автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование многосекционного роторно-пульсационного аппарата для производства аэрированных продуктов питания

На правах рукописи

СВЕТКИНА ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСЕКЦИОННОГО РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОГО АППАРАТА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЭРИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ

Специальность: 05.18.12 — процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Иванец Г.Е.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Буянов О. Н. - кандидат технических наук Плотников П.В.

Ведущая организация — ОАО «Кемеровский хладокомбинат»

Защита состоится «20» октября 2006 г. в «1330» - час. на заседании диссертационного совета К 212.089.01 при ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности.

Автореферат разослан «15» сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Бакин И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в стратегии развития пищевой промышленности главное внимание обращается на качество пищевых продуктов и их соответствие медико-биологическим требованиям. Научные исследования должны быть нацелены на создание и модернизацию энергетически выгодных технологий, обеспечивающих комплексную безотходную переработку сырья, и производство экологически безопасных продуктов питания с учетом потребностей различных возрастных хрупп.

Важным процессом, используемом в пищевой промышленности, является пенообразование. При восстановлении сухого обезжиренного молока возможно образование газожидкостных систем. Способность восстановленного молока к пенообразованию используется для производства молочных взбитых (аэрированных) продуктов. Такие продукты обладают рядом ценных для организма человека свойств. Содержащийся в продукте кислород активизирует моторные, ферментативные и секреторные функции желудочно-кишечного тракта, нормализует микрофлору кишечника, ускоряет метаболические процессы. Функциональные свойства аэрированных продуктов специалисты объясняют тем, что через желудок в ткани поступает примерно в 10 раз больше кислорода, чем через легкие. Все это доказывает целесообразность получения комбинированных аэрированных продуктов и разработку новых аппаратов для их приготовления;

При разработке новых аппаратов для производства аэрированных продуктов необходимо учитывать различные методы интенсификации технологических процессов. Для создания условий, обеспечивающих получение высокосортных аэрированных продуктов, снижение издержек производства, решающее значение имеет максимальная механизация, автоматизация и интенсификация производственных процессов. Однако, все эти мероприятия, могут быть внедрены в практику только после всестороннего изучения свойств сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, разработки объективных методов определения готовности продукции и исследования новых физических способов обработки, позволяющих ускорить технологический процесс.

Аппараты, применяемые в настоящее время в пищевой, химической и других отраслях промышленности, на стадиях гомогенизации и диспергирования имеют ряд серьёзных недостатков и зачастую не удовлетворяют современным требованиям по производительности и качеству продукции. Поэтому задача совершенствования существующих конструкций аппаратов, например, за счёт организации интенсивного перемешивания, обеспечивающего значительный рост поверхности раздела фаз, концентрацию значительного количества энергии в малых объёмах и т.д. является, безусловно, актуальной.

Цель работы. Разработка и исследование многоцелевого многосекционного роторно-пульсационного аппарата для производства аэрированных продуктов в результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в работе , решались следующие основные задачи:

• математическое описание и анализ процесса аэрирования и гомогенизации в непрерывно-действующем агрегате роторно-пульсационного типа с раз' ' ' личной топологией перерабатываемых потоков газожидкостных компонентов на основе кибернетического подхода с использованием ЭВМ;

' • создание новой конструкции многоцелевого многосекционного РПА;

• исследование напорных и энергетических характеристик многосекционного роторно-пульсационного аппарата с целью выявления рациональных параметров его настройки;

• проверка разработанной математической модели на адекватность реальному процессу.

Научная новизна. Разработана математическая модель многосекционного роторно-пульсационного агрегата с различной топологией перерабатывае-' 'мых потоков, определяющая согласованные режимы работы МРПА и дозирующих устройств. По результатам проведенных исследований, получены зависимости напорных и энергетических характеристик непрерывно-действующего агрегата от его конструктивных и технологических параметров. Получены результаты исследований процесса аэрирования взбитых продуктов в РПА; доказана целесообразность применения многоцелевого МРПА для проведения стадий гомогенизации и диспергирования при получении взбитых продуктов питания.

Практическая значимость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и аэрирования жидких продуктов позволили разработать новую конструкцию многосекционного РПА, техническая новизна которого защищена патентом РФ.

При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадии гомогенизации и аэрирования при получении взбитого молочного продукта.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИПП при подготовке бакалавров и магистров, а также при выполнении дипломных научных работ студентами технологических выпускающих кафедр.

Автор защищает: новую конструкцию многоцелевого многосекционного роторно-пульсационного аппарата предназначенного для проведения процесса аэрирования, гомогенизации и диспергирования в газожидкостных системах; математическое описание процесса гомогенизации при газонасыщении с использованием методов кибернетического анализа, позволяющего подобрать рациональные параметры работы непрерывно - действующего многосекционного РПА; результаты исследования различных вариантов настройки многосек-' ционного РПА; целесообразность использования многоцелевого многосекционного РПА для проведения стадий гомогенизации и диспергирования при получении взбитых аэрированных молочных продуктов.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на ежегодных научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2003—2006 г.г.); всероссийской научно-технической конференции «Наука, технологии, инно-

вации». Новосибирск, 2003; всероссийской научно-практической конференции «Технология и техника агропромышленного комплекса». Улан-Удэ, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 1 в центральном журнале, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений; включает 51 рисунок, 15 таблиц. Основной текст изложен на 127 страницах машинописного текста, приложения — на 20 страницах. Список литературы включает 132 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика.

В первой главе рассмотрены конструкции аппаратов, применяемых для получения аэрированных продуктов в пищевой промышленности. Показаны возможности интенсификации процессов аэрирования, гомогенизации и диспергирования за счет применения РПА. Сформулированы основные направления повышения их эффективности. Рассмотрены методы моделирования процессов гомогенизации в РПА. Показано, что наиболее перспективным является метод на основе кибернетического подхода, отражающий физику процесса путем подбора различных комбинаций элементарных моделей.

Во второй главе рассмотрены вопросы математического моделирования процессов гомогенизации аэрированных комбинированных продуктов. Методы исследования базируются на кибернетическом подходе, когда рассматриваемый непрерывнодействующий агрегат представляется в виде динамической системы, характеризующейся известной топологией, соответствующими структурной и параметрической типами организаций движения потоков, и подверженной определенным внешним воздействиям.

Для анализа применены методы цифрового моделирования динамических систем на базе автоматизированного комплекса. Объектом исследования явились системы, состоящие из дозирующего блока и многосекционного ро-торно-пульсационного аппарата (МРПА). При этом входные воздействия на МРПА со стороны дозирующе-питающего устройства имели форму импульсов непрерывно-переменного типа. Функционально-структурная схема многосекционного роторно-пульсационного устройства представлена на рис. 1.

Рис. 1. Функционально-структурная схема многосекционного роторно-пульсационного устройства

На основании законов преобразования структурных схем передаточная функция (ПФ) всей системы АУв^) будет иметь вид:

л ,

(1)

/=1

где П'ф) - ПФ МР11А;

Я

- ПФ блока дозаторов.

1=1 .-,■..

Предполагалось, что дозаторы выполнены идентичной конфигурации и являются инерционными звеньями. В этом случае ПФ дозатора будет иметь вид:

^(5)'= — *!—, (2)

7)-5 + 1

где 7)-— постоянная времени дозатора;

К/ — коэффициент передачи дозатора;

5 - символ дифференцирования по времени.

Коэффициент передачи К, учитывает неравенство входной и выходной величин при установившемся режиме работы дозатора, что обусловлено возможной задержкой материала внутри него.

ПФ дозаторного блока запишется в следующем виде:

= (3)

На основании преобразования Лапласа, получим описание суммарного

изменения массового расхода:

_ +щ2)+

— (4)

При формировании математической модели МРПА необходимо охарактеризовать динамику перемещения материала в нем. МРПА можно рассматривать как звено динамической системы, обладающее свойством низкочастотного фильтра, а его ПФ представить звеном первого или второго порядка. В первом случае ПФ МРПА имеет вид:

где Кс], Тс) — соответственно коэффициент передачи (Кс—1) и постоянная времени МРПА.

А во втором:

(б)

где Т,, Т2 - постоянные времени МРПА;

КС2=1 — коэффициент передачи.

С учетом времени запаздывания г и соотношений Т2~ТуТ4; Т1=Тз+Т4 выражения (5) и (6) примут следующий вид: -

Тогда в общем виде ПФ системы смешивания, приведенной на рис. 1, с учетом выражений (4) и (7) примет следующий вид:

тз) = К■ ехр(-г• .У)• [(Хы +Хг„+Х,„).5'+ • + ■ ^ + Х^ • )• +

5 • 2 + 2) • (52 + ) • (52 + й>32) х + №„ 'О, + <о\ + а>1) + Х2т +а,3) + Х,т • (а>? + со* + {Х,т -со,-а}-а] +

х(Гс,-5 + 1)

+ Хгт - а>1 ■ а■ со32 + Х,т ■ а>, - а),2 • (о\) • 5 + т] ■ ео\ ■ й>1 -(Хы + Х2т + Х3„)] ^

тз) = К • ехр(-г • 5) • ЦХ,т +Х2т+Х1т)-8'+{Х,т-а,+Хгт.о>2+Х1т-ю1)-8ъ +

[Хы-(щ2 +4 +а$)+Хгт-(щ2 +аг,2 +«$)+Х3т -Ц2 +а>2 +(Х,„ ■(ц-<а2 +

х(Г3-5+1)-(7;-5+1) + Х2т ■ а>\ ■ т] • да? + Х3т ■ ю3 ■ а>? ■ ю2)-5 + о>? • а>\ - -(Х[т +Х2т + Х3т)]

(9)

Сигнал выходной концентрации запишется в виде:

(10)

Полученная модель была реализована с помощью ЭВМ в программно-прикладном комплексе МаЛСАО, позволяющем производить операционные вычисления.

В третьей главе приведено описание лабораторно-исследовательского стенда, который включает в свой состав многосекционный роторно-пульсационный аппарат (МРПА), блоки управления, измерительные приборы отбора и анализа проб, а также рассмотрена методика проведения экспериментов.

Конструкция МРПА, входящего в состав стенда, показана на рис. 2. Техническая новизна аппарата защищена патентом РФ на изобретение № 2257257. Аппарат состоит из корпуса 1, в котором имеются две разделительные перегородки, установленные на валу 2, одна из которых насаживается на вал к основанию ротора 3 и крепится к нему шпонкой, а другая расположена в средней части корпуса, причем нижней стороной опирается на втулку, надетую на вал, а верхней стороной закреплена гайкой. Объём секций можно варьировать количеством втулок. Статор с прорезями 4 жестко закреплен на крышке 5. В состав аппарата входят набор регулировочных шайб 6, при помощи которых устанавливается необходимый зазор между перегородками 7, 8, патрубок для ввода 9 и патрубок для вывода компонентов 10. В рубашку 11, через входной патрубок 12 подается хладоноситель для поддержания заданной температуры и

выводится через выходной патрубок 13. В аппарате имеется рабочая полость 14, которая расположена между стенкой и зубьями, нижняя часть рабочей области 15 и внешняя полость аппарата 16.

Рис. 2. Многосекционный роторно-пульсационный аппарат

Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая жидкая среда через входной патрубок 9 поступает в центральную часть устройства, где за счет центробежных сил, создаваемых вращающимся ротором, проходит в зазор между ротором 3 и статором 4. Проходя последовательно через радиальный зазор между ротором и статором, жидкая среда подвергается механическому воздействию со стороны элементов конструкции аппарата: за счет удара частиц об образованные прорезями зубья ротора и статора, разделительных перегородок 7,8, установленных на валу, а также сдвиговых напряжений, возникающих в зазоре. Эти воздействия приводят к гомогенизации, растворению, измельчению, диспергированию в жидких многокомпонентных системах. В процессе вращения ротора происходит периодическое перекрывание прорезей, вследствие чего возникает, гидравлический удар и генерирование низкочастотных колебаний. Таким образом, на обрабатываемую среду происходит наложение упругих колебаний.

Перегородки, установленные в корпусе, предназначены для направленной организации движения материальных потоков. Жидкость, попадая в аппарат через патрубок 9, разделяется на два потока: первый поток, проходя через зубья, попадает в рабочую полость между стенкой и зубьями 14, а второй поток проходит через отверстия в перегородке 7 и попадает во внутреннюю нижнюю

часть рабочей области аппарата 15. Жидкость в полости разделяется на два потока, один из которых выходит через патрубок 10, а второй попадает за счет насосного эффекта в нижнюю полость аппарата 15. Затем жидкость через зубья выходит во внешнюю полость аппарата 16. Исследования показали, что при данной конструкции аппарат имеет две последовательно соединенные емкости. Следовательно, в предлагаемой конструкции многосекционного роторно-пульсационного аппарата за счет установленных в корпусе разделительных перегородок с различным диаметром отверстий увеличивается время пребывания частиц в аппарате, что повышает эффективность технологических процессов и улучшает качество получаемого продукта.

Методика определения функции распределения времени пребывания частиц материала в аппарате (ФРВП) по экспериментальным данным разработана нами на базе автоматизированного комплекса.

Нахождение зависимостей проводили по следующей схеме: после выхода агрегата на стационарный режим работы (3-5 мин) при коэффициенте заполнения значительно больше единицы, при помощи шприца, мгновенно (1-1,5 с), в основной поток жидкости на входе в аппарат вводили индикатор (30% раствор NaCl). Непрерывно-действующий измерительный датчик, установленный на выходе из аппарата, устроен таким образом, чтобы не создавать дополнительных гидравлических сопротивлений. С его помощью измерялась концентрация индикатора в основном потоке, выходящем из аппарата. Показания датчика преобразовывались из аналогового сигнала в цифровой (логический) при помощи микропроцессорного контроллера (МПК) РЕМИКОНТ Р — 130. Далее он передавался на СОМ-порт компьютера, где при помощи написанной программы на языке Visual Basic зависимости концентрации на выходе из аппарата (С/) от времени (г) переносились в программу EXCEL пакета MS OFFICE, где обрабатывались и переводились в графический, более наглядный вид с полным математическим описанием.

На базе теоретических и экспериментальных исследований была разработана новая конструкция РПА с направляющими лопастями, в которой установлены лопасти у отверстий основания ротора, предназначенные для направленной организации движения материальных потоков. За счет установки лопастей полусферической формы при неизменной производительности и затрате энергии удалось увеличить продолжительность пребывания частиц в аппарате, что положительно влияет на качество получаемого продукта.

В четвертой главе приводятся результаты моделирования процесса гомогенизации в МРПА на основе кибернетического подхода, напорно-расходные и энергетические характеристики многосекционного роторно-пульсационного аппарата, а также результаты экспериментальных исследований при получении аэрированных продуктов и растительного сырья.

С целью определения рациональной конструкции были исследованы 25 вариантов настройки РПА, содержащие перегородки с различными площадями отверстий.

Определение ПФ РПА для различных вариантов настройки производилось в автоматическом режиме по разработанной методике. Параметры ПФ

инерционного звена 2-го порядка для каждого варианта настройки РПА представлены в таблице 1.

Параметры передаточной функции _ Таблица 1

Суммарная Суммарная

№ вари- площадь площадь Т, т,2 т2

анта настройки отверстии в нижней пе- отверстии в верхней

РПА регородке, м2 перегородке, м2

1 0,002 0,002 3,09 9,57 21,51

2 0,002 0,0014 3,54 12,57 18,34

3 0,002 0,0007 2,87 8,23 23,04

4 0,002 0,00015 2,56 6,58 17,84

5 0,002 0 3,69 13,64 19,88

6 0,0014 0,002 3,56 12,68 20,76

7 0,0014 0,0014 3,75 14,10 20,84

8 0,0014 0,0007 3,99 15,97 18,25

9 0,0014 0,00015 4,38 19,19 20,43

10 0,0014 0 2,64 6,96 24,41

11 0,0007 0,002 2,99 8,98 21,63

12 0,0007 0,0014 3,67 13,45 23,12

13 0,0007 0,0007 2,72 7,42 25,75

14 0,0007, 0,00015 3,45 11,91 21,07

15 0,0007 0 2,95 8,68 21,02

16 0,00015 0,002 1,92 3,69 24,04

17 0,00015 0,0014 0,81 0,66 27,64

18 0,00015 0,0007 1,43 2,04 23,17

19 0,00015 0,00015 1,54 . 2,37 15,11

. 20 0,00015 0 . 1,26 1,59 21,97

21 0 0,002 2,08 4,31 17,85

22 0 0,0014 1,44 2,07 22,25

23 0 0,0007 2,19 4,78 20,83

24 0 0,00015 1,26 1,59 21,97

25 0 < 0 1,53 2,33 16,43

; ■ Получены уравнения регрессии, описывающие зависимость среднего времени пребывания в аппарате от площади отверстий в перегородках.

Уравнения регрессии в явном виде:

Т1(х1,х2)=1,29+2,76хг0)59х|2-0,88-х2+1,31-х22+10,50-хгх2-10,1 1-х,2-х2-10,73'Хгх22+9,95-Х,2-Х22, ^ (11)

■ Т2(х,,х2)=16,32+17,63-х1-13,63-х,2+20,91-х2-17,68-х22-60,23-х1-х2+35,95-х12-х2+57,85-хгх22-37,13-х1г-х22 (12)

где Т^ХьХг) — зависимость среднего времени пребывания частиц в верхней части аппарата от площади отверстий перегородках;

Т2(хьх2) - зависимость среднего времени пребывания частиц в нижней части аппарата от площади отверстий перегородках.

Xi — площадь отверстий в верхней перегородке;

Х2 - площадь отверстий в нижней перегородке. В результате анализа данных уравнений наиболее эффективным оказалось использование нижней перегородки с площадью отверстий S= 0,00015мг (0,25), при этом Т|=0,81с и верхней перегородки с площадью отверстий S=0,0014м2 (0,75), Т2=27,64с. На основании полученных данных можно сделать вывод, что при таких площадях отверстий наиболее эффективное среднее время пребывания.

Оценку эффективности работы агрегата проводили по сглаживающей способности МРПА. Она определяется как соотношение амплитуды колебания входного сигнала к амплитуде выходного сигнала по графику амплитудно-фазовой характеристики АФХ. Степень сглаживания определяется как обратная

величина координаты вектора частотной передаточной функции R(w):

= ^ <">

Для определения сглаживающей способности МРПА для различных входных воздействий были использованы прикладные программы Classic Ver 3.02 и MathCAD. Программа Classic Ver 3.02 позволяет на основе известной ПФ аппарата предсказать степень сглаживания в окне результатов, а конкретно - в окне представления АФХ. Здесь на координатной плоскости АФХ необходимо провести окружность соответствующую необходимой степени сглаживания, точка пересечения с графиком АФХ даст частоту входного сигнала, при которой будет достигнута заданная степень сглаживания (рис.3).

При помощи приложения, созданного в пакете программ MathCAD Ver 2001 i, обработаны ПФ, полученные при различных режимах работы МРПА, и определены величины сглаживания входных сигналов, на основе решения параметрических уравнений.

При сравнении результатов всех вариантов настройки РПА лучшие показатели выявлены у РПА №17. Его сглаживающая способность в рабочем диапазоне от 0,1 до 1 с"' составляет 2,94-27,64 раза соответственно.

Для этой конструкции проведено исследование влияния режимных и конструктивных параметров на напорные и энергетические характеристики.

В результате обработки данных получены регрессионные зависимости: Ей = 0,273 -0,097 • а - 0,00033 -Q +0,0005 -со- Q , (14)

АГл = 0,111+0,00467- 8 - 0,06- со - 0,00075- 5-со, (15)

где со — частота вращения ротора, с"1;

Q - производительность установки, м3/ч;

<5 — величина радиального зазора между ротором и статором.

Рис. 3. Амплитудно-фазовые характеристики (АФХ) для варианта настройки

• РПА№1

Адекватность моделей оценивалась по коэффициенту множественной корреляции и коэффициенту детерминации, а также по графикам зависимости остатков на нормальной вероятностной бумаге и от предсказанных значений.

Анализ уравнения (14) показал, что при частоте вращения ротора а)=209,33 с"1, производительности 0=0,1 м3/ч и радиальном зазоре <5=0,0001 м, МРПА создает больший напор.

При проведении исследований по изучению энергетической характеристики было установлено, что мощность, потребляемая МРПА, не зависит от его производительности в исследуемом диапазоне (0,05 — 0,1 м3/ч).

Анализируя уравнение (15) можно сделать вывод, что при увеличении величины радиального зазора д, мощность, расходуемая на преодоление сил трения, возрастает (рис.4), что согласуется с напорной характеристикой. Увеличение величины радиального зазора 3 ведет к потерям давления и уменьшению значений Ей.

Исследованы пенообразующие свойства обезжиренного молока при обработке его в РПА, а именно влияние рН среды и кислотности на изменение пе-нообразующих свойств молока при аэрировании в РПА. При снижении содержания рН в молоке от 6,4 до 4,9, плотность получаемой пены уменьшается, способствуя увеличению пенообразующей способности молока. При увеличении кислотности в молоке от 4,9 до 5,8 устойчивость пены уменьшается. Затем при повышении рН до 6,4 незначительно увеличивается. Отсюда следует, что при снижении рН, молоко обладает лучшими пенообразующими свойствами.

Получены результаты влияния конструктивных и режимных параметров аппарата на пенообразующие свойства восстановленного обезжиренного молока с массовой долей содержания белка 2,8%. При увеличении величины зазора между ротором и статором от 0,1 до 0,5 мм и частоты вращения ротора от 1000 до 3000 об/мин плотность пены повышается, время разрушения пены возрастает.

Kn=0,l 103+0,0047*d*w-0,0008*d-0,0228»d*w»d*w-

0,0608*d*w«d+0,0373*d*d, где d и w - кодированные величины

I lo.n

0.22 0,18

ИЯ0.1

Рис. 4. Зависимость критерия Кп от величины радиального зазора и частоты

вращения ротора

При увеличении частоты вращения от 1000 до 3000 об/мин и уменьшения величины зазора от 0,5 до 0,1мм степень взбитости увеличивается.

Изучен процесс ценообразования молока при различных вариантах настройки аппарата: РПА с внешним статором, РПА с внутренним статором, РПА с внешним и внутренним статором (самонасыщением через открытый патрубок аппарата), а также РПА с внутренним статором и принудительной подачей газовой фазы. Анализ полученных данных показал, что наилучшая плотность пены наблюдалась в РПА с внутренним статором и при принудительной подаче газовой фазы (рис. 5).

230 -1

1,5

2

2,5

3

продолжительность взбивания, мин

—х— РПА с внутренним статором

—с— РПА с внешним статором

—а—РПА с внутренним статором и с принудительной пвдачей газовой фазы —ь— РПА с внешним и внутренним статором

Рис. 5. Влияние продолжительности газонасыщения молока при различных вариантах настройки РПА на плотность пены.

продолжительность взбивания, мин

—а—РПА с внутренним статором и с принудительной подачей газовой фазы

—л— РПА с внутренним статором

—•—РПА с внешним статором

—х— РПА с внешним и внутренним статором

Рис. 6. Влияние продолжительности газонасыщения молока при различных вариантах настройки РПА на устойчивость пены.

Устойчивость пены была максимальна при взбивании в РПА с внешним и внутренним статором (рис. 6). Следует учесть, что в процессе взбивания в РПА с внешним и внутренним статором, значительно увеличивалась мощность на перемешивание, что негативно влияет на работу данного аппарата. Наилучшая пенообразующая способность молока отмечалась при взбивании в течение 3 минут. 1

Использование РПА с внутренним статором и принудительной подачей воздушных потоков более эффективное решение для получения взбитых молочных продуктов. Необходимо отметить, что устойчивость пены с принудительной подачей газа наблюдалась минимальная.

Исследованы изменения характеристик растительного сырья при обработки в РПА. На основании проведенных исследований установили, что для сывороточно-растительных продуктов перспективной является технология получения растительных компонентов с использованием обработки в РПА. Получаемые наполнители имеют наименьший размер частиц, равномерно распределяются по всему объему, что повышает седиментационную устойчивость продуктов и улучшает органолептические свойства (табл. 2). Продолжительность технологического цикла снижается, в среднем, в 3,2 — 5,8 раз.

Таблица 2

Оргаиолептические показатели растительного пюре, полученного по разным

технологиям.

Способ Внешний Консистенция Вкус и запах Цвет

обработки вид

пюре мор-

ковное-

оранжевый,

свойствен- пюре ка-

однородная однородная, не- ные овощам бачково-го-

пюреобраз- тягучая плохо- или плодам, светло-

Традици- ная масса растекаю-щаяся. без посто- желтый,

онный овощей или вязкая масса роннего пюре из ра-

плодов привкуса и нета-

запаха светло-

коричневый

с серым от-

тенком

наполните-

свойствен- ли из мор-

ные овощам кови-

Использо- или плодам, с светло-

вание ро- полужидкая полужидкая легким мо- оранжевый,

торно- масса ово- масса со взвеся- лочнокислым из кабач-

пулсаци- щей и пло- ми частиц расти- привкусом и ков-светло-

онного дов, одно- тельного сырья запахом сы- желтый, из

аппарата родная по воротки, без тыквы-

всей массе постороннего желтый, из

запаха ранета-

светло-

коричневый

с желтым

оттенком

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель многосекционного роторно-пульсационного агрегата с различной топологией перерабатываемых потоков аэрированных компонентов, определяющая согласованные режимы работы многосекционного роторно-пульсационного аппарата и дозирующих устройств.

2. Разработана новая конструкция роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями.

3. Получены регрессионные модели, описывающие зависимость напорно-расходных и энергетических характеристик МРПА от его режимных и конструктивных параметров.

4. Установлено, что наиболее рациональной конструкцией с точки зрения напорной и энергетической характеристики аппарата является МРПА с SH1M(„ От8. =0,00015м% S верх, отв.-0,0014м , радиальном зазоре <5—0,0001 м и с частотой вращения ротора а>=209,33 с"'.

5. Результаты исследований процесса аэрирования и гомогенизации взбитых продуктов в роторно-пульсационном аппарате доказывают целесообразность применения многоцелевого МРПА.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Пат. 2257257 Российская Федерация, МПК 7 В 01 F 7/00, 7/28. Многосекционный роторно-пульсационный аппарат / Иванец Г.Е., Грунич C.B., Светкина Е.А., Артемасов В.В., Аверкин C.B.; заявитель и патентообладатель Кемер. технолог, институт пищ. пром-сти. - №2004107590/15; за-явл. 15.03.2004; опубл. 27.07.05, Бюл №21-6 е.: ил.

2. Иванец Г.Е. Моделирование процесса гомогенизации в РПА с использованием дополнительных конструктивных элементов на основе кибернетического подхода / Г.Е. Иванец, Е.А. Светкина, А.З. Ядута; Кемер. технолог. ин-т пищ. пром-сти. - Кемерово, 2005, - 19 е.: ил. - Деп. в ВИНИТИ 31.05.2005, №779-В2005.

3. Иванец Г.Е. Исследование пенообразующих свойств молока при обработке его в роторно-пульсационном аппарате / Г.Е. Иванец, Е.В. Строева, Е.А. Светкина // Известия вузов. Пищевая технология. — 2006. -№1. — С. 72-73.

4. Артемасов В.В.Исследование принципа работы роторно-пульсационных аппаратов / В.В. Артемасов, Е.А. Светкина // Матер, докл. Всеросс. на-учн. конф. «Наука, технологии, инновации». Новосибирск, 2003. - С. 154156. ,

5. Светкина Е.А. Активация пивных дрожжей в роторно-пульсационном аппарате / Е.А. Светкина // Регион, аспирантско-студенч. конф. «Пищевые продукты и здоровье человека». Сборник тезисов докладов. - Кемерово, 2004.-С. 118.

6. Шебукова A.C. Особенности технологической обработки овощного сырья / A.C. Шебукова, Е.А. Светкина // Матер. V регион, аспирантско-студенч. конф. «Пищевые продукты и здоровье человека». Сборник тезисов докладов. — Кемерово, 2005. — С. 110.

7. Строева Е.В. Влияние подсластителей на пенообразующие свойства молока при обработке в роторно-пульсационном аппарате / Е.В. Строева, Е.А. Светкина, М.В. Шевцова // Матер. V регион, аспирантско-студенч. конф. «Пищевые продукты и здоровье человека». Сборник тезисов докладов. - Кемерово, 2005. - С. 127 - 129.

8. Светкина Е.А. Исследование устойчивости молочных пен при обработке молока в РПА / Е.А. Светкина, Е.В. Строева // Матер. Всероссийской на-учно-практич. конф. «Технология и техника агропромышленного комплекса». Улан-Удэ, 2005, С. 100 - 103.

9. Строева Е.В. Получение взбитого молочного продукта в роторно-пульсационном аппарате / Е.В. Строева, Е.А. Светкина // «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов». Сборник научных работ. - Кемерово, 2005. - С. 125 - 127.

Подписано к печати 11.09.2006 г. Формат 60x90/16 Объем 1 п.л. Тираж 70 экз. Заказ № 199. Отпечатано на ризографе Кемеровский технологический институт пищевой промышленности 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47 отпечатано в лаборатории множительной техники КемТИППа 650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГОМОГЕНИЗАЦИИ И ДИСПЕРГИРОВАНИЯ АЭРИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ.

1.1 Конструкции аппаратов для получения аэрированных продуктов, используемых в пищевой промышленности. . 9 ]. 1.1. Устройство для насы щения жидкости газом.

1.1.2. Устройство для газонасыщения жидких сред.

1.1.3. Устройство для азрации жидкостей.

1.1.4. Устройство для приготовления пены.

1.1.5 Устройство для гомогенизации.

1.1.6 Центробежные гомогенизаторы.

1.2 Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования в роторно-пульсационных аппаратах.

1.2.2. Конструкции роторно-пульсационных аппаратов.

1.3 Методы математического моделирования процессов гомогенизации и диспергирования.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОМОГЕНИЗАЦИИ АЭРИРОВАННЫХ КОМБИНИРОВАНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА.

2.1 Методы исследования непрерывнодейетвующих агрегатов на базе автоматизированного комплекса.

2.1.1 Формирование функционально-структурной схемы миогосекциониого роторно-пульсациоиного аппарата.

2.2 Реализация системы моделирования непрерывнодействующего агрегата на ЭВМ.

2.3 Разработка многофакторных математических моделей в виде уравнений множественной регрессии по экспериментальным данным.

2.3.1 Элементы теории факторного эксперимента.

2.3.2. Полный факторный эксперимент.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Описание опытно-исследовательского стенда и конструкции многосекционного роторно-пульсационного аппарата.

3.2 Описание дозатора для подачи воздушных масс.

3.3 Методика проведения эксперимента.

3.4 Методика определения функций распределения времени пребывания частиц в МРПА по экспериментальным данным.

3.5 Методика определения параметров передаточной функции (ПФ) многосекционного роторно-пульсационного аппарата (МРПА).

3.5.1 Определение параметров ПФ МРПА как апериодического звена первого порядка без запаздывания.

3.5.2 Определение параметров ПФ МРПА как апериодического звена первого порядка с запаздыванием.

3.5.3 Аппроксимация передаточной функции дифференциальным уравнением второго порядка.

3.6 Методика определения напорно-расходной и энергетической характеристики.

3.7 Новая конструкция ротор но-пульсационного аппарата с направляющими лопастями.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Моделирование процесса гомогенизации в МРПА на основе кибернетического подхода.

4.1.1 Оценка сглаживающей способности агрегата с различными вариантами настройки аппарата.

4.2 Определение напорно-расходных характеристик МРПА.

4.3 Определение энергетической характеристики МРПА.

4.4 Исследование пенообразующих свойств молока при обработки его в РПА.

4.4.1 Влияние конструктивных параметров аппарата на пенообразующие свойства молока.

4.4.2 Влияние подсластителей на пенообразующие свойства молока.

4.5 Получение взбитого молочного продукта.

4.6 Исследование изменения характеристик растительного сырья при обработки в РПА.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время в стратегии развития пищевой промышленности главное внимание обращается на качество пищевых продуктов и их соответствие медико-биологическим требованиям. Научные исследования должны быть нацелены на создание и модернизацию энергетически выгодных технологий, обеспечивающих комплексную безотходную переработку сырья, и производство экологически безопасных продуктов питания с учетом потребностей различных возрастных групп.

Важным процессом, имеющим место в пищевой промышленности, является пенообразование. При восстановлении сухого обезжиренного молока возможно образование газожидкостных систем. Способность восстановленного молока к ценообразованию используется для производства молочных взбитых (аэрированных) продуктов. Такие продукты обладают рядом ценных для организма человека свойств. Содержащийся в продукте кислород активизирует моторные, ферментативные и секреторные функции желудочно-кишечного э тракта, нормализует микрофлору кишечника, ускоряет метаболические процессы. Функциональные свойства аэрированных продуктов специалисты объясняют тем, что через желудок в ткани поступает примерно в 10 раз больше кислорода, чем через легкие. Все это доказывает целесообразность получения комбинированных аэрированных продуктов и разработку новых аппаратов для их приготовления.

При разработке новых аппаратов для производства аэрированных продуктов необходимо учитывать различные методы интенсификации технологических процессов.

Для создания условий, обеспечивающих получение высокосортных аэрированных продуктов, снижение издержек производства, решающее значение имеет максимальная механизация, автоматизация и интенсификация производственных процессов. Однако, все эти мероприятия, могут быть внедрены в практику только после всестороннего изучения свойств сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, разработки объективных методов определения готовности продукции и исследования новых физических способов обработки, позволяющих ускорить технологический процесс.

Аппараты, применяемые в настоящее время в пищевой, химической и других отраслях промышленности, на стадиях гомогенизации и диспергирования имеют ряд серьёзных недостатков и зачастую не удовлетворяют современным требованиям по производительности и качеству продукции. Поэтому задача совершенствования существующих конструкций аппаратов, например, за счёт организации интенсивного перемешивания, обеспечивающего значительный рост поверхности раздела фаз, концентрацию значительного количества энергии в малых объёмах и т.д. является, безусловно, актуальной.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование многоцелевого многосекционного роторно-пульсационного аппарата для производства аэрированных продуктов питания в результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи: математическое описание и анализ процесса аэрирования и гомогенизации в непрерывно-действующем агрегате роторно-пульсационного типа с различной топологией перерабатываемых потоков газожидкостных компонентов на основе кибернетического подхода с использованием ЭВМ; создание новой конструкции многоцелевого многосекционного РПА; исследование напорных и энергетических характеристик многосекционного роторно-пульсационного аппарата с целью выявления оптимальных параметров его настройки; проверка разработанной математической модели на адекватность реальному процессу.

Научная новизна» Разработана математическая модель многосекционного роторно-пульсационного агрегата с различной топологией перерабатываемых потоков, определяющая согласованные режимы работы МРПА и дозирующих устройств. По результатам проведенных исследований, получены зависимости напорных и энергетических характеристик непрерывно-действующего агрегата от его конструктивных и технологических параметров. Получены результаты исследований процесса аэрирования взбитых продуктов в РПА; доказана целесообразность применения многоцелевого МРПА для проведения стадий гомогенизации и диспергирования при получении взбитых продуктов питания.

Практическая значимость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса аэрирования и гомогенизации жидких продуктов позволили разработать новую конструкцию * многосекционного РПА, техническая новизна которого защищена патентом РФ.

При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадии гомогенизации и аэрирования при получении взбитого молочного продукта.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИПП при подготовке бакалавров и магистров, а также при выполнении дипломных О научных работ студентами технологических выпускающих кафедр.

Автор защищает: новую конструкцию многоцелевого многосекционного роторно-пульсационного аппарата предназначенного для проведения процесса аэрирования, гомогенизации и диспергирования в газожидкостных системах; математическое описание процесса гомогенизации при газонасыщении с использованием методов кибернетического анализа, позволяющего подобрать рациональные параметры работы непрерывно -действующего многосекционного РПА; результаты исследования различных вариантов настройки многосекционного РПА; целесообразность использования многоцелевого многосекционного РПА. для проведения стадий гомогенизации и диспергирования при получении взбитых аэрированных молочных продуктов.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель многосекционного роторно-пульсационного агрегата с различной топологией перерабатываемых потоков, определяющая согласованные режимы работы многосекциоииого роторно-пульсационного аппарата и дозирующих устройств.

2. Разработана новая конструкция роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями. к

3. Получены регрессионные модели, описывающие зависимости напорно-расходных и энергетических характеристик МРПА от его режимных и конструктивных параметров.

4. Установлено, что наиболее рациональной конструкцией с точки зрения напорной и энергетической характеристики аппарата является МРПА с S

2 2. нижн. отв. =0,00015м , S Верх. от» =0,0014м , радиальном зазоре <5=0,0001 м и с частотой вращения ротора ш-209,33 с"1.

5. Результаты исследований процесса аэрирования и гомогенизации взбитых продуктов в роторно-пульсационном аппарате доказывают целесообразность применения многоцелевого МРПА.

132

1. А.с. № 1009352 А СССР, МКИ AOJj 11/16. Ротор центробежного гомогенизатора (его варианты) / А.А.Мухин, В.В.Земсков, В.П.Роденков, Н.Н.Сиродаи и М.М.Будайский // Опубл. 07.01.83. Бюл. № 13.

2. А.с. № 1373372 А1 СССР, МКИ AOlj 11/16. Центробежный гомогенизатор для жидкости / Г. А. Ересько, В. Г. Генинг, Ю. Т. Орлюк, В. Б. Тишин // Опубл. 15.02.88. Бюл. № 6.

3. А.с. № 230090 (СССР). Ротационный аппарат для взаимодействия * жидкости с жидкостью, газом или порошкообразным телом. М.А.

4. Балабудкин и др. Опубл. в Б.И.,1968. № 34.

5. А.с. № 286974 (СССР). Роторно-пульсационный аппарат. М.А. Балабудкин и др. Опубл. в Б.И.,1970. № 35.

6. А.с. № 288887 (СССР). Ротационный аппарат. А.А. Барам, А. Балабудкин -Опубл. вБ.И., 1971. № 1.

7. А.с. № 462602 (СССР). Ротационный аппарат. А. А. Барам Опубл. в Б.И., 1975. № 9.

8. А.с. № 488504 СССР. Роторно-пульсационный аппарат. М.А. Балабудкин и др.-1975, Бюл. 39.

9. А.с. № 488604 (СССР). Роторно-пульсационный аппарат. М. А. г Балабудкин и др. Опубл. в Б.И., 1975. № 39.

10. А.С. № 543372 СССР, МКИ AOlj 11/16. Центробжный гомогенизатор для молока / В.Д. Сурков, А.И. Гуславский, А.Н. Мельников // Опубл. 25.01.77. -БИ№3.

11. А.с. № 554846 СССР, А011 11/16, И. А.с. № 576998 СССР, А011 11/16.

12. А.с. №581911 СССР, А011 11/16.

13. А.с. № 599773 СССР, А011 11/16.

14. А.с. № 631188 (СССР). Центробежный РПА. Иванец В.Н., Плотников В.А., Лазарев С.И. Опубл. в Б.И. № 41 , 1978 г.

15. А.с. № 644518 (СССР). Центробежный смеситель непрерывного действия. Багринцев И.И.-1979, Бюл. №3.

16. А.с. №646957 СССР, А011 11/16.

17. А.с. №675638 СССР, А011 11/16.

18. А.с. № 725691 (СССР). Роторно-пульсационный аппарат.

19. А.с. № 940825 (СССР). Центробежный РПА. Иванец В.Н. и др. Опубл. в Б.И. № 25 , 1982 г.

20. А.с. № 988322 (СССР). Роторно-пульсационный аппарат, В.Р. Боровский и др. Опубл. в Б.И., 1983. № 2.

21. Аксельрод Ю.В. Газожидкостные хемосорбционные процессы. Кинетика и моделирование. М.:Химия,1989. 240 с.

22. Альбрехт С.Н. Разработка многоцелевого газожидкостного аппарата для интенсификации стадии перемешивания в производствах молочных комбинированных продуктов // Канд. Диссерт., КемТИПП, Кемерово, 2000.

23. Альбрехт С.Н. Сравнение разных типов аппаратов для процессов, протекающих в системе газ-жидкость. // Сб. тез. докл. научн.-практ. конф. "Интеграция науки, производства и образования: состояние и перспективы". Юрга, 1999. - с.23-25

24. Артемасов В.В. Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования при получении жидких комбинированных продуктов // Канд. Диссерт., КемТИПП, Кемерово, 2004.

25. Артемасов В.В., Афанасьева М.М. Описание конструкции и принципа работы роторно-пульсационного аппарата // Сборник научных работ -«Биотехнология и процессы пищевых производств». Кемерово, 2000. -96 с.