автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий

На правах рукописи

Некрутое Владимир Геннадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТА С ВИБРОМЕШАЛКОЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

(технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з;,.:;] ¿он

Москва-2014 005550343

005550343

Работа выполнена на кафедрах: «Технологические процессы и оборудование машиностроительного производства», «Оборудование и технологии пищевых производств», «Технология и организация питания» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Научный руководитель: Сергеев Сергей Васильевич

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Технологические процессы и оборудование машиностроительного производства» ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» (НИУ)

Официальные оппоненты: Харитонов Александр Олегович

доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая механика и инженерная графика» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского»

Максимов Дмитрий Александрович

кандидат технических наук, инженер ОАО «Альфа Лаваль Поток»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Все-

российский научно-исследовательский институт молочной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии)

Защита состоится «18» сентября 2014 г. в 1400 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.148.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 33, конференц-зал.

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

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

Автореферат разослан <i/CP » ¿/Я&ыр_2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета У /

доктор технических наук, профессор Никифоров JI.JI.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение высоких результатов при производстве различных пищевых продуктов возможно только на базе использования в промышленности современных достижений науки и техники. Одной из основных задач совершенствования пищевого производства является интенсификация гидромеханических процессов, в частности перемешивания (диспергирования) жидких гетерогенных сред для получения пищевых эмульсий. При этом большое внимание уделяется увеличению скорости протекания гидромеханических процессов.

Неоднородная структура, непрезентабельный внешний вид, неудовлетворительные вкусовые качества и питательные свойства, нарушение норм и стандартов — далеко не все последствия, к которым приводит некачественное перемешивание. В ряде случаев действующее оборудование не обеспечивает смесь требуемого качества. Особенно остро такая проблема стоит при приготовлении эмульсий на водно-жировой основе (например, эмульсии масло-вода), насыщении продукта микродозами витаминов и вкусовых добавок. Одним из важнейших показателей качества эмульсий является их стабильность, что очень важно при длительном хранении продуктов.

Наиболее частой ошибкой при получении эмульсий является неправильный выбор интенсивности механического воздействия. Часто считают, что диспергирование происходит тем лучше, чем сильнее перемешивается (взбалтывается) смесь жидкостей. В действительности существует некоторая оптимальная интенсивность механического воздействия, выше которой происходит не диспергирование, а наоборот - коалесценция.

Такие проблемы возникают в химической, пищевой и других отраслях промышленности. К общим проблемам этих предприятий относится высокое энергопотребление аппаратов для получения эмульсий, сложность их периодического обслуживания и поднастройки.

Перспективным при получении пищевых эмульсий является оборудование, увеличивающее турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. Это возможно за счет создания встречных потоков и вихревых движений жидких сред, что требует создания центробежных сил, существенно превосходящих гравитационные, либо созданием акустических волн, которые обеспечивают кавитацию, акустическое давление, пульсирующие микропотоки и др.

Данная работа выполнялась в рамках приоритетных направлений научно-исследовательской работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки Российской Федерации по теме «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области станкостроения» при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт №14.740.11.0023), Российского фонда фундаментальных исследований (проект №12-08-00981-а и №12-08-31 533-мол_а) на 2012-2014 гг. и при Финансовой поддержке Фонда Содействия развитию малых форм предприятий в научно-

технической сфере в рамках программы «Старт 07» (госконтракты №4897р/7319 и №6222р/7319 на 2007-2009 гг.), а также работа поддержана научным грантом губернатора Челябинской области в 2006 г.

Кроме того, результаты научной работы отмечены стипендией губернатора Челябинской области (постановление от 29 сентября 2006 г. №278).

Цель работы: совершенствование аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий на основе принципа действия, заключающегося в увеличении циркуляции потоков посредством создания встречных вращающихся затопленных струй.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

- разработать принцип действия аппарата с вибромешалкой, исключающий выявленные недостатки известных способов и устройств для получения пищевых эмульсий, в основе которого лежит создание встречных затопленных струй, получающих вращение и радиально-осевые колебания;

- разработать математическую модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды с учетом влияния параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой на траекторию этих струй;

- провести компьютерное моделирование виброперемещений рабочего органа аппарата, увлекающего за собой жидкую среду, для определения возможностей управления траекториями вращающихся затопленных струй жидкой среды;

- теоретически и экспериментально определить наивыгоднейшие технологические параметры процесса перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий, посредством которых возможно управлять траекториями встречных вращающихся затопленных струй в аппарате с вибромешалкой;

- для оценки качественных показателей процесса перемешивания при получении пищевых эмульсий, экспериментально определить технологические параметры и разработать руководящие материалы для настройки аппарата;

- разработать методику расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий;

- внедрить результаты исследований в производство эмульсий для смазки хлебных форм и жидких смесей для мягкого мороженого, а также в учебный процесс.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались эмпирические и теоретические методы исследования, базирующиеся на фундаментальных положениях теоретической механики и гидродинамики.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью полученных теоретических результатов с данными натурных экспериментов, успешным внедрением результатов на производстве и в учебном процессе.

Научная новизна исследований:

-теоретически обоснован и предложен принцип действия аппарата с виб-ромешапкой для получения пищевых эмульсий, в основе которого лежит созда-

ние встречных затопленных струй жидкой среды путем сообщения им совместного вращения и радиально-осевых колебаний, тем самым увеличивают длину их пути перемешивания. При этом, изменяя параметры колебаний рабочего органа, управляют траекториями встречных вращающихся затопленных струй, усиливая либо радиальную, либо осевую составляющую скорости их движения;

- разработана математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды в процессе вибрационного перемешивания компонентов пищевых эмульсий, позволяющая учитывать влияние параметров колебаний рабочего органа на траекторию этих встречных вращающихся затопленных струй;

-теоретически установлено и экспериментально подтверждено влияние технологических параметров аппарата с вибромешалкой на интенсивность встречных вращающихся струй жидкой среды, потребляемую мощность, эффективность перемешивания и показатели стабильности получаемой эмульсии.

Лично автором разработана математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды при перемешивании компонентов пищевых эмульсий и реализована в конструкции аппарата с вибромешалкой; разработана авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата; получены номограммы, позволяющие выбрать наивыгоднейшие режимы работы аппарата с вибромешалкой.

Отличием от результатов, полученных другими авторами, является то, что предложена конструкция аппарата с вибромешалкой в основе которой лежит создание управляемых встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды; технически обеспечена возможность одновременной реализация трех вибромеханических эффектов (эффект повышения турбулизации жидкой среды, виброструйный эффект и эффект вибрационного поддержания вращения рабочего органа), что интенсифицирует процесс перемешивания компонентов пищевых эмульсий со щадящими режимами воздействия на жидкую среду. Аппарат с вибромешалкой углубляет турбулизацию среды, приближая ее к уровню кавитационных машин, но не наносит ущерб биологической ценности продукта.

Практическое значение работы заключается в следующем:

-усовершенствована конструкция аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий, повышающая интенсивность процесса и улучшающая качественные характеристики готового продукта;

- разработана авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой при получении пищевых эмульсий;

- получены номограммы для выбора рациональных режимов работы аппарата с вибромешалкой при получении различных пищевых эмульсий;

- спроектирован, изготовлен и внедрен в производство аппарат с вибромешалкой для получения эмульсии для смазки хлебных форм и жидкой смеси для мягкого мороженого.

На защиту выносятся:

- математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды в процессе вибрационного перемешивания компонентов пищевых эмульсий;

- конструкция аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий, в которой реализовано управление траекториями встречных вращающихся затопленных струй;

- авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой.

Реализация результатов работы. Результаты работы приняты для использования:

- при производстве эмульсии для смазки хлебных форм на ОАО «Златоус-товский хлебокомбинат» (г. Златоуст);

- при производстве жидких смесей для приготовления мягкого мороженого на ООО «Русский молочный продукт» (г. Златоуст);

- в учебном процессе филиалов ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г. Усть-Катаве и в г. Златоусте при проведении занятий по дисциплинам: «Гидравлика», «Элементы гидропневмоавтоматики» и «Теоретическая механика».

Внедрение подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XII международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» г. Томск, ТПУ, 2006 г.; международный научный симпозиум «Гидродинамическая теория смазки — 120 лет», г. Орел, ОрелГТУ, 2006 г.; международная научно-техническая конференция «Повышение качества продукции и эффективности производства», г. Курган, КГУ, 2006 г.; V Всероссийская научно-практическая конференция «Качество продукции, технологий и образования», г. Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 2010 г.; I, II Международная научно-практическая конференция с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, ЮТИ ТПУ, 2010, 2011 гг.; 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках», КВВКУ, НИРИО, г. Казань, 2010 г.; Седьмая, Восьмая Всероссийская научная конференция с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи», г.Самара, СамГТУ, 2010, 2011 гг.; VII Международна научна практична конференция «Ключови въпроси в съвременната наука - 2011», Бълга-рия, гр. София; VII Mi^dzynarodowej naukowi - praktycznej konferencji «Pers-pektzwicyne opra-cowania s^ naukq i technikami - 2011», Polska, Przemysl, 2011; VIII Mezinárodní védecko - praktická konfer «Dny vedy - 2012», Ceská republika, Praha, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в XXI веке», г. Тамбов, 2013 г.; ежегодные научные конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ЮУрГУ (2008-2014 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Семь печатных работ опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК, и две статьи в зарубежных журналах, включенных в международную базу цитирования Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 23 таблицы, 10 приложений, 57 рисунков и библиографический список из 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и решаемые задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и основным задачам, которые возникают в современном производстве при получении пищевых эмульсий.

Проведен анализ способов перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий и аппаратов для их реализации, который позволил выявить, что наиболее эффективное устройство должно иметь широкий спектр факторов воздействия: турбулентные пульсации, вихревые движения, акустические и упругие колебания и др.; объединять в себе несколько функций (гомогенизация, диспергирование и др.) для использования в производстве с большой номенклатурой ингредиентов и обеспечивать стабильность конечного продукта в течение длительного времени. А также быть простым в изготовлении и обслуживании, энергоэффективным и экономичным.

Исследованиям по данной тематике посвящен ряд работ следующих ученых: Блехмана И.И., Яиуна С.Ф., Балабышко A.M., Юдаева В.Ф., Брагинского Л.Н., Нигматулина Р.И., Стренка Ф., Промтова М.А., Червякова В.М., Шерма-на Ф., Биглера В.И. и др.

Недостатки существующих аппаратов можно устранить, если в процессе перемешивания для получения пищевых эмульсий создавать глубоко затопленные направленные струи и задавать им колебания в различных направлениях. Тем самым углубить турбулизацию и приблизить ее к уровню кавитационных машин (РИА), не нанося ущерб биологической составляющей продукта. Реализовать это можно использованием аппарата с вибромешалкой, в котором множественность движений затопленных струй обеспечивается управляемым вибрационным воздействием в 3-х направлениях. Для этого наиболее целесообразно использовать специальный вибропривод с регулируемыми параметрами, в основу которого положен новый способ возбуждения колебаний, разработанный учеными Лакиревым С.Г., Сергеевым C.B., Хилькевичем Я.М.

Во второй главе на основе способа возбуждения колебаний предложена конструкция аппарата с вибромешалкой для получении пищевых эмульсий, в которой реализован принцип действия, заключающийся в создании встречных

затопленных струй, которым сообщают вращение и радиально-осевые колебания, увеличивая длину их пути перемешивания.

Рассмотрены условия и природа возникновения колебаний рабочего органа аппарата, представляющего собой вращающийся ротор 1, при его контакте с плоским неподвижным контртелом 2 (рис. 1). Для этого теоретически, энергетическим методом, были проведены исследования устойчивости колебаний системы, которые показали, что все тривиальные решения этой системы неустойчивы, а это значит, что всегда имеет место мягкое возбуждение колебаний.

Причем, экспериментально показано, что в начальный момент времени ротор, прижатый осевой силой .Рос к неподвижному контртелу, находится в состоянии покоя. Переходный процесс возбуждения колебаний характеризуется практически мгновенным выбегом тарелки ротора 3 (рис. 1) на стационарную круговую орбиту. При этом происходит смещение продольной оси ротора от оси г на величину а, в результате возникновения момента трения между ротором и контртелом, с последующим планетарным обкатыванием тарелки ротора 3 по поверхности сопряженного с ним контртела 2. Так кинематически неуравновешенный ротор совершает круговые колебания в радиальном направлении вокруг оси поворотной симметрии и создает вынуждающую центробежную силу Р, которая возбуждает всю колебательную систему. Центр тарелки 3 описывает круговую траекторию в направлении, противоположном его вращению, при этом частота колебаний со ротора значительно превышает частоту его вращения саВР. Математическая модель, отражающая поведение системы, учитывает влияние на частоту со и амплитуду а радиальных колебаний частоты вращения ротора юВр, силы прижатия тарелки ротора к контртелу Р0с и ее геометрические параметры:

т = Рос + I /ос +1. а = центр тяжести; 2/тсовр \А12т2(л\р т 2со

где т - приведенная масса ротора; / — вылет ротора; О - диаметр тарелки ротора в зоне его сопряжения с контртелом;у - жесткость ротора.

Для реализации предлагаемого принципа действия аппарата с вибромешалкой на ротор установлены перфорированные диски со встречными конически- | ми отверстиями, это позволяет создавать множество встречных затопленных | струй, которым сообщают вращение и радиально-осевые колебания, увеличивая длину их пути перемешивания.

При использовании только такой схемы возбуждения колебаний становится возможным управлять интенсивностью процесса перемешивания жидких сред

2

' 1<ЙВР

Рис. 1. Схема возбуждения колебаний: (Р □ вынуждающая сила, Руп — сила упругости, с1 -диаметр ротора; ц.т. -

при получении пищевых эмульсий усиливая либо радиальную, либо осевую составляющую скорости движения затопленных струй. Это позволяет изменять частоту взаимодействия встречных вращающихся затопленных струй (рис. 2,а). Результат проявления их взаимодействия на поверхности жидкой среды представлен в виде колец на рис. 2,6. Причем, количество колец строго соответствует числу диаметральных рядов отверстий. Таким образом, решена первая задача диссертационного исследования.

Далее исследованы кинематические характеристики вращающихся дисков 1 диаметром £>д (рис. 3), размещенных на роторе 2, посредством которых создаются встречные затопленные струи жидкой среды, которым сообщают вращения и радиально-осевые колебания. Определены максимальные амплитудные значения координатных составляющих скорости движения точек на периферии диска ротора аппарата с вибромешалкой:

Рис. 2. Формирование встречных затопленных струи: а) схема взаимодействия струй; б) результат взаимодействия струй

V, =(Я\ +Л>(0ВР; К, = а, ш = асо(/-/,)//;

Уг = а, со = соа Я1 //.

Максимальную скорость жидкость будет иметь в периферийной зоне нижнего диска (т. А) (см. рис. 3). В данный момент времени скорость в т. С. равна нулю (т. С. является мгновенным центром скоростей).

_ V б)

- . в)

а)

Рис. 3. Схема определения координатных составляющих скорости движения на периферии диска ротора аппарата с вибромешалкой: а) динамическая; б), в) кинематическая (/,—длина стержня ротора от тарелки ротора до центра тяжести диска; аь а -амплитуды радиальных колебаний; а2 - амплитуда осевых колебаний; - радиус диска ротора: Я- радиус тарелки ротора; £>д - диаметр диска; IV - вибрационный момент). со-турбулентный режим;^1/- виброструйный эффект

С учетом составляющих скоростей в окружном, радиальном и осевом направлениях уравнения движения жидкой среды, увлекаемой дисками ротора примут вид:

2(0(7, ,

((Л+Л)—Ц2

Э (а, со)

О.

д Э(а, со) 1 Эр,

---На, (о—— = —+

/ сЬ

р дг

Э2(а] ш) д (а1 Э2(а] ш)

дгг

2(0 а,

Э.-2

(а, ш)-

, , 2ша, , 2юа, „

Э/-

Эг

Э (а со) Э -!--(.—

дг2

(Я] со)

д(а ю)

Э(а2 (о)

дг Э--

д(а. (О) (а, со) Э(а со)

"рЭг

+ V

Э.-2

Э (а, ш) Э(а, ш) | Э~(а,ш) ---+----+-2-

дг~

д г

дz2

= 0.

дг т г

где г, /, г — цилиндрические координаты; V - коэффициент кинематической вязкости; р - давление; р - плотность жидкой среды. При этом в диссертации были определены граничные условия. Таким образом, решена вторая задача исследований.

Для расчета кинематических характеристик виброперемещений дисков ротора аппарата с вибромешалкой было произведено их компьютерное моделирование (рис. 4).

К,V, V

С г' I

\__У V___У

-0.5

О

б)

0,5 0.1

Рис. 4. Результаты моделирования виброперемещений ротора с дисками: а) зависимости V,, V,- и К. от времени б) визуализация траектории движения в плоскости ¡г.

Это позволило не только визуализировать формирование траектории движения точек на периферии дисков ротора, но и оценить траектории движения жидкой среды и ее скорость в различных направлениях (рис. 4). Таким образом, решена третья задача диссертационного исследования.

Предлагаемый принцип действия аппарата с вибромешалкой за счет множественности направлений встречных вращающихся затопленных струй, зависящих от разных координатных составляющих скоростей движения дисков рото-

ра, позволяет обеспечить эффект повышения турбулизации жидкой среды (см. рис. 3), за счет создаваемых высокочастотных колебаний рабочей жидкости, увеличивая ее динамическую вязкость, и обеспечивая тем самым увеличение внутреннего сопротивления частиц перемешиваемых компонентов. При этом число Рейнольдса Яе будет больше критического Яе .

Ке{ =К//г1/у = (Л + /г1)2соаЛ]у/Л; Яе_=У:1./\; Яе. где /_ - расстояние между дисками; Ое - диаметр емкости аппарата; V - кинематическая вязкость жидкой среды.

Вместе с тем радиально-осевые колебания конических перфорированных дисков, закрепленных на роторе аппарата, создают еще и виброструйный эффект (см. рис. 3), который обеспечивается изменением гидросопротивления конических отверстий при смене направления движения жидкой среды через последние. То есть, не только скорость потока многочисленных встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды, но и частота их взаимодействия на выходе из сужающихся конических отверстий увеличивается. А это углубляет турбулизацию жидкой среды. Интенсивность протекания виброструйного эффекта зависит от значений осевой скорости

Ротор с дисками, вращающийся с частотой <вВр, будет колебаться с частотой со, большей (в 10-100 раз) частоты вращения мВр, из-за его кинематической неуравновешенности. При этом жидкость, увлекаемая колеблющимся ротором с дисками, будет тоже вибрировать и способствовать поддержанию вращения дисков ротора. Так возникает эффект вибрационного поддержания вращения ротора аппарата (см. рис. 3), что, в свою очередь, позволяет затрачивать меньшую мощность на вращение ротора в установившемся режиме. А это позволяет повысить энергоэффективность процесса. При этом момент сил сопротивления вращению дисков ротора не должен превышать некоторого предельного значения вибрационного момента IV:

IV = /ис7сосовр£)/2.

Суммарная мощность при работе аппарата с вибромешалкой равна:

лЛ, а п 9 -з

= Т^Г' + "шврЯ АСм>шврг +

2Кю3+/^ю2(^2-ю2)) | Рп

4 „У+(а2х-е?) + "2а

\

где г - число дисков; АСц,- коэффициент сопротивления; пх - приведенный коэффициент вязких сопротивлений; ах - собственная частота колебаний системы на упругом элементе; Оп - приведенный диаметр подшипников; / - коэффициент трения.

~> 1 + та <зоювр

-ОТСГ£ГСОвр,

В совокупности реализуемые эффекты позволяют, за счет вращения и ради-ально-осевых колебаний ротора с дисками, создавать встречные вращающиеся затопленные струи, которые, в свою очередь, образуют тороидальновидные течения (см. рис. 2). А это позволяет достичь максимальной турбулизации жидкой среды, следовательно интенсифицировать процесс получения пищевых эмульсий.

В третьей главе приводится описание работы и испытаний аппарата с вибромешалкой (рис. 5). Исследовался процесс получения пищевых эмульсий вращающимся рабочим органом аппарата с колебаниями и без них.

Определялись технологические параметры: частота вращения ротора с дисками; осевое усилие прижатия ротора с дисками к контртелу; частота (диапазон регулирования от 0 до 16 Гц) и амплитуда колебаний ротора с дисками (диапазон регулирования от 0 до 8 мм); числа Рейнольдса; координатные составляющие скорости движения жидкой среды; мощность, затрачиваемая на перемешивание. В сравнении с теоретическими сот, ап и а2т определялись экспериментальные значения частот со и амплитуд колебаний а, и а2 рабочего органа аппарата при различных режимах настройки (рис. 6). Результаты измерения обрабатывались в программе «Осциллограф» версии 1.13. Картина колебаний отражалась на экране осциллографа (см.

Рис. 6. Результаты экспериментальных исследований: а) зависимости ю, а\ и а2 от соВр; б) зависимости со, а, и а2 от Рос Выявлено, что эффективнее всего регулировать параметры колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой, изменяя величину осевой силы прижима ротора к контртелу. Причем при одних и тех же параметрах вращения ротора с дисками, реализуя схему с колебаниями ротора, турбулентный режим возникает раньше при более спокойном течении жидкости, а вибрация позволяет управлять числом Рейнольдса в широких пределах и в разных направлениях. Значения приведены в тексте диссертации.

ров (1 - аппарат с вибромешалкой; 2 - измерительный блок)

Получены значения координатных составляющих скорости движения жидкой среды, увлекаемой дисками ротора (рис. 7), в зависимости от частоты вращения рабочего органа. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов составило не более 11%.

Эффект вибрационного поддержания вращения определяется мощностью N, потребляемой аппаратом с вибромешалкой в установившемся режиме. Поэтому производились замеры тока, потребляемого двигателем, и напряжения на нем (см. рис. 5) в двух случаях: с колебаниями рабочего органа и без них. Произведя замеры и сравнив их с теоретическими зависимостями (рис. 8), видим, что при колебаниях рабочего органа в установившемся режиме потребляемая мощность Nк ниже, чем при вращении рабочего органа без колебаний N. Это доказывает возникновение эффекта вибрационного поддержания вращения. Погрешность полученных результатов составляла не более 12 %.

V ,У , V , м/с N. Вт

I г' г'

, рад/с

Рис. 7. Результаты экспериментальных исследований (зависимости(-2, Уи К- отсоВр)

4 8 12 16 швр,рад/с Рис. 8. Результаты экспериментальных исследований (зависимости N Л^ от шВр)

Для визуального наблюдения нескольких вибромеханических эффектов в исследуемую зону подавалась через капиллярную трубку окрашенная жидкость (рис. 9).

(оВР=7рад/с;Ле = 3,4-104; шВР= 9 рад/с: Яе= 6,3-104; соВР= 9 рад/с; Рос= 62,5 Н; 1= 0.5 е., без колебаний Рос= 75 Н; ш= 10.1 Гц; а,= ю= 8,3 Гц;а,= 3,6 мм; а2= 1,8 ротора с дисками 2,72 мм; аг= 1,35 мм; /=3 с. мм; К= 0,072 м/с; /= 0,5 с.

а) б) ' в)

Рис. 9. Экспериментальные исследования эффектов: а) ламинарный режим течения жидкости; б) турбулентный режим; в) виброструйный эффект

Таким образом, решена четвертая задача диссертационного исследования. Для качественной оценки процесса перемешивания были проведены экспериментальные исследования приготовления эмульсии для смазки хлебных форм (рис. 10).

Ел «чймм ШМ Результаты экспе-

^ | риментальных исследований процесса приготовления эмульсии: а) начальный этап (возникновение турбу-. лентности вследствии виб-

юВР=12 рад/с; _РОс=50 Н; юВР=12 рад/с; _РОс=100 Н; роструйного эффекта); б) <в= 5,3 Гц;а|= 7,3 мм; со= 9.2 Гц; а,= 3,3 мм; а2= 1,7 заключительный этап (го-а2= 3,8 мм; Яе= 5,6-103 мм; Яе= 5,6-103: Гпер=5мин товая эмульсия) а) б)

Сопоставлено качество полученной эмульсии в аппарате с вибромешалкой без колебаний рабочего органа и с его колебаниями, а также было определено влияние времени перемешивания, концентрации компонентов эмульсии и изменения силы прижатия ротора к контртелу на время расслаивания эмульсии для смазки хлебных форм (рис. 1 1). При этом производился отбор проб в течение 25 минут с интервалом в 5 минут.

Рис. 11. Графики времени расслаивания эмульсии в зависимости от: а) времени перемешивания (<пер, мин); б) концентрации масла (С, %)

х - с колебаниями • - без колебаний

а) б)

Максимальная эффективность перемешивания была достигнута применением аппарата с вибромешалкой с колебаниями ротора с дисками и временем перемешивания компонентов эмульсии около 5 минут, с осевым прижатием ротора к контртелу 100 Н (см. рисунок 11). Эффективность процесса при этом в 3...4 раза больше, поскольку образуется тонкодисперсная эмульсия, устойчивость системы масло-вода длительнее, время к расслаиванию больше, чем у аппарата с мешалкой без колебаний рабочего органа. Это объясняется тем, что в течении первых нескольких секунд перемешивания преобладает диспергирование, а коалесценция распространяется лишь на малое число капель. После нескольких минут перемешивания (около 5 минут) коалесценция будет происходить столь же часто, как и диспергирование, т.е. оба процесса станут равновесными. При интенсивном перемешивании, по прошествии 5 минут дробление капель сопровождается разрушением бронирующих оболочек и образованием свежих поверхностей, где такие оболочки еще не успели сформироваться, что увеличивает вероятность слияния капель. Оптимальная концентрация масла в эмульсии находится в интервале от 20% до 50%. Это потому, что с увеличением концентрации масла увеличивается дисперсионная составляющая и уменьшается количество воды, т.е. идет большое образование мелких капель масла с одновременным уменьшением объема дисперсионной среды, которое приводит к коалесценции капель и как следствие к быстрому распаду системы.

Проведенные исследования с различными технологическими средами на аппарате с вибромешалкой, позволили определить рациональные технологические параметры, при которых возможно одновременное обеспечение эффектов турбулизации, виброструйного эффекта и эффекта вибрационного поддержания вращения рабочего органа. Эти найденные границы позволили создать номограммы, на которых обозначены благоприятные зоны для проведения наиболее эффективного процесса перемешивания при получении пищевых эмульсий.

Они могут быть полезны для технологов пищевых производств при настройке аппаратов с вибромешалками. Пример номограммы изображен на рисунке 12. В диссертационной работе произведено сопоставление технических характеристик предлагаемого аппарата с вибромешалкой по сравнению с существующими. Таким образом, решена пятая задача диссертационного исследования.

а,, а2, мм

3,75

2,5

1,25

л ■¿г' к N Qí ^ OS «1 а2

/

✓

и

-W,

-fV-,

Рис. 12. Номограмма настройки аппарата с вибромешалкой при приготовлении эмульсии для смазки хлебных форм - диапазон значений

вибрационного момента)

7,5 10 11 12,5 14 15 юВР, рад/с

« о

Рефяьтаты р4Л-«тоо(тг»к1пог^.о1 шашшш

6,0 2,09

В четвертой главе разработана методика (свидетельство №2011617664) расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий. Она представлена в виде программы, написанной на языке DELPHI. В ней можно как осуществлять разработку данного аппарата, так и определять наивыгоднейшие параметры его настройки при эксплуатации (рис. 13). При этом исходными данными являются: р - плотность рабочей среды; t - температура рабочей среды; /рас - время расслаивания

среды; V - объем среды вид рабочей среды; И ос — осевая сила прижатия ротора к контртелу; юВр — частота вращения ротора с дисками.

При проектировании определяются конструкторские параметры аппарата с вибромешалкой (рис. 13,a): D, I, d, Ru Д, z, m, материал стержня ротора с дисками, вид закрепления ротора и потребляемая мощность N аппарата, с целью определения расхода энергии на процесс перемешивания при получении пищевых эмульсий.

■■■■■■^^■■»r.n... ..............

Раб.диаметр тарег»и ротора, 0 40

Длина стержня ротора. 1 160

Масса ротора, m |ет) 0,85

Диаметр стержня ротора, d (мм) 12

Материал стержня Ста*ъ40х

Расст. от оси ротора до оси отв. 140

Вид за)фЕплешя ротсра Качакхцееся

Радиус ди»э. R (ми| 70

Количество акте, ; 1шт| 3

Диаметр раб. зон* еисости. Ое|мм| 180

Ггт^има псгружемм ротора, h 140

а)

Частота котебанй, а (Гц).. .. Анп/итуда осесьв кол-й а2 |мм1.. Амплитуда рад-* кол-й al |мм|. Осевая сост-я старости. V2 (н/tl Радиагъмая сост-я сшросто, vr Такею^Э'кная сост-я сиар. VI Чклэ РвЧопьдса Re Потребляемая мощность,« [Вт]

б)

Рис. 13. Интерфейс разработанного программного пакета: а), б) окна программы

А при настройке определяются технологические параметры аппарата (рис. 13,6): F (вынуждающая сила), со, а\, Reh Rer, ReV„ Vr, V-. Одновременно производится визуализация получаемых эффектов, посредством создания анимационных моделей (см. рис. 13,а), и вывод графических зависимостей: со =f (varia), a\=f (varia), a2=f (varia), F=f(varia), Re=f (var), V, =f (var), Vr=f (var), Vz =f (var), N=f(var), NK=f(var).

Таким образом, решена шестая задача диссертационного исследования.

В пятой главе приведены результаты промышленных испытаний разработанного способа и устройства для получения пищевых эмульсий. Данное оборудование (рис. 14) внедрено на двух предприятиях Челябинской области.

На предприятии ОАО «Златоустовский хлебокомбинат» при использовании эмульсии для смазки хлебных форм, приготовленной в пропеллерной мешалке, были выявлены следующие недостатки: низкая стабильность эмульсии, образование нагара на формах, плохое извлечение изделий из форм, повышенный расход растительного масла, высокое энергопотребление аппаратов и сложность их периодического обслуживания и поднастройки из-за использования в эмульсиях растительных масел различных поставщиков.

Поэтому, с целью повышения производительности процесса получения эмульсии для смазки хлебных форм, а также улучшения качественных характеристик получаемой эмульсии было предложено использовать аппарат с вибромешалкой на предприятии ОАО «Златоустовский хлебокомбинат». Предлагаемый способ позволяет получать стойкую эмульсию без нагрева компонентов, что сокращает энергозатраты. Проведена опытно-промышленная проверка качества эмульсии, полученной в аппарате с вибромешалкой. При этом оценивались органолептические свойства эмульсии и ее физико-химические показатели. Было отмечено повышение ее качества.

Аналогичная проблема имела место на Златоустовском молокозаводе «Русский молочный продукт» при производстве жидких смесей для приготовления мягкого мороженого. Для стабилизации продукта и повышения качественных показателей был предложен аппарат с вибромешалкой. Полученная смесь имела однородную структуру, обладала высокой «текучестью», жирность смеси составила 4 %; срок хранения 60 суток, при температуре +2...+4 С0. Приготовление жидких смесей в аппарате с вибромешалкой позволило повысить качество мягкого мороженого, имеющее характерные для его вида вкус, запах и цвет, однородность по всей массе, а также увеличить производительность процесса приготовления смеси на 10—25%. Применение аппарата с вибромешалкой на производстве позволило сократить время приготовления и повысить дисперсность эмульсии, а также уменьшить энергопотребление.

Результаты, полученные в диссертации, использованы при разработке практических работ «Комплексное исследование сложного движения тела с приме-

Рис. 14. Внешний вид аппарата с вибромешалкой

нением компьютерных технологий» для учебной дисциплины «Теоретическая механика» и «Исследование переходных гидромеханических процессов» для дисциплины «Гидравлика». Таким образом, решена седьмая задача исследований.

ВЫВОДЫ

1. Для интенсификации процесса получения пищевых эмульсий за счет углубления турбулизации путем увеличения циркуляции потоков и исключения застойных зон предложен усовершенствованный аппарат с вибромешалкой, в котором реализован принцип действия, заключающийся в создании в жидкой среде встречных вращающихся затопленных струй путем сообщения им, посредством рабочего органа, совместного вращения и радиально-осевых колебаний, причем изменяя параметры колебаний рабочего органа управляют траекториями встречных затопленных струй, перераспределяя радиальную и осевую составляющую скорости их движении, тем самым увеличивают длину их пути перемешивания.

2. Разработана математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды с учетом влияния параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой на траекторию этих струй, которая позволяет определить диапазоны возможных частот и амплитуд колебаний для выбора их рациональных величин.

3. Реализация нового способа возбуждения управляемых колебаний в конструкции аппарата с вибромешалкой позволяет управлять траекториями встречных вращающихся затопленных струй, одновременно обеспечивая вибромеханические эффекты: виброструйный, повышения турбулизации жидкой среды и вибрационного поддержания вращения рабочего органа.

4. Теоретически и экспериментально определены конструкторские и технологические параметры: частота вращения рабочего органа, сила прижатия рабочего органа, частота и амплитуда колебаний рабочего органа, числа Рей-нольдса, координатные составляющие скорости движения жидкой среды, мощность, затрачиваемая на перемешивание, влияющие на формирование траекторий и интенсивность встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды. В частности, определено, что при получении эмульсии для смазки хлебных форм, интенсивный турбулентный режим возникает при числах Рейнольдса Яе > 5-103, а виброструйный эффект — при преобладании осевой координатной составляющей скорости V. >0,1 м/с.

5. Результаты компьютерного моделирования виброперемещений рабочего органа аппарата с вибромешалкой позволяют численно определять координатные составляющие скорости движения встречных вращающихся затопленных струй, а также визуализировать формирование траекторий их движения.

6. Экспериментальные исследования показали, что применение аппарата с вибромешалкой позволяет получать устойчивые во времени эмульсии, например, при приготовлении эмульсии для смазки хлебных форм время расслаивания увеличилось в 3...4 раза по отношению к перемешиванию на традиционном оборудовании.

7. Получены руководящие материалы для настройки аппарата с вибромешалкой в виде номограмм, позволяющих выбирать наиболее рациональные режимы его работы, в частности скорости движения жидкой среды, вибрационный момент, амплитуду и частоту колебаний рабочего органа, для обеспечения требуемых показателей качества готового продукта.

8. Разработана авторская методика (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617664) расчета конструкторских и технологических параметров, позволяющая производить настройку аппарата с вибромешалкой для обеспечения требуемых показателей качества готового продукта.

9. Результаты полученных исследований внедрены в учебный процесс и позволили использовать аппарат с вибромешалкой в технологиях: получения жидких смесей для приготовления мягкого мороженого (ООО «Русский молочный продукт», г. Златоуст) и эмульсий для смазки хлебопекарных форм (ОАО «Златоустовский хлебокомбинат»). Также использование усовершенствованного аппарата с вибромешалкой может быть рекомендовано для приготовления низкокалорийных майонезов в пищевой промышленности, а также смазочно-охлаждающих жидкостей в металлообработке и буровых растворов в горном деле.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Издания из перечня Высшей аттестационной комиссии

1. Некрутов, В.Г. Компьютерное моделирование процесса перемешивания технологических сред в пищевой промышленности / В.Г. Некрутов // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. № 2-3, 2011. - С. 71-73.

2. Сергеев, C.B. Интенсификация процесса перемешивания маловязких пищевых продуктов / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов // Пищевая промышленность. №2, 2011.-С. 54-56.

3. Сергеев, C.B. Повышение эффективности перемешивания маловязких пищевых продуктов применением роторных инерционных вибровозбудителей / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов //ЭНЖ СПбГУНиПТ. Серия «Процессы и аппараты

пищевых производств» - http://www.processes.open-mechanics.com/years/20111/.

4. Сергеев, C.B. Компьютерное моделирование процесса перемешивания компонентов смазочно-охлаждающих жидкостей / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов // Вестник машиностроения, №3,2012. - С. 19-22.

5. Сергеев, C.B. Применение вибромеханических эффектов при приготовлении и регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов // СТИН. №5, 2012. - С. 33-37.

6. Сергеев, C.B. Совершенствование технологии восстановления смазочно-охлаждающих жидкостей для создания экологически безопасных производств / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов, Ю.С. Сергеев, A.B. Иршин // Безопасность в техносфере. №2, 2013. - С. 49-55.

7. Сергеев, C.B. Совершенствование процесса безразмерной обработки деталей в свободных абразивных средах / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2009. №1. - С. 55-57.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011617664. Система моделирования подбора параметров настройки приводов вибрационных устройств / В.Г. Некрутов, C.B. Сергеев, Б.А. Решетников, Р.Г. Закиров, A.B. Иршин. - №2011615882; заявл. 03.08.11; опубл. 30.09.11. Дата выдачи 30.09.2011.

Зарубежные издания, входящие в международную базу цитирования Scopus

9. Simulation of the Mixing of Components in Lubricant and Coolant Fluids / S.V. Sergeev and V.G. Nekrutov // Russian Engineering Research, 2012, Vol. 32, No. 3, pp. 225-228.

10. Vibromechanical methods in the preparation and regeneration of lubricant and coolant fluids / S.V. Sergeev and V.G. Nekrutov // Russian Engineering Research, 2012,.Vol. 32, No. 11-12, pp. 754-757.

Остальные издания

11. Сергеев, C.B. Совершенствование технологии получения высокогомоге-низированных пищевых продуктов / В.Г. Некрутов, C.B. Сергеев // Качество продукции, технологий и образования: материалы V всероссийской научно-практической конференции. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2010. - С. 163-165.

12. Сергеев, C.B. Совершенствование технологии восстановления и перемешивания смазочно-охлаждающих жидкостей для создания экологически безопасных производств / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов, A.B. Иршин, П.С. Мальцев // Materiály VIII mezinárodní vëdecko - praktická konfer «Dny vëdy

- 2012». - Dil 71. Ekologie: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o

- S. 33-37.

13. Сергеев C.B. Моделирование процесса перемешивания жидких технологических сред / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов, A.B. Иршин // Математическое моделирование и краевые задачи: труды восьмой Всероссийской научной конференции с международным участием. 4.2: Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами. Информационные технологии в математическом моделировании. - Самара: СамГТУ, 2011. -С. 93-95.

14. Сергеев, C.B. Разработка эффективной технологии приготовления и регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов, A.B. Иршин, Е.П. Слепов // Материали за 7-а международна научна практична конференция, «Ключови въпроси в съвременната наука», - 2011. Т. 34. Иконо-мики. София. «Бял ГРАД-БГ» ООД, С. 58-62.

15. Сергеев, C.B. Активация процесса перемешивания жидких гетерогенных сред / C.B. Сергеев, В.Г. Некрутов, A.B. Иршин // Наука и образование в XXI веке: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 сентября 2013 г.: в 34 частях. Часть 14. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2013. -С. 120-121.

Некрутов Владимир Геннадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТА С ВИБРОМЕШАЛКОЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств» (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 06.05.2014. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 135/275.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Некрутое Владимир Геннадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТА С ВИБРОМЕШАЛКОЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Специальность: 05Л 8.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

(технические науки)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201460413

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Сергеев С.В.

Челябинск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Способы и устройства перемешивания жидких сред для

получения пищевых эмульсий................................................................................................................13

1.1 Обзор жидких гетерогенных сред в пищевой промышленности. ... 14

1.2 Способы перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий............................................................................................................................................................................16

1.3 Аппараты для получения пищевых эмульсий........................................................20

1.3.1 Группа аппаратов центробежного типа..............................................................20

1.3.2 Группа аппаратов вибрационного типа................................................................25

1.3.3 Группа аппаратов кавитационного типа............................................................27

1.4 Состояние вопроса и задачи исследования..................................................................28

Глава 2. Исследование процесса получения пищевых эмульсий в

аппарате с вибромешалкой..........................................................................................................................30

2.1 Описание способа возбуждения колебаний............................................................30

2.2 Исследование устойчивости колебательного процесса................................31

2.3 Устройство возбуждения колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой............................................................................................................................................................38

2.4 Исследование закономерностей движения жидкой среды в аппарате с вибромешалкой..........................................................................................................................................39

2.5 Моделирование виброперемещений рабочего органа аппарата с вибромешалкой............................................................................................................................................................47

2.6 Теоретическое обоснование возникновения вибромеханических ^ эффектов......................................................................................

2.6.1 Эффект повышения турбулизации жидкой среды....................................49

2.6.2 Виброструйный эффект....................................................................................................51

2.6.3 Эффект вибрационного поддержания вращения......................................54

2.7 Определение потребляемой мощности аппарата с вибромешал- ^ кой.............................................................................................

2.8 Выводы по второй главе..............................................................................................................60

Глава 3. Разработка экспериментального аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий...................................... 63

3.1 Разработка экспериментального аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий.......................................................... 63

3.2 Разработка плана экспериментальных исследований и сопоставление их результатов в процессе перемешивания с колебаниями и без них... 65

3.3. Описание измеряемых параметров и применяемая аппаратура....... 68

3.4 Определение технологических параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой для обеспечения углубленного турбулентного движения жидкой среды...................................................... 72

3.5 Определение технологических параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой для обеспечения виброструйного эффекта.............................................................................................................................. 85

3.6 Определение технологических параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой для обеспечения эффекта вибрационного поддержания вращения.................................................................... 90

3.7 Экспериментальные исследования процесса приготовления эмульсии для смазки хлебных форм.................................................... 93

3.8 Руководящие материалы для настройки аппарата с вибромешалкой............................................................................................. 102

3.9 Выводы по третьей главе..................................................... 103

Глава 4. Методика расчета конструкторских и технологических

параметров аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий.................................................................................... 105

4.1 Разработка методики расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой............................................... 105

4.2 Выводы по четвертой главе.................................................. 110

Глава 5. Подтверждение эффективности применения аппарата с

вибромешалкой для получения пищевых эмульсий............................ 111

5.1 Применение аппарата с вибромешалкой при производстве эмульсий для смазки хлебных форм......................................................................................................................112

5.2 Применение аппарата с вибромешалкой при производстве жидких смесей для приготовления мягкого мороженого..........................................................................116

5.3 Внедрение в учебный процесс..............................................................................................118

5.4 Рекомендации по применению аппарата с вибромешалкой......................119

5.5 Выводы по пятой главе................................................................................................................121

Выводы и основные результаты работы........................................................................122

Список литературы..............................................................................................................................124

Приложения 135

Приложение 1................................................................................................................................................136

Приложение 2................................................................................................................................................139

Приложение 3..............................................................................................................................................142

Приложение 4................................................................................................................................................145

Приложение 5..............................................................................................................................................146

Приложение 6..............................................................................................................................................147

Приложение 7............................................................................................................................................152

Приложение 8..............................................................................................................................................154

Приложение 9..............................................................................................................................................156

Приложение 10............................................................................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Обеспечение высоких результатов при производстве различных пищевых продуктов возможно только на базе использования в промышленности современных достижений науки и техники. Одной из основных задач совершенствования пищевого производства является интенсификация гидромеханических процессов, в частности перемешивания (диспергирования, гомогенизации) жидких гетерогенных сред, таких систем как жидкость-жидкость с получением эмульсий и жидкость-твердое вещество с получением суспензий [33]. При этом большое внимание уделяется увеличению скорости протекания гидромеханических процессов. Известно, что органолептические и физико-химические свойства пищевой смеси в значительной степени зависят от продолжительности обработки. То есть некоторые материалы подвержены инактивации в результате продолжительного механического воздействия и способны менять свои свойства [51]. Неоднородная структура, непрезентабельный внешний вид, неудовлетворительные вкусовые качества и питательные свойства, нарушение норм и стандартов — далеко не все последствия, к которым приводит некачественное перемешивание. В ряде случаев действующее оборудование не обеспечивает смесь требуемого качества. Особенно остро такая проблема стоит при приготовлении эмульсий на водно-жировой основе (например, эмульсии вода-масло) [55, 94, 95], насыщении продукта микродозами витаминов и вкусовых добавок.

При приготовлении любой эмульсии общим является последовательность перемешивания фаз. При этом к жидкости, которая станет дисперсионной средой, добавляется вторая жидкость. Необходимым условием получения устойчивой эмульсии является присутствие стабилизатора во внешней фазе. Чтобы облегчить процесс диспергирования вводится эмульгатор, который можно растворять и в масляной, и в водной фазе [89].

Неверный выбор интенсивности механического воздействия является распространенной ошибкой при получении эмульсий. Известно, что при быстром перемешивании смесей жидкостей диспергирование происходит лучше. Однако это процесс может привести к коалесценции, так как в действительности существует некоторая оптимальная интенсивность механического воздействия [33].

Такие проблемы возникают в химической, пищевой и других отраслях промышленности [55, 94, 95]. К общим проблемам этих предприятий относится высокое энергопотребление аппаратов для перемешивания, сложность их периодического обслуживания и поднастройки. Так, например, на Златоустовском предприятии «Русский молочный продукт» при производстве жидких смесей для приготовления мягкого мороженого не удавалось стабильно получать эмульсию, устойчивую к расслаиванию с длительным сроком хранения и минимальным временем приготовления. Аналогичные проблемы имеют место и при приготовлении эмульсии для смазки хлебных форм на Златоустовском хлебокомбинате, где из-за низкого качества эмульсии, основу которой составляло растительное масло, образовывался нагар на формах, происходило плохое извлечение изделий из форм и наблюдался повышенный расход растительного масла. К общим проблемам этих предприятий относится высокое энергопотребление аппаратов для перемешивания, сложность их периодического обслуживания и поднастройки.

Перспективным при получении пищевых эмульсий является оборудование, увеличивающее турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости [32, 40]. Это возможно за счет создания встречных потоков и вихревых движений жидких сред, что требует создания центробежных сил, существенно превосходящих гравитационные, либо созданием акустических волн, которые обеспечивают кавитацию, акустическое давление, пульсирующие микропотоки и др.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетных направлений научно-исследовательской работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки Российской Федерации по теме «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в об-

ласти станкостроения» при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт №14.740.11.0023), Российского фонда фундаментальных исследований (проект №12-08-00981-а и №12-08-31 533-мол_а) на 2012-2014 гг. и при Финансовой поддержке Фонда Содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «Старт 07» (госконтракты №4897р/7319 и №6222р/7319 на 2007-2009 гг.), а также работа поддержана научным грантом студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области 2006 г. губернатора Челябинской области.

Помимо того, результаты научной работы отмечены стипендией губернатора Челябинской области лучшим студентам и аспирантам образовательных учреждений высшего профессионального образования (постановление от 29 сентября 2006 г. №278).

Цель работы: совершенствование аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий на основе принципа действия, заключающегося в увеличении циркуляции потоков посредством создания встречных вращающихся затопленных струй.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

- разработать принцип действия аппарата с вибромешалкой, исключающий выявленные недостатки известных способов и устройств для получения пищевых эмульсий, в основе которого лежит создание встречных затопленных струй, получающих вращение и радиально-осевые колебания;

- разработать математическую модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды с учетом влияния параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой на траекторию этих струй;

- провести компьютерное моделирование виброперемещений рабочего органа аппарата, увлекающего за собой жидкую среду, для определения возможностей управления траекториями вращающихся затопленных струй жидкой среды;

- теоретически и экспериментально определить рациональные технологические параметры процесса перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий, посредством которых возможно управлять траекториями встречных вращающихся затопленных струй в аппарате с вибромешалкой;

- для оценки качественных показателей процесса перемешивания при получении пищевых эмульсий, экспериментально определить технологические параметры и разработать руководящие материалы для настройки аппарата;

- разработать методику расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий;

- внедрить результаты исследований в производство эмульсии для смазки хлебных форм и жидкой смеси для мягкого мороженого, а также в учебный процесс.

Методы исследований. Для решения поставленных в диссертации задач использовались эмпирические и теоретические методы исследования, основы-выающиеся на фундаментальных положениях гидродинамики и теоретической механики.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью полученных теоретических результатов с данными натурных экспериментов, успешным внедрением результатов в производство и в учебный процесс.

Научная новизна исследований:

-теоретически обоснован и предложен принцип действия аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий, в основе которого лежит создание встречных затопленных струй жидкой среды путем сообщения им совместного вращения и радиально-осевых колебаний, тем самым увеличивают длину их пути перемешивания. При этом, изменяя параметры колебаний рабочего органа, управ-

ляют траекториями встречных вращающихся затопленных струй, усиливая либо радиальную, либо осевую составляющую скорости их движения;

- разработана математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды в процессе вибрационного перемешивания для получения пищевых эмульсий, позволяющая учитывать влияние параметров колебаний рабочего органа на траекторию этих встречных вращающихся затопленных струй;

-теоретически установлено и экспериментально подтверждено влияние технологических параметров аппарата с вибромешалкой на интенсивность встречных вращающихся струй жидкой среды, потребляемую мощность, энергопотребление, эффективность перемешивания и показатели стабильности получаемой эмульсии.

Лично автором разработана математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды при перемешивании компонентов пищевых эмульсий и реализована в конструкции аппарата с вибромешалкой; разработана авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата; получены номограммы, позволяющие выбрать наивыгоднейшие режимы работы аппарата с вибромешалкой.

Отличием от результатов, полученных другими авторами, является то, что предложена конструкция аппарата с вибромешалкой в основе которой лежит создание управляемых встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды; технически обеспечена возможность одновременной реализация трех вибромеханических эффектов (эффект повышения турбулизации жидкой среды, виброструйный эффект и эффект вибрационного поддержания вращения рабочего органа), что интенсифицирует процесс перемешивания для получении пищевых эмульсий со щадящими режимами воздействия на жидкую среду. Аппарат с вибромешалкой углубляет турбулизацию среды, приближая ее к уровню кавитацион-ных машин, но не наносит ущерб биологической ценности продукта.

Практическое значение работы заключается в следующем:

-усовершенствована конструкция аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий, повышающая интенсивность процесса и улучшающая качественные характеристики готового продукта;

- разработана авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой при получении пищевых эмульсий;

- получены номограммы для выбора рациональных режимов работы аппарата с вибромешалкой при получении различных пищевых эмульсий;

- спроектирован, изготовлен и внедрен в производство аппарат с вибромешалкой для получения эмульсии для смазки хлебных форм и жидкой смеси для мягкого мороженого.

На защиту выносятся:

- математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой