автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование межоперационного перемещения и интенсификация процессов формования полуфабрикатов из модельного теста различного зернового состава

N

На правах рукописи

Щербаков Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕЖОПЕРАЦИОННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ МОДЕЛЬНОГО ТЕСТА РАЗЛИЧНОГО ЗЕРНОВОГО СОСТАВА

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 '"Я 2013

Санкт-Петербург - 2013

005539549

005539549

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики». /Институт холода и биотехнологий/.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Арет Вальдур Аулисович

Официальные оппоненты: Алексеев Геннадий Валентинович

доктор технических наук, профессор

ФГБОУНИУИТМО

зав. кафедрой ПиАПП

Иванова Марина Александровна кандидат технических наук, ООО «\Уп§1еу», менеджер

Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал

ГНУ ГОСНИИХП Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится « У/ » г. в /у часов на

заседании диссертационного совета Д^ 12.227.09/при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, тел/факс (812)315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в бирзшотеке университета. Автореферат разослан « у" » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Валентина Степановна Колодязная

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Главным направлением исследований процессов и аппаратов пищевых производств является выявление закономерностей протекания технологических процессов, разработка методов расчета аппаратов и совершенствование действующего оборудования для переработки, в частности, мучного теста. В теории решения названных главных задач необходимо проведение проблемно ориентированных экспериментальных, аналитических и численных исследований, в которых плодотворными являются методы физико-химической механики или реологии. Изучение реологических свойств теста позволяет на стадии проектирования оборудования прогнозировать и корректировать параметры оборудования с целью получения готовых изделий требуемого качества.

Исследования Шведова Ф.Н., Ребиндера П.А., Воларовича М.П., Леонова А.И., Рогова И.А., Мачихиных Ю.А. и С.А., Панфилова В.А., Николаева JI.K., Косого В.Д., Маслова A.M., Урьева Н.В. и ряда других выдающихся отечественных ученых показали целесообразность реодинамического подхода к решению проблем совершенствования процессов и аппаратов производства пищевых продуктов. Это же обстоятельство нашло отражение в классических работах таких зарубежных ученых, как Рейнер М., Скотт-Блэр Г., Вейссенберг Р., Шоффильд Р., Боурне М. и многих других исследователей.

В настоящее время динамичное развитие получило производство хлебобулочные изделия из пшеничной муки с добавлением муки разных злаков, таких как: ржаная, овсяная, кукурузная, рисовая и гречневая. Данные муки различного зернового состава обогащены минеральными веществами, клетчаткой, высоким содержанием витаминов, микро- и макроэлементов, а также сбалансированным аминокислотным составом.

Тесто на основе смесей муки различного зернового состава является сложной сравнительно малоизученной гетерогенной системой, которая при межоперационном транспортировании и в формующих каналах оборудования проявляет вязкоупругие нелинейные неньютоновские эффекты. Транспортирование в межоперационных трубопроводах теста из муки различного зернового состава, исследование проблемы предельных скоростей экструзии в процессе формования различных полуфабрикатов, сопоставление результатов реометрии модельного теста на различных приборах, проведение модернизации пищевого оборудования, сопровождающейся получением высоких технико-экономических показателей, являются актуальными задачами и имеют важное практическое значение.

В более общем государственном плане работа ориентирована на решение задач, определенных приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ, утвержденными Президентом РФ Пр-842 и Пр-843 от 21 мая 2006 года. Эти документы были обновлены указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. №899.

Работа выполнена на кафедре техники мясных и молочных производств Санкт-Петербургского национального исследовательского университета

информационных технологий, механики и оптики института холода и биотехнологий в соответствии с планом работы Научно - образовательного центра «Производство продуктов питания из зерновых», созданного приказом Ректора СПбГУНиПТ (ныне /Институт холода и биотехнологий/ НИУ ИТМО) №308-о(а) от 18.09.2008 г.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является научно-обоснованное совершенствование межоперационного транспортирования и интенсификация процессов формования полуфабрикатов из теста различного зернового состава.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования:

- провести обзор машин и аппаратов, применяемых для транспортирования и формования мучного теста;

- разработать математическую модель межоперационного транспортирования модельного теста различного зернового состава;

- исследовать проблему достижения максимальных скоростей экструзии в процессе формовании изделий из модельного теста различного зернового состава;

- создать экспериментальную установку для опытного разделения местных и линейных потерь давления при течении модельного теста в межоперационных трубопроводах;

- экспериментально исследовать течение модельного теста в трубопроводах;

- провести сопоставление результатов реометрии модельного теста на капиллярном и ротационном реометрах;

- провести практическую реализацию результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна. Проведено сопоставление результатов реометрии модельного теста различного зернового состава на капиллярном и ротационном приборах, что позволило получить надежные данные для инженерного расчета межоперационного трубопроводного транспорта.

Проанализирована численным методом с использованием программы Майгсас! зависимость скорости сдвига на ротационном вискозиметре от индекса течения модельного теста и геометрии вискозиметра.

Исследовано влияние местных потерь давления при течении модельного теста в трубопроводных межоперационных системах.

Разработана методика подбора рационального диаметра трубы для межоперационного транспортирования теста.

Экспериментально определены режимы перехода ламинарного течения модельного теста в турбулентный и эффекты разбухания экструдата.

Практическая ценность. Создана методика расчета межоперационного трубопроводного транспорта мучного теста, разработан проект системы, который внедрен на производстве.

На основе материалов данной диссертационной работы изготовлен реометрический стенд, который используется в исследованиях в НИУ ИТМО ИХиБТ в магистратуре и бакалавриате.

Ряд результатов исследований находит отражение в учебном процессе при изложении дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств».

Новизна технических решений подтверждена заявкой № 2013129808 с приоритетом от 28.06.2013 на патент.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

- проблема потери устойчивости потока модельного теста в процессе формования полуфабриката;

- научное обоснование технических решений, реализующих межоперационный трубопроводный транспорт теста различного зернового состава;

- физические и математические модели механизмов линейных и местных потерь давления при трубопроводном движении модельного теста различного зернового состава;

- методика капиллярной вискозиметрии неньютоновских жидкостей с исключением входовых потерь давления;

- сопоставление результатов ротационной и капиллярной реометрии модельного теста.

Апробация работы. Основные положения и результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на: 39-ой научно-практической конференции по итогам НИР за 2011 год профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников кафедры ТММП, Санкт-Петербург: НИУ ИТМО ИХиБТ, (2012 г.); XVII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО ИХиБТ, кафедра техники мясных и молочных производств секция №5, подсекция «Машины и аппараты пищевых производств», Санкт-Петербург: НИУ ИТМО ИХиБТ, (2013 г.); III международной научно-технической интернет-конференции молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии» (АМИТ): ОмГТУ-FESTO, (Омск 2013г.); XII международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ», (Переяслав-Хмельницкий, Киевская обл., Украина, 2013 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и подана заявка на получение патента РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, включая 14 таблиц, 47 рисунков, список литературы из 105 наименований, в том числе 23 иностранных, 13 приложений.

Содержание работы

На основе аналитического обзора научно-технической литературы обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, проведен обзор машин и аппаратов, применяемых для транспортирования и формования теста. Освещены преимущества трубопроводного транспорта с точки зрения процесса монтажа и обслуживания, а также качества передаваемого продукта на всех этапах технологического процесса. Изложены

способы формования пищевых масс, приведена классификация формующих машин по типу нагнетателя и другим параметрам с построением граф-функции согласно методике теории системного анализа. Проведено исследование процесса межоперационного транспортирования вязкопластичных масс, а также рассмотрены основные виды экструзии, применяемые в пищевой промышленности. Схема исследований приведена на рис.1.

Рисунок 1. Структурная схема исследований

В основе математической модели процесса течения теста лежат классические уравнения неразрывности и движения:

^ + = 0 (1)

p~+VP = Vf-pg (2)

Одним из важных факторов, ограничивающих предельные скорости экструзии теста различного зернового состава, является потеря устойчивости потока, вызываемая взаимодействием сил инерции и вязкого трения, что находит количественное отображение в критерии Рейнольдса. Течение теста можно описать реологическими уравнениями степенной жидкости или уравнением Шведова-Бингама, которые после ряда упрощений (ламинарность, стационарность, несжимаемость) в общей дифференциальной форме имеют вид:

%-F[m] = 0 (3)

Проведя двойное интегрирование, в том числе по частям, и перейдя от переменной г к переменной г, получим формулу расхода:

Q=?ftiwF(T)T4T (4)

Сопоставив (4) с формулой Дарси-Вейсбаха и игнорируя отрицательное слагаемое в формуле Букингема-Рейнера, можно предложить два вида обобщенных критериев Рейнольдса:

_ Mnnv2~ndnp . .

2 (3n+l)n2n+3k 1 >

n 6v2dp ,,,

(6)

Эксперименталы показали, что для модельного теста различного зернового состава за критерий потери устойчивости следует взять формулу (5).

Опыты проводили на установке конструкции Щербакова A.C. - «Устройстве для определения потерь давления в трубопроводах различной конфигурации» (рис.6). Момент перехода ламинарного потока в турбулентный фиксировался видеосъемкой по началу образования явления потери устойчивости экструдата. Обобщенный критерий Re2 при этом достигал 8500±50. Исследования необходимо продолжить, поскольку не удалось однозначно выяснить роль местных потерь давления в процессе возбуждения турбулентности в потоке степенной жидкости.

Вторым важным фактором, ограничивающим интенсивность процесса формования изделий, является разбухание потока из-за вязкоупругих свойств теста при всестороннем сжатии.

Одну из наиболее сложных моделей вязкоупругих сред для мучного теста предложили Шофильд и Скот-Блер, которая в символьной форме может быть записана:

SchScB — Н — [((Я - N)\Schw)} - (H\N), (7)

Опыты на коническом пластомере с использованием геометрического коэффициента Арета показали, что предельными напряжениями можно пренебречь для модельного теста. Тогда можно предложить более простую вязкоупругую модель. Если в модель Кельвина - Фойгта для исследуемого теста из муки различного зернового состава вставить последовательно модель Гука, то символьная формула приобретет вид (рис.2):

МТ = Н - (Н\Ы) (8)

Рисунок 2. Упрощенная модель вязкопластичного теста из муки различного зернового состава.

Математическое описание модели дает дифференциальные уравнения вида

сгс \ г] / 1 м \ г] /

Конечная деформация определяется по формуле (10)

£к = Ч + ¿2

(9)

£ |

Е2

Е1+Я2

-ао

Полагая на выходе из канала напряжение сжатия а = 0, тогда дифференциальное уравнение (9) интегрируется разделением

переменных и дает выражение для оценки разбухания и

деформации полуфабриката:

А

о

(11)

Рисунок 3. Деформация модельного теста при формовании

Идея подбора рационального диаметра трубы для межоперационного транспортирования теста заключается в совместном решении уравнения неразрывности потока и движения с учетом реологического уравнения среды и зависимости стоимости трубы от параметров.

Чем больше радиус трубы, тем меньше энергии требуется для перекачивания и цена операции уменьшается.

Однако, чем больше радиус трубы, тем его цена больше. Ценовая энергетическая функция (рис. 4.) имеет вид

, (ЦЗп+гУ1 ^-(зп+1)

Р(£>) = 2 Ьк(СТЕ)~

1

+ (СГЯ)Ятр (12)

Рисунок 4. Построение ценовой энергетической функции при заданном расходе.

труиы

затраты на приобретение

эксплуатационные затраты

—-г.........

<ГЛ

целевая функция — • ...... Р(П) | \ | л \ 1 \ ! ч \ Щ Р Г

Я 1 1 ______ _ ...„.._ _ ] &Й ' ' К."Л Зг> ' <¡52 ЯМ. г.. V «г*

Предложенная методика построения ценовой

энергетической функции,

учитывающей стоимость труб и расходуемой электроэнергии на нагнетание, позволяет

подобрать рациональный

диаметр трубы для

межоперационного транспортирования теста из муки различного зернового состава.

Выбор оборудования для межоперационного транспортирования и формования был осуществлен методами системного анализа. На основе анализа научно-технической литературы была составлена морфологическая модель объекта, которая определила количество вариантов N=11340.

Очевидно, что морфологическая модель дает широкий выбор возможных вариантов, позволяет не упустить какую-либо комбинацию идентифицирующих параметров. Для решения конкретной технической задачи целесообразно построить граф-функцию (рис.5).

Рисунок 5. Граф-функция вариантов структуры оборудования.

Из соображений технико-экономической оценки и теории принятия решений можно выбрать в качестве нагнетателя для производственных нужд червячный насос, а для реометрии поршневой нагнетатель.

Экспериментально исследованы реологические свойства тестовых масс из пшеничной муки и муки различного зернового состава. Исследование реологических свойств является неотъемлемой частью при инженерном расчете трубопроводного транспорта. Кроме того, изменение вязкости, скорости сдвига, напряжения, потери давления оказывают существенное влияние на течение технологических процессов, а значит и на качество полуфабриката и готового изделия. Исследования проводили на экспериментальной установке, представляющей капиллярный вискозиметр, созданный на кафедре техники мясных и молочных производств Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, Института холода и Биотехнологий. Данная установка позволяет выпрессовывать тесто различного состава с различными скоростями, наблюдать визуально перемещение поршня, потерю устойчивости и разбухание экструдата потока, изменять давление, оказываемое на поршень, а также проводить измерения объемного расхода тестовых масс. Фотография экспериментальной установки представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Фотография экспериментальной установки:

1-поршень; 2-шток поршня; 3-цилиндр; 4-линейка; 5-крепление цилиндра; 6-капилляры различной конфигурации; 7-грузы

В рабочем цилиндре 3 диаметром 39 мм и длинной 150 мм находится поршень 1 того же диаметра. Шток поршня 2, соответственно, имеет длину 150 мм и диаметр 39 мм. Цилиндр и поршень являются стандартными изделиями, а именно медицинскими шприцами объемом 150 мл. Визуальный контроль перемещения поршня возможен благодаря тому, что цилиндр является прозрачным. С одной стороны в цилиндре имеется отверстие для трубки 6, которая герметично запаяна с цилиндром с помощью термоклея. Длина, диаметр, радиус поворота трубки изменялись в зависимости от задачи эксперимента. Достигалось это путем смены цилиндров с уже герметично запаянными капиллярами различной конфигурации. Длины герметично запаянных трубок изменялись от 50 до 200 мм. Внутренний диаметр трубки имел значения 8, 10 и 12 мм. Радиус поворота трубки имел значение Я=0 мм и Я= 50 мм. Длину хода поршня можно контролировать с помощью линейки б, а изменение объема продукта в цилиндре - по нанесенной заводом изготовителем шкале на корпусе цилиндра. Цилиндр неподвижно закреплен с помощью специального крепления 5. Перемещение поршня достигается с помощью давления, оказанного лабораторными грузами 7, подвешенными через трос к верхней части поршня. Лабораторные грузы имеют различный вес от 0,250 кг до 16 кг. Установка позволяет использовать грузы в различной комбинации, что дает возможность создать требуемое давление во время проведения экспериментов. Более подробная методика проводимых исследований описана в диссертационной работе. Кроме того, для оценки процесса стабилизации реологических свойств были проведены исследования на фаринографе немецкой фирмы ВгаЬепс1ег по штатной методике прибора.

По полученным экспериментальным данным определяли давление, оказываемое на поршень (р), объемный расход модельного теста ((2), напряжение сдвига (т), скорость сдвига (у), потери давления на входе в капилляр (Др).

Обработка полученных экспериментальных данных с помощью программ СигуеЕхреЛ и МаШсас! дала следующую зависимость объемного расхода от давления без учета входовых потерь давления:

= = 03)

График зависимости от Др в исходной системе координат представлен на рис.7.

{—т—т—\.......ГТТ~""Т""л' т ; I

Г 1 ~ТЯТР \~Р,

' ; ; ^ - 1 ' :; ! . ! ;

ОСЕ

1—1—ь—I—А—Э.пп^Ж!, 1— г..... ] .1.....

*7с «И—!—I—ЬЧ-^Н-—

Рисунок 7. График зависимости объемных расходов <21,<22и<2ДР от давлений

~Т Г I Т I "Г......1—г.......1—1 Р,, Па Р2, Па и ДР,

I—ь 1 | Па,построенный в

программе Майисас!.

Р,. Р;..ДР Па 5Я5Й

На следующем этапе проведены экспериментальные исследования, позволяющие определить влияние местного сопротивления на участке капилляра в виде плавного закругления радиусом К.= 50 мм. Графики функций для прямого и изогнутого капилляра в единой системе координат построены в программе Ма&саё.

Для прямого капилляра зависимость объемного расхода от давления имеет вид:

= Мрй

% = 2,33 ■ 10~15, Ьг = 2,08

(14)

Для изогнутого капилляра:

Q2 = a2Apb»

а2 = 4,5 • Ю-14, Ь2 = 1,78

(15)

Получим

i.wtf4-ш*

Q1 мИ

Q - «И

'2

м3/с

«ирС

4*$'Т.....

ШГ<\........

teMfl—

.1. I

\

гй1*

Qi i^iU*

' JQ

jLÄ

zf

iXZ

■Q2 (ДР2)-

JL

±

"f. .IM...

« ;»•!{? и# и«! з>н? а;»«* з«а* «я?

ДР^ ДРг Па

Рисунок. 8. График зависимости объемных расходов (?1и (?2 от давлений Рх,Па и Р2.Па для прямого капилляра и изогнутого капилляра с радиусом поворота 11=50 мм, построенный в программе Майюас!.

Результаты исследования показывают, что при сравнительно низких скоростях течения влияние местного сопротивления, образованного плавным изгибом капилляра не является существенным. Тогда как с увеличением объемного расхода (Q > 3 ■ 10_6м3/с) роль изгиба капилляра возрастает.

Проведено сравнение реологических характеристик модельного теста на основе пшенично-кукурузной муки, исследуемой на ротационном вискозиметре Rlieotest-Medingen GmbH Rn4.1 немецкого производства (рис.9) и на капиллярном вискозиметре, изготовленном на кафедре, конструкция и принцип действия которого был описан выше. Реометрировали тесто с использованием цилиндра Н1. Основой расчета скоростей сдвига в Реотесте является формула Маргулеса, которая справедлива только для ньютоновских жидкостей.

Т

4-•J

i

-С* i

8 А

j

\

«Г

I - 1>.№&1Л>}

i

269.8 32.4.4

У , 11с

Рисунок 10. Связь между скоростями сдвига и касательным напряжением на поверхности цилиндра при Т = 20°С.

Из графика видно, что тесто относится к вязко-пластичным материалам, соответственно можно рекомендовать модель Оствальда де Виля т = к (у)71

Таким образом, связь между скоростями сдвига и касательным напряжением на поверхности цилиндра по данным, обработанным с помощью программы CurveExepert 1.3. имеет вид:

т = s,7y °'67 (16)

Для сопоставления результатов ротационной и капиллярной вискозиметрии исследования данного кукурузно-пшеничного модельного теста при Т = 20°С параллельно проводили на капиллярной установке Щербакова A.C.

Для определения эмпирической зависимости напряжения сдвига на стенке капилляра от скорости сдвига на стенке капилляра воспользуемся программой CurveExpert. После внесения значений величин напряжения сдвига в поле для

Рисунок 9. Ротационном вискозиметре Rheotest-Medingen GmbH Rn4.1

По полученным

экспериментальным данным построена кривая течения пшенично-кукурузной модельного теста при температуре Т=20°С в программе СигуеЕхереЛ 1.3. (рис. 10).

Поэтому, аналитически было исследовано и использовано в расчетах влияние индекса течения степенной среды на действительную скорость сдвига на стенке ротора вискозиметра (рис. 11).

оси У и скорости сдвига в поле оси X, программа СигуеЕхреШ .3 предлагает различные законы для построения данного графика, в числе которых из физических соображений можно выбрать степенную функцию вида (16).

Если пользоваться стандартной методикой ротационных вискозиметров -формулой Маргулеса, которая справедлива для ньютоновских жидкостей, не учитывается нелинейная природа теста. На рис. 11 показано, как измеряется действительная скорость на роторе ротационного вискозиметра в зависимости от индекса течения. Для ньютоновской жидкости индекс течения приближается к единице, формула Маргулеса работает абсолютно корректно, а для других жидкостей необходимо делать пересчет на другие значения для скоростей сдвига.

Рисунок 11. Влияние индекса течения на отношение величин действительной скорости

сдвига степенной среды к скорости сдвига ньютоновской

'. 1/ --[——-——I- жидкости на поверхности

ротора. Кривая 1 - для ротора Б1, а = 0,98, кривая 2 - для ротора Б2, а — 0,94; кривая 3 -для ротора БЗ, а - 0,81.

--- сг - - - Г. V ■

><

/

/ г ( / 2

} * [ / ^ 3

I * II

I г / 1'

Г

5 е.5 0.62! -3.?5 1

Величина индекса течения

Проведены экспериментальные исследования, позволяющие определить зависимости эффективной вязкости и напряжения сдвига пшенично-кукурузного модельного теста от температуры и градиента скорости.

Рисунок 12. Вязкостно-скоростные характеристики пшенично-кукурузного теста при температурах. Т=20°С, 30°С и 40°С.

Исходя из полученных экспериментальных данных, можно сделать вывод, что изменение эффективной вязкости пшенично-кукурузного теста от градиента скорости зависит от температуры. Например, при градиенте скорости 50с-1 эффективная вязкость при температуре 30°С имеет значение около 1500 Па с, а при 40°С около 1050 Па с.

На графике видно, что с увеличением температуры продукта разница эффективной вязкости от скорости сдвига уменьшается, и графики находятся практически в одном диапазоне. Так, например, для Т=20°С при значении градиента скорости 30с-1 эффективная вязкость имеет значения 4200 Па с, 3350 Па с и 2760 Па-с, а для Т=40°С при том же градиенте скорости эффективная вязкость имеет значения 1300 Па с, 1230 Па с и 1200 Па-с.

Следует отметить отсутствие влияния градиента скорости на эффективную вязкость пшенично-кукурузного теста с ростом температуры продукта. Так для Т=20°С при проведении опыта для значений градиента скорости до 200с-1 вязкость менялась следующим образом: при 20с-1 -3900 Па с, 50с"1 -2840 Па с, 100с"1 -2200 Па с, 150с-1 -1860 Па с, 190с-1 -1670 Па с, что показывает снижение эффективной вязкости в 2,3 раза. Для Т=40°С при проведении опыта для значений градиента скорости до 200с-1 вязкость менялась следующим образом: при 20с"1 -1400 Па-с, 50с-1 -1050 Па-с, 100с-1 -850 Па-с, 150с"1 -750 Па с, 190с"1 -695 Па-с, что показывает снижение эффективной вязкости в 2,0 раза.

Исходя из данных эксперимента, вязкость тестовой массы уменьшается с увеличением температуры, что подразумевает необходимость тщательного контроля и регулирования режима в процессе транспортирования тестовой массы по трубопроводному транспорту. Соблюдение требуемого температурного режима позволит поддерживать требуемое качество полуфабрикатов и готового изделия с требуемыми реологическими свойствами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Методы системного анализа позволили научно - обоснованно выбрать в качестве нагнетательного оборудования для операции транспортирования червячный пресс, а для реометрических исследований местных потерь -поршневой пресс.

2. Из теоретических и экспериментальных соображений, в качестве достаточно адекватной реологической модели теста из муки различного зернового состава была принята модель Оствальда де Виля (степенной жидкости) т = к (у)".

3. Предложенная методика построения ценовой энергетической функции

F(D) = 2Lk(CTE) °(3"7Г+1) (^)~(3n+1} + (CT/1)0^, учитывающей стоимость труб и расходуемой электроэнергии на нагнетание, позволяет подобрать рациональный диаметр трубы для межоперационного транспортирования теста различного зернового состава.

4. Обобщенный критерий Рейнольдса Re2 = 8500 для степенной жидкости позволяет расчетным путем на этапе проектирования формующего оборудования выбрать максимально допустимую скорость экструзии.

5. На основе экспериментальных исследований можно разделить местные и линейные потери при течении теста различного зернового состава в межоперационных трубопроводах.

6. Опыты показали, что в конкретных условиях течения модельного теста различного зернового состава при объемном расходе (Q < 3 • 10~бм3/с) потерями давления на поворотах при проектировании межоперационных трубопроводов можно пренебречь.

7. Учет вязкоупругих свойств теста позволяет дать оценку процессу разбухания экструдата, как второму фактору, ограничивающему интенсивность

экструзии по формуле Dq = ( 1+£Ч £)*.

V Я1Я2 '

8. Теоретическая математическая модель определения скоростей сдвига на стенке ротационного вискозиметра и способ Рабиновича для капиллярного вискозиметра позволяют получить сопоставимые результаты реометрии теста на различных реометрах.

9. Киносъемка и фотосъемка позволяют визуально определить момент нарушения устойчивости (ламинарности) потока экструдата и оценить процесс его разбухания.

Условные обозначения:

V = Xt ^ — + 5л Vi {j^j - операторы преобразования; vt - скорость в

направлении i компоненты, г - цилиндрическая координата, м; СТЕ-эксплуатационные затраты; СТР- стоимость трубы; г - напряжение сдвига, Па;

Y - скорость сдвига, с-1; Q - объемный расход текущей среды через трубу, м3/с; п - индекс течения; к - коэффициент консистенции; R - радиус капилляра, м; v - средняя скорость, м/с; р - плотность среды, кг/ м3; alt а2, Ьъ Ь2 -эмпирические коэффициенты; Re - критерий Рейнольдса; Sen - критерий Сен-Венана; Sen = ц - коэффициент динамической вязкости, Па-с; Н- символ

Mnnv

тела Гука; N - символ тела Ньютона; Schw - символ тела Сен-Венана; МТ -символ тела модели теста; R к1(п - идентифицирующие признаки морфологических параметров; Р - давление, оказываемое на поршень, Па; S -среднеквадратичное отклонение; г' - коэффициент корреляции; ДР - потери давления на входе в капилляр, Па; Т - температура продукта, °С; rj -коэффициент эффективной вязкости, Па-с.

Основное содержание работы изложено в следующих работах:

1. Арет В. А., Щербаков А. С. Капиллярная вискозиметрия пшеничного теста методом исключения входовых потерь давления [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт - Петербург: СПбГУНиПТ, 2011. - №2.

16 yV

2. Щербаков A.C. Вискозиметрия пшеничного теста [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт - Петербург: СПбГУНиПТ, 2012,- №1.

3. Арет В. А., Щербаков А. С., Кузнецов A.B. Влияние закругления трубы на движение неньютоновской жидкости [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт - Петербург: СПбГУНиПТ, 2012. - №2.

4. Арет В.А,, Байченко Л.А., Денисенко А.Ф., Николаев Л.К., Щербаков A.C. Использование результатов ротационной вискозиметрии пшеничного теста в расчетах трубопроводов [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - №1.

5. Арет В .А., Байченко Л.А., Щербаков A.C. Определение индекса течения и коэффициента консистенции пшеничного теста // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2013. - №30. - март. 2013. - С. 244-247.

6. Арет В.А., Байченко А., Байченко Л.А., Головинская О.В., Кузнецов A.B., Щербаков A.C. Сравнение реологических характеристик пшенично-кукурузной тестовой массы, исследуемой на ротационном и капиллярном вискозиметре. Новые технологии [Электронный ресурс]: - Реферируемый научный журнал; Майкоп, 2013. -Вып.№2.

7. Арет В.А., Щербаков A.C., Машкин Д.В. Исключение влияния нестабильности пшеничного теста на реологические показатели при ротационной вискозиметрии. Новые технологии [Электронный ресурс]: - Реферируемый научный журнал; Майкоп, 2013. - Вып.№2.

8. Щербаков A.C. Кинетика реологического поведения пшенично-кукурузного теста при различной температуре продукта. Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ: Сб. материалов международной научно-практической интернет-конференции. - Переяслав - Хмельницкий, Украина, 2013. -С. 16-18

9. Арет В.А., Щербаков A.C., Байченко Л.А. О потери устойчивости потока разно зернового теста [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт - Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - №2.

10. Арет В.А., Щербаков A.C. Изменение реологических свойств пшенично-кукурузного теста при различных скоростях сдвига и температуры продукта [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт - Петербург; НИУ ИТМО, 2013. - №2.

11. Арет В.А., Щербаков A.C., Морозов Е.А. Виртуальный университет НИУ ИТМО www.open-mechanics.com в научном и учебном процессе. Автоматизация, мехатроника, информационные технологии. Материалы 3 Международной научно-технической интернет-конференции молодых ученых. (Омск, 15-16 мая 2013 г.). [редкол.: В.Г.Хомченко, В.В. Клевакин].- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013.-220 е.- с. 202204.

Подписано в печать Ю, О, формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. Печ. л. 1.0. Тираж 20 экз. Заказ № 192,. НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий,

механики и оптики». /Институт холода и биотехнологий/.

04201365823 На правах рукописи

Щербаков Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕЖОПЕРАЦИОННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ МОДЕЛЬНОГО ТЕСТА РАЗЛИЧНОГО ЗЕРНОВОГО СОСТАВА

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор АретВ.А.

Санкт-Петербург - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 10

1.1. Обзор машин и аппаратов, применяемых для транспортирования и формования мучного теста 10

1.2. Исследование процесса межоперационного транспортирования

вязко-пластичных масс 16

1.3. Исследование процесса экструзии при формовании изделий из

мучного теста 21

1.4. Реологические свойства тестовых масс 23

1.5. Цель и задачи исследований. Схема проведения исследований 27 ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕЖОПЕРАЦИОННОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ 30

2.1. Системы дифференциальных уравнений и их упрощения 30

2.2. Течение неньютоновских жидкостей в трубах и методика

подбора рационального диаметра трубы 32

2.3. Моделирование перехода ламинарного потока в турбулентный,

и влияние этого процесса на качество изделий 39

2.4. Влияние вязкоупругих свойств на процесс формования 42

2.5. Морфологическая модель межоперационного транспортирования теста при формовании 44

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 48

3.1. Описание прибора и методики исследования 48

3.2. Исследование местных, входовых и линейных потерь давления 51

3.3. Исследование потерь давления на изгибах труб 71

3.4. Исследование устойчивости потока модельного теста 81

3.5. Сопоставление результатов капиллярной и

ротационной вискозиметрии 86

3.6. Изменение реологических свойств пшенично-кукурузного модельного

теста при различных скоростях сдвига и температуре продукта 97 ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ

РЕЗУЛЬТАТОВ 100

4.1. Методика расчета межоперационного транспортирования теста 101

4.2. Методика расчета предельных скоростей устойчивости формования

экструзией теста различного зернового состав 104

ВЫВОДЫ 108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 110

ПРИЛОЖЕНИЯ 119

Список основных обозначений

ь характерная длина, м

с константа интегрирования

Р давление, оказываемое на поршень, Па

время, с

г цилиндрическая координата, м

У скорость сдвига, с-1

ц коэффициент динамической вязкости, Па-с

x напряжение сдвига, Па

к коэффициент консистенции

п индекс течения

среднеквадратичное отклонение

Ч предельное напряжение сдвига, Па

тензор напряжений, Па

символ Кронкера

тензор скоростей деформации, с-1

А коэффициент, зависящий от

природы жидкости, Па с

Е энергия, которой должна обладать молекула

для отрыва от энергетического барьера

соседней молекулы

Я универсальная газовая постоянная

Т абсолютная температура

а, Ь эмпирические постоянные;

Тг температура, связанная с температурой

стеклования жидкостей

коэффициент пластической вязкости, Па с

То предел текучести, Па

напряжение в предматричной камере, Па.

р (г, 0, 2, плотность кг/м3

х, у, z, г, 0 координаты

vr(r,0,z,t), ve(r,G,z,t), vz(r,9,z,t) проекции скоростей на направления г, 8, z Г]3 коэффициент эффективной вязкости, Па с

Q объемный расход, м3/с

R радиус капилляра, м

tw напряжение сдвига на стенке трубы, Па

р плотность среды, кг/ м3

Ар перепад давлений, Па

Ret критерий Рейнольдса для ньютоновской

жидкости

Re2 критерий Рейнольдса для степенной жидкости

Re3 критерий Рейнольдса для среды Шведова-

Бингама

v, и средняя скорость течения, м/с

Sen критерий Сен-Венана

Н символ тела Гука

N символ тела Ньютона

Schw символ тела Сен-Венана

МТ символ тела модели теста

М символ Модели Максвелла;

К символ модели Кельвина - Фойгта.

R/l;(/) идентифицирующие признаки

морфологических параметров г' коэффициент корреляции

a1,a2,b1, Ь2 эмперические коэффициенты

m масса груза, кг

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во всем мире большой популярностью пользуются хлебобулочные изделия с различными добавками: кукурузная, рисовая, ржаная, гречневая мука, семена сои, кунжута, подсолнечника и т.д. Для России, Украины и Белоруссии особо актуально расширение ассортимента обогащенных хлебобулочных изделий, т.к. данные страны всегда отличались высоким потреблением хлеба.

В последнее время хлебопекарные заводы активно начали разработку новых рецептур обогащенных хлебобулочных изделий, которые также стали популярны в европейских странах.

Выработка готовых изделий высокого конкурентного качества невозможна без автоматического ведения технологического процесса, позволяющего исключить возможные ошибки и субъективное влияние обслуживающего персонала. Многие хлебопекарные производства оснащены устаревшим оборудованием с ненадлежащими средствами автоматизации. Возможности данного оборудования не позволяют обеспечить повышение производительности с сохранением требуемого качества полуфабрикатов и готового продукта при уменьшении его себестоимости, хотя это очень важно в условиях современного рынка.

Проблема исследования экструзии неньютоновских жидкостей, с целью интенсификации процессов и обеспечения получения качественных полуфабрикатов и готовых изделий, является актуальной задачей. Проектирование нового, а так же модернизация уже имеющегося на вооружении предприятий оборудования не может быть осуществлена без учета возникающих эффектов и гидродинамических особенностей потока. К наиболее часто возникающим эффектам можно отнести увеличение размеров самого экструдата относительно размеров поперечного сечения канала головки экструдера и потерю устойчивости струи при максимальных скоростях экструзии. Существует большое количество работ отечественных и зарубежных ученых, таких как, А.Я. Малкина, Г.В. Виноградова, И.Э. Груздева, А.Н. Богатырева, А.И. Жушмана, Л.П.

Ковалевской, C.B. Краус, М.А. Брутяна, Е.С. Berhard, J.F. Carley, В.Н. Maddok, R.A. Strab, G. Schenkel и многих других, посвященных исследованиям гидродинамических эффектов, возникающих при экструдировании. Но процессы, происходящие в пищевой промышленности при производстве изделий из теста разнозлаковых мук, исследованы недостаточно.

В связи с этим перспективным является изучение эффектов, происходящих при максимальных скоростях экструзии теста из смеси разнозлаковых мук. Эти знания позволят не только заранее просчитать образование вышеупомянутых эффектов, но и дадут возможность регулировать геометрию канала экструдера и интенсифицировать процесс производства. Также появится возможность избежать вспомогательных операций или введения дополнительных корректоров во время технологического процесса для достижения требуемого качества полуфабрикатов и готовой продукции, тем более что это приводит к их удорожанию. Кроме того, точность процесса дозирования и формования изделий экструзией может оказать как положительное влияние на экономику предприятия, так и отрицательное воздействие при появлении погрешности и увеличении массы готового изделия.

Актуальность работы.

Главным направлением исследований процессов и аппаратов пищевых производств является выявление закономерностей протекания технологических процессов, разработка методов расчет аппаратов и совершенствование действующего оборудования для переработки, в частности, мучного теста. В теории решения названных главных задач необходимо проведение проблемно ориентированных экспериментальных, аналитических и численных

исследований, в которых плодотворными являются методы физико-химической механики или реологии. Изучение реологических свойств теста позволяет на стадии проектирования оборудования прогнозировать и корректировать параметры оборудования с целью получения готовых изделий требуемого качества.

Исследования Шведова Ф.Н., Ребиндера П.А., Воларовича М.П., Леонова А.И., Рогова ИА., Мачихиных ЮА. и СА., Панфилова В.А., Николаева Л.К., Косого В.Д., Маслова A.M., Урьева Н.В. и ряда других выдающихся отечественных ученых показали целесообразность реодинамического подхода к решению проблем совершенствования процессов и аппаратов производства пищевых продуктов. Это же обстоятельство нашло отражение в классических работах таких зарубежных ученых, как Рейнер М., Скотг-Блэр Г., Вейссенберг Р., Шоффильд Р., Боурне М. и многих других исследователей.

В настоящее время динамичное развитие получило производство хлебобулочные изделия из пшеничной муки с добавлением муки разных злаков, таких как: ржаная, овсяная, кукурузная, рисовая и гречневая. Данные разнозлаковые муки обогащены минеральными веществами, клетчаткой, высоким содержанием витаминов, микро- и макроэлементов, а также сбалансированным аминокислотным составом.

Тесто на основе смесей разнозлаковой муки является сложной сравнительно малоизученной гетерогенной системой, которая при межоперационном транспортировании и в формующих каналах оборудования проявляет вязкоупругие нелинейные неньютоновские эффекты. Транспортирование в межоперационных трубопроводах теста из разнозлаковой муки, исследование проблемы предельных скоростей экструзии при формовании различных изделий, сопоставление результатов реометрии мучного теста на различных приборах, проведения модернизации пищевого оборудования, сопровождающейся получением высоких технико-экономических показателей, являются актуальными задачами и имеют важное практическое значение.

В более общем государственном плане работа ориентирована на решение задач, определенных приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ, утвержденными Президентом РФ Пр-842 и Пр-843 от 21 мая 2006 года. Эти документы были обновлены указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899.

Работа выполнена на кафедре техники мясных и молочных производств Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики института холода и биотехнологий в соответствии с планом работы Научно - образовательного центра «Производство продуктов питания из зерновых», созданного приказом Ректора СПбГУНиПТ (ныне Институт холода и биотехнологий НИУ ИТМО) № 308-о(а) от 18.09.2008 г.

Научная новизна.

Проведено сопоставление результатов реометрии модельного теста различного зернового состава на капиллярном и ротационном приборах, что позволило получить надежные данные для инженерного расчета межоперационного трубопроводного транспорта.

Проанализирована численным методом с использованием программы МаШсаё зависимость скорости сдвига в ротационном вискозиметре от индекса течения модельного теста и геометрии вискозиметра.

Исследовано влияние местных потерь давления при течении модельного теста в трубопроводных межоперационных системах.

Разработана методика оптимизации межоперационного трубопроводного транспорта для мучного теста.

Экспериментально определены режимы перехода ламинарного течения модельного теста в турбулентный и эффекты разбухания экструдата.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор машин и аппаратов, применяемых для транспортирования и

формования мучного теста.

Следует отметить, что пищевая промышленность в последние годы демонстрирует рост объемов производства хлебобулочных изделий и ужесточение требований, предъявляемых к качеству сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Вместе с тем, модернизация межоперационного транспорта в последние десятилетия не проводилась, вследствие чего происходит отставание в техническом плане данных элементов технологического оборудования от основных производственных участков. По данным источника [38] фактический износ межоперационного трубопроводного транспорта на передовых предприятиях достигает 80%.

В условиях конкуренции на рынке обогащенных хлебобулочных изделий, одним из острых вопросов является вопрос качественного транспортирования теста на всех этапах технологического процесса. В отличие от российских производителей оборудования, ведущие фирмы Италии, Франции, Германии вопросу межоперационного транспортирования, как основному элементу в объединении технологического оборудования в единый комплекс, уделяют пристальное внимание [27].

Проектирование автоматизированных технологических линий не возможно без использования межоперационного транспортного оборудования. Наиболее часто используемым по сравнению с транспортерами, нориями и элеваторами различных принципов действия и конфигурации является трубопроводный транспорт. Использование данного вида транспорта в 4-5 раз дешевле для предприятия по сравнению с использованием напольного транспорта. Трубопроводный транспорт обеспечивает перемещение сырья или полуфабриката между отдельными элементами технологического оборудования [2,3,18].

К основным преимуществам трубопроводного транспорта можно отнести:

• простоту конструкции, позволяющую проводить ежесменную разборку для чистки и обеззараживания данного трубопроводного транспорта в целях соблюдения санитарно-гигиенических требований;

• возможность монтажа смотровых лючков или стекол для визуального контроля перемещения продукта во время технологического процесса;

• полную изоляцию перемещаемого продукта, что позволяет содержать производственные цеха в чистоте и без запаха;

• возможность размещения трубопроводов в любом месте цехов, что позволяет рационально эффективно использовать производственные площади;

• возможность передачи продукта на расстояние до 50 м. и более;

• обеспечение ведение закрытого технологического процесса, что соответствует требованиям международной системы менеджмента качества ВБО.

Существуют три основных способа транспортирования продукта по средствам трубопроводного транспорта:

1. путем создания давления в начальной точки трубопроводной магистрали (насосы, компрессора);

2. путем создания разряжения на выходе из трубопроводной магистрали (вакуумные насосы);

3. за счет собственной силы тяжести перемещаемого продукта.

В любом из перечисленных выше способов движение продукта по трубам будет возможно только при условии, что созданное давление превысит внутренние и внешние сопротивления. Также не должно быть пустот в объеме перемещаемого продукта, иначе сжатый воздух будет свободно проходить через них.

Благодаря анализу работы межоперационного оборудования ведущих европейских фирм, проведенному в начале 2000 годов, было спроектировано и организовано серийное производство межоперационного транспорта на основе гибких шнеков [38]. Основными преимуществами данного трубопроводного

транспорта является простота сборки, а также возможность монтажа гибкой магистрали, подразумевающей легко изменяющуюся ее форму. Виды привода трассы на основе гибких шнеков:

• тянущий привод;

• толкающий привод;

• трассы с тянущим приводом и со свободным вторым концом шнека;

• трассы с толкающим и тянущим приводом, работающим при согласовании числа оборотов выходных валов мотор - редуктора.

Трассы оснащены двойной защитой от перегрузок. Одним из главных этапов в технологическом процессе выпуска готовых изделий является процесс формования. Под формованием пищевых масс следует понимать процесс придания изделию определенной формы и размеров [16]. В работе Мачихина Ю.А., Г.К. Бермана и Ю.В. Кпаповского [50] были описаны способы формования пищевых масс (рис.1.1.1.).

Прессование в замкнутом объеме

Отливка

Отсадка

Рисунок 1.1.1. Способы формования пищевых масс.

Для кондитерской промышленности характерно применение отливки корпусов конфет, выпрессовывание, прокатка пластов, отсадка, размазка пластов, штампование [10,14]. Для хлебопекарной промышленности применяются прокатка, закатка и округление изделий. В макаронной промышленности используют выпрессовывание и штампование. Благодаря применению различной конфигурации поперечного сечения формующей матрицы макаронные изделия приобретают различные формы (ленты, трубочки и т.д.). Для получения другой формы изделий выпрессованную макаронную ленту штампуют.

Комбинированные способы

Для получения изделий требуемой формы и качества необходимо учитывать реологические свойства сырья и полуфабрикатов, способ формования, а так же тип формующего оборудования. Подробная классификация формующих машин по типу нагнетателя, его характеру движения, характеру движения продукта в процессе формования, наличию принудительного пи�