автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование и разработка макаронного пресса с СВЧ генератором для сельхозпредприятий

005044940

; х рукописи

ИВАНОВ Виталий Станиславович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАКАРОННОГО ПРЕССА С СВЧ ГЕНЕРАТОРОМ ДЛЯ СЕЛЬХОЗПРЕДПРИЯТИЙ

Специальности:

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Л

207?

Чебоксары - 2012

005044940

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Новикова Галина Владимировна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехнологии в с. х. производстве» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» Башилов Алексей Михайлович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Механика и сельскохозяйственные машины» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт» Оболенский Николай Васильевич

Ведущая организация - Государственное научное учреждение «Всероссий-

ский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства»

Защита состоится 8 июня 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.070.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29, ауд. 222.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Автореферат разослан « 04 » мая 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

С.С. Алатырев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ ресурсов и объемов производства макаронных изделий показал, что объем производства в 2011 г. в России достиг одного миллиона тонн, в Чувашской республике - 15 тыс. тонн. Объем потребительского рынка макаронных изделий составляет 50 млрд. руб. в год. Для повышения производительности макаронного пресса осуществляют термообработку теста (путем нагрева матрицы до 75...85°С) направленную на увеличение вязкости и клейстериза-цию крахмала. В настоящее время приоритетным направлением технической политики в агропромышленном комплексе является создание малогабаритной, надежной техники для организации переработки сырья у производителя [Постановление кабинета министров ЧР от 31.03.2009 № 103 «Развитие АПК ЧР и регулирование рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008...2015 годы»]. Кроме того, в технологических процессах переработки в сочетании с термообработкой сельскохозяйственной продукции, для обеспечения стабильного функционирования установок необходимы нетрадиционные источники тепла. Поэтому использование сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии для увеличения скорости нагрева теста, позволяющей формовать макаронные изделия высокого качества, актуально. Преобразование энергии электромагнитных излучений в тепло происходит непосредственно внутри продукта. В результате обеспечивается интенсивный фазовый переход капиллярной влаги в пар и резкий рост давления паровоздушной смеси внутри продукта. При этом влага выталкивается из внутренних слоев продукта к его поверхности, за счет действия сил термодиффузии, а за счет избыточного давления внутри капилляров, обеспечивается «взрывной» эффект, что может быть использовано для качественного изменения структуры макаронных изделий. Широкому внедрению СВЧ технологий препятствует сложность и дороговизна СВЧ источников. Альтернативным вариантом, упрощающим и удешевляющим СВЧ источник, является применение магнетронов бытовых микроволновых печей, выходной мощностью не более 1,2 кВт." Необходимую суммарную мощность можно получить групповым соединением подобных излучателей или иными конструктивными решениями.

Цель исследований. Повышение эффективности формования макаронных изделий путем совершенствования технологического процесса прессования теста при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты и обоснование режимов работы пресса.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие научные задачи:

1. Разработать методику воздействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона на тесто в шнековой камере (объемном резонаторе) для повышения эффективности формования макаронных изделий.

2. Составить алгоритм расчета, позволяющий обосновать конструкционные параметры пресса и режимы высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии электромагнитного поля СВЧ диапазона.

3. Обосновать режимы работы и конструкционные параметры резонаторной камеры для высокотемпературного формования макаронных изделий (удельную мощность СВЧ генератора, скорость термообработки макаронного теста, производительность, удельные энергетические затраты на формование изделия).

4. Разработать, создать и испытать в производственных условиях пресс с СВЧ генератором для высокотемпературного формования макаронных изделий.

5. Оценить технико-экономическую эффективность применения пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты.

Объект исследования. Технологический процесс высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ).

Предмет исследования. Выявление закономерностей процесса прессования теста при воздействии ЭМП СВЧ в объемном резонаторе (шнековой камере).

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории тепло- и массопереноса, основы теории электромагнитного поля, теории процесса прессования и формования пластических материалов. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с разработанными частными методиками, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработку результатов экспериментов выполняли с применением методов математической статистики и регрессионного анализа.

Научная новизна работы. Математическое обоснование процесса прессования макаронного теста при воздействии ЭМП СВЧ, позволяющее установить эффективную скорость термообработки теста в шнековой камере.

Полученные закономерности влияния технологических параметров пресса с СВЧ генератором (удельной мощности СВЧ генератора, исходной влажности и температуры макаронного теста, производительности нагнетательного шнека) на динамику эндогенного нагрева макаронного теста и качество изделия.

Предложенный пресс, имеющий новое конструктивное исполнение шнековой камеры, совмещающей функцию объемного резонатора СВЧ генератора для обеспечения высокотемпературного формования макаронных изделий с улучшенными показателями качества (заявка № 2011128514).

Практическая ценность. По результатам исследований изготовлен пресс для высокотемпературного формования макаронных изделий при эндогенном нагреве теста для сельских мельнично-пекарных комплексов малой мощности. Разработана методика определения рациональных режимов высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ.

Использование разработанного пресса при высокотемпературном формовании макаронных изделий позволяет получить продукт с требуемым качеством при удельных затратах энергии 0,186...0,22 кВт-ч/кг.

Реализация результатов исследований. Исследования по разработке пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий с применением электромагнитного излучения проводились в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА (2009...2012 г.г.). В рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био — нанотехнологий» по теме «Электротехнология переработки с.-х. продукции» изготовлен экспериментальный образец пресса, обеспечивающего высокотемпературное формование макаронных изделий. Производственное испытание пресса осуществлялось в ООО «Чебоксарская макаронно-кондитерская фабрика «Вавилон». Результаты научных исследований используются

в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», AHO ВПО «Региональный институт технологии и управления».

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях: международных -ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ» (г. Йошкар-Ола, 2010...2012 гг.), ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА» (г. Курск, 08.12.2010); всероссийских - ФГБОУ ВПО ЧГСХА (г. Чебоксары, 2010...2012 гг.). Работа, выполненная по теме диссертации, участвовала во всероссийском конкурсе — «Поддержка высокотехнологических инновационных молодежных проектов» (НАИРИТ) 5 октября 2010 г.

Установка демонстрировалась:

- на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, г. Чебоксары, июнь 2011 г.);

- на XVII межрегиональной выставке «Регионы сотрудничество без границ» (23...26 июня 2011 г., г. Чебоксары, MTB центр).

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 13 печатных работах, в том числе - 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, и в монографии «Макаронный пресс» объемом 10,75 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 127 наименований, и приложений. Работа изложена на 190 страницах, содержит 74 рисунка и 24 таблицы.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту: по первой специальности

- методика расчета рабочей камеры со встроенным СВЧ генератором, обеспечивающим эндогенный нагрев в процессе прессования макаронного теста;

- закономерности влияния технологических параметров пресса с СВЧ генератором (удельной мощности СВЧ генератора, исходной влажности и температуры макаронного теста, производительности шнека) на динамику эндогенного нагрева макаронного теста и на качество изделия;

- новое конструктивное исполнение шнековой камеры, совмещающей функцию объемного резонатора СВЧ генератора для обеспечения высокотемпературного формования макаронных изделий с улучшенными показателями качества;

по второй специальности

- теоретическое обоснование процесса прессования макаронного теста при воздействии ЭМП СВЧ, позволяющее выявить эффективную скорость термообработки теста в шнековой камере при разных удельных мощностях СВЧ генератора;

- экспериментальная оценка рациональных режимов высокотемпературного формования макаронных изделий и их влияния на показатели качества изделия.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, выделен объект исследований, а также приведены основные положения, выносимые на защиту. Основываясь на существующий способ высокотемпера-

турного формования макаронных изделий, нами предлагается воздействовать ЭМП СВЧ на тесто в процессе его формования для улучшения качества продукции.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен анализ ресурсов и объемов перерабатываемого сырья, существующих макаронных прессов, определены задачи исследований. Проанализированы физико-механические и диэлектрические параметры макаронного теста как объекта воздействия.

Системный анализ литературных источников:

в области разработки технологического оборудования для формования макаронных изделий, таких авторов, как: Хромеенкова В.М., Медведева Г.М. и др.,

в области электротехнологии - Бородина И.Ф., Башилова A.M., Воробьева В.А., Кириллова Н.К., Корчагина Ю.В., Кудрявцева И.Ф., Рогова И.А., Стребкова Д.С., Новиковой Г.В., Цугленок Н.В. и др.,

в области процессов и аппаратов — Кавецкого Г.Д., Лыкова A.B., Плаксина Ю.М., Гинзбурга A.C., Нетушила A.B. и др.,

а также в области теории объемных резонаторов - Атабекова Г.И., Пчельни-кова Ю.Н., Крылова H.H., Неймана М.С., Бунимовича В.И., Кисунько Г.В. и др. позволил усовершенствовать процесс формования макаронных изделий, разработать конструктивное исполнение рабочей камеры и выявить эффективную модель пресса с СВЧ генератором.

Во второй главе «Теоретические основы процесса формования макаронных изделий при воздействии электромагнитного поля СВЧ диапазона» приведены:

- обоснование выбора генератора электромагнитного излучения (ЭМИ СВЧ диапазона) с учетом спектральных характеристик теста;

- операционно-технологическая схема высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМИ СВЧ диапазона;

- обоснование электродинамической системы СВЧ генератора, обеспечивающей высокотемпературное формование макаронных изделий;

- обоснование добротности резонаторной камеры с учетом электрофизических параметров теста, мощности тепловых потерь в стенках резонатора с определенной удельной проводимостью материала, объема резонатора и площади его внутренней поверхности стенок;

- согласование напряженности электрического поля с добротностью объемного резонатора, электрофизическими параметрами макаронного теста, мощностью источника СВЧ излучения;

- обоснование продолжительности воздействия ЭМП СВЧ для обеспечения превышения температуры эндогенного нагрева макаронного теста до 55...65°С при разных удельных мощностях;

- согласование параметров нагнетательного шнека (скорости вращения вала шнека, диаметра вала и витка шнека, шага витков, угла подъема винтовой линии) с продолжительностью воздействия ЭМП СВЧ.

Известно, что в СВЧ диапазоне резонаторная камера характеризуется частотой, добротностью и активной проводимостью материала. Добротность резонаторной камеры будет тем выше, чем меньше ее поверхность при данном объеме. При конструировании объемного резонатора для снижения потерь СВЧ энергии на на-

грев стенок и увеличения кпд, стремились, при данной резонансной частоте, уменьшить емкость.

Рисунок 1 - Схема процесса высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМПСВЧ: 1 - магнетрон с элементами волновода, 2 - корпус, 3 - резонаторная камера, 4 - шнек-нагнетатель, 5 - макаронные пряди на нагнетательном шнеке, 6 - матрица, 7 - камера шнека-нагнетателя, 8 - привод шнека-нагнетателя, 9 - макаронные пряди после измельчителя, 10- измельчающий механизм, содержащий нож, решетку и прижимное устройство, 11 - подающий шнек, 12 - корпус подающего шнека, 13 - емкость для теста, 14 - загружаемое тесто, 15 - измеритель электромагнитных излучений ПЗ-ЗЗ, 16 - цифровой измеритель температуры Е5СЫ, 17 - фототахометр ДТ-2234А.

Технологические параметры соответствующих узлов: 1 - после измельчителя, 2 - в резонаторной камере, 3 - в нагнетательном шнеке; вь йг, вз -масса теста, соответственно, кг; Т], т2, т з - продолжительность воздействия, соответственно, с; V/, У2, Уз - скорость передвижения теста, соответственно, м/с; ДТь ДТ2, ДТз - превышение температуры в тесте, соответственно, °С; во - начальная масса тестовых прядей над шнеком, кг.

Тестовые пряди перемещаются в значительных пределах внутри резонатора, а процесс их механического перемещения медленный по сравнению с временем установления частоты магнетрона, поэтому генератор будет успевать отслеживать изме-

нение собственной резонансной частоты электродинамической системы, поддерживая необходимый уровень напряженности электрического поля в каждый момент времени в процессе формования изделия.

Технологический процесс (рис. 1) высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ включает следующие операции:

- передвижение макаронного теста через измельчающий механизм в резонатор-ную камеру в виде прядей, производительностью СЬ;

- эндогенный нагрев прядей теста в резонаторной камере ((ЗСВч), и в том числе в процессе прессования его в шнековой камере (С?ш) до матрицы;

- формование макаронных изделий, производительностью матрицы (•

Ниже приведен алгоритм согласования (состоящий из двух методик) конструкционных параметров и режимов работы пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ, разработанный на основе известных формул с учетом сложного профиля поперечности резонаторной камеры и изменений вязкости теста в зависимости от температуры эндогенного нагрева.

I. Методика обоснования параметров резонаторной камеры СВЧ генератора

1. Вводим исходные данные: необходимая производительность макаронного пресса с СВЧ генератором Стресс= 7... 10 кг/ч; превышение температуры макаронного теста АТ= 55...65°С, плотность теста 1,2...1,4 г/см3, влажность теста 28...30%, мощность источника СВЧ энергии Р = 800 Вт, частота электромагнитного поля / = 2450 МГц.

2. Добротность резонаторной камеры, приведенная Г.И. Атабековым, с учетом поперечного сечения разработанной нами резонаторной камеры, представленной в виде параболического сегмента (площадь параболического сегмента составляет 2/3 площади прямоугольника), и объема камеры, выбранного как V = А.3, составляет

„_со-1У0_ -а-Ь-с-у

2 ,а-с Ъ-с а Ь .

Г •(—5- + —5- +-+-)

Ъ а2 2 Ь 2 а

2

£о ' Ила ' 6)3 - А ■ — •Л3 - у

(1)

3— =*я-е0-у,

4 • л-2 -3 3'

где Щ, - энергия электромагнитного поля, запасенная в резонаторе, Вт-с; Р - активная мощность, затрачиваемая на потери от вихревых токов в стенках резонатора, на потери через щель в виде излучения, на потери в макаронном тесте, находящейся в резонаторной камере, Вт; со =2л■/ - частота электромагнитного поля, с"1; Еа - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м (8,85-10"12 Ф/м); Ц1а - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м (4я-10"7 Гн/м); а, в, с - размеры прямоугольной резонаторной камеры, стороны которой приняты равной длине волны, м;

у - удельная проводимость алюминия, из которого изготовлена резонаторная камера, См/м (3,45-107 См/м); X - длина волны, м (12,24 см);

Д - толщина поверхностного слоя резонатора (1,73 мкм), где вихревые токи равномерно распределены, определяется по формуле (2):

А =

,м. (2)

3. Добротность резонаторной камеры с учетом ее объема (Ю.Н. Пчельников)

2 = 2Г/(Д-5), (3)

где V - объем резонаторной камеры, м3(1800 см3); Б - площадь внутренней поверхности стенок резонатора, м2.

4. Добротность резонаторной камеры с учетом электрических параметров макаронного теста и мощности источника излучения

в = ~--1-> (4)

где Е - напряженность электрического поля, В/м; е, tgS - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь теста при влажности 29...30% и температуре 20°С (18,4 и 0,13); V] - объем теста в резонаторной камере, м3 (300...500 см3).

Отсутствие потерь на излучение, малая величина потерь в стенках камеры приводит к тому, что резонатор имеет высокую собственную добротность, достигающую 10000 и более.

Приравнивая значения добротностей из формул 3 и 4, определяем удельную мощность:

0,555-^-10 6■E■£0■£■tgS■Vrf■A■S , ><3 2 V

5. Продолжительность воздействия ЭМП СВЧна тесто с учетом формулы 5 _АТ-р-с __2У-АТ-р-с_

Руб-Л ~ 0,555■7t■l06■E■£o■£■tgS■Vl■f■A■S■lJ,C

где р - плотность теста при влажности 29...30%, кг/м3(1300...1400 кг/м ); С - удельная теплоемкость макаронного теста, кДж/кг °С (2,4 кДж/кг-°С); АТ-приращение температуры теста (°С) за промежуток времени т (с); Т] - термический кпд (0,67).

Принимая приращение температуры теста, равное 55...65°С, определяем продолжительность воздействия ЭМП СВЧ, т.е. г по формуле 6. С другой стороны продолжительность воздействия

(6)

т = Т1+ т2+ Тз/2, с,

(7)

где II — продолжительность воздействия на тестовые пряди после измельчителя, с; т2 - продолжительность воздействия на тестовые пряди, находящиеся над нагнетательным шнеком, с; т3 - продолжительность нагнетания теста шнеком, с.

6. Производительность СВЧ генератора с учетом формулы б

К-3600-р ,

Освч = --К кг/ч. (8)

т

II. Методика согласования параметров нагнетательного шнека и формующего механизма (Г.И. Стартов, Ф.Г. Зуев)

7. Производительность нагнетательного шнека

(Зш = 0,127-ф2 - <?У(Н-3)-(1- и • р-г<ош-3600, кг/ч, (9)

где Оис(- диаметры витка и вала шнека, м (31мм, 12мм, соответственно); Н - шаг витков шнека, м (15мм); 8 - толщина витка шнека в осевом направлении по наружному диаметру, м (1 мм); ка - коэффициент отставания; р - плотность материала кг/м3; у/ - коэффициент заполнения межвиткового пространства (0,9); а>ш - угловая скорость вращения шнека, с"1 (5,23 с"1).

8. Коэффициент отставания (ка) зависит от температуры нагрева Т теста, влияющей на его вязкость //, текучесть, коэффициент трения/тр

/тр=Нм,Т). (Ю)

9. Производительность формующего органа

Рм =(—)-Ар-р-3600,^/4, (11)

//

где км - величина, учитывающая геометрические параметры матрицы, м3; ц - коэффициент, определяющий физические свойства уплотненного макаронного теста (вязкость 400...580 Па-с при влажности 20...30%); Ар - перепад давления в прессовой головке (20...80 кПа).

10. Противоток макаронного теста уменьшающий подачу теста

(12)

<*.=(Кн-'»ш- — - АР) *10"2' 3600 •р.кг/ч V

где Кн- величина, учитывающая геометрию нагнетающего органа, м3; К2 - величина, учитывающая о&ьем нагнетания, м3.

11. Рабочее давление при равенстве производительности формующего органа и противотока теста

Ар = ——^-г-, Па.

Км+К2-10"2 (13)

12. Сравниваем значения производительности СВЧ генератора с производительностью шнека (9) и матрицы (12,13).

Варьируя удельной мощностью СВЧ генератора, величиной давления прессования и скоростью вращения шнека, достигаем равенства производительности всех рабочих органов (СВЧ генератора, нагнетательного шнека и матрицы пресса). Теоретические исследования показывают, что при удельной мощности СВЧ генератора 1,6...2,5 Вт/г, тестовые пряди массой 500 г, находящиеся в резонаторной камере, эндогенно нагреваются до 75...85°С за 160... 180 с. Производительность СВЧ генератора составляет 7...8 кг/ч.

Основная масса тестовой пряди (400...420 г) нагревается в процессе попадания в резонаторную камеру через измельчающий механизм и нахождения в ней. Тесто, находящееся между витками нагнетательного шнека (80... 100 г), перемещается к матрице за 13...25 с.

Движение макаронного теста в объемном резонаторе. Для обеспечения пульсирующего режима эндогенного нагрева макаронного теста к нижнему основанию резонаторной камеры пристыкована шнековая камера нагнетательного пресса, которая одновременно является частью объемного резонатора СВЧ генератора. Шнек-нагнетатель выполняет функции: перемещения и прессования макаронного теста; ограничения излучения в окружающую среду; обеспечения пульсирующего режима эндогенного нагрева. Такой режим происходит в процессе нагнетания спрессованного теста по цилиндрическому каналу шнека к матрице. Когда тесто находится между витками на верхней части шнека, оно эндогенно нагревается, а на нижней части - отволаживается, т. е. происходит процесс выравнивания давления, температуры, влажности по структуре теста (рис. 2).

/ / I \ \

Рисунок 2 - Макаронное тесто в шнеко-вой камере в процессе воздействия ЭМП СВЧ

В шнековом канале образуется для теста единый непрерывный путь по меж-витковому объему шнека. Непрерывная винтовая поверхность при вращении соприкасается с тестом и оказывает на него давление, происходит пластическая деформация частиц. Интенсивное перемешивание теста, равномерным распределением влаги в его массе в процессе эндогенного нагрева увеличивает его пластичность и текучесть. Основная масса влаги поглощается крахмалом, белковыми веществами, которые связывают частицы теста, что приводит к склеиванию их друг с другом клейко-винными пленками. Экранирование излучения в окружающее пространство при проведении непрерывного процесса, осуществляется за счет цилиндрической камеры шнека-нагнетателя и матрицы. Измельчающий механизм обеспечивает дозированную подачу тестовых прядей в резонаторную камеру, что исключает неравномерность структуры макаронного теста. Решетка измельчающего механизма перекрывает отверстие в резонаторной камере и экранирует излучение.

нагрев,

>тволаЖ(кЦние

В третьей главе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены частные методики исследований и характеристики использованной измерительной аппаратуры; машинно-аппаратная схема высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ; описания разработанного и изготовленного пресса с сверхвысокочастотным генератором. Источниками СВЧ энергии служили генераторы М\У71ЕЯ, М\У20МД, БЬ-бЗЬ 208, СЕ2830Ш, Н-М\\П317, работающие на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1,2 кВт. Экспериментальная установка изготовлена на базе пресса для производства макаронных изделий «Итилица - 5», производительностью 5 кг/ч, мощностью 0,55 кВт.

Контроль мощности привода нагнетательного шнека осуществляли с помощью цифрового измерителя мощности В2436АВ. Измерение массы теста в процессе исследований проводили с помощью электронных весов Е1Ч-405, а температуры в тесте и изделии - с помощью цифрового контролера Е5СИ, где для фиксации значения температуры использовали термопару. Определение давления прессования теста проводили с помощью граммометра часового типа ГЗ. Скорость вращения нагнетательного шнека и измельчающего механизма контролировали с помощью фототахометра ДТ - 2234А.

Контроль биологически опасных электромагнитных излучений (напряженность и плотность потока энергии) СВЧ установки осуществляли с помощью измерителя электромагнитных излучений ПЗ-ЗЗ (до 40000 МГц) в испытательной лаборатории ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашии».

Микробиологические исследования образцов продуктов проводили согласно стандартной методике в БУ «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии. Оценку пищевой ценности макаронных изделий проводили в ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике». Предварительное прессование и измельчение теста в виде прядей осуществляли с помощью волчка марки «Бриз» мощностью 1,2 кВт. Измельченное тесто превращалось в однородные связанные пластичные пряди и попадало в резонаторную камеру СВЧ генератора (рис. 3).

Рисунок 3 — Измельченное тесто в виде прядей в резонаторной камере

^¡""""'"ТИВЯЯ'ЧИ^И

Пресс макаронных изделий с СВЧ генератором собран из четырех модулей (рис. 4): 1 модуль - СВЧ генератор; 2 модуль - волчок, т.е. устройство, измельчающее тесто в виде прядей; 3 модуль - резонаторная камера; 4 модуль - механизм для формования макаронных изделий со шнеком - нагнетателем и формующей головкой. Исходное тесто подается в загрузочную емкость 13, измельчается с помощью волчка 11 в виде прядей, которые подаются в резонаторную камеру 3, где происходит процесс нагрева теста в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. Макаронные пряди попадают в зону нагнетательного шнека 4, где они заполняют меж-

13

витковое пространство. Далее тесто с помощью шнека-нагнетателя 4 выпрессовыва-ется через матрицу 6, где и происходит формование макаронных изделий.

Техническая новизна конструктивного исполнения пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ состоит в том, что он содержит резонаторную камеру с поперечным сечением, в виде параболического сегмента, причем ее нижним основанием служит камера со шнеком-нагнетателем, а верхним - генераторный блок с излучателем, направленным вовнутрь резонаторной камеры. При этом на боковой стороне резонаторной камеры вырезано отверстие, и установлена решетка измельчающего механизма, связанного с подающим шнеком, над которым смонтирована приемная емкость.

Рисунок 4 - Пространственное изображение пресса с СВЧ генератором: 1 - СВЧ генератор, 2 - корпус, 3 - резона-торная камера, 4 - шнек-нагнетатель, 5 -прижимное устройство, 6 - матрица с формующей решеткой, 7 - камера для шнека-нагнетателя, 8 - привод шнека-нагнетателя, 9 - измельчающий механизм, 10 - прижимное устройство измельчающего механизма, 11 - подающий шнек, 12 -корпус подающего шнека, 13 - емкость для теста

В четвертой главе «Результаты исследования технологического процесса высокотемпературного формования макаронных изделий» приведены результаты исследования: динамики эндогенного нагрева макаронного теста и изменения его вла-госодержания; давления прессования макаронных прядей опытного и контрольного вариантов; рабочей рецептуры макаронного изделия в зависимости от температуры и влажности теста. Представлены результаты оценки качества сырых и вареных макаронных изделий, микробиологических исследований изделий опытного и контрольного вариантов. Приведены результаты оптимизации дозы воздействия ЭМП СВЧ на тесто и режимов формования макаронных изделий с помощью шнека-нагнетателя и матрицы для достижения минимальных энергетических затрат. Ниже представлены графики изменения температуры в макаронном тесте влажностью 29...30 % в процессе воздействия ЭМП СВЧ при разной удельной мощности (рис. 5). Исследования показывают, что 55...65°С в тесте достигается при дозе воздействия 400...450 Вт-с/г.

Эмпирическое выражение, описывающее семейство кривых динамики нагрева макаронного теста:

ДГ = 36,4307 + 2,2378-Г-1,4647-^-0,0171т2-0,ОЗт-^ + 0,0059-/^,''С, (14)

где ДТ - превышение температуры макаронного теста, °С, г - продолжительность воздействия, с; Руд - удельная мощность, Вт/г.

Экспериментальные значения динамики эндогенного нагрева макаронного теста с достаточной доверительной вероятностью коррелируются с теоретическими данными, полученными по формуле 6.

Продолжительность воздействия, с

Рисунок 5 - Динамика нагрева макаронного теста в ЭМП СВЧ при

разной удельной мощности: 1-16 Вт/г; 2-8 Вт/г; 3 - 2,5 Вт/г

Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхность отклика и их двумерные сечения в изолиниях модели удельных энергетических затрат в зависимости от превышения температуры и продолжительности формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ на тесто, влажностью 30% (рис. 6).

3D Contour Plot (NEW.STA 10v*11c) z=4056,233-129.917*x-19,099'y+1,081 *x*x+0,411 *х*у-0,007*у*У

55 60 Превышение температуры, С

Рисунок 6 - Двумерные сечения в изолиниях трехфакторной модели удельных энергетических затрат в зависимости от превышения температуры и продолжительности формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ на тесто, влажностью 30%

Эмпирическое выражение модели удельных энергетических затрат на формование макаронных изделий при постоянной влажности теста 30%:

Эуд = 4056,233-129,917 ДГ-19,099-7 + 1,081-ДГ2

+0,411-ДГ -т -0^007,;тг„Вт -с /г. (15)

Исследовали необходимое давление прессования макаронного теста контрольного и опытного вариантов в предматричной зоне нагнетательного шнека. Давление прессования эндогенно нагретых до 85°С макаронных прядей составляет 21,45 кПа, а не нагретых - 27,76 кПа (рис. 7). Это позволит увеличить производительность нагнетательного шнека до 30%, с учетом снижения противотока макаронного теста. Давление прессования сырых макаронных изделий опытных образцов повышается с 30 кПа до 33,94 кПа, т. е. на 31% за счет улучшения процессов денатурации белка и клейстеризации крахмала при воздействии ЭМП СВЧ.

Рисунок 7 - Давление прессования макаронного теста и изделия контрольного и опытного вариантов: 1 - макаронное тесто; 2 - измельченные макаронные пряди; 3 - сырые макаронные изделия

В ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике» проведены исследования качества сырых макаронных изделий трех проб:

- 1 проба - контрольный образец, формование макаронных изделий без воздействия ЭМП СВЧ;

- 2 проба - формование макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ, удельной мощностью 0,8 Вт/г;

- 3 проба - формование макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ, удельной мощностью 1,6 Вт/г.

Результаты исследования показали, что снижаются: влажность сырых макаронных изделий на 2 %; бактериальная обсемененность в 4 раза; кислотность с 6,2 до 3 градусов Тернера; сухое вещество, перешедшее в варочную воду, с 16,5 % до 11,8%.

Такие изменения свидетельствуют о возможности увеличения продолжительности хранения сырых макаронных изделий. За счет воздействия ЭМП СВЧ происходит подавление жизнедеятельности микроорганизмов в макаронном тесте с сохранением вкусовых качеств. Микробиологические исследования макаронного теста и сырых изделий опытного и контрольного вариантов проводили в четырехкратной повторности в государственном учреждении «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии. Исследовали тесто с разной бактериальной загрязненностью, когда в исходном сырье общее микробное число (ОМЧ) составляло (4...6)105 КОЕ/г и (4,5...4,8) 104 КОЕ/г.

Рисунок 9 - Опытный образе! пресса с СВЧ генератор« (а) и макаронные изделия процесс высокотемпературного формования (б)

Контрольным вариантом служили сырые макаронные изделия, полученные с помощью пресса без воздействия ЭМП СВЧ. Опытным вариантом служили макаронные изделия, полученные при дозе воздействия ЭМП СВЧ 125 Вт-ч/кг. Проведенные экспериментальные исследования бактериальной обсемененности макаронных изделий в зависимости от дозы воздействия ЭМП СВЧ показали, что допустимая норма общего микробного числа в изделии 50 тыс. КОЕ/г достигается при дозе выше 120 Вт-ч/кг, что соответствует температуре эндогенного нагрева макаронных прядей 85°С. Из анализа данных вытекает, что снижение общего микробного числа в изделии с (4,5...4,8)-104 КОЕ/г до 1,2-104 КОЕ/г происходит при удельной мощности 1,6...2,5 Вт/г и общей продолжительности эндогенного нагрева 160...180 с.

Оценка результатов исследований ОМЧ в макаронном изделии с помощью критериев Фишера и Стьюдента показала, что полученная математическая модель процесса обеззараживания изделий значима. Общий вид опытного образца макаронного пресса приведен на рис. 9, а его техническая характеристика в табл. 1.

Таблица 1 - Технические характеристики пресса с применением

СВЧ генератора

Производительность, кг/ч 7...8

Объемная масса теста, кг/м3 1330...1400

Потребляемая мощность СВЧ генератора, Вт 1200

Общие удельные энергетические затраты, Вт -ч/кг 186...220

Потребляемая мощность пресса, Вт 1750

Габариты, мм 600 х 360 х 480

Известно, что на месте нахождения обслуживающего персонала мощность потока СВЧ энергии не должна превышать 1000 мкВт/см2. Непосредственно около макаронного пресса мощность потока излучений составляет 70...260 мкВт/см , что подтверждено протоколом № Ф-024-Д-2012 ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашии». По мере удаления от СВЧ генератора на 2

м, поток электромагнитного излучения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния до нуля.

В пятой главе «Экономическая оценка результатов исследований» представлен расчет технико-экономического обоснования результатов исследований. Экономический эффект от применения пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ производительностью 7...8 кг/ч составляет 83872,32 руб./год при объеме выпускаемой продукции свыше 23,52 т/год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа техники и технологий, физико-механических, теплофи-зических и электрофизических параметров макаронного теста и изделий

установлено, что основным направлением, позволяющим снизить энергетические затраты на формование макаронных изделий с улучшенными качествами, с продлением срока их хранения является интенсификация процесса путем воздействия энергией электромагнитного излучения СВЧ диапазона на тесто в процессе прессования.

2. Обоснована электродинамическая система СВЧ генератора, обеспечивающая однородность воздействия электромагнитного излучения на сырье в любой части внутреннего объема резонаторной камеры.

Согласованы конструкционные размеры резонаторной камеры с ее добротностью, обеспечивающей эффективную напряженность электрического поля 100...200 В/см, и соответствующие удельные диэлектрические потери в макаронном тесте, плотностью 1,2. ..1,4 г/см3 для эндогенного нагрева до 75...85°С.

Выявлены эффективные режимы высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ на основе разработанного алгоритма согласования конструкционных и технологических параметров пресса.

Согласованы математические выражения производительности СВЧ генератора с производительностью нагнетательного шнека и матрицы, свидетельствующие о возможности ускорения перемещения частиц продукта в осевом направлении за счет уменьшения вязкости и повышения текучести теста эндогенным нагревом в процессе формования макаронных изделий.

Обосновано сочетание шага (15 мм), диаметра вала (12 мм) и витков (31 мм) нагнетательного шнека, частоты его вращения (50 мин"1), обеспечивающее наименьшую дисперсию распределения мощности потока СВЧ энергии в сырье, при пульсирующем режиме воздействия, позволяющем выравнивать давление, влажность и температуру по структуре изделия.

3. Через эмпирические выражения, описывающие: динамику эндогенного нагрева макаронного теста разной плотности и влажности, изменение бактериальной обсемененности в изделии при разных дозах воздействия, определены основные технологические параметры:

эффективная продолжительность воздействия до достижения температуры 75...85°С в изделии составляет 160...180 с; удельная мощность СВЧ генератора -1,6...2,5 Вт/г; удельные энергетические затраты на высокотемпературное формование макаронных изделий - 0,186...0,22 кВт-ч/кг.

4. Разработанный пресс для высокотемпературного формования макаронных изделий производительностью 7...8 кг/ч позволяет:

измельчать макаронное тесто в виде прядей, подавать их в объемную резона-торную камеру; нагнетать пряди теста с помощью шнека к формующей матрице при воздействии ЭМПСВЧ; отволаживать эндогенно нагретое прессованное тесто и

ускорять процесс выпрессовывания макаронных изделий через формующую матрицу-

Экспериментально подтверждены теоретические значения производительности нагнетающей и формующей части пресса, обеспечивающего необходимое давление прессования при обоснованных физико-механических параметрах сырья (влажности теста 28...30%, плотности 1200...1390 кг/м3).

Обоснованные параметры шнека-нагнетателя и эффективные дозы воздействия ЭМП СВЧ обеспечили:

снижение давления прессования в предматричной зоне с 27,8 кПа до 21,5 кПа, что позволяет увеличить скорость прессования теста до 30%;

повышение давления, выдерживаемого сырыми макаронными изделиями при воздействии ЭМП СВЧ на 31% за счет улучшения процессов денатурации белка и клейстеризации крахмала.

5. Проведенная оценка качества сырых и вареных макаронных изделий свидетельствует о соответствии структуры опытных изделий нормативным данным [СанПиН 2.3.2. 1078-01 п. 1.4.5.2., ГОСТ Р 51865-02]. При этом снижаются: влажность сырых макаронных изделий на 2 %; сухое вещество, перешедшее в варочную воду, с 16,5 % до 11,8 %; кислотность с 6,2 до 3 градусов Тернера (протокол испытания № 84 от 07. 02. 2012 г. ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике»).

Результаты микробиологического исследования сырых макаронных изделий подтверждают эффективность термообработки теста воздействием электромагнитного поля СВЧ диапазона, позволяющим снизить общее микробное число в макаронном изделии в 4 раза.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

- публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Иванов, B.C. Технология формования макаронных изделий с применением электромагнитного поля сверхвысокой частоты / B.C. Иванов, Г.В. Новикова // Вестник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева». - Чебоксары: 2011, № 2 (70). - С. 42...44.

2. Иванов, B.C. Установка для высокотемпературного формования макаронных изделий / B.C. Иванов, М.В. Белова // Вестник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева». - Чебоксары: 2011, №2 (70).-С. 45...48.

3. Иванов, B.C. Пресс для макаронных изделий / B.C. Иванов, Г.В. Новикова // Механизация и электрификация сельского хозяйства, №12,2011.- С. 26...27.

4. Иванов, B.C. Алгоритм согласования конструкционных и режимных параметров макаронного пресса с СВЧ генератором / B.C. Иванов, М.В. Белова // Вест-

ник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева». - Чебоксары: 2010, № 2 (74). - С. 52...55.

- публикации в сборниках научных трудов и материалов конференций:

5. Иванов, B.C. Макаронный пресс / B.C. Иванов, Н.К. Кириллов, Г.В. Новикова // Монография. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - 160 с.

6. Иванов, B.C. Высокотемпературное формование макаронных изделий / B.C. Иванов, Г.В. Новикова // Материалы всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора Кузнецова А.И. - Чебоксары: ЧГСХА, 2010. - С. 81...83.

7. Иванов, B.C. Сверхвысокочастотный пресс макаронных изделий / B.C. Иванов, Г.В. Новикова // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству», посвященная 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - часть 2. - С. 45...49.

8. Иванов, B.C. Разработка СВЧ пресса для формования макаронных изделий / B.C. Иванов, Г.В. Новикова // Материалы 7 всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства», посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА. - Чебоксары: ФГОУ ВПО ЧГСХА, 2011. - С. 282...284.

9. Иванов, B.C. Формование макаронных изделий с применением ЭМП СВЧ / B.C. Иванов, Г.В. Новикова // Материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Модернизация АПК в контексте обеспечения продовольственной безопасности государства». - Курск: Курская ГСХА, 2011.-С. 87... 89.

10. Иванов, B.C. Установка для высокотемпературного формования макаронных изделий / B.C. Иванов, М.Н. Никитин // Материалы научно-практической конференции «Студенческая наука для развития Чувашии», посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА, том 1. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - С. 361...362.

11. Иванов, B.C. Технология формования макаронных изделий с применением электромагнитного поля сверхвысокой частоты / B.C. Иванов, A.B. Федоров // Материалы научно-практической конференции «Студенческая наука для развития Чувашии», посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА, том 1. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011.-С. 373...374.

12. Иванов, B.C. Формование макаронных изделий с применением ЭМП СВЧ / B.C. Иванов // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Выпуск 13. - Йошкар-Ола: Марийский ГУ, 2011. - С. 151...152.

13. Иванов, B.C. Сверхвысокочастотный пресс макаронных изделий / B.C. Иванов // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Выпуск 14. - Йошкар-Ола: Марийский ГУ, 2012. - С. 141...143.

Подписан в печать 02.05.2012 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Отпечатано с оригинала —макета.

Полиграфический отдел, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 428003, г. Чебоксары, ул. К.Маркса, 29. Лицензия ПЛД № 27-36.

61 12-5/2726

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

ИВАНОВ Виталий Станиславович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАКАРОННОГО ПРЕССА С СВЧ ГЕНЕРАТОРОМ ДЛЯ СЕЛЬХОЗПРЕДПРИЯТИЙ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., профессор Г.В. Новикова

Чебоксары - 2012

Содержание

стр.

Введение 5

1 Состояние вопроса и задачи исследования 11

1.1 Анализ ресурсов и объемов производства макаронных изделий 11

1.2 Анализ способов и оборудования, предназначенного для формо- 13 вания макаронных изделий

1.3 Физико-механические свойства теста и макаронных изделий 20

1.4 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 30

2 Теоретические основы процесса формирования макаронных изделий при воздействии электромагнитного поля СВЧ диапа- 32 зона

2.1 Схема процесса формования макаронных изделий 32

2.2 Элементы теории взаимодействия рабочего органа с сырьем 37

2.2.1 Обоснование электродинамической системы СВЧ генератора, обеспечивающей высокотемпературное формование макаронных изделий 37

2.2.2 Анализ эффективности взаимодействия ЭМИ с продукцией 42

2.2.3 Определение добротности резонаторной камеры СВЧ генератора 47

2.2.4 Согласование добротности объемного резонатора с напряженностью электрического поля 52

2.3 Обоснование процесса диэлектрического нагрева макаронного теста 53

2.3.1 Определение мощности СВЧ генератора, обеспечивающей высокотемпературное формование макаронных изделий 53

2.3.2 Теоретические исследования динамики нагрева макаронного теста 55

2.4 Влияние параметров нагнетательного шнека на процесс формование макаронных изделий 60

2.4.1 Расчет параметров нагнетательного шнека 60

2.4.2 Схема сил, действующих на частицы теста при вращении нагнетательного шнека 67

2.5 Алгоритм согласования конструкционных и технологических параметров пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМПСВЧ 74

2.6 Эффективные режимы и конструкционные параметры пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМП СВЧ 80

2.7 Выводы по главе 81

3 Методика и средства экспериментальных исследований 83

3.1 Программа исследований 83

3.2 Частные методики исследований и измерительная аппаратура 84

2

3.3 Методы контроля качества макаронного теста и сырых макаронных изделий 86

3.4 Разработанный пресс для высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМПСВЧ 91

3.5 Выводы по главе ЮЗ 4 Результаты исследования технологического процесса высокотемпературного формования макаронных изделий

4.1 Исследование параметров, характеризующих работу пресса ма- 104 каронных изделий с использованием энергии ЭМПСВЧ

4.1.1 Согласование продолжительности эндогенного нагрева со скоростью перемещения теста через объемный резонатор СВЧ генератора

4.1.2 Результаты экспериментальных исследований динамики эн- 104

догенного нагрева макаронного теста 105

4.2 Результаты исследования технологического процесса высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии 114 ЭМПСВЧ

4.2.1 Определение максимальной нагрузки, выдерживаемой макаронным тестом Ц4

4.2.2 Расчет рабочей рецептуры макаронных изделий 120

4.2.3 Оценка качества сырых макаронных изделий 125

4.2.4 Микробиологические исследования теста и сырых макаронных изделий 130

4.2.5 Результаты исследования удельных энергетических затрат на высокотемпературное формование макаронных изделий при воздействии ЭМПСВЧ 1 з б

4.3 Выводы по главе 143

5 Экономическая оценка результатов исследований 145

5.1 Технико-экономическая оценка применения пресса для высоко- 145 температурного формования макаронных изделий при воздействии ЭМПСВЧ

5.2 Рекомендации производству по высокотемпературному формованию макаронных изделий прессом, содержащим СВЧ генератор 152

5.3 Требования по технике безопасности при работе с прессом для высокотемпературного формования макаронных изделий 154 Заключение 158 Список использованных источников 160 Приложения

Приложение А. Акты (справки) об использовании (внедрении) результатов научно-исследовательской работы в учебном процессе Приложение Б. Акты испытаний научно-исследовательской работы в производственных условиях 172

Приложение В. Акты о результатах микробиологических исследований сырых макаронных изделий 174

3

168

Приложение Г. Протокол измерений электромагнитных излучений

около пресса макаронных изделий 177

Приложение Д. Протокол экспертной оценки качества сырых макаронных изделий 179 Приложение Е. Документы о регистрации заявки на изобретения 181 Приложение Ж. Расчетные коэффициенты для построения поверхностей отклика и двумерных сечений моделей 183 Приложение 3. Расчет конструкционных и технологических параметров пресса макаронных изделий 184 Приложение К. Узлы макаронного пресса в процессе его изготовления 188 Приложение JL Диплом 190

Введение

Актуальность. Под макаронными изделиями понимаются продукты из теста, чаще всего из пшеничной муки с водой. Существует огромное количество видов макаронных изделий. Лидером в выпуске макаронных изделий является Италия, где объем производства составил 3,2 млн. тонн. На втором месте по выпуску данного вида продуктов - США (порядка 2 млн. тонн), а Россия - на четвертом месте. Потребление макаронных изделий на душу населения в Италии составляет 26 кг, в России - 6...7 кг. За 5 лет в России, объем выпуска макаронных изделий вырос на 10,7% [12].

Анализ ресурсов и объемов производства макаронных изделий показал, что объем производства в 2011 г. в России достиг одного миллиона тонн, в Чувашской республике - 15 тыс. тонн (рис. 1.1). Объем потребительского рынка макаронных изделий составляет 50 млрд. руб. в год. Для повышения производительности макаронного пресса осуществляют термообработку теста (путем нагрева матрицы до 75...85°С) направленную на увеличение вязкости и клей-стеризацию крахмала. В настоящее время приоритетным направлением технической политики в агропромышленном комплексе является создание малогаба-

ЧУ V»

ритнои, надежной техники для организации переработки сырья у производителя [Постановление кабинета министров ЧР от 31.03.2009 № 103 «Развитие АПК ЧР и регулирование рынка сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008...2015 годы»]. Кроме того, в технологических процессах переработки в сочетании с термообработкой сельскохозяйственной продукции, для обеспечения стабильного функционирования установок необходимы нетрадиционные источники тепла. Поэтому использование сверхвысокочастотной (СВЧ) энергии для увеличения скорости нагрева теста, позволяющей формовать макаронные изделия высокого качества, актуально.

ОАО "Новочебоксарская макаронная фабрика "РОССИЯНКА", ООО Чебоксарская макаронно-кондитерская фабрика "Вавилон" являются лидерами по производству макаронных изделий в Чувашской республике. Вся продукция

фабрики вырабатывается на современном оборудовании зарубежного произво-

5

дителя из высококачественного сырья, а также с применением последних технологий и достижений в этой сфере производства, что в совокупности позволяет получить продукцию отменного качества. Производительность линии - 10 тонн в сутки.

Производственная мощность ОАО "Новочебоксарская макаронная фабрика "РОССИЯНКА" составляет 0,012 млн. тонн макаронных изделий в год, производительность линии - 0,7 т/ч.

Известно, что для формования макаронных изделий используют экстру-деры с шнековым нагнетанием теста в предматричную камеру, на выходе из которой установлена матрица с формующими отверстиями. С целью повышения производительности пресса осуществляют термообработку теста, путем нагрева матрицы. Формование макаронных изделий через нагретую матрицу сопровождается положительными изменениями свойств белка и крахмала. При высокотемпературном способе формования рекомендуется оптимальные температуры нагрева матрицы - 75...85°С [112]. Изготовленная из фторопласта матрица снижает прилипания теста к формующим ее каналам.

Термообработка изделия при высокотемпературном режиме замеса теста обеспечивает возможность их длительного хранения. Подобный эффект достигается при использовании высокотемпературного режима формования сырых изделий через горячие матрицы, а еще большей степени - путем кратковременной СВЧ обработки выпрессовываемых сырых изделий [79, с. 214]. Сокращение расхода энергии на формование макаронных изделий при высоком качестве продуктов возможно, при увеличении скорости нагрева за счет использовании СВЧ энергии. Преобразование энергии микроволн в тепло происходит непосредственно внутри продукта. В результате обеспечивается интенсивный фазовый переход капиллярной влаги в пар и резкий рост давления паровоздушной смеси внутри продукта. При этом влага выталкивается из внутренних слоев материала к его поверхности, за счет действия сил термодиффузии, а за счет избыточного давления внутри капилляров, обеспечивается «взрывной» эффект,

что может быть использовано для качественного изменения структуры изделий.

6

В разработанных технологических процессах основу составил принцип комбинированной обработки продуктов, согласно которому СВЧ энергия используется для достижения качественно новых эффектов.

Широкому внедрению СВЧ технологий препятствует сложность и дороговизна СВЧ источников. Альтернативным вариантом, упрощающим и удешевляющим СВЧ источник, является применение магнетронов бытовых микроволновых печей, выходной мощностью не более 1,2 кВт. Необходимую суммарную мощность можно получить групповым соединением подобных излучателей или иными конструктивными решениями. Экспериментальная установка изготовлена на базе машины для производства фигурных изделий из теста «Итилица - 5», производительностью 5 кг/ч, мощностью 0,55 кВт, единовременной загрузкой 1,34 кг [1]. Машина обладает простотой и удобством в обслуживании. При новой технологии вермишель, лапша и т.п. приобретают высокие вкусовые и потребительские свойства.

Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ФГОБУ ВПО «Чувашская ГСХА» на 2009...2012гг. «Разработка энергосберегающих, экологически безопасных технологий и технических средств для переработки продукции растениеводства».

Цель исследований. Повышение эффективности формования макаронных изделий путем совершенствования технологического процесса прессования теста при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты и обоснование режимов работы пресса.

Объект исследования. Технологический процесс высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМПСВЧ.

Предмет исследования. Закономерность процесса прессования теста при воздействии ЭМП СВЧ в шнековой камере (объемном резонаторе).

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории тепло- и массопереноса, основы теории электромагнитного поля, теории процесса прессования макаронного теста. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соот-

7

ветствии с разработанными частными методиками, а также с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Основные расчеты и обработку результатов экспериментов выполняли с применением методов математической статистики и регрессионного анализа, прикладного программного обеспечения в виде офисных программ общего назначения и специализированных математических пакетов.

Научная новизна работы. Математическое обоснование процесса прессования макаронного теста при воздействии ЭМП СВЧ, позволяющее установить эффективную скорость термообработки теста в шнековой камере.

Полученные закономерности влияния технологических параметров пресса с СВЧ генератором (удельной мощности СВЧ генератора, исходной влажности и температуры макаронного теста, производительности нагнетательного шнека) на динамику эндогенного нагрева макаронного теста и качество изделия.

Предложенный пресс, имеющий новое конструктивное исполнение шнековой камеры, совмещающей функцию объемного резонатора СВЧ генератора для обеспечения высокотемпературного формования макаронных изделий с улучшенными показателями качества (заявка № 2011128514).

Практическая ценность. По результатам исследований изготовлен пресс для высокотемпературного формования макаронных изделий при эндогенном нагреве теста для сельских мельнично-пекарных комплексов малой мощности. Разработана методика определения рациональных режимов высокотемпературного формования макаронных изделий при воздействии ЭМПСВЧ.

Использование разработанного пресса при высокотемпературном формовании макаронных изделий позволяет получить продукт с требуемым качеством при удельных затратах энергии 0,186...0,22 кВт-ч/кг, что на 37% ниже по сравнению с базовым прессом, содержащим матрицу с электрообогревателем, удельные энергетические затраты которого 0,35 кВт-ч/кг.

Реализация результатов исследований. Исследования по разработке

пресса для высокотемпературного формования макаронных изделий с приме-

8

нением электромагнитного излучения проводились в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА (2009...2012 г.г.). В рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био - нанотехнологий» по теме «Электротехнология переработки с.-х. продукции» изготовлен экспериментальный образец пресса, обеспечивающего высокотемпературное формование макаронных изделий. Производственное испытание пресса осуществлялось в ООО «Чебоксарская макаронно-кондитерская фабрика «Вавилон». Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», AHO ВПО «Региональный институт технологии и управления».

Апробация работы. Основные научные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях: международных - ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ» (г. Йошкар-Ола, 2010...2012 гг.), ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА» (г. Курск, 08.12.2010); всероссийских - ФГБОУ ВПО ЧГСХА (г. Чебоксары, 2010.. .2012 гг.). Работа, выполненная по теме диссертации, участвовала во всероссийском конкурсе - поддержка высокотехнологических инновационных молодежных проектов (НАИРИТ) 5 октября 2010 г.

Установка демонстрировалась:

- на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, г. Чебоксары, июнь 2011 г.);

- на XVII межрегиональной выставке «Регионы сотрудничество без границ» (23...26 июня 2011 г., г. Чебоксары, MTB центр).

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 13 печатных работах, в том числе - 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, и в монографии «Макаронный пресс» объемом 10,75 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из

введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы,

9

включающего 127 наименований и приложений. Работа изложена на 190 страницах, содержит 74 рисунка и 24 таблицы.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

по первой специальности

- методика расчета рабочей камеры со встроенным СВЧ генератором, обеспечивающим эндогенный нагрев в процессе прессования макаронного теста;

- закономерности влияния технологических параметров пресса с СВЧ генератором (удельной мощности СВЧ генератора, исходной влажности и температуры макаронного теста, производительности шнека) на динамику эндогенного нагрева макаронного теста и на качество изделия;

- новое конструктивное исполнение шнековой камеры, совмещающей функцию объемного резонатора СВЧ генератора для обеспечения высокотемпературного формования макаронных изделий с улучшенными показателями качества;

по второй специальности

- теоретическое обоснование процесса прессования макаронного теста при воздействии ЭМП СВЧ, позволяющее выявить эффективную скорость термообработки теста в шнековой камере при разных удельных мощностях СВЧ генератора;

- экспериментальная оценка рациональных режимов высокотемпературного формования макаронных изделий и их влияния на показатели качества изделия.

1 Состояние вопроса и задачи исследования 1.1 Анализ ресурсов и объемов производства макаронных изделий

В 2009 году объем выпуска макаронных изделий в России составил 0,962 млн. тонн (рис. 1.1). За последние 5 лет объем выпуска макаронных изделий вырос на 10,7%. Одним из ведущих производителей макаронных изделий в России является ОАО «Макфа», входящая в пят