автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Интенсификация процесса сушки обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий

На правах рукописи

БУРЛЕВ МИХАИЛ ЯКОВЛЕВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.18.12. - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени доктора технических наук

2 О МАР 2014

Москва-2014

005546229

005546229

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Россельхозакадемии» (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

Николаев Николай Сергеевич. Официальные оппоненты: Рудобашта Станислав Павлович, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, кафедра «Теплотехника, гидравлика и энергообеспечение предприятий» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина». Петров Андрей Николаевич, член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, директор института Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский

институт консервной и овощесушильней промышленности Россельхозакадемии». Гажур Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, кафедра «Технологические машины и оборудования» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российская экономическая академия им. Г.В. Плеханова»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

Защита состоится «_» _ 2014 г. в _ч. на заседании

диссертационного совета ДМ 006.021.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова» Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИМП им В.М. Горбатова Россельхозакадемии.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.Н. Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Интенсификация технологических процессов на основе последних достижений науки и техники, по-прежнему, остается одной из самых актуальных проблем развития научно-технического прогресса агропромышленного комплекса. В полной мере это относится и к процессу сушки пищевых продуктов, при организации которого на современном этапе необходимо решать ряд комплексных задач, связанных помимо качества продукта с рядом технических и социально-экономических вопросов.

Быстрое обновление и качественное совершенствование материально-технической базы пищевой промышленности России за счет использования достижений научно-технического прогресса - важнейшее условие снижения себестоимости пищевой продукции, а также увеличения производительности труда, повышения рентабельности и фондоотдачи производства.

Интенсификация процесса сушки входит в широкий круг вопросов, которые необходимо решить, чтобы создать высокоэффективное промышленное сушильное оборудование. За основные критерии эффективного функционирования современного сушильного оборудования принимаются следующие параметры:

- качество готового продукта;

- скорость технологического процесса;

- энергоэффективность процесса;

- экологическая безопасность процесса.

В основе многих методов сушки лежат тепловые и электрические воздействия на пищевые продукты, оказывающие определяющее влияние на качество этих продуктов.

Отрицательным фактором сушки является ее высокая энергоемкость, что, в конечном счете, сказывается на стоимости продукта.

Основные теоретические и научно-методические положения процесса сушки пищевых продуктов базируются на фундаментальных работах П.А. Ребиндера, A.B. Лыкова, М.В. Лыкова, A.C. Гинзбурга, М.Ю. Лурье, Г.А.

-з-

Кука, Б.С. Сажина, К. Masters (Великобритания), J. Вита (Нидерланды), S. Taneva (Япония). Большой вклад в развитие техники и технологии сушки пищевых продуктов и тепло-массообменных процессов внесли H.H. Липатов, И.А.Рогов, В .Д. Харитонов, В.И. Ивашов, В.Д. Сурков, С.П. Рудобашта, В.В. Илюхин, Ю.В. Космодемьянский и другие. Исследования различных энергетических воздействий на биологические объекты показали, что изучение электрических технологий необходимо продолжить в силу их перспективности для интенсификации процесса сушки. Особое внимание заслуживает электронно-ионная технология, а именно процесс воздействия электрического поля непосредственно на пищевой продукт. Анализируя результаты проведенных информационных изысканий, можно заключить:

- комплексных работ по исследованию процесса сушки пищевых продуктов на основе применения электронно-ионной технологии недостаточно для обобщения их результатов и конструктивных выводов;

- одним из перспективных направлений интенсификации процесса конвективной сушки является применение электрического поля.

Учитывая большую потребность в сухих продуктах и высокую энергоемкость способов сушки, вопросы интенсификации, поиск новых технико-технологических решений, приводящих к увеличению энергоэффективности процесса и проведение научных исследований в этих направлениях, являются весьма актуальными. Основным объектом исследования в качестве пищевого продукта является обезжиренное молоко.

Цель н задачи исследований.

Цель научной работы: разработка научных и практических основ интенсификации процесса сушки обезжиренного молока на основе применения слабых электроимпульсных воздействий и повышение эффективности работы технологического оборудования при их реализации.

В соответствии с целью научно-исследовательской работы были поставлены следующие задачи:

- экспериментально исследовать закономерности влияния слабых электроимпульсных воздействий на основные параметры процесса конвективной сушки обезжиренного молока;

-4-

- на основе структуры частицы обезжиренного молока предложить физическую модель процесса конвективной сушки с воздействием электрического поля;

- разработать математическую модель, учитывающую интегральное влияние электрического поля на интенсивность процесса сушки капли обезжиренного молока;

- разработать математическую модель внутреннего и внешнего переноса электрических зарядов в капле обезжиренного молока, лежащего в основе протекания электрокинетических процессов;

- исследовать электрокинетические процессы и научно обосновать их влияние на интенсивность процесса конвективной сушки;

- исследовать электрические свойства обезжиренного молока, уделив особое внимание трибоэлектрическому явлению и адгезии;

- разработать прибор - генератор импульсов высокого напряжения (ГИВН) и «антенну-излучатель» (ионизатор), предназначенных для промышленного процесса сушки обезжиренного молока;

- разработать новые конструкторские решения элементов оборудования на основе установленных закономерностей влияния слабых электроимпульсных воздействий, влияющих на эффективность процесса конвективной сушки.

Научная новизна:

- предложен и разработан новый способ интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока на основе применения электрического поля;

- сформулирована научно обоснованная гипотеза механизма влияния электрического поля на интенсивность процесса конвективной сушки;

- экспериментально получены зависимости основных параметров конвективной сушки обезжиренного молока от характеристик электрического поля;

- проведен анализ теоретических и экспериментальных даш1ЫХ влияния электрического поля на интенсификацию процесса конвективной сушки обезжиренного молока;

- выявлены характеристические особенности влияния слабых электроимпульсных воздействий на процесс удаления влаги из обезжиренного молока;

- выполнена интегральная оценка влияния электрического поля на интенсивность конвективной сушки капли обезжиренного молока;

- осуществлено математическое описание процесса внутреннего и внешнего переноса электрических зарядов в капле обезжиренного молока;

- сформулированы и реализованы принципы конструктивной оптимизации технологического оборудования применительно к процессам сушки в электрическом поле;

- проведено моделирование электрокинетических процессов (микроэлектроосмос и микроэлектролиз) для подтверждения сформулированной гипотезы;

- изучены особенности явлений трибоэлектричества и адгезии и их влияние на эффективность процесса сушки;

обнаружено явление индуцирования электрических импульсов биологическими объектами при фазовом переходе 1-го рода. Практическая значимость:

- экспериментально и в промышленных условиях показана практическая возможность эффективного использования электрического поля для интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока;

- определены рациональные режимы проведения конвективной сушки обезжиренного молока в электрическом поле;

- предложен метод количественной оценки приращения скорости сушки за счет применения электрического поля;

- предложены конструкторские решения повышения эффективности работы оборудования в электрическом поле;

- предложен метод устранения негативного влияния трибоэлектричества на процесс конвективной сушки;

- разработан способ минимизации влияния адгезии на эффективность работы сушильного оборудования в электрическом поле;

- внедрены в промышленное производство режимы сушки обезжиренного молока в электрическом поле.

Основные положения, выносимые иа защиту. Концептуальные положения:

- способ интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока за счет применения электрического поля;

- научно обоснованная гипотеза о механизме влияния электрического поля на интенсивность процесса конвективной сушки обезжиренного молока. Теоретические положения:

- аналитическое описание массообменного процесса, учитывающее интегральное влияние электрического поля на интенсивность процесса конвективной сушки;

- математическая модель внутреннего и внешнего переноса электрических зарядов в капле обезжиренного молока;

- физическая модель процесса конвективной сушки обезжиренного молока в электрическом поле.

Экспериментальные результаты:

- зависимости основных параметров конвективной сушки обезжиренного молока от характеристик электрического поля;

- рациональные режимы проведения конвективной сушки в элеюрическом поле;

- экспериментальные результаты моделирования электрокинетических процессов (микроэлектроосмос, микроэлектролиз);

- основные параметры явлений трибоэлектричества и адгезии;

- характеристики процесса индуцирования электрических импульсов биологическими объектами при фазовом переходе 1 го рода. Коиструкторско - техпологические и внедренческие решения:

- конструкторские элементы для повышения эффективности работы технологического оборудования;

- устройства для устранения негативного влияния явлений трибоэлектричества и адгезии;

- основные научно-исследовательские и конструкторские результаты, внедренные в промышленность.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научно-техническом совещании «Научно-технический прогресс в молочной промышленности» в докладе «Техническое перевооружение и реконструкция предприятий, внедрение ресурсо- и энергосберегающей техники с применением прогрессивных технологий на основе электронно-ионного направления в молочной промышленности» (Сибирский филиал ВНИКМИ -Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт молочной промышленности, Омск, 1987), факультете повышения квалификации «Экономика и организация ускорения научно-технического прогресса в молочно-консервной промышленности агропромышленного комплекса» в докладе «Применение электронно-ионной технологии в молочной промышленности» (МТИММП - Московский технологический институт мясной и молочной промышленности, Москва, 1987), ЬХХШ научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в докладе «Интенсификация процесса и повышение производительности распылительной сушилки с использованием электронно-ионной технологии» (Ордена Ленина институт сельского хозяйства, Омск, 1991), научно-технической конференции «Интенсификация производства в молочной промышленности» в докладе «Повышение производительности сушилки "ЛУРГИ - КРАУЗЕ" (Германия) с использованием электронно-ионной технологии» (ВНИКМИ, Москва, 1991), заседании секции Ученого Совета «Технология и механизация молочно - консервного производства» в докладе «Производство сухого обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий» (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, Москва, 2001), заседании Ученого Совета в докладе «Техника и технология процесса сушки биообъектов» (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, Москва, 2009), заседании Ученого Совета в докладе «Развитие научных основ электротехнологий в процессах сушки, аппаратурное оформление и практическая реализация» (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, Москва, 2012).

Публикации.

По материалам докторской диссертации опубликовано и издано 65 научных трудов, в том числе: монография, две книги (учебные пособия), 20 статей в специализированных научных журналах рекомендованных ВАК, 15 статей и докладов в научных трудах институтов, материалах научных чтений, семинаров, заседаний кафедр, конференций и специализированных ученых советах, 17 научных работ в зарубежных изданиях США, Канады, Германии, Чехии, Польши, Болгарии, Украины на английском и немецком языках, 10 патентов и авторских свидетельств на изобретения, 14 работ в самостоятельном исполнении. Объем публикаций составляет 70 печатных листов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 268 литературных источников, общим объемом 310 страниц. В диссертации содержится 90 рисунков, 57 таблиц, 33 формулы и 30 приложений. Введение. Во введении диссертационной работы показаны социальная значимость сухих пищевых продуктов и актуальность выбранной темы. Глава 1. Аналич способов повышения эффективности процесса сушки биологических объектов. Процесс миграции и удаление влаги нарушает ее связи с высушиваемым биологическим материалом и требует соответствующих затрат энергии. Существуют различные технологические методы подвода энергии для удаления влаги из высушиваемого биологического материала, например: контактный,- конвективный, терморадиационный, ультразвуковой (акустический), токами высокой частоты (ТВЧ) в электромагнитном поле, сверхвысокой частоты и другие. Наиболее распространены в пищевой промышленности, особенно в молочно-консервной отрасли, распылительные сушилки, которые в данной работе являются главным объектом исследования. Одним из основных направлений совершенствования современных распылительпых сушилок является разработка способов интенсификации процесса сушки и модернизация конструктивного исполнения, обеспечивающая их реализацию. Практически

все известные методы сушки отличаются высокими энергетическими затратами, в связи с чем, разработка различных способов интенсификации процессов сушки, является весьма актуальной задачей и требует специальных исследований. В настоящее время активно развивается электронно-ионная технология. Она основана на использовании сил взаимодействия электрического поля, электрического потенциала и электрических зарядов для организации упорядоченного движения частиц твердых и жидких биологических веществ. Электронно-ионная технология, основоположником которой считается профессор А.Л. Чижевский, базируется на слиянии нескольких направлений физики и техники: сепарации, сушки, электростатики, холодильной техники, электродинамики, техники высоких напряжений, механики, газодинамики. Уровень развития каждой из этих областей достаточно высок, но совместное использование этих направлений, так же как и использование данной технологии для интенсификации процесса сушки недостаточно исследовано. Анализ научных публикаций по исследованию электрических технологий выявил перспективность изучения для процесса сушки молочных продуктов.

Предметом исследования являлась сушка обезжиренного молока и других биологических объектов и веществ с использованием электрического поля. Изучение базировалось на основе применения системных методов исследования, предусматривающих моделирование слабых воздействий электрических импульсов при лабораторных экспериментах и промышленном производстве.

Глава 2. Теоретические и экспериментальные основы н закономерности влияния электрического поля на параметры процессов сушки. Анализ научных источников и собственные исследования показали перспективность использования коронного разряда для интенсификации процессов сушки, охлаждения, антисептирования, копчения и хранения.

Свойства электрического (коронного) разряда в воздухе существенно влияют на процессы электронно-ионной технологии. С одной стороны, электрическая проницаемость воздуха ограничивает максимальные значения

напряженности электрического поля и тем самым силы, действующие па частицы, с другой - коронный разряд в воздухе позволяет осуществить эффективную зарядку частиц и поэтому существенно расширить возможности процесса. В соответствии с новыми представлениями о физике процесса влияния электрического поля на биообъект разрабатывалась и постоянно изменялась конструкция «ионизатора» (первоначальное название), которая по существу стала представлять собой контурный электрод «антенна-излучатель» импульсов заданной частоты и скважности. Биологический объект сушки можно считать «антенной-приемником» этих импульсов. Разработан новый экологический способ и устройство, генерирующее электрические разряды для интенсификации тепло-массообменных процессов - это технология использования слабых

электроимпульсных воздействий. Принципиальные варианты схем орг анизации применения электротехнологий представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальные схемы применения электротехнологий. 1а - традиционный способ, 1 б - новый способ. -11 -

На основе теоретических и собственных экспериментальных данных влияния слабых электроимпульсных воздействий на обезжиренное молоко сформулирована научная гипотеза, согласно которой причинами интенсификации процесса сушки являются электрокинетические процессы (микроэлектроосмос, микроэлектрофорез, и микроэлектролиз) и стохастический резонанс. Стохастический резонанс - это совпадение собственных частот импульсов биологического объекта, с хаотическим диапазоном частот импульсов индуцируемых от внешнего источника (так называемый «белый шум», представляющий собой определенный спектр частот электрических импульсов).

Для создания соответствующего высоковольтного генератора в ходе экспериментов эмпирическим путем подбирался диапазон оптимальных частот и скважность электрических импульсов. С помощью созданного генератора импульсов высокого напряжения (ГИВН) была проведена оценка влияния электромагнитного излучения генератора на другие электронные приборы и на окружающую среду.

При термометрии биообъектов на устройстве, представленном на рис. 2.2. было обнаружено неизвестное ранее явление (по меньшей мере, не встречаемое нами в известной научной литературе) - индуцирование электрических импульсов веществами при фазовом переходе 1 рода и отсутствие этих импульсов при фазовом переходе 2 рода. Это явление позволило сформулировать одну из возможных причин интенсификации процесса сушки в электрическом поле, называемой стохастическим резонансом. Данное явление состоит в том, что мельчайшие частицы биологических объектов (веществ) на молекулярном уровне, могут инициировать процесс фазового перехода, при этом взаимодействие между частицами происходит за счет межмолекулярных сил минимального энергетического уровня. Частицы биообъектов проявляют способность к индуцированию слабых электрических импульсов в виде гармонических колебаний, которые характеризуются собственной амплитудой, частотой и

скважностью. При исследовании тепло-массообменных процессов (сушка, испарение, конденсация, сублимация, десублимация, оттаивание, замораживание, кристаллизация) с фазовыми переходами тепло- массо- и электроперенос в веществах необходимо рассматривать, как единое целое.

На этом же устройстве проведены исследования по термометрии обезжиренного молока при фазовом переходе 1 рода (замораживание) и зафиксированы электрические импульсы, представленные на рис. 2.3. и 2.4.

Рис. 2.2. Экспериментальная установка для компыотернойтермометриибиологических веществ: 1 - термоизоляционный стакан; 2 - кессон; 3 - электрический датчик-зонд; 4 - смесь жидкости со льдом, 5, 6 - термоэлементы; 7 - термос; 8 - смесь жидкости со льдом; 9 -адаптер; 10 - коммуникациоиные кабеля; 11 - микросхема управления; 12 - процессор компьютера; 13- экран компьютера; 14 - печатное устройство; 15 - заземление и, мВ Т°С

75

50

25

С

-25

-50

-75

1,5 а

1 /

0,5 /

\Лч/лч/Чч/ \л1лл/ Ч/\А/\ 1\ДдД| \дДД ддд/ \ А Л /\

■0,5\А, АЛЛА/ \ЛЛЛ ЛАЛЛ ЛАДА АЛЛ' ^АЛЛ/

-1

-1,5

2 4 6 8 10 12 14 16 т х 10 с

Рис. 2.3. а - график амплитудной модуляции импульсов обезжиренного молока в процессе фазового перехода 1-го рода, Ь - суммарная амплитудная модуляция импульсов полученного при кристаллизации (замораживании) обезжиренного молока в процессе фазового перехода и от термоэлемента за счет термоэлектрического эффекта ЭДС

и, мВ Т°С

75 1,5

50 1

25 0,5

С \

-25 -0,5--

-50 -1

-75 -1,5 1

2 4 6 8 10 12 14 16 т х 102с

Рис. 2.4. Дезинтегрированный график амплитудных модуляций импульсов по рис 2.3.(а, Ь) Электрические импульсы индуцировались в момент превращения жидкой

структуры обезжиренного молока в кристаллическую при замораживании.

При испарении также возникают электрические импульсы с определенной

частотой, скважностью и амплитудой. Наличие индуцируемых электрических

импульсов ведет к погрешности при измерении температуры при фазовом

переходе 1 рода традиционным способом. Погрешность может составлять от

5 до 10 мВ,т.е. около 30%, как это видно из анализа осциллограмм на рис. 2.3.

Глава 3. Экспериментальное исследование процесса сушки сгущенного

обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных

воздействий. Основным объектом исследования было выбрано сгущенное

обезжиренное молоко, для дополнительного контроля сгущенный заменитель

цельного молока. Оценка физико-химических показателей этих продуктов

производилась с использованием стандартных методов. Для исследований

процесса сушки с использованием слабых электроимпульсных воздействий

была разработана экспериментальная установка, представленная на рис. 3.1.

и 3.2. Количество сгущенного обезжиренного молока в каждом опыте было

постоянным. С этой целью дозирование производили при помощи капельного

дозатора US PROFI 117-129 (USA). Скорость движения воздуха обеспечивала

турбина (VB = 2,5 м/с - const). На генераторе фиксировали характеристики:

напряжение U = 600 В, сила тока I = 0,028 А. По ГОСТ 30494-96 замеряли

температура воздуха в лаборатории (+30 °С) и образца (+25 °С).

3 4

5 6 7 8 9 10

Вю.3.1.Эксперименш1Ьнаяус1шюв1<ад1исушкисгущенного Рис. 3.2. Фото общего вида обезжиренного молока в тонком слое на подложке: экспериментальной установки для 1 - турбина; 2 - пневмотруба; 3 - импульсный генератор; сушки сгущенного обезжиренного 4 - блок трансформации; 5 - электрод-излучатель; молока

б- осциллограф; 7 - штатив; 8 - весы; 9 - подложка; 10-образец (сгущенное обезжиренное молоко)

В ходе экспериментов регулируемыми параметрами были частота импульсов "Р и скважность импульсов "Б". На основе экспериментальных данных получены графики (рис. 3.3. - З.6.).

ь¥м 1Ьи.Ь4,Ьо / и =400 / ц

л / / Г, =150 Г) =300 Г, =200 / а ц ц

\ \

с? Г

V,

0,20

0,04

di.dbilj.ilj

Сг Г2 =2001 ц ,г

Г, =1501 II

си Гз =3001 ц "¿Л

/"С4 и = 400

Го = 0 л

Л

d2.d3.tl4

960 1200 1, с

Рис. 3.3. Кинетика процесса сушки сгущенного Рис. 3.4. Изменение скорости процесса сушки сгущенного обезжиренного молока в тонком слое при обезжиренного молока в тонком слое в зависимости от разной частоте импульсов: влагосодержания приразнойчастоте импульсов:

(а-Ь)- период возрастания скорости сушки; (а—Ь)— период возрастания скорости сушки; (Ь-с) - период постоянной скорости сушки; (Ь-с) - период постоянной скорости сушки; (с-ф - период падающей скорости сушки (с-сГ)- период падающей скорости сушки

V с-|

Рис. 3.5. Кинетика процесса сушки сгущенного Рис. 3.6. Изменение скорости процесса сушки сгущенного

обезжиренного молока в тонком слое при обезжиренного молока в тонком слое в зависимости от

разной скважности импульсов: влагосодержания приразной скважности импульсов:

(а -Ь)-период возрастания скорости сушки; (а-Ь)- период возрастания скорости сушки;

(Ь-с)-период постоянной скорости сушки; (Ь-с)- период постоянной скорости сушки;

(с-с!)-период падающей скорости сушки (с-ё)-период падающей скорости сушки

В тонком слое процесс сушки сгущенного обезжиренного молока

наибольшей интенсивности достигается при параметрах: напряжение: и = 600

В, I = 0,028 А, частота импульсов Г = 200 Гц, скважность импульсов 8 = 3.

Скорость процесса сушки возросла в 1,82

раза. Для исследований процесса сушки

капли сгущенного обезжиренного молока в

потоке воздуха с использованием слабых

электроимпульсных воздействий был изготовлена

экспериментальная установка (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Экспериментальная установка для сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха: 1 - штатив; 2 - полый конус; 3 - капля сгущенного обезжиренного молока; 4- вертикальная пневмотруба; 5 - кольцо из металла - электрод; 6-электрод-излучатель;7- импульсный генератор; 8 - калорифер; 9 - турбина для подачи воздуха

40 80 120 160 200 1, с

Рис. 3.8. Кинетика процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока при разной частоте импульсов: (а-Ь)— период возрастания скорости сушки; (Ь-с) - период постоянной скорости сушки; (c-d) - период падающей скорости сушки

30 60 90 120 150 VI,%

Рис. 3.9. Изменение скорости процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока в зависимости от влагосодержания при разной скважности импульсов: (а-Ь)- период возрастания скорости сушки; (Ь-с) - период постоянной скорости сушки; (с-ф- период падающей скорости сушки

Как и в тонком слое на подложке, процесс сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха наибольшей интенсивности достигается при параметрах: и=б00 В, I = 0,028 А, частота импульсов f=200 Гц, скважность импульсов 8 = 3. Скорость процесса сушки возросла в 2,23 раза. По ГОСТ замеряли температура воздуха после калорифера (+50 °С) и образца (+25 °С). Для контроля изменения диаметра капли сгущенного молока производилась фотосъемка (рис. З.Ю.). Проведенные эксперименты свидетельствуют о том, что в периоде сушки (а — Ь) действует тепловой эффект, при котором скорость процесса сушки резко возрастает. Во втором периоде сушки (Ь - с) скорость становится постоянной и в данный период предположительно (исходя из научно обоснованного представления физики процесса) начинает действовать микроэлектрофорез, при котором происходит

перераспределение сухих веществ внутри высушиваемой капли, а также микроэлектролиз, при котором происходит образование газовых микропузырьков, способствующих дискретному выбросу частиц влаги из

микрокапилляров во внешнюю среду. В третьем периоде процесса сушки (с - с!) скорость сушки замедляется, то есть высушиваемый наружный слой капли сгущенного обезжиренного молока превращается в теплоизоляционный, препятствующий передаче тепла в центр этой капли. А значит и испарению жидкости из более глубоких слоев капли. По мере I высыхания, наружный слой капли становится диэлектриком и при трении о воздушный поток заряжается. Заряды постоянно накапливаются, и наступает критический момент, когда действие электрического

Рис. 3.10. Фотосъемка процесса сушки потенциала становится достаточно капли сгущенного обезжиренного молока в

потоке воздуха высоким для возникновения процесса

микроэлектроосмоса. Тогда влага под действием электрического потенциала будет подниматься по капиллярам, к внешней поверхности, преодолевая значительные препятствия, то есть микроэлектроосмос способствует переносу микрочастиц влаги по каналам капилляров высушиваемой капли сгущенного обезжиренного молока от центра к ее поверхности. Были проведены контрольные исследования на сгущенном заменителе цельного молока. Для процесса испарения влаги 3 содержащейся, как в обезжиренном молоке, так и в заменителе цельного молока фазовый переход характеризовался одинаковыми показателями по частоте импульсов и скважности. При напряжении и = 600 В, силе тока I = 0,028 А зафиксированы результаты: частота f = 200 Гц и скважность 8 = 3.

Глава 4. Физико-математическая модель процесса конвективной сушки

с применением электрического поля Для случая с наложением слабых электроимпульсных воздействий известная физическая модель процесса сушки дополнена наличием электрического поля "с]" (рис. 4.1.), энергия которого и является главным фактором интенсификации процесса сушки.

Рис. 4.1. Физическая модель процесса конвективной сушки капли обезжиренного молока с применением электрического поля: <3 - тепловой поток; q - удельный заряд частицы; г0 - центр капли; г„, - внешний радиус капли; гт.1 - внутренний радиус слоя капли; Дв,,, - количество влаги; (т - т.]) -толщина слоя капли; Г| - внешний радиус ядра; гн - внутренний радиус ядра

Исходя из физического представления процесса конвективной сушки

с наложением электрического поля, массообменный процесс был разделен на

две части: удаление влаги за счет температурного поля и удаление влаги за

счет энергии электрического поля.

В температурном ноле

Для описания массообмена второго периода сушки (период удаления

свободной влаги с постоянной скоростью) использовалось хорошо известное

линейное уравнение массопередачи:

Q

- 8W/8r = const = р (Wpaeu - Wn) где W - влагосодержание материала, %; г - время, с;

Р - коэффициент массопередачи, 1/с\

(4.1)

^раен - равновесное влагосодержание материала, %; - влагосодержание сушильного агента, %;

Для описания массообмена процесса сушки (период удаления связанной влаги) применяли уравнение молекулярной диффузии (2-й закон Фика). Предположение о сферической симметрии физических свойств капли молока позволило, используя сферические координаты, получить из трехмерного пространственного уравнения молекулярной диффузии одномерное уравнение:

1ЮдУ/15т=&У//д12+ 2Пт/д1 (4.2)

где I - расстояние от центра частицы, м.

В электрическом поле Для количественной оценки воздействия электрического поля в виде дополнительного члена уравнения были обработаны полученные экспериментальные данные. Основное внимание уделено данным сушки капли обезжиренного молока, как объекту наиболее соответствующему реальным производственным условиям. Анализ экспериментальных данных показал, что разность скоростей сушки практически постоянна, как при удалении свободной влаги, так и связанной влаги (в пределах рассматриваемого физического процесса), т.е. влияние можно описать простым дополнительным членом в правой части уравнения для производной XV но времени. Зависимость дополнительного члена от подаваемого напряжения II можно принять линейной.

Процесс сушки - период удаления свободной влаги:

дУУ/дт = р (У/в- ХУрат) - к({, Б) и, (4.3)

Процесс сушки - период удаления связанной влаги;

т/дт = £> [с?у//д12 + (2/1) д\У/В1 ]- Щ, 8; и, (4.4)

где - влагосодержание продукта, %;

г - время, с;

И'в - влагосодержание сушильного агента, %;

УУрави - равновесное влагосодержание материала, %;

I - расстояние от центра частицы, м;

I) - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с;

V - подаваемое напряжение (амплитуда), В;

к - коэффициент влияния электрического поля на процесс сушки,

капли являющийся функцией параметров 1 /с/В, в том числе: { - частота импульсов, Гц; 8 - скважность импульсов

Таблица 4.1.

Численные показатели коэффициента "к" при сушке капли

в /Гц Значения коэффициента "к" в единицах (1/с/В) для сушки одиночной капли обезжиренного молока

150 200 400

2 - 3,55 Ю-5 -

3 1,22 10~5 5,00 10~5 0,55 105

5 - 2,11 10~5 -

10 - 0,77 10"5 -

Результат графического анализа изменения коэффициента "к" для одиночной капли, как функции скважности 8 и частоты Г показан на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Двухмерная поверхность коэффициента "к" для капли, как функции скважности 8 и частоты Г

Для варианта сушки обезжиренного молока в тонком слое на подложке сделано допущение, что толщина слоя много меньше размеров подложки, а физические свойства материала постоянны на всей подложке. В этом случае, для процесса сушки, периода удаления связанной влаги из трехмерного пространственного уравнения молекулярной диффузии (2-й закон Фика), 1 получаем одномерное уравнение. С учетом члена, описывающего влияние электрического поля, это уравнение можно записать следующим образом:

д\У/дт = 0(&Шдк2)-к„{1,Ъ)и ' (4.5) ■

где Л - высота слоя высушиваемого молока, м;

к„-коэффициент влияния электрического поля на процесс сушки, 1/с/В.

Таблица 4.2.

Численные показатели коэффициента "к" при сушке в тонком слое

в / [, Гц Значения коэффициента "к" в единицах (1/с/В) для сушки обезжиренного молока в тонком слое

150 200 300 400

2 - 1,10 10б - -

3 0,33 10"6 1,86 10~6 0,33 10"6 0,32 10~б

5 - 1,58 10"6 - -

10 - 0,31 10"6 - -

По данным табл. 4.2. построен график изменения коэффициента "к" при сушке в тонком слое на подложке, как функции скважности в и частоты Г Рис. 4.3.

Рис. 4.3. Двухмерная поверхность коэффициента "к„" для сушки молока в тонком слое на подложке, как функция скважности 8 и частоты [ -22-

Предложенный подход позволяет комплексно оценить воздействия электрического поля на процесс сушки и использовать полученные данные для инженерных расчетов в рамках исследуемого диапазона параметров. Предложена физическая модель конвективной сушки капли представленная на рис 4.4. сгущенного обезжиренного молока при микроэлектроосмосе и при микроэлектролизе, а так же осуществлено математическое моделирование процесса переноса электрических зарядов в процессе конвективной сушки.

Рис. 4.4. Физическая модель конвективной сушки капли сгущенного обезжиренного молока при использовании слабых электроимпульсных воздействий: (2 - тепловой поток; q - удельный заряд частицы; г0 - центр капли; гт - внешний радиус капли; гт_1 - внутренний радиус слоя капли; ДОт - количество влаги; (га - им) - толщина слоя капли; г, - внешний радиус ядра; - внутренний радиус ядра

-23-

Внутренний и внешний перенос электрического заряда в отдельно взятой частице обезжиренного молока зависит от электрического поля и от потенциала внутри и снаружи частицы, которую условно принимаем за сферу радиусом Я = А и заряженную электрическим зарядом с объемной плотностью "р", Кл/м3, (рис. 4.5). Рассмотрим напряженность поля внутри

сферы (Д < А) на поверхности частицы (Я = А) и вне ее (Я > А), согласно теореме Гаусса. Количество электричества в частице. Ч = У Р^ = (4/3) л А3 ру (4 б)

Где: V- объем сферической частицы. хЭлектрическое поле вне сферической частицы совпадает с полем, создаваемым точечным зарядом. Напряженность такого поля при (И. > А) согласно закону Кулона. Е„ =кЧ Ж2=д/(4 п Е0 П2)=А3рДЗеоЯ2) (4.7) Отсюда получаем напряженность поля на поверхности (Я = А) сферической частицы.

Еп = А3 РV /(3 Е0 А2) =Ар„ /(3 Е„) (4-8>

Напряженность поля внутри сферической частицы (Я < А) изменяется линейно от нуля в центре до максимального значения на поверхности:

Ев = Яру/(3 £0) (4.9)

где Ео = 8,85 1(Г12 Кл2/(Н м2) - электрическая постоянная. Разность потенциалов во внутренней области между сферическими оболочками

радиусов Я] и Б^ составляет: К2

иК1 - иК2 = /Евс111 =(Я2; - Я22)р„ /(6 е0) (4.10) д/

Разность потенциалов между центром частицы и ее поверхностью, составляет:

На- Но-А2 р„/(6 е0) (4.11)

Разность потенциалов во внешней ооласти между сферическими оболочками

Л2

радиусов И, и ^ _ ^ = /£//<иг =(1/ц2 _ Ш]) Азрг /(3 Ёд) (4 ]2)

У

/ : Шш ИМ 4 А 1

1 ^^^^ ШжЯ '

\

\

ч <¿2^ /

Рис. 4.5. Сферическая частица сухого обезжиренного молока радиусом Я = А

Разность потенциалов между поверхностью сферической частицы и бесконечностью, составляет:

иА - и„ = А2 рУ /(3 Ео) (4.13)

Если потенциал в бесконечно удаленной точке принять равный нулю (/„ = О, тогда потенциалы на поверхности иА и в центре и0 сферической частицы: иА=А2рЛЗ£о) (4.14)

и0- А2р,, /(6 Ео) (4.15)

Графики напряженности электрического поля Е и разности потенциалов и с бесконечно удаленной точкой, как функции К расстояния от центра

и(Я) электрического поля внутри и снаружи потенциалов отдельной сферической частицы обезжиренного молока Представленные физические и математические модели следует

рассматривать, как необходимый этап в решении сложнейшей задачи

моделирования микроэлектрокинетических явлений, лежащих в основе

интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока.

Глава 5. Исследование физической модели процесса сушки обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий. В основу физической модели частицы обезжиренного молока в процессе конвективной сушки положена система частиц обладающих ^ пористой структурой, представляющую собой мельчайшие микроскопические

I

капилляры, через которые происходит удаление влаги. При наложении слабых электроимпульсных воздействий процесс сушки интенсифицируется. Такой подход позволил в процессе работы предложить структурную схему трансформации объемной и локальной энергии электричества в процессе распылительной сушки обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структурная схема объемной и локальной трансформации энергии электричества в процессе сушки обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий

Известно, что в процессе конвективной сушки распыляемые частицы продукта приобретают на определенном этапе плотную оболочку. На рис. 5.2. представлено фото микрочастицы сухого обезжиренного молока (СОМ), а на рис. 5.3. физическая модель частицы СОМ, основанная на базовой модели частицы сухого цельного молока, предложенной голландским ученым Josef Вита и развитая Харитоновым В.Д.

5.2. Частица сухого обезжиренного молока

Рис. 5.3. Физическая модель частицы сухого обезжиренного молока: 1 - аморфная лактоза с распределенными в ней глобулами белка; 2 - молочный жир; 3 -включения воздуха; 4 - капилляры (разломы, трещины, кратерообразные углубления и каналы)

Для подтверждения предложенной физической модели внешнего и внутреннего переноса влаги под действием электрических зарядов создан экспериментальный стенд (рис. 5.4.) и проведено моделирование микроэлектроосмоса обезжиренного молока.

12 3 4 5 6

Рис. 5.4. Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования

микроэлектроосмоса обезжиренного молока: 1 - генератор импульсов; 2 - катетометр; 3 - осциллограф; 4 - стеклянная трубка; 5 - капилляры; 6 - кварцевый песок; 7 - электроды; 8 - штатив

Стеклянная трубка 4, закрепленная на лабораторном штативе 8, была заполнена мелким очищенным кварцевым песком 6, который был залит составом обезжиренного молока, К помещенным в стеклянную трубку 4 электродам 7, имеющим круглое сечение, совпадающие по диаметру трубки, подводилось напряжение от генератора импульсов 1, величиной 40 Вольт, скважность S = 3 - const. При этом наблюдался подъем обезжиренного молока в капиллярах 5, который контролировался визуально при помощи специального прибора - катетометра (мод. КМ - 8) 2.

На осциллографе (мод. С1-65 А) 3 в течение экспериментов контролировались данные, поступающие с электродов 7, т.е. в ходе экспериментов, фиксировалась высота подъема обезжиренного молока в зависимости от времени при различных частотах (f = 60, 140, 200, 1000, 2000 Гц). На основе экспериментальных данных получены графики (рис. 5.5, 5.6).

Результаты исследований свидетельствуют также о том, что величина параметров частоты импульсов, способствующие максимальному проявлению

Рис. 5.5. Изменение высоты подъема обезжиренного молока в капилляре от времени при разной частоте импульсов при микроэлектроосмосе

микроэлектроосмотического переноса жидкого состава обезжиренного молока в капиллярах, находятся в пределах от 200 до 1000 Гц. Дальнейшее увеличение частоты импульсов мало влияет на эффект микроэлектроосмоса.

Рис. 5.6. Изменение скорости движения обезжиренного молока в капилляре от времени при разной частоте импульсов при микроэлектроосмосе

Анализ полученных результатов подтверждает возможность интенсификации процесса сушки молока при использовании слабых электроимпульсных воздействий. При определенной частоте импульсов происходит микроэлектроосмос, способствующий более интенсивному переносу влаги по капиллярам высушиваемой частички из центра на ее поверхность.

На следующем этапе исследований разработан экспериментальный стенд (рис. 5.7.) для изучения влияния микроэлектролиза на интенсификацию процесса сушки обезжиренного молока.

для исследования микроэлектролиза: 1 - генератор импульсов; 2 - корпус электролизера; 3 - капиллярная трубка. 4 - столбик обезжиренного молока в капилляре; 5 - образующиеся газовые пузырьки; 6 -обезжиренное молоко; 7 - осциллограф; В - электроды

При экспериментальных исследованиях процесса микроэлектролиза обезжиренного молока на электроды 8, вмонтированные в корпус электролизера 2 подавалось напряжение U = 20 В, при импульсном токе I = 0,028 гаА. и скважности импульсов S = 3 - const. В каждом опыте задавался переменный параметр - частота импульсов f = 50, 200, 400, 1200, 2000, 3000, 6000, 60000 Гц. При различных импульсах частот в зависимости от времени

фиксировался объем выделяющегося газа и по данным результатов экспериментов получен график изменения объема газа, в зависимости от частоты импульсов (£ Гц) (рис. 5.8). Максимальный объем выделившегося

U X 10', м3

70

ЗООГц газа, характеризующий скорость

т=зс|оогп

t JE; микроэлектролиза обезжиренного f=6qooru

'Р0?5°огцмолока' наблюдается при частоте

if= гаоогч

I f=200Гц и скважности S = 3.

Совпадение экстремальных

значений частот импульсов и

скважности импульсов при

сушке обезжиренного молока,

как в тонком слое, так и в

капельном режиме, подтверждает

гипотезу, что процесс

микроэлектролиза влияет на

интенсивность процесса

___сушки. То есть, в процессе

О 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 t,c

Рис. 5.8. Изменение объема выделившегося газа микроэлектролиза происходит из обезжиренного молока от времени при разной

частоте импульсов при микроэлектролизе образование «газообразных»

пузырьков способствующих движению внутренней влаги по капиллярам

высушиваемой частицы из центра к ее поверхности.

Проведенные далее эксперименты были посвящены исследованию зависимости электрического сопротивления обезжиренного молока в процессе сушки от различных параметров электроимпульсных воздействий. Для определения этой взаимосвязи исследовали, при каких частотах импульсов (скважность импульсов S = 3 - const) обезжиренное молоко будет иметь наименьшее электрическое сопротивление. Для этого за основу взято исследование активного электрического сопротивления обезжиренного молока и изменение полного электрического сопротивления различной влажности при различных частотах импульсов. При этом учитывалось, что

активное электрическое сопротивление не зависит от частоты импульсов. Полное электрическое сопротивление - это сумма всех сопротивлений, в том числе и активного сопротивления, зависит от частоты импульсов. В ходе экспериментов в исследуемый образец (обезжиренное молоко с различным влагосодержанием разлито в пределах границы окружности с! = 20 мм., Ь = 5 мм, на подложке 9, установки представленной на рис. 3.1.) помещали два электрода площадью 15 мм3, расстояние между которыми составляло 15 мм. Образец с электродами устанавливали на весы и задавали параметры: скважность 8=3, напряжение и = 40 В, частота импульсов f = 100, 200, 300, 400 Гц. По экспериментальным данным получены графики. Рис. 5.9. и 5.10.

LgR, кОм кОм

обезжиренного молока в зависимости от обезжиренного молока в зависимости от частоты

влагосодержания импульсов при различном влагосодержании

Исследования по определению полного электросопротивления необходимы для подтверждения, что при частоте = 200 Гц и скважности 8 = 3, молоко имеет «наименьшее» электросопротивление при любом влагосодержании. Поскольку молоко проводит электрический ток вследствие содержания в нем ионов, то изменение их концентрации отражаются на его электропроводности и это зависит напрямую от «наложения» электрического поля с необходимыми параметрами частоты и скважности импульсов.

Были проведены экспериментальные исследования явления трибоэлектричества, оказывающего влияние на работу сушильной установки в процессе сушки. В ряде других научных источниках это явление трактуют, как «трибоэлектрический заряд», т.е. это электрические заряды, которые возникают при трении друг о друга двух разнородных веществ, причем приобретаемые ими заряды равны по абсолютному значению и противоположны по знаку. Исследование по трибоэлектричеству частиц сухого обезжиренного молока необходимо при изучении производственных процессов связанных с высушиванием различных материалов, в том числе и сушки обезжиренного молока. При распылении смеси в виде сгущенного обезжиренного молока в сушилке с последующим оседанием сухого порошка на стенке сушильной башни, транспортировке порошка по воздуховодам и т.д., происходит нежелательное накопление статических зарядов, для устранения которых заземляют контур сушильной установки или принимают другие меры, например, за счег управления процесса предварительного сгущения молока в вакуум-аппарате. Кроме того, предложены и конструктивно исполнены оригинальные устройства, позволяющие регулировать знакопеременные заряды частиц сухого молока. Это необходимо учитывать при проектировании сушильных установок с целью снижения негативных последствий возгорания продукта в процессе сушки.

Глава 6. Реализация основных научных результатов в промышленных условиях и перспективы развития процесса сушки биологических объектов. На одной из распылительных сушилок «Лурги-Краузе» (Германия) (рис. 6.1.) производительностью 300 кг. исп. влаги в час, молочноконсервного предприятия "Ялуторовскмолоко" были проведены производственные выработки сухого обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий. На производстве эксплуатировались две одинаковые распылительные сушилки № 1 и № 2 одной и той же модификации, с одинаковой паспортной производительностью. Это позволило применить «сравнительный анализ». На сушилке № 1 был установлен генератор импульсов высокого напряжения (ГИВН) с контурным

- зз -

Рис. 6.1. Распылительная сушилка «ЛУРГИ-КРАУЗЕ»: I — трубопровод для подачи сгущенного обезжиренного молока; 2 - сушильная камера; 3 -устройство для удаления сухого обезжиренного молока с внутренней стенки сушилки; 4 -генератор импульсов высокого напряжения (ГИВН); 5 - распределительный диск; 6 -колонка воздухораспределительная; 7 - уборочный механизм сушилки; 8 - шнек; 9 -вытяжной вентилятор; 10 - калориферы для подогрева воздуха; 11 - фильтр для входящего воздуха; 12 - дверь; 13 - рукавные фильтры; 14 - контурный электрод-«антенна-излучатель»

И

I

"ЦТ

Рис. 6.2. Контурный электрод «антенна-излучатель»: 1 - изолятор; 2 - рамка; 3 - электродная нить; 4 - электродный контур противоположного знака; 5 - механизм натяжения струны; 6 - изолирующий корпус электродного контура

электродом (рис. 6.2.) в воздуховоде сушилки (рис. 6.1. п. 14). За основу были взяты режимы, по которым были получены лучшие результаты в лабораторных исследованиях: f = 200 Гц (частота импульсов), S = 3 (скважность импульсов), U = 600 В, I = 0,028 А. Температура в производственном цехе (+ 30 °С - const.).

За основу экспериментально-производственных выработок сухого обезжиренного молока была принята схема длительных производственных испытаний, так как в практических условиях, эффективность процесса распылительной сушки связано с большим количеством независящим друг от друга факторов. К их числу относятся факторы, которые фактически не поддаются стабильности на распылительных сушилках данного типа, такие как: автоматическая регулировка влагосодержания подаваемого на сушку воздуха, колебания температуры в сушильной камере, колебания массовой доли влаги, в сгущенном обезжиренном молоке подаваемого на сушку, колебания в системе давления пара подаваемого в калорифер для нагрева сушильного агента, нестабильная подача энергоносителя в паровую турбину обеспечивающую вращение распылительного диска. Однако, в остальном были предприняты наиболее стабильные варианты исследования с целью получения объективных показателей. Например, для чистоты эксперимента сгущенное обезжиренное молоко подавали насосом «ZIVA» (Германия) с модернизированного вакуум-аппарата "ВИГАНД" (Германия) пленочного типа производительностью 5500 кг исп. влаги в час, который одновременно обеспечивал сгущенным обезжиренным молоком обе распылительные сушилки. Все необходимые энергоподводящие коммуникационные составляющие (пар, сжатый воздух, для системы регулировочных клапанов) одинаково распределялись (за счет встроенных «гребенок») на распылительные сушилки № 1 и № 2. Система обеспечения электроэнергией в 380 Вольт была стабильной в течение всех производственных циклов. Каждая партия выработанного сухого обезжиренного молока исследовалась в производственной лаборатории на предмет соответствия ГОСТу и действующим стандартам.

Проведен радиоактивный анализ сухого обезжиренного молока, который не превышал по радиоактивному элементу (цезий) 137/134 - 370 Бк/кг. По этому показателю разрешается реализация на экспорт. Данные качественные показатели соответствуют «Сертификации по безопасности пищевых продуктов», декларированными членами ВТО.

Результаты производственных выработок показали, что при распылительной сушке с использованием слабых электроимпульсных воздействий производительность сушилки увеличилась в среднем на 13%, что зафиксировано соответствующим актом комиссии от предприятия.

Обеспечение интенсификации процесса сушки обезжиренного была связана с необходимостью усовершенствования целого ряда аппаратов, входящих в состав технологической линии. Производство сухого обезжиренного молока осуществляют путем двухстадийного тепло-массообменного процесса. Технологический процесс организован на вакуум-выпарных аппаратах и сушильных распылительных установках. Сгущение исходного продукта с начальной концентрацией сухих веществ 9% по массе производится на вакуум-выпарных аппаратах до концентрации сухих веществ в сгущенном обезжиренном молоке - 45%. Сушка прекращается, когда процент влаги в порошке достигает 4%.

С целью, бесперебойного обеспечения работы сушильных установок при исследовании слабых электроимпульсных воздействий в процессе сушки, возникла необходимость усовершенствовать вакуум-аппарат пленочного типа «ВИГАНД» (Германия) 5500 кг испаренной влаги в час, т.е. значительно повысить производительность (до 5-6 %). Было предложено решение, которое позволило модернизировать вакуум-аппарат (рис. 6.3).

Винтовые завихрители - «турбулнзаторы» 3 (рис. 6.4.) распределяют обезжиренное молоко от центра теплообменных труб к греющей поверхности и создают закручивание жидкости по спиральной траектории. При движении жидкости по трубам 5 имеет место сочетание пленочного распределения с циклическим вращательным движением.

Усовершенствование пакуум-аппарата позволило увеличить

производительность по испаренной влаге на 5,5 %, устранить пригар в теплообменных трубах и самозакупорку их, увеличить продолжительность непрерывной работы вакуум-аппарата (тридцать часов и даже больше) до 1 2 3 4 5

Ряс. 6.3.Распре№шлельноеустройсгаЗйакуум-аппа(йш:

1 - горизонтальный диск; 2 - отверстия; 3 - Рис- 6-4- фото винтового винтовые завихрители - «турбулизаторы» 4 - завихрителя - «турбулизатор» переливные патрубки; 5 - теплообменные грубы калоризатора вакуум-аппарата

цикла мойки, сократить время мойки, улучшить качество продукта и снизить энергетические затраты на выпаривание. Усовершенствование калоризатора вакуум-аппарата позволило стабилизировать выход сгущенного продукта в процентном отношении по сухому веществу, и достигнута основная цель -это бесперебойное обеспечение сгущенным обезжиренным молоком во время исследования сушки с использованием слабых электроимпульсных воздействий двух сушилок модели «Лурги-Краузе» одновременно.

В процессе транспортирования в результате трения о внутренние поверхности оборудования частицы сухого обезжиренного молока приобретают электрический заряд. Снятие статического электричества является важной задачей. Адгезионные характеристики, обусловленные электрическими силами, изучены до сих пор недостаточно.

Предложен метод, признанный изобретением, позволяющий изучить и регулировать в плане значительного снижения электрических сил адгезии с 1

12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 6.5. Схема распылительной установки:

I - вентилятор подачи теплоносителя; 2 - калорифер; 3 - распылительный диск; 4 -электропривод; 5 - воздухораспределитель; 6 - головной циклон; 7 - вентилятор головного циклона; 8 - дефлектор; 9, 15, 18 - трубопроводы; 10 - разгрузочный циклон;

II - циклоны бункеров; 12 - фильтры; 13 - компрессор с воздухоохладителем; 14 -сушильная камера; 16, 19 - шлюзовой затворы; 17 - вентилятор разгрузочного циклона; 20 - вибросито; 21 - шнековое транспортное устройство; 22 - электродный контур -устройство для регулирования трибоэлектризации; 23 — устройство трибоэлектрической зарядки сухого обезжиренного молока в форме колена; 24-бункерысразгрузочнымивибраторами помощью устройства для электростатической зарядки и разрядки частиц

сухого обезжиренного молока (рис. 6.5. п. 22,23). Для нейтрализации статических

зарядов пневмотранспортная линия распылительной сушилки может быть

оснащена двумя вариантами устройств для «электростатической зарядки или

разрядки» порошкообразных (частиц) сухих молочных продуктов.

Благодаря отталкиванию одноименных зарядов резко снижается

адгезия частиц сухого молока к внутренним стенкам бункера хранения, что

обеспечивает оперативную транспортировку продукта в процессе выгрузки.

Кроме того, такое конструктивное решение предотвращает

блокировку колена трубопровода частицами сухого обезжиренного молока.

В лаборатории были проведены эксперименты и исследования нового способа процесса сушки биологического объекта (рис. 6.6.) в потоке низкотемпературной плазмы. Энергию низкотемпературной плазмы получают при следующих режимах: вакуум менее 1 мм. рт. ст. (Topp), напряжение в пределах 20 - 30 тыс. В, при этом температура энергии низкотемпературной плазмы зависит от различия в массах электронов и ионов, из которых состоят молекулы или группы молекул частиц высушиваемого биологического объекта.

Рис. 6.6. Лабораторный стецд для сушки биологических объектов в потоке

низкотемпературной плазмы Другая особенность заключается в том, что при использовании низкотемпературной плазмы, можно дополнительно поместить высушиваемое вещество в электромагнитное поле, контролируя его закручивание (частиц вещества или продукта) и создавать тем самым дополнительный тепломассообмен. Парообразование жидкости происходит при любой температуре, но интенсивность этого процесса связана с увеличением внутренней энергии вещества, передаваемого внешним источником энергии.

Сушка в низкотемпературной плазме осуществляется за счет энергетического поля ионизированного газа. Энергия, передаваемая влажному материалу, стимулирует возникновение и протекание в нем электрокинетических процессов (микроэлектроосмос, микроэлектрофорез и микроэлектролиз), за счет которых происходит удаление влаги из материала.

-39-

Основные результаты и выводы.

1. Экспериментально и в промышленных условиях доказано, что одним из перспективных направлений интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока, позволяющих разрабатывать энергосберегающие и экологически чистые технологии, является применение электрического поля.

2. Сформулирована научно обоснованная гипотеза, заключающаяся в том, что в основе механизма интенсификации процесса конвективной сушки при использовании слабых электроимпульсных воздействий лежат электрокинетические явления (микроэлектроосмос, микроэлектрофорез и микроэлектролиз) и стохастический резонанс (совпадение собственных частот импульсов биологического объекта при фазовом переходе с определенным диапазоном частот импульсов индуцируемых от внешнего источника).

3. Экспериментально определены рациональные характеристики слабых электроимпульсных воздействий, позволяющие максимально интенсифицировать процесс сушки сгущенного обезжиренного молока при напряжение и = 600 В, силе тока I = 0,028 А, частоте импульсов £ = 200 Гц, скважности импульсов 8 = 3 при сохранении высокого качества продукта (сухого обезжиренного молока).

4. На основе физической модели структуры частицы молока разработана физическая модель процесса конвективной сушки с применением слабых электроимпульсных воздействий.

5. Разработана математическая модель, учитывающая интегральное влияние электрического поля на интенсивность конвективной сушки капли обезжиренного молока в тонком слое.

6. Разработана математическая модель внутреннего и внешнего переноса электрических зарядов в капле обезжиренного молока, лежащего в основе протекания таких электрокинетических процессов как микроэлектроосмос и микроэлектролиз.

7. На основе экспериментальных данных выполнен расчет коэффициента скорости сушки капли обезжиренного молока в электрическом поле и показана его зависимость от основных характеристик электрического поля.

8. Экспериментальное моделирование электрокинетических процессов (микроэлектроосмоса и микроэлектролиза) позволило подтвердить обоснованность сформулированной гипотезы о механизме влияния электрического поля на интенсивность процесса конвективной сушки.

9. Установлено, что интенсификация процесса конвективной сушки под воздействием слабых электроимпульсных протекает без дополнительного нагрева продукта, что выгодно отличает этот способ от других.

10. Разработаны конструкторские элементы технологического оборудования с целью повышения эффективности и стабилизации процесса конвективной сушки в условиях применения электрического поля.

11. Экспериментально исследовано явление трибоэлектричества, возникающее в процессе конвективной сушки обезжиренного молока. Предложен метод минимизации негативного влияния трибоэлектричества на эффективность процесса сушки.

12. Впервые экспериментально обнаружено явление индуцирования слабоимпульсных электрических сигналов в биологическом объекте при фазовом переходе 1-го рода, что подтверждает электрическую природу многих физических процессов, протекающих в биологических объектах (веществах) и возможность влиять на них через электрическое поле.

13. Разработан генератор импульсов высокого напряжения для производственного процесса сушки обезжиренного молока и защита электроизмерительных приборов от электромагнитных излучений.

14. Основные научные результаты данной работы, направленные на интенсификацию процесса конвективной сушки обезжиренного молока путем применения слабых электроимпульсных воздействий, прошли промышленную апробацию на установках фирмы «Лурги-Краузе» (Германия) и внедрены на молочноконсервном комбинате «Ялуторовскмолоко».

Список научных трудов опубликованных по материалам диссертации. Монографии, книги, учебные пособия, справочники.

1. Бурлев, М.Я. Аспекты электронно-ионной технологии в промышленности: монография / М.Я. Бурлев, В.В Илюхин, Н.С. Николаев. // Verlag LAP LAMBERT Academic Publishing, AV Akademiker-Verlag GmbH &Co. KG. Heinrich - Bocking -Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Deutschland, 2013. - 63 c.

2. Бурлев, М.Я. Монтаж, наладка, диагностика и ремонт технологического оборудования молочных производств: учебное пособие / В.В Илюхин, И.М Тамбовцев, М.Я. Бурлев. - СПб., Изд-во ГИОРД, 2006. - 440 с.

3. Бурлев, М.Я. Справочник механика молокоперерабатывающих предприятий и сервиса: справочное пособие / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев. -СПб., Изд-во ГИОРД, 2008. - 246 с.

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях.

4. Бурлев, М.Я. Усовершенствование вакуум - аппарата пленочного типа / Ю.И. Безуглов, М.Я. Бурлев И Молочная и мясная промышленность. - М., 1988,-№2.-С. 13-14.

5. Бурлев, М.Я. Сушка с использованием электронно-ионной технологии. / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев М.Я. // Молочная промышленность. - М., 1992. №3.-С. 41-44.

6. Бурлев, М.Я. Трибоэлектричество при производстве сухого обезжиренного молока / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев. II Молочная промышленность. - М., 2001. № 8. - С. 51.

7. Бурлев, М.Я. Производство сухого обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий. / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность. - М., 2001. № 9. - С. 57.

8. Бурлев, М.Я. Явление генерирования электрических импульсов при фазовых переходах / В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев, С.В. Шишкин, М.Я. Бурлев, С.С. Илюхина. // Вестник Международной Академии Холода. - СПб., 2005. - № 4. - С. 15 - 17.

9. Бурлев, М.Я. Измерение криоскопической температуры молока - сырья. / В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев, C.B. Шишкин, МЯ. Бурлев, С.С. Илюхина. // Молочная промышленность. - М„ 2005. - № 12. - С. 40 - 41.

10. Бурлев, М.Я. Метрология при термометрии процессов обработки мясных продуктов / В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев, C.B. Шишкин, МЛ. Бурлев, С.С. Илюхина. // Мясная индустрия. - М„ 2006. - С. 50 - 52.

11. Бурлев, МЛ. Нанотехнология сушки колбасной оболочки типа "Белкозин" / В.В. Илюхин, М.Б. Зянкин, МЛ. Бурлев. // Все о мясе. - М., 2008,-№5.-С. 8-10.

12. Бурлев, М.Я. Очистка сушильной установки / М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность. - М., - 2009. - № 6. - С. 50 - 51.

13. Бурлев М.Я. Предотвращение потерь продукта при распылительной сушке / М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность - М., 2010. - № 4. - С. 40.

14. Бурлев, М.Я. Аэродинамика нагнетательной струи электрического разряда /В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев, Е.В. Жуковец. // Молочная промышленность. - М., 2010. - № 8. - С. 26 - 27.

15. Бурлев, МЛ. Защита электроизмерительных приборов от электромагнитных излучений / В.В. Илюхин, C.B. Шишкин, М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность. - М., 2010. - № 8. - С. 35 - 36.

16. Бурлев, МЛ. Предотвращение потерь сухого молока при бункерном хранении / МЛ. Бурлев. // Молочная промышленность. - М., 2011. - № 3. -С. 82.

17. Бурлев, М.Я. Аэродинамика нагнетательной струи и всасывающего факела электрического разряда /В.В. Илюхин, Е.В. Жуковец, МЛ. Бурлев. // Молочная промышленность. - М., 2011. - № 4. - С. 83.

18. Бурлев, М.Я. Сушка молока с использованием электрических полей /В.В. Илюхин, Е.В. Жуковец, М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность. -М.( 2011.-№ 8. - С. 12.

19. Бурлев, М.Я. Адгезия при распылительной сушке / М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность. - М., 2012. - № 1. - С. 79.

20. Бурлев, М.Я. Сушка биообъектов в потоке плазмы / В.В. Илюхин, Е.В. Жуковец, М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность.-М., 2012.-№8-С. 44.

21. Бурлев, М.Я. Аэродинамика нагнетательной струи и всасывающего факела электрического разряда / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев, Е.В. Жуковец. // Вестник Международной Академии Холода. - СПб., 2012. - № 3. - С. 20 - 22.

22. Бурлев, М.Я. Процесс трибозарядки частиц при распылительной сушке / Н.С. Николаев, М.Я. Бурлев. // Молочная промышленность. - М„ 2013. - №, 4-С. 60-61.

23. Бурлев, М.Я. Математическое моделирование процесса конвективной сушки обезжиренного молока с применением электрического поля. / Н.С. Николаев, М.Я. Бурлев, М.А. Урюпин. // Доклады РАСХН. - М„ 2013. - № 5. - С. 66 - 69.

Публикации в трудах НИИ, материалах конференций, симпозиумов, заседаний кафедр, ученых советов и специализированных журналах.

24. Бурлев М.Я. Внедрение ресурсо- и энергосберегающей техники и технологии. /Бурлев М.Я. //Материалы научно-технического совещания // Научно-технический прогресс в молочной промышленности. Филиал ВНИКМИ, Омск, 1987, - С. 4.

25. Бурлев М.Я. Интенсификация процесса распылительной сушки с использованием электронно-ионной технологии. // Материалы ЬХХШ научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. Секция интенсификации производства молочных продуктов и повышение их качества. - Омск: Ордена Ленина сельскохозяйственный институт им. С.М. Кирова, 1991. - С. 22.

26. Бурлев М.Я. Математическая модель процесса сушки частицы молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий / М.Я. Бурлев, В.В. Илюхин // Теоретические и практические основы развития процессов и аппаратов пищевых производств: научные труды. «100 лет Федорову Николаю Евстигнеевичу (1901-1974)» -М.: МГУПБ, 2001. - С. 32-39.

27. Бурлев, М.Я. Стохастический резонанс электрических импульсов в

возбуждаемых биетабильных системах в процессах охлаждения, замораживания и сушки биообъектов / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев, C.B. Шишкин, С.С. Илюхина. // Материалы 5-й международной научно-технической конференции: [пища, экология, человек]. - М., 2003. - С. 215.

28. Бурлев М.Я. Экологические аспекты использования коронного разряда в процессах переработки сельскохозяйственного сырья / М.Я. Бурлев, В.В. Илюхин, С.С. Илюхина, Н.В. Макаров, И.М. Тамбовцев, C.B. Шишкин // Повышение энергетической эффективности в перерабатывающих отраслях ЛПК: научные труды. «К 75-летию МГУПБ». «Посвящается столетию со дня рождения профессора А.Н. Лепилкина». - М.: МГУПБ, 2004. - С. 50 - 55.

29. Бурлев, М.Я. Индустриальные радиопомехи от электрооборудования АПК / В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев, C.B. Шишкин, С.С. Илюхина, М.Я. Бурлев / Научные труды. // «Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК». «К 75-летию МГУПБ». «К 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д.т.н., проф. Н.Ф. Казакова». МГУПБ, - М„ 2005. - С. 137 - 141.

30. Бурлев, М.Я. Экологические аспекты использования электрических разрядов в перерабатывающих отраслях АПК / В.В. Илюхин, Н.В. Макаров, И.М. Тамбовцев, ВВ. Персиянов, C.B. Шишкин, С.С. Илюхина, М.Я. Бурлев. / Научные труды. // «Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК». «К 75-летию МГУПБ.». «К 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д.т.н. проф. Н.Ф. Казакова». - М„ 2005. - С. 149 - 152.

31. Бурлев, М.Я. Метрология при использовании коронного разряда / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев, И.М. Тамбовцев, C.B. Шишкин // Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК: научные труды. «К 75-летию Московского государственного университета прикладной биотехнологии», «К 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д. т. н., проф. Н.Ф. Казакова». - М., 2005. -С. 153- 157.

32. Бурлев, М.Я. Использование в технологии изготовления биокомпозиционных материалов явления генерирования и синхронизации униполярных электрических импульсов веществами при фазовых переходах первого рода / В.В. Илюхин, М.В. Лекишвили, М.Я. Бурлев, М.Б. Зянкин // Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии: сборник тезисов IV Всероссийского симпозиума. - СПб., 2010. - С. 68 - 70.

33. Бурлев М.Я. Роль нанотехнологии в создании современного оборудования перерабатывающей отрасли АПК / М.Я. Бурлев, C.B. Глинчук, М.Б. Зянкин, В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев // Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК: сборник научных работ; под редакцией член-корр. РАСХН, д-ра техн. наук, профессора Т.В. Чижиковой; 5-е изд. К 80-летнему юбилею МГУПБ. - М., 2010.-С. 3-4.

34. Бурлев, М.Я. Распылительная сушильная установка / М.Я. Бурлев. // Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК: сборник научных работ; под редакцией член-корр. РАСХН, д-ра техн. наук, профессора Т.В. Чижиковой; 5-е изд. К 80-летнему юбилею МГУПБ. - М„ 2010. - С. 20 - 23.

35. Бурлев, М.Я. Возникновение электрических импульсов в пищевых продуктах при фазовых переходах в процессах замораживания и размораживания / С.А. Большаков, В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев, М.Б. Зянкин // Тезисы докладов. Липатовские чтения. Российская экономическая академия имени Г.В. Плеханова. - М„ 2010. - С. 154 - 166.

36. Бурлев М.Я. Сушка биологических объектов в поле слабых электроимпульсных воздействий / М.Я. Бурлев, Н.С. Николаев, П.И. Пляшешник // Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии: Сборник научных трудов V научно-практической конференции с международным участием. - М.: МГУ1111, 2012. - С. 189 - 192.

37. Бурлев, М.Я. Экспериментальное исследование электрических свойств биологического объекта / М.Я. Бурлев, Н.С. Николаев, П.И. Пляшешник. //

Проблемы совершенствования холодильной техники и технологии: Сборник научных трудов V научно-практической конференции с международным участием. - М.: МГУПП, 2012. - С. 208 - 212.

38. Бурлев, М.Я. Возникновение электрических импульсов в пищевых продуктах при фазовых переходах в процессах замораживания и размораживания / С.А. Большаков, В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев, М.Б. Зянкин. // Сборник научных трудов. Липатовские чтения, памяти профессора, доктора технических наук К.И. Тарасова. Российский Экономический Университет им. Г.В. Плеханова. - М., 2012. - С. 17 - 29.

Зарубежные публикации.

39. Бурлев, М.Я. Генерирование и синхронизация униполярных электрических импульсов веществами при фазовых переходах первого / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев. // Мясо и молоко. - Germany, Munchen. 18 Jahrgang. September. 2009. - Heft 3. - Z. 16.

40. Бурлев, М.Я. Нанотехнология в прикладной биотехнологии / М.Я. Бурлев. // Biomedical and Biosocial Anthropology official Journal of the International Academy of Integrative Anthropology Founded by the International Academy of Integrative Anthropology and Vinnitsa National Pyrogov Memorial Medical University. - Vinnitsa, Ukraine. September 2009. -№ 13. - P. 99 - 101.

41. Burlev, M. Ya. Use nanotechnology in medicine / M.Ya. Burlev. // Biomedical and Biosocial Anthropology official Journal of the International Academy of Integrative Anthropology Founded by the International Academy of Integrative Anthropology and Vinnitsa National Pyrogov Memorial Medical University. - Vinnitsa, Ukraine. July 2010. - № 15. - P. 284 - 285.

42. Burlev, M. Ya. Use of the drying with influence electricity potential in medicine and pharmaceutics industry / M.Ya. Burlev. 11 Biomedical and Biosocial Anthropology official Journal of the International Academy of Integrative Anthropology Founded by the International Academy of Integrative Anthropology and Vinnitsa National Pyrogov Memorial Medical University. - Vinnitsa, Ukraine. December 2011. -№ 17. - P. 267-269.

43. Burlev, M.Ya. Aspects of the use of electron - ion technology in medicine, pharmacy and veterinary medicine // Biomedical and Biosocial Anthropology Journal of the International Academy of Integrative Anthropology Founded by the International Academy of Integrative Anthropology and Vinnitsa National Pyrogov Memorial Medical University. - Ukraine. August 2012. - № 19 - P. 45 - 48.

44. Burlev, M. Ya. Auto - wave processes in the kinetic phenomena / V.V. Iluchin, M.Ya. Burlev. // Journal "Science and study". - Przemysl, Poland. 2012. -№ 11 - P. Ill - 115.

45. Burlev, M.Ya. Drying process of bio-objects in the flow of low-temperature plasma // M.Ya. Burlev. // Abstract of report "Predni vedecke novinky 2012", Materialy VIII Mezinarodni vedecko-prakticka conference. Dil 10. Matematika. Fizika. Modern informacni technologie. - Praga, Chehia. 27 srpna - 05 zari 2012 roku - P. 43 - 45.

46. Burlev, M. Ya. Drying process of bio-objects in the flow of low-temperature plasma / M.Ya. Burlev. // Образованието и науката на XXI век - 2012: [материали за VIII международна научна практична конференция]. Том 39, Biophysics. - Sofia, Bulgaria. 17 -25 октомври 2012. - P. 42 - 44.

47. Burlev, M. Ya. Induction of electrical impulses in biological objects in the phase transition of the first kind / M.Ya. Burlev, N.S. Nikolaev. // Modemi vymozenosti: [Materialy EX Mezinarodni vedecko-prakticka conference vedy -2013]. Dil 69. Fizika. - Praga, Chehia. 27 ledna- 05 unora 2013 roku. - P. 3 - 9.

48. Burlev, M. Ya. Influence of tribo-electricity on the process of convection drying // M.Ya. Burlev, N.S. Nikolaev. II Veda a vznik - 2012/2013: [Materialy IX Mezinarodni vedecko-prakticka conference], Dil 35, Technicke vedy. - Praha, Chehia. 27 prosincu 2012 - 05 ledna 2013. - P. 62 - 66.

49. Бурлев, М.Я. Процесс трибозарядки частиц при распылительной сушке / Н.С. Николаев, М.Я Бурлев. // Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci - 2013: [nowoczesne informacyjne technologie Budownictwo I architektura], Matematyka. Molekularna Fizika. Vol. 15.-Przemysl, Poland, 7-15 stycznia 2013 roku. -S. 20 - 24.

50. Burlev M.Ya. Tribo - electricity and efficiency of spray / N.S. Nikolaev, M.Ya. Burlev. // Science, Technology and Higher Education. Material of the II international research and practice conference. Vol. II. Publishing office Accent Graphics. - Westwood, Canada. April 17th, 2013. - P. 192 - 194.

51. Burlev, M.Ya. Dehydration process of substances in the flow of low-temperature plasma. / M. Ya. Burlev, N. S. Nikolaev // European Science and Technology. Materials of the IV international research and practice conference Vol. I. Publishing office Vela Verlag Waldkraiburg. - Munich, Germany, 10th -12th April, 2013.-S. 156-159.

52. Burlev, M.Ya. Electrical properties of skim milk / N.S. Nikolaev, M.Ya. Burlev. // Новината за напреднали наука - 2013: [за IX научна практична конференция]. Fizika. Vol. 52. - Sofia, Bulgaria. 17 - 25 May 2013. - P. 70-73.

53. Burlev, M. Ya. Intensivierung des Prozesses von dehydratisierung in elektrischem Feld schwaches Impulse / M. Ya. Burlev, N. S. Nikolaev // Science and Education. Materials of the III international research and practice conference. Vol. 1. Publishing office Vela Verlag Waldkraiburg - Munich, Germany. April 25th - 26th, 2013.-S. 88-91.

54. Burlev, M. Ya. Mathematical Modeling of the Process of Convective Drying of Skim Milk Using and Electric Field / N. S. Nikolaev, M. Ya. Burlev, M. A. Uryupin // Allerton Press Inc. USA * Original Russian Text from Russian Agricultural Science, Volume 39, No. 5-6, 2013 - P. 526 - 528.

55. Burlev, M. Ya. Process intensification of convection drying using electric field / N.S. Nikolaev, M.Ya. Burlev, O.I. Kalnitskaya // 1 International Conference "Global Science and Innovation", Vol. II, - Chicago, USA, December 18th - 19th 2013-P. 397-401.

Авторские свидетельства и патенты.

56. А.с. № 1386764 (СССР). Сливной резервуар / M .Я. Бурлев // Опубл. в изд. Бюл. изобр. - М., 1988. - № 13.

57. А.с. № 1393439 (СССР). Устройство для распределения жидкости / Ю.И. Безуглов, М.Я. Бурлев. // Опубл. в изд. Бюл. изоб . - М., 1988. - № 17.

58. A.c. № 1596872 (СССР). Распылительная сушилка / B.B. Илюхин, М.Я. Бурлев. // Опубл. в изд. Изобретения и полезные модели. - М., 2001. -№ 36.

59. Патент № 230097. Способ измерения температуры веществ при фазовых переходах / В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев, C.B. Шишкин, М.Я. Бурлев, С.С. Илюхина. // Заявка № 2005112547. - Россия. - 26.04.2005.

60. Патент № 93633. Распылительная сушилка / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев. // Заявка № 200 9145825/22(65338). - Россия. - 11.12.2009.

61. Патент № 93634. Распылительная сушилка / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев. // Заявка № 200 9145826/22(65339).-Россия. -11.12.2009.

62. Патент № 93635. Распылительная сушилка / В.В. Илюхин, М.Я. Бурлев. // Заявка № 200 9148116/22(071062). -Россия. -24.12.2009.

63. Патент № 101825. Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра / В.В. Илюхин, Е.В. Жуковец, М.Я. Бурлев, A.B. Раскошный.//Заявка№2010128736.- Россия.-27.01.2011.

64. Патент № 101826. Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра / В.В. Илюхин, Е.В. Жуковец, М.Я. Бурлев, A.B. Раскошный.//Заявка №2010137083.-Россия.-27.01.2011.

65. Патентная заявка на изобретение № 2012149556. Способ сушки биологических объектов в потоке плазмы / М.Я. Бурлев, Н.С. Николаев, Е.В. Жуковец.//Заявка№ 079423 -Россия. -21.11.2012. Получено положительное решение на патент в Федеральной службе Российской Федерации по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, декабрь 2013.

Отпечатано в типографии ООО "Франтера" Подписано к печати 20.02.2014г. Формат 60x84/16. Бумага "Офсетная №1" 80г/м2. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 3,13. Тираж 100. Заказ 667.

WWW.FRANTERA.COM

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИ Й НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (ГНУ ВНИМИ)

05201450713 На правах рукописи

БУРЛЕВ МИХАИЛ ЯКОВЛЕВИЧ

ИНТЕ НС ИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА СУШКИ ОБЕЗЖИРЕННОГО МОЛОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЛАБЫХ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.18.12.—Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор Н. С НИКОЛАЕВ

Москва - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 9

Глава 1. Анализ способов повышения эффективности процесса

сушки биологических объектов 17

1.1. Анализ основных способов сушки биологических объектов 17

1.2. Использование электронно-ионной технологии в процессах промышленных производств 26

1.3. Цель и задачи исследования 29 Глава 2. Теоретические и экспериментальные основы и

закономерности влияния электрического поля на параметры процессов сушки 31

2.1. Коронный разряд и его влияние на свойства биологических объектов и окружающей среды 31

2.2. Исследование свойств электрического (коронного) разряда в окружающей атмосфере 35

2.3. Разработка и исследование оптимальной конструкции контурного электрода - «антенна-излучатель» и промышленная разработка генератора импульсов высокого напряжения (ГИВН) 37

2.4. Анализ работы системы: «генератор - контурный электрод - «антенна-излучатель» - биологический объект и защита электроизмерительных приборов от электрических излучений 49

2.5. Индуцирование электрических импульсов биологическими объектами при фазовых переходах и оценка их влияния на точность измерений криоскопической температуры молока-сырья 58

2.6. Исследование аэродинамики электрического ветра 72

2.6.1. Разработка устройства для измерения давления и скорости нагнетательной струи электрического ветра 73

2.6.2. Зависимость давления и скорости электрического ветра

от напряженности электрического поля 78

2.7. Заключение 84

Глава 3. Экспериментальное исследование процесса сушки сгущенного обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий. 85

3.1. Экспериментальная установка для исследования процесса сушки обезжиренного молока в фиксированном положении на подложке (тонком слое) и методика проведения исследований 85

3.2. Результаты исследований процесса сушки сгущенного обезжиренного молока 89

3.3. Экспериментальная установка для исследования процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха и методика проведения исследований 101

3.4. Результаты исследования процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока 103

3.5. Экспериментальное исследование процесса сушки сгущенного заменителя цельного молока в фиксированном положении на подложке (тонком слое) и методика проведения исследований 122

3.6. Результаты исследования процесса сушки сгущенного заменителя цельного молока 122

3.7. Экспериментальное исследование процесса сушки белковой оболочки типа «Белкозин» 129

3.8. Заключение 130

Глава 4. Физико-математическая модель процесса конвективной

сушки с применением электрического поля 132

4.1. Физическая модель 132

4.2. Математическое моделирование процесса 134

4.2.1. Удаление влаги за счет энергии теплового поля 134

4.2.2. Удаление влаги за счет энергии электрического поля 138

4.3. Физико-математическая модель процесса переноса электрических зарядов в капле сгущенного обезжиренного молока при сушке с использованием слабых электроимпульсных воздействий. 144

4.4. Математическое моделирование процесса 146

4.5. Численные значения потенциала напряженности электрического поля и его изменение в пространстве 149

4.6. Заключение 152 Глава 5. Исследование физической модели процесса сушки

обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий 153

5.1. Экспериментальное исследование выбранной физической модели внешнего и внутреннего переноса теплоты, влаги и электрических зарядов в обезжиренном молоке 156

5.1.1. Методика проведения экспериментальных исследований микроэлектроосмоса 159

5.1.2. Методика проведения экспериментальных исследований микроэлектролиза 165

5.2. Экспериментальное исследование электрических свойств обезжиренного молока 170

5.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований электрического сопротивления обезжиренного молока 171

5.2.2. Экспериментальное исследование трибоэлектричества сухого обезжиренного молока 178

5.2.3. Методика проведения экспериментальных исследований

трибоэлектричества частиц сухого обезжиренного молока 179

5.4. Заключение 186

Глава 6. Реализация основных научных результатов в промышленных условиях и перспективы развития процесса сушки биологических объектов 187

6.1. Промышленное использование слабых электроимпульсных воздействий в процессе сушки обезжиренного молока 187

6.2. Модернизация оборудования двухстадийного тепломассообменного процесса при производстве сухого обезжиренного молока 195

6.3. Барабанная (вальцовая) сушилка с использованием электрических полей 221

6.4. Процесс сушки биологических объектов в потоке низкотемпературной плазмы 224

6.5. Заключение 229 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 231 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 234 ПРИЛОЖЕНИЯ 261 Приложение 1 Справка об использование авторских свидетельств

и патентов на молочноконсервном комбинате «Ялуторовскмолоко» ЮНИМИЛК 2010 г. 262

Приложение 2 Акт о реализации научной разработки 2004 г.;

«Процесс сушки на основе электронно-ионной технологии, с использованием слабых электроимпульсных воздействий» на молочноконсервном комбинате «Ялуторовскмолоко» Тюменская область 263

Приложение 3 Приложение 4

Приложение 5 Приложение 6

Приложение 7 Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10 Приложение 11

Приложение 12

Приложение 13

Справка о разработке и изготовлении генератора импульсов высокого напряжения (ГИВН) 2012 г 264 Информационное письмо фирмы "Frans Vermee" GmbH (Германия) об использовании генератора импульсов высокого напряжения (ГИВН) и проведении исследований слабых электроимпульсных воздействий на немецком оборудовании 2013 г. 265 Акт о внедрении генератора импульсов высокого напряжения (ГИВН) 2012 г 267

Патент на изобретение № 230097. "Способ измерения температуры веществ при фазовых переходах" Россия. Заявка № 200 9145. 26.04.2005 г 268 Заключение ЗАО «ЭКСИС» о возможности использования прибора ТТМ —2-01М 269

Патент на изобретение № 101825 «Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра» Заявка № 2010128736. Россия. 27.01.2011 г 270 Патент на изобретение № 101826 «Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра». Заявка № 2010137083. Россия. 27.01.2011 г 271 Графики сушки белковой оболочки типа «Белкозин» 272 Графики скорости сушки белковой оболочки типа «Белкозин» 275

Графики зависимости скорости движения обезжиренного молока в капилляре от потенциала при микроэлектроосмосе 278

Графики зависимость скорости движения обезжиренного молока в капилляре от различной частоты импульса 279

Приложение 14 Заключение лаборатории Ялуторовского ПОМКП

«Данные химического, бактериологического и радиактивного анализа сухого обезжиренного молока (СОМ)» 280

Приложение 15 Акт комиссии о повышении производительности

процесса сушки на 13% с использованием слабых электроимпульсных воздействий (электронно — ионная технология) 281

Приложение 16 Авторское Свидетельство № 1386764 (СССР)

Сливной резервуар. // Опубликовано в издании "Бюллетень изобретений". Москва, - 1988. № 13 282 Приложение 17 Расчет экономической эффективности от внедрения

по A.C. № 1386764 283

Приложение 18 Акт комиссии об испытании по A.C. № 1386764 284 Приложение 19 Авторское Свидетельство № 1393439 (СССР).

Устройство для распределения жидкости. // Опубликовано в издании "Бюллетень изобретений" М.- 1988. № 17 285

Приложение 20 Акт испытаний вакуум-аппарата «Виганд»

(Германия) по изобретению № 1393439 284

Приложение 21 Справка об экономии по изобретению № 1393439 288 Приложение 22 Данные испытаний вакуум-аппарата «Виганд»

(Германия) по изобретению № 1393439 289

Приложение 23 Отзыв на изобретение 1393439 Ялуторовского

производственного объединения молочно-консервной промышленности 290

Приложение 24 Отзыв на изобретение и рекомендация для

промышленного внедрения на молочноконсервные предприятия «Союзконсервмолоко» 293

Приложение 25 Патент на изобретение № 93633. «Распылительная

сушилка» Заявка № 200 9145825/22(65338). Федеральная служба Российской Федерации по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 11.12.2009 г 292

Приложение 26 Патент на изобретение № 93634. «Распылительная

сушилка» Заявка № 200 9145826/22(65339). Федеральная служба Российской Федерации по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 11.12.2009 г 294

Приложение 27 Патент на изобретение № 93635. «Распылительная

сушилка» Заявка № 200 9148116/22(071062). Федеральная служба Российской Федерации по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. 24.12.2009 г 296

Приложение 28 Авторское Свидетельство № 1596872 (СССР)

Распылительная сушилка. // Опубликовано в издании "Изобретения и полезные модели". М. -2001 г, № 36 298

Приложение 29 Патентная заявка на изобретение. Регистрационный

№ 2012149556. Способ сушки биообъектов в потоке плазмы. Входящий № 079423. «Федеральный институт промышленной собственности». Россия. 21.11.2012 г 299

Приложение 30 Расчет экономической эффективности при применении

процесса сушки обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий 301

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация технологических процессов на основе последних достижений науки и техники, одна из актуальных проблем пищевой промышленности. Технический прогресс, с одной стороны, предлагает перспективные способы и методики решения этой проблемы, а с другой, усложняет ее, так как сопровождается многими негативными явлениями.

В связи с этим, интенсификация технологических процессов, в том числе и конвективной сушки биологических объектов, на современном этапе представляет собой комплексную проблему, связанную, помимо качества продукта, с решением таких задач, как экологическая безопасность, энергетическая эффективность, пищевая безопасность, а также с рядом технических и социально-экономических вопросов.

Сегодня кроме технического прогресса на решения научно-технических задач существенно влияет социально-экономическая ситуация в мире, что является новым фактором, во многом определяющим требования к промышленным производствам и перспективу их развития, в том числе и пищевой отрасли.

22 августа 2012 г. вступил в силу Протокол о присоединении Российской Федерации к Марракешскому соглашению об учреждении Всемирной торговой организации от 15 апреля 1994 года. Россия стала 156-м государством - участником ВТО. Кроме того, постоянно продолжаются раунды многосторонних торговых переговоров, в которых российская сторона принимает активное участие. Вопросы сельского хозяйства являются одними из самых дискуссионных и острых. Это усиливает необходимость глубокого анализа аграрной и промышленной политики Российской Федерации, а также последствий присоединения нашего государства к Всемирной торговой организации с точки зрения таможенно-тарифной защиты и внутренней поддержки сельского хозяйства, объемов производства продуктов питания и требований к нему рынков сбыта [108].

Являясь одной из древнейших сфер человеческой деятельности, индустрия продовольствия в целом и проблемы переработки молока в частности в этой связи не только не теряют свою актуальность, но и приобретают в прогнозном плане все большую остроту.

На практике мы уже начинаем ощущать, какие изменения в развитие молочного производства вносит надвигающаяся глобализация, как меняются потребительские рынки, изменяются социальные модели питания людей, возрастают энергетические и экологические проблемы производства и потребления и т.п. Вступление Российской Федерации во Всемирную торговую организацию существенно изменит ситуацию в отечественной молочной отрасли.

Например, чтобы конкурировать в области производства молока и молочных продуктов, а также обеспечить продовольственную безопасность по этому важнейшему продукту, необходима структурная адаптация всех условий, от сельхозпроизводителей промышленной переработки сырья до конечного выпуска готовой молочной продукции на рынки сбыта.

Это в конечном итоге позволит приспособиться к изменениям внешней среды, которые обеспечат повышение конкурентоспособности по затратным ресурсам, ценовой политике, качеству молочного продукта, безопасности промышленного производства, экологической безопасности среды. Существующий уровень доходности производства молока и молочных продуктов не позволяет пока обеспечить техническое перевооружение за счет собственных средств, не обеспечивает привлечение в отрасль внешних инвестиций. Это возможно только при условии ускоренного варианта технической и технологической отраслевой модернизации и при серьезной поддержке со стороны Правительства Российской Федерации [187].

С другой стороны, усиление тенденций глобализации будет приводить к тому, что мировые научные и технические разработки, а также движение капитала, зачастую принадлежащего крупным международным

компаниям, будут все глубже проникать в нашу страну. Это приведет к ускорению научно-технического прогресса в отрасли, созданию современных предприятий, ускорению освоения новых технологий и т.д. Глобализация объективно обостряет конкуренцию и повышает концентрацию промышленности, то есть, по существу способствует сокращению количества предприятий. Что касается влияния глобализации на развитие научных разработок, то она способствует развитию работ на уровне международных программ и повышению уровня исследований.

Кроме того, быстрое обновление, качественное совершенствование материально-технической базы пищевой промышленности России за счет использования достижений научно-технического прогресса - важнейшее условие снижения себестоимости пищевой продукции, а также увеличения производительности труда, повышения рентабельности и фондоотдачи производства. Интенсификация процесса сушки и определение наиболее оптимальных режимов есть тот объем вопросов, которые необходимо решить, чтобы создать высокоэффективное промышленное пищевое оборудование.

Следует также отметить, что в ближайшем будущем можно ожидать резкого увеличения объема разработок в области гармонизированной с международными требованиями нормативной базы отрасли. Не менее острой будет проблема разработки и стандартизации новых методов контроля состава и свойств новых продуктов, ассортимент которых непрерывно расширяется [188].

В настоящее время в пищевой промышленности России вырабатываются в широком ассортименте сухие биологические продукты. Например, в молочной промышленности наибольший удельный вес составляют различные виды продукции на основе сухого цельного и обезжиренного молока. «Это быстрорастворимое цельное молоко и его разновидности, сухие смеси для различных видов мороженого, сухие смеси для кисломолочных напитков, сухие молочно-белковые концентраты, сухие

молочные смеси для детского питания, сухие заменители молока для выпойки молодняка сельскохозяйственных животных и другие» [165].

«Кроме того, производят сухие сливки с сахаром и без него, сливки высокожирные сухие, масло коровье сухое. Большое значение придается сухим молочным продуктам из вторичных продуктов, так например: пахта перерабатывается в пахту сухую. Из молочной сыворотки получают сухую сыворотку, которая используется в хлебопекарной промышленности, при производстве мороженого и плавленых сыров и в других пищевых направлениях» [99].

Сухие биологические продукты используются во многих отраслях народного хозяйства, рыбной, мукомольной промышленности, не только пищевого направления, но и на других не менее важных производственных предприятиях различного профиля в России, например в медицине, в фармацевтике, микробиологии и т.д.

Однако в данной диссертационной работе основной упор в исследованиях будет сделан на вопросах интенсификации техники и технологии сушки обезжиренного молока.

Усовершенствование распылительной сушки биологических объектов базируется на фундаментальных работах отечественных ученых П.А. Ребиндера, A.B. Лыкова, A.C. Гинзбурга, М.В. Лыкова, М.Ю. Лурье, Г.А. Кука, Б.С. Сажина, а также и зарубежных: К Masters (Великобритания), J. Вита (Нидерланды), S. Taneva (Япония) [45, 118, 130, 132, 154, 162, 230, 236, 242]. Большой вклад в развитие техники и технологии процесса сушки пищевых продуктов и развитие теплообменных процессов внесли ученые нашей страны: H.H. Липатов, И.А. Рогов, В.Д. Харитонов, В.И. Ивашов, В.Д. Сурков, С.П. Рудобашта, В.В. Илюхин, Ю.В. Космодемьянский и другие [57, 58, 75, 80, ИЗ, 127, 153, 184, 185].

Исслед�