2. Выводы по главе.............................................................................. 92

5. Глава V. Результаты внедрения материалов исследования....... 93

5.1. Использование материалов диссертации в учебном процессе......... 93

5.2. Внедрение результатов в производство........................................... 93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................... 96

ЛИТЕРАТУРА........................................................................ 97

ВВЕДЕНИЕ

1 .Актуальность темы диссертации.

Интенсификация процессов обработки и снижение потерь сырьевых ресурсов на стадии промышленного производства - важная задача подъема экономики пищевой отрасли страны.

Особенностью современного этапа развития агропромышленного комплекса (АПК) России является недостаточно широкое до сих пор практическое применение в пищевой промышленности высокоинтенсивных технологий и процессов глубокой переработки продовольственных ресурсов.

Сегодняшняя отечественная экономика, как и мировая, ориентирована на безотходные технологии, которые могут быть реализованы только за счет их научного обоснования и ускорения научно-технического прогресса соответствующей техники. В этих условиях важно изыскивать новые пути ресурсосберегающей переработки сырья, в частности, обработки клубнекорнеплодов. Если раньше продукты очистки пищевых объектов от кожуры в большинстве случаев эффективно не использовались, то сегодня принципиально важно сохранить эти материалы для дальнейшей утилизации.

Тенденция использования продуктов питания, полученных промышленными способами, справедлива для всех подотраслей пищевой промышленности, в том числе таких, как овощесушильная, крахмально-паточная, крупяная, кондитерская, рыбная, мясная, и некоторые другие.

Аналогичные процессы характерны и для сферы массового питания. Анализ около 300 видов кулинарной продукции: овощной, крупяной, рыбной и мясной, показывает, что наибольшие затраты труда (до 70%) приходятся на первичную обработку сырья при изготовлении полуфабрикатов.

Кроме экономии трудовых ресурсов новое поколение технологических процессов и аппаратов призвано существенно сократить непроизводительное 1( расходование . сырья. Даже , при проведении первичной обработки сырья в

промышленных условиях его потери составляют 12-30%. Причем такие

показатели достигаются только при эксплуатации вновь установленного оборудования, что при среднем сроке эксплуатации аппаратов в пищевой промышленности 10-12 лет реализуется не более чем на 5-10% всех предприятий.

Значительная трудоемкость первичной обработки и потери сырья приводят к достаточно высокой удельной энергоемкости применяемых технологических процессов и аппаратов.

На сегодняшний день очевидно несоответствие между рыночными тенденциями потребления продуктов питания, в предварительно обработанных промышленными методами до степени полуфабрикатов видах, и эксплуатацией в пищевой промышленности процессов и аппаратов для переработки целого ряда продуктов питания, особенно высокоресурсоемких на стадиях первичной обработки.

Решение проблемы создания ресурсосберегающих процессов и аппаратов может быть осуществлено путем более широкого использования методов абразивного воздействия для первичной обработки пищевых продуктов.

В рамках решения этой проблемы осуществлялся системный анализ проблемной ситуации, сложившейся в пищевых производствах при использовании технологических процессов и аппаратов для первичной обработки пищевого сырья. На основе этого анализа производилось формирование целостной системы создания ресурсосберегающих процессов и аппаратов абразивного действия.

За последние 20 лет в развитие материально-технической базы пищевых предприятий, например Санкт-Петербурга, вложены сотни миллионов рублей, однако имеется еще большое число нерешенных вопросов, в том числе таких, как высвобождение работников от тяжелого физического труда, создание малоотходных и безотходных технологий в том числе абразивных, ,-п1;, • ,',.<, , ч\'<у» .,, ■ ,„ чч

, ,1 • ' ! I I ' > ' 1 ' , I,"1 ' I V'1 '

В теоретическом плане представляются чрезвычайно актуальными постановка и реализация задач математического моделирования реодинамических, вязкостных характеристик продуктов абразивной обработки пищевого сырья, процессов транспортировки и технологической переработки получаемой мезги.

Действительно, при производстве группы пищевых изделий одной из важных проблем является внесение натуральных добавок (красители, витамины, наполнители, стабилизаторы, ароматизаторы и т.д.), которые необходимо в оптимальном количестве и равномерно распределять по всему объему. При производстве другой группы продукции требуется разделение ее на фракции и дальнейшее гидротранспортирование.

Повышение потребительских свойств отечественной продукции за счет внесения в нее биологически активных веществ собственного производства и вывод изделий на конкурентоспособный уровень представляется стратегической социально-экономической задачей отрасли.

Сегодня на российский рынок поступает значительное количество дорогостоящих импортных пищевых добавок. В то же время можно получить дешевые аналогичные компоненты из отечественного сырья за счет более глубокой, интенсивной технологической переработки корнеплодов. Одним из перспективных направлений реализации принципа безотходной технологии в пищевых производствах и изыскания дополнительной сырьевой базы является переработка продуктов очистки корнеплодов от кожуры, особенно таким прогрессивным методом, как абразивное воздействие.

Значительная часть (от 30% до 50%) перерабатываемых сегодня клубнекорнеплодов необратимо теряется в форме продуктов очистки при этом частично или полностью теряется и корнеплодный сок, (в США около 30% продуктов переработки растительного сырья запахивается в землю). В то же время кожура и клеточный сок корнеплодов представляют собой богатейший с биологической «точки зрения материал, содержащий ценные белковые и минеральные вещества, витамины, углеводы, микроэлементы и

ряд других полезных соединений. Важное место в кормовом балансе хозяйств страны занимают пищевые средства, которые являются отходами переработки сельскохозяйственного сырья. Кроме того, в последние годы, рядом зарубежных стран (Япония) ведутся плодотворные разработки пластических масс для автомобилестроительной отрасли из отходов переработки картофеля, что позволяет осуществлять эффективную утилизацию техники после выработки ее ресурса. Нетривиальное использование находит картофельная мезга в нефтегазодобывающей промышленности при бурении скважин не только как охлаждающий агент, но и в качестве смазки, как гидродинамическая прослойка для снижения коэффициента трения [78].

Несложные расчеты показывают, что при существующих объемах производства дополнительные сырьевые ресурсы от использования некондиционного картофеля, теряющегося безвозвратно для России, оцениваются для современного уровня технологии хранения, переработки и реализации ориентировочно в 4 млн. тонн ежегодно, что в денежном выражении составляет около 15 млн. $ в год.

Практическая реализация безотходных, в том числе абразивных технологий переработки клубнекорнеплодов, тормозится в настоящее время недостаточной разработанностью теоретических и экспериментальных исследований процессов абразивной обработки корнеплодов, а так же сложных, порою аномальных реологических свойств корнеплодной мезги, включая математическое описание особенностей гидромеханических процессов перемещения продуктов переработки в рабочих каналах аппаратов.

Таким образом, выбранная тема представляется актуальной. Актуальность диссертации обусловлена так же специфичностью объекта исследования, представляющего собой двухфазную суспензию (твердая фаза в жидкости), проявляющую аномалию вязкости и особенности пограничного

» ) * V ^ > ■■

течения, что до настоящего времени не нашло для данного вида сырья достаточного отражения в существующей литературе.

Работа проводилась в соответствии с фундаментальной НИР кафедры "Техники мясных и молочных производств" института холода и биотехнологий Санкт-петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) по теме: «Развитие научных основ и совершенствование оборудования мясных, молочных и других пищевых производств» (Государственная регистрация № 01.2.007 03504), которая относится к списку критических технологий РФ «Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания, утвержденных Президентом РФ Пр - 843 от 21 мая 2006 года.

2.0бъект и предмет исследования.

Объектом исследования является картофельная мезга как продукт абразивной очистки клубня от кожуры, который представляет собой хлопьеобразные полидисперсные макрочастицы перидермы с размерами от 0,6 до 3,0 мм, взвешенные в водной среде с долей жидкой фазы 75-95% (доля сухой фракции, концентрация 0,25-0,05). Предмет исследования -реологические характеристики мезги и закономерности ее течения в каналах.

3. Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является исследование реодинамики продуктов абразивной обработки корнеплодов, в частности картофельной мезги, выявление особенностей ее течения для снижения энергоемкост оборудования

и интенсификации процесса гидравлической транспортировки.

I , Для достижения поставленной цели необходимо 1 было решить

; t «", > „ - ,, м ч , ,

следующие основные задачи:

изучить закономерности изменения реологических свойств корнеплодной мезги в зависимости от температуры, влагосодержания, степени измельчения, скорости сдвига;

- осуществить математическое моделирование реологических свойств корнеплодной мезги;

- разработать математическую модель гидродинамического процесса транспортирования мезги в условиях проскальзывания на стенке трубы;

4.Методы исследования.

В работе использованы поисково-системный, аналитический и экспериментальный методы исследования. Поисковый метод применен при анализе современных литературных данных. Аналитический метод использован при математическом описании процессов течения картофельной мезги в условиях проскальзывания на стенке и количественном анализе результатов реометрии. Экспериментальные исследования проводились с применением вискозиметрической установки "11ео1ез12" по обоснованной методике. Для количественного анализа экспериментальных данных использованы современные методы компьютерной обработки информации и математической статистики.

5. Научная новизна диссертационной работы.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

выявлены реологический класс исследуемой среды, как неньютоновской жидкости (Бингамовско-пластическая) на начальном участке, а также аномалия ее вязкости;

дано объяснение механизма изменения реологических свойств картофельной мезги как аномально-вязкой среды; « ,

I 1'1«I I 1 I

получены статистические характеристики параметров фракционного

состава продуктов очистки корнеплодов картофеля от кожуры;

выявлены закономерности изменения реологических свойств корнеплодной мезги в зависимости от температуры, влагосодержания, степени измельчения и скорости деформации среды;

осуществлено математическое описание нестационарного режима пограничного течения корнеплодной мезги при ее реометрии;

сформирована математическая модель процесса гидродинамического транспортирования корнеплодной мезги в каналах машин и аппаратов в условиях проскальзывания на стенке.

6. Практическая значимость исследования.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

-получены зависимости вязкости картофельной мезги от температуры, влагосодержания, степени измельчения и скорости сдвига;

-полученные закономерности изменения структурно-механических свойств вторичного пищевого сырья позволили рассчитать и спроектировать аппарат для утилизации этого сырья и представить необходимые материалы в патентное ведомство в качестве заявки на изобретение.

-материалы исследований используются в учебном процессе факультета "Пищевой инженерии и автоматизации" ИХиБТ НИУ ИТМО при подготовке бакалавров, студентов и магистров по направлениям 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 260602 «Пищевая инженерия малых предприятий», а также 150400 «Технологические машины и оборудование», в рамках магистерских Программ «Машины и агрегаты пищевой промышленности» и «Процессы и аппараты пищевых производств». Кроме того, полученные материалы испол�