автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процесса получения комбинированных продуктов в роторно-пульсационном аппарате

На правах рукописи

Ядута Анна Зауровна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ В РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОМ АППАРАТЕ

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты

пищевых производств

2 6 НОЯ 2009

Кемерово 2009 г.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003484324

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшеп профессионального образования Кемеровский технологический институ-пищевой промышленности (ГОУ ВПО КемТИПП)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Иванец Галина Евгеньевна.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лобасенко Борис Анатольевич, кандидат технических наук Зверев Владимир Павлович.

Ведущая организация -Государственное научное учреждение (ГНУ)

Сибирский научно-исследовательский и проектно-технологический институт переработки сельскохозяйственной продукции (СибНИПТИП) Сибирского отделения Россельхозакадемии

Защита состоится « /6» декабря 2009 г в I -5~д ч на заседании диссертационного совета Д212.089.02 при ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47. Рах:+8(3842) 73-41-03

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности.

Автореферат разослан «_» ноября 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бакин И. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из главных направлений развития пищевой промышленности является повышение качества пищевых продуктов и соответствие их медико-биологическим требованиям. В связи с этим, научные исследования должны быть направлены на создание и ' модернизацию энергетически выгодных технологий, обеспечивающих безотходную переработку сырья, и производство экологически безопасных продуктов питания.

Для производства жидких комбинированных продуктов питания используют роторно-пульсационные аппараты (РПА), в которых совмещены процессы гомогенизации и диспергирования.

Гомогенизаторы, используемые на большинстве пищевых предприятиях, морально и физически устарели, металло - и энергоемки и во многих случаях и не способны обеспечить заданное качество продуктов. Поэтому, для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования, необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволяли бы увеличить турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости.

В роторно-пульсационных аппаратах интенсивность процессов диспергирования и гомогенизации достигается за счет создания звуковых (акустических) колебаний, гидромеханических процессов, кавитационных явлений и т.д.

Большой вклад в развитие теории и практики гидромеханического перемешивания внесли: В.И.Биглер, М.А.Барам, Л.Г.Базадзе, Г.Ю.Будко, А.И.Зимин, В.Ф.Юдаев и многие другие.

Однако вопросы математического описания гидродинамики вихревых потоков в рабочих зонах РПА изучены недостаточно.

Поэтому исследование эффективности применения РПА в производстве жидких комбинированных продуктов с целью интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования является актуальной задачей для пищевой и других отраслей промышленности.

Цель работы. Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования в новой конструкции роторно-пульсационного аппарата при получении жидких комбинированных продуктов на основе анализа результатов стохастического моделирования и экспериментальных исследований.

Задачи исследований.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:

- математическое описание гидродинамики потоков в рабочих зонах роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода;

- создание новой конструкции РПА;

- исследование напорных и энергетических характеристик новой конструкции РПА при различных режимах работы и конструктивных параметрах;

- проверка математической модели на адекватность.

Научная новизна.

- Разработана математическая модель роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода, позволяющая определить энтропию

. исследуемой среды и оценить качество продукта по степени идеальности;

- получены напорные и энергетические характеристики аппарата при различных режимах его работы и конструктивных параметрах;

- доказана адекватность математической модели на основе сопоставления степени дисперсности, рассчитанной по экспериментальным данным, и теоретической степени идеальности.

Практическая значимость. По результатам теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и диспергирования жидких продуктов разработана новая конструкция РПА, техническая новизна которого защищена патентом РФ №2309791.

Разработана методика конструктивного расчета роторно-пульсационного аппарата.

Предложена рецептура производства кисломолочного десерта, получаемого на разработанной установке.

Автор защищает:

- новую конструкцию роторно-пульсационного аппарата для проведения процессов гомогенизации и диспергирования жидких систем;

- математическое описание гидродинамики процессов гомогенизации и диспергирования на основе стохастического подхода, позволяющего оценить качество продуктов с помощью энтропии и степени идеальности, с учетом конструктивных и технологических параметров;

- результаты исследований напорных и энергетических характеристик аппарата.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, обсуждены на ежегодных научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2006 - 2008 гг.); международной научной конференции «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2005; международной научно-технической конференции «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии», Пенза,2007; всероссийской научно-технической конференции «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса», Кемерово,2007.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 1 статья в рецензируемом, рекомендованном ВАК, журнале, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений; включает 58 рисунков, 9 таблиц. Основной текст изложен на 112 страницах машинописного текста, приложения - на 20 страницах. Список литературы включает 196 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, а также описана ее общая характеристика.

В первой главе рассмотрены общие представления о процессе гомогенизации и основные направления его математического моделирования. Проведен обзор существующих конструкций гомогенизаторов. Анализ известных математических моделей позволил выбрать наиболее перспективный стохастический подход, основанный на знании кинетики движения потоков и использовании энтропии, как меры равновесия динамических систем.

Во второй главе рассмотрен стохастический подход при моделировании процессов гомогенизации и диспергирования в РПА.

Одной из важных задач в теоретическом исследовании процесса гомогенизации является выбор критерия оценки степени гомогенности получаемой композиции.

После завершения процесса гомогенизации эмульсия должна иметь пространственно однородную структуру, как по составу, так и плотности укладки частиц. Однако такое идеализированное расположение частиц в действительности не наблюдается, так как слишком велико число факторов, влияющих на размер частиц в рабочем объеме аппарата. Фракционный состав эмульсии в конечном состоянии случаен, но в некоторой степени зависит от режима работы и конструкции РПА, а также некоторых физических свойств смешиваемых жидкостей. В качестве меры неопределенности фракционного состава эмульсии рассматривается энтропия, которая в общем виде определяется по формуле:

(о log./>,(/), (1)

где H(t) - энтропия /«-фракционной эмульсии в момент t, Р, (t) — вероятность обнаружения капель /-той фракции в некотором анализируемом объёме V конечного состояния.

Нахождение вероятностей Pt ft) в рамках данного метода производится на основе установления кинетики процесса гомогенизации, которая в аппарате определенной конструкции описывается системой дифференциальных уравнений следующего общего вида:

дрг(()

= - VI)* > - "У^Д') + "(/♦о^уцС + г(>+.)*); (2)

где (0 - функция, отвечающая объему жидкости, сосредоточенному в /'-той фракции капель, в некоторый момент времени /, в определенном у'-том состоянии; — интенсивности переходов капель из у-того состояния в к-тое;

т)к - время, необходимое для данного перехода. Количество уравнений в

системе определяется числом т п, где п - число возможных состояний, т -количество фракций эмульсии. Величины у^ являются функциями режимных,

конструкционных параметров РПА и некоторых физико-механических свойств жидкостей 01гв2,...,0г, которые определяются аналитически или экспериментально.

Поскольку гомогенизация рассматривается как непрерывный процесс, вероятность получить на выходе из РПА некоторый объем /-той фракции в некоторый момент времени можно определить формулой

Р.САА.....в.). .....■ (3).

!>„(<,«,,»,.....О,)!а

выражающей его отношение к общему объему эмульсии в этой зоне РПА. Искомые вероятности Р, должны удовлетворять условию нормировки:

т

= 1- (4)

Подставляя величины (3) в выражение (1), получим энтропию как функцию времени и параметров РПА следующего вида:

т /-1

Формула (5) выражает колебания значения энтропии эмульсии в конечном состоянии в каждый момент времени. Практический интерес, с целью анализа эффективности проводимого процесса, может представлять не сама зависимость #(/), а усредненная за достаточно большой интервал времени величина вида:

Н(в1,в0,...,в5)=1Т]Н(1,в1,в2,...в!)А. (6)

о

Данная формула выражает среднюю энтропию эмульсии в объеме, получаемом за время Т. Из выражения (6) ясно, что вариации режимных и конструкционных параметров РПА могут изменить среднее значение энтропии, поэтому по значению (Я) непосредственно нельзя судить об однородности готового продукта Необходимо задание величины, не зависящей ни от каких факторов

процесса гомогенизации. В качестве таковой можно выбрать энтропию идеальной в статистическом смысле эмульсии, определяемой по формуле:

{ А ) Г А \ ( Ат Л 1°8т ( Ат )

И +Аш) и+4, / и + Л,] [А+Ат)

где А \ — объем несущей фазы согласно рецептуре, Ат - объем распределенной фазы согласно рецептуре, в максимально диспергированном состоянии. Значение определяется только рецептурным соотношением компонентов эмульсии, поэтому отклонение средней энтропии от идеального значения представляется объективной характеристикой эффективности процесса. На основании этого нами предложена так называемая, степень идеальности П, рассчитываемая по выражению:

Полученный показатель является относительным и выгодно отличается от абсолютных, поскольку позволяет сопоставлять результаты исследований эффективности процесса гомогенизации, полученных при разных условиях.

Точность описания процесса гомогенизации и оценки качества получаемой эмульсии данным методом существенно зависит от правильности определения кинетики. Например, в реальной эмульсии капли имеют практически непрерывное распределение по размерам, поэтому в модели необходимо учесть как можно большее количество возможных фракций капель распределенной фазы (т—»со). Это обстоятельство существенно усложняет математическую модель и приводит к большому числу уравнений.

С целью упрощения модели рассматривался процесс получения двухфракционной водно-масляной эмульсии в РПА конструкции «ротор в статоре» с прямоугольными прорезями и переменной величиной межцилиндрового зазора. На рис. 1 представлена кинетическая схема возможных переходов между пятью гипотетическими состояниями:

Рис.1. Кинетическая схема возможных переходов в РПА.

{0} - гетерогенно распределенные в воде крупные масляные капли; {1} - фракция крупных капель масла с относительным размером 1, то есть оставшихся не раздробленными, распределенных в воде в межцилиндровом пространстве;

{2} - аналогично распределенная в межцилиндровом пространстве фракция мелких масляных капель с относительным размером 0,5, то есть раздробленных пополам; • {3} — крупная фракция во внутренней области между статором и корпусом (на выходе из РПА);

{4} - мелкая фракция во внутренней области между статором и корпусом. На выходе анализируются характеристики бинарной по фракционному составу водно-масляной эмульсии. Система уравнений (2) с учетом схемы на рис. 1, запишется следующим образом:

дрм,

я, - = + ^и\Рм2 ~ упР«\ ~ ПзРм\ ~ уиР»{> от

= Кг + упР.\ ~ уг\Р»г ~ уггР„г ~ уиР*2>

дрм 2

81

= УпРм\+у2)Р„г> (9)

др„ з _

81 дрмА

= У„Рм1 + У»Рм1-

81

Соответствующие интенсивности Уд определяются как произведения

соответствующих вероятностей перехода между гипотетическими состояниями и скоростей данных переходов. Интенсивность перехода некоторой части масла из состояния {0} в {1} определяется следующим образом:

= (Ю)

Интенсивность перехода некоторой части масла из состояния {0} в {2}: №

где А - объемный расход масла (м2/с); - функция, выражающая изменение площади проходного сечения во времени, (5) - среднее по времени значение площади проходного сечения (м2). Величина Рл ^ определяется по формуле: _ 2л-/?, - г, д.

(П)

2я-Л,

и представляет собой вероятность дробления капель масла при прохождении прорезей ротора, Я\ - внутренний радиус ротора (м), г\ - число прорезей в нем, й| - ширина прорези (м) (рис.1).

Для правильного описания кинетики диспергирования в межцилиндровом зазоре необходимо знание режима движения обрабатываемой среды, который определяется по значению критерия Рейнольдса:

х ' ; (13)

»7.

где р„ - эффективная плотность неоднородной среды (кг/л?), (и) - средняя скорость среды в зазоре (м/с), I - характеристический линейный размер, в качестве которого может быть взята ширина межцилиндрового зазора (м), ?/„ -эффективная вязкость неоднородной среды (Па с). Входящая в (13) плотность р, определятся по формуле:

А = + (14)

где рл - плотность дисперсной фазы, у/ - объемная доля дисперсной фазы. Величина 77, находилась как вязкость неньютоновской жидкости по формуле:

где © — напряжение сдвига, ди/дг — градиент скорости сдвига. Установлено, что, для большинства неньютоновских жидкостей в широком диапазоне градиентов скорости сдвига, формула (15) с достаточной точностью может быть представлена при помощи кривой течения, в виде степенной функции:

М,=к05(ди/дг)т-'- (16)

где ка — коэффициент Оствальда, характеризующий консистенцию жидкости, т — показатель течения, характеризующий степень отклонения свойств неньютоновской жидкости от ньютоновской. Основная трудность определения вязкости по формуле (16) заключается в нахождении величины градиента скорости сдвига. Величину //. можно определить следующим образом:

= (17)

где р — динамическая вязкость несущей фазы, причем для разбавленных дисперсий (у/=10'3-Ч0~2), содержащих частицы сферической формы, т=2,8.

Критерий Рейнольдса (13), рассчитанный при различных конструкционных и режимных параметрах, имеет значение Ле~1000-^25000. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о турбулентном характере движения обрабатываемой среды в зазоре. Тогда интенсивность перехода между состояниями {1} - {2}, отражающая диспергирующую способность РПА при турбулентном течении в зазоре, будет определяться следующим выражением:

(У)2^) (18)

12 5 А

где С — безразмерная константа диспергирования, зависящая от физико-механических свойств распределенной фазы; со - циклическая частота вращения ротора (рад/с), N.2 - внутренний радиус статора (м), К/ - внешний

радиус ротора. Величина константы диспергирования взаимонерастворимых жидкостей определяется из соотношения С(Ща)г >4сг/(/?2 -Л,). В случае дробления твердых частиц для оценки константы диспергирования можно записать С(Я1а>)2 > Р0, где Р0 - предел прочности частиц.

Интенсивность перехода между состояниями {2} - {1}, отвечающая процессу коалесценции в межцилиндровом зазоре, рассчитывается по выражению:

„2 „2 . /шч

Р«1=-^ТРм2> (19)

где рм2 - объем масла, капли которого находятся во втором состоянии, /с0 _ константа коалесценции, определяемая свойствами распределенной фазы (мъ/с), V0 - характерный средний размер капли масла, fc = /c0/VQ - приведенная константа коалесценции (с"1), значение которой принимается равным 0,1. V = 7гб(/?22 - R\) - объем рабочего межцилиндрового пространства (м3), где Ь -

высота прорезей (м).

Интенсивность перехода между состояниями {1} - {4}:

„ -АИШ.Р . (20)

14 у г dispZ > VAtJ)>

' max

интенсивность перехода между состояниями {1} - {3}: A + BS{t),

'(i-^з); (2D

где В - объемный расход воды (м3/с), б'тах - максимальное значение площади проходного сечения 5 (м2). Величина определяется по формуле:

(22)

2 пЯг

и представляет собой вероятность дробления капель масла при прохождении прорезей статора, где — число прорезей в статоре, а2 - ширина прорезей в статоре (м).

Интенсивность коалесценции при переходе из состояния {2} в {3} определяется выражением:

где с!сае ~ толщина статора (м), Яз - внешний радиус статора (м). Интенсивность перехода из состояния {2} в {4}:

(24)

24 V 5

' тах

Система уравнений (2) для воды запишется следующим образом:

„ n _RS(.0 A + B S(t) . - - vnP*I - ^T^T--773—С—'

dPe з Л + Я •?(')

Л = = L / p2 „2\c^ (25)

;гб(Л2-Я, ) Sm;LX

Поскольку величины г t«1/^ , то для упрощения решения, при записи (9), они были исключены. Решение системы дифференциальных уравнений (2) проводилось численно, методом Рунге-Кутта 4-го порядка с фиксированным числом шагов и заданной точностью.

Согласно (7), энтропия идеальной эмульсии, в рамках данной модели, запишется как:

После решения (9) и (25), согласно (26), соответствующие вероятности были определены по формулам:

{dpjdt)

Рм з =

Р* 4 = ,.- „л.„л' (27)

Р. з =

(dpjdt) + {dpMJdt) + (dpjdt)' (dpjdt) _ (dpjdt) + (dpMJdt) + {dpjdty (dpjdt)

(dpM]/5t) + (dpMJdt) + (dpJdty Энтропия готовой эмульсии соответственно запишется в виде: Н=-Рм, log3 Рмз - Рм4 log, Р„4 - Pi3 log3 Рв3. (28)

Далее полученная энтропия (28) усреднялась по времени согласно (6) и с учетом (26) вычислялась степень идеальности (8). В качестве варьируемых параметров РПА при моделировании были выбраны: частота вращения ротора п (1500-^3000 об/мин), величина межцилиндрового зазора а (0,2^2 мм). Значения констант диспергирования и коалесценции были подобраны таким образом, чтобы слагаемые в уравнениях (9), отвечающие за различные переходы, были величинами одного порядка. Конструктивные размеры РПА выбраны в соответствии с параметрами разработанной конструкции.

На рис.'2 представлена зависимость средней по времени энтропии от частоты вращения ротора и ширины межцилиндрового зазора, полученная путем сплайновой интерполяции по двадцати пяти опорным точкам, которые в свою очередь являлись результатом расчета.

Рис. 2. Зависимость средней по времени Рис. 3. Зависимость степени идеальности энтропии эмульсии от частоты вращения эмульсии от частоты вращения и ширины и ширины межцилиндрового зазора межципиндрового зазора

На рис. 3. представлена поверхность зависимости степени идеальности П от частоты вращения ротора и ширины межцилиндрового зазора, рассчитанная по формуле (8). Из рисунка ясно, что варьирование частоты вращения ротора сильнее сказывается на качестве готового продукта, чем изменение величины межцилиндрового зазора.

В третьей главе приведено описание лабораторно-исследовательского стенда, который включает в свой состав роторно-пульсационный аппарат, блоки управления, измерительные приборы отбора и анализа проб, а также рассмотрена методика проведения экспериментов.

Конструкция PELA, входящего в состав стенда, показана на рис.4.

Рис.4.Конструкцияроторно -_пульсационного аппарата с направляющими лопастями.

Техническая новизна аппарата защищена патентом РФ на изобретение №2309791. Аппарат состоит из корпуса 1, в котором имеются четыре лопасти полусферической формы 2, установленные у отверстий ротора 3. Статор с прорезями 4 жестко закреплен на крышке 5. В состав аппарата входят набор регулировочных шайб 6, расположенных на валу 7. Патрубки 8 и 9 предназначены для ввода и вывода компонентов. Заданная температура процесса обеспечивается хладоносителем, поступающим в рубашку 10 через входной патрубок 11. Выход охлаждающей среды осуществляется через патрубок 12. В аппарате имеются рабочая полость 13, которая расположена между стенкой и прорезями, нижняя часть рабочей области 14 и внешняя полость аппарата 15.

Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая жидкая среда через входной патрубок 8 поступает в центральную часть устройства, где за счет центробежных сил, создаваемых вращающимся ротором, проходит в межцилиндровое пространство. Проходя последовательно через прорези цилиндров, жидкая среда подвергается механическому воздействию, возникающему со стороны элементов конструкции аппарата: кромок прорезей и торцевых поверхностей ротора и статора, лопастей полусферической формы, установленных у отверстий основания ротора. В процессе работы РПА происходит периодическое перекрывание прорезей цилиндров, вследствие чего, при определенных условиях, могут возникать явление кавитации и генерирование акустических колебаний. В результате, вышеперечисленные воздействия способствуют протеканию интенсивного процесса гомогенизации и диспергирования в жидких многокомпонентных системах.

Лопасти, установленные у отверстий основания ротора, предназначены для направленной организации движения материальных потоков обрабатываемой среды. Жидкость, попадая в аппарат через патрубок 8, разделяется на два потока, один из которых за счет центробежной силы движется в радиальном направлении к внутренней поверхности ротора и далее циркулирует в межцилиндровом зазоре. Второй поток, захватываемый лопастями полусферической формы, попадает в отверстия, расположенные на основании ротора, а затем выходит во внешнюю полость аппарата 15. Жидкость в полости разделяется на два потока, один из которых выходит через патрубок 9,а второй, за счет насосного эффекта, поступает в рабочую область аппарата 13.

Экспериментальные исследования показали, что в данной конструкции аппарата, за счет установленных на внешней стороне ротора лопастей полусферической формы, происходит интенсивная циркуляция потока жидкости через отверстия, расположенные на его основании, что отсутствует в известных конструкциях РПА.

Таким образом, в предлагаемой конструкции роторно-пульсационного аппарата увеличивается время пребывания частиц, что позволяет интенсифицировать протекание технологических процессов и повысить качество получаемого продукта.

В четвертой главе приводятся результаты моделирования процесса гомогенизации в РПА на основе стохастического подхода, экспериментальные исследования напорно-расходных и энергетических характеристик аппарата.

Для оценки адекватности теоретических исследований, в частности, степени идеальности в экспериментальных исследованиях использовали показатель дисперсности, так как в жидких средах качество и стойкость эмульсий определяются, прежде всего, размером жировых шариков.

Рис. 5. Зависимость степени диспергирования эмульсии от частоты вращения ротора и величины межцилиндрового зазора

Сравнение теоретической зависимости степени идеальности (рис.3) и экспериментальной степени диспергирования (рис.5) даже по внешнему виду поверхностей, позволяет сделать вывод об их адекватности. Последняя доказана также статистической обработкой экспериментальной зависимости по распределению остатков относительно нормального закона распределения случайных величин.

На рис. б показаны опытные кривые мощности при различных значениях межцилиндрового зазора и режимах работы РПА. Исследованный диапазон чисел Рейнольдса охватывает ламинарный, переходный и турбулентный режимы работы аппарата. Сплошными линиями на рисунке показаны теоретические решения. При сравнении опытных и расчетных характеристик погрешность не превышает 15%.

Кп Ч

\ \

\ \

...........-...........- а оЧ ............ ■ .а' .....

■г Ч;!!<Й£ : ... с %

Йеы

ю (00 1000 10000

Рис. 6. Зависимость критерия мощности от критерия Рейнольдса при различных зазорах. О-0,4мм; 0 - 0,8 мм; V-1,2 мм;о-1,6мм.

Как показали результаты исследований, в отличие от энергпотребления, величина напора в существенной степени зависит от интенсивности циркуляционного потока. Об этом свидетельствуют данные, представленные на рис.7. На графике показана зависимость относительного напора РПА (отношение фактического напора при заданном расходе к напору при нулевом расходе) от расхода циркуляционного потока при работе в ламинарном и турбулентном режимах. В обоих случаях отмечено снижение напора по мере увеличения интенсивности циркуляции, причем в турбулентной области оно более существенно.

Н/Но

О 0,1 0,2 0,3 0,4

Рис. 7. Влияние расхода на напор, создаваемый РПА

На графике рис. 8.представлена напорно-расходная характеристика (НРХ) РПА в условиях ламинарного режима течения среды в межцилиндровом зазоре, размер которого (0,8мм) оставался постоянным.

0.6 Eu

I Eup • с, Eua 0 Eue -Eu ротора

0.5/' -----T-f-----~7' . /, /

0.4 L z / £ - -

0.3 -

< 0.2(5— -f. г _ f*.

0.1 ■ ■ L—-

ЛП

0,0 0.5 1.0 1,5 2.0

Рис. 8. Зависимость критерия Эйлера от параметра закрутки при зазоре 0.8 мм, режим \ ламинарный

Изменение режима течения потока в роторе достигалось за счет варьирования вязкости модельной среды. Как видно из графика (рис.8), полученные теоретические зависимости удовлетворительно описывают опытные данные; среднеквадратичная ошибка не превышает 15%, что сопоставимо с погрешностью измерений перепада давления.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана методика конструктивного расчета роторно-пульсационного аппарата с учетом заданной производительности.

При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадии гомогенизации и диспергирования при производстве взбитого кисломолочного десерта с наполнителем из чёрной смородины. Произведенные опытно-промышленные партии продукта подтвердили целесообразность использования непрерывно-действующего РПА для стадии гомогенизации и диспергирования при получении жидких комбинированных продуктов с целью интенсификации процесса приготовления последних.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода, оценивающая степень идеальности процесса гомогенизации с учетом конструктивных и технологических параметров. Теоретические результаты стохастического моделирования на основе энтропийного подхода подтверждены экспериментально путем сравнения теоретической степени идеальности и степени диспергирования, полученной на основе обработки экспериментальных данных.

2. Разработана новая конструкция роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями, техническая новизна которого защищена патентом РФ № 2309791. Предложена методика конструктивного расчета роторно-пульсационного аппарата

3. Проведена оценка энергопотребления РПА с помощью экспериментальных зависимостей критерия мощности от числа Рейнольдса при различных величинах межцилиндрового зазора в ламинарном и турбулентном режимах. При сравнении опытных и расчетных характеристик погрешность не превышает 15%.

4. Получены напорно-расходные характеристики РПА в виде экспериментальных зависимостей критерия Эйлера от параметра закрутки, характеризующим влияние циркуляционного потока на НРХ аппарата, при различных величинах зазора. Сравнение опытных и теоретических данных показало, что среднеквадратическое отклонение не превышает 15-20%.

5. Показана целесообразность использования аппарата для получения жидких продуктов питания с добавками ягодных компонентов.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

I. Патент № 2309791 Россия, МПК BOI F7/00, BOl F7/28. -2005138757/15 Роторно-пульсационный аппарат с направляющими лопастями / Иванец Г.Е., Светкина Е.А., Грунич C.B., Ядута А.З.; заявитель и патентообладатель ГОУ КемТИПП - Заявлено 12.12.2005, опубл. Бюл.№31 10.11.2007 (Россия).

2. Иванец Г.Е. Моделирование процесса гомогенизации в РПА с использованием дополнительных конструктивных элементов на основе кибернетического подхода / Г.Е Иванец, Е.А. Светкина, А.З. Ядута.-М.,2005,- Деп. В ВИНИТИ, № 779 В2005.

3. Ядута А.З. Использование роторно-пульсационного аппарата для получения комбинированных продуктов питания: детальный анализ гидродинамического поведения продуктов в рабочем зазоре аппарата / А.З. Ядута, Г.Е. Иванец // Матер. IV междунар. конф. студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения».-Москва, 2005.-С.36-38.

4. Артемасов В.В., Ядута А.З. Совместное использование приложений femlab и 3dsmax studio для проектирования реальных процессов и аппаратов / В.В. Артемасов, А.З. Ядута // Техника и технология пищевых производств: сб. науч. работ. - Кемерово, 2006. - С. 195-197.

5. Иванец Г.Е. Моделирование работы роторно-пульсационного аппарата / Г.Е. Иванец, Г.Н. Белоусов, А.З. Ядута // Сборник статей VII междунар. научно.-техн. конф. «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии»,- Пенза, 2007. - С. 107-110.

6. Белоусов Г.Н. Моделирование процесса гомогенизации в роторно-пульсационных аппаратах / Г.Н. Белоусов, А.З. Ядута // Труды I Всеросс. научн.-техн. конф. «Современные пути развития машиностроения и автотранспорта Кузбасса».- Кемерово, 2007. - С. 178-182.

7. Иванец Г.Е. Кинетика гомогенизации в роторно-пульсационных аппаратах / Г.Е. Иванец, А.З. Ядута II Техника и технология пищевых производств: сб. науч. работ. - Кемерово, 2007. - С.78-85.

8. Клепцов A.A. Оценка качества эмульсий, получаемых в роторно-пульсационных аппаратах / A.A. Клепцов, Г.Н. Белоусов, А.З. Ядута / / «Вестник Кузбасского государственного технического университета», научно-технический журнал. - Кемерово, 2007. - № 6. - С. 134-135.

9. Иванец Г.Е. Применение стохастического подхода для оценки качества эмульсий / Г.Е. Иванец, Г.Н. Белоусов, А.З. Ядута // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2008. -№ 6. - С. 17-20.

ЛР № 020524 от 02.06.97 Подписано в печать 12.11.09. Формат 60 х 841/16 Бумага типографская. Гарнитура Times Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № 212 ПЛД№ 44-09 от 10.10.99 Отпечатано в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52

Введение и постановка задач исследований.

Глава 1. Основы процесса гомогенизации и его аппаратной реализации.

1.1 Общие представления о процессе гомогенизации.

1.2 Основные направления математического моделирования процесса гомогенизации.

1.3 Гомогенизаторы, используемые в пищевой промышленности.

1.3.1 Гомогенизаторы клапанного типа.

1.3.2 Ультразвуковые колебания.

1.3.3 Центробежный гомогенизатор.

1.3.4 Гомогенизаторы-смесители.

1.3.5 Роторно-пульсационные аппараты.

1.4 Интенсификация процесса гомогенизации в РПА.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Теоретическое исследование процесса гомогенизации в роторно-пульсационных аппаратах.

2.1 Пропускная модуляция в роторно-пульсационных аппаратах.

2.2Исследование кинетики гомогенизации в РПА на основе уравнения Колмогорова-Фоккера-Планка.

2.3 Энтропия как мера неопределенности фракционного состава.

2.4Энтропийный критерий качества эмульсий.

2.5 Стохастический подход к моделированию процесса гомогенизации в РПА.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Аппаратурное и методическое обеспечение экспериментальных исследований.

3.1 Описание экспериментально-исследовательского стенда.

3.2 Описание исследуемой конструкции РПА для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования.

3.3 Методика обработки данных гидродинамического эксперимента для определения напорных и энергетических характеристик РПА.

3.4 Методика анализа дисперсионного состава готовой смеси на основе компьютерного анализа микрофотографий.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями.

4.1 Сопоставление теоретических результатов стохастического моделирования с экспериментальными данными.

4.2 Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик роторно-пульсационного аппарата.

4.2.1 Результаты исследования энергопотребления аппаратов при обработке ньютоновских жидкостей.

4.3 Результаты исследования напорно-расходной характеристики роторно-пульсационного аппарата.

4.4 Разработка технологических аспектов аппаратурного оформления стадий гомогенизации и диспергирования при получении кисломолочных десертов с ягодными наполнителями.

4.5 Методика расчета роторно-пульсационного аппарата.

4.6 Пример расчета параметров роторно-пульсационного аппарата на заданную производительность.

Выводы по главе 4.

Основные результаты работы и выводы.

Актуальность работы. Одним из главных направлений развития пищевой промышленности является повышение качества пищевых продуктов и соответствие их медико-биологическим требованиям. В связи с этим, научные исследования должны быть направлены на создание и модернизацию энергетически выгодных технологий, обеспечивающих безотходную переработку сырья, и производство экологически безопасных продуктов питания.

Среди существующих способов получения гомогенных систем (суспензий, эмульсий) наиболее предпочтительным, в современных условиях, является непрерывный поточный способ, который реализуется в роторно-пульсационных аппаратах (РПА). Гомогенизаторы такого типа в качестве составного звена входят в непрерывные поточные технологические линии, которые обладают достаточно большой производительностью и могут быть полностью автоматизированы. Обзор существующих конструкций гомогенизаторов позволяет сказать, что каждый из довольно широкой гаммы аппарат не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к устройствам такого рода. Но при всех прочих равных условиях использование пульсационных аппаратов роторного типа рассматривается наиболее предпочтительным. Данные аппараты, имеющие высокую производительность при малых габаритах и энергоемкости, позволяют получать жидкие смеси хорошего качества при достаточно малой флуктуации входных потоков. Возможность усовершенствования имеющихся конструкций открывает широкие перспективы для повышения эффективности. Совершенствование технологий требует интенсификации процесса гомогенизации, которая приводит к уменьшению проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

Для производства жидких комбинированных продуктов питания используют роторно-пульсационные аппараты, в которых совмещены процессы гомогенизации и диспергирования. Гомогенизаторы, используемые на большинстве пищевых предприятиях морально физически устарели, металло - и энергоемки и во многих случаях не способны обеспечить заданное качество продуктов. Поэтому, для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования, необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволяли бы увеличить турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. В роторно-пульсационных аппаратах интенсивность процессов диспергирования и гомогенизации достигается за счет создания звуковых (акустических) колебаний, гидромеханических процессов, кавитационных явлений. Большой вклад в развитие теории и практики гидромеханического перемешивания внесли: В.И.Биглер, М.А.Барам, Л.Г.Базадзе, Г.Ю.Будко, А.И.Зимин, В.Ф.Юдаев и многие другие. Однако, вопросы математического описания гидродинамики вихревых потоков в рабочих зонах РПА изучены недостаточно.

Анализ приведенной классификации математических моделей показывает, что на сегодня нет какой-либо универсальной модели, достоверно описывающей процесс гомогенизации в любом из существующих видов гомогенизаторов. Все рассмотренные модели имеют ряд преимуществ и недостатков. Однако наиболее перспективными можно считать вероятностные или стохастические модели, использование которых требует знания кинетики движения обрабатываемых материалов в конкретном исследуемом аппарате.

Поэтому, исследование эффективности применения РПА в производстве жидких комбинированных продуктов с целью интенсификации и диспергирования процессов является актуальной задачей для пищевой и других отраслей промышленности.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования в новой конструкции роторно-пульсационного аппарата при получении жидких комбинированных продуктов на основе анализа результатов стохастического моделирования и экспериментальных исследований.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:

• - математическое описание гидродинамики потоков в рабочих зонах роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода;

• - создание новой конструкции РПА;

• - исследование напорных и энергетических характеристик новой конструкции при различных режимах работы и конструктивных параметрах;

• - проверка математической модели на адекватность.

Научная новизна. - Разработана математическая модель роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода, позволяющая определить энтропию исследуемой среды и оценить качество продукта по степени идеальности;

- получены напорные и энергетические характеристики аппарата при различных режимах его работы и конструктивных параметрах; доказана адекватность математической модели на основе сопоставления степени дисперсности, рассчитанной по экспериментальным данным, и теоретической степени идеальности.

Практическая значимость. По результатам теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и диспергирования жидких продуктов разработана новая конструкция РПА, техническая новизна которого защищена патентом РФ №2309791.

Предложена рецептура производства кисломолочного десерта, получаемого на разработанной установке.

Автор защищает; - новую конструкцию роторно-пульсационного аппарата для проведения процессов гомогенизации и диспергирования жидких систем; математическое описание гидродинамики процессов гомогенизации и диспергирования на основе стохастического подхода, позволяющую оценить качество продуктов с помощью энтропии и степени идеальности, с учетом конструктивных и технологических параметров; результаты исследований напорных и энергетических характеристик аппарата.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода, оценивающая степень идеальности процесса гомогенизации с учетом конструктивных и технологических параметров. Теоретические результаты стохастического моделирования на основе энтропийного подхода подтверждены экспериментально путем сравнения теоретической степени идеальности и степени диспергирования, полученной на основе обработки экспериментальных данных

2. Разработана новая конструкция роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями, техническая новизна которого защищена патентом РФ № 2309791. Предложена методика конструктивного расчета роторно-пульсационного аппарата

3. Проведена оценка энергопотребления РПА с помощью экспериментальных зависимостей критерия мощности от числа Рейнольдса при различных величинах межцилиндрового зазора в ламинарном и турбулентном режимах. При сравнении опытных и расчетных характеристик погрешность не превышает 15%.

4. Получены напорно-расходные характеристики РПА в виде экспериментальных зависимостей критерия Эйлера от параметра закрутки, характеризующим влияние циркуляционного потока на НРХ аппарата, при различных величинах зазора. Сравнение опытных и теоретических данных показало, что средневквадратическое отклонение не превышает 15-20%.

5. Показана целесообразность использования аппарата для получения жидких продуктов продуктов питания с добавками ягодных компонентов.

1. Александровский, А. А. Исследование процесса смешения и разработка аппаратуры для приготовления композиций, содержащих твердую фазу: автореф. дис. д-ра техн. наук. - Казань, 1977.-48с.

2. А. с. 280441 СССР. Ротационный аппарат для взаимодействия жидкости с жидкостью, газом или порошкообразным телом/ О. А. Кремнев и др. Опубл., Бюл. № 28.

3. А. с. 230090 СССР. Ротационный аппарат для взаимодействия жидкости с жидкостью, газом или порошкообразным телом/ М. А. Балабудкин и др. Опубл., Бюл. № 34.

4. Ахмадиев, Ф. Г. Моделирование кинетики процессов смешения композиций, содержащих твердую фазу/ Ф. Г. Ахмадиев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология.- 1984.- Т. 27.- № 9.-С.1087-108.

5. А. с. 286974 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ М. А. Балабудкин и др. Опубл., Бюл. № 35.

6. А. с. 288887 СССР. Ротационный аппарат/ А. А. Барам, А. Балабудкин. Опубл., Бюл.№. 35.

7. А. с. 462602 СССР. Ротационный аппарат/ А. А. Барам. Опубл., Бюл. №. 39

8. А. с. 488504 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ М.А. Балабудкин и др. Опубл., Бюл. № 39.

9. А. с. 488604 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ М. А. Балабудкин и др. -Опубл., Бюл. № 9.

10. А. с. 511093 СССР, B01F 5/12.

11. А. с. 554846 СССР, А011 11/16.

12. А. с. 576998 СССР, АО 11 11/16.

13. А. с. 581911 СССР, А011 11/16

14. А. с 599773 СССР, А011 11/16.

15. А. с. 631188 СССР Центробежный РПА /В.Н. Иванец, В. А.

16. Плотников, С. И. Лазарев. Опубл., Бюл. № 41.

17. А. с. 644518 СССР. Центробежный смеситель непрерывного действия/ И. И. Багринцев. Опубл., Бюл. № 3.

18. А. с. 646957 СССР, А011 11/16.

19. А. с. 675638 СССР, АО 11 11/16.

20. А. с. 725691 СССР. Роторно-пульсационный аппарат.

21. А. с 965493 СССР. Роторно-импульсный аппарат/ В. Р. Боровский и др. -Опубл., Бюл. № 38.

22. А. с. 940825 СССР. Центробежный РПА /В. Н. Иванец и др. Опубл., Бюл. № 25.

23. А. с. 988322 СССР. Роторно-пульсационный аппарат/ В. Р. Боровский и др.-Опубл., Бюл. № 2.

24. Аксельрод, Ю. В. Газожидкостные хемосорбционные процессы. Кинетика и моделирование/ Ю. В. Аксельрод.- М.: Химия, 1989.-240с.

25. Александровский, А. А. Исследование процесса смешивания и разработка аппаратуры для приготовления композиций, содержащих твердую фазу: автореф. дис. д-ра техн. наук. Казань, 1976. - 8с.

26. Альбрехт, С. Н. Разработка многоцелевого газожидкостного аппарата для интенсификации стадии перемешивания в производствах молочных комбинированных продуктов: дис. канд. техн. наук: защищена 15.04.99 / Альбрехт С. Н. Кемерово, 1999.- 172с.

27. Альбрехт, С. Н. Сравнение разных типов аппаратов для процессов, протекающих в системе газ-жидкость / С. Н. Альбрехт // Сб. тез. докл. научн.-практ. конф. "Интеграция науки, производства и образования: состояние и перспективы". Юрга , 1999. - С.23-25.

28. Артемасов, В. В. Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования при получении жидких комбинированных продуктов: дис. канд. техн. наук: защищена 20.05.04 / Артемасов В. В. Кемерово, 2004.-227с.

29. Артемасов, В. В. Описание конструкции и принципа работы роторно-пульсационного аппарата/ В. В. Артемасов, М. М. Афанасьева // Биотехнология и процессы пищевых производств: сб. науч. тр. — Кемерово, 2000.-С.96.

30. Влияние обработки в роторно-пульсационном аппарате на физиологические и биохимические показатели пивных дрожжей/ В. В. Артемасов, Е. А. Сафонова, Г. Е. Иванец, В. А. Плотников //Пища. Экология. Человек. -М., 2001.- С. 26.

31. Арутюнов, С. Ю. Моделирование и оптимизация процесса измельчения зернистых материалов: автореф. дис. канд. техн. наук. М, 1982. - 24с.

32. Ахмадиев, Ф. Г. Моделирование и реализация способов приготовления смесей/ Ф. Г. Ахмадиев, А. А. Александровский // Журн. Всесоюз. хим. общ-ва. им. Д.И. Менделеева. 1988.- Т.ЗЗ.- №4. С.448-453.

33. Бай, Ши-И. Турбулентное течение жидкостей и газов: пер. с англ. / Ш.-И. Бай; под ред. К.Д. Воскресенского.- М.: ИЛ, 1962.- 344 с.

34. Баканов, М. В. Разработка и исследование непрерывнодействующего агрегата вибрационного типа для получения комбинированных продуктов питания : дис. канд. техн. наук: защищена 10.05.01/ Баканов М.В.- Кемерово, 2001.-224с.

35. Балабудкин, М. А. О закономерностях гидромеханических явлений в

36. РПА/ М. А. Балабудкин // ТОХТ.- 1968.- №4.- С. 2.

37. Балабудкин, М. А. О закономерностях гидромеханических явлений в РПА/ М. А. Балабудкин, А. А.Барам // ТОХТ,-1968.- № 4.- С. 2.

38. Балабудкин, М. А./ М. А. Балабудкин, А. А. Барам // Изв. ВУЗов СССР. Химия и хим. технология.-1970.-№ 11.-С.13; №11, 1970.-№ ц. С.15; 1972.-№6.

39. А.с. 230090 СССР 230090./ М. А. Балабудкин, А. А. Барам, А. А. Бершицкий. Опубл., Бюл. №34.

40. Балабудкин, М. А. О закономерностях гидромеханических явлений в роторно-пульсационных аппаратах/ М. А. Балабудкин // ТОХТ.- 1975.-№ 5.- С. 783-788.

41. Балабудкин, М. А. РПА в химико-фармацевтической промышленности/ М. А. Балабудкин. М.: Медицина, 1983.-287с.

42. Балабышко, А. М. Гидромеханическое диспергирование/ А. М. Балабышко, А. И. Зимин, В. П. Ружицкий. М.: Наука, 1998.- 331с.

43. Балакирев, В. С. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления/ В. С. Балакирев, Е. Г. Дудников, А. М. Цирлин.- М.: Энергия, 1967.-720 с.

44. Балябина, Т. А. Исследование и разработка технологии эмульгированных продуктов на молочно-соевой основе: автореф. дис. канд. техн. наук.-Кемерово, 1998.- 16 с.

45. Барабаш, В. М. О размере пузырей при перемешивании газожидкостных систем/ В. М. Барабаш // II Всесоюзная конференция "Теория и практика перемешивания в жидких средах".- Черкассы, 1973.- С.15.

46. Барам, А. А. Диспергирование в системе жидкость-жидкость в аппарате роторно-пульсационного типа/ А. А. Барам // ТОХТ.- 1988.- Т. 22. № 5.-С. 655-660.

47. Барам, А. А. Гидродинамические закономерности аппаратов роторнопульсационного типа/ А. А. Барам, О. А. Лошакова // ТОХТ.- 1978.-Т.12.- № 2.- С. 231-240.48. / А. А. Барам и др.// Хим. и нефт. машиностроение.- 1978.- №4.- С.5-6.

48. Баранцева, Е. А. Исследование процессов непрерывного смешения сыпучих материалов и разработка метода их расчета на основе теории цепей Маркова: дис. канд. техн. наук / Баранцева Е. А.-Иваново: ИГЭУ, 2003.-108 с.

49. Бай, Ши И. Турбулентное течение жидкостей и газов: пер. с англ. / Ш.-И. Бай; под ред. К.Д. Воскресенского. М., 1962.-344 с.

50. Батунер, Л. М. Математические методы в химической технологии/ Л. М. Батунер, М. Е. Позин. Л.: Химия, 1979. - 248с.

51. Эффективные малообъемные смесители/ В. В. Богданов и др.- Л.: Химия, 1989.-305с.

52. Бриллиндждер, Д. Временные ряды/ Д. Бриллиндждер. М.: Мир, 1980.-536с.

53. Брагинский, Л. Н. Перемешивание в жидких средах: физические основы и инженерные методы расчета/ Л. Н. Брагинский, В. И. Бегачев, В. М. Барабаш.- Л.: Химия, 1984.- 637с.

54. Васютович, Е. В. Разработка и исследование технологии производства кисломолочных напитков с бета-каротином: автореф. дис. канд. техн. наук.- Кемерово, 1998.-16 с.

55. Обработка пивных дрожжей в роторно-пульсационном аппарате и выбор оптимальных параметров для их активации/ В. В. Артемасов, Е. А. Сафонова, В. А. Плотников, С. Г. Козлов.-М.,2001.-14с. // Деп. в ВИНИТИ 29.12.01, №2709 В2001.

56. Видинеев, Ю. Д. Дозаторы непрерывного действия / Ю. Д. Видинеев. -М.: Энергия, 1981.- 273 с.

57. Видинеев, Ю. Д. Современные методы оценки качества непрерывного дозирования / Ю. Д. Видинеев // Журн. ВХО им. Менделеева.- 1988.59.