автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов

На правах рукописи

003491156

БАРОНОВ ВЛАДИМИР ИГОРЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ

УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГОМОГЕНИЗАЦИИ И ЭМУЛЬГИРОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность: 05.18.12. - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 4 ФЕВ 2010

Вологда - Молочное 2010

003491156

Диссертация выполнена на кафедре технологического оборудования ФГОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор технических наук, профессор Фиалкова Евгения Александровна

Доктор технических наук, профессор Бредихин Сергей Алексеевич

Кандидат технических наук, доцент Золотин Александр Юрьевич

ОАО Научно-исследовательский институт «МИР-ПРОДМАШ», г. Москва

Защита диссертации состоится 25 февраля 2010 г, в 14.30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 006.021.01 при ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: г. Москва, ул. Талалихина, 26.

Ваш отзыв на автореферат в 2 экземплярах, заверенный печатью учреждения,

просим направлять по адресу:

109316, г. Москва, Талалихина 26, ГНУ ВНИИМП.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИМП.

Автореферат размещен на официальном сайте ГНУ ВНИИМП http://www.vniimp.ru и разослан 25 января 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

А.Н. Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В последние годы в пищевой промышленности особое внимание уделяется разработке продуктов эмульсионного типа (молочные продукты, кремы, десерты, пасты, напитки, обогащенные по витаминному составу, майонезы). Это вызвано необходимостью создания широкого ассортимента комбинированных продуктов на основе компонентов природного происхождения, с целью получить композиции заданного состава и свойств, с высокой степенью сбалансированности всех питательных веществ и повышенной биологической ценностью. Возрастание питательной ценности продуктов с эмульсионной структурой объясняется тонкой дисперсией жира и увеличенной поверхностью жировой фазы, что облегчает усвоение жира в организме человека. Следует также учитывать, что после гомогенизации значительно замедляется процесс расслаивания эмульсионной системы, что очень важно при длительном хранении продуктов. Эти обстоятельства и обусловливают стремительный рост числа наименований эмульсионных продуктов в современном питании.

Аппараты, используемые для проведения гомогенизации и эмульгирования, имеют ряд серьёзных недостатков и зачастую не удовлетворяют современным требованиям по производительности и качеству готовой продукции. Поэтому задача совершенствования существующих конструкций гомогенизирующих устройств, например, за счёт организации направленного движения жидкостных потоков с целью концентрации значительного количества энергии в малых объёмах, является, безусловно, актуальной.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка новых конструкций вихревых устройств на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и эмульгирования для получения тонкодисперсных многокомпонентных эмульсий.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

- провести моделирование гидродинамики жидкостного потока вихревых эмульсоров и гомогенизаторов;

- теоретически исследовать процесс дробления жирового шарика в зонах сверхнизких давлений на примере клапанного гомогенизатора;

- теоретически исследовать гидродинамику потока с одним источником и стоком в вихревом устройстве;

- разработать вихревое устройство для гомогенизации с одним источником и стоком и установку для его экспериментальных исследований на базе плунжерного блока клапанного гомогенизатора;

- провести экспериментальные исследования и оптимизировать параметры вихревого гомогенизатора с одним источником и стоком;

- провести планирование эксперимента для определения оптимальных конструктивных параметров эмульсора;

- разработать методику расчёта вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов;

- разработать промышленные образцы вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования производительностью 5 м3/ч.

Объект исследования. Объектом исследования являются вихревые устройства для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов, а предметом - термо- и гидродинамика процессов гомогенизации и эмульгирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- теоретически обосновано распределение гидродинамических параметров вихревого потока с учетом конусности свободной поверхности потока;

- определены потери давления и скорости потока по длине вихревой трубы на трех участках конического вихря с учетом внутрижидкостного трения;

- произведены теоретические исследования термо- и гидродинамики процесса разрушения жирового шарика при прохождении клапанного устройства гомогенизатора;

- выявлены кинематические особенности винтового потока с одним источником и стоком;

- изучено влияние конструктивных и эксплуатационных параметров вихревого устройства с одним источником и стоком, а также его пространственного положения на качество готового продукта;

- на основании физического моделирования и теоретических исследований разработаны принципиально новые конструкции вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов.

Практическая значимость работы и ее реализация. Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработаны новые конструкции вихревых устройств с одним стоком для гомогенизации и эмульгирования, позволяющие снизить средний размер частиц дисперсной фазы в продукте;

- предложено направление развития и совершенствования техники гомогенизации и эмульгирования, которое позволяет сократить энергозатраты, металлоемкость и упростить конструкции гомогенизатора и эмульсора при сохранении высокого качества получаемого продукта;

- предложена методика расчета вихревых устройств с одним стоком для гомогенизации и эмульгирования жидких пищевых продуктов;

- результаты исследований использованы в учебном процессе по изучению влияния операций гомогенизации и эмульгирования на качество готового продукта.

Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретическая модель дробления жировых шариков молока в клапанной щели гомогенизатора;

- математическое описание винтового движения жидкостного потока в вихревых гомогенизирующих устройствах с одним источником и одним стоком;

- результаты экспериментальных исследований модельного вихревого устройства;

- новые конструкции вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования жидких пищевых продуктов;

- результаты экспериментальных исследований вихревых устройств с одним стоком по влиянию конструктивных и эксплуатационных параметров на размер дисперсной фазы продукта;

- методика расчета вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования. Научные положения, выносимые на защиту, обладают новизной и разработаны автором самостоятельно.

Основные результаты диссертационной работы реализованы:

- в ОКР на ОАО ВМЗ г. Вологда, где созданы конструкции опытных вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования;

- на ФГУП УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина, где разработанное устройство для гомогенизации прошло испытание в линии производства молока Front 8FRM;

- в образовательном процессе при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Технологическое оборудование» и «Машины и аппараты молочной промышленности» на специально созданной лабораторной установке и при чтении лекций по дисциплинам «Процессы и аппараты» и «Технологическое оборудование».

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-практической конференции, посвященной 96-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2007г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2007 г.); научно-практической конференции, посвященной 97-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2008 г.); шестой всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (г. Вологда, ВоГТУ, 2008 г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2008 г.); международной научно-практической конференции «Через инновации в науке и образовании к экономическому росту АПК» (Ростовская обл., пос. Персиановский, Донской ГАУ, 2008 г.); второй международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания» (г. Саратов, Саратовский ГАУ, 2008); научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2009 г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2009 г.).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 15 работ, из них в центральном журнале 2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений; включает 78 рисунков, 16 таблиц. Основной текст изложен на 156 страницах, приложения - на 17 страницах. Список литературы включает 132 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определены цель работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные результаты, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» отмечены положительные свойства гомогенизированных многокомпонентных продуктов.

Проведен анализ процессов гомогенизации и эмульгирования на основе теоретических и экспериментальных исследованийй, разработанных Ребиндером, Виттингом, Сурковым В.Д. Барановским Н.В., Ткаченко А.Н., Орешиной М.Н., Филатовым Ю.Й., Мухиным A.A., Кацнельсоном М.У., Долинским A.A., Шурчковой Ю.А., Вайткусом В.В., Фофановым Ю.Ф., Гисиным И.Б., Кузьминым

Ю.Н., Фиалковой Е.А. и другими учеными. Анализ исследований по проблеме изучения механизмов дробления частиц свидетельствует об отсутствии единой точки зрения на процесс диспергирования эмульсий. Некоторые гипотезы противоречат друг другу или опровергаются экспериментальными данными.

Установлено, что применяемые в настоящее время в промышленном производстве гомогенизаторы и эмульсоры имеют ограниченные возможности по дроблению дисперсной фазы. Проведенный анализ позволяет утверждать, что существующие способы гомогенизации и эмульгирования достигли предела своих возможностей, при этом уменьшение размера дисперсной фазы может быть достигнуто за счет обработки эмульсий на вихревых устройствах.

Анализ состояния вопроса позволил сформулировать задачи исследований.

Во второй главе «Моделирование процессов вихревой гомогенизации и эмульгирования» с целью получения достоверной картины гидродинамики процесса была создана экспериментальная модельная установка (рис. 1), на которой изучалось влияние различных конструктивных и эксплуатационных параметров на характер движения жидкости в вихревом устройстве.

Принцип работы экспериментальной модельной установки заключается в следующем. Вода поступает из емкости 1 (рис. 1) во всасывающий патрубок насоса 2. Вода под давлением Р=0,2 МПа нагнетается в вихревую трубу 3, откуда она стекает в емкость 5. Завихрение потока происходит за счет направляющей в

Проведенные экспериментальные исследования показали, что оптимальный угол подачи жидкости в вихревую трубу составляет а=30° относительно горизонтального положения (рис. 2). Увеличение внутреннего диаметра трубы Ов так же как и увеличение расхода жидкости, приводит к увеличению длины вихря (рис. 3). Существенную роль оказывает положение трубы в пространстве. Вертикальное положение трубы с верхним расположением выходного патрубка приводит к "сжатию" вихря за счет действия силы тяжести столба жидкости, находящегося над ним.

Вертикальное положение трубы с нижним расположением выходного патрубка обеспечивает максимально возможную длину вихря при прочих равных условиях и, как следствие, большую по размерам зону кавитации. Однако при этом вихрь разрывается на несколько частей и, в конечном счете, зона кавитации сокращается. Наиболее эффективным с точки зрения геометрии вихря является горизонтальное положение вихревой трубки. Наибольшее количество кавитационных пузырьков, определяющих качество гомогенизации и эмульгирования, наблюдалось при горизонтальном положении вихревой трубы, а меньше всего при вертикальном с верхним расположением выходного патрубка (рис. 4). Оптимальная температура гомогенизации продукта составляет 60 °С

______2_

2_

3

5

Рис. 1. Схема модельной установки:

1-емкость для исходной воды,

2-насос, 3-вихревая труба,

4-держатель вихревой трубы,

5—емкость для использованной воды

(рис. 5), т. к. дальнейшее ее повышение приводит к образованию «тоннеля» кавитационных пузырьков, что снижает эффективность дробления дисперсной фазы.

—— Вертикальное с верхним расположением выходного патрубка --Горизонтальное

положение

10 15 20 25 30 35 40 45 50 Угол подачи, град

■ ■ Вертикальное с нижним расположением выходного патрубка

Рис. 2. График зависимости длины вихря от угла подачи и положения трубы с внутренним диаметром Ов=1 1 мм при расходе <2=50 л/ч

1 & I I

о. г

I §

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

л

N.

/

/л г"

1 у Г

(

60 70 80 90 100 Расход воды, л/час

-Вертикальное

с верхним расположением выходного патрубка --Горизонтальное

положение

— - - Вертикальное с нижним расположением выходного патрубка

Рис. 4. График зависимости количества кавитационных

пузырьков п() от расхода Q и положения трубы диаметром £># =11 мм при угле подачи а=30°

нм

I !

8 мм

100 95 90 85 80 75 70 65 60

У '

■ л

40 60 80 100 120 Расход воды, л/час

-Вертикальное

с верхним расположением выходного патрубка — — Горизонтальное

положение

—■ - -Вертикальное о нижним расположением выходного патрубка

Рис. 3. График зависимости длины вихря 1В от расхода Q и положения трубы с внутренним диаметром Ов= 11 мм при угле подачи а=30°

30 40 50 Температура воды, град

-Вертикальное

с верхним расположением выходного патрубка ■ — Горизонтальное

положение

- Вертикальное с нижним расположением выходного патрубка

12 мм

10 мм

Рис. 6. Участки вихря

Рис. 5. График зависимости длины вихря 1В от температуры и положения трубы диаметром £>д =11 мм при угле подачи а =30°

С целью теоретического анализа процесса вихревой гомогенизации и эмульгирования с учетом конусности свободной поверхности потока вихревой поток разбивался на три отдельных участка (рис. 6).

Для определения потерь давления на внутрижидкостное трение использовалось уравнение Гагена-Пуазеля:

АР =

л--/?4

(1)

где АР - потеря давления на внутрижидкостное трение, Па; Л-радиус сечения потока, м; г-длипа участка канала, м; ц -динамическая вязкость, Па-с; Ц =0,467-10~3 Па-с; 2 = лОп ; Оп - диаметр потока жидкости в вихревой трубе, м; 0-расход жидкости; £>=100 л/ч=2,7-10"5 м3/с.

На основании проведенных расчетов построены графики (рис. 7 и 8) потерь давления и скорости потока в зависимости от расстояния до входа в вихревую трубу. Как показали расчеты, внутрижидкостное трение снижает давление и скорость потока.

5 200

I 150 %

| 100 £

1 ч,

! 1 1

— 1 зона -2 зона

— 3 зона

6 14 о

б 12 10

^ I

ч

\

1 \

-1 зона —2 зона

О 5 10 15 20 25 30 Расстояние до входа в вихревую трубу, ым

Рис. 7. График зависимости давления потока от расстояния до входа в вихревую трубу

О 5 10 15 20 25 30 Расстояние до входа в вихревую трубу, мм

Рис. 8. График зависимости скорости потока от расстояния до входа в вихревую трубу

Уравнение винтового двупараметрического потока в вихревой трубе в цилиндрической системе координат (г, г, ср) имеет вид:

&2 дг г дг [ г2

(2)

где Уу, — окружная скорость, г - радиус, к - параметр, к =сот(, с граничным условием, определяющим скорость V*"** на входе в вихревую трубу по давлению Л/7, создаваемому насосом.

Тогда для однородного винтового потока получим выражения для составляющих скоростей:

, 4к2 1 „ / \ . пяг

АЭЪ

л

.1,3,

лсо.

= —г- X -тЯ'М^пй^,

* г\ />=1,3,.. п

г 12 ) ж'г, „,т1 П г

(3)

(4)

(5)

где С = \™дгг; к = т„ =

плЛ Ъ )

к2 ; В=кС;

П„ = 1-

г Вп (а>„г) -С„К1 {а>„г)

л, ; _а

■л

А„

С =

¿>{1п-- + —2- ^ ^Ц^

г, л- „ЛХ. л -а г,

г, 8/1

о:"]}

Ъ — высота участка потока; г, - радиус свободной поверхности жидкости; гг — радиус входа потока; ¡¡(х)\ К1(х); ¡о(х)\ Ко(х)- функции Бесселя.

Для экспериментальных данных: производительности £>=100 л/ч, давлении Р=0,2 МПа получены теоретические распределения гидродинамических параметров вихревого потока с учетом конусности его свободной поверхности.

Установлено, что третий участок наиболее удаленный от входа вихревого устройства, обеспечивает наибольшую степень гомогенизации (эмульгирования), т. к. именно на этом участке окружная скорость потока вблизи оси достигает максимального значения, и давление в центральной части потока имеет минимальное значение, что обеспечивает наилучшее дробление дисперсной фазы.

В третьей главе «Сравнительные теоретические исследования процесса гомогенизации в клапанных и вихревых устройствах» рассмотрен механизм разрушения капли молочного жира с учетом термо- и гидродинамических условий этого процесса.

На основании уравнения Эйлера для одномерного потока определены поля скоростей и давлений в клапанном пространстве с учетом внутрижидкостных межмолекулярных взаимодействий. Установлено наличие кольцевой зоны низкою давления.

Рассчитано время прохождения жировым шариком зоны низких давлений на участке 1-Ю"3</?-г<3,75-Ю"3 м, которое составляет г = 6,6• 10 я с.

Зона низких давлений характеризуется низкими температурами, при которых происходит затвердевание наружного слоя жирового шарика. На основании формулы Планка определена толщина затвердевшего слоя жирового шарика. Ввиду малой толщины поверхностного слоя, его можно рассматривать как тонкую пластину.

где г - продолжительность замораживания; АР - коэффициент формы; рк -плотность жирового шарика, кг/м3; - температура кристаллизации жирового шарика, °С; 1а, - теоретическая температура, до которой происходит замораживание жирового шарика, °С; Хк - коэффициент теплопроводности жирового шарика, Вт/(м-К); д- удельная теплота замораживания, кДж/кг; Як - половина толщины поверхностного слоя подверженного замораживанию; аР - коэффициент теплоотдачи от поверхности жирового шарика к дисперсионной среде, Вт/(м2-К).

Расчеты показали, что глубина затвердевания составляет 10 Нм (для капли размером 2 мкм), при этом она становится хрупкой и легко разрушается от любых внешних воздействий. В зоне сверхнизких давлений (ниже 610Па) процесс кипения переходит в процесс сублимации, при этом жидкая фаза затвердевает,

(7)

оказывая разрушающее действие, как на жировые шарики, так и на поверхность клапанов.

Произведен гидродинамический анализ движения жидкости, как однородного винтового потока прямоугольного сечения с одним источником и стоком в вихревой гомогенизирующей головке с параметрами: внутренний диаметр вихревой камеры с/= 0,02 м; высота вихревого потока #=0,01 м; расход продукта 2=0,00056 м3/с.

Уравнение движения винтового потока в цилиндрической системе координат имеет вид:

дгц/ 8 .1 дц'. , 2 /"о\

02 дг г дг Функцию тока винтового потока находим в виде:

1 + [1-(-1)"]— 1 + [1-Н)"]— ^ „„ + м (9)

кН (кН

Окружная скорость определяется выражением:

игг = ку/ + С, (10)

Радиальная скорость винтового потока равна:

кн' (кН

Осевая скорость:

+-(12)

г !пж\г , Я

кН

где П1=[(~-)2~\]К0(

2.Н

кН

Скорость V™"1 на входе в вихревую гомогенизирующую головку определена по перепаду давлений перед гомогенизирующей головкой и на входе в нее Ар=5 МПа.

Расчеты показывают, что при воронкообразовании окружная скорость ц, (рис. 9а и 10) является переменной по вертикали и растет от поверхности к периферии. Радиальная скорость иг (рис. 96) растет по вертикали снизу вверх, достигая максимальных значений на свободной поверхности. Такое распределение радиальных скоростей объясняется неравномерностью действия центробежной силы по глубине винтового потока.

На основании эпюры распределения осевой скорости иг (рис. 9в), лй1

использовав уравнение 0 = при соблюдении равенства расходов на входе в

вихревую трубу и на ее выходе, определен оптимальный диаметр диафрагмы, равный 0,0017 м для вихревой камеры диаметром с/=0,02 м при расходе продукта 0=2 м3/ч=0,00056 м3/с.

400

200

133

0,5 Н

Г--1 -А -

—1 Ч ч 1 -

1 1 Ч н -

-—1 -1 -1 - г

Н

4352 0.5Н 217,6 Н 145 15Н 100"2 Н

а

13Ц 120.7 105.2 90Л

05 Н

-43

-96,7.

0.5 Н

■92,2

Н

15 Н

2 Н

г / /

149Г— -595Г -25.5 -11.3

V

N \ Г

0.5Н

15 Н 2Н

Рис. 9. Распределение скоростей в однородном винтовом и потенциальном потоках, м/с: а-о кружной; б-радиальной; в-осевой

г=0,01

Рис. 10. Эпюры окружных скоростей (м/с) в однородном винтовом потоке при г=0 и г=0,01 м

В четвертой главе «Разработка конструкций экспериментальных вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования» для проведения исследований была создана экспериментальная установка (рис. 11), которая работает следующим образом. Исходный продукт поступает из емкости 1 во всасывающий патрубок насоса 2. Продукт под давлением нагнетается в вихревое устройство для гомогенизации 3, откуда гомогенизированный продукт попадает в емкость 6. Для создания экспериментальной установки был использован плунжерный насос гомогенизатора марки ОГЗМ-1,6 (рис. 12).

С целью определения оптимальных конструктивных параметров вихревого устройства разработаны три отличных друг от друга конструкции (конструкция III сборная) (табл. 1 и рис. 13-16).

Для микрофотографирования препаратов была скомплектована микрофотоустановка, включающая микроскоп высокой разрешающей способности ВЮЬАЫ с объективами 100 и 40 крат, 10 кратный окуляр и видеоокуляр НВ - 35 с разрешением 240х320 совместно с персональным

компьютером, что позволяло выводить и фиксировать изображение, наблюдаемое в микроскоп на монитор компьютера.

Рис. 11. Схема экспериментальной установки:

1-емкость для негомогенизированного продукта, 2-насос высокого давления, 3-вихревое устройство, 4-маномстр, 5-кран, 6-емкость для гомогенизированного продукта

Рис. 12. Экспериментальная установка с насосом ОГЗМ-1,6

Рис. 14. Второе вихревое устройство и заглушки с входными соплами

3 1 2

Рис. 16. Двухступенчатое вихревое устройство:

1-первое вихревое устройство (первая ступень гомогенизации);

2-второе вихревое устройство (вторая ступень гомогенизации);

3-вентиль для регулирования давления гомогенизации и эмульгирования

1 2 Рис. 13. Сравнение первого вихревого устройства с клапанной головкой гомогенизатора ОГЗМ-1,6:

1- первое вихревое устройство;

2-одноступенчатая клапанная головка

Рис. 15. Третье вихревое устройство с вентилем

Таблица 1 - Конструктивные параметры вихревых устройств

Параметр Вихревое устройство

I II III

Диаметр сопла, м ¿с 0,0014 0,0014 0,0014

Диаметр камеры энергетического разделения, м й 0,007 0,007 0,005; 0,006; 0,007

Длина камеры энергетического разделения, м 1 0,091 0,182 0,05; 0,115; 0,180

В пятой главе «Результаты экспериментальных исследований» изучено влияние конструктивных и эксплуатационных параметров вихревого устройства производительностью 1600 л/час на эффективность гомогенизации и были получены оптимальные размеры длины, диаметра и формы камеры энергетического разделения, диаметра и количества входных сопел, количества ступеней гомогенизации, пространственного положения вихревого устройства и давления гомогенизации (рис. 17-20).

В результате экспериментальных исследований были получены оптимальные значения длины /=50 мм, диаметра <£=5 мм и формы камеры энергетического разделения - конической ступенчатой с расширением к выходному патрубку. Установлено соотношение диаметра камеры энергетического разделения вихревого устройства к его длине 1 '.(8^12) и количество входных сопел, равное одному, обеспечивающие более высокое качество готового продукта. Получение более мелкодисперсной эмульсии возможно при горизонтальном положении вихревого устройства (что подтверждают данные второй главы о структуре вихревого потока), а при использовании второй ступени - установка ее под углом 20° вверх относительно горизонтального положения.

2,4

Ч 7?

1 *

*

* ■Г о 1,8

X 1 6

X X «• 3 1,4

1 1,2

I —

! ' 1

■ С; V Ч: \ ' ч

Л_

1

-Вер|икагъное с верхним расположением выходного патрубка - Горизонтальное положение

■ Вертикальное с нижним расположением выходного патрубка

1 3 5 7 9 11 13 15 /Деление, МПа

Рис. 17. Зависимость среднего размера жировых шариков в гомогенизированном молоке от угла наклона вихревого устройства и давления процесса

-В-Горизонтальное

положение -»•Под углом 20 град

—Под углем 30 град.

т Под углом 45 град

—Вертжагъное положение

11 13 15 Давление. МПа

Рис. 18. Зависимость среднего размера жировых шариков в гомогенизированном молоке от угла наклона второго вихревого устройства и давления в первом устройстве в двухступенчатом вихревом устройстве

-Давление 9 МПа —Давление 7 МПа —Давление 5 МПа -Давление 3 МПа

Длина камеры энергетического разделения, мм

8- е

1 \

— —< ¡\

\ -С]

J -1-

Давление, МПа

Рис. 19. Зависимость среднего размера жировых шариков в гомогенизированном молоке от длины камеры энергетического разделения вихревого устройства и давления процесса

Рис. 20. Зависимость среднего размера жировых шариков в гомогенизированном молоке от формы камеры энергетического разделения вихревого устройства и давления процесса

В шестой главе «Разработка промышленного вихревого гомогенизатора и эмульсора производительностью 5000 л/ч» на основе экспериментов, проведенных в пятой главе и моделирования во второй главе разработана уточнённая методика расчёта вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования, требуемой производительности (таблица 2). Таблица 2 — Конструктивные параметры вихревых устройств производительностью 5000 л/ч

Параметр Вихревое устройство для гомогенизации Вихревое устройство для эмульгирования

формула значение формула значение

Площадь входного сопла, м2 Р = в ' Гг 8,4-10"6 F =°= ° С V И-АР У р 3,1-ю'

Эквивалентный диаметр входного сопла, м с 1 л 3,3-10' с ^ л 6,3-10 3

Диаметр камеры энергетического разделения, м О = 6с/с 20-10' £>э =6 с1с +<1к+2б 0,046

Длина камеры энергетического разделения, м £ = (8-12)£> 0,24 ¿ = (8-12 0,552

Площадь входного патрубка для подачи второго компонента, м" - - 3-Ю"5

Диаметр входного патрубка для подачи второго компонента, м - - V тг 6,2-Ю-3

По приведенным расчетам спроектированы и изготовлены вихревые устройства для гомогенизации (рис. 21) и эмульгирования (рис. 22).

3 2 14'

Рис. 21. Конструкция вихревого устройства для гомогенизации: 1-корпус; 2-направляющая; 3-заглушка; 4-выходной патрубок

Рис. 22. Конструкция вихревого устройства для эмульгирования: 1-корпус; 2-крышка; 3-внутренняя трубка; 4-заглушка; 5-входное сопло; 6-выходной патрубок

В качестве насоса высокого давления для проведения гомогенизации был использован плунжерный блок гомогенизатора FBF037, на котором были проведены испытания в линии производства пастеризованного молока жирностью 2,5%, в комплекте с пластинчатой пастеризационной установкой Front 8FRM.

Сравнительный анализ проб молока (рис. 23), прошедшего гомогенизацию на гомогенизаторах клапанного типа и на опытном образце вихревого гомогенизатора показал, что жировые шарики на выходе из вихревого гомогенизатора имеют несколько меньшие размеры, чем жировые шарики на выходе из клапанного гомогенизатора. В сравнении с вихревым устройством, имеющим выход недогомогенизированного молока, преимущество опытного образца заключается в снижении удельной мощности привода установки рассчитанной на 1000 л/ч, что позволяет экономить до 20% электроэнергии (таблица 3).

а б в

Рис. 23. Микрофотографии жировых шариков молока (1 деление=0,7 мкм): а- исходное молоко; б-молоко после клапанного гомогенизатора; в-молоко после вихревого гомогенизатора

Таблица 3 - Сравнительные характеристики различных типов гомогенизирующих устройств_

Параметры Тип гомогенизатора

Клапанный Вихревой с двумя выходными патрубками гомогенизированного и негомогенизи-рованного продукта Опытный образец вихревого устройства для гомогенизации

Средний размер жировых шариков молока после гомогенизации (р=14 МПа), мкм 1,4 1,05 1,05

Потребляемая мощность электродвигателя, кВт 37 19 22

Удельная мощность привода установки рассчитанная на 1000 л/ч, кВт 7,4 5,7 4,4

Для испытания вихревого устройства для эмульгирования при производстве майонеза «Горчичного» была разработана установка (рис. 24), работающая следующим образом. В емкость 2 вносятся необходимые по рецептуре компоненты: масло растительное, яичный порошок, сухое обезжиренное молоко,

сахар-песок, соль, перемешиваются.

А. [б. \1

Рис. 24. Схема экспериментальной установки:

1-емкость для воды; 2-емкость для майонезной эмульсии; 3-центробежный насос; 4-вихревое устройство; 5-переходник; 6-емкость для майонеза

горчица сухая, уксусная кислота, пищевая сода

Из емкости 1 в вихревое устройство 4 подается вода с помощью насоса 3. После возникновения вихря в эмульсоре, включают насос для подачи майонезной эмульсии. Готовая мелкодисперсная эмульсия (майонез) напором создаваемыми насосами, поступает в емкость 6. Испытания показали высокое качество

эмульгирования при использовании экспериментальной установки (средний размер эмульсионных капель 2,12 мкм).

Существующие конструкции

эмульсоров, обеспечивающие подобный результат, имеют больший удельный расход энергии на проведение процесса эмульгирования одной тонны по готовому продукту, при этом использование предлагаемой установки позволит экономить не менее 60% электроэнергии (таблица 4).

Таблица 4 - Сравнительные характеристики различных типов устройств для

эмульгирования

Параметр Экспериментальная установка Эмульсор НГ-1,5

Производительность, м3/ч 5 5

Давление эмульгирования, МПа 0,25 0,25

Потребляемая мощность установленных электродвигателей, кВт 2-0,75=1,5 2,5

Удельная мощность привода установки, рассчитанная на 1000 л/ч, кВт 0,3 0,5

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате экспериментов на модельной установке получены параметры, обеспечивающие получение оптимальной длины зоны кавитации: угол подачи жидкости в вихревую трубу а=30°, температура жидкости 60 "С, положение вихревого устройства - горизонтальное.

2. В результате моделирования вихревого потока в устройстве диаметром 11 мм, длиной 160 мм при расходе от 50 до 120 л/ч установлено наличие у вихря трех зон (10 мм; 12мм и 8 мм) с конической свободной поверхностью, при этом давление плавно снижается от 200 кПа до 50 кПа. Установлено, что третий участок, наиболее удаленный от входа вихревого устройства, обеспечивает наибольшую степень гомогенизации (эмульгирования).

3. Теоретически установлено, что время прохождения жировым шариком кавита-ционной зоны клапанного гомогенизатора составляет 6,6-10"8с, а глубина отвердевания наружной поверхности оболочки жирового шарика молока размером 2 мкм составляет не менее 10 Нм.

4. Разработана новая теоретическая модель вихревого устройства с одним источником и стоком, позволяющая рассчитать диаметр диафрагмы, который для производительности 2000 л/ч и диаметра камеры энергетического разделения с!=0,02 м составляет <1=0,0017 м.

5. Разработана методика и рассчитаны вихревые устройства с одним источником и стоком для гомогенизации жидкостей на производительность 1,6 м3/ч с разными устройствами подачи, размерами, формой и устройством камеры энергетического разделения.

6. В результате экспериментальных исследований вихревого устройства для гомогенизации и эмульгирования производительностью 1,6 м3/час установлены оптимальные значения длины /=50 мм, диаметра ¿/=5 мм и формы камеры энергетического разделения - коническая ступенчатая с расширением к выходному патрубку. Оптимальное соотношение диаметра камеры энергетического разделения вихревого устройства и его длины 1 .-(8-Н2) обеспечивает более высокое качество готового продукта. Положение вихревого устройства - горизонтальное.

7. Разработаны методики расчета вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования, на основе которых рассчитаны и изготовлены опытные образцы вихревых устройств производительностью 5 м3/ч.

8. Установлено, что использование вихревых устройств позволяет получить продукт высокого качества при минимальных затратах энергии на выпуск одной тонны, которое составляет 4,4 кВт и 0,3 кВт для гомогенизатора и эмульсора соответственно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Куленко В.Г., Фиалкова Е.А., Баронов В.И. Гидро- и термодинамика субкавитационного дробления эмульсий в клапанной щели гомогенизатора// Теоретические основы химических технологий, 2009. том 43, №4, С. 452-458.

2. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И. Термодинамика субкавитационной гомогенизации жирового шарика молока// Научное управление качеством образования. Том 2. Инженерные науки: Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 96-летию академии. - Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2007 - С.3-7.

3. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И. Экспериментальное исследование вихревого устройства для смешения и эмульгирования жидкостных фаз// Материалы ежегодных смотров сессий аспирантов и молодых ученых по отраслям наук: Сельскохозяйственные науки. - Вологда, 2008. - С. 84-88.

4. Баронов В.И. Исследование процесса одно- и двухступенчатой вихревой гомогенизации// Через инновации в науке и образовании к экономическому росту АПК. Материалы Международной научно-практической конференции. Пос. Персиановский: Донской ГАУ, 2008. - С. 126-128.

5. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И., Кетцян A.A. Теоретическое обоснование процесса вихревой гомогенизации// «Вузовская наука - региону». Материалы шестой всеросийской научно-технической конференции. -Вологда: ВоГТУ, 2008. - С. 170-172.

6. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И. Исследование влияния конструкции вихревой гомогенизирующей головки на качество процесса гомогенизации// Актуальные проблемы техники и технологии переработки молока: сборник научных трудов с международным участием. - Барнаул: ГНУ Сибирский НИИ сыроделия СО РАСХН, 2008. - С. 129-133.

7. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И. Теоретическое обоснование процесса вихревого эмульгирования с учетом конусности свободной поверхности потока// Аграрная наука - сельскохозяйственному производству. Том 2. Инженерные науки: Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 97-летию академии. -Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2008-С. 3-7.

8. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И., Кузьмин A.B. Экспериментальное исследование вихревого эмульсора при производстве майонезов.// Аграрная наука - сельскохозяйственному производству. Том 2. Инженерные науки: Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 97-летию академии. - Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2008,-С. 17-19.

9. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И., Кузьмин A.B. Экспериментальное исследование опытного образца вихревого устройства для гомогенизации молочных продуктов// Технология и продукты здорового питания: Материалы

II Международной научно-практической конференции - Саратов: Саратовский ГАУ: ИЦ «Наука», 2008,- С.11-15.

Ю.Фиалкова Ё.А., Баронов В.И. Винтовой поток конечной глубины, притекающий к стоку применительно к вихревой трубе// Материалы ежегодных смотров сессий аспирантов и молодых ученых по отраслям наук: Сельскохозяйственные науки. - Вологда, 2008.-С.111-117.

П.Фиалкова Е.А., Баронов В.И. Модернизация вихревой головки с целью повышения качества гомогенизации пищевых продуктов// . Материалы ежегодных смотров сессий аспирантов и молодых ученых по отраслям наук: Сельскохозяйственные науки. - Вологда, 2008.-С.118-122.

12.Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И. Сравнительная оценка эффективности клапанного и вихревого гомогенизирующих устройств// Том 2. Инженерные науки: Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии. - Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2009,- С. 6-10.

13.Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И. Субкавитационная гипотеза гомогенизации жирового шарика в клапанном гомогенизаторе// Том 2. Инженерные науки: Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии. - Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2009.- С.10-14.

14.Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Баронов В.И. Влияние конструкции вихревого гомогенизирующего устройства на качество процесса гомогенизации молока// Том 2. Инженерные науки: Сборник трудов ВГМХА по результатам работы научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии. -Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА, 2009 - С.14-17.

15. Куленко В.Г., Фиалкова Е.А., Баронов В.И., Пешков A.C. Дробление эмульсионной капли в клапанной щели гомогенизатора на основе субкавитационной гипотезы//Информационные технологии в проектировании и производстве. Научно-технический журнал/ФГУП ВИМИ - Москва-2009-С.91-96.

Ответственный за выпуск В.И. Баронов

Заказ № 41 -Р. Тираж 100 экз. Подписано в печать 22.01.2010 г. ИЦ ВГМХА 160555, г. Вологда, с. Молочное, ул. Емельянова, 1

Введение

1 .Современные способы и устройства гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов

1.1 Применение гомогенизации и эмульгирования в производстве пищевых продуктов

1.2 Теоретические представления об устройствах и процессах гомогенизации и эмульгирования

1.3 Обзор современных конструкций эмульсоров

1.4 Анализ экспериментальных данных исследования процесса гомогенизации

1.5 Вихревые устройства для гомогенизации и эмульгирования

1.6 Задачи исследований 31 2. Моделирование процессов вихревой гомогенизации и 32 эмульгирования

2.1 Разработка модельной установки для изучения процесса вихревой гомогенизации

2.2 Экспериментальное исследование модельного вихревого устройства

2.2.1 Исследование влияния угла подачи воды в вихревую трубу на структуру и геометрию вихря

2.2.2 Исследование влияния расхода воды на структуру и геометрию вихря

2.2.3 Исследование зависимости количества кавитационных пузырьков от расхода и положения трубы

2.2.4. Исследование влияния температуры воды на структуру и геометрию вихря

2.3. Теоретический анализ процессов вихревой гомогенизации и эмульгирования с учетом конусности свободной поверхности потока

3. Сравнительные теоретические исследования процесса гомогенизации в клапанных и вихревых устройствах

3.1 Механизм субкавитационной гомогенизации в клапанном устройстве на примере жирового шарика молока

3.2 Динамика движения жидкости в вихревом устройстве как винтового потока конечной глубины, притекающего к стоку

4. Разработка конструкций экспериментальных вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования

4.1 Разработка и обоснование конструктивных параметров экспериментального вихревого гомогенизирующего устройства

4.2 Описание экспериментальной установки

4.3 Создание экспериментальных вихревых устройств

4.4 Методы определения эффективности гомогенизации и эмульгирования

5. Результаты экспериментальных исследований 103 5.1. Исследование положения вихревого устройства на качество процесса гомогенизации

5.2 Исследование влияния количества входных сопел на качество процесса вихревой гомогенизации

5.3 .Исследование двухступенчатой вихревой гомогенизации

5.4. Исследование длины камеры энергетического разделения

5.5. Исследование формы камеры энергетического разделения

5.6. Разработка модельной установки для изучения процесса вихревого эмульгирования

5.7. Математическая обработка результатов экспериментального исследования эмульгирования пищевых продуктов в вихревом устройстве

6. Разработка промышленного вихревого гомогенизатора и эмульсора производительностью 5000 л/ч

6.1 Методика расчёта опытного образца вихревого устройства для гомогенизации

6.2 Проектирование промышленного образца вихревого гомогенизатора производительностью 5000 л/ч

6.3 Экспериментальное исследование вихревого гомогенизатора

6.4 Методика расчёта опытного образца вихревого устройства для эмульгирования при производстве майонеза

6.5 Проектирование вихревого эмульсора производительностью

5000 л/ч

6.6 Экспериментальное исследование вихревого эмульсора 140 Общие выводы 143 Список литературы 145 Приложения

Актуальность темы. Современный этап развития общества связан с повышенным воздействием на организм человека неблагоприятных экологических условий и вредных факторов производства. Профилактика этих негативных воздействий характеризуется возрастающим применением в пищевой промышленности сложных процессов переработки сырья, базирующихся на использовании достижений науки и техники, новых эффективных энерго- и ресурсосберегающих технологий [1-12].

В последние годы в пищевой промышленности особое внимание уделяется разработке продуктов эмульсионного типа (молочные продукты, кремы, десерты, пасты, напитки, обогащенные по витаминному составу, майонезы, а также, широкий спектр полуфабрикатов). Это связано в первую очередь с возможностью создания широкого ассортимента комбинированных продуктов на основе компонентов природного происхождения, что позволяет получать композиции заданного состава и свойств, с высокой степенью сбалансированности всех питательных веществ и повышенной биологической ценностью. Возрастание питательной ценности продуктов с эмульсионной структурой связано с тонкой дисперсией жира и увеличенной поверхностью жировой фазы, что облегчает усвоение жира в организме человека. Следует также учитывать, что после гомогенизации (интенсивной механической обработки) значительно замедляется процесс расслаивания эмульсионной системы, что очень важно при длительном хранении продуктов. Эти обстоятельства и обусловливают стремительный рост числа наименований эмульсионных продуктов в современном питании [13-27].

Аппараты, используемые для проведения гомогенизации и эмульгирования, имеют ряд серьёзных недостатков и зачастую не удовлетворяют современным требованиям по производительности и качеству готовой продукции [28-36]. Поэтому задача совершенствования существующих конструкций гомогенизирующих устройств, например, за счёт организации направленного движения жидкостных потоков, концентрации значительного количества энергии в малых объёмах и т.д., является, безусловно, актуальной.

Цель исследований. Целью настоящей работы является разработка новой конструкции вихревого устройства на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и эмульгирования для получения тонкодисперсных многокомпонентных эмульсий.

Ближе всего к теме диссертации относятся работы, обобщающие теоретические основы гомогенизации эмульсий, его экспериментальное исследование и практическую реализацию, выполненные Барановским Н.В. и Сурковым В.Д. (Московский технологический институт мясной и молочной промышленности) [37], Грановским В .Я и Филатовым Ю.И. (Всесоюзный научно-исследовательский институт молочной промышленности), Мухиным A.A. и Кацнельсоном М.У. (Всесоюзный научно-исследовательский институт продовольственного машиностроения), Долинским A.A. и Шурчковой Ю.А. [38]. Огромный вклад в изучение диспергирования жидкости внесли: Вайткус В.В., Ткаченко А.Н., Фофанов Ю.Ф., Гисин И.Б и Кузьмин Ю.Н., Амбрамзон В.В., Дитякин Ю.Ф., Степанов В.М., Сафиулин Р.Г., Прошин А. Ю., Фиалкова Е.А. и др. [34; 39-42].

Объектом исследования являются вихревые устройства для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов, а предметом — термо-и гидродинамика процессов гомогенизации и эмульгирования. Научная новизна. В работе впервые: теоретически обосновано распределение гидродинамических параметров вихревого потока с учетом конусности свободной поверхности потока; определены потери давления и скорости потока по длине вихревой трубы на трех участках конического вихря с учетом внутрижидкостного трения; произведены теоретические исследования термо- и гидродинамики разрушения жирового шарика при прохождении клапанного устройства гомогенизатора; выявлены кинематические особенности винтового потока с одним источником и стоком при постоянной глубине потока; изучено влияние конструктивных параметров вихревого устройства с одним источником и стоком, а также его пространственного положения на качество готового продукта; на основании физического моделирования и теоретических исследований разработаны принципиально новые конструкции вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования жидких пищевых продуктов.

Практическая значимость работы и ее реализация.

Практическая ценность работы заключается в том, что: разработаны новые конструкции вихревых устройств с одним стоком для гомогенизации и эмульгирования, позволяющие снизить средний размер частиц дисперсной фазы в продукте; предложено направление развития и совершенствования техники гомогенизации и эмульгирования, которое позволяет сократить энергозатраты, металлоемкость и упростить конструкции гомогенизатора и эмульсора при сохранении высокого качества получаемого продукта; предложена методика расчета вихревых устройств с одним стоком для гомогенизации и эмульгирования жидких пищевых продуктов; результаты исследований использованы в учебном процессе по изучению влияния операций гомогенизации и эмульгирования на качество готового продукта. Основные положения, выносимые на защиту: теоретическая модель дробления жировых шариков молока в клапанной щели гомогенизатора; математическое описание винтового движения жидкостного потока в вихревых гомогенизирующих устройствах с одним стоком; результаты экспериментальных исследований модельного вихревого устройства; новые конструкции вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования жидких пищевых продуктов; результаты экспериментальных исследований вихревых устройств с одним стоком по влиянию конструктивных параметров и пространственного положения на размер дисперсной фазы продукта, позволяющие подобрать рациональные параметры работы гомогенизатора и эмульсора; методика расчета вихревого устройства для гомогенизации и эмульгирования.

Научные положения, выносимые на защиту, обладают новизной и разработаны автором самостоятельно.

Основные результаты диссертационной работы реализованы: в ОКР на ОАО ВМЗ г. Вологда, где созданы конструкции опытных вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования; на ФГУП УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина, где разработанное устройство для гомогенизации прошло испытание в линии производства молока Front 8FRM; в образовательном процессе при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Технологическое оборудование» и «Машины и аппараты молочной промышленности» на специально созданной лабораторной установке и при чтении лекций по дисциплинам «Процессы и аппараты» и «Технологическое оборудование».

Математическое обеспечение проведенного исследования опирается на теорию винтовых потоков, математическую статистику, моделирования, теорию планирования эксперимента и анализа данных.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-практической конференции, посвященной 96-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2007г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2007 г.); научно-практической конференции, посвященной 97—летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2008 г.); шестой всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (г. Вологда, ВоГТУ, 2008 г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2008 г.); международной научно-практической конференции «Через инновации в науке и образовании к экономическому росту АПК» (Ростовская обл., пос. Персиановский, Донской ГАУ, 2008 г.); второй международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания» (г. Саратов, Саратовский ГАУ, 2008); научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2009 г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2009 г.).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 15 работ, из них в центральном журнале 2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести, глав, списка литературы и приложений; включает 78 рисунков, 16 таблиц. Основной текст изложен на 156 страницах, приложение на 17 страницах. Список литературы включает 132 наименования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Результаты, полученные в диссертационном исследовании, позволяют сделать следующие выводы.

1. В результате экспериментов на модельной установке получены параметры, обеспечивающие получение оптимальной длины зоны кавитации: угол подачи жидкости в вихревую трубу (2=30°, температура жидкости 60 °С, положение вихревого устройства - горизонтальное.

2. В результате моделирования вихревого потока в устройстве диаметром 11 мм, длиной 160 мм при расходе от 50 до 120 л/ч установлено наличие у вихря трех зон (10 мм; 12мм и 8 мм) с конической свободной поверхностью, при этом давление плавно снижается от 200 кПа до 50 кПа. Установлено, что третий участок, наиболее удаленный от входа вихревого устройства, обеспечивает наибольшую степень гомогенизации (эмульгирования).

3. Теоретически установлено, что время прохождения жировым шариком с» кавитационной зоны клапанного гомогенизатора составляет 6,6-10" с, а глубина отвердевания наружной поверхности оболочки жирового шарика молока размером 2 мкм составляет не менее 10 Нм.

4. Разработана новая теоретическая модель вихревого устройства с одним источником и стоком, позволяющая рассчитать диаметр диафрагмы, который для производительности 2000 л/ч и диаметра камеры энергетического разделения <1=0,02 м составляет с1=0,0017 м.

5. Разработана методика и рассчитаны вихревые устройства с одним источником и стоком для гомогенизации жидкостей на о производительность 1,6 м /ч с разными устройствами подачи, размерами, формой и устройством камеры энергетического разделения.

6. В результате экспериментальных исследований вихревого устройства для гомогенизации и эмульгирования производительностью 1,6 м /час установлены оптимальные значения длины /=50 мм, диаметра я?=5 мм и формы камеры энергетического разделения - коническая ступенчатая с расширением к выходному патрубку. Оптимальное соотношение диаметра камеры энергетического разделения вихревого устройства и его длины 1:(8-Н2) обеспечивает более высокое качество готового продукта. Положение вихревого устройства - горизонтальное.

7. Разработаны методики расчета вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования, на основе которых рассчитаны и изготовлены опытные образцы вихревых устройств производительностью 5 м /ч.

8. Установлено, что использование вихревых устройств позволяет получить продукт высокого качества при минимальных затратах электроэнергии на выпуск одной тонны, которое составляет 4,4 кВт и 0,3 кВт для гомогенизатора и эмульсора соответственно.

1. Абросимов М.А. Потребление молока и молочной продукции. // «Молочная промышленность». — 2006. — № 1.— С. 11-13.

2. Амброзевич Е.А. Новые научно-технические разработки для современной молочной индустрии. // «Хранение и переработка сельхозсырья». -2004. -№4. -С. 7.

3. Княжев В.А. Концепция государственной политики в области здорового питания населения России на период до 2005 г. / В.А. Княжев, Е.И. Сизенко, И.А. Рогов, О.В. Большаков, В.А. Тутельян. // «Пищевая промышленность». — 1998. — № 3—С .10-12.

4. Мурашев A.C. Основные направления государственной агропродовольственной политики до 2010 г. // «Молочная промышленность». 2001 - №6. - С. 9-10.

5. Приоритеты развития науки и научного обеспечения в пищевых отраслях АПК: механизм формирования и реализация. Ч. 1-3 / Под общей редакцией А.И. Богатырева, В.И. Тужилкина. М.: Пищевая промышленность. - 1995. - С. 53.

6. Пластинин С.А., Харитонов В.Д., Лабинов В.В., Незнанов Ю.А., Крикун Т.И. и др. Состояние молочной промышленности в мире и Российской федерации. // «Ежегодник Российского союза предприятий молочной отрасли». — 2006. — С. 92.

7. Радионова Н.С. К вопросу использования молочных продуктов в лечебно профилактическом питании / Н.С. Радионова, Л.Э. Глаголева // «Вопросы здравоохранения».- 1998. - №3. - С. 32.

8. Сизенко Е.И. Стратегия научного развития конкурентноспособного производства отечественных продуктов питания высокого качества // «Хранение и переработка сельхозсырья». —2006. №1. - С. 7-9.

9. Сизенко Е.И., Харитонов В.Д., Базиков В.И., Андреев С.П. Пищевой подкомплекс АПК России. Состояние и перспективы. // «Хранение ипереработка сельхозсырья». 2005. -№6. - С. 8-11.

10. Ю.Семенова Е.А. Рынок молочных продуктов. // «Пищевая промышленность». 2001. - №2. - С. 30-31.

11. П.Сергеев В.Н. Пищевая индустрия России в конце XX века. // «Молочная промышленность». 2000. - № 2 - С. 3-8.

12. Савватива J1.H. Экология человека и продукты питания // «Хранение и переработка сельхозсырья». 2001. -№ 2. — С. 8-11.

13. Алейников И.Н. Многофакторная технология обработки биосырья /И.Н. Алейников, В.Н. Сергеева. // «Пищевая промышленность». 2001-№5-С. 5-8.

14. Липатов H.H. Функциональные кисломолочные продукты для грудных детей / Н. Н. Липатов, Г.Ю. Сажинов, О.И. Башкиров. // «Пищевая промышленость». 2001. - №7.- С. 30-31.

15. Липатов Н. Н. Совокупное качество технологических процессов молочной промышленности и количественные критерии его оценки / H.H. Липатов, Н. Н. Липатов, Г.Ю. Сажинов, О.И. Башкиров // «Хранение и переработка сельхозсырья». 2001. - № 4. - С.33-34.

16. Малинина И. Л. Практические аспекты технологий производства комбинированных молочных продуктов / И.Л. Малинина, A.A. Мухин.«Пищевая промышленность». 2001. - №2 - С. 22-23.

17. Нититмайонг А. Смешивание соевого и коровьего молока при производстве рекомбинированных продуктов // «Молочная промышленность». 2001. —№8. — С. 36.

18. Петрова СП. Разработка технологии продуктов эмульсионного типа с использованием в качестве эмульгаторов модифицированного белка творога: Дис. канд. тех. наук. М, 1999. - С. 170.

19. Радионова Н.С. Развитие физико-химических и биотехнических основ производства функциональных молочных продуктов. Автореферат на соискание ученой степени д.т.н. Воронеж, 2000. — С. 41.

20. Сажинов Г.Ю. Оценка качества продуктов детского питания / Г.Ю. Сажинов, H.H. Липатов, О.И. Башкиров // «Молочная промышленность». 2001. - №4. - С. 31-32.

21. Сажинов Г.Ю. Формализованное представление технологической адекватности сырья для детского питания / Г.Ю. Сажинов, H.H. Липатов, О.И. Башкиров. // «Пищевая промышленность». — 2001. — №5. С. 57.

22. Урбшене Л.В. Разработка технологии маслоподобных продуктов на основе диспергирования концентрированных молочных эмульсий: Дис. канд. тех. наук. Каунас, 1991. - С. 214.

23. Шаззо Р.И. Современные аспекты совершенствования технологий комбинированных продуктов функционального назначения. // «Хранение и переработка сельхозсырья». 2004. - №9. - С. 7-10.

24. Smuel J. Fomon. Nutrition of normal infants Mosby, 1999. C. 476.

25. Карпов B.B. Гомогенизатор высокого давления для приготовлениясистем медикобиологического значения: Дис. канд. тех. наук. -Пущено, 1996.-С. 248.

26. Карпов В.В. Современное состояние вопроса гомогенизации эмульсий ПФУ.// «Актуальные вопросы разработки и применения эмульсий перфтоуглеродов».— Пущено, НИБИ АН СССР, 1990.- С. 35.

27. Крусь Г.Н. Гомогенизация молока/ Г.Н. Крусь, Л.Г. Чекулаева- М.: Агропромиздат, 1988-С. 60.

28. Мохсен 3. М. Разработка новых критериев качества молока и молочных продуктов: Дис. канд. тех. наук. М., 1998. — С. 137.

29. Степанов В.М. Исследование использования гидродинамических вибраторов для обработки молока при производстве кисломолочных продуктов: Дис. канд. тех. наук. Воронеж, 1972. — С. 145.

30. Томсен М. Влияние давления гомогенизации и типа эмульгатора на смесь для мороженого. // «Молочная промышленность». 2001 - №9 - С. 53-54.

31. Фофанов Ю.С Исследование влияния механических колебаний на дисперсное состояние жировых шариков молока при сепарировании и гомогенизации: Дис. канд. тех. наук. — М., 1966 — С. 190.

32. Фролов C.B., Арсеньева Т.П., Куцакова В.Е. Механизм гомогенизации применительно к молочно-раститтельным смесям. // «Хранение и переработка сельхозсырья». 2001- № 8 - С. 11-14.

33. Юрченко Б.В. Повышение эффективности работы гомогенизирующих клапанов в молочных гомогенизаторах: Дис. канд. тех. наук. — Одесса, 1991.-С. 182.

34. Барановкий Н.В. Влияние гидравлических факторов на степень дисперсности жира при гомогенизации молока: Дис. канд. тех. наук. -M, 1965-С. 124.

35. Мухин A.A. Гомогенизаторы для молочной промышленности / A.A. Мухин, Ю. Н. Кузьмин, И.Б. Гисин. -М.: Пищевая промышленность-1976.-С. 64.

36. Эмульсии/Под. ред. A.M. Абрамзона.-JL: Химия, 1972 С. 490.

37. Степанов В.М. Исследование использования гидродинамических вибраторов для обработки молока при производстве кисломолочных продуктов: Дис. канд. тех. наук. Воронеж, 1972 - С. 145.

38. Сафиулин Р.Г. Моделирование каплеобразования при диспергировании пористыми вращающимися распылителями: Дис. канд. тех. наук. Казань, 2000.-С. 170.

39. Селезнёв В.И. Исследование процесса гомогенизации и установление оптимального режима при изготовлении стерилизованных сливок. Диссертация ЛХМИ, Ленинград, 1949- С. 243.

40. Грановкий В. Я. Новый гомогенизатор. // «Молочная промышленность».-1999.- №11 .-С. 37-38

41. Нититмайонг А. Смешивание соевого и коровьего молока при производстве рекомбинированных продуктов // «Молочная промышленность». 2001. - №8. - С. 36.

42. Вайткус В.В. Гомогенизация молока. М.: Пищевая промышленность, 1967.-С. 215.

43. Барабанщиков Н.В. Качество молока и молочных продуктов. М.: Колос, 1980.-С. 255.

44. Борисенко Е.В. Физико-химические основы производства эмульсий. // «Пищевые ингридиенты». 2002. - №2-С. 25.

45. Савина Е.В. Прогнозирование хранимоспособности сгущенного и концентрированного стерилизованного молока в зависимости от режимов хранения продукта и качества сырья: Дис. канд. тех. наук. -Вологда, 2000.-С. 154.

46. Тютюнников Б.Н. Технология переработки жиров. М.: Пищевая промышленность, 1979.-С. 652.

47. Шишкин Р.Н. Стабилизация сливочного масла и маргарина при хранении: Дис. канд. тех. наук. М., 2000. - С. 180.51.3обкова З.С., Зенина Д.В. Как зависит качество творога отгомогенизации молока. // «Молочная промышленность».- 2008. — №8. — С. 18-19.

48. Особенности использования гомогенизаторов // «Молочная промышленность». 2008. — №5. — С. 12.

49. Шестаков С. Д. Кавитационный реактор, как средство приготовления и стабилизации эмульсий для хлебопекарной промышленности. // «Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья». 2003. - №3-С. 12-15.

50. Грановский В. Я., Филатов Ю. И. Сравнительная оценка диспергирующих устройств, применяемых в молочной промышленности. // М.: "Научное обеспечение молочной промышленности", 1999-С. 83-91.

51. Грановский В.Я. Сравнительная оценка диспергирующих устройств. // «Молочная промышленность».- 1999. №11. - С. 37-38.

52. Долинский A.A., Шурчкова Ю.А. Влияние некоторых параметров на диспергирование жировых шариков при адиабатном вскипании молока в вакууме. // «Молочная промышленность». 2002.-№2- С. 55-56.

53. Долинский A.A., Шурчкова Ю.А. Новая технология управления качеством молока. // «Молочная промышленность».— 2005. №6-С. 1416.

54. Орешина М.Н. Механизм гомогенизации молока ультразвуковыми колебаниями / Орешина М.Н., H.H. Малахов, JLB. Голышкин // Тезисы докладов 1-ой Международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания». Орел: ОрелГТУ, 1998 - С. 27-29.

55. Орешина М.Н. Совершенствование способов гомогенизации эмульсий // Сборник научных трудов. Выпуск 10 / Воронежская государственная технологическая академия Воронеж, 2000. - С. 65-70.

56. А.С. СССР № №1373372 А01 J11/16 Центробежный гомогенизатор для жидкостей./ Ересько Г.А., Генинг В.Г., Орлюк Ю.Т., Тишин В.Б. Заявлено 03.01.1986. Опубликовано 15.02.1988.

57. A.C. СССР № 1378107 A23 С 3/00 Способ консервирования жидкостей и устройство для его осуществления/ Пилипенко В.В., Задонцев В.А., Манько И.К., Дрозд В.А., Северин В.П. Опубликовано 08.10.1984

58. А.С. СССР №1159523 А01 J11/16 Гомогенизирующая головка./ Меткин В .П., Маслов A.M., Зарембо В.Н., Басов Ю.А. Заявлено 13.06.1983. Опубликовано 07.06.1985.

59. A.C. СССР №1524213 А23 С 7/00 Способ гомогенизации молока./ Долинский A.A., Шурчкова Ю.А., Басок Б.И., Буримский В.К., Идис Б.Г. Опубликовано 30.03.1987.

60. Михалкина Г.С., Петрова С.П. и др. Роторно-импульсные аппараты для производства эмульсионных продуктов. М.: «Пищевая промышленность»,— 2000. — №4.

61. Устинов М.И. Новые изобретения для молочной промышленности. -М.: ЦНИИТЭИММП, 1986.

62. Воронова В.М. Ультразвуковой резонатор. // «Молочная промышленность». 1987. - №1.-С. 20.

63. Порцева Г.С. Центробежно-кавитационная гомогенизация пищевых продуктов. Тезисы докладов второй межрегиональной научно-практической конференции. Казань, 1998- С. 16-20.

64. Ребиндер П.Ф. К теории образования эмульсий. // «Коллоидный журнал», 1946, том VIII.-№3-C. 25.

65. Сурков В.Д. Закономерности гомогенизации в свете равновесия центробежных и поверхностных сил. Труды МТИММПа. М.: 1954 — С. 85-92.

66. Ткаченко А. Н. Кавитационные техника и технологии. Киев: "Техника"; 2001.-С. 462.

67. Орешина М.Н. Разработка импульсного гомогенизатора на основе исследований дробления жировых шариков молока. Дис. канд. тех. наук. Орел. 2001 136 е.; Дитякин Ю.Ф. Распыливание жидкостей - М.: Машиностроение, 1977. -С. 207.

68. Фиалкова Е.А. Гомогенизация. Новый взгляд: Монография-справочник.- СПб.: ГИОРД, 2006. С. 392.

69. Паспорт установки для эмульгирования «Эмульсор-160»

70. Патент РФ №2007119633 В28С 5/16 Смеситель/ Гребе А.К., Россошенко JI.A., Максимцов П.А. Опубликовано 28.05.2007.

71. А.С. СССР № 1325729 А01 J11/16 Центробежный диспергатор/ Матиёшка С.Ю., Жидонис В.В., Пань В.Ж. Опубликовано 14.09.1984

72. A.C. СССР №1390826 В01 F5/04 / Центробежный диспергатор/ Матиёшка С.Ю., Гудавичюс С.Ю., Жидонис В.В. Опубликовано 20.01.1986

73. А.С. СССР №1009352 А01 J11/16. Ротор центробежного гомогенизатора. Мухин A.A., Земсков В.В. и др. Заявлено 30.06.1981. Опубликовано 07.04.1983

74. А.С. СССР №1374457 А01 J11/16. Устройство для гомогенизации пищевых продуктов. Гиноян Р.В., Шиллер Г.Г. и др. Опубликовано 21.05.1985.

75. А.С. № 925269 А01 J11/16. Центробежный гомогенизатор. Ширин. H.H., Медников И.Л.Заявлено 110.07.1980. Опубликовано 07.05.1982.

76. Патент РФ №2314149 B01F 5/00. Смеситель-гомогенизатор/Ежков A.B., Ежков A.A., Арсеньев Д.В, Цыцаркин А.Ф. Заявлено 12.12.2005. Опубликовано 10.01.2008

77. A.C. РФ №1378107 А23 С 3/00 Способ консервирования жидкостей и устройство для его осуществления/ Пилипенко В.В., Задонцев В.А. и др. Заявлено 08.10.1984

78. Патент РФ №2183986 B01F 11/02 Устройство для приготовления масляно-водной эмульсии/Шестаков С.Д. Заявлено 04.08.2000. Опубликовано 27.06.2002

79. А.С. СССР №1220589 А01 J11/16 Устройство для гомогенизации заменителя цельного молока. Старцев В.А. Старцева В.В. и др. Заявлено 23.05.1983. Опубликовано 30.03.1986.

80. А.С. СССР №675638 А01 J11/16 Гомогенизатор для жидкости. Лукьянов Н.Я., Малушкин В .И., Барсов К.Ф. Заявлено 31.05.1977. Опубликовано 07.09.1981

81. Патент РФ № 2013947Универсальный ' аппарат для смешивания, эмульгирования и взбивания молочных продуктов. Зобкова З.С., Макеев В.Н., Нащекин С.Н. Заявлено 14.06.1991. Опубликовано 15.06.1994.

82. Кацнельсон М. У., Мухин А. А. и др. Экспериментальные исследования характера распределения давления в гомогенизирующей голоке с цилиндрическим клапаном. Труды ВНИЭКИ ПРОДМАШа. — М.: 1981, С. 66-74.

83. Пирсон И. Кавитация. -М.: "Мир". 1975, С. 95.

84. Шурчкова Ю. А. Адиабатическое вскипание. Практическое использование. Киев: «Наукова думка». 1999-С. 74-76.v.

85. Сагындыков К.К. Исследование процесса гомогенизации молока на гидромеханической установке. Л.: Автореферат. 1969. С. 23.

86. Патент РФ №2138158 6А 01J11/16, B01F 3/08 Устройство для гомогенизации жидкостей. Грановский В.Я. Опубликовано 27.09.1999

87. А.С СССР№1337007 А01 J11/16 Гомогенизирующая головка. Колодкин A.M., Щедушнов Е.В. и др. Заявлено 20.11.1985. Опубликовано 15.09.198793 .Патент РФ № 2052736 6F25D9/02, 9/04 Вихревая труба. Дыскин Л.М., Хлынин A.C. Опубликовано 20.01.1996

88. Патент РФ № 2147085 7F04F 5/42 Вихревой струйный аппарат. Андреев A.A., Рогачев С.Г. Заявлено 04.03.1999. Опубликовано2703.2000.

89. Патент РФ №2032325 А 01J11/16 Гомогенизатор для многокомпонентных жидких продуктов. Ганиев. Р.Ф., Муфазалов Р.Ш., Захаров Ю.П. Заявлено 27.03.1990. Опубликовано 10.04.1995.

90. Патент РФ №2246824 А 01J11/16 Устройство для гомогенизации. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г. и др. Заявлено 08.07.2003. Опубликовано 27.02.2005.

91. Патент РФ № 2091144 6B01F5/00 Вихревой гидродинамический эмульгатор. Кныш Ю.А.; Кныш О.Ю. Заявлено 05.08.1994. Опубликовано 27.09.1997.

92. А.С. №575907 F25B 9/02//B64D13/02АО 1 J11/16 Вихревая труба. Заславский Л.И. Заявлено 09.071975. Опубликовано 20.03.2005.

93. A.C. №324905 F25B 9/02 Вихревая труба. Антонов Ю.В. Ревякин A.B., Тарасов B.C. Заявлено 03.06.1970. Опубликовано 27.02.2006.

94. Патент РФ №2212596F24J3/00. Способ интенсификации рабочего процесса в вихревых кавитационных аппаратах. Бритвин JI.H. Заявлено 19.05.1999. Опубликовано 20.09.2003

95. Паспорт центробежного самовсасывающего насоса ROTA.

96. МартыновА.В., БродянскийВ.М. Что такое вихревая труба? М., «Энергия», 1976.-С. 152.

97. Фоминский JI. П. Как работает вихревой теплогенератор Потапова. -Черкассы: "ОКО-Плюс", 2001, С. 112.

98. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, 1986, - С. 177.

99. Кухлинг К. Справочник по физике. —М.: «Мир», 1982, -С. 519

100. Громека И.С. Собрание сочинений. М.: Изд. АН СССР, 1952. С. 117.

101. Васильев О.Ф. Основы механики винтовых и циркуляционных потоков. М.: Гос. энергетическое издательство, 1958. - С. 142.

102. Левин В.И., Гросберг Ю.И. Дифференциальные уравнения математической физики. М. Л.: Гостехиздат, 1951—С. 45-48.

103. Васильев О.Ф. Основы механики винтовых и циркуляционных потоков. М.: Гос. энергетическое издательство, 1958. - С. 142.

104. Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Петрачков Б.В. Винтовые потоки в вихревых гомогенизаторах. // Материалы третьей всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону». — Вологда: ВоГТУ, 2005. Т.1. - С. 315-321.

105. Положительное решение №2005122619/13 (025486). Способ гомогенизации и устройство для его осуществления/ Фиалкова Е.А., Куленко В.Г., Куленко В.А.; заявлено 19.07.2005.

106. Кинг Н. Оболочки жировых шариков молока и связанные с ними явления.- М.: Пищепромиздат, 1956 — С. 94.

107. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - С. 344.

108. Rochow T.G., Maason C.W., Breaking emulsion by freezing. Industr. Engng. Chem., 28, 1296, 1936.

109. Ламекин Н.С. Кавитация: теория и применение М.: Русаки, 2000.-С. 248.

110. Малков М.П., Павлов К.Ф. Справочник по глубокому охлаждению в технике. Государственное издательство технико-теоретической литературы Москва, 1947. - С. 412.

111. Физическая энциклопедия / Гл. редактор Прохоров А.М.-М.: Научное издательство "Большая Российская энциклопедия", 1988-1998, т. 1-5.

112. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей; Варгафтик, Н.В.- М.: Физматлит, 1963-С. 23.

113. Фокеев B.C. Некоторые свойства устойчивой вихревой воронки,

114. Гидротехническое строительство".-Москва, 1951, №5.

115. Халпахчян А.Х. К вопросу об истечении жидкости через донные отверстия, "Известия АН Армянской ССР", т. 1, №2, Ереван, 1948-С. 243.

116. Левин В.И. и Гросберг Ю.И. Дифференциальные уравнения математической физики, Гостехиздат, М.-Л., 1951-С. 354.

117. Поляков A.A., Канаво В. А. Тепломассообменные аппараты в инженерном оборудовании зданий и сооружений — М.: изд. «Стройиздат», 1989, С. 200.

118. Паспорт гомогенизатора ОГЗМ-1,6.

119. Липатов H.H. Графические методы характеристики дисперсности жира молока. М.: Пищепромиздат, 1962-С. 36-40.

120. Крусь Г.Н., Шалыгина A.M., Волокитина З.В. Методы исследования молока и молочных продуктов / Под общ. редакцией A.M. Шалыгиной — М.: КолосС, 2002.-С. 368.

121. Мальцев П.М. Основы научных исследований / П.М. Мальцев, H.A. Емельянова / Издательское объединение «Вища школа» Киев, 1982. -С. 192.

122. Грачёв Ю.П. Математические методы планирования экспериментов / Ю.П. Грачёв / Пищевая промышленность Москва, 1979. - С. 200.

123. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: «Наука», 1976.-С. 280.

124. Паспорт гомогенизатора FBF 037.

125. Шмидт A.A., Дудина З.А., Чекмарева И.Б. Производство майонезаМ.: Пищевая промышленность, 1976.-С 37.

126. Волчков И.И., Волчков В.И, Насосы для молока и молочных продуктов-М.: Пищевая промышленность, 1980-С.20.