автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Математическое моделирование процесса термообработки шоколадной глазури в поле ТВЧ

На правах рукописи

РЯЖСКИХ Эдуард Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ШОКОЛАДНОЙ ГЛАЗУРИ В ПОЛЕ ТВЧ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Воронежская государственная технологическая академия" (ВГТА).

Научный руководитель - заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Магомедов Газибег Омаровмч

доктор технических наук, профессор Бараков Александр Валентинович

Ведущая организация - ОАО «Воронежская кондитерская фабрика»

Защита диссертации состоится «20» октября 2006 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.035.01 при Воронежской государственной технологической академии по адресу: 394000, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТА.

Автореферат разослан «18» сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время интенсивно развивается новое направление — обработка пищевых продуктов физическими методами: с помощью ТВЧ и СВЧ, инфракрасного излучения, . акустических колебаний и др. Одной из стадий производства кондитерских изделий является термоподготовка глазури для перевода ее в жидкое фазовое состояние с требуемыми реологическими характеристиками. Для мелкосерийного ассортимента выпускаемых кондитерских изделий традиционные способы термоподготовки (конвективный, кондуктивный и т.д.) энергетически нецелесообразны, поэтому ТВЧ-нагрев является наиболее перспективным, учитывая также и опыт его использования в различных отраслях промышленности.

Значительный вклад в теоретические основы обработки ТВЧ-нагревом пищевых продуктов растительного и животного происхождения внесли Лыков A.B., Рогов А.И., Некрутман C.B., Нетушил A.B., Попов В.И., и др.

Для реализации ТВЧ - нагрева при термоподготовке глазури необходим выбор его рациональных режимов, обеспечивающих сохранение биохимического состава, биологической ценности как составляющего элемента продукта питания и обеспечивающих экологическую и пищевую безопасность. Как известно, глазурь применяется при производстве конфет, творожных сырков, печенья и т.д., однако системная информация об использовании ТВЧ-нагрева для термообработки глазури отсутствует. Различным аспектам этого вопроса исследователями уделялось внимание к изучению изменения биохимического состава глазури в процессе нагрева, электрофизических характеристик, реологических свойств, кинетики процесса. В комплексе все эти составляющие не рассматривались.

Реализация ТВЧ-нагрева глазури требует не только информации как о технологическом объекте, но и необходимы конструкторские решения, учитывающие особенности ее физико-химических свойств.

В связи с этим определение рациональных режимов нагрева глазури в поле ТВЧ для глазирования кондитерских изделий является с научной и практической точек зрения актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» Воронежской государственной технологической академии в рамках госбюджетной научно — исследовательской тематики «Тепло- и массообмен при высокоинтенсивной сушке продуктов животного и растительного происхождения».

Цель и задачи диссертационной работы. Целью исследования является идентификация рациональных режимов процесса термообработки шоколадной глазури при плавлении в поле ТВЧ на основе комплексного изучения электрофизических, физико-химических и реологических характеристик и разработка технологических и конструкторских решений при практической реализации.

Для достижения цели решались следующие задачи:

- анализ современного состояния технологии, техники и расчета ТВЧ-нагрева влагожировых пищевых материалов;

- определение основных электрофизических, физико-химических и реологических параметров шоколадной глазури;

- разработка экспериментальной установки для реализации периодического и непрерывного процесса ТВЧ-нагрева и исследование кинетики процесса термообработки шоколадной глазури;

- синтез и анализ математической модели термообработки шоколадной глазури в поле ТВЧ;

- создание инженерной методики расчета и разработка технических решений для выбора рациональных режимов ТВЧ-нагрева шоколадной глазури.

Научная новизна. На основе комплексного исследования шоколадной глазури как объекта ТВЧ-нагрева получены данные о тангенсе угла диэлектрических потерь, установлен реологический закон течения в виде степенной зависимости касательного напряжения от скорости деформации. Жидкофазное состояние шоколадной глазури классифицировано как вязкопласгаческий материал с индексом течения меньше единицы и не зависящим от температуры.

Исследована кинетика ТВЧ-нагрева шоколадной глазури при различных значениях напряженности электромагнитного поля и частоты колебаний.

Разработана математическая модель ТВЧ-нагрева шоколадной глазури, учитывающей неоднородность температурного поля в процессе термообработки с учетом теплообмена С окру-

жающей средой в периодическом и непрерывном режимах.

Приведены вычислительные эксперименты по определению локального перегрева материала в зависимости от параметров процесса и геометрии рабочей зоны термообработки.

Практическая значимость работы. На основании комплекса экспериментально-теоретических исследований показана целесообразность использования ТВЧ-нагрева при термообработке шоколадной глазури. Предложена инженерная методика прогнозирования величины прогрева материала в зависимости от тепло- и электрофизических параметров. Разработаны: новый способ диэлектрической обработки продуктов; конструкция ТВЧ-камеры; устройство для формования мороженого с подогревом шоколадной глазури токами ВЧ с подтверждением новизны технических решений (положительным решением по заявке № 2005255/13).

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на конференциях Воронежской государственной технологической академии (2002 - 2006 г.), а . также экспонировались на Международных выставках «Оптовая ярмарка продуктов питания-2003», «Продторг 19-2004, 20-2005», «Роспромэкспо 6-2005»; «ИННОВ-2005», что подтверждено 6-ю дипломами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из которых 2 в журналах, рекомендованных ВАК и получено одно положительное решение по заявке № 2005102255/13 (02875) «Способ диэлектрической обработки продуктов в блоках».

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 87 наименования и приложения. Материал диссертации изложен на 122 страницах и содержит 50 рисунков, 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализировано современное состояние теории, техники и технологии обработки пищевых продуктов в поле ТВЧ. Изложены физические основы ТВЧ-нагрева и выделены основные электрофизические характеристики, оказывающие наибольшее воздействие на структуру обрабатываемых материа-

лов. Особое внимание уделено воздействию ТВЧ-энергии на качественные показатели пищевых продуктов. Классифицированы способы и аппараты для проведения технологических процессов с использованием ТВЧ-энергоподвода с выделением их класса для обработки шоколадной глазури. Изложены подходы при математическом моделировании и расчета процесса ТВЧ-нагрева.

Во второй главе определены свойства шоколадной глазури как объекта плавления. Диапазон температур, в котором ранее исследовались основные теплофизические свойства шоколадной глазури, ограничивался интервалом 20—25 °С. Методом В.С. Волькенштейн получены данные по теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности до 50 °С (рис. 1). При

этом скачков в их значении при фазовом переходе в расплавленное состояние не наблюдалось (температура ~ 38...42 °С). Изучение электрофизи-чеких параметров сводилось к определению диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь кумметром ВМ409С и, соответственно, вычислению коэффициента диэлектрических потерь. С точки зрения наибольшей эффективности процесса нагрева его следует проводить при частоте « 70 МГц.

Реологические свойства шоколадной глазури исследовались для режима гравитационного течения ее в жидкой фазе через накопительно-распредельное устройство в системе ТВЧ-нагрева. На основе известного решения Мак-Келви предложены соотношения для вычисления индекса течения

п = /«[(-др/дг), /(-др/&),]/1п(и, /и2)

0,26

С") 0,24

0,22

0,2 I

Рис. 1. Зависимость теплофизических характеристик от температуры:

1 — теплопроводность; 2 — температуропропровод-ность; 3 — теплоемкость

и динамической вязкости в приведенном состоянии (при скорости сдвига у0~1)

Мо = к Л2ГоЖ- Ф / Н /[(3« + 1)/п-и, /{луого3 )}' > при измеренных экспериментально значениях градиента давления (-др/дг) и объемного расхода V в реперных точках 1 и 2 по высоте канала радиуса г0 . Получено, что поведение расплавленной шоколадной глазури подчиняется степенному закону с индексом течения меньше 1 и независит от температуры. Это позволило сделать вывод о том, что поведение расплава соответствует вязкопластической среде с реологическим уравнением

г = С306 - 7,07()у0'58, где ( — температура расплава, °С.

Дополнительно был проведен биохимический анализ состава шоколадной глазури до и после термообработки в поле ТВЧ. Сделан вывод о неизменности этого состава и, следовательно, об отсутствии биохимических изменений.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования кинетики нагрева в периодическом режиме промышленная установка ВЧД - 2, (рис. 2). Был изготовлен пилотный объем из

фторопласта, в который помещалась предварительно расплавленная глазурь. Пилотный объем охлаждался в холодильнике до температуры 10 °С, затем помещался в рабочую зону установки. В режиме периодического отключения переносным ТИМ - 200 измерялась температура образца в процессе нагрева в зависимости от напряженности, которая регулировалась рас-

Рис. 2. Установка ВЧД - 2 1 - изолированный корпус; 2 - измерительные приборы; 3 - рабочая камера; 4 -регулировочный винт; 5 — пульт управления; 6 - высокопотенциальный электрод; 7 — низкопотенциальный электрод; 8 — лампа; 9 — изоляторы

стоянием между высоко- и низкопотенциальными электродами (рис. 3). При этом частота колебаний была 81.36 МГц. На рис. 4 показан тепловой КПД, величина которого стабилизируется при напряженности больше = 50 кВ/м на уровне 0,62. Это позволяет сравнить эффективность процесса в сравнении с эффективностью применяемых устройств для разогрева шоколадной глазури в промышленности. Корректность полученных результатов подтверждают значения конечной-температуры шоколадной глазури

при различных напря-женностях и времени нагрева 15 с. Эта зависимость имеет ярко выраженную квадратичную зависимость, что подтверждается вычислениями по формуле Пойтинга для объемного тепловыделения.

Для экспериментального исследования кинетики нагрева в

318

к

308 298

Т 288

278

1л /

/

д-/ ■ д-з • -3 о —4 о -5

1

30 60 90

120

г—

150 180 210

240 270 с

Рис. 3. Зависимость температуры шоколадной глазури от времени плавления.

1-Е=68,57 кВ/м; 2-Е=60 кВ/м; 3-Е=53.3кВ/м; 4-Е=48 кВ/м; 5-Е=43,6кВ/м.

0,75

0 0,25

Рис. 4. Тепловой КПД процесса разогрева шоколадной глазури при ТВЧ-нагреве

непрерывном режиме была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 5). Особенностью установки являлось то, что высокочастотный генератор функционировал при. фиксированной напряженности, но в переменном диапазоне частот излучения от 30 до 110 МГц. Предварительно измельченную массу засыпали в загрузочный модуль, включали генератор. Гравитационное

установка

движение дисперснои фазы сопровождалось нагревом ТВЧ, что приводило к расплавлению, и самотеком масса через шаровую заслонку поступало в поддон. Температура измерялась вновь переносным ТКМ - 200, расход - мерной емкостью. Установлена величина изменения удельного тепловыделения от частоты электромагнитного излучения, которое имеет возрастающую линейную зависимость. Получена временная

характеристика выхода процесса нагрева в непрерывном режиме на установление (рис. 6). В четвертой главе разработаны математические модели кинетики нагрева в поле ТВЧ. В соответствии с расчетной схемой (рис. 7) сделаны допущения об осесиметричности температурного поля и отсутствия теплообмена с окружающей средой через фидерные пластины. Удельный источник энергии за счет электромагнитного нагрева материала в зависимости от его электрофизических свойств рассчитывается из соотношения:

о сз

Рис. 5. Экспериментальная непрерывного действия 1 - станина;2 - камера; 3 — высокопотенциальный электрод; 4 — низкопотенциальный электрод; 5 - загрузочный бункер; 6 — заслонка шаровая; 7 — перфорированная вставка; 8 — конденсатор; 9 — регулировочный винт; 10 - блок питания; 11 — генеоатоо.

" «к 30

Рис. 6. Время выхода системы в стационарный режим в зависимости от частоты

ду = Е2У€Щ8 , Вт/м3

Уравнение переноса теплоты молекулярной теплопроводностью при наличии постоянного теплового источника, записанное в безразмерном виде, таково: дТ

Рис. 7.. К построению математической модели ТВЧ-нагрева в периодическом режиме (штриховка - фидерные пластины)

дРо ЭХ2 + -Г + ^

дг1

д!Т е д3Т + 4,-г +

дУ1

;(1)

с начальным условием

Т( X, У, 2,01\ (2)

с граничными условиями отсутствия теплообмена через плоскости симметрии

дТ(0,У,г,Ро) дТ(Х,0, X, Ро) __

дХ д У

дТ(Х, У,0, Ро) дТ(Х, V ,1, Ро)

(3)

аг

дТ(1,У,2,Ро)

эх

дХ

= -ш1т(],у,г,Ро),

(4)

дУ 2 4 '

где Х = 2х/Ъ1\ У = 2у / к2\ 2 = 2г/к3\ = (Ь1/к2)2; %2={Ь,/}1з)2 Г = (/-/с)/(/0 -/с); Ро = 4ат/к]\ В1! = ак, /{2Л); т2 = ак2 /(2Л) ; Ж = /[4Л^0 -/с)];

(с, - температура среды и начальная материала; ££ - коэффициент теплоотдачи от материала к воздуху, Вт/(м -К). Условия (4) означают независимость температуры от 2Г, а в силу изотропности материала, одинаковой гидродинамической обстановки вблизи

боковых граней допустимо понизить координатную размерность задачи (1)-(4), проводя процедуру интегрального осреднения, например по оси ОХ, тогда:

д~т д2~т -вГт+Ш, (5)

дРо дУ2

т(У.О)=1. ЯШ-пЦ,.*,). (6)

~ 1

где Т - \ТОХ

о

Методом интегрального преобразования Лапласа по переменной Ро получено аналитическое решение системы (5)-(6):

т(У.Ро)=*-- М^) е^-Вг-Ро,)-В! у/тзИт/т + вкИлПй

-2ВгУ Г / + ,

где ¡лп корни уравнения = Ы/ р..

Показан способ вычисления коэффициента теплоотдачи в предположении свободноконвективного теплообмена с окружающим воздухом.

Анализ неравномерности температурных полей показан на рис. 8. Рис. 8. а соответствует ситуации, когда начальная температура шоколадной глазури выше температуры окружающей среды, рис. 8. б - противоположной ситуации. Сделан вывод о том, что для осуществления процесса с целью уменьшения перепада температур в рабочей камере, необходимо перед обработкой глазури ее охладить. С помощью вычислительных экспериментов проведен анализ неоднородности температур на основе предложенного критерия неоднородности

= аЪз{т(0,Ро)-Тср{Ро)]/Тср{Ро)},

и оценена неоднородность прогрева в зависимости от параметров процесса и величины тепловой нагрузки.

У

Рис. 8. Температурные поля при ]¥ = 10 (а), \¥= -10 (б) и В1 = 1:

1 = 0; 2-Ро = 0,01; З-^о = 0,05; = 0,1

Путем применения к (5)-(6) процедуры интегрального осреднения по координате У предложена инженерная зависимость для расчетов

При допущениях осесимметричности, «снарядного» режима движения среды в рабочей зоне, а также в силу того, что расстояние между вертикальными фидерными пластинами 1%2 намного меньше ширины А/ и высоты Ьз камеры ТВЧ и теплообменом через нефидерные поверхности молено пренебречь, математическая модель непрерывного режима представлена для в виде:

дУ

Wu = Qvh3/[2vcpp(t0-tc)\^ и - средняя по сечению скорость среды, м/с.

На основе аналитического анализа (7)-(9) получена зависимость для инженерных расчетов

К ' £?/ Щ ) Я Ре )

В пятой главе дано описание разработанных: способа диэлектрической обработки продуктов в блоках, ТВЧ-камеры для диэлектрической обработки пищевых сред, устройства для формования мороженного с подогревом шоколадной глазури токами ВЧ. Приведен расчет экономической эффективности.

В разработанном способе (положительное решение по заявке № 2005255/13) (рис. 9, рис. 10) для интенсификации процесса плавления и сохранения при этом качества продукта воздействие излучения каждого электрода увеличивается от периферии к центру блока продукта (например, от 220 до 30 В), что позволяет обеспечить распределение мощности излучения по площади блока в зависимости от неравномерности плавления центральных и

Рис. 9 . Схема осуществления диэлектрической обработки продуктов в блоках с использованием пластинчатых электродов в виде колец: 1,2 — пластинчатые электроды; 3 - ванна; 4 - блок продукта; 5 - генераторы

периферийных областей блока и исключить, таким образом, локальные зоны его перегрева.

Рис. 10 . Схема осуществления диэлектрической обработки продуктов в блоках с использованием пластинчатых электродов прямоугольной формы: 1,2- пластинчатые электроды; 3 — ванна; 4 - блок продукта; 5 — генераторы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Получены данные по электрофизическим характеристикам шоколадной глазури и найден диапазон частот электромагнитных колебаний (65-70 МГц), обеспечивающий максимальную диссипацию энергии в тепловую. Определены теплофизические характеристики шоколадной глазури методом нестационарного теплового режима в рабочем интервале температур (от 10 до 50 °С).

2. Экспериментально изучена методика ТВЧ — нагрева шоколадной глазури в периодическом режиме, показано, что тепловой КПД процесса равен 0,62 при значениях напряженности приблизительно больше 50 кВ/м.

3. На специально спроектированной и изготовленной экспериментальной установке изучена кинетика нагрева в зависимости от частоты электромагнитных колебаний в диапазоне от 30 до 110 МГц и время выхода процесса плавления глазури на устано-

вившийся режим. Предметно-ориентированная методика определения реологических характеристик позволила классифицировать расплав шоколадной глазури как вязкопластическую среду с индексом течения, независящим от температуры.

4. Синтезированы математические модели ТВЧ - нагрева для периодического и непрерывного режимов, учитывающие теплообмен с внешней средой. Модели позволяют англизировать неравномерность прогрева среды в рабочей камере и определять величину локального перегрева с помощью предложенного критерия неоднородности.

5. Разработаны инженерные методики расчета, позволяющие прогнозировать температуру нагрева сырья в зависимости ст тепло- и электрофизических параметров, интенсивности теплообмена с окружающей средой и геометрических парамефов рабочей камеры.

6. Предложены способ и конструкция ТВЧ - камеры для диэлектрической обработки сырья, которые обеспечивают уменьшение неравномерности нагрева сырья.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Антипов, С. Т. Совершенствование конструкции эскимогенера-тора на основе системного анализа и оптимизации процесса получения эскимо в условиях АО РНП "Холод" [Текст] / С. Т. Антипов, С. В. Шахов, В. В. Шандановин, Э. В. Ряжских // Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. - Сб. научн. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2001. - №11. -С. 53-56.

2. Антипов, С. Т. Перспективы пр именения диэлектрического нагрева для темперирования шоколадных пасс [Текст] / С. Т. Антипов, С). В. Ряжских // Материалы Х1Л отчетной конференции за 2002 год: в 3 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2002.-Ч. 1. -С. 190-191.

3. Ряжских, Э. В. ТВЧ-камера для темперирования шоколадной глазури [Текст] / Э. В. Ряжских // Модернизация существующе го и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. -Сб. научн. тр. / Воронеж, гос. технол. акгд. - Воронеж, 2003, — №13 — (Г. 87-88.

4. Бабенко, Д. С. Способ диэлектрической обработки пищевых продуктов [Текст] / Д. С. Бабенко, А. С. Попов, Э. В. Ряжских, А. А. Чирков '/ Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. Сб. научн. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. — Воронеж, 2004. - №14. — С. 65-66.

5. Ряжских, Э. В. Экспериментальная установка, для плавления шоколадной глазури с высокочастотным энергоподводом [Текст] / Э. В. Ряжских // Материалы XLII отчетной научной "конференции за 2003 год / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2004. - С. 22-23.

6. Антипов, С. Т. Моделирование процесса плавления шоколадной глазури в поле ТВЧ [Текст] / С. Т. Антипов, Э. В. Ряжских, В. Б. Попов // Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности / Воронеж, гэс. технол. акад. - Воронеж, 2004. - С. 73-80.

7. Ряжских, Э. В. Разработка конструкции ТВЧ-камеры для плавления шоколадной глазури [Текст] / Э. В. Ряжских, С. П. Телегин, В. В. Шаддановин, А. А. Чирков // Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. Сб. научн. тр. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2005. —№15. - С. 121—123.

8. Ряжских, Э. В. Устройство для формования мороженного с подогревом шоколадной глазури токами ВЧ [Текст] / Э. В. Ряжских, М. Н. Л у кя нова // «Эврика-2005» / Юж.-Рос. Гос. Техн. Ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГГУ. - 2005. - № 4. - С. 365-367.

9. Ряжских, Э. В. Гравитационное течение вязкопластичной сре-д;>1 в плоском канале [Текст] / Э. В. Ряжских II Материалы XIX отчетной конференции за 2005 год: В 2 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. - Воро-Н5ж, 2006.-4:1.-С. 84-85.

10. Антипов, С. Т. Неоднородное температурное поле неподвижного материала при ТВЧ-нагрепе [Текст] / С.Т. Антипов, Э. В. Ряжски // Вестник ВГТУ / Воронеж, гос. техн. универ. Воронеж, 2006. - № б. - С. 8J-93.

11. Антипов, С. Т. Термообработка шоколадной глазури высокочастотным нагревом [Текст] /С.Т. Антипов, Э. В. Ряжских // Хранение и переработка сельхозсырья. 2006. - № 5. С. 15-17.

Подписано в печать 14.09.2006. Формат 60x84 V^.

Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Ризография.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ЧЗХ, ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (ГОУВПО «ВГТА») Участок оперативной полиграфии ГОУВПО «ВГТА» Адрес академии и участка оперативной полиграфии 394000 Воронеж, пр. Революции, 19

Основные условные обозначения.

Введение.

Г л а в а 1. Современное состояние теории, техники и технологии обработки пищевых продуктов в поле ТВЧ.

1.1. Физические основы ТВЧ-нагрева.

1.1.1. Основы ТВЧ-нагрева.

1.1.2. Нагрев диэлектриков в переменном электрическом поле.

1.1.3. Напряженность электрического поля в материале.

1.2. Особенности воздействия ТВЧ-энергии на пищевые продукты.

1.2.1. Процессы, происходящие при ТВЧ-нагреве пищевых продуктов.

1.2.2. Влияние ТВЧ-нагрева на качественные показатели пищевых продуктов.

1.3. Способы и аппараты для проведения технологических процессов с использованием ТВЧэнергоподвода.

1.4. Характеристика шоколадной глазури.

1.4.1. Общая характеристика и разновидности глазури в зависимости от сырья.

1.4.2. Пищевая и энергетическая ценность глазури.

1.4.3. Требования к качеству глазурей.

1.5. Основы расчета при ТВЧ-нагреве.

1.5.1 Уравнения теплового поля.

1.5.2 Расчет тепловых полей методом конечных разностей.

1.6. Цели и задачи исследования.;.

Г л а в а 2. Свойства шоколадной глазури как объекта плавления.

2.1. Основные структурные элементы шоколадной глазури и их fr свойства.

2.1.1 Вода в глазури.

2.1.2. Жиры и жироподобные вещества.

2.1.3. Дополнительные композиционные составляющие глазури.

2.2. Физические параметры глазури.'.

2.3. Реологические показатели.

2.4. Определение электрофизических свойств глазури.

4 2.5 Определение теплофизических характеристик шоколадной глазури.

Г л а в а 3. Исследование процессов, протекающих при обработке шоколадной глазури полем ТВЧ.

3.1. Методика проведения экспериментов и схемы экспериментальных установок.

3.1.1. Методика проведения экспериментов на установке периодического действия ВЧД-2.

3.1.2. Методика проведения экспериментов на высокочастотной установке непрерывного действия.

3.2. Кинетика нагрева шоколадной глазури при переменной напряженности электромагнитного поля в периодическом режиме.

3.3 Кинетика нагрева шоколадной глазури при переменной частоте электромагнитного поля в непрерывном режиме.

Г л а в а 4. Математическое моделирование процесса нагрева шоколадной глазури.

4.1. Математическая модель периодического режима нагрева . 87 4.1.1 Постановка задачи.

Ф 4.1.2. Решение уравнений модели.

4.1.3. Анализ решения.

4.2. Инженерная методика расчета.

4.3. Математическая модель непрерывного режима.

4.3.1 Постановка задачи.

4.3.2. Инженерная методика расчета.

Г л а в а 5. Практическая реализация результатов исследования

5.1. Способ диэлектрической обработки продуктов в блоках.

5.2. ТВЧ-камера для диэлектрической обработки пищевых сред.

5.3. Устройство для формования мороженного с подогревом шоколадной глазури токами ВЧ.

5.4. Бизнес-планирование и технико-экономическое обоснование реализации инновационного проекта плавления шоколадной глазури ТВЧ для глазирования кондитерских изделий.

5.4.1 Резюме.

5.4.2 Характеристика рынков сбыта и конкурентов.11'

5.4.3 План маркетинга.

5.4.4 Календарный план.

5.4.5 Финансовый план.

В последнее время интенсивно развивается новое направление - обработка пищевых продуктов физическими методами: с помощью ТВЧ и СВЧ, инфракрасного излучения, акустических колебаний и др. Одной из стадий производства кондитерских изделий является термоподготовка глазури для перевода ее в жидкое фазовое состояние с требуемыми реологическими характеристиками. Для мелкосерийного ассортимента выпускаемых кондитерских изделий традиционные способы термоподготовки (конвективный, кон-дуктивный и т.д.) энергетически нецелесообразны, поэтому ТВЧ-нагрев является наиболее перспективным, учитывая также и опыт его использования в различных отраслях промышленности [2, 3, 7, 55, 56, 57].

Для реализации ТВЧ - нагрева при термоподготовке глазури необходим выбор его рациональных режимов, обеспечивающих сохранение биохимического состава, биологической ценности как составляющего элемента продукта питания и обеспечивающих экологическую и пищевую безопасность. Как известно, глазурь применяется при производстве конфет, творожных сырков, печенья и т.д., однако системная информация об использовании ТВЧ-нагрева для термообработки глазури отсутствует. Различным аспектам этого вопроса исследователями уделялось внимание изучению изменения биохимического состава глазури в процессе нагрева, электрофизических характеристик, реологических свойств, кинетики процесса. В комплексе все эти составляющие не рассматривались [3, 22, 29].

Реализация ТВЧ-нагрева глазури требует не только информации как о технологическом объекте, но и необходимы конструкторские решения, учитывающие особенности ее физико-химических свойств.

В связи с этим определение рациональных режимов нагрева глазури в поле ТВЧ для глазирования кондитерских изделий является с научной и практической точек зрения актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» Воронежской государственной технологической академии в рамках госбюджетной научно - исследовательской тематики «Тепло- и массообмен при высокоинтенсивной сушке продуктов животного и растительного происхождения».

Цель и задачи. Целью исследования является идентификация рациональных режимов процесса термообработки шоколадной глазури при плавлении в поле ТВЧ на основе комплексного изучения электрофизических, физико-химических и реологических характеристик и разработка технологических и конструкторских решений при практической реализации. Для достижения цели решались следующие задачи:

- анализ современного состояния технологии, техники и расчета ТВЧ-нагрева влагожировых пищевых материалов;

- определение основных электрофизических, физико-химических и реологических параметров шоколадной глазури;

- разработка экспериментальной установки для реализации периодического и непрерывного процесса ТВЧ-нагрева и исследование кинетики процесса термообработки шоколадной глазури;

- синтез и анализ математической модели термообработки шоколадной глазури в поле ТВЧ;

- создание инженерной методики расчета и разработка технических решений для выбора рациональных режимов ТВЧ-нагрева шоколадной глазури.

Научная новизна. На основе комплексного исследования шоколадной глазури как объекта ТВЧ-нагрева получены данные о тангенсе угла диэлектрических потерь, установлен реологический закон течения в виде степенной зависимости касательного напряжения от скорости деформации, жидкофаз-ное состояние шоколадной глазури классифицировано как вязкопластиче-ский материал с индексом течения меньше единицы и не зависящим от температуры.

Результаты экспериментального исследования кинетики ТВЧ-нагрева шоколадной глазури при различных значениях напряженности электромагнитного поля и частоты колебаний. Математическая модель ТВЧ-нагрева шоколадной глазури, учитывающей неоднородность температурного поля в процессе термообработки с учетом теплообмена с окружающей средой в периодическом и непрерывном режимах.

Результаты вычислительного эксперимента по определению скорости перемещения границы раздела фаз при плавлении и степени неоднородности температурного поля в рабочей ячейке, позволяющей идентифицировать зоны перегрева продукта при термообработке.

Основные выводы и результаты работы

1. Получены данные по электрофизическим характеристикам шоколадной глазури и найден диапазон частот электромагнитных колебаний (65-70 МГц), обеспечивающий максимальную диссипацию энергии в тепловую. Определены теплофизические характеристики шоколадной глазури методом нестационарного теплового режима в рабочем интервале температур (от 10 до 50 °С).

2. Экспериментально изучена методика ТВЧ - нагрева шоколадной глазури в периодическом режиме, показано, что тепловой КПД процесса равен 0,62 при значениях напряженности приблизительно больше 50 кВ/м.

3. На специально спроектированной и изготовленной экспериментальной установке изучена кинетика нагрева в зависимости от частоты электромагнитных колебаний в диапазоне от 30 до 110 МГц и время выхода процесса плавления глазури на установившийся режим. Предметно-ориентированная методика определения реологических характеристик позволила классифицировать расплав шоколадной глазури как вязкопластическую среду с индексом течения, независящим от температуры.

4. Синтезированы математические модели ТВЧ - нагрева для периодического и непрерывного режимов, учитывающие теплообмен с внешней средой. Модели позволяют анализировать неравномерность прогрева среды в рабочей камере и определять величину локального перегрева с помощью предложенного критерия неоднородности.

5. Разработаны инженерные методики расчета, позволяющие прогнозировать температуру нагрева сырья в зависимости от тепло- и электрофизических параметров, интенсивности теплообмена с окружающей средой и геометрических параметров рабочей камеры.

6. Предложены способ и конструкция ТВЧ - камеры для диэлектрической обработки сырья, которые обеспечивают уменьшение неравномерности нагрева сырья.

1. Антипов, С.Т. Моделирование процесса плавления шоколадной глазури в поле ТВЧ Текст. / С.Т. Антипов, Э.В. Ряжских, В.Б. Попов // Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности/ Воронеж. гос. технол. акад. Воронеж, 2004, с. 78-80.

2. Антипов, С.Т. Неоднородное температурное поле неподвижного материала при ТВЧ-нагреве Текст. / С.Т. Антипов, Э.В. Ряжскиж // Вестник ВГТУ / Воронеж, гос. техн. универ. Воронеж, 2006. № 6, с. 89-93.

3. Антипов, С.Т. Перспективы применения диэлектрического нагрева для темперирования шоколадных масс Текст. / С.Т. Антипов, Э.В. Ряжских // Материалы XLI отчетной конференции за 2002 год: В 3 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2002. Ч. 1, с. 190-191.

4. Антипов, С.Т. Термообработка шоколадной глазури высокочастотным нагревом Текст. / С.Т. Антипов, Э.В. Ряжских // Хранение и переработка сельхозсырья. 2006. № 5, с. 15-17.

5. Антокольская М.Я. и др. Справочник по сырью, полуфабрикатам и готовым изделиям кондитерского производства Текст. / М.: Пищевая промышленность, 1964. - 120 с.

6. Бамберг Е., Липавская К., Малкова Г. Высокочастотный нагрев и кулинария. Текст. / -"Общественное питание".1963, №3, с. 54-56

7. Беляев М.И. Диэлектрические характеристики различных пищевых жиров Текст. / М.И. Беляев, Н.В. Рыжова, В.Н. Языков // Общественное питание, 1974.-№ 6.-С. 24-25.

8. Беляев М.И. Диэлектрические характеристики различных пищевых жиров Текст. / Беляев М.И., Рыжова Н.В., Языков В.Н // Общественное питание. 1976. - №6. с. 24-25.

9. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности Текст. / Беляев Н.М., Рядно А.А.: В 2-х частях. 4.1. М.: Высш.шк., 1982. - 327 с.

10. Берд Р. Явление переноса Текст. / Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е.-М.: Химия, 1974.-688 с.

11. Брицын Н.Л. Нагрев в электрическом поле высокой частоты Текст. / Брицын Н.Л. Л.: Машиностроение, 1965. 92 с.

12. Волькенштейн, B.C. Скоростной метод измерения теплофизических характеристик материалов Текст. / B.C. Волькенштейн Минск, 1962. T.I. с. 65-69.

13. Волькенштейн, B.C. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов Текст. / B.C. Волькенштейн. Л.: Энергия. 1971.- 145 с.

14. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников Текст. / А.В. Нетушил, В.Я. Жуховицкий, В.Н. Кудрин и др. М.; Л.: Гос-энергоиздат, 1959.480 с.

15. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов в машиностроении Текст. / 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1983. 160 с.

16. Гениев, Г.А. Вопросы динамики сыпучей среды Текст. Г.А. Гениев М.: Госстройиздат, 1958 - 232 с.

17. Гинзбург, А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов Текст. / А.С. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская. М.: Пищевая пром-ть. 1980. — 288 с.

18. Глуханов, Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева Текст. / Н.П. Глуханов, А.Н. Шамов 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 56 с.

19. Горбатов, А.В. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов Текст. / А.В. Горбатов, С.А. Мачихин, A.M. Маслов и др. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. с. 295.

20. Горячева Г.Ж. Современная техника и технология глазирования кондитерских изделий. Текст. / Горячева Г.Ж., Клешко Г.М. М.: ЦНИИ-ТЭИпищепром; 1984. 34с. - (кондитерская пром-сть: Обзор, инф. / ЦНИИ-ТЭИпищепром).

21. Дакуорт, Р.Б. Вода в пищевых продуктах Текст. /Р.Б. Дакуорт [пер. с англ.]. М.: Пищевая пром-ть, 1980. - 386 с.

22. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-преобразования Текст. / Деч Г М. Физматгиз* 1971.-288 с.

23. Диткин В.А., Справочник по операционному исчеслению Текст. / Диткин В.А., Прудников А.П.- М.: Высш. Шк. 1969. 266 с.

24. Дражлев А.И., Технологическое оборудование предприятий кондитерского производства Текст. / Дражлев А.И., Сезанцев Я.М. М.: Колос. 2000.-496 с.

25. Ермоленко, В.Д. Исследование термических и электрофизических характеристик пищевых материалов Текст. / В.Д. Ермоленко. М.: 1957.- 12 с.

26. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи Текст. / Жуковский B.C., Л.: Энергия, 1969

27. Зубченко А.В. Физико-химические основы технологии кондитерских изделий Текст. / А.В. Зубченко А.В. Воронеж; ВГТА, 2001. - 389 с.

28. Измерение температуры нагрева материалов в поле ТВЧ Текст. // Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности: Сб. науч. Тр., Воронеж: ВТИ, 1992. Вып.2 -с.57

29. Кери, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров Текст. / Г. Кери., Т. Кери М.: Наука, 1973 - 831 с.

30. Китаев Г.Ф. Исследование процесса термической обработки вареных круп с использованием нагрева в поле ТВЧ. Дис.канд. техн. наук.: -Воронеж.: 1978.- 145 с.

31. Княжевская, Г.С. Высокочастотный нагрев диэлектрических на-териалов Текст. / Г.С. Княжевская, М.Г. Фирсова, Р.Ш. Килькеев. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 64 с.

32. Кокашинский Г.Р. Конширование, темперирование и фильтрация шоколадных масс Текст. / Кокашинский Г.Р. М.: ЦИНТИ-пищепром'. 1964- 36 с. - (Кондитер, пром-сть. Обзор, инф. /ЦИНТИпищепром).

33. Кокашинский Г.Р. Техника и технология темперирования шоколадных масс Текст. / Кокашинский Г.Р. М.: ЦНИИТЭИпищепром, 1985. -35 с. (Обзор, информ. Сер. 17 "Конд. пром-сть", Вып. I)

34. Липатов Н.Н. Процессы и аппараты пищевых производств Текст. / Липатов Н.Н. М.: Экономика, 1987. - 272 с.

35. Лисовенко А.Т. Определение теплофизических характеристик пищевых продуктов Текст. / Лисовенко А.Т./ В сб. Пищевая промышленность,-М.: 1966.-№4.-165-170 с.

36. Лыков А.В. Теория сушки Текст. / Лыков А.В. -М.: Энергия,1968.

37. Лыков А.В. Теория теплопроводности Текст. / Лыков А.В.- М.: Высшая школа, 1967. 599 с.

38. Лыков А.В. Тепломассобмен. Справочник Текст. / Лыков А.В. -М.: Энергия, 1978.-480 с.

39. Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник Текст. / Лыков А.В. -М.: Энергия, 1972. -560 с.

40. Мак-Кельви, A.M. Переработка полимеров Текст. / A.M. Мак-Кельви М.: Химия, 1965. - 442 с.

41. Мачихин, Ю.А. Инженерная реология пищевых материалов Текст. / Ю.А. Мачихин, С.А. Мачихин М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.-216 с.

42. Мачихин, Ю.А. Современные способы формования конфетных масс Текст. / Ю.А. Мачихин, Ю.В. Клановский, М.: Пищевая промышленность, 1974. - 182 с.

43. Михеев М.А. Основы теплопередачи Текст. / М.А. Михеев, И.М. Михеева.-М., Энергия, 1973.-317 с.

44. Негаев А.П. Пищевая химия Текст. / Негаев А.П. и др. СПб.: ГИОРД, 2001.-592 с.

45. Немков B.C., Математическое моделирование устройств высоко-чатотного нагрева Текст. / Немков B.C., Полеводов Б.С., Гуревич С.Г. Л.: Политехника, 1991.

46. Нетушил А.В. Высокочастотный нагрев в электрическом поле Текст. / Нетушил А.В. М.: Высшая школа, 1961.

47. Нетушил А.В. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников Текст. / Нетушил А.В. М., Л.: Госэнергоиздат, 1959 - 480 с.

48. Обработка пищевых продуктов электрическим током. -М.: Сб. 1: Новые физические методы обработки пищевых продуктов. -1958. -100 с.

49. Остапенков A.M. Воздействие электромагнитных полей на объекты пищевых производств и перспективы их использования в пищевой промышленности Текст. / Дис. на соискание ученой степени докт. техн. наук, М.: МТИПП, 1979.

50. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллойдная химия Текст. / Ребиндер П.А. М.: Наука, 1978. - 368 с

51. Реометрия пищевого сырья и продуктов Текст.: Справочник под ред. Ю.А. Мачихина. М.: Агропромиздат, 1990. - 271 с.

52. Рогов А.И. Физические методы обработки пищевых продуктов Текст. / Рогов А.И., Горбатов А.В. М.: Пищевая промышленность. 1974, 583 с.

53. Рогов И.А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов Текст. / И.А. Рогов, В.Я. Адаменко, С.В. Некрутман и др. // под ред. И.А. Рогова. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981.-287 с.

54. Рогов И.А., Сверхвысокочастотный нагрев в пищевых продуктах. Текст. / Рогов И.А., Некрутман С.В. -М.: Агропромиздат, 1986.-351 с.

55. Ряжских, Э.В. Гравитационное течение вязкопластичной среды в плоском канале Текст. / Э.В. Ряжских // Материалы XIX отчетной конференции за 2005 год: В 2 ч. / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2006. Ч. 1 с. 84-85.

56. Ряжских, Э.В. Устройство для формования мороженного с подогревом шоколадной глазури токами ВЧ Текст. / Э.В. Ряжских, М.Н. Лукянова«Эврика-2005» / Юж.-Рос. Гос. Техн. Ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮР-ГТУ, 2005. № 4, с. 365-367.

57. Ряжских, Э.В. Экспериментальная установка для плавления шоколадной глазури с высокочастотным энергоподводом Текст. / Э.В. Ряжских // Материалы XLII отчетной научной конференции за 2003 год / Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2004, с. 22-23.

58. Справочник по производству мороженого Текст. / Оленев Ю.А., Творогова А.А., Казакова Н.В., Соловьева JI.H. М.: ДеЛи принт, 2004.-798 с.

59. Справочник по производству мороженого Текст. / Оленев Ю.А., Творогова А.А., Казакова Н.В., Соловьева Л.Н. М.: ДеЛи принт, 2004.- 198 с.

60. Статика сыпучей среды. Текст. М.: Гос. изд-во физико-математических методов, 1980. - 285 с.

61. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов Текст. / Горбатов А.В. и др. М.: Легкая и пищевая промышленность -1982.-296 с.

62. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. Текст. / Таре-ев Б.М. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 295 с.

63. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник Текст. / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и др.; Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. - 512 с.

64. Техника и технология глазирования кондитерских изделий. Текст. / Симутенко В.В., Горячева Г.Н. Обзорная информация (ЦНИИ-ТЭИпищепром), М., 1976.

65. Технологическое оборудование пищевых производств Текст. / Б.М. Азаров, X. Аурих, С. Дигев и др.; под ред. Б.М. Азарова. М.: Агро-промиздат, 1988.-463 с.

66. Технологическое оборудование пищевых производств Текст. / Под ред. А.Я. Соколова. М.: Машиностроение, 1973. - 288 с.

67. Урьев, Н.Б. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс Текст. / Н.Б. Урьев, М.А. Толейстик М.: Пищевая промышленность. - 1986. - 240 с.

68. Фрелих Г. Теория диэлектриков. Текст. / Фрелих Г. -М.: ИЛ. -1960.-251 с.

69. Химический состав пищевых продуктов Текст. / Под ред. И.М. Скурихина, М.Н. Волгарева. М.: Агропромиздат, 1987. - 360 с.

70. Хиппель А. Диэлектрики и волны. Текст. / Хиппель А. М.: Наука, 1960. 360 с.

71. Чубик Л.А., Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. Текст. / Чубик Л.А., Маслов A.M. -М.: Пищевая промышленность, 1970. 184 с.

72. Шамов А.Н., Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Текст. / Шамов А.Н., Бодажков В.А. Л.: Машиностроение, 1974.-224 с.

73. Эккарт Э.Р., Теория тепло- и массообмена. Текст. / Эккарт Э.Р., Дрейк P.M. М.: Госэнергоиздат,1961. - 325с

74. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов, конференция, 1977. Тезисы докладов Всесоюзной научной конференции. Воронеж, 136 с.

75. Copson D.A. Microwave Heating, Westport, Connecticut, AVI, 1962,292 p.

76. Decareau R.V. For microwave heating tune to 915 MHz or 2450 MHz, Food Eng., 37,1965. P. 55 - 56.

77. Gongar I. Uber die mechanische und dielectrische Zerklainerung von Getreibe und Olsaaten, m. Fetle Seifen - Anstrichmittee, 1968. - № 6. P. 28 -30. •

78. Iason A.C. Didectric thawing of fish / A.C. Iason, H.R. Sanders. Ex-peri-ments with frozen with, Food Technol., 16, 1962. P. 107 - 112.

79. Lentz C.P. Thermal conductivity of meats, fast, gelatis gels and ise. Food Technol., 15,1961. P. 243 - 247.

80. Levin D.N. Plaut handbook data // Food Enginering. 1962, v.34, №3.-p. 89-94.

81. Microwave Journal, v. 19, № 8, august, 1976, - P. 13.

82. The physical basis of electromagnetic interactions with biological Systems, Сб. статей, Ричмонд, Виржиния, 1982.