автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение процесса термовлажностной обработки колбасных изделий

На правах рукописи

УРАЗОВ Дмитрий Юрьевич

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ КОЛБАСНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005560524 Воронеж - 2015

005560524

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Шнтов Виктор Васильевич

Пеленко Валерий Викторович

доктор технических наук, профессор, академик Международной академии холода, ФГАО УВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики», заместитель директора Института холода и биотехнологий по учебной работе

Якушев Алексей Олегович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», доцеш' кафедры Технологические машины и оборудование

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар.

Защита состоится «2» апреля 2015 г. в 13 ч на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим присылать ученому секретарю совета Д 212.035.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ». Полный текст диссертации размещен в сети «Интернет» на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru 30 декабря 2014 г..

Автореферат размещен в сети «Интернет» на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки РФ по адресу: https://vn1k2.ed.gov.ru и на официальном сайге ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru «29» января 2015 г. Автореферат разослан «26» февраля 2015 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук 212.035.01 ¿1

Л.Н. Фролова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В целях модернизации и развития российской экономики, повышения ее конкурентоспособности, указом президента Российской Федерации № 899 от 7 июля 2011 г. были установлены приоритетные направления развития науки, технологий и техники. Одним из ключевых направлений развития было признано энергосбережение и энергоэффективность, которое ранее было отражено в Федеральном Законе № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности».

Резервы энергосбережения во многом зависят от имеющихся технологий, цен на первичные энергетические ресурсы. Мировой опыт показывает, что экономить энергию дешевле по сравнению с добычей энергоресурсов в 2-4 раза. В настоящее время в России имеется огромный потенциал энергосбережения, масштабы которого, по оценкам экспертов, можно оценить примерно в 40 - 50 % от уровня потребляемых топлива и энергии. Помимо всего прочего, энергосбережение способствует снижению нагрузки на окружающую среду и повышению конкурентоспособности отечественных предприятий.

В удельном потреблении энергетических ресурсов в рамках технологического цикла изготовления вареных колбасных изделий первое место занимают термовлажностные процессы: нагрев и охлаждение. Соответственно, среди основных расходов превалируют затраты на тепловую и электрическую энергии. При этом, судя по каталогам производителей современных термоагрегатов, удельный расход энергии на треть превышает теоретически минимально необходимый. Это свидетельствует об актуальности внедрения энергосберегающих технологий на данной технологической стадии.

Анализ существующих направлений энергосбережения при варке колбасных изделий позволяет сделать вывод о необходимости создания эффективного инструмента анализа и оценки параметров процесса термовлажностнон обработки, а также способа и устройства для его осуществления, постобработки информации и управления процессом.

Цель работы и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса термовлажностной обработки колбасных изделий; разработка энергосберегающего режима варки, способа и средств его проведения на основе учета совокупности интенсивности и общих энергозатрат процесса.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- систематизация и анализ информации по оценке энергозатрат на стадии технологического процесса производства вареных колбасных изделий;

- разработка имитационной модели, характеризующей движение масс теплоносителя вну гри объема термокамеры;

- проведение экспериментальных исследований процесса нагрева колбасных изделий;

- определение кривых нагрева и динамики варки колбасных изделий;

- выявление субоптимальных интервалов изменения технологических параметров, разработка предложений по оптимизации процесса нагрева колбасных изделий;

- исследование влияния установленного режима обработки колбасных изделий на качество готовой продукции;

- разработка математической модели, характеризующей процесс термовлажностной обработки колбасных изделий;

- разработка и исследование эффективного способа оценки состояния процесса нагрева колбасных изделий;

- разработка конструкции универсальной термокамеры, реализующей данные научных исследований, оценка интенсификации процесса методом имитационного моделирования.

Научная новизна. В диссертационной работе выявлены закономерности интенсификации процесса термовлажностной обработки колбасных изделий, установлена взаимосвязь ключевых параметров с продолжительностью и энергоэффективностью процесса нагрева колбасных изделий.

Получены обобщенные уравнения регрессии, позволяющие найти оптимальную продолжительность и величину удельных энергозатрат процессов. Выявлены субоптимальные интервалы изменения параметров, оказывающих влияние на энергетическую эффективность технологического процесса.

Разработана математическая модель процессов нагрева и охлаждения колбасных изделий, позволяющая определить продолжительность, выявить расчетные характеристики протекания процессов.

Разработаны теоретические основы использования метода тепловизионной диагностики для контроля состояния тепловых технологических процессов. Представлено концептуальное решение системы тепловизионной диагностики, позволяющей адекватно оценивать параметры процесса термовлажностной обработки.

Проведено имитационное моделирование движения масс теплоносителя в объеме термокамеры. Определены поля скоростей, направления движения потоков внутри и на переферии массива колбасных изделий, дающие развернутое представление об аэродинамических процессах внутри аппарата.

Практическая значимость. Разработан рациональный режим термовлажностной обработки колбасных изделий, учитывающий изменения температуры, массового расхода, относительной влажности паровоздушной среды, содержания жира в фарше.

Усовершенствован процесс варки колбасных изделий, предусматривающий интенсификацию движения массы теплоносителя внутри объема камеры, с максимальным выравниванием профиля скоростей.

Разработан универсальный комплекс обработки информации, позволяющий осуществлять контроль и управление технологическим процессом (патент 2509329).

Разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее оценивать распределение тепловых полей по объекту с функцией определения температур в заданных точках/зонах, предусмотрена возможность

функционирования на широком спектре аппаратных средств (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2012660924).

Разработана конструкция и схема автоматического управления термокамерой для варки колбасных изделий, обеспечивающая высокую проникающую способность масс теплоносителя с максимальным выравниванием скоростей движения по всему объему аппарата, что способствует ускорению процесса нагрева и снижению энергетических затрат на процесс.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2011 по 2013 гг.).

Результаты работы экспонировались на постоянно действующих международных и межрегиональных выставках г. Воронежа: «Воронежский промышленный форум», «Воронежский агропромышленный форум» и отмечены 5 дипломами.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из которых 9 работ в журналах, рекомендованных ВАК. 1 патент РФ и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 214 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков и 23 таблицы.

Список литературы включает 101 наименование.

Приложения к диссертации представлены на 28 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан анализ текущего состояния рынка колбасных изделий. Отмечен стабильно высокий объем реализации вареных колбасных изделий в общей структуре продаж. Приведена характеристика колбасных изделий, как объекта исследований. Обоснована актуальность и научная

новизна работы, рассмотрены методы контроля состояния технологического процесса, обозначена цель дальнейших исследований.

В первой главе произведена классификация энергетических объектов мясоперерабатывающего предприятия. Определено удельное энергопотребление оборудования, используемого в рамках технологического цикла. Выявлены основные технологические операции с максимальным количественным потреблением энергетических ресурсов.

Рассмотрены свойства колбасных изделий как объекта физико-химической, биотехнологической и теплофизической обработки. Отмечена важность термовлажностной обработки колбасных изделий для получения качественной продукции, отвечающей требованиям регламентирующей документации. Приведены дефекты колбасных изделий, вызванные нарушением режимов их термической обработки.

На основании анализа полученных данных был сделан вывод о необходимости разработки современных методов и средств контроля состояния технологических операций. Рассмотрены перспективы использования тепловизионного метода диагностики для контроля и оптимизации тепловых технологических процессов. Анализ полученных данных позволил сделать выводы о целесообразности и эффективности применения метода тепловизионной диагностики в предметной области работы.

Во второй главе проведены исследования процесса нагрева колбасных изделий. Экспериментальные исследования проводились на промышленной установке - термокамере VEMAG AEROMAT (рисунок 1). В качестве объекта исследования была выбрана колбаса вареная «Докторская» как сорт, исторически получивший наибольшее распространение.

Для изучения распределения потоков теплоносителя внутри объема термокамеры было проведено имитационное компьютерное моделирование движения масс теплоносителя (рисунок 2.). В ходе проведенных исследований установлен факт наличия в моделируемой установке зон со значительным

падением скорости движения рабочей среды, которые оказывают непосредственное влияние на технологический процесс.

Рисунок 1- Термокамера УЕМАв АЕ1ШМАТ

•.КС

•яьи гчгс

Рисунок 2 - Поле скоростей потока, огибающее поверхность батонов (стандартная термокамера)

В ходе натурных испытаний производилась выработка колбасных изделий с заданными физико-химическими параметрами, осуществлялось варьирование факторами, влияющими на процесс варки колбасных изделий: -температура паровоздушной среды в термокамере, °С; в,, -массовый расход среды, подаваемой в термокамеру, кг/с; д> -относительная влажность паровоздушной среды в термокамере, %; Ж - содержание жира в фарше, %.

Адекватность разработанной имитационной модели была подтверждена методом тепловизионной диагностики (рисунок 3). Полученные результаты коррелируются с результатами имитационного моделирования движения теплоносителя внутри объема термокамеры. В зонах с минимальными скоростями движения теплоносителя и высокой турбулентностью потока, граничащей с завихрениями, прослеживается значительное снижение температуры обрабатываемого продукта.

да Выделение изображений:

Измеряемые объекты Темп.

Точка измерения 1 43,0

Точка измерения 2 40,0

Точка измерения 3 39,0

Точка измерения 4 38,2

Точка измерения 5 37.3

Точка измерения 6 37,9

Точка измерения 7 39,0

Точка измерения 8 42,4

Линия профиля:

Мшуцм * ■( 'лдгиууу и грелир* !

Рисунок 3 - Профиль распределения температур по объему термокамеры

Результаты исследований позволяют заключить, что имитационное моделирование можно эффективно применять для изучения технологических процессов, а метод тепловизионной диагностики обеспечивает адекватную оценку протекания процесса нагрева колбасных изделий.

В ходе дальнейших экспериментальных исследований были установлены кинетические зависимости процесса нагрева колбасных изделий при различных режимах варки (рисунки 4-6).

ж ш т

270 90 90

пзо sт ;гя ww тзо няш 2В23о гшт «

Рисунок 4 - Кривые нагрева и динамики варки колбасных изделий при одноступенчатом изменении микроклимата: tc 25 - 82 °С; р 75 - 98 %; tm<> 25 - 72 °С

ш> т юо 270 90 90 240 ее во

2Ю 70 ТО

№ 60 60 ВО 50 ¡0 ¡20 ¡0 iO

60 го 20 я ю я .о ,о о

rc '"iM 'cCP% о ¡230 2500 ЯЖ ЯОО 10230 tSW ШЗО UOW Ж.» ДШ

Рисунок 5 - Кривые нагрева и динамики варки колбасных изделий при двухступенчатом изменении микроклимата: Г6. 10 - 65 °С; 25 - 35 %;

18 - 52 °С -> 1С 65 - 82 °С; у 35 - 99 %; 1та 52 - 72 °С

Рисунок 6 - Кривые нагрева и динамики варки колбасных изделий при трехступенчатом изменении микроклимата: 25 - 65 °С; <р

25 - 45 %; 1та 18 - 52 °С -> Г, 65 - 75 °С; (»45-90 %; 52 - 64 °С. -> 1С 75 - 82 "С; <р90-99 %; 1тд 64 - 74 °С.

В третьей главе проведена статистическая обработка полученных результатов. Выборка полученных данных занесена в матрицу планирования и приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Матрица планирования и результаты эксперимента

№ опыта Кодированные значения факторов У2, кВт-я/кг

X, х-> Хз Х4

1 -1 -1 -1 -1 6501 0,263

2 -1 +1 -1 -1 6668 0,256

3 +1 -] -1 -1 6586 0,255

33 0 0 0 0 6707 0,256

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс под влиянием исследуемых факторов.

Продолжительность процесса нагрева: у, = 6702,581 - 74,690хг 45,207хг 65,883х3 - 38,25 5х4 + + 6,419X1X2 -15,408х1хз + 0,463х,х4 + 1,528х2х3- 5,285х2х4 + + 21,059хзх4 +2,833хг + 6,076х22 + 4,311х32 + 1,171 х42, (1)

Удельные энергозатраты на килограмм готовой продукции: у2 = (256,437 + 2,183X1 + 1,60x2 + 4,50х3- 4,742x4 + + 0,213x1*2 + 1,113x^3 -0,150X1X4 + 0,275х2х3 + 1,713х2х4-- 0,237хзх4- 0,149Х|2 + 0,014х22 + 0,014х32 + 0,113х42)103, (2)

Задача оптимизации сформулирована следующим образом: найти такие режимы работы термокамеры, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров обеспечивали минимум продолжительности варки и минимум удельных энергозатрат. Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей модели:

1 = Я(У1>У2) АеД >°Р1 В:у,(х„хг,х3,х4) >тт

О: у2{х1чх2,х^,х4) 1с0 >тш

Определены оптимальные интервалы изменения входных параметров и выходных факторов (таблица 2).

Таблица 2 - Интервалы изменения входных параметров

У А',, "С А'з, кг/с Аз, % м Ад, %

1ШП тах Ш1П шах 1ШП шах 1ШП тах

VI 81,0 81,7 0,076 0,080 97,26 97,39 20,41 20,74

У2 84,8 85,6 0,081 0,084 95,58 99,44 16,75 21,77

Таким образом, субоптимальные интервалы изменения параметров равны: = 81,7...84,8 "С; С„ = 0,080...0,081 кг/с; <р = 97,26.. .97,39 %; Ж = 20,41.. .20,74 %.

Проведенные микробиологические и физико-химические исследования продукции, выпущенной оптимизированным способом, показали соответствия ее требованиям ТР ТС 034/2013 и ГОСТ Р 52196-2011.

Оценка экономической эффективности оптимизации процесса показала, что в результате внедрения предлагаемых мероприятий рентабельность продукции повысится на 3,0 % и составит 32,0 %. Необходимые для реализации проекта инвестиции в объеме окупятся в течение 1 месяца. Прибыль предприятия вырастет на 7500 тыс. р./год.

В четвертой главе проведено математическое моделирование процесса нагрева и охлаждения колбасных изделий с целью оценки качества протекания этих процессов по изменению температуры поверхности обрабатываемых изделий. Для упрощения расчетов были приняты следующие допущения: батон колбасного изделия рассматривается как тело наружного радиуса Ки, длина которого много больше радиуса; отсутствует флегмовый перенос между греющей средой и изделием.

При этих допущениях теплоперенос в колбасном изделии определяется уравнением теплопроводности Фурье:

81 (ач 1 ы 1 а2/ агЛ (3)

-=ОГ —7 + —+ — ——-, у '

дт {81- 2 дг Г 8(?г &2; где а = Х/Ср - коэффициент температуропроводности колбасного изделия.

Полагая процесс термообработки осесимметричным

[т'°)

вя> ) ^ а также пренебрегая краевыми эффектами ' из

(3) получим:

дт {дг1 2дг) или, после преобразования:

г? е ( (5)

— = а—| г— , 4 '

дт ¿К дг)

Начальные и граничные условия формируются по-разному для периодов нагрева и охлаждения колбасных изделий.

Процесс нагрева

Начальное и граничное условия для уравнения Фурье (3) при нагревании колбасных изделий в процессе варки имеют вид:

'(О ,г) = /0, (6)

где а - коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси к поверхности колбасного изделия; X - теплопроводность колбасы.

Граничное условие (7) выражает условие осевой симметрии температурного поля; (8) является граничным условием на поверхности колбасного изделия.

Решение для нагревания колбасного изделия в процессе варки имеет вид:

где в _ - безразмерная температура; где 7о - функция Бесселя

первого рода нулевого порядка; •/] - функция Бесселя первого рода первого порядка; Мп - корни характеристического уравнения.

АШ) _.. М (Ю)

АШ) в,'

где в =Е1к

- число Био; ц _ 1_ - безразмерный радиус; р0 _ £1 -

' Л К Л.2

число Фурье.

При достаточно высоком коэффициенте теплоотдачи а и малом значении наружного радиуса В1> 50,0. В этом случае перепад температуры на границе пренебрежимо мал по сравнению с перепадом температуры в колбасном изделии (рисунок7,а). Температура поверхности /с = /,„ граничные условия III рода вырождаются в граничные условия I рода.

В случае малого значения коэффициента теплоотдачи, когда В,< 0,2, температурное поле в колбасном изделии однородно (рисунок 1,Ь). При всех остальных значениях 0,2 <Д< 50,0 кривая распределения температуры по радиусу с в конце процесса варки лежит между кривыми а и Ъ (рис 7).

Очевидно, что при последующем охлаждении колбасных изделий, температура её поверхности в случае а будет несколько выше, чем в случае Ь.

Процесс охлаждения

Коэффициент теплоотдачи определяется из критериального соотношения:

Ыи = 0,5 ■ (<3г ■ Рг)°25, (11)

где сг „ 'с ~ Iь - число Грасгофа; дгг( _ а с1 - число Нуссельта;

и2 1с + 273 X,

Рг - число Прандтля для воздуха.

г. и

\ А/ 1............

и

/ /

/ 1 1

) I 1

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента теплоотдачи колбасы от температуры поверхности, Я„ = 0.04 м,4 = 0°С

Рисунок 7- Распределение температуры по радиусу колбасного изделия в конце процесса нагрева (а - для В1 >50,0; Ъ - для В1 < 0,1; с - для 0,2 <Ш< 50,0)

Коэффициент теплоотдачи а = о,5 —(Сг-Рг)"25. (12)

Поскольку температура существенно изменяется в процессе охлаждения, коэффициент теплоотдачи также сильно изменяется (в 2 и более раз (рис. 8). Граничное условие (8) становится нелинейным, что не позволяет воспользоваться известными решениями теплообмена в цилиндре, полученными для постоянного коэффициента теплоотдачи а.

Для решения задачи об охлаждении колбасного изделия воспользуемся численным методом. Перейдём от

дифференциального уравнения (5) к его дискретному аналогу на сетке с постоянным шагом с использованием явной схемы:

5?

дг V дг) Дг

1

г , ■ —---г

1

и7

Дг 1*- Аг

'г

1

г . = г, + — Аг,

Н 7 2

г , =г, - — Лг.

>Л 7 2

С учётом (14), (15) в уравнении (5) получим:

гДе ^ =

- сеточное число Фурье.

М2

(13)

(14)

(15)

(16)

Выражение (16) позволяет вычислить значение температуры в узле ] на последующем шаге по времени г +1, если известны значения температуры в трех узлах по радиусу на предшествующем шаге по времени ф',у-1), ф',/), /(у+1).

Температура в узле (на наружной поверхности) определяется из (8) с учетом (12):

(17)

Рг

_

и- (/,+273)

Дг Ы

где Э = I - гв - избыточная температура.

Из (17) получаем рекуррентную формулу для вычисления температуры на границе & х:

(18) (19)

9,

У-1

1+ А-Я,

где

А = 0,5 ■ Л/- ■ -

■РГ

(/¿(г, + 273)

Начальное распределение температуры для процесса охлаждения колбасных изделий принимается по конечному распределению периода нагрева.

Средняя относительная ошибка экспериментальных данных от результатов математического моделирования процесса составляет 7,95 %, что является допустимым.

Одним из важных факторов, описывающих процесс нагрева колбасных изделий в термокамере, является распределение температуры по времени. С целью определения адекватности модели проведено графическое сопоставление профилей температуры на оси изделия во времени для расчетного графика и зависимости, полученной экспериментальным путем. Для сопоставления данные приведены к единой размерности (рисунок 9).

Наличие выявленного отклонения по общему времени процесса обусловлено тем, что при определении кинетики процесса использовались данные по изделию, расположенному в центре обрабатываемого массива, на которое оказывала влияние аэродинамическая составляющая. Наличие незначительных отклонений от расчетного графика обусловлено отсутствием возможности поддерживать рабочую среду в идеальном соответствии заданным условиям.

Научная новизна математической модели состоит в том, что:

- получены уравнения для определения эталонной продолжительности процессов нагрева и охлаждения колбасных изделий;

- в модели используется не усредненный, а фактический коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси к поверхности колбасного изделия;

- модель позволяет определить распределение температур по радиусу на разных этапах процесса.

В пятой главе представлены конструкции разработанного оборудования для проведения термовлажностной обработки колбасных изделий (рисунок 10), обеспечивающего: снижение энергетических затрат на процесс; обработку информации в сложных условиях внешней среды (рисунок 11); получение профильной информации (рисунок12); оптимальное управление процессом; повышенные показатели равномерности и скорости движения среды внутри объема аппарата (рисунок 13).

. о

оооооооо: о оооооооо0

осОООООО " ОООООООО ° оооооооо о ОООООООО о ОООООООО ОООООООО

ОООООООО ? ОООООООО

ОООООООО о

О ОООООООО о О-ОООООООО о „ оооооооо „ "оооооооо ° ° оооооооо О о о

1 - промышленный универсальный комплекс обработки информации;

2 - модуль теплового контроля; 3 - термокамера; 4 - дымогенератор; 5 - конструкция ограждающая; 6 - рама колбасная; 7 - коллектор

распределительный; 8 - вентилятор циркуляционный; 9 - форсунки; 10 - внешнее оборудование;! 1 - трубопровод питающий; 12 - сопло питающее; 13 - вентилятор безлопастной Рисунок 10 - Модернизированная термокамера для варки колбасных изделий

1 - внутренняя стенка термокамеры; 2 - внешняя стенка термокамеры; 3 -утеплитель; 4 - корпус; 5 - крышка; 6 - накидная гайка; 7 - кварцевое стекло; 8, 9,10 - уплотнительные кольца; 11 - клапан обратный; 12 - гермоввод для кабеля; 13 - проставка; 14 - колодка; 15 - стопорная проставка; 16 - установочная гайка; 17 - шпилька; 18 - шайба; 19 - натяжная гайка; 20 - термопарный детектор Рисунок 12 - Модуль теплового контроля

Рисунок 11 - Универсальный комплекс обработки

информации

С целью подтверждения повышения интенсивности и равномерности движения масс теплового агента внутри объема модернизированной термокамеры проведено имитационное компьютерное моделирование (рисунок 13).

Рисунок 13 - Поле скоростей потока в модернизированной термокамере

Из анализа полученных полей скоростей модернизированной термокамеры, становится очевидным факт значительного ускорения движения воздушной среды (рисунок 14).

нм. -1

Рисунок 14 - Спектральный анализ изображений (стандартной термокамеры (синяя) и для модернизированной (красная) линии)

Спектральный анализ изображения показал сокращение на изображениях цветов, относящихся к синему спектру. Корреляция данных, полученных от спектрального анализа и расчетной цветовой интерпретации имитационной модели, позволяют обоснованно заявить о значительном повышении и общей стабилизации скорости движения потока теплоносителя в модернизированной термокамере.

Достижение высокой однородности теплового поля внутри объема термокамеры в совокупности с использованием оптимальных параметров позволят сократить продолжительность процесса, тем самым увеличив его энергетическую эффективность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Установлены величины энергозатрат на всех этапах технологического процесса производства колбасных изделий, выявлено максимальное потребление ресурсов на стадии термовлажностной обработки.

2. Разработана имитационная модель движения масс теплоносителя внутри объема термокамеры: получены поля скоростей и направления движения потоков теплоносителя.

3. Установлена взаимосвязь между температурой обрабатываемых изделий и скоростью движения теплоносителя, методом тепловизионной диагностики подтверждена адекватность данных имитационного моделирования.

4. Получены кинетические зависимости, характеризующие одно-, двух- и трехстадийньш режимы нагрева колбасных изделий.

5. Получены обобщенные уравнения регрессии, описывающие влияние критических параметров (температуры, влажности, объемной подачи среды, жирности продукта) на оптимальную продолжительность и уровень удельных энергозатрат процесса. Установлены:

- возможность снижения продолжительности процесса варки колбасных изделий с 2 ч 10 мин до 1 ч 48 мин или на 16,4 %;

- возможность снижения уровня энергетических затрат на 171,95 кВтч/т или на 10,2 %.

6. Изучено влияние найденных оптимальных параметров на физико-химические и микробиологические свойства колбасных изделий, установлено соответствие полученного пищевого продукта требованиям ТР ТС 034/2013 и ГОСТ Р 52196-2011.

7. Разработана математическая модель процессов нагрева и охлаждения колбасных изделий, позволяющая рассчитать продолжительность этих процессов, определить профиль распределения температуры по сечению колбасного изделия.

8. Разработан модуль теплового контроля, позволяющий оценить состояние процесса нагрева колбасных изделий.

9. Разработана конструкция универсальной термокамеры, обеспечивающая поддержание оптимальных параметров рабочей среды по всему объему обрабатываемого массива. Разработано и изготовлено вспомогательное оборудование, программные средства, позволяющие контролировать процесс (патент РФ 2509329, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2012660924). Установлена интенсификация движения масс теплоносителя внутри объема модернизированной термокамеры.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Гс - температура паровоздушной среды в термокамере, К; Оп - массовый расход среды, подаваемого в термокамеру, кг/с; Ф - относительная влажность паровоздушной среды в термокамере, %; Ж - содержанке жира в фарше, %; /азй -температура на оси колбасного батона, С; XI- кодированные переменные; - продолжительность процесса нагрева, с; уг -удельные энергозатраты на килограмм готовой продукции, кВтч/кг; а = Х/Ср - коэффициент температуропроводности колбасного изделия; а - коэффициент теплоотдачи от паровоздушной смеси к поверхности колбасного изделия; X -теплопроводность колбасы; /о - функция Бесселя первого рода нулевого порядка; J\ - функция Бесселя первого рода первого порядка; Мп - корни характеристического уравнения; Рг - число Прандтля для воздуха.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Шитов, В.В. Математическое моделирование процессов нагрева и охлаждения колбасных изделий [Текст] / В.В. Шитов, А.Н. Рязанов, A.B. Жучков, Д.Ю. Уразов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013. -№4(58).-С. 100-105.

2. Рязанов, А.Н. Энергосбережение как эффективный инструмент повышения экономического потенциала [Текст] / А.Н. Рязанов, Д.В. Шайкин, Д.Ю. Уразов // ФЭС: Финансы. Экономика. Стратегия. - 2012. - №8. - С. 27-30.

3. Уразов, Д.Ю. О преимуществах тепловизионного метода анализа работы электрооборудования [Текст] / Д.Ю. Уразов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2012. -№ 3 (53). - С. 51-53.

4. Шитов, В.В. Разработка архитектуры программного обеспечения универсальной системы тепловизионной диагностики [Текст] / В.В. Шитов, Д.Ю. Уразов, А.Н. Рязанов, А.Л. Ивашин // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013. -№ 3 (57). - С. 96-98.

5. Антипов, С.Т. Обоснование необходимости и возможный принцип построения автоматизированной экспертной диагностической системы электрооборудования [Текст] / С.Т. Антипов, А.Н. Рязанов, Д.Ю. Уразов, A.B. Андриевский // ФЭС: Финансы. Экономика. Стратегия. - 2011. -№ 12. -С. 43-46.

6. Антипов, С.Т. Проектирование физической и логической моделей универсальной системы тепловизионной диагностики [Текст] / С.Т. Антипов, А.Н. Рязанов, А.Л. Ивашин, Д.Ю. Уразов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013. - № 3 (57). - С. 99-101.

7. Абрамов, Г.В. Программный комплекс для интеллектуальной системы автоматизированного управления энергопотреблением в зданиях и сооружениях [Текст] / Г.В. Абрамов, Е.А. Пологно, Д.Ю. Уразов, А.Н. Рязанов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2011.- №2. - С. 13-15.

8. Абрамов, Г.В. Исследование сетевых систем управления и разработка структуры информационного обеспечения систем диагностики, мониторинга и управления промышленными объектами [Текст] / Г.В. Абрамов, А.Н. Рязанов, С.Н. Черняева, Д.Ю. Уразов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2013.- № 4 (58). -С. 95-99

9. Рязанов, А.Н. Применение программно-аппаратного комплекса автоматизированного управления для оптимизации энергопотребления в зданиях и сооружениях [Текст] / А.Н. Рязанов, Д.Ю. Уразов, Е.А. Миронченко, A.B. Шаров // ФЭС: Финансы. Экономика. Стратегия.- 2013. Т. 12. - № 12. - С. 18-20.

10. Пат. 2509329 Российская Федерация МПК G05B15/00. Универсальный комплекс обработки информации [Текст] / Антипов С.Т., Рязанов А.Н., Уразов Д.Ю. - 2012144750/08; заяач. 22.10.2012; опубл. 10.03.2014, Бюл. - № 7.

11. Свидетельство № 2012660924 Российская Федерация. Информационная система тепловизионного слежения за температурным режимом промышленных объектов [Текст] / Уразов Д.Ю., Ивашин А.Л. - 2012618657; заявл. 12.10. 2012; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 30. 11.2012.

Подписано в печать 26.01.2015. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 03 ФГЪОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19