автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Математическое моделирование процесса тепловой стерилизации и технологического комплекса оборудования для консервных производств малой мощности

р Г Б ОД

• ■ ' 4 На правах рукописи

КОШЕВАЯ ССШхЯ ЕВГЕНЬЕВНА Я, с Г

/7Р)Щ/

/ /// Г.'' »

(мж

1»та,!АТКЧЕСК0Е ШДЕШРОВАНКЕ ПРОЦЕССА 1ЕШг020?! СТЕРШПГЗАЦКИ II ТШЮДЯТМЕСКОГО КОШЕКСА ОЕОРУДОВАЮШ ДЛЯ КОНСЕРЕКЬК ПРШЗВОДСТВ ЕУШЙ ШЩШСТП

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

/ажсрз#зраг

диссертации г.а соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар-1993

Работа выполнена в Кубанском Государственном Технологическом Университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Е.Н.Константинов

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ

чл.-корр. Академии холода Р3>, доктор технических наук, профессор В.И.Деончик

доктор технических наук, профессор У.А.Берлин

Ведущая организация - Краснодарский научно-исследовательский

институт хранения и переработки сельскохозяйственной продукции (КНЙЙХП) Россельхоаакадемии

Зашита диссертащш состоятся / ■ > ¿¿гх ддб года б

" часов на заседании диссертационного совета д 053.40.01 при Кубанском Государственном Технологическом Университете по адресу-.350072,г.Краснодар,ум.Московская, 2.конференц-зал. С диссертацией мокно ознакомиться в.библиотеке Университета (ул. Московская, 2)

Автореферат разослан 1905 г.

Отзывы на автореферат,заверенные печатью учреждения,просим

направлять в адрес Университета.

Ученый секретарь диссертационного . / -

совета кандидат технических наук,доцент Л.И.Яновг

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Основной задачей перерабатывающей промышленности в нашей стране является обеспечение населения продуктами питания. При этом в условиях перехода к рыночным отношениям особенно важно достичь высокую эффективность производства. Это позволит иметь высокую конкурентоспособность при борьбе за рынок с зарубежными поставками продуктов питания, сникать цены до приемлемого уровня для основной массы населения с невысокими доходами.

Эффективность перерабатывавших производств-определяется в основном степенью использования сырья и связанными с ней потерями, а такие издерж&чи производства, среди которых в настоящее время главными-являются затраты энергии.

Современные тенденции создания перерабатывающих, в том числе консервных, производств малой мощности, располагаемых в зонах наличия сельхозсырья, выдвинули актуальную задачу формирования соответствующей технической базы. Создаваемая техника и технология должна /читывать следующие специфические условия функционирования малых троизводств: ;

■ - ограничения по виду, качеству и стоимости энергии, кспользуе-

- 'Ьюй на технологические цели;.

- относительно кизкач квалификация обслуживающего персонажа;

- недостаточно высокий уровень развития ремонтно-технической баги; - •

- необходимость, во многих случаях, размещения вводимых производств з уже существующих помещениях.

С учетом указаншж условий актуальным является разработка и оздание комплекта оборудования малой мощности по производству кон-' ервов, который позволял бы перерабатывать широкий круг сырья с выпуском разнообразного ассортимента и при этом использовать ограни-

ченкые ресурса, прежде всего энергетические. .

Процесс тепловой стерилизации б автоклавах является одним из наиболее сложных и ответственных, среди комплекса процессов производства консервов. Это наиболее энергоемкий процесс среди других б комплексе процессов консервного производства. Эффективный процесс теплообмена в автоклаве мсскет быть разработан на основе, математического моделирования.

ЦЕЛЬ и ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью дачной работы является разработка технологической системы консервного производства «алой мощности и обоснование аппаратурного оформления гибкой структуры производства с разработкой наиболее энергоемкого и обеспечивающего качество продукции оборудования - автоклава на основе математической: моделирования процесса теплообмена при стерилизации.

Для достижения поставленной цели резались следующие задачи:

1. Обоснование структурно-фуккщюкальпой схеыа консервного производства, рассчитанного на переработку широкого круга плодоовощкогс сырья и выработку рагвообразного ассортимента продукции.

2. Разработка математической модели гидродинамика естественно; циркуляции б автоклаве-стерилизаторе.

3. Развитие теоретически;; лшскеяий и математической .►¡.•одел; конвективного теплообмена при стерилизации продукта в банке.

. 4. Моделирование процесса теплообмена в автоклаве и банксх пр; дискретном реккые ведения процесса.

5, разработка рекомендаций по структуре малого консервного производства, и его аппаратурному оформлению.• -

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в том,что

- разработаны теоретические положения процессов гидродинамики теплообмена в автоклаве, заполненном банками со стерилизуемы продуктом, при естественной циркуляции теплоносителя;

- получены аналитические решения нелинейных задач конвективног теплообмена в банках при стерилизации;

- предложена адекватная комбинированная модель теплообмена в банке, включающая конвективную и "жесткую" модели в соответствующей долях;

- получено решение задачи теплообмена в банке при линейно!.! ре-гаке изменения температуры среды и на его основе предложена методика определения долей моделей, составляющих комбинированную модель теплообмена;

- дана оценка эффективности дискретного режима теплообмена.

. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ диссертационной работы заключается в том, что на основе проведенных исследований:

- обоснована структурно-функциональная схема гибкого консервного производства;

- обоснована конструкция и режим работы автоклава-стерилизатора;

- определено аппаратурное оформление комплекса оборудования для консервного производства малой мощности;

: - на основе результатов исследований даны практические рекомендации и реализован выпуск комплекса оборудования для консервного производства малой мощности.

В настоящее время на машиностроительных предприятиях Краснодара налажен выпуск оборудования для консервного производства малой мощности и заключен договор с ПО "Комета" (г.Ульяновск) на серийный выпуск оборудования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.Основные положения диссертации доложены на Республиканской научно-технической конференции "Проблемы энергетики теплотехнологии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье" 20 и 21 января 1994 года в {¿ГАЛЛ (Москва), на Международной научной конференции "Прогрессивная технология и техника в пищевой промышленности" 19-21 сентября 1994 года в КГТУ (Краснодар), на Международной конференции "Научно-технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК" 18-21 мая 1995 года в МГАПП (Москва),на Международной науч- • но-технической конференции "Научно-технический прогресс в пищевой

промышленности" 22-24 ноября 1995 года в ЫТИ (Могилев).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 148 страницах, содержит 32 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дан литературный обзор, в котором рассмотрены вопросы, связанные с математическим описанием и шделирозаяиел технологических к энергетически схем перерабатываеддас производств, с анализом функционирования . консервных производств и особенно малых. Рассмотрены процессы теплообмена и теплсобменкое оборудование консервных производств и прежде всего вникание уделено процессу теплообмена в автоклаве в процессе тепловой стер5шизащи. Основные выводы из литературного обзора, которые предопределил задачи исследования, г&ключвзтся в следующем.

Математическое моделирование - • основа для определения рациональной структуры, параметров и реггшоз работу технических «хзтсм начиная от отдельных аппаратов и вплоть до комплекса оборудования, обеспечивающего выпуск определенного вида продукции.

В перерабатывавшей пролъаледаостя и, в частности, в консервной производстве преобладает организация комплекса оборудования в виде поточных линий, которые, не приемлемы для малых производств. Ло опыту других отраслей для мелкосерийного производства перспективной представляется гибкая структура организации комплекса оборудования.

Энергетическое обеспечение консервного производства - важнейшее условие его функционирования.

Тепловые аппараты не просто потребители энергии» но и от их работы зависит качество получаемой продукции.

Для консервного производства малой мощности наиболее подходят

периодические и полунепрерывные аппараты. Их энергообеспечение воз-мокно от источника электроэнергии, а также, традиционно - с использованием водяного пара.

Нет надегаюго математического описания конвективного теплообмена в стерилизуемых банках, заполненных консервируемой продукцией с преобладанием жидкой фазы, с одновременным учетом нелинейности математической задачи в связи с температурозависящими теплофизическими свойствами продуктов.

Требуемые решения задачи теплообмена при переменных параметрах внешней среды носят сложный и необозримый характер.

Проведенный анализ состояния вопросов моделирования процесса тепловой стерилизации и технологического' комплекса оборудования для консервных производств малой мощности определил следующие задачи исследования:

1. Обоснование структурно-функциональной схемы консервного производства, рассчитанного на переработку широкого круга сырья и выработку разнообразного ассортимента продукции.

2. Разработка математической модели гидродинамики естественной циркуляции в автоклаве-стерилизаторе.

3. Развитие теоретических положений и математической модели конвективного теплообмена при стерилизации продукта в банке.

4. Моделирование теплообмена в автоклаве и банках при переменном непрерывном и дискретном режиме ведения процесса.

5. Разработка рекомендаций по структуре малого консервного производства и его аппаратурному оформлению.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ проведено обоснование структуры консервного производства малой мощности.

Анализ организации способов производства консервов показал, что распространенные специализированные поточные линии для предприятий •малой мощности,перерабатывающих широкий круг сырья и выпускающих

разнообразный ассортимент продукции, представляется нерациональными. В этом случае линии большую часть времени вне сезона переработки простаивают, переход предприятия на новый ассортимент требует больших капитальных затрат, установки нового оборудования, тем самым уменьшая возможности предприятия по удовлетворению изменяющегося спроса на ассортимент консервов.

Одним из возможных путей ревения задачи повышения эффективности консервного производства является использование концепции гибкости производства, нежнейшей особенностью которой является способность производственной системы оперативно с наименьшими затратами перестраиваться на выпуск новой продукции.

Для консервного производства малой мощности характерным являет-.ся многообразие исходного сырья, иногоассорткментность продукции, обусловленная сезонностью поступления сырья, а также многоншенкла-турность производства, связанная с запросами рынка. Процессы малого консервного производства характеризуются периодичностью. Кроме того, производство отличается разорванностью материальных потоков', большим количеством транспортных операций, промежуточных емкостей, гшогоопе-рационносты-о и многовариантностью (сложностью) функционирования. Вы-веизлокекное позволяет сделать вывод, что многономенклатурное консервное производство (МКП) откосится.к классу гибких периодических химико-технологических систем (ГПХТС).

В связи с задачей обоснования эффективного гибкого МКП была поставлена, с учетом опыта моделирования ГПХТС, задача моделирования, которая в полном виде включает: формирование оптимального ассортимента продукции и структурно-параметрический синтез гибкой технологической системы.

Задача обоснования технологической структуры гибкого консервного производства решалась для случая переработки плодоовощного сырья и выпуска следующих основных видов продуктов консервного производства: маринады, салаты овощные, варенья, джемы, компоты, плоды

и ягоды протертые.

Установлено, что указанный ассортимент продуктов составляет одну группу продуктов, так как для выпуска их используется ряд общих видов оборудования.

Наличие значительного числа общего оборудования позволяет построить гибкую схе1лу консервного производства на основе выделения из общего оборудования базовой линии с включением в нее дополнительного оборудования для выпуска требуемого вида продукта.

Проведенная работа позволила сформулировать технические требования к разрабатываемому малому производству, определить наиболее важный и энергоемкий участок стерилизации и обосновать направление научных исследований по теплообмену в автоклаве, а также конструкторских разработок по основным видам оборудования (автоклав, закатка, пшаритель). .

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приводятся результаты математического моделирования процесса теплообмена в автоклаве периодического действия с естественной циркуляцией.

, В автоклаве при включении нагрева в выносных электронагревателях вода вскипает и парожидкостная смесь начинает циркуляционное движение по контуру от нагревателей к стерилизуемым банкам. Горячая вода, попадая сверху в корпус автоклава, орошает слой банок и движется вниз в вертикальных каналах между отдельными стопами банок. Происходит передача тепла от горячей воды к банкам и снизу охладившаяся вода попадает в камеры с ТЭНами (для обеспечения равномерного нагрева предусмотрено несколько, выносных электрокипятильник элементов, которые равномерно размещены по периметру автоклава). Банки в автоклаве устанавливаются в стопу, т.е. банки непосредственно контактируют друг с другом через стык "крышка - днище". Однако надо иметь ввиду при постановке задачи теплообмена в банках, что внутри банки между крышкой и верхним слоем продукта имеет место газо-паро-

- ю -

вой объем, который обладает низкой теплопроводностью и может теплоизолировать стык между банками. В результате надо рассматривать теплообмен в ограниченном цилиндре.

Регош нагрева' бачок в автоклаве состоит из двух стадий - на первой стадии идет подъем температуры промежуточного теплоносителя (воды) по липейной зависимости, а на второй стадии, после достижения заданной температуры промежуточного теплоносителя, обеспечивается поддержание этой температуры.

Охлаждение банок после завершения процесса стерилизации проводится подачей снизу холодной воды, которая вытесняет горячую воду и в проточном режиме охла,сдает слой банок.

Данных по средним температурам взаимодействующих фаз не достаточно для расчета требуемого времени процесса в автоклаве чтобы достигнуть заданную температуру содержимого в каядой' точке бачок, практически в наиболее труднопрогреваемой точке.

Чтобы осуществить такой расчет необходима математическая модель процесса теплообмена для колсерзной банки, позволяющая определять поле температур и среднюю температуру.

^тематическая модель дол:;ша учесть конвективный характер теплообмена внутри банок, т.к. большинство консервируемых продуктов являются гадкими или кидкая фаза составляет значительную часть содержимого в банке. При этом надо течь ввиду переменносгь теплофизичес-ких свойств обрабатываемого продукта и режимов процесса.

Общее требование, которое необходимо обеспечить при обосновании геометрии рабочего пространства автоклава, является достижение наибольшего коэффициента заполнения рабочего объема обрабатываемым продуктом. С учетом необходимости использования различных по объему банок задача обоснования общей наилучшей геометрии рабочего пространства для их обработки дополнительно усложнена и в работе решена путек' геометрического моделирования на ЭВМ.

В результате проведенного моделирования с учетом технологичное-

тп конструкции автоклава (удобство работы оператора по размещению банок) обоснован размер рабочего пространства автоклава Н=552 мм и 0=670 мм. При этом в автоклаве размещаются банки 0,5 л - 168 'шт.; 0,65 л - 125 ШТ.; 1,0 Л - 93 ИТ.; 3,0 л - 24 ВТ.

Основной параметр гидродинамики естественной циркуляции в разрабатываемой конструкции автоклава - скорость циркуляции теплоносителя - определена на основе составления баланса движущей силы и сил сопротивления. Движущей силой является напор, создаваемый разницей в значениях плотностей в опускном потоке в рабочем объеме автоклава и в подъемных трубах. Гидродинамическое сопротивление циркуляции складывается из гидродинамических сопротивлений отдельных участков контура циркуляции при движении теплоносителя.

В результате численного моделирования установлено, что размер бачок (от 0,5 л до 3,0 л) при их укладке в автоклаве с максимальной упакованностью, не влияет на скорость циркуляции. При рабочем режиме Нэл.н-31 кВт и 1=130°С для всех видов бачок скорость циркуляции составила 0,245 м/с, что соответствует турбулентному режиму течения.

Влияние мощности электронагревателей на скорость циркуляции при различных температурах (от 100°С до 130°С) носят подобный характер Характерным является экстремальный характер зависимостей с максимумом скорости циркуляции при Нэл.н=5... 10 кВт, причем с ростом температуры максимум агегдется в область повызенных мощностей. Посла максимума з области рабочих (повышенных) мощностей скорость циркуляции линейно растет с ростом температуры.

Расчеты, проведенные для разработанного автоклава для различных банок (от 0,5 л до 3 л) при нагреве от 100°С до 130°С за 16 минут, показали, что требуемая мощность электронагревателей относительно близка для различных банок (от 23,9 кВт до 31,8 кВт).

При описании процесса теплоперекоса в банках в условиях развитой конвекции исходили из независимости уравнений тока и теллоп'ере-носа. Уравнение контуров циркуляции падкости внутри цилиндра:

- 12 -

■Ц*Х \2 Н*У

гЦХ,У)-4*

1-

2

Е>*Х

4 2/1-У

(3)

Оно использовалось для расчета производной объема и поверхности циркуляционных торов жидкости в цилиндре от координаты, что позволило записать уравнение нестационарной конвективной теплопередачи как одномерное следующего вида:

БТ(£.с.Т)

V*

бг

64с

5(1с)5Т(г.с.т)

ЦТ)-

I?2

02, с

(2)

Репение уравнения (2) осуществлялось методом Бубкова-Галеркина с использованием ряда, состоящего, из ортогональных полиномов Лежандра в качестве аппроксимирующей функции. Учитывая условие симметрии, в качестве членов ряда аппроксимирующей функции использовали четные полинош Леяандра (Р21(г.с)), имеющие стационарные точки на границах интервала (-1<£,с<1)-и симметричные относительно центра (0). В этом случае каждый член ряда агшрокскмирущей функции автоматически удовлетворяет граничным условиям первого рода.

В общем случае в качестве аппроксимирующей функции использован ряд следующего вида:

к

и(^с.т)-Е[Ро-Р21 (^с)3*Ь! (т)

(3)

Подставляя уравнение (3) в дифференциальное уравнение (2) нагло определить вид Фушсцпи невязки, т.е. критерии, позволяющий оценить точность приближения пробной функции.(3), по отиовенкз к точному решению уравнения (2) при изменении значений Ь^Х) в соответствующие моменты времени. Функция невязки в зтсм случае имеет вид:

П(е.сЛ)----:-:- (4)

5Х

Используя внутреннее произведение пробных функций, входящих в уравнение (3),для оценки близости функции уравнению (2) подучим систем из N уравнений:

1кас,т)-л[Ро-Р2з(г.с)^г.с=0 для 3=1,2,.. .,N (5)

-1

.В начале рассматривалось линейное приближение уравнения (2), т.е. случал а(Т)=сопз1.

При использовании данного вида пробной функции, 1сак показала проверка, достаточную точность обеспечивают несколько членоз ряда

Т (X, т) -А{ (Т) *[Ро (Х)-Р-г (X) .7 +Д2 (Г) л[р0 (X) - Р4 (X) 1 +Аз(Х) л[Ро (X) - Рб (X) 3

(б)

/.¡(х) находили ре^ая получедауюся систему обыкновенных дифференциальных уравнений методе:* Эйлера.

Результаты расчетов предлагавши >.'.е?одс>л для .щккидра .без впут-эзпней щ'ркулящш полностью совладает с авалвяяеекю* рэпеаиек. Теп-еово1 ре-"".! в цшядр© с внутренней циркуляцией характеризуется "■оргздо более г^сс.ко;': интенсивность:}.

' - 14 -

Разработанный подход к описанию теплового режима был распространен на случай теплообмена со средой, характеризуемой зависимостью от температуры коэффициента температуропроводности.

С целью оценки существенности температуркой зависимости коэффициента температуропроводности для основных видов консервной продукции обработали известные экспериментальные данные по температуропроводности томатопродуктов . В результате общая зависимость кокет быть представлена уравнением

а*10®=5,92*ехр(-0,553ап)лехр(О,003*Т) (7)

Показано, что коэффициент температуропроводности., томатопродуктов существенно изменяется (примерно в 1,5 раза) в принятом диапазоне температур.

Для решения задачи теплопроводности с экспоненциальной температурной зависимостью коэффициента- температуропроводности применила преобразование Кирхгофа. В соответствии с этим ввели функцию 6:

т

6=1/аоГаСТ) с1г-1/в Сехр С е*Г) . : ' ' (8)

о

В уравнении ао-предэкспоненциальный множитель (для томатопродуктов, как установлено выве, ао=5»92*10~8>4ехр(-0,553лп);а е -коэффициент в экспоненциальной температурной зависимости (для томатопродуктов 0=0,003).

С учетом (8) уравнение конвективной теплопроводности может быт: представлено в виде

11/(0*(М)]*(5(3/бг+х*дгас1 6)-ао*с11У дгай 6

(9)

В приведенной вьгае криволинейной системе координат (1), уравнение (9) переходит в одномерное:

б/с^СГ (й.с)бО/С2,с] = [!?2/16ла<>1-л[3(г>с)>'05/От]л[1/(ел^1)] (10)

Данное уравнение . (10) мог.ет быть решено аналитически при допу-

цешш

1/(0*Е*1)*1, (11)

что выполняется для асимптотического ресения (Го-»»). Температура Т(^,т) связана с в уравнением:

Т(5.,тМ1/0)1п[0*3(г;,Т)+1] (12)

Репение для 6 находилось тем ае методом:

6=аа(т)А[Ро(х)-Р2(х)3+а2(г)л[Ро(х)-р4(х):+аз(г)А[Ро(х)-Рб(х)] (13)

Идентификация параметров математической модели теплообмена - проводилась с использованием экспериментальных данных по процессу пастеризации томатной пасты и торе различной концентрации в стеклянной таре 1-82-3000 в пастеризаторе-охладителе непрерывного действия РГ-03 (производство ВНР).

С учетом особенностей теплового режима на этапе охлаждения расчет процесса теплообмена продукта в банке с линейноснижатацейся температурой на границе может быть проведен с применением теоремы Дюа-меля.

Показано, что интенсивность процесса по циркуляционной модели гораздо выше по сравнению с моделью без перемешивания. Эксперимен-■тальные данные по температуре в труднопрогреваемой точке свидетель-

ствуэт, что они соответствуют промежуточному положению между предсказываемыми двумя примененными моделями и поэтому признано целесообразна.! перейти к комбинированной модели для адекватного описания процесса теплообмена в жидких средах с различной концентрацией сухих

ъещесхз

ек=ц-дх)*ет+ах-яЗц „ (м)

Установленный экспериментально факт,■ что в процессе пастеризации тшатопродуктсз на начальном этапе охлаждения с линейноснижао-щейся температурой на границе температура в геометрическом центре на оси бант; снижается, а по модели для твердого тела без перемешивания' практически остается без изменения 8т(0)-;1, позволяет определить д*.

Результаты расчетов доли циркуляционной модели для пастеризуемых томатопродуктов различной концентрации представлены зависимостью

дх=0,285-0,0071*Сх : . (15)

Проверка достоверности комбинированной модели и определенных по экспериментальные датам на начальном этале охлаждения долей циркуляционной модели при различных концентрациях была проведена по зкс-пгржгеатаанюг дашяаг теплообмена в банке на конечном этапе охлаждения прл постоянной температуре охлакдазцзй води.

Результаты расчетов кинетики охлаждения по комбинированной модели с о.А> определенной по уравнения (15), для сапок с томатопродук-тами различной концентрации представлены на р;:с.2.

Пр*; тепловой обработке консервных банок, характеризуемых как объекты с повьггеквше тепловым сопротивление;.; за счет низкой теьэера-туропроводкости относительно крупных размеров, ьозкоккостк шпен-сификашп: процесса, огранкчеш. Одвш из направлений катеасяфккацш процесса теплообмена исжет бить пркмекепке декретного ре:;;гь;а„

Дискретный резким ведения процесса теплообмена - это режим, при котором происходит чередование периодов теплообмена объекта с внешней средой и периодов изоляции объекта от внешней среди.' Он может представлять интерес как энергосберегающий. Можно представить техническую реализацию дискретного режима процесса охлаждения банок в автоклаве путем циклического заполнения водой и опорожнения рабочего объема автоклава.

Для качественного анализа возможной эффективности дискретного рекима ведения тепловой обработки банок осуществили математическое моделирование процесса, воспользовавшись математическим описанием в виде:

■ ' 01+1 №0*4+1)'- е1(Рот1)*Г1-к1(Гот1)3**1(Гои1) (16)

Анализ эффективности дискретного теплообменного процесса проводился и заключался в определении Рот1 и Рои1 (т.е. и «а) при которых обеспечивается заданная степень нагрева (охлатсдения) и затраты ресурсов (энергии или охлаждающего агента) были минимальными (таким образом, что Рои=ЕРои1-*тах).

Для решения этой задачи применили метод динамического программирования. Получено общее, рекуррентное соотношение для п-стадийного процесса (п-нечетное).

Г(п+1Э/23-1 +

вп

С(п+1)/23-1

(1?)

02(1-1) п ^ ■1-1

где 1«<1...(п+1)/2> п N

В результате расчетов для разного числа

ступеней

дискретного

процесса установлено , что с ростом п экономия ресурсов возрастает и примерно при п=11...13 достигает своего предела - 50...51%.

В "-"ТЕЕРТОЙ ГЛАВЕ описывается результаты разработки комплекса оборудования малой мощности по производству консервов.

Выполненный анализ позволил сформулировать основные принципы организации малых производств, использующих гибкий организационный подход.Это во-первых по-участковый способ организации производства и во-вторых гибкость, мобильный переход на выпуск других видов консервов по групповой технологии с использованием минимального комплекта •универсальных блоков-модулей оборудования.

В результате проведенных научных исследований и конструкторских разработок создан комплект оборудования иглой мощности по производству консервов (рис.1).

Комплект технологического оборудования для производства консервов включает четыре технологических стола 1, устройства' для мойки сырья 2, пять транспортных столов 3, закаточную машину 4, три стерилизатора 5, емкость резервную 6, насос 7, котел варочный (блаяширо-ватель) 8, устройство для шдарки бачок 9, устройство для койки банок 10, ванну для.отмочки банок 11 и водонагреватель 12.

Разработанный комплект оборудования малой иощостп по производству консервов способен вырабатывать консервы овочные, плодовые и ягодные натуральные, салаты, маринады овощные ¡< фруктовые, варенье, повило, дкеш, мясные и мясорастительные в банках стеклянных вместимостью от '0,5л до 3,0л. Производительность по сырью - до 250 кг/ч.

Основное оборудование комплекта малой мощности по производству консервов - автоклав, закатка и устройство для ошпаривания стеклянных банок.

Автоклав - одно из наиболее сложных и ответственных устройств комплекса оборудования по производству консервов.

Бри разработке конструкции автоклава выделено два направления

- гё -

совершенствования его тепловой схемы:

- уменьшение относительного объема пространства, заполненного

V

водой,которая является промежуточным теплоносителем я затраты энергии на ее нагрев являются непроизводительными;.

- уменьшение неравномерности температурного поля в автоклаве,что позволяет сникать общий расход энергии.

В результате моделирования и анализа различных схем предложено следующее техническое решение (рис.3). Нагревательные элементы располагаются в трех камерах, размеры каждой из которых определяются с учетсм используемого типоразмера нагревателя. Эти камеры распределены равномерно по периметру рабочей зоны и сообщаются каждая с ней двумя каналами, расположенными на разной высоте и под разными углами. Веда из. автоклава по нижнему каналу попадает в камеру, нагревается и поднимаясь выходит через верхний -канал, который расположен тангенциально по отношению к цилиндрической рабочей,камере. При такой схеме обеспечивается эффективная циркуляция воды в автоклаве и снижение неравномерности температурного поля в автоклаве.

Технологические испытания автоклава позволили сделать вывод о возможности использования нормативных резвдюв стерилизации по существующая технологическим инструкциям.

Разработанное устройство для Бакатки крышек стеклянных бачок является полуавтоматическим и использует способ закатывания, обеспечивающий прочность укупорки в условиях колебания размеров и овальности венчика банок, качественных, параметров лести крышек.

Устройство для ошпаривания стеклянных банок паров включает камеру, где генерируется пар с помощью ТЭНов и в зоне шпарки обрабатывается банки загруженые на носителях.

На разработанные технические решения подача во ВНИИГГО заявка о выдаче свидетельства на полезную модель "Комплекс технологического оборудования для производства коясерзов" № гос.регистрации 95109610 ОТ 22.06.1995).

- 20 -

выводы

1. Для малого консервного производства рациональной является те:-"~~01 веская схема гибкого по-участкового производства и для его сбиснованкя применим алгоритм синтеза гибких химико-технологических систем.

2. Основной ассортимент консервов из плодоовощного сырья ( маринады, салаты овощные, даеш, кошоты.плоды и ягоды протертые) составляет одну группу, что позволяет построить "базовый" набор оборудования с подключением некоторых видов оборудования для обеспечения выпуска заданного ассортимента.продукции.

3. Наиболее энергоемким в схеме малого консервного производства является участок стерилизации консервов.

4. С использованием метода Галеркина решена разрабоганая математическая модель теплообмена в консервной банке, которая учитывает ■конвективный характер теплообмена для консервируемых продуктов, являющихся жидкими или шздкая фаза составляет значительную часть со-

■держимого банки. Учтена также зависимость теплофизических свойств продукта от температуры.

5. Для консервируемых жидких продуктов с различной концентрацией сухих веществ адекватная математической моделью теплообмена, может быть представлена линейной комбинацией математических моделей теплообмена для среды с паяным циркуляционным перемешиванием и для непе-ремешиваемой среды. Для томатопродуктов установлена обратная линейная зависимость доли циркуляционной модели в комбинированной модели от содержания сухих веществ. '

6. Достижение наибольшей средневзвешенной упакованности стеклянными бачками разных размеров цилиндрического корпуса автоклава обеспечивается методом геометрического моделирования на ЗВМ.

?. Скорость циркуляции теплоносителя в разработанном автоклаве в рабочем режиме практически совпадает для различных бакок, при этом

она линейно растет с ростом температуры, а режим движения теплоносителя турбулентный.

8. Требуемая модность электронагревателей относительно близка для различных бачок (при изменении емкости банек от 0,5 л до 3,0 л «оншость изменяется от 28,9 кВт до 31,0 кВт). Разогрев автоклава до температура кипения возможен за 16 минут.

9. Дискретный ре:зи процесса теплообмена для консервных балок, характеризуемых повшгешшм тепловым сопротивлением, позволяет добиться существенного энергосбережения.

10. Обоснована структурно-функциональная схема гибкого малого консервного производства, а тачке конструктивное оформление комплекса оборудования -• превде всего азтоклава-стерилизатора, а также шпа-рателя, закатки банок и другого вспомогательного оборудования. В 1594-95 гг. изготовлены и внедрены 5 комплексов по производству консервов, а тагасе £5 азтеклавоз для оснащения цехов малой ксзности по производству консервов.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а(Т) - коэффициент температуропроводности; 5(г.с) - пледздь циркуляционных токов; V(¿с)" производная объема циркуляционных токов;^ - координата тока жидкости;!? - характерный размер' тела (для цилиндра - радиус); Т - температура;т - время; п - массовая доля сухого вещества; в- - симплекс температур (индексы:к- комбинированная модели;т- твердое тело без перемешивания;ц- циркуляционная модель I; дх - Доля циркуляционной модели в комбинированной модели;Сх - концентрация сухих веществ в тсматопродуктах.2. к - кинетическая зависимость процесса теплообмена; коэффициент, показывающий относительную разницу между температурами в конце процесса теплообмена у тел с неравномерным и равномерным профилем температур. 1 - индекс 'ступени дискретного теплообменного процесса.

Рис.1 Комплект оборудоиаиия малой мощности по. производству консер'воп.

£0 т.

Х5

т

*« ч х

ч^ ^ « ■

I '

4

Рис.2. Сравнение .■■"расчетных к экспериментальных данных по охлаждению банок с томатопродуктами разной концентрации.

Рис.3. Автоклав