автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научно-практическое моделирование и совершенствование процессов и оборудования механической обработки пищевых масс

Березовский Юрий Михайлович

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАСС

(на примере карамельного производства)

Специальность 05.18.12-Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2013

Работа выполнена на кафедре «Машины, аппараты и процессы пищевых производств» в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского»

Научный консультант: Калошин Юрий Аркадьевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кулишев Борис Васильевич

доктор технических наук, профессор, заместитель директора ГНУ «Научно-исследовательский институт птицеперерабатывающей промышленности;

Арет Вальдур Аулисович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Техники мясных и молочных продуктов» института холода и биотехнологий Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт -Петербург;

Лагуткин Михаил Георгиевич

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Проектирование технологических машин и комплексов химической промышленности» Московский государственный машиностроительный университет.

Ведущая организация: Государственное научное учреждение научно-

исследовательский институт кондитерской промышленности.

Защита состоится «6» марта 2014 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д 212.148.10 при ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 33, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств».

Автореферат размещен на официальных сайтах ВАК Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.pov.ru и ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» http://www.mgupp.ru

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., проф. Никифоров Л.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы заключается в том, что в соответствии с ожиданиями производителей пищевой продукции в работе, на примере карамельного производства, разработана система научно обоснованных методов повышения эффективности процессов механической обработки пищевых продуктов, создано оборудование, реализующее инновационные процессы, использующие новейшие достижения в изучении физико-механических свойств пищевых материалов, разработаны математические модели процессов, используемые для проектных расчетов оборудования. Отечественные пищевые предприятия в условиях острой конкуренции с зарубежными производителями и в связи с достаточно высокими ценами на зарубежное оборудование. нуждаются в модернизации производств с привлечением отечественных производителей оборудования.

Современные исследования структуры и текстуры дисперсных систем, каковыми в большинстве являются пищевые продукты, широко и эффективно используют вискозиметрические методы как макрореологическую связь с наблюдениями на микроуровнях. В настоящее время большое развитие получили методы визуализации и измерения размеров частиц в исследованиях микроуровня позволяющие значительно ускорить и повысить надежность результатов исследований. В совокупности с этими науками находят свое развитие и теоретические аспекты таких технологических процессов как диспергирование, производство пенообразных масс и формование, основанные на результатах вискозиметрии дисперсных структур пищевых масс (ПДС).

Использование достижений науки, новейших методов исследования и математического моделирования способствовали решению поставленных в работе задач.

Цель работы разработка системы научно обоснованных методов совершенствования и модернизации процессов и оборудования механической обработки пищевых продуктов, обеспечивающих повышение эффективности пищевых производств.

Задачи работы:

- разработка системы научных методик исследования, моделирования и совершенствования процессов и оборудования механической обработки пищевых масс, в рамках которой выполнены;

- выявление слабого звена в системе машин механической обработки пищевых масс в механизированных поточных линиях и обоснование направления совершенствования процессов и оборудования механической обработки пищевых масс на примере карамельного производства;

- исследование физико-механических свойств карамельной массы и методов ее механической обработки;

- разработка математических моделей процессов формования карамельной массы методами раскатки и обкатки;

- разработка математической модели процесса вытяжки карамельного жгута без начинки и с учетом давления начинки;

- разработка математической модели процесса калиброваиия карамельного жгута в круглом замкнутом калибре;

- разработка математических моделей процессов механической обработки сырья и полуфабрикатов для начинок: взбивания и гомогенизации эмульсий; обработки карамельной массы в тянульной машине; ультразвуковой гомогенизации эмульсий;

- разработка теоретических методов оценки качества сырья и полуфабрикатов методами вискозиметрии: расчет инструментальной погрешности ротационного вискозиметра; разработка методов определения периода тиксотроиного восстановления эмульсионных структур, параметров инверсии и дисперсности сред эмульсионного типа;

- разработка методов расчета машин и узлов агрегата формования карамельного батона обкаткой, вытяжкой и калиброванием карамельного жгута;

- создание полупромышленного образца вертикального формования карамельного батона и жгута.

Научной концепцией работы является развитие системы методов совершенствования процессов и оборудования механической обработки пищевых материалов путем выявления ключевых факторов, обусловливающих их реализацию, моделирование на основе комплексных вискозиметрических и гранулометрических исследований обрабатываемого продукта и реализация вновь разработанных совершенных процессов и оборудования.

Научные положения, выносимые на защиту:

- методология формирования научно обоснованной системы совершенствования процессов и оборудования механической обработки пищевых масс;

- методология исследований физико-механических свойств обрабатываемой массы в связи методами ее механической обработки;

- математическое моделирование процессов формования карамели как метод анализа и поиска новых решений в реализации этих процессов и в создании нового оборудования;

- теоретическое обоснование расчета погрешности вискозиметрических оценок качества пищевых сред;

- обобщение результатов оценки физико-механических характеристик полуфабрикатов вискозиметрическими и гранулометрическими методами и разработка проекта стандарта их вискозимтерических исследований.

Научная новизна:

- предложена и реализована системообразующая формула исследований:

а) физико-механическая структура процесса; б) физико-механические

свойства обрабатываемого продукта; в) структура механизмов, рабочих органов их кинематика и динамика;

- разработаны математические модели процессов формования карамельного батона и жгута с начинкой и без начинки;

- установлена закономерная зависимость содержания начинки в карамельном жгуте от соотношения процессов вытяжки и прокатки при формировании жгута с начинкой;

- установлены закономерности ряда неточно интерпретируемых результатов ротационной вискозиметрии;

- установлены закономерности связей теплофизических и физико-механических свойств карамельной массы;

- установлены закономерности связей вискозиметрических свойств с тиксотропией и инверсией водно-жировых эмульсий;

- разработана математическая модель процесса насыщения воздухом бслково-сахарных смесей в роторном агрегате;

- разработана математическая модель механической обработки карамельной массы в тянульной машине;

- предложен оригинальный способ вертикального формования карамельного батона и жгута.

Практическая значимость работы:

- разработана методика расчета кинематических и динамических параметров карамельной обкаточной машины;

- разработана методика расчета кинематических параметров карамельной жгутовытягивающей машины;

- получены справочные данные физико-механических свойств и их зависимости от температуры карамельной массы;

- разработаны методики расчета и применения поправок, вносимых при вискозиметрических исследованиях пищевых масс;

- предложены к применению методики экспериментального определения структурных свойств сырья и полуфабрикатов: периода тиксотропного восстановления структур; условий инверсии и дисперсности;

- разработана методика расчета конструктивных параметров роторных машин для взбивания белково-сахарных масс;

- разработан проект стандарта на термины и методы определения, применяемые в научно-исследовательской и методической документации по вискозиметрическим исследованиям;

- разработана конструкция агрегата для реализации вертикального процесса формования карамельного батона и жгута повышенной точности.

Обсуждение результатов работы

Основные положения диссертационной работы были доложены на научных конференциях ВЗИПП в 1976-79 гг., 1985-1987 гг., а также были заслушаны и обсуждены на Всесоюзном коллоквиуме «Процессы и аппараты пищевых производств» в Московском институте народного хозяйства им. Г.В. Плеханова (1986 г.); на научных конференциях МГУТУ в 2003-2009 гг. и на первой и второй научно-практических конференциях и выставках с международным участием при МГУПП «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов (2008 г., 2010 г.), на 2-ой научной конференции МГУТУ в г. Можайске, в г. Нижний Новгород (2008 г.), на научно-практической конференции МГУТУ «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе» (2009 г.); на III конференции молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем», Учреждение Российской академии наук Институт неф-

техимического синтеза им. A.B. Топчиева, РАН Московский государственный университет им. MB. Ломоносова, научный совет по коллоидной химии и физико-химической механике РАН, Реологическое общество им. Г.В. Виноградова. - г. Суздаль. - С. 41-44 (2011 г.).

Работа заслушана и обсуждена на расширенном заседании кафедры «Пищевые машины» 07.06.2012, протокол №17.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 60 научных статей из них в журналах научного и научно-практического направления, одобренных ВАК - 24, а также в сборниках трудов по докладам на научных конференциях. Кроме того, по материалам диссертации в 2010 г. издана монография, в 2011 г. издано учебное пособие с грифом УМО по дисциплине «Физико-механические свойства сырья и готовой продукции». Из них получено 6 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы (205 отечественных и зарубежных авторов) и приложений. Работа изложена на 310 страницах основного текста, содержит 26 таблиц, 112 рисунков.

Основное содержание работы

Во введении отмечается, что совершенствование современных процессов и оборудования по переработке пищевых масс основываются на новейших достижениях науки в изучении свойств последних. Свою роль в прогрессе пищевых производств сыграли и новые методы воздействия на структуры продукта, такие, например, как ультразвуковые. Таким образом, становится очевидным, что основы для инноваций в области процессов переработки пищевых масс следует искать на стыке таких наук как гидродинамика пищевых дисперсных систем и физико-химическая механика с ее реологическими методами исследования микро и нано структур продукта.

Современные исследования структуры и текстуры дисперсных систем, каковыми в большинстве являются пищевые продукты, широко и эффективно используют вискозиметрические методы как макрореологическую связь с наблюдениями на микро и нано уровнях. Отмечен большой вклад в реологические методы исследования пищевых масс ученых нашей страны: Азарова Б.М., Арета В.А., Бермана Г.К., Воларовича М.П., Гуськова К.П., Горбатова A.B., Даурского A.B., Клаповского Ю.В., Мачихина Ю.А., Мачихина С.А., Назарова 11.И., Николаева Б.А., Панфилова В.А., Ребиндера П.А. и др. Указана историческая роль и зарубежных ученых, основателей и тех, кто внес большую долю в развитие реологии - это Алфрей Т., Бернхардт Э., Джефрис Г., Рейнер М., Мак-Келви Д. М., Ферри Д. Д. и др.

Указано, что большинство работ, так или иначе связанных с реологическими исследованиями, которые конечной целью имели совершенствование технологических процессов и оборудования. Обоснована актуальность поднимаемых и решаемых в работе задач.

Глава 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАСС

Достаточно быстрое развитие способов обработки пищевых продуктов часто позволяет радикально усовершенствовать процесс с применением обновленных технологий и совершенно новых процессов и конструкций обрабатывающего оборудования. Этому могут способствовать заимствования технических решений из других отраслей, например, такой как химическая промышленность, особенно в области производства и переработки синтетических материалов.

Возможность считать формуемые массы равномерной сплошной средой, позволяет применить математический аппарат теории сплошной среды. Значительное место в теориях формования занимают математические модели нагнетателей, обеспечивающих большинство методов формования. Разработаны теории шнековых, валковых, шестеренных, лопастных нагнетателей с учетом свойств в основном ньтоповских и степенных жидкостей. Некоторые теории дополнены вариантом с учетом зависимости реологических свойств от температуры.

Ранее при участии автора был проведен статистический анализ функционирования карамелеформующего участка линии производства карамели, который показал, что важнейшим участком линии с точки зрения стабилизации качества продукции является участок формования карамельного батона и жгута.

Процессы диспергирования жидкообразных сред осуществляется, как правило, в скоростных потоках, создаваемых или вращающимися роторами или в вихревых потоках перерабатываемых смесей. Диспергирование эмульсий, при котором достигается наибольшая равномерность (гомогенность) структуры при наименьших размерах дисперсной фазы (жировых шариков ЖШ в воде) принято называть гомогенизацией. Гомогенизация повышает стойкость эмульсий к расслоению, улучшает вкусовые качества продукта. Реологически это связано с изменением вязкостных характеристик эмульсий.

Роль вискозиметрии велика как на стадиях разработки процессов и оборудования, так и в ходе технологического процесса. Феноменологическая реология, т.е. теория определения реологических констант в соответствии с определенной реологической моделью, приписываемой исследуемой среде, послужила основой для разработки теоретических моделей технологических процессов по переработке пищевых сред. Таким образом, были решены задачи расчета динамических и кинематических параметров течения пищевых сред в нагнетательных механизмах шнекового, валкового и шестеренного типа, течения в каналах с нормальным сечением различных форм.

Рейнер предложил классификацию реологических моделей в виде так называемого «древа Рейнера».

По Рейнеру реологию можно подразделить па макрореологию и микрореологию. Раздел реологии, занимающийся теорией и методологией определения реологических констант, построения реологических моделей различных сред принято называть реометрией. Вискозиметрия является разделом рео-

метрии, поскольку использует методы, обеспечивающие определение так называемой эффективной вязкости, ньютоновской вязкости, наибольшей и наименьшей ньютоновских вязкостей и других аналогов вязкости как то: коэффициент консистенции, коэффициент пластической вязкости и других подобных величин, характеризующих ПДС (пищевые дисперсные системы).

В работе приведены разночтения некоторых реометрических терминов и аргументирована необходимость разработки единой терминологии и стандарта на методику вискозиметрических исследований ПДС.

Рассмотрены источники погрешностей определения реологических констант вискозиметрическими методами и предложена классификация погрешностей. Рассмотрена также возможность создания условий, обеспечивающих достоверность реологических исследований по данным разных лабораторий.

Проведен обзор ряда наиболее распространенных теорий процессов нагнетания давления в формующих машинах. Рассмотрена методология построения основных дифференциальных уравнений процессов, методы приведения к упрощенным схемам решения на основании физического анализа области течения продукта.

Показано, что процессы формования карамельного батона в обкаточной машине практически не имеют аналогов в других производствах и отраслях. Процесс формования карамельного жгута имеет некоторое сходство с прокаткой труб металлических или стеклянных, описания которых могут быть использованы с определенными корректировками на различие свойств обрабатываемых материалов.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ

КАРАМЕЛЬНОЙ МАССЫ И МЕТОДОВ ЕЕ ФОРМОВАНИЯ

Разработка сложных уникальных технологических процессов формования карамельной массы требует более глубокого изучения структурно-механических свойств карамельной массы и прежде всего ее специфических свойств - способность к механическому стеклованию и прядомость.

Карамельная масса представляет собой сахаро-паточно-водный раствор с содержанием воды 2%-4%. Ее свойства подвергались исследованиям с 30-х годов прошлого столетия. В этой области известны такие исследователи как Соколовский А.Л., Грейсер Р.Я., позже Никифорова В.Н., Маршалкин Г.А., Симутенко В.В. Уже в те годы проводились измерения вязкости сахаро- паточных растворов с различными влажностями и в широком интервале температур. Однако интервал температур, в котором осуществляется формование готовых изделий, не затронут, в силу чрезвычайно высокой вязкости.

В данной работе проведены вискозиметрические исследования карамельной массы в интервале температур, характерных для процесса обкатки карамельного батона в обкаточной машине: 77 °С — 88 СС с использованием ротационного вискозиметра «Рсотест 2». Опыты показали, что с достаточно высокой достоверностью можно считать карамельную массу в этом интервале температур ньютоновской жидкостью. Исследовано также влияние концентрации патоки в растворе. При температурах ниже 75 °С использовали

специально созданную установку, реализующую движение шарика в среде под действием нити. При этом была использована формула Стокса с поправкой Факсена- Ладенбурга на пристенные эффекты.

6яЯУ '

Получена зависимость вязкости от температуры для массы с содержанием патоки 33%

77зз = 52400 • ехр[- 0,167(/ - 65)] (2.2)

для массы с содержанием инвертного сахарного сиропа до 20%

?720 = 18470 • ехр[- 0,167(? - 65)] (2.3)

Здесь г)33 - вязкость карамельной массы, содержащей 33% патоки, Пас; т}2о - то же при 20% патоки, Па-с.

Показано, что в рассмотренном интервале температур карамельная масса обладает свойствами ньютоновской среды.

В процессе обкатки карамельного батона в обкаточной машине происходит теплообмен с окружающей средой и рабочими органами. С целью оценки влияния этого явления на качество процесса формования проведено исследование процесса охлаждения карамельной массы в гермостатируемом сосуде, соизмеримом по размерам с диаметром карамельного батона.

На рисунке 2.1 в виде графиков представлены результаты измерений в сопоставлении с теоретическими кривыми охлаждения, построенными по формуле, полученной путем решения задачи теплообмена (2.4) согласно рисунка 2.1.

в = ег/ ) + ехР {т + в'2 ■ /г°)' ег/с+ В').

(2.4)

где

/•о =

—

„2

Вг-

ак

Т;

Т-Т„

т ~т ~ критерии Фурье, Био и безразмерная тем* л 'я

пература соответственно.

т.к

Рис. 2.1. - Графики распределения температур по мере охлаждения по глубинам экспериментального сосуда

Разработка модели процесса формования карамельного батона в обкаточной машине требует детального анализа взаимодействия рабочих органов с обрабатываемой массой. С целью экспериментальной оценки геометрических и кинематических параметров взаимодействия карамельного батона и валков обкаточной машины была создана установка.

На данной установке был проведен полный факторный эксперимент 23.

Таблица 2.1.

Кодировочная таблица

Показатели Кодирование X, (с!), мм Х2 (п), об/мин Х3 (5), м

Верхний уровень + 110 60 0,03

Нижний уровень - 70 30 0,01

Интервал варьирования 40 30 0,02

Здесь Х|; Х2 ; Х3 - соответственно диаметр (с1, мм), частота вращения (п, об/мин) обкатывающих валков и зазор между валками (5).

Результаты эксперимента представлены в виде регрессионного уравнения в кодированной форме:

У = 0,184 +(4,00-Х|- 1,5-Х2 + 2,5-Х3 - 6,5-Х,Х2 +8.75 -Х.Х, - 4,25-Х2Х3 +

+Ш) Х,Х:Х3)-10-3 ~ " (2.5)

Адекватность уравнения под тверждается при помощи критерия Фишера.

При доверительной вероятности 0.95 значимы только подчеркнутые члены уравнения.

Анализ регрессионного уравнения позволяет сделать следующие выводы:

1 - следует признать существенным влияние диаметров валков на удлинение карамельного цилиндра (КЦ). т.е. на скорость обкатки, чем больше диаметр валков, тем больше скорость обкатки;

2 - существенно, также, совокупное влияние диаметров валков и частоты их вращения; их совместное уменьшение снижает скорость обкатки;

3 - существенно совокупное влияние частоты вращения валков и зазора между ними, увеличение зазора и частоты вращения ускоряет процесс обкатки;

4 — наиболее существенно на скорость обкатки влияет совместное увеличение частоты вращения, диаметра валков и зазора между ними.

Существенный интерес представляет анализ процесса теплообмена струи с окружающей средой. Для чего рассматривается дифференциальное уравнение вида:

дТ X 5 ( 57Л

Граничные условия для движущейся жидкости в струе формулируются в следующем виде:

начальная температура Т(0,г) = Т0;

Л

распределение температуры по радиусу - = I);

условие теплообмена окружающей среды с поверхностью струи

дТ дг

= -[т(гЛ)-Тв

а

окр.ср J д

(2.7)

При условии постоянства коэффициентов а. \ р, Ср решение этого уравнения может быть представлено в виде разложения по функциям Бесселя:

Т{г,г)~Т0

2 J,(^ik)J,{цkrlR)

Т -Т

О окр.ср.

= £-"' и г- 7«рЫ^/РС^),(2.8)

где Т0 - температура жгута в начальном сечении по выходе из первого калибра; 1о(Цк) и -Ь(Цк) - функции Бесселя первого рода с индексами соответственно ноль и единица.

Значения цк определяются из уравнения (2.9)

Цк ^(Нк) -(аМШ (2.9)

График распределения температуры по сечению карамельного жгута представлен на рис. 2.2.

Рис. 2.2. - Распределение температуры в нормальном сечении карамельного жгута согласно формуле (2.8)

Полученный результат расчета по формуле (2.8) дает основание полагать, что на стадии жгутовытягивания не происходит сильного преобразования поля температур по сравнению с распределением температуры в обкаточной машин. Это может служить основанием полагать, что вязкость массы по сечению жгута постоянна.

В ряду свойств карамельной массы отмечается способность проявлять стеклоподобную упругость и хрупко разрушаться при превышении определенного напряжения. Такое свойство Бартенев Г.М. определяет как «механическое стеклование». Применительно к карамельной массе исследования, проведенные Сербой В.Н., выявили наличие критической скорости врезания ножей карамелеформующей машины при формовании карамели. Отмечаются две скорости врезания: первая критическая Укь при которой появляется террасовидный срез с элементами сколов, вторая критическая скорость УК2 приводит к расколу жгута по всему диаметру, причем скол имеет стекловидную поверхность. Критические скорости зависят от содержания влаги (содержания сухих веществ) в массе и температуры. Дальнейшее изучение этого свойства карамельной массы позволило получить зависимости, связывающие критические скорости с влажностью массы. Область ньютоновского течения находится между кривыми для Ую и кривыми для УК2. С повышением температуры и влажности скорость повышается. Кривые достаточно точно описываются формулами вида:

где УКи - первая критическая скорость при ¡-той температуре, м/с;

УК10 - первая критическая скорость при нулевой влажности при ¡-той температуре, м/с;

ац-эмпирическая константа. 1/%;

Рис. 2.3. - Расчетная схема для определения допустимой скорости вальцевания карамельной массы, гарантирующей отсутствие стекловидных сколов на поверхности выходящих изделий.

(2.10)

С-")

где - вторая критическая скорость при ¡-той температуре, м/с;

^кго — вторая критическая скорость при нулевой влажности при ¡-той температуре, м/с;

а2; - эмпирическая константа, 1/%.

— вторая критическая скорость при ¡-той температуре, м/с.

Условие формования без разрушающих поверхность сколов имеет вид

Ув < УК1; о) у/2 8 Л <ГК] (2.12)

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ КАРАМЕЛЬНОЙ МАССЫ МЕТОДАМИ РАСКАТКИ И ОБКАТКИ

В кондитерской промышленности путем валковой раскатки осуществляют формование тестовых пластов, карамельной или конфетной массы.

Проектный расчет раскаточных машин включает в себя помимо расчета производительности, расчет момента на валу раскаточных валков и распорные усилия. Используются уравнения Навье-Стокса в рейиольдсовском приближении. На основании его решения получены формулы: распорного усилия

3 ^

Т = ■

(н+/О-ш

Л,

гни0(н-и0)

усилия, действующие на валки и мощность, (3.4).

+ 2(й„ - Я)

(3.1)

Схема такой раскатки приведена на рисунке - 3.1.

у!

И" 1 Ь, ' 1 1

Ьн

г "V 1 г /

Ч- 1

Рис. 3.1. - Схема раскатки пласта с учетом уишрения

Крутящий момент на валу валка с достаточной степенью точности находим как произведение распорного усилия на плечо, равное значению координаты X], умноженному на 1,12 (что примерно равно координате центра тяжести эпюры давлений хцт), т.е.

Мкр=Т-хчт, (3.3)

*„„, = 1,12-*, »1,12-^(Л,-Й0)=1,12-^2Д(7ЯЛ-Л).

где Т - распорное усилие, Н; х^ - координата центра тяжести эпюры сил, м; Х| - координата нейтрального сечения, м; г| - ньютоновская вязкость. Па с; О - производительность, м7с; Н и Ьо - высота пласта на входе и выходе очага деформации, м: Я - радиус валков, м; Ь, - высота пласта в нейтральном сечении.

Необходимая мощность определится формулой N ~ ■со = Т-х„т со,

кр цт '

где ш - угловая скорость валков, рад/с.

Используя результаты вискозиметрии карамельной массы, были решены задачи математического моделирования процессов формирования карамельного батона, а затем и калибрования карамельного жгута.

Процесс формирования карамельного батона рассматривается здесь в изотермическом приближении, т.к. проведенный анализ распределения температур и времени охлаждения показал длительное сохранение относительно однородных тепловых полей.

Движение карамельной массы представляется как совокупность двух видов течения: 1 - течение по неподвижной наклонной плоскости; 2 - поперечная прокатка, рассматривающая контакт двух конических тел, одно из которых - высоковязкая жидкость, а другое (валки) - бесконечно твердое. Исследование течения карамельной массы в постановке задачи по первому варианту возможно с использованием дифференциального уравнения

¿4 ёР •

= (3.4)

где уг - компонента скорости течения карамельной массы вдоль оси х; g - ускорение свободного падения (9.81 м/с"); р,щ — плотность карамельной массы (1500 кг/м3 для нетянутой карамельной массы; 1400 кг/м3 для тянутой) и коэффициент вязкости (г| = 4,5-103 - 9.8' 103 Па с) (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. - Схема расположения карамельного батона в обкаточной машине и силы взаимодействия батона и валков: в - сила тяжести батона, Н; Г - сила, равнодействующая давления со стороны валков, I I. Ио. Я - радиусы сечения батона в начале процесса и в произвольный момент процесса, м; г(ь г - радиусы сечений валков («скалок») во входной части обкаточной машины и в произвольной точке

При граничных условиях: сКг/с1х = 0 при у = 2Я0 = О; \'х = 0 при у = О решение (3.4) дает

= ЕР-ьту

Производительность течения карамельной массы в батоне за один оборот батона получим путем интегрирования выражения для скорости у7 по площади нормального сечения батона. Учитывая, что указанное сечение представляет собой круг, выразим значение х и у через радиус И. и угол ф согласно схеме на рисунок 3.2 (Схема 2):

х Т Я х/пср; сЬс - -со.<ир; ¿у 17 К-$'т(р с1<р; у = Я (1 - соз<р).

Таким образом, формула производительности гравитационного течения <3г имеет вид:

ЯЛ 2 Я О

Яг = I\ч-_<1х<1у+ | \v.dxdy (36)

0 0 я я

а, Р, у - углы соответственно при вершине батона, наклона оси батона к горизонту и наклона нижней поверхности батона к горизонту (Схема I).

В результате интегрирования и упрощений получаем формулу производительности обкаточной машины в той ее части, которая не зависит от частоты вращения карамельного батона:

-г 48 77

Уравнение Рейнольдса для сдавливаемого слоя принимает вид:

д2р^д1р_ 12 Г}ЦУ

дх2 + д22 А

Представляя площадку контакта батона с валком в виде вытянутого эллипса с размерами полуосей Ь/2 и Ь/2.

Опытные данные позволяют заключить, что толщину деформируемого слоя карамельной массы в очаге деформации можно представить как некоторую долю от ширины площадки контакта т.е.

Ь = Х.-Ь (3.9)

Применительно к нашему случаю решение (3.8) дает:

Р = Ро~

h3 (L2+b2)

(b/2f (L/2f

(3.10)

у

где р0- давление на границе очага деформации, т.е. на поверхности батона. В данном случае можно принять р0= 0.

После соответствующих подстановок и преобразования этого равенства получим

0=МСсо5(у) Р1 12П О -с!

где 0„ - часть производительности обкаточной машины, зависящая от частоты вращения, ц - эмпирический коэффициент, определяющий степень интенсивности преобразования поперечной деформации батона в продольную.

Анализ производительности при условии зависимости ее от частоты вращения в виде полинома второй степени позволяет определить коэффициентX:

п Г А ^ <- 1--, . (3.12)

Л = — ■

uG cos у D2

где В =-—--——' коэффициенты ц и Л подлежат экспериментальному определению. Для производственных условий кондитерского комбината «Рот Фронт» получены значения ц = 0,18; А = 5-10"s м3-с\ rii = 1 рад/с.

Часовая производительность по массе определится по формуле:

збоо (3.13)

Мощность формования карамельного батона обусловлена тем, что необходимую для этого работу выполняют валки, которые преодолевают силы давления на площадках контакта с батоном, причем на ширине площадки b валок погружается на глубину h. На длине окружности сечения батона количество таких «погружений» 7i-D/b.

Таим образом, формула мощности формования батона имеет вид:

=-—--^=С-со$у-к-Х-лВ-пЕ ■ (3.14)

Кроме затрат энергии на вальцевание в реальном процессе формования карамельного батона имеет место некоторое его винтообразное подкручивание, вследствие того, что на выходе из машины карамельная масса принимает исключительно поступательное движение вдоль оси батона. Затраты энергии на это подкручивание батона можно оценить.

Для этого положим, что скорость деформации сдвига при кручении батона в первом приближении можно оценить следующим образом

й. ■ (о.

/= ° (3.15)

2 [Ь -¿V

Мощность скручивания батона выразится зависимостью

д.4-«,1

24-1

N = Мкр-соб=т1 7/7 ■ (3.16)

Необходимый крутящий момент

л-А? О-

М (3-17)

кр 4 3

где т - напряжение деформации сдвига в плоскости произвольного сечения батона. Его величина определяется с учетом выражения для скорости деформации (3.15)

Б.со.

_ _ и о_

Г-72(1 -I) (318)

У конус )

Полное значение необходимой мощности определяется суммой выражений (3.14) и (3.16) с учетом С0П =2

77 ■ -ЫпЛ2

Ысуи = 0-со$у-к-А-лО-пи + —г---уу . (3.19)

\ конус }

Полученные зависимости (3.14), (3.19) позволяют расчетным путем по заданной производительности подобрать необходимые конструктивные и кинематические параметры карамелеобкаточной машины.

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ КАРАМЕЛЬНОГО ЖГУТА

В карамельной жгутоформующей машине (называемой в производстве «жгутовытягиватель») имеют место два процесса: прокатка в замкнутом круглом калибре и вытяжка между калибрами. Это обусловливает необходимость рассмотреть еще одно свойство карамельной массы, аналогичное также ряду синтетических полимеров - это «прядомость», т.е. свойство образовывать кинетически устойчивые жидкие нити.

Исследованиями в этой области установлено, что стабильность жидких струй определяется следующими причинами: действие поверхностных сил; вязкостью жидкости, профилем струи, скоростью растяжения, изменением вязкости в поле продольного градиента скорости и когезионной прочностью струи.

Процесс формования и калибрования (далее жгутовытягивание) карамельного жгута быстротечен. Время нахождения отрезка массы средней длиной 0,01 м, примерно, 5-8 с в зависимости от производительности линии производства карамели. Это позволяет рассматривать процесс как изотермический.

Вытяжка карамельного жгута - один из двух процессов, придающих жгуту нужный диаметр, форму и содержание начинки. Схема опытной реализации процесса вытяжки приведена на рис. 4.1.

В ходе данных исследований было установлено, что в очаге прокатки жгута с начинкой стенки жгута либо утолщаются, либо, в лучшем случае, остаются неизменными. Это приводит к «выдавливанию» начинки (рисунок 4.2).

Поэтому для обеспечения заданного содержания начинки абсолютно необходима вытяжка, реализуемая в переходах от калибра к калибру.

Процесс вытяжки, может быть описан уравнением Трутона:

Рис. 4.1. - Схема действия сипы натяжения в межкалибровом пространстве 1-11

а. - Я-е. -Я—.

сЬ

где а,. - нормальное напряжение растяжения жгута, Па;

(4.1)

А. - продольная вязкость по 'Грутону. X. = Зг), т.е. Трутонова вязкость равна утроенной ньютоновской вязкости, Па с;

ё - скорость продольной деформации, с"1; г - координата в системе координат г, ф, ъ, направленная вдоль струи по направлению течения.

Рис. 4.2. — Схема формования карамельного жгута с начинкой под воздействием вытяжки калибрующими роликами

Средняя по сечению жгута скорость выражаем через объемную производительность <3, м3/с, нормальное напряжение - через сил}' натяжения жгута И, Н.

е р

л Я ж К

После подстановки выражений (4.2) в (4.1), интегрирования и преобразований получим формул для расчета геометрических параметров по известным силе натяжения, производительности и вязкости массы

Я = Я0е 2Лв . (4.3)

Возможна другая постановка задачи: определение силы натяжения жгута по известным производительности, геометрическим параметрам жгута и вязкости

2Л0 . Л

F =--— • 1п-. (4.4)

г Л0

Вытяжка жгута с начинкой обладает своей спецификой. Как уже выше упоминалось, толщина стенки жгута в очаге деформации калибра остается неизменной, а в зоне вытяжки между калибрами уменьшается, причем для

жгута ненагруженного внутренним давлением (полый жгут) выполняется соотношение

Яа^-Яь, (4.5)

где Ка, Яь — радиусы нормальных сечений жгута внутренний и внешний соответственно. м; V - доля, которую составляет внутренний радиус по отношению к внешнему. Влияние давления начинки на параметры жгута в зоне вытяжки требует уточнения.

Будем рассматривать уменьшение толщины оболочки в зоне вытяжки как сумму двух величин: 1 - уменьшение толщины только под воздействием растягивающей силы, обусловленной разностью скоростей вращения роликов двух соседних пар; 2 - уменьшение толщины вследствие «раздувания» жгута под действием давления начинки на оболочку.

Рассмотрим сначала первую причину.

Толщину стенки жгута выразим следующим образом:

Д = Яь-Ка = Кь-(1-у). (4.6)

Будем рассматривать отрезок жгута небольшой длины как толстостенную трубу под действием внутреннего давления. Стенки трубы испытываю деформацию растяжения. На этом основании можно допустить зависимость напряжений в стенке с деформацией растяжения по Трутону:

а,= М\'Л1г. (4.7)

где V, - компонента вектора скорости.

Принятая схема нагружения позволяет воспользоваться уравнением в напряжениях согласно:

' " сЬ-

где аг и ав - напряжения в цилиндрической системе координат г, 0, 7.. в которой справедливо не только (4.1), но и

= (4-9)

Подставляя в уравнение (4.8) зависимости (4.7) и (4.9), получим

+ =0 , (4.10)

с1г~ ¿¡г

где V, - радиальная скорость в системе координат г, ср, г.

Решение этого уравнения позволяет найти скорость изменения толщины стенки Ж1ута с начинкой.

Полное уменьшение толщины стенки, обусловленное вытяжкой жгута и вследствие действия внутреннего давления равно сумме:

6ДР+Р = 5ДР +5Др= (1- У,„ч)- Кь„ач( 1 - е-р2/2д'-) +

+ —^--^-^ (4 и)

ел 1+у ' (41|)

где 5Др+р - уменьшение толщины стенки жгута от совместного действия растягивающей силы и внутреннего давления, м; унач - доля радиуса внутреннего по отношению к наружному в начале зоны вытяжки; Киач - радиус нормального сечения жгута в начале зоны вытяжки, м.

Таким образом, толщина стенки жгута по истечении периода времени I, т.е. в конце зоны вытяжки определится выражением

Д, = Дна„ - 6Др+р, (4.12)

где: Аг - толщина стенки жгута в конце зоны вытяжки 0 - 7, м;

Диач - толщина стенки жгута в начале зоны вытяжки, м.

По результатам проведенных исследований явлений, сопровождающих процесс формования карамельного жгута, была разработана в двух вариантах методика расчета геометрических и кинематических параметров карамельного жгутовытягивателя с классическим попарным расположением калибрующих роликов: одна - для леденцовой карамели, вторая - для карамели с начинкой.

Далее рассмотрим течение карамельной массы в очаге деформации между двумя калибрующими роликами, рисунок 4.3.

Рис. 4.3. — Геометрическая и кинематическая схема очага деформации карамельного жгута в координатах г, <р, :: II-окружная скорость калибрующего ролика по дну желобка, м/с; со-угловая скорость калибрующего ролика, рад/с; Кн, Иц-радиусы круговых сечений карамельного жгута соответственно на входе и выходе очага деформации, м; а - радиус калибрующего ролика по дну желобка, м.

¡1г2 г с!г г/ д: где уг - скорость движения карамельной массы вдоль оси г; р - давление в очаге деформации; т| - коэффициент вязкости, принимаемый постоянным, г) = 2 ■ 104 Па с.

В цилиндрических координатах г, <р, ъ при условии осевой симметрии установившегося слабосходящегося потока вязкой жидкости дифференциальное уравнение движения принимает вид (4.13). Скорость движения жгута в очаге деформации

V. =-—^-(Я2-гг)-и-со5<р

4/7 &

(4.15)

Давление в очаге деформации находят, используя зависимость

<2 = • 2л г (¡г

(4.16)

что после интегрирования дает

Л Я4 ¿р ,

0 =--— + лК -и-СОБСР ,

81] ск

где - объемная производительность, м3/с.

(4.17)

Выражение для давления в очаге деформации имеет вид

_ 8/7и

3 5

К Я3 л, л.

где 1*0 - радиус выходного ссчения очага деформации.

(4.18)

Радиус нейтрального сечения Л| найдем, исходя из естественного условия - равенства давления нулю и во входном сечении, т.е. р = 0 при Я = Ян, тогда из (4.18) получим

Я

3«

Я;, + я0 я н + я-

(4.19)

Экспериментальной оценкой адекватности теоретических построений применительно к процессам прокатки, а так же и к процессу калибрования карамельного жгута служат измерения распорных усилий, действующих на валы калибрующих роликов. На основании формулы (4.18) можно получить расчётное значение распорных усилий, сравнение которых с экспериментальными данными позволит оценить степень соответствия теории, описывающей течение карамельной массы в очаге деформации, действительному процессу.

Распорное усилие на вал одного из роликов определится следующим образом:

г1 *а + *ня0 + к.> <4-м>

где Т - распорное усилие, действующее на вал одного из роликов; 5 - рас, ¿Я 12(Л-Л.) считываем по формуле д = — = Л--—и подставляя Я = Ян.

Эксперимент показывает необходимость введения корректирующего коэффициента к. Тогда формула (4.20) приобретает вид (4.21) и с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть использована при проектировании жгутовытягивающих машин.

, \6rjU (Д„ -Д0)3 7 = к-----—---(4 ?п

Получены значения коэффициента к приводящего результаты расчетов распорных усилий в соответствие с экспериментальными данными.

Можно видеть, что до скорости калибрования 0,54 м/с можно пользоваться средним значением к = 1,798. Ошибка в определении распорных усилий составит максимум 29,7% и это только в области высоких скоростей, где, очевидно, начинает проявляться явление «механического стеклования» поверхности жгута. Практика подобных инженерных решений аналогичных задач предполагает приемлемой такую точность.

Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ КОНДИТЕРСКИХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

Процесс взбивания кондитерских рецептурных смесей с целью получения пенообразных полуфабрикатов при помощи роторных эмульсаторов широко используется в массовом производстве зефира, пастилы и тому подобных продуктов. Применяемые для этой цели роторные эмульсаторы имеют достаточно высокую производительность и способны обеспечить высокое качество пенообразного полуфабриката.

Задачей данного раздела работы является разработка теоретической модели, учитывающей реологические свойства рецептурной смеси, геометрические и кинематические параметры, с тем, чтобы, моделируя изменения этих параметров, обеспечить направленный выход на оптимальный режим по показателям качества готового продукта.

В координатах г, (р, г, пренебрегая конвективными членами и силами тяжести, что обусловлено высокими вискозиметрическими характеристиками.

Упрощение основных уравнений движения осуществляем на основании представления о ламинарном течении. Рассмотрим направления векторов скоростей деформаций:

дг I г J г дер

(5.2)

+ (5.3)

or dip

где: y'j/.Yr^Yvr-Yrv.-Yv^Yzip- компоненты тензора скоростей деформации.

Рассмотрим течение обрабатываемой массы внутри эмульсатора согласно схеме на рисунок 5.1.

О

Ra

:

Wu

рецептурная "" смесь

Г \

Э-

W

R;

iTTTTT

Взбитая зефирная масса

Рис. 5.1. - Схема течения рецептурной смеси в каналах роторной взбивальной

машины

Вследствие устойчивости циркуляционных потоков и отсутствия движений между слоями имеем:

dv. . dv. . dv, —- = 0;—=- = 0;—-. dz д(р д<р

(5.4)

Полагаем при этом, что масса однородна, несжимаема. Уравнения движения в напряжениях приобретают вид

Эт.. с/ Р

dr

(5.5)

v дг dz г дг

(5.6)

(5.7)

Из (5.1 - 5.4) следует:

Гк дг'7аг гдг

■

Физико-механические свойства обрабатываемого продукта моделируются степенной моделью Оствальда-де-Вила, что соответствует опытным данным. Эффективная вязкость в этом случае с учетом аномалии вязкости выражается через второй инвариант тензора скоростей деформации

ч(л-1)/2

= , (5.9)

Производительность по готовому продукту определится зависимостью

ни

При заданной производительности, учитывая, что напор должен обеспечить течение от входа к периферии диска, а затем от периферии к выходному отверстию, находим необходимый напор давления

АР = 2--Щ-(я;-2-яг2) (5.11)

/г#"+| (2П) (2-й) ' - ' 1 '

Крутящий момент на валу вращающегося внутреннего диска находим от

из следующих соотношений: —- = 0 отсюда г = сот!; реологическое

д:

уравнение

= (5.12)

I 2 " ) { Н / 2 )

и момент на валу Мкр = 2 ■ 2лГ ■ <4г , что после подстановки (5.12) дает

•(ДГ3-Л,"+3) (5.13)

Мкр =

2 жВ ( П

(Л + 3)

Я/2

Мощность необходимая для вращения внутреннего диска равна

N = MKpn.

(5.14)

Апробация формул (5.10) и (5.14) дает результаты, соответствующие тем, что, имеют место в реальном процессе.

Таким образом, полученные зависимости могут служить основой для практических расчетов и теоретического анализа процесса выработки пенообразных пищевых продуктов в роторном эмульсаторе типа ШЗД.

В отличие от высокоскоростных методов получения пснообразых продуктов процесс насыщения воздухом карамельной массы в тянульной машине происходит в ходе ламинарного движения массы по пальцам тянульной машины и складывания прядей последовательно одна на другую. Конструктивной особенностью тянульной машины является наличие угла между рабочими пальцами. Будем основываться на схеме действия сил согласно рисунок 5.2, где предполагаем, что нижний палец, удаляясь от верхнего, растягивает прядь карамельной массы со скоростью U м/с.

Рис. 5.2. - Схема действия сил гравитации и вязкого сопротивления

Сила И - суммарная сила натяжения пряди. Вследствие наклона верхнего пальца под углом а по отношению к нижнему пальцу, сила И раскладывается на Их, силу, обусловливающую движение массы вдоль пальца к его свободному концу и силу 1;р, перпендикулярную пальцу.

При внедрении пальца перетягивающей машины в карамельную массу.

Сила Р находится с использованием зависимости Трутона:

ь

S dz '

(5.15)

Здесь скорость движения массы но пальцу v, определена путем решения полученных в работе дифференциальных уравнений, где

^ _ 2AUb\n(2R/b) sin (се) h

Объемный расход движущегося вдоль пальца слоя карамели выразится следующим образом:

0*1 V,-2 (5]6)

я А11

■ (5.17)

Анализируя влияние параметров, определяющих значения V*, можно оценить возможности их влияния на процесс, а приведение соотношения производительности по формуле (5.16) и подачи не тянутой карамельной массы в тянульную машину позволит обеспечить непрерывность процесса. Время пребывания массы в тянульной машине определяет как отношение длины пальца к средней скорости движения массы вдоль пальца:

(5.18)

В отличие от ценообразования, где происходит внедрение и измельчение воздушных пузырьков, процесс гомогенизации реализует тонкое диспергирование, жировых шариков водно-жировой эмульсии, что обусловливает появление целой гаммы новых свойств продукта. Повышение стойкости водно-жировых эмульсий достигается процессом гомогенизации. Особого эффекта гомогенизация достигает при воздействии ультразвука (УЗ).

Известно, что ультразвук находит широкое применение в различных отраслях промышленности для решения самых разнообразных задач и в том числе для получения стойких водножировых эмульсий. С целью разработки эффективного процесса УЗ гомогенизации эмульсии был проведен статистический анализ распределения жировых шариков в процессе гомогенизации. На основании информации, содержащейся в построенных матсматико-статистических моделях распределения ЖШ, проведена оценка возможности управления процессом гомогенизации с применением этих моделей.

Размер частиц дисперсной фазы неоднороден. В зависимости от метода и интенсивности диспергирования распределение частиц по размерам может быть описано по предложенным формулам, в основе которых лежит распределение вида

/(!■) = 2 А2 -г -е'^

(5.19)

где А - константа, которую можно интерпретировать следующим образом

Л = —) и _ среднее квадратичное отклонение от математического ожидает \/2

ния радиуса частицы.

Предложены модели вида

г '

/О) = £ (5.20)

тп о",

На примере УЗ обработки молока как водно-жировой эмульсии показано, что использование предложенных формул распределения частиц (жировых шариков) позволяет оценивать эффективность метода диспергирования.

Проведенный эксперимент по гомогенизации молока па опытной УЗ установке показал возможность оценивания процесса и повышения его эффективности.

Глава 6. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ МЕТОДАМИ ВИСКОЗИМЕТРИИ

Предложен метод расчета погрешности результатов вискозиметрии, обусловленной двумя вариантами эксцентричного расположения вала ротора:

- при стационарно эксцентрично расположенной оси ротора относительно оси наружного цилиндра — а;

- при обращении оси ротора вокруг оси наружного цилиндра - б. Проведен анализ формирования погрешности с использованием решения гидродинамической задачи Зоммерфельда для ньютоновской жидкости.

При этом принимается, что е«Я, Ян Диапазон изменения радиус- вектора г в зазоре между цилиндрами Я< г < Я+Ь, где е - эксцентриситет, м; И - расстояние между стенками цилиндров в зазоре, м.

Движение жидкости в зазоре между цилиндрами характеризуется числами Рейнольдса менее или равными единице (вискозиметрическое течение).

При таких условиях уравнения Навье-Стокса в полярных координатах г, ф, 2 приводятся к упрощенному виду:

= = (6.1) дг' г д<р дг2 дг' Зг г д<р

где: Уф - компонента скорости течения жидкости в зазоре по оси ф; Уг - то же по оси г.

Из рисунке 6.1 следует с-соб<р + Я + И = Кн.

я

а б

Рис. 6.1. - Схема двух вариантов нарушения соосности ротора и неподвижного цилиндра а и 6

Вводятся обозначения: Яп- Я = е и X = е/в. - относительный эксцентриситет, имеем:

11((р) = е-есо5(р = Е(\-Лго$) (6.2)

Погрешность определения вязкости по формуле (6.3)

, м.ре 2 Л2 Дл =л-л = —Ът- (6.3)

4 па Я I 1 + 2А-

и относительная погрешность имеет вид

Д П

2 Л2 . (6.4)

Рассмотрим теперь возможность определения погрешности вязкости, обусловленной биением вала вращающегося цилиндра (рисунок 6.1 справа). В этом случае движение поверхности внутреннего цилиндра можно представить как суперпозицию двух движений: вращение оси внутреннего цилиндра вокруг главного центра - со 1; вращение внутреннего цилиндра вокруг своей оси - со2- Тангенциальная скорость точки на поверхности внутреннего цилиндра выразится следующим образом:

v((,= vq„+vф2, (6.5)

где V,, - суммарная тангенциальная скорость движения точки поверхности внутреннего цилиндра, м/с; \'ф] - тангенциальная скорость движения точки поверхности внутреннего цилиндра, обусловленная вращением оси указанного цилиндра вокруг оси внешнего неподвижного цилиндра.

Погрешность

дл=1-^утС, , - ,---) (6.6)

4 яо}гЯ1 1 + 2л со

Если е/Я « 1, что, реально имеет место, то Шг = со и погрешности вычисляются по приведенным выше формулам (6.3) и (6.6).

Относительная погрешность

Д?7=2Я2 (6.7)

Л

Проведенный выше анализ позволяет сделать вывод о том, что погрешность определения вязкости при помощи роторного вискозиметра типа «цилиндр в цилиндре» с вращающимся внутренним цилиндром при наличии эксцентриситета и (или) биения вала, зависит от соотношения эксцентриситета и величины зазора между цилиндрами, а величина погрешности может быть вычислена по формулам (6.3) и (6.7), а относительная - по (6.7).

Далее предложен метод расчета скорости сдвига в зазоре между цилиндрами ротационного вискозиметра для вязко-пластичных сред Гершеля-Балкли.

Постановка задачи анализа этой среды имеет своей целью построение адекватной кривой течения в случае испытания вязко-пластичной среды Гершеля-Балкли, реологическая модель которой имеет вид

Т = Т0+В-/ . (6.8)

Специфика течения вязко-пластичной среды в зазоре между коаксиальными цилиндрами заключается в том, что при малых скоростях течения, обусловленных малыми оборотами вращающегося цилиндра (ротора), в движение вовлекаются не все цилиндрически коаксиальные слои среды. Часть среды, прилегающая к стенке внешнего неподвижного цилиндра, приходит в движение только по достижении определенной достаточно высокой скорости вращения внутреннего цилиндра, рис. 6.2.

Рис. 6.2. - Схема расположения неподвижного слоя в зазоре между цилиндрами в ротационном вискозиметре, Л/, и г,,-радиусы внутреннего, наружного и слоя неподвижной, неохваченной движением среды соответственно, Р-угловая скорость вращения внутреннего цилиндра

Показано, что решение задачи необходимо проводить в два этапа:

1 - течение с расширением градиентного слоя до достижения угловой скорости ротора некоторого максимального для первого этапа значения, т.е. до П = п2;

2 - течение, характеризующееся градиентным слоем по всему зазору между цилиндрами.

Скорость сдвига на стенке внутреннего цилиндра при г = Я, и О < £22 имеет вид (6.9).

Г (г = Я , ) =

2Р.(>, + \)( П

3 2 ~ 1 1 П ' (6.9)

Как видим, для определения скорости сдвига при £2 < £2, на стенке внутреннего цилиндра необходимо знать помимо угловой скорости ротора £22 еще и константу ш,.

Скорость сдвига при более высоких угловых скоростях вращения ротора, т. е. при

£2 >£2, (6.10) при условии, что на стенке неподвижного цилиндра действует напряжение т2 = т0. Это соответствует условию прилипания.

г = (6.11)

г

Здесь и далее введем индексацию при коэффициентах В2 и т2 как свидетельство их действия только в режиме £2>£22.

При г = 6 = Я2/Я|, получим

пч 2(Л12+1)П = (Г-1) ^

Таким образом, полученные зависимости (6.9) и (6.12) позволяют определить скорость сдвига на поверхности ротора для реологической модели Гершеля-Балкли при угловых скоростях ротора до значения П < П; и выше £2: , что позволяет затем построить кривые течения в координатах

Г1 = /[V (г - )] и определить эффективную вязкость.

Обобщая всё вышеизложенное, можно представить расчет скоростей деформации в коаксиальном зазоре при вискозиметрическом исследовании сред, реологические свойства которых достаточно адекватно описываются моделью Гершеля-Балкли. приведем расчетные формулы в следующем виде: у = Л-С2, где коэффициент X приведен в табл. 6.1.

Таблица 6.1.

Значения коэффициента X для различных реологических моделей

пищевых сред

Формулы расчета коэффициента X, полученные в данной работе для модели Гершеля-Балкли

£2<а. £2>£22

2(т, + 1)(п2 У'^Т б2 + 1 [ £1 J 2(т2+\) ё2-\

Далее приводится разработка вискозиметрического метода определения тиксотропного восстановления ПДС.

Метод основан на сравнении кривых течения одной и той дозы среды эмульсионного типа полученных с заданным интервалом времени. Строится кривая изменения разности между средними значениями кривых течения во времени, которая и характеризует темп восстановления.

Как пример применения вязкостных характеристик ПДС дана разработка метода оценки размера частиц дисперсной фазы с использованием уравнения Михайлова-Лихтгейма. Предложенная теория структуры высоко-концснтрированных коллоидных растворов и эмульсий, а также полученная формула эффективной вязкости, выражает зависимость ее от напряжений сдвига и термодинамических параметров - абсолютной температуры, постоянной Больцмана и расстояний между микрочастицами среды, участвующими в броуновском движении.

П = П„,„+{%. (6.13)

где г); t|m¡n; т)0 - коэффициенты текущей, наименьшей и наибольшей вязкостен соответственно;

г ,г

х = - =-• (б-14)

Л Ь 2кТ

5 - расстояние между частицами, м; к - постоянная Больцмана. к = 1,38-10"23 Дж/К;

Ь = Щ- . (6.15)

S

Т - абсолютная температура, К, 6 функционально связано со средним диаметром частиц d, что позволяет определить d по формуле

л Я ^

jJ(2kTC)/b d = ^—т-(6.17)

■ О-Ve)

Объемная концентрация жира С определяется по результатам определения массовой концентрации, проводимой, как правило, химическим путем.

Повышение концентрации жира в водно-жировых эмульсиях при превышении определенного значения приводит к инверсии, что служит скачкообразному изменению свойств среды. Разработана вискозиметрическая оценка условий инверсии водно-жировой эмульсии.

Для обеспечения единства результатов вискозиметрических исследований необходима разработка единой методики вискозиметрии в ротационном вискозиметре. Приведен вариант методики пошаговой организации вискозиметрических исследований ПДС.

Глава 7. РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ МАШИН ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ КАРАМЕЛЬНЫХ БАТОНА И ЖГУТА

Анализ теоретической модели процесса обкатки, а также ретроспективный анализ конструкций обкаточных машин, проведенный выше, послужили основой для проектирования обкаточной машины вертикального типа. Такое расположение батона обеспечивает равномерное всестороннее воздействие валков и равномерное вертикальное гравитационное течение карамельной массы. Кроме того, можно получить выигрыш в занимаемой площади. Вертикальная реализация процесса формования создает предпосылки к созданию полной автоматизации процесса.

С целью оптимизации конструкции был проведен целый ряд однофак-торных экспериментов, были отобраны наиболее значимые характеристики процесса. Оптимизация их соотношения находится путем реализации полного факторного эксперимента. Для реализации полного процесса вертикального формования карамельных батона и жгута была создана и вертикальная жгутовытягивающая машина. Проведенные исследования позволяют провести обоснованный расчет жгутовытягивающих машин: 1 - для леденцовой карамели без начинки и 2 - для карамели с начинкой. Согласно установленным выше особенностям процесса формования жгута подход к проектированию жгутовытягивающих машин для карамели с начинкой и без начинки должен существенно отличаться. Отличие заключается в соотношении редукции жгута вытяжкой и обжатием в калибрах. На рисунке 7.1 приведена схема расположения карамельного батона в вертикальной обкаточной машине. Схема поясняет, какие факторы отобраны для эксперимента.

Рис. 7.1. - Схема расположения карамельного батона в вертикальной обкаточной машине и основные конструктивные параметры, используемые в качестве факторов в эксперименте

В табл. 7.1 приведены факторы и их кодированное обозначение с указанием интервалов варьирования. Был проведен полный факторный эксперимент 2\ В качестве функции отклика была принята производительность.

Таблица 7.1.

Факторное пространство полного факторного эксперимента 23

Факторы Обозначение фактора Кодированное обозначение фактора Уровни

верхний нулевой нижний

Частота вращения валков вокруг своих осей, об/мин п Х| 168 117 66

Расстояние от центра выходного отверстия обкаточной машины до наконечника трубы начин-конаполнителя, мм Ь х2 58х) 23 -12

Диаметр выходного отверстия обкаточной машины О Хз 80 72 64

х) - знак плюс (+) - отсчет вверх относительно центра выходного отверстия, минус (-) - вниз.

Полученное уравнение регрессии имеет вид:

П = 145,3 + 10.8-ХП- 19.7-Х, + 50,7-Х, -3,9-Х,Х2 + 0,4-Х,Х5 -

-2,2-Х2Хз-3,7-Х,Х2Хз (7.1)

Адекватность уравнения реально изучаемому процессу по критерию Фишера (Р). Оценка значимости коэффициентов регрессии проведена по критерию Стыодента (I) с доверительной вероятностью Р = 0,9 и свидетельствует. что значимы только линейные члены уравнения.

Наиболее значим фактор — диаметр выходного отверстия. Тем не менее, в качестве управляющего производительностью фактора целесообразно выбрать фактор 2, т.е. положение трубы, так как это наиболее управляемый параметр.

Проведенные авторами опыты по формированию карамельного жгута без начинки в машине с минимальными зонами вытяжки показали существенное повышение точности калибрования. Однако применение этой же машины для калибрования жгута с начинкой привело к выдавливанию начинки назад в карамельный батон и к невозможности обеспечения заданного ее содержания.

Была сформулирована задача для расчета кинематических и геометрических параметров жгутовытягивающей машины для леденцовой карамели.

1. Производительность по леденцовой карамели П = 700 - 1000 кг/ч, т.е. при плотности карамельной массы р = 1450 кг/м3 объемная производи-

гельность (} = 1,34-10"* - 1.92-10"4 м3/с; среднюю плотность жгута с начинкой можно принять равной 1400 кг/м3, объемная производительность по карамели с начинкой 0 = 1,29-10^- 1,85-10"4 м3/с.

2. Определить оптимальное количество пар калибрующих роликов, частоты их вращения, размеры калибров и диаметры роликов по дну желобка.

3. Найти оптимальное соотношение редукции диаметра карамельного жгута обжатием в калибрах и вытяжкой между ними.

Система зависимостей, определяющих геометрические, кинематические и динамические параметры калибров и зон вытяжки между калибрами, приведены в следующем виде:

_

2 £> Л .

Т,=Е

8а,-17-е

.-1

к.

V

Я

НI

Я,

(7.2)

(7.3)

(7.4)

и. =

п Я;

"К,

1 + — + к.

1

17

/ = =

2 (Ля-Ло 2Я0(к-\)

т

(7.5)

(7.6)

Проектирование жгутовытягивающей машины целесообразно начинать с расчета геометрических и кинематических параметров выходной пары калибрующих роликов, исходя из размеров изделия (среднего образца карамели) и заданной производительности. По заданным величинам (} (м /с) и Я01(м) находим окружную скорость вращения роликов по дну желобка первой пары (счет ведем от выходной пары) по формуле

и I =

6 к; + к, + 1 к}

(7.7)

Величину редукции к, определяем исходя из ограничения распорных усилий Т|< 100 Н, преобразуя зависимость (7.7)

1 -. (7.8.)

=

1 -

.ЗВД.

Если проводим проектирование ЖВМ для формирования жгута без начинки (для леденцовой карамели), то с целью повышения точности калибрования принимаем коэффициент редукции жгута вытяжкой минималь-

ным для всех межкалибровых зон, т.е. кц)+|) = 1,01. Это позволяет определить радиус выходного сечения 2-го калибра.

Алгоритм расчета машин приведен в диссертации. Апробацией разработанных алгоритмов послужило проектирование, изготовление и проведение успешных испытаний жгутовытягивающих машин, описанных ниже.

Далее представлены документальные материалы по практическому применению результатов исследования свойств и методов обработки карамельной массы.

Дано описание вертикальной обкаточной машины. См. рисунок 7.2.

Рис. 7.2. - Агрегат для вертикальной обкатки батона и формирования карательного жгута. 1 - барабан привода вертикально расположенных веретён: 2 - вертикальная жгу-товытягиваютцая машина с попарно расположенными калибрующими роликами; 3 - рама привода жгутовытягивателя; 4 - стойки; 5 - электродвигатель; 6 - редуктор-вариатор

Испытания агрегата проводились в карамельном цехе кондитерского комбината «Рот Фронт» параллельно с производственной линией, производящей тот же сорт карамельных изделий. Акт испытаний - см. приложение.

Согласно акту испытаний стабильность изделий по всем показателям качества превышает показатели изделий, произведенных на типовой линии примерно в 2-2,6 раза. Экономический эффект от установки одного агрегата с той же производительностью, что и типовой участок формования карамельных батона и жгута составит 6,75 млн. руб.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ современных подходов к совершенствованию процессов и оборудования механической обработки пищевых масс позволил создать систему научно обоснованных методов поиска инновационных решений в этом направлении на примере карамельного производства.

2. Получены результаты исследований физико-механических характеристик карамельной массы, обусловливающие специфику процессов ее механической обработки: стекловидная аморфность, математическая зависимость вязкости от температуры, «прядомость», т.е. свойство образовывать нити, возможность «механического стеклования», низкая теплопроводность при высокой удельной теплоемкости.

3. Разработаны математические модели процессов формования карамельной массы методами раскатки и обкатки, позволяющие провести проектные расчеты машин для производства, например, монпансье.

4. Разработана математическая модель процесса вытяжки карамельного жгута с учетом давления начинки и без начинки, что позволяет произвести правильную настройку связи между обкаточной машиной и жгутовытягивате-лем, а также послужит в дальнейшем для расчета новых жгутовыгягивающих машин.

5. Разработана математическая модель и метод расчета процесса калибрования карамельного жгута в круглом замкнутом калибре - этот процесс совместно с вытяжкой определяет стабильность и точность калибрования карамельного жгута, а, следовательно, и качество карамели.

6. Разработаны математические модели подготовки насыщенных воздухом полуфабрикатов методом взбивания (получение эмульсии) и методом ламинарного перемешивания (перетягивание карамельной массы), позволившие правильно рассчитывать мощность взбивания и перетягивания карамельной массы.

7. Разработаны методы вискозиметрического определения гранулометрического состава, оценки параметров тиксотропии и инверсии полуфабрикатов эмульсионного типа, служащие для создания экспресс методов определения этих свойств в цеховых лабораториях.

8. Разработано теоретическое обоснование расчета инструментальной погрешности ротационного вискозиметра и предложен проект стандарта ротационной вискозиметрии, позволяющий добиться однозначности вискози-метрических измерений разными лабораториями.

9. На основании разработанных теорий создана методика расчета, спроектирован, изготовлен и испытан в производственных условиях агрегат вертикального типа, включающий машины, реализующие методы формования карамельного батона обкаткой, вытяжкой и калиброванием карамельного жгута. Получены акт и протоколы испытаний, свидетельствующие о преимуществах разработанных машин в производстве карамельных изделий. См. приложения.

10. Математические модели процессов формования карамельного батона, раскатки пласта ньютоновской среды с учетом уширения, формования карамельного жгута опубликованы в учебной литературе, рекомендованной к применению в высших учебных заведениях, и используются в учебном процессе в курсе «Физико-механические свойства сырья и готовой продукции».

ОБОЗНАЧЕНИЯ

А, В, С, О - эмпирические константы, характеризующие интенсивность процессов - антагонистов дезинтегрирования и коалесценции жировых шариков (ж.ш.) в водно-жировой смеси на разных стадиях процесса эмульгирования, (гл. 3);

А = т/В - отношение напряжения сдвига (касательного напряжения) к коэффициенту консистенции;

В - коэффициент консистенции вязко-пластичной среды, Па с";

т - напряжение сдвига, Па (гл. 2);

В| - коэффициент консистенции вязко-пластичной среды для докрити-ческого режима испытаний (£2 < £22);

£2, £22 - угловая скорость ротора вискозиметра произвольная и критическая соответственно, т.е. скорость при которой градиентный слой достигает степки внешнего неподвижного цилиндра, с"1;

В2 - коэффициент консистенции вязко-пластичной среды для закрити-ческого режима испытаний (£2 > £22);

В - наибольшая ширина ножа, ширина в плоской его части, м;

С - объемная концентрация жира в эмульсии, (в долях);

Ср - теплоемкость продукта при постоянном давлении, Дж/кг-К;

П - диаметр виртуальной сферы, содержащей определенное количество ж.ш.;

Оц - начальный диаметр карамельного батона, м;

Э, (¿-диаметры наружный и внутренний карамельного жгута соответственно;

Р - сила натяжения пряди карамельной массы, Н;

сила натяжения карамельного жгута, Н;

в - вес карамельного батона, Н;

Н - высота слоя продукта, м;

глубина погружения ножа в пласт халвы, м;

2Н - толщина пласта продукта на входе в зазор между валками, м;

.1о. .1| — функции Бесселя с индексами соответственно ноль и единица;

Ь - длина карамельного батона, м;

Ьп, Ьс - длина пальца тянульной машины, м;

длина пряди карамельной массы, м;

Мкр - крутящий момент, Н-м;

N - сила натяжения нити, Н;

мощномть, кВт;

Р - гидростатическое давление, Па;

полное усилие сопротивления движению ножа, внедряющегося в пласт халвы, Н;

Я|, 1*2 - радиусы внутреннего цилиндра-ротора и цилиндра внешнего -неподвижного, м;

Ко - радиус градиентного слоя среды в зазоре, м; Ка, Кь - радиусы нормальных сечений карамельного жгута с начинкой; 8 - площадь поперечного сечения пряди карамельной массы в тянульной машине, м";

Т - абсолютная температура. К;

Тв, Т0 - температура воздуха и начальная температура карамельной массы, К;

С) - объемная производительность, м3/с;

и - скорость движения пальца тянульной машины в карамельной массе, м/с;

окружная скорость по дну калибрующего ролика, м/с; V,,; Уф1; Уф2 - тангенциальные (окружные) скорости движения точки на поверхности ротора взбивальной машины соответственно: 1 - суммарная, 2 - обусловленная вращением оси ротора вокруг оси неподвижного цилиндра; 3 - обусловленная вращением ротора вокруг своей оси;

Х|, Х2, - кодированное обозначение факторов при постановке факторных экспериментов;

а, Ь, с, с) - эмпирические коэффициенты, определяющие долю ж.ш., соответствующих стадиям процесса эмульгирования А, В, С, Б, причем а + Ь + с + с! = 1, (гл. 3);

а - коэффициент температуропроводности, м~/с;

Ь - эмпирический коэффициент, зависящий от к и Г, т.е. от коэффициента Больцмана и абсолютного времени; с! - диаметр жирового шарика, м;

е - эксцентриситет, отклонение оси ротора от оси внешнего неподвижного цилиндра;

§ - ускорение свободного падения, м/с*; 1"- коэффициент трения карамельной массы по стали; Ь - толщина слоя карамельной массы вокруг пальца тянульной машины, м;

2Ь, 2Ь0, И, - текущая и конечная толщина пласта продукта, а также толщина пласта продукта в нейтральном сечении, м; к = 1,3 810"23 Дж/К; к - поправка Факсена-Ладенбурга;

к|, к2...к, - коэффициенты редукции первого, второго, ¡-того соответственно; 1 - длина карамельного жгута, соответствующая одному изделию; т = 1/п - величина обратная индексу течения п;

пи, гть, ш3 - масса отдельного карамельного изделия, его оболочки и начинки соответственно; п - количество ж.ш.;

частота вращения карамельного батона, с";

г - текущий радиус в зазоре (R| < г < R2);

t - текущее время, с;

w - влажность карамельной массы, %;

х, у, z - координатные оси абсцисс, ординат и аппликат;

в-безразмерная температура;

Í2 —угловая скорость ротора вискозиметра, с'1;

£22 - угловая скорость ротора вискозиметра, при которой градиентный слой распрстранился до наружной стенки зазора, с"1;

£2 - угловая скорость ротора взбивалыюй машины; а - коэффициент теплоотдачи с поверхности карамельного батона или жгута, Вг/м2К;

Р — эмпирический коэффициент, учитывающий неоднородность температурного поля и неконтролируемое влияние внешнего теплообмена: у' = dy/dt - скорость сдвига в зазоре вискозиметра; 5 - угол, определяемый по формуле для линий скольжения; 5, йо - отношение радиусов соответственно неподвижного цилиндра к ротору и градиентного слоя к радиусу ротора; ñ — расстояние между ж.ш., м;

е - разность радиусов ротора и неподвижного цилиндров, т.е. f. = RH - R; r| - коэффициент вязкости, Па с;

г|0 — наибольшая ньютоновская вязкость неньютоновской жидкости,

Па-с;

Hmin - минимальная ньютоновская вязкость неньютоновской жидкости,

Пас;

|ik - коэффициент, определяемый с использованием функций Бесселя (дис. 2.4.6);

X - отношение эксцентиситета к разности радиусов ротора и неподвижного цилиндров, Л.=с/е;

V - отношение радиусов внутреннего к наружному карамельного жгута с начинкой;

Х- коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; X - специальная функция; ц - коэффициент вязкости, Па-с; ^ - отношение толщины слоя карамельной массы на пальце тянульной машине к радиусу пальца, т.е. ^ = h/R;

оде, - коэффициент поверхностного натяжения дисперсной среды (воды) и жировой фракции водпо-жировой эмульсии соответственно, Па; р - плотность продукта, кг/м3;

Pi, р2 - плотности карамельной массы и стального шарика соответственно. кг/м3;

рь р2 - плотности карамельной массы и начинки, кг/м3; Ф - компонента системы координат г. ф, z;

сов, (Оов - угловые скорости валков обкаточной машины и критическая угловая скорость валков, при которой начинает сказываться механическое стеклование поверхностных слоев, приводящее к уменьшению производительности машины, с"'.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ, ОБОБЩЕННЫХ В ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

(в скобках указаны соавторы)

1. Монография

Березовский Ю.М. Теория и практика вискозиметрических и гранулометрических исследований пищевых дисперсных систем как основа инноваций в технологии и технике по переработке пищевых масс. - М.: ООО «Издательский дом «Вести». - Дмитров, 2010. - 224 с.

2. Учебное пособие

Калошин Ю.А., Березовский Ю.М., Верняева Л.В. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции. -М.: «ДеЛи принт», 2011. - 176 с.

Статьи в периодических изданиях и сборниках, рекомендованных ВАК

3. Панфилов В.А., Березовский Ю.М., Бровко Н.И. Стабильность функционирования механизированной поточной линии производства карамели. Журнал «Известия вузов. Пищевая технология» №1, 1981. - С. 107-109.

4. Березовский Ю.М., Панфилов В.А. Расчет распорных усилий при вальцевании карамельного жгута. Журнал «Известия вузов. Пищевая технология» №2, 1982. - С. 56-60 (Панфилов В. А.)

5. Лазарев Е.В Вязкость карамельной массы при обработке в обкаточной машинс//Кузнецова Л.Г., Ураков O.A., Панфилов В.А., Березовский Ю.М., Филатов А.В./Журнал «Хлебопекарная и кондитерская промышленность» №9. 1986.

6. Лазарев Е.В. Вязкостные свойства карамельной массы при обработке в жгутовытягивающей машине//Панфилов В.А., Кузнецова Л.Г., Ураков O.A., Березовский Ю.М., Филатов А.В./Журнал «Хлебопекарная и кондитерская промышленность» №1, 1987.

7. Березовский Ю.М., Лазарев Е.В. Гидромеханический анализ процесса обкатки карамельной массы/Журнал «Хлебопекарная и кондитерская промышленность» №4. 1987.

8. Березовский Ю.М., Титов Ю.В. Расчет кинематических параметров устройств для отсадки пенообразных кондитерских масс/Журнал «Известия вузов. Пищевая технология» №3. 1987. - С. 73-74.

9. Базаров A.A., Драгилев А.И., Березовский Ю.М. Реологическая модель жидкой косметической туши «Лесная»/Журнал «Пищевая промышленность» №8, 1990. - С. 55-56.

10. Базаров A.A. Теплофизические характеристики косметических масс// Панов A.C., Драгилев А.И., Березовский Ю.М./Журнал «Пищевая промышленность»^, 1991.-С. 68-69.

П.Базаров A.A., Березовский Ю.М. Исследование реологических свойств жидкой косметической туши «Лесная». Тезисы докладов «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования интенсификации технологических процессов пищевых производств». - М., 1990. - 273 с.

12. Лазарев Е.В., Панфилов В.А., Березовский Ю.М. Новый комплекс оборудования для формования карамели/Журнал «Механизация и автоматизация производств» №10, 1991.

13. Березовский Ю.М. Теоретический анализ процесса формирования карамельного батона в обкаточной машине. Труды IX Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности, посвященной 50-летию МГТА. - М., 2003. - 315 с.

14. Калачёв М.В. Анализ возможностей снижения крошкообразования при гильотинной резке халвы//3уева Ю.В., Хромеенков В.М., Березовский Ю.М. Труды X Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности» (иностранные инвестиции), МГУТУ. - М„ 2004. - С. 381-383.

15. Березовский Ю.М. Теоретический анализ энергосиловых параметров процесса обработки карамельной массы в тянульной машине. Труды X Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности» (иностранные инвестиции), МГУТУ. -М., 2005. - С. 415-420.

16. Березовский Ю.М. Теоретический анализ процесса взбивания пе-нообрзных кондитерских масс в роторном эмульсаторе ШЗД/Журнал «Хранение и переработка сельхозсырья» №5, 2005. - С. 12-14.

17. Березовский Ю.М. Погрешность ротационного вискозиметра/Журнал «Компетентность» №5, 2005. - С. 21-25.

18. Калошин Ю.А., Клаповский Ю.В., Березовский Ю.М. О стандартизации вискозиметрии пищевых продуктов из растительного сырья/Журнал «Хранение и переработка сельхозсырья» №11, 2005.

19. Березовский Ю.М. Анализ энергосиловых параметров процесса калибрования карамельного жгута/Труды XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности» Международный форум «Ярмарка банков и инвестиционных проектов в АПК». - 2005. -С. 91-97.

20. Зуева Ю.В. Анализ процесса резания хапвы//Калачёв В.М.. Хромеенков В.М., Березовский Ю.М./Журнал «Хранение и переработка сельхозсырья №2, 2006.

21. Трофимова И.В.. Антипин Е.Л., Березовский Ю.М. К вопросу об актуальности вискозиметрического контроля и управления качеством пищевых продуктов/Труды научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности». - МГУТУ, 2006.

22. Березовский Ю.М. Анализ влияния давления начинки в карамельном жгуте на его геометрические параметры/Труды Международной научно-практической конференции «Защита прав потребителя и рынка от контрафактной фальсификации и некачественной продукции». - МГУТУ, 2007.

23. Березовский Ю.М., Селиверстов В.К. Инновации в конструкции фризера непрерывного действия/Журнал «Молочная промышленность» №9, 2008.-С. 29-31.

24. Березовский Ю.М.. Андреев В.Н. Вискозиметрический метод анализа структуры жирсодержащих дисперсных систем/Материалы пятой меж-

дународной конференции «Маеложировой комплекс России: новые аспекты развития», 2008. - С. 95-96.

25. Березовский Ю.М., Андреев В.Н. Условия инверсии водно-жировых эмульсий. Сборник материалов первой международной конференции «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов». - МГУПП, 2008. -С. 127-131.

26. Березовский Ю.М. Анализ структуры майонезов вискозиметриче-ским методом/Журнал «Молочная промышленность» №5, 2008. - С. 30-31.

27. Березовский Ю.М., Андреев В.Н. Вискозиметрия как метод исследования структуры жирсодержащих сред/Журнал «Молочная промышленность» №10, 2008. - С. 61-62.

28. Березовский Ю.М. Анализ структуры майонезов методом молеку-лярно-кинетической интерпретации вискозиметрических кривых течения// Андреев В.Н., Гаврикин A.C., Шпаков В.Ю./Труды III Межвузовской научно-практической конференции преподавателей вузов, ученых, специалистов, аспирантов, студентов «Актуальные вопросы промышленности: производство, наука, подготовка кадров». - Нижний Новгород, 2008. - С. 23-24.

29. Березовский Ю.М. Формование карамельного батона методом обкатки в обкаточной машине/Журнал «Хранение и переработка сельхозсы-рья» №9, 2009.-С. 13-16.

30. Березовский Ю.М. Вискозиметрия майонеза при малых скоростях сдвига//Андреев В.Н., Гаврикин A.C., Шпаков В.Ю./Труды IV Международной научно-практической конференции преподавателей вузов, ученых, специалистов, аспирантов, студентов. «Актуальные вопросы развития пищевой промышленности: инновации в технологии, экономике, подготовке кадров. -Нижний Новгород, 2009. - С. 16-20.

31. Березовский Ю.М. К вопросу об упорядочивании терминов в области анализа структур пищевых дисперсных систем/Сборник научных трудов V Международной научно-практической конференции №5. - Ком-петентно-ориептировапные технологии научных исследований обучения студентов//Андреев В.Н., Гаврикин A.C., Шпаков В.Ю. - М., 2009. -С. 188-192.

32. Березовский Ю.М., Андреев В.Н. Инновации в процессах формирования структуры пищевых дисперсных систем/Ii научно-практическая конференция «Инновационное развитие пищевой промышленности на основе современных методов управления Можайского района Московской области» Выпуск 2. - Можайск, 2009. - С. 82-86.

33. Березовский Ю.М. Разработка методики оценки тиксотропных свойств пищевых водножировых эмульсий/Международный научно-образовательный Форум «Формирование отраслевой инновационной среды на основе развития профессиональных сообществ и саморегулируемых организаций АПК, пищевой промышленности и индустрии питания»// Андреев В.Н., Гаврикин A.C., Шпаков В.Ю./Сборник научных статей. - М., 2009.

34. Возможности ультразвуковой обработки молока/Журнал «Молочная промышленность» №5, 2009. - С. 46-47 (Дергачёв П.П., Блиадзе В.Г.).

35. Березовский Ю.М., Калошин Ю.А., Андреев В.Н. Инновационные решения в процессах формирования структур пищевых дисперсных систем/Журнал «Хранение и переработка сельхозпродукции» №2. 2010 (Калошин Ю.А., Андреев В.Н.).

36. Березовский Ю.М. Анализ течения вязко-пластичных сред в коаксиальном зазоре вискозиметра//Андреев В.Н.. Гаврикин A.C., Шпаков В.Ю./ Сборник материалов второй научно-практической конференции и выставки с международным участием «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов». - М.: МГУПП, 2010. - С. 42-52.

37. Березовский Ю.М. Анализ использования некоторых терминов в области исследования структур пищевых дисперсных систем//Андреев В.Н., Гаврикин A.C., Шпаков В.Ю./Хранение и переработка №2, 2010.

38. Березовский Ю.М. Исследование тиксотропных свойств майонеза //Масложировая промышленность №3, 2010. - С. 2-4.

39. Березовский Ю.М., Калошин Ю.А., Андреев В.Н. Роль вискозимет-рических методов в исследовании свойств пищевых дисперсных сис-тем//Хранение и переработка №5, 2010.

40. Березовский Ю.М., Калошин Ю.А., Андреев В.Н. Вопросы единства измерений и воспроизводимости результатов вискозиметрии//Хранение и переработка сельхозсырья №6, 2010.

41. Березовский Ю.М. Вероятностная модель распределения жировых шариков в майонезе/Масложировая пром-ть № 5, 2010. - С.10-13.

42. Березовский Ю.М. Применение ультразвука в пищевой промышленности./Труды V Межвузовской научно-практической конференции преподавателей вузов, ученых, специалистов, аспирантов, студентов «Актуальные вопросы развития пищевой промышленности: модернизация и интеграция»// Андреев В.Н., Шпаков В.Ю., Гаврикин A.C. - Нижний Новгород, 2010. -С. 38-44.

43. Березовский Ю.М., Андреев В.Н., Селиверстов В.К. Анализ процессов структурообразованя майонезов при гомогенизации полуфабрикатов/ Труды 2 Международной научно-практической конференции «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе». - М.: МГУТУ. 2010.

44. Березовский Ю.М., Селиверстов В.К. Анализ температурного поля в брикете мороженного при оттайке/Труды 2 Международной научно-практической конференции «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе». - М.: МГУТУ, 2010.

45. Березовский Ю.М. Применение ультразвука в пищевой промыш-ленности//Андреев В.Н., Шпаков В.Ю., Гавриков А.С./Тезисы докладов на научно-практической конференции в Нижегородском филиале МГУТУ, 2010.

46. Березовский Ю.М., Андреев В.Н. Молоко как основа здорового питания/Труды VI межвузовской научно-практической конференции в нижегородском филиале МГУТУ. 2011. - С. 9-12.

47. Березовский Ю.М. Определение реологических параметров сред по модели Гершеля-Балкли при исследовании в ротационном вискозиметре типа Серле/Материалы Международной научно-практической интернет конференции «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (ЭПАХПП - 2011). Посвящается 50-летию кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств». - Воронеж, 2011. -С. 28-32.

48. Березовский Ю.М., Андреев В.Н., Шпаков В.Ю. Метод расчета скорости сдвига при испытании сред Герщеля-Балкли в ротационном вискозиметре типа Серле/III -я конференция молодых ученых «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» Учреждение Российской Академии наук Института нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева РАН, Московский Государственный университет им. Ломоносова, Научный Совет по коллоидной химии и физико-химической механике РАН, Реологическое общество им. Г.В. Виноградова. - Суздаль, 2011. - С. 41-44.

49. Березовский Ю.М., Андреев В.Н., Шпаков В.Ю. Расчет скорости сдвига в зазоре ротационного вискозиметра при исследовании сред Гершеля-Балкли/«Хранение и переработка сельхозсырья» №7, 2012.

50. Березовский Ю.М., Калошин Ю.А. К вопросу о стандартизации методов вискозимстрического исследования пищевых дисперсных систем (ПДС)/«Хранение и преработка сельхозсырья» №8, 2012.

51. Березовский Ю.М., Андреев В.Н., Шпаков В.Ю. Исследование активности ультразвука в жидких пищевых средах/VII межвузовская научно-практическая конференция аспирантов, преподавателей и специалистов. «Продовольственная независимость России - приоритетная задача АПК». -Нижн. Новгород, филиал МГУТУ, 2012.

52. Березовский Ю.М., Андреев ВН., Шпаков В.Ю. Особенности применения ультразвука при очистке поверхностей оборудования пищевых про-изводств/VII межвузовская научно-практическая конференция аспирантов, преподавателей и специалистов «Продовольственная независимость России -приоритетная задача АПК». - Нижн. Новгород, филиал МГУТУ, 2012.

54. Березовский Ю.М., Андреев В.Н., Шпаков В.Ю. К вопросу о погрешностях ротационного вискозиметра типа Серле/Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы техносферной и продовольственной безопасности». - МГУТУ, 2012.

Авторские свидетельства на изобретения

55. Панфилов В.А., Березовский Ю.М. Устройство для образования карамельного жгута с начинкой. A.c. №648191 (A23-G-3/06 МКИ). Приоритет от 11.10.77. Опубликовано 25.02.79.

56. Березовский Ю.М., Панфилов В.А., Ураков O.A. Устройство для калибрования карамельного жгута. A.c. № 919650 (A23-G-3/06 МКИ), Приоритет от 20 декабря 1978 г. выдам 14 декабря 1981 г.

57. Березовский Ю.М. Устройство для калибрования карамельного жгута //Березовский Ю.М., Панфилов В.А., Филатов A.B., Ураков O.A., Ла-

пидус Н.С., Емельянов В.В./ А.с..№1066525 (A23-G-3/06 МКИ) Приоритет от 23 декабря 1981 г. Зарегистрировано 15 сентября 1983 г.

58. Березовский Ю.М. Устройство для формования и калибрования карамельного жгута//Березовский Ю.М., Головин В.Е., Лазарев Е.В., Минаков Г.И.. Панфилов В.А., Скабеева A.A., Ураков O.A., Филатов А.В./А.с. №1296096 (A23-G-3/06 МКИ). Приоритет 19 августа 1985 г. Зарегистрировано 15 ноября 1986 г.

59. Березовский Ю.М. Устройство для калибрования карамельного жгута/Березовский Ю.М., Гаджиев В.М., Головин В.Е., Панфилов В.А., Ураков O.A., Филатов A.B. Приоритет от 27 февраля 1984 г. Зарегистрировано 1 апреля 1985 г.

60. Панфилов В.А. Устройство для формирования карамельного жгута с начинкой //Лазарев Е.В., Панфилов В.А., Березовский Ю.М.. Головин В.Е./ A.c. № 1720620 ((A23-G-3/06 МКИ) Приоритет от 31 мая 1990 г. Зарегистрировано 22 ноября 1991 г.

Подписано в печать 02.12.2013 г. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,875. Заказ 351. Гираж 200 экз.

Отпечатано ЗАО «Экон-информ» 129329, Москва, ул. Кольская, д. 7, стр. 2. Тел. (499) 180-9407 www.ekon-inform.ru; e-mail: eep@yandex.ru

i 4 - - 142 б

2014062901

2014062901

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФГБОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ На правах рукописи

0520145)0632

Березовский Юрий Михайлович

УДК 664. 143.2

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАСС (на примере карамельного производства)

Специальность 05. 18.12. - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук профессор Ю.А. Калошин

МОСКВА-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................................................5

Глава 1. Обзор современных методов моделирования процессов обработки пищевых масс............................................................13

1.1. Анализ современных методов механической обработки пищевых масс как основа синтеза инновационных решений...................................13

1.2. Статистический анализ функционирования карамелеформующего участка карамельного производства................................................19

1.3. Методы математического моделирования процессов - аналогов обработки карамельной массы..............................................................27

1.4. Исследования физико - механических свойств пищевых дисперсных систем и их роль в моделировании процессов механической обработки пищевых масс..........................................................................35

1.5. Ретроспективный анализ развития конструкций карамелеформующего

оборудования.........................................................................45

Выводы по главе 1..................................................................52

Глава 2. Экспериментальное исследование физико - механических свойств карамельной массы и методов её формования.................54

2.1. Вискозиметрическое исследование карамельной массы в интервале температур формования.............................................................54

2.2. Исследование процесса теплообмена при охлаждении карамельной массы......................................................................................64

2.3. Исследование процесса обкатки карамельного цилиндра...............73

2.4. Изучение специфических свойств карамельной массы проявляющихся при вытяжке.............................................................................82

2.5. Изучение свойства карамельной массы, проявляющееся в процессе

формования жгута как «механическое стеклование»...........................88

Выводы по главе 2.....................................................................92

Глава 3. Математическое моделирование процессов формования карамельной массы методами раскатки и обкатки.........................93

3.1 Раскатка пласта карамельной массы с учетом уширения.................93

3.2. Теоретический анализ взаимодействия валков обкаточной машины с поверхностью карамельного батона...............................................100

3.3. Математическая модель процесса формования карамельного

батона...................................................................................105

Выводы по главе 3 ...............................................................118

Глава 4. Математическое моделирование процессов формования карамельного жгута................................................................119

4.1. Вытяжка карамельного жгута без начинки................................119

4.2. Вытяжка карамельного жгута с учётом давления начинки............123

4.3. Калибрование карамельного жгута круглом замкнутом калибре....131

Выводы по главе 4....................................................................140

Глава 5. Моделирование механических процессов обработки кондитерских полуфабрикатов.................................................141

5.1. Взбивание белково-сахарных смесей в роторной машине.............141

5.2. Движение карамельной массы в тянульной машине..................149

5.3. Ультразвуковая гомогенизация водно-жировой эмульсии............156

5.3.1. Модели распределения жировых шариков водно-жировых эмульсий как основа анализа и совершенствования процесса диспергирования.....156

5.3.2. Экспериментальная оценка процесса ультразвуковой гомогенизации

путём анализа кривых распределения жировых шариков эмульсии........161

Выводы по главе 5.....................................................................168

Глава 6. Изучение свойств сырья и полуфабрикатов методами вискозиметрии.......................................................................170

6.1.Теоретическое обоснование расчёта погрешности ротационного вискозиметра, обусловленной эксцентриситетом вала ротора................170

6.2. Оптимизация размера зазора ротационного вискозиметра..............179

6.3. Теоретическое обоснование расчёта скорости сдвига нелинейных вязко-пластичных сред в зазоре ротационного вискозиметра ............181

6.4. Определение периода тиксотропного восстановления вискозиметрическим методом....................................................196

6.5. Вискозиметрическая оценка дисперсности эмульсий..................206

6.6. Вискозиметрическая оценка условий инверсии водно-жировой эмульсии...............................................................................212

6.7. Проект стандартной методики вискозиметрических исследований

пищевых дисперсных систем в ротационном вискозиметре................216

Выводы по главе 6 ......................................................................221

Глава 7. Разработка инновационных решений в конструкциях машин для формования карамельных батона и жгута...................222

7.1. Опытно - промышленный образец обкаточной машины вертикального типа .................................................................................222

7.2. Опытно-промышленный образец жгутовытягивающей машины......230

7.2.1. Расчёт параметров машины для формования жгута без начинки.....230

7.2.2. Расчёт параметров машины для формования жгута с начинкой......238

7.3. Формование и калибрование карамельного жгута на опытно -промышленном образце жгутовытягивающей установки.....................249

7.4. Испытания агрегата для вертикального формования карамельного

батона и жгута...........................................................................253

Выводы по главе 7....................................................................257

Общие результаты и выводы .......................................................259

Список литературы...................................................................261

Обозначения............................................................................279

Приложения.........................................................................284

Приложение 1...........................................................................284

Приложение 2...........................................................................289

Приложение 3...........................................................................293

Приложение 4..........................................................................298

Приложение 5..........................................................................306

Приложение 6..........................................................................310

Введение

Совершенствование современных процессов и оборудования по механической обработке пищевых масс, разработка новейших процессов и оборудования, раскрывающих новые свойства и возможности пищевых продуктов, основываются на новейших достижениях науки в изучении свойств последних. Важнейшим инструментом в решении этих задач являются современные методы математического моделирования процессов.

Развитие технологии переработки пищевых масс осуществляется по пути глубокого анализа и моделирования механики их течения в процессе обработки различного вида оборудованием. Совершенствование методов механической обработки полуфабрикатов опирается на современные исследования структуры и текстуры дисперсных систем, каковыми в большинстве являются пищевые продукты. Применение методов инженерной реологии способствует решению таких задач.

Свою роль в прогрессе пищевых производств сыграли и новые методы воздействия на структуры продукта, такие, например, как ультразвуковые, электромагнитные и т.п. Таким образом, решение задач в области совершенствования процессов переработки пищевых масс следует искать на стыке таких наук как гидродинамика пищевых дисперсных систем и физико-химическая механика с её реологическими методами исследования микро структур пищевых материалов..

Следует отметить, однако, что результаты вискозиметрии разных исследователей не всегда адекватны или достаточно тесно коррелированны. Это обусловлено недостаточно развитой системой метрологического контроля и отсутствием необходимой методологической нормативной документации в этой области.

Моделирование процессов обработки пищевых масс широко и эффективно использует результаты вискозиметрических исследований как макрореологическую связь с наблюдениями на микро и нано уровнях. Начало развитию таких методов положено академиками М.П. Воларовичем и П.А.

Ребиндером и их школами в 50-х годах прошлого столетия. Применительно к пищевым дисперсным системам (ПДС) в этой области в 60-х - 80-х годах прошлого века положено начало в работах Азарова Б.М., Арета В.А., Бермана Г.К., Воларовича М.П., Гуськова К.П., Горбатова А.В, Даурского A.B., Клаповского Ю.В., Мачихина Ю.А., Мачихина С.А., Назарова Н.И., Николаева Б.А., Панфилова В.А., Ребиндера П.А., Урьева Н.Б., Талейсника М.А. И список этот может быть ещё продолжен.

С развитием методов высокой механической интенсивности при обработке пищевых продуктов стало возможным достигать повышения усвояемости и физиологической роли питания, не внося каких-либо усовершенствований в рецептуры. В химической технологии этот эффект обосновывают результатом действия мехаиохимии, а при использовании ультразвука - сонохимией. В сфере этих исследований незаменимую роль играет гранулометрия.

Особенно успешно в последнее время ультразвук находит своё применение для интенсификации операций пищевой технологии. Все эти методы находятся ещё в стадии развития и требуют приложения серьёзных исследований и доведения до их производственной реализации.

Современной науке свойственно всё более глубокое проникновение в структуру пищевых дисперсных систем. Исследуются такие явления как инверсия, тиксотропия, гомогенизация эмульсий. Вискозиметрия служит эффективным инструментом в этих исследованиях, что подтверждают результаты, приведенные в данной работе.

Примером решения задачи по созданию инновационного процесса обработки пищевой дисперсной системы может служить разработка и реализация технологического процесса вертикального формирования и калибрования жгута из карамельной массы. Проведен весь цикл исследований свойств карамельной массы и других кондитерских полуфабрикатов и связанный с этим путь развития конструкций машин для её обработки, разработан инновационный технологический процесс,

спроектированы машины для его реализации и проведены успешные испытания.

Актуальность работы заключается в том, что в соответствии с ожиданиями производителей пищевой продукции в работе на примере карамельного производства разработана система научно обоснованных методов повышения эффективности процессов механической обработки пищевых продуктов, создано оборудование, реализующее инновационные процессы, использующие новейшие достижения в изучении физико -механических свойств пищевых материалов, разработаны математические модели процессов, используемые для проектных расчётов оборудования. Отечественные пищевые предприятия в условиях острой конкуренции с зарубежными производителями и в связи с достаточно высокими ценами на зарубежное оборудование, нуждаются в модернизации производств с привлечением отечественных производителей оборудования.

Обоснована важнейшая задача, заключающаяся в способности оборудования использовать специфику свойств формуемого продукта, обеспечивать стабильность качества при минимальном потребление энергии - вот комплекс требований, предъявляемых к оборудованию для формования пищевых масс.

Знание реологических характеристик продукта для соответствия поставленным требованиям абсолютно необходимо. Современные исследования структуры и текстуры дисперсных систем, каковыми в большинстве являются пищевые продукты, широко и эффективно используют вискозиметрические методы как макрореологическую связь с наблюдениями на микро и нано уровнях. В настоящее время большое развитие получили методы визуализации и измерения размеров частиц в исследованиях микро и наноструктур, позволяющие значительно ускорить и повысить надёжность результатов исследований. Достаточно высокое развития нашла и теория физико - химической механики и химической

термодинамики, которые всё чаще привлекаются к решению задач пищевой технологии.

В совокупности с этими науками находят своё развитие и теоретические аспекты таких технологических процессов как диспергирование, производство пенообразных масс и формование, основанные на результатах вискозиметрии дисперсных структур пищевых масс (ПДС).

Использование достижений науки, новейших методов исследования и математического моделирования способствовали решению поставленных в работе задач.

Цель работы - разработка системы научно обоснованных методов совершенствования и модернизации процессов и оборудования механической обработки пищевых продуктов, обеспечивающих повышение эффективности пищевых производств.

В связи с поставленной целью данная работа посвящена решению следующих задач:

- выявление слабого звена в системе машин механической обработки пищевых масс в механизированных поточных линиях и обоснование направления совершенствования процессов и оборудования механической обработки пищевых масс на примере карамельного производства;

исследование физико- механических свойств карамельной массы и методов её механической обработки;

- разработка математических моделей процессов формования карамельной массы методами раскатки и обкатки;

- разработка математической модели процесса вытяжки карамельного жгута без начинки и с учётом давления начинки;

- разработка математической модели процесса калибрования карамельного жгута в круглом замкнутом калибре;

- разработка математических моделей процессов механической обработки сырь и полуфабрикатов для начинок: взбивания и гомогенизации

эмульсий; обработки карамельной массы в тянульной машине; ультразвуковой гомогенизации эмульсий;

- разработка теоретических методов оценки качества сырья и полуфабрикатов методами вискозиметрии: расчёт инструментальной погрешности ротационного вискозиметра; разработка методов определения периода тиксотропного восстановления эмульсионных структур, параметров инверсии и дисперсности сред эмульсионного типа;

- разработка методов расчёта машин и узлов агрегата формования карамельного батона обкаткой, вытяжкой и калиброванием карамельного жгута;

- создание полупромышленного образца вертикального формования карамельного батона и жгута.

Концептуальной основой работы является развитие системы научно обоснованных методов совершенствования процессов и оборудования механической обработки пищевых материалов путём выявления ключевых факторов, обусловливающих их реализацию, моделирование на основе комплексных вискозиметрических и гранулометрических исследований обрабатываемого продукта и реализация разработанных инновационных процессов и оборудования. Научные положения, выносимые на защиту:

методология формирования научно обоснованной системы совершенствования процессов и оборудования механической обработки пищевых масс;

- методология исследований физико-механических свойств обрабатываемой массы в связи методами её механической обработки;

- математическое моделирование процессов формования карамели как метод анализа и поиска новых решений в реализации этих процессов и в создании нового оборудования;

- теоретическое обоснование расчёта погрешности вискозиметрических оценок качества пищевых сред;

- обобщение результатов оценки физико механических характеристик полуфабрикатов вискозиметрическими и гранулометрическими методами и разработка проекта стандарта их вискозимтерических исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны математические модели процессов формования карамельного батона и жгута с начинкой и без начинки;

установлены закономерности связей вискозиметрических, теплофизических и механохимических свойств карамельной массы;

- вскрыты закономерности возникновеиия ряда не учитываемых ранее погрешностей ротационной вискозиметрии пищевых дисперсных систем;

- установлены закономерности связей вискозиметрических свойств с тиксотропией, инверсией и дисперсностью водно-жировых эмульсий;

- разработана математическая модель процесса насыщения воздухом белково-сахарных смесей в роторном агрегате;

- разработана математическая модель взаимодействия рабочих органов тянульной машины с карамельной массой;

- предложен оригинальный способ вертикального формования карамельного батона и жгута.

Практическая значимость работы:

- разработана методика расчёта кинематических и динамических параметров карамельной обкаточной машины;

разработана методика расчёта кинематических параметров карамельной жгутовытягивающей машины;

- получены справочные данные физико-механических свойств и их зависимости от температуры карамельной массы;

- разработаны методики расчёта и применения поправок, вносимых при вискозиметрических исследованиях пищевых масс;

предложены к применению методики экспериментального оп