автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса концентрирования квасного сусла с использованием роторного распылительного испарителя

На правах рукописи

ШЕМЕНЕВА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ КВАСНОГО СУСЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРНОГО РАСПЫЛИТЕЛЬНОГО ИСПАРИТЕЛЯ

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013 005539072

Кемерово — 2013

005539072

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Сорокопуд Александр Филиппович

Петрик Павел Трофимович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Энергосберегающие процессы в химической и нефтегазовой технологиях»

Буянов Олег Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», заведующий кафедрой «Теплохладотехника»

Государственное научное учреждение «Сибирский научно - исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции» Российской академии

сельскохозяйственных наук, Новосибирская область, п. Краснообск

Защита состоится 19 декабря 2013 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./ факс 8(3842) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http: //www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан « 18 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Российскую кухню невозможно себе представить без кваса, являющегося нашим национальным напитком. Помимо своего непревзойденного вкуса, квас обладает бактерицидными свойствами, улучшает обмен веществ в организме и содержит массу полезных микроэлементов и аминокислот. А так как россияне в последнее время стали больше заботится о своем здоровье, то и квас стал стремительно возвращаться в корзину потребителя.

В настоящее время наиболее распространенным способом производства кваса является приготозление его из концентрата квасного сусла. Однако, ввиду термолабильности данного продукта, процессы его концентрирования должны проводиться при невысоких температурах и минимальной продолжительности контакта с теплообменной поверхностью. Поэтому в пищевой промышленности для приготовления концентрата квасного сусла, как правило, применяют пленочные выпарные аппараты, работающие под вакуумом.

Роторные распылительные испарители (РРИ) обладают рядом преимуществ по сравнению с распространенными вакуумными выпарными аппаратами. Прежде всего, РРИ отличаются большей интенсивностью процессов теплообмена за счет дополнительной турбулизации пленочного течения жидкости в аппарате, возникающей при многократном диспергировании раствора в поле центробежных сил. Также РРИ достаточно компактны и не требуют высоких затрат энергии на организацию своей работы.

Однако процесс теплопередачи в РРИ недостаточно изучен, что препятствует широкому использованию их в пищевой промышленности.

В соответствии с изложенным, актуальным является проведение исследований, направленных на интенсификацию теплообмена и изучение возможности применения РРИ для получения качественного концентрата квасного сусла.

Научной базой исследований в данной области явились работы М.М. Авруцкого, Я. М. Константинова, Ю.И. Макарова, В.М. Олевского, В.Р. Ручинского, М.А. Харисова, А.Ф. Сорокопуда и ряда других ученых.

Цель работы - изучение процесса концентрирования пищевых продуктов в роторном распылительном испарителе в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке и совершенствование на этой основе технологии производства концентрата квасного сусла.

Задачи исследовании:

— изучение физико-химических свойств и теплофизичесхих характеристик квасного сусла и его концентратов, получение экспериментально-статистических моделей для их определения;

— исследования процесса теплообмена в РРИ в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке;

— установление оптимальных режимов работы РРИ;

— определение технико - экономических характеристик работы РРИ;

— разработка рекомендаций по промышленному использованию РРИ для получения концентрата квасного сусла.

Научная новизна:

- определены зависимости основных физико-химических свойств и тепло физических характеристик квасного сусла и его концентратов от температуры и содержания сухих растворимых веществ;

- установлены основные закономерности процесса концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ в условиях интенсификации теплообмена;

- выполнена оценка способов ввода воздуха в теплоноситель (горячую воду) на интенсивность теплообмена в РРИ;

- получены экспериментально-статистические модели, описывающие зависимость коэффициентов теплоотдачи от основных параметров на контактном элементе и в греющей рубашке РРИ в условиях интенсификации теплообмена.

Теоретическая и (фактическая значимость:

- получены экспериментально-статистические уравнения для расчета физико-химических свойств и теплофизических характеристик квасного сусла в широких диапазонах изменения температур и концентраций сухих веществ;

- установлены оптимальные режимы проведения процессов концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ, в том числе и квасного сусла, в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке;

- получены экспериментально-статистические зависимости для расчета основных технико-экономических характеристик РРИ;

- предложена методика уточненного расчета РРИ, позволяющая определить как основные конструктивные характеристики аппарата, так и основные параметры процесса;

- материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при выполнении курсового и дипломного проектирования студентов, обучающихся по направлению 260600 «Пищевая инженерия».

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретических положений.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись:

- на VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» (г. Магнитогорск, 2011г.);

- на IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2011 г.);

- на V Всероссийской научно-практической конференции "Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности" (г. Бийск, 2012 г.);

- на международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013 г.);

- на научных семинарах кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (г. Кемерово, 2010-2013 г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 9 печатных

работ, из них 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (110 источников), 6 приложений, содержит 32 рисунка и 10 таблиц. Основной текст изложен на 114 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе приведен литературный обзор наиболее распространенных конструкций вакуумных выпарных аппаратов, используемых в пищевой промышленности. Анализ аппаратов показал перспективность использования РРИ для концентрирования жидких термолабильных пищевых продуктов и, в частности, квасного сусла.

Литературный обзор показал, что в доступной автору литературе недостаточно сведений, характеризующих работу РРИ, вследствие сложности процесса теплообмена в них, что препятствует установлению оптимальных режимов переработки жидких пищевых продуктов, в том числе квасного сусла.

Кроме того, в первой главе рассмотрены способы интенсификации теплообмена в греющей рубашке РРИ и обоснован выбор конструктивного решения, как наиболее оптимального с точки зрения затрат на его реализацию. Для интенсификации теплообмена предлагается турбулизировать греющую воду воздухом, вводимым в нее через трубки различного конструктивного исполнения.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы исследования физико— химических свойств и теплофизических характеристик жидких пищевых продуктов, приведены результаты экспериментальных исследований. Данные по свойствам продуктов имеют особую значимость при проведении тепло- массообменных процессов в выпарных аппаратах.

В качестве объекта исследования использовали концентрат квасного сусла компании ООО «Домат-Д» (Белгородская область, г. Бирюч), ТУ 9185 -005-23452466-03.

Диапазон изучения физико-химических свойств (плотности рс, кг/м3; динамической вязкости цс, мПа-с; поверхностного натяжения ас, Н/м) и теплофизических характеристик (удельной теплоемкости сс, кДж/(кг-К); теплопроводности Ас, Вт/(м-К)) квасного сусла был выбран из анализа у словий концентрирования в РРИ.

В процессе экспериментального исследования параметры менялись в следующих пределах:

— концентрация сухих растворимых веществ — Ссв^- 10-Н50% масс, с шагом Л Ссв= Ю % масс.;

- температура - Г=293-333 К, Д Г= 10 К.

Для определения нлоп/остн использовали пикнометричеекий метод,

динамической вязкости — капиллярный метод, поверхностного натяжения — метод наибольшего давления пузырька академика Ребиндера.

Для исследования теплофизических характеристик были использованы следующие методы: теплопроводность — сравнительным методом Христиан-сена; удельная теплоемкость — калориметрическим методом.

Коэффициент температуропроводности ас, м2/с, рассчитывался по формуле: а = к/(с-р).

Эксперименты проводились в трех повторениях. Погрешности измерения изучаемых свойств и характеристик по выбранным методикам составили: для плотности — ± 0,24%, для динамической вязкости - ± 2,9%, для поверхностного натяжения - ± 1,55%, для теплопроводности — ± 2,58%, для удельной теплоемкости — ± 1,3%

После обработки экспериментальных данных в среде статистического пакета EXCEL были получены экспериментально-статистические модели, позволяющие рассчитать физико-химические свойства и теплофизические характеристики квасного сусла и его концентратов в интервале температур проведения процесса концентрирования в РРИ при различных концентрациях сухих веществ

рс= 1135,98-0,59-1+ 6,4-Сев, R=96,2%, (1)

где R — коэффициент множественной регрессии, показывающий, что модель приспособлено объясняет 96,2% изменения плотности;

Ме= =ехр(9,69 -0,02- Т + 0,05- Ссв), R-- =99,1%, (2)

СГс= =(186,09 -0,26-Т-1,2- Ссв) Ю'3, R- =98,8%, (3)

=0,02+0,002 Т- 0,002Ссв, R- =99,5%, (4)

Сс= --3,5+0,002-Т- 0,026-Ссв, R- =99,6%, (5)

ас= '-(0,25+0,004 Т- 0,005■ Ссв)-КУ\ R- =98,8%. (6)

В третьей главе представлены результаты исследования теплообмена в РРИ в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке при концентрировании жидких пищевых систем.

Исследования проводились на экспериментальной установке, основным элементом которой являлся РРИ, представляющий собой цилиндрический вертикальный аппарат диаметром 0,15 м (рисунок 1), внутри которого расположен вращающийся ротор.

Ротор представляет собой набор распылителей, каждый из которых своим заборным устройством (ЗУ) питает рабочей жидкостью диспергирующее устройство (ДУ). Жидкость находится на питающих тарелках, которые в совокупности с распылителями и пристенными каплеотбойниками образуют 6 контактных элементов (КЭ). Корпус РРИ обогревается горячей водой, циркулирующей в рубашках, площадь обогреваемой поверхности составляет 0,256 м2. Частота вращения ротора 90 с"1.

Характеристика распылителя: диаметр ДУ — ¿^=0,075 м, его высота -й.р=0,042 м, диаметр отверстий ДУ - йо=0,002 м, количество рядов отверстий -7, количество отзерстий в одном ряду - 32 (отверстия в рядах расположены в шахматном порядке). Высота КЭ - /¡=0,13 м.

¡-рубашка;

2—обогреваемый корпус;

3—пристенный каплеогбойник;

4— тарелка;

5—переточная труба;

6— направляющие пластины;

7—вал;

8—переток жидкости;

9—диспергирующее устройство (ДУ);

10—заборное устройство (ЗУ).

Рисунок 1 - Схема РРИ КемТИПП

Аппарат работает следующим образом. Исходный продукт с вышерасположенного КЭ через переток 8 сливается в ДУ распылителя 9, откуда вместе с продуктом, поступившим с питающей тарелки 4, распиливается в свободное пространство КЭ. Достигнув пристенного каплеотбойника 3, представляющего собой набор вертикальных металлических пластин, установленных на стенке аппарата под углом 15 - 25° к касательной к ДУ, продукт растекается по ним в тонкую пленку и получает тепло за счет того, что пластины плотно соединены с корпусом 2. На поверхности пластин 3 пленка продукта интенсивно турбулизируется касательно ударяющимися каплями, что повышает интенсивность процесса теплообмена на КЭ, а также уменьшает брызгоунос. Далее жидкость выходит на корпус 2, где интенсивно перемешивается, за счет запаса энергии, и затем по пластинам 3 и корпусу 2 стекает на сливную тарелку 4, откуда большая ее часть подается ЗУ 10 в ДУ 9. Остальная часть продукта, в количестве равном количеству свежепоступившего на тарелку, сливается в нижерасположенный КЭ. Восходящий поток пара с помощью направляющих 6, установленных в газоходах под углом 30 - 35е, приобретает вращательное движение на каждом КЭ. При этом пар и распыленная жидкость взаимодействуют в условиях, близких к прямотоку, что увеличивает время контакта пара и жидкости и способствует дополнительной турбулизации контактирующих фаз.

На первом этапе исследований в качестве модельных систем использовались: водный раствор 1ЧаС1 (ССв =8; 12 % масс.), водный раствор сахара (Сев =5; 10 % масс.). Исследования проводились при температуре греющего агента ГЙН=365...373 К с шагом 4 К, расходах [реющего агента К3=8,33-10"4 и 9,22-10"4 м3/с; подачах воздуха - ГЯОЗД=(0,94 ,.7,47) 10"5 м3/с,

10 7

д/

2У 1У

а:

/

а-а 15...25°

9 _6 £

а!"

-I

Б

5_

"Та

б-б

30...35'

•Мж.

подачах продукта Кд=0,833-10~5; 1,11-Ю"5; 1,66-10° м/с. Глубина вакуума в аппарате - р=92 кПа. Ввод воздуха в греющую воду осуществлялся с помощью загнутой по направлению движения теплоносителя трубки (рисунок 8, вариант а). Температуру внутренней поверхности аппарата измеряли в двух точках по высоте с помощью хромель — Копелевых термопар.

Эффективность процесса упаривания оценивалась с помощью коэффициента концентрирования, е = УУк/\¥н, где Жн - соответственно конечный и начальный объем упариваемого продукта. Таким образом, с уменьшением е эффективность процесса концентрирования увеличивается. Соотношение греющей воды и воздуха оценивалось через коэффициент насыщения /'= Увозд /Ув.

На рисунках 2—4 представлены графические зависимости коэффициента концентрирования е, теплопередачи Ка> и теплоотдачи в греющей рубашке РРИ а2 от коэффициента насыщения греющей воды воздухом.

Рисунок 2 — Зависимость коэффициента концентрирования от коэффициента насыщения при упаривании растворов, р — 92 кПа, ТВц— 373 К:

Ук=9,22-10"* м3/е: 1 - Гн= 0,833-10"5 м3/с; 2 - Г„= 1,11 -10"5 м3/с; 3 - Ун= 1,66-10"5 м3/с; Кй=8ЛЗ-10^ м3/с: 4 - У„= 0,833-! О 5 м3/с.

Как показали проведенные эксперименты, при увеличении коэффициента / до ¡=0,07 коэффициент концентрирования снижается, а на участке с /=0,07 до 7=0,057- возрастает. Это объясняется тем, что за счет наполнения потока теплоносителя пузырьками воздуха у поверхности теплообмена происходит разрушение пограничного ламинарного слоя. При дальнейшем увеличении подачи воздуха (/>0,07), он начинает перемещаться сплошным потоком и перестает дробить и обновлять пограничный слой. Повышение температуры греющего агента также ведет к снижению значения коэффициента концентрирования. Наиболее эффективно процесс упаривания протекал при 7йя=373 К. Увеличение подачи исходного продукта ведет к росту

коэффициента е. Увеличение подачи греющей воды повышает эффективность процесса.

Математическая обработка данных с использованием программы }'АВАБ1С- 2.763 позволила определить оптимальные соотношения расходов воздуха и греющей воды]-0,069±0,002.

Минимальное значение коэффициента концентрирования £=0,532 достигалось при Рд=0,833-Ю'5 м3/с,¿=0,07, Гдн=373 К,р= 92 кПа.

КСР, Вт/(м2-К) КСР, Вт/(м2 К)

Рисунок 3— Зависимость коэффициента теплопередачи от коэффициента насыщения при упаривании растворов, р~92 кПа, Твн = 373 К: Г«=9,22-10"4 м3/с: 1 - Кя= 0,833-Ю"5 м3/с; 2 - К„= 1,11-Ю"5 м3/с; 3 - Ун= 1,66-10"5 м3/с; Кд=8,33-10'4 м3/с: 4 - Гн= 0,833-Ю"5 м3/с.

Графики (рисунки 3- 4) наглядно демонстрируют, что значения КСр и а2 увеличиваются с увеличением] до »0,07 и далее уменьшаются. С ростом ¥н — наоборот. Максимальных значений КСр и а2 достигают при /«0,07, Твн =373 К и Ун= 0,833-10"5 м3/с, это совпадает с условиями, обеспечивающими минимальное значение коэффициента концентрирования.

Как видно из графиков на рисунке 4, с увеличением значений у с у—0,01 до у'я=0,07 увеличение значений коэффициента теплоотдачи составляет 90...200 Вт/(м -К). При дальнейшем росте величины ] значения коэффициента теплоотдачи снижаются.

Наиболее интенсивно процесс концентрирования протекал при Увоч/г=(>.4МО"5 м3/с; Г5д=373 К; р=92 к! 1а. Гя=0,833-Ю"5 м3/с; Кд=9,22-!0^ м3/с, при этом уменьшение коэффициента концентрирования е, по сравненшо с е при ) =0, составляет Ле=\2,\ %. Исходя из проведенного анализа, именно данный режим был принят как наиболее эффективный для концентрирования солевого раствора с 8 до 26 % масс, и сахарного раствора с 5 до 55 % масс (рисунки 5—7).

а2, 2150

2050 1950 1850

1750

Вт/(м2-К)

NaCÎ

о2, Вт/(м -К)

2200

Сахарный раствор _ (5 % масс.)

1700

2100 2000 1900 1800

Рисунок 4- Зависимость коэффициента теплоотдачи а2 от коэффициента насыщения при упаривании растворов, р = 92 кПа, Твн= 373 К: К«=9,22-1СГ4 м3/с: 1 - VH= 0,833-Ю"5 м3/с; 2 - VH= 1,11-Ю"5 м3/с; 3 - VH= 1,66-Ю"5 м3/с; Fb=8,33- 10"4 м3/с: 4 - V„= 0,833- 10~5 м3/с.

Для расширения информационной базы по деалкоголизации водно -спиртового раствора в РРИ (в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке) в рамках настоящих исследований также были проведены эксперименты по деалкоголизации водно — спиртового раствора (ССгГ 8 % об.) при Твн= 365 К,j~Q,07,p= 92 кПа, VH= 0,972 • 10"5; 1,39 ■ 10 м3/с (рисунки 57)-

0,78 0,71 0,64 0,57 0,50

55% масс.

31 % масс.

20% масс.

13% масс

8 % масс.

8,5% масс.

12% масс.

п

19% масс.

26% масс.

12 3 4

□ - солевой раствор И - сахарный раствор

0,78 0,74 0,70 П 0,66

водно-спиртовые ■рас шоры

5,1 % об.

2.9 % об.

4.6* об.

1,9% об.

1 2 3

□ - VH= 0,972 ■ Ш5м/с

П V„- !,;!<) -ПГ м'/с

Рисунок 5 - Изменение коэффициента концентрирования по проходам через испаритель при упаривании жидких пищевых систем

Достаточно было трех проходов через испаритель для обеих подач, чтобы содержание спирта в водно-спиртовом растворе составляло менее 1 % об.

Проверка результатов проведенных экспериментов по материальному балансу показала, что расхождение экспериментальных и расчетных значений не превышает ± 6%, а величина энергетических потерь, определенная из уравнения энергетического баланса, составляет не более ± 12%.

КСР, Вт/(м -К) 1030

940 850 760 570

8,5%

масс. 12% масс.

19 % масс.

13% масс.

КСР, Вт/(м -К) 790

55 % масс.

750

710

570

и 530

4,6% об.

водно-спиртовые растворы

1,9 % оо. 5,1 % об. _

менее 1 % об.

2,9% об.

менее ■ 1 % об.

2 3 4

I I — солевой раствор [3 - сахарный раствор

□ - Ун= 0,972 ■ 1СГ'м/с И- -1,39 -Щ' и '/с

Рисунок 6 — Изменение коэффициента теплопередачи по проходам через испаритель при упаривании жидких пищевых систем

а2, Вт/(м -К) 2300

8,5% 3%

2100

1300

1700

1500

масс 12ч

масс, 13 У, масс.

19% масс.

20 % масс.

26 % масс.

31 'А масс.

55% масс.

Я

а2, Вт/(м -К) 1700

1500

п 1400

. „„ водно-спирговьш

4,6 %

о6 5,1 % растворы

об. 1,9% об. менее

Г

-1 % об.

СИ - солевой раствор Ш - сахарный раствор

□ - Ун = 0,972 ■ 10~5 м3/с И- Ун= 1,39 ■ 11Г5м3/с

Рисунок 7 — Изменение коэффициента теплоотдачи г,ъ по проходам через испаритель при упаривании жидких пищевых систем

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от целого ряда режимных, конструктивных, технологических и других факторов. Получение точной расчетной зависимости для определения коэффициента теплоотдачи с учетом

всех факторов для всех случаев теплообмена не представляется возможным. На практике ограничиваются получением расчетных зависимостей для конкретных теплообменных процессов, что позволяет выявить основные факторы, оказывающие определенное влияние на исследуемый процесс, и получить зависимости, пригодные для практического применения.

По данным, полученным в результате проведения экспериментов по упариванию солевого, сахарного и водно—спиртового растворов, с применением методов статистического анализа построена экспериментально-статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи ана КЭ РРИ от основных параметров при вводе воздуха в греющую воду с помощью загнутой по направлению движения теплоносителя трубки (рисунок 8, вариант а)

а,= ехр(2147,39-0,4 -Ле^-У, 1 -Гг-0,02-Реч+0,254К-0,001-\Уе),

11=95,5 %, (7)

Уравнение (7) имеет следующие безразмерные комплексы:

Оп й и ■(!

„ т, - п _ Г К _ ПЛ К

пленочный критерии Реинольдса- Кет-------,

я • р ■ а ■ и V V

к

критерий Пекле - Рец=Яец Рг= (Ь'к ■ с!к) /а,

критерий Фруда - = ик2/ ^ ■ ¿к),

критерий Кутателадзе — К = г / (9 ■ с),

критерий Вебера - \Уе - (Р ■ IIк ■ с1к)/а\

где Ср - производительность ДУ распылителя, кг/с;

(1К -диаметр капель в факеле распыла, м;

О - диаметр КЭ, м;

ит - скорость течения пленки упариваемой жидкости по пластинам каплеотбойника, м/с.

1/к— скорость полета капель, м/с;

г — удельная теплота парообразования упариваемого раствора, Дж/кг;

9 — разность между температурой поверхности нагрева и температурой кипения раствора, К;

Физико-химические свойства и теплофизические характеристики модельных систем определялись экспериментально.

Данное уравнение применимо при следующих значениях чисел подобия: /?ем= 1600... 8000; Рг=70...280; Ре,,=47000... 55000; 700... 12000;

Рг=4...30): Х=12...20; Ге=180...360.

Также была построена экспериментально-статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи а2 в греющей рубашке

РРИ от входных параметров в условиях турбулизации воздухом (ввод воздуха через трубку по варианту а) на рисунке 8)

а2= ехр(5,13+1,15-]+0,006-Твн), Я=89,5 %, (8)

Уравнение (8) справедливо для ¥в= 8,33-Ю"4; 9,22-104 м3/с, р= 92 кПа в следующих диапазонах изменения входных параметров: 7^=395...373 К, Ун = (0,833... 1,66)-10"5 м3/с, Гцозд =(0,94...6,41 )• 10"5 м3/с, 7=0,01 ...0,07 - и может быть рекомендовано для практических расчетов.

Отклонение значений коэффициента теплоотдачи а/, полученных экспериментально и рассчитанных по уравнению (7), не превышает 17,12 %. Отклонение значений коэффициента теплоотдачи а2, полученных экспериментально и рассчитанных по уравнению (8), не превышает 14,56 %.

На втором этапе исследований для изменения турбулизации теплоносителя ввод воздуха в поток горячей воды осуществлялся через трубки диаметром 6 мм, с толщиной стенки 1 мм, различного конструктивного исполнения (рисунок 8).

12 12

Рисунок 8- Схемы устройств для ввода воздуха: а) трубка загнутая; б) сс=15°, 30°, 45°,60°; в) а =10°; г) 4 отверстия 0=3 мм в ряд; д) 10 отверстий 0=1,9 мм в шахматном порядке

Вертикальная часть вводных трубок 2 устанавливалась во входном патрубке диаметром 20 мм на расстоянии 120 мм от рубашки РРИ 1. Для варианта а) на рисунке 8 длина прямого участка вводной трубки, установленного по оси входного патрубка, составляла 30 мм. В остальных вариантах нижний торец вводной трубки устанавливался непосредственно на

стенку патрубка. Вводные трубки по вариантам а), г), д) имели одинаковое выходное сечение. Торцы трубок в вариантах г) и д) были заглушены.

В качестве модельной системы использовался водный раствор поваренной соли (ТчГаС!) с начальной концентрацией Ссп= 8 % масс.

Исследования проводились при подаче воздуха Кдозд=(0,94...7,47)Т0~^ м3/с, подаче продукта Ун =0,833Т0"5 м3/с, давлении р=92 кПа, температуре греющего агента Твн=365 ... 373 К, расходе греющего агента Ув=9,22-1 О*4 м3/с.

Как и в предыдущих экспериментах, наиболее эффективно процесс упаривания осуществлялся при ТШг=373 К. Анализ данных (рисунок 9) показал, что независимо от характера конструктивного исполнения ввода воздуха в теплоноситель при увеличении коэффициента ] до /~0,07 коэффициент концентрирования снижается, а на участке су»0,07 до /=0,081 - возрастает.

Процесс упаривания солевого раствора в РРИ при вводе воздуха в греющую воду через трубки по вариантам б), в) (рисунок 8), т. е. с различным углом среза а представляет практический интерес. При этом коэффициент концентрирования е при испытанных температурах греющей воды достигает наименьших значений при угле среза а=Т0° (рисунок 8, в). Анализ данных показал, что вариант а) обеспечивает коэффициент концентрирования выше на 6 %, чем вариант в) на рисунке 8.

£ Различное конструктивное

исполнение трубок ввода воздуха в поток теплоносителя обеспечивает различное распределение воздуха в виде пузырьков в потоке греющей воды. Можно утверждать, что вариант в) (рисунок 8) обеспечивает более тонкое дробление воздуха и более интенсивное перемешивание теплоносителя.

Основной задачей следующего этапа исследований являлось определение оптимальных, с практической точки зрения, режимов концентрирования квасного сусла в РРИ.

В качестве рабочей жидкости использовали квасное сусло с концентрацией сухих веществ Ссв= 10 % масс, (исходный концентрат разводили кипяченой водой).

по следующему

0,70

0,55

0,60

0,55

0,50

Л

р

0,09

0,01 0,03 0,05 0,07

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента

концентрирования от коэффициента насыщения греющей воды (Твн=373 К) при различных вариантах ввода воздуха: 1 * д); 2 - г); 3 - б); 60°; 4 - б), «=45°; 5 - б), а=30°; 6 - б), а=15°; 7 - в), а=10°

Концентрирование квасного сусла осуществлялось плану: первый проход — отделение ароматических веществ, последующие проходы - концентрирование до 60 % масс. При этом рабочие параметры выбранного режима составили:

- первый проход: подача продукта Ун =1,66-10"" м/с; температура греющей воды 7^=355 К; без подачи воздуха в греющую рубашку;

- остальные проходы: подача продукта Ун =0,833 10"5 м3/с; температура греющей воды Тт= 373 К; подача воздуха в греющую рубашку Радд=6,41-10"5 м3/с (/'»0,07). Вакуумная система обеспечивала создание в исследуемом объеме разрежения с остаточным давлением 8 кПа.

Введение воздуха в поток греющей воды осуществлялся через трубку по варианту в) (рисунок 8) с углом среза а=10°.

£ 0,70

0,65

0.60

0,55

0,50

15,5% масс.

- 25% ~ масс.

43% масс.

- 63 % масс.

12 3 4

Рисунок 10-Изменение коэффициента концентрирования по проходам через испаритель при упаривании квасного сусла

КСР, Вт/(мг К) 980

850 740 520 500

25 % масс.

"15,5% масс.

43% масс.

63% масс.

12 3 4

Рисунок 11—Изменение коэффициента теплопередачи по проходам через испаритель при упаривании квасного сусла

аь Вт/(м -К) 2 000

1900 1800 1700 1800 1500

15,5% 25% масс, масс.

¿3% масс.

63% масс

12 3 4

Рисунок 12—Изменение коэффициента теплоотдачи ау по проходам через испаритель при упаривании квасного сусла

аъ Вт/(м -К) 1 900

1 800

1 700

1 800

1 500

15.5% 25 % масс.

масс. 43% масс.

63% масс. тт

12 3 4

Рисунок 13-Изменение коэффициента теплоотдачи а2 по проходам через испаритель при упаривании квасного сусла

Как следует из данных, представленных на рисунках 10-13 для концентрирования квасного сусла до 63 % масс, потребовалось четыре прохода

через испаритель. При этом было установлено, что с увеличением содержания сухих веществ в исходном растворе коэффициент концентрирования возрастает, что снижает эффективность процесса упаривания.

Органолептическая оценка кваса, приготовленного на основе экспериментального концентрата квасного сусла, выполненная на ООО «Савой» (г. Рубцовск, Алтайский край), показала перспективность использования РРИ для производства концентратов квасного сусла.

По данным, полученным в результате проведения экспериментов по упариванию солевого раствора и квасного сусла, с применением методов статистического анализа построена экспериментально-статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи а1 на КЭ РРИ от основных параметров при вводе воздуха в греющую воду с помощью трубки по варианту в) на рисунке 8.

а,= ехр(2350,29-0,44 -Не„л-1,14-Рг~0,02-Реч+ 0,29-К- 0,009- ¡Ус),

11=92,7%, (9)

Данное уравнение применимо при следующих значениях чисел подобия:

Лега=1600...8000; Рг=70...2Щ Ре„=47000...55000; (Яец=П00... 12000; Рг=А...30);К=\2...20; Же=180...360.

Также была построена экспериментально-статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи а2 в греющей рубашке РРИ от входных параметров при вводе воздуха в греющую воду с помощью трубки по варианту в) на рисунке 8.

а2=ехр(4,93+1,16^+0,007Твц), Я=87,42%, (10)

Уравнение (10) справедливо для Рв=9,22-10"4 м3/с, р = 92 кПа в следующих диапазонах изменения входных параметров: Твн =355...373 К, Ун =0,833-Ю"5 м3/с, УВозд =(0...6,41)-Ю"5 м3/с, 7=0...0,07 - и может был, рекомендовано для практических расчетов.

Анализ данных по упариванию солевых растворов показал, что трубка по варианту в) обеспечивает коэффициент теплоотдачи на КЭ в среднем выше на 10,4 %, а в греющей рубашке на 11,1 % по сравнению с вариантом а) на рисунке 8.

В третьей главе также был проведен анализ технико-экономических показателей работы РРИ, таких как удельный паросъем Пуд, кг пара/м2 поверхности теплообмена РРИ, и удельные энергозатраты Иуд, кВт/кг пара. Общие энергозатраты на работу выпарной установки измеряли при помощи счетчика электроэнергии СКАТ 301Э/1- 4 Ш Р2.

Пуд и Ыуд рассматривались как функция Анализ данных показал, что повышение j от 0,01 до ~ 0,07 позволяет повысить паросъем на 5...20 % в зависимости от условий процесса.

Анализ экспериментальных данных по упариванию жидких пищевых систем показал, что с увеличением концентрации сухих веществ при каждом

следующем проходе эффективность процесса снижается, уменьшается удельный паросъем, а удельные энергозатраты увеличиваются. Это можно объяснить как снижением количества влаги в растворе, так и значительным изменением физико-химических и теплофизических характеристик упариваемых растворов, что меняет гидродинамическую обстановку на КЭ РРИ, ухудшая условия теплообмена.

Процесс выпаривания квасного сусла в РРИ характеризуется удельным паросъемом 55-70 кг пара/м2, что примерно в 3 раза превышает аналогичный показатель трубчатых выпарных аппаратов. Удельный паросъем в вертикальном роторном пленочном аппарате (РПА) конструкции ВНИИЖа при концентрировании квасного сусла составил 135-160 кг пара/м2 ,при этом давление греющего пара в рубашке обогрева составляло р=0,8-1,2 МПа.

В результате математической обработки экспериментальных данных в среде статистического пакета EXCEL были получены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитать удельный паросъем и удельные энергозатраты (уравнения 11 и 12 при вводе воздуха в греющую воду через загнутую трубку по варианту а) на рисунке 8, а уравнения 13, 14- по варианту в) на рисунке 8)

Пуд = ехр(2010,19+2,04-J-0,03- Твн-0,38 ■Rea,-0,96-Fr-0,02-Pe4+

+0,24-К—0,01 • We), R=92,94%, (11)

Nyjf= expf-1983,94-1,62-j-0,02- Твн+0,37 ^еш+0,95-Рг+0,02-Рец-

-0,24-K+0,01 ■ We), R=93,22%, (12)

Пуд = exp(202 7,28+2,06-j-0,04- TBH-0,38 -Renr0,97-Pr- 0,02Pc4+

+0,24-K-0,01-We), R=93,15%, (13)

NyM= exp(—1974,48-2,02J-0,04- TB„+0,37 -Re^+0,95-Fr+0,02-Pe4-

—0,24-K+0,01 • We), R=92,89%, (14)

Уравнения (11, 12) применимы при: y=0,01...0,07;7*ßH=365...373K; ReK =1600... 8000; Fr=70...280; Реч=47000... 55000; (^=1700... 12000;

4.. .30); Ä=12.. .20; Ге=180.. .360.

Уравнения (13, 14) применимы при: j=0... 0,07; Твп=355...373К; ^=1600...8000; Fr=70...280; Ре1(=47000... 55000; (Re4=1700... 12000; Л=4...30); К=\2...20; 0^180...360.

Анализ данных показал, что трубка по варианту в) обеспечивает увеличение удельного паросъема на 5,8% и уменьшение удельных энергозатрат на 6,9 % по сравнению с вариантом трубки а) на рисунке 8.

В четвертой главе предложена методика уточненного расчета РРИ для концентрирования жидких пищевых систем в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке, даны рекомендации по использованию РРИ для концентрирования квасного сусла. Приведена оценка экономической эффективности производства концентрата квасного сусла. Размер капитальных

затрат на организацию производства концентрата квасного сусла составил 6586,187 тыс. рублей, срок окупаемости - 10 месяцев.

В приложении приведены результаты экспериментальных исследований, протокол дегустационной оценки (на ООО «Савой», г. Рубцовск Алтайского края) безалкогольного сильногазированного квасного напитка вкусо - ароматического направления «Квас Алтайский» с добавлением экспериментального концентрата квасного сусла.

ВЫВОДЫ

1. Исследованы физико-химические свойства и тегагофизические характеристики квасного сусла и его концентратов в зависимости от температуры и концентрации сухих веществ в диапазонах, приемлемых для инженерной практики. Получены экспериментально-статистические уравнения, описывающие исследуемые свойства.

2. Исследовано влияние конструкций ввода сжатого воздуха в теплоноситель (горячую воду) на интенсивность теплоотдачи в рубашке РРИ, построены экспериментально-статистические модели для расчета коэффициентов теплоотдачи на КЭ и в греющей рубашке РРИ при переработке жидких пищевых продуктов.

3. Определены оптимальные режимы процесса концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ, в том числе и квасного сусла, в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке.

4. Установлены технико-экономические характеристики (удельный паросъем и удельные энергозатраты) работы РРИ в условиях интенсификации теплообмена. Получены экспериментально-статистические зависимости, описывающие исследуемые характеристики.

5. Предложена методика уточненного расчета РРИ в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке для проведения процессов деалкоголизации и концентрирования жидких пищевых продуктов.

6. Разработаны рекомендации по промышленному использованию РРИ для получения качественного концентрата квасного сусла, рассчитана экономическая эффективность капитальных вложений на его производство.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Сорокопуд, А.Ф. Влияние турбулизации теплоносителя газом на теплообмен й роторном распылительном испарителе / А.Ф. Сорокопуд, НА. Шеменева // Техника и технология пищевых производств. - 2012. —№ 2. - С. 117-120.

2. Сорокопуд, А.Ф. Физико - химические свойства концентрата квасного сусла / А.Ф. Сорокопуд, Н.А. Шеменева, Н.Г.Третьякова // Техника и технология пищевых производств. - 2012. -№ 2. - С. 120—124.

Статьи в сборниках научных трудов, тезисы и материалы конференций

3. Гриценко, В.В. Интенсификация теплообмена в роторном распылительном испарителе / В.В.Гриценко, А.Ф.Сорокопуд, H.A. Шеменева // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. -Вып. 18. - Кемерово, 2009. - С. 32-33.

4. Сорокопуд, А.Ф. Определение оптимальных условий обогрева роторного распылительного испарителя / А.Ф. Сорокопуд, H.A. Шеменева // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. — Вып. 3 — Кемерово, 2010. — С. 3—7.

5. Сорокопуд, А.Ф. Технико - экономические характеристики роторного распылительного испарителя / А.Ф. Сорокопуд, H.A. Шеменева /7 Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Вып. 3- Кемерово, 2010. - С. 8-14.

6. Сорокопуд, А.Ф. Оптимальный расход воздуха на турбулизацию теплоносителя в греющей рубашке роторного распылительного испарителя / А.Ф.Сорокопуд, Н.А.Шемеиева // Сборник материалов VI Всероссийской научно — практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» / Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И Носова. - Магнитогорск, 2011. - С. 384.

7. Шеменева, H.A. Основные характеристики роторного распылительного испарителя / H.A.Шеменева // Сборник материалов IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. -Кемерово, 2011. - С.283-284.

8. Шеменева, H.A. Концентрирование квасного сусла в роторном распылительном испарителе / Н.А.Шеменева, А.Ф.Сорокопуд // Сборник материалов V Всероссийской научно - практической конференции «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» / Бийский технологический институт АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Бийск, 2012. - С.66-69.

9. Шеменева, H.A. Теплофизические свойства концентрата квасного сусла / Н.А.Шеменева // Сборник материалов международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые инновации и биотехнологии» / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2013. — С. 835-839.

Подписано в печать 08.11.2013. Формат 60x86/16. Тираж 100 экз. Объем 1 п.л. Заказ №1469 Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.

Отпечатано в рекламно-полиграфической компании «Радуга» 650004, г. Кемерово, ул. Соборная, 6

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

На правах рукописи

04201 451 937

ШЕМЕНЕВА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ КВАСНОГО СУСЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРНОГО РАСПЫЛИТЕЛЬНОГО ИСПАРИТЕЛЯ

Специальность: 05.18.12 — процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Сорокопуд А.Ф.

Кемерово-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.................................................. 7

1.1 Выбор объекта исследования.......................................... 7

1.2 Конструкции роторных испарителей................................. 9

1.3 Теплообмен в роторных испарителях................................ 21

1.4 Методы интенсификации теплообмена в роторном распылительном испарителе (РРИ).................................. 27

1.5 Выводы и постановка задач исследования.......................... 30

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КВАСНОГО СУСЛА................................................... 33

2.1 Методы определения физико - химических свойств жидких пищевых систем и их оценка......................................... 33

2.2 Анализ результатов исследования физико - химических

свойств квасного сусла................................................. 37

2.3 Методы определения теплофизических характеристик

жидких пищевых систем и их оценка............................... 40

2.4 Анализ результатов исследования теплофизических характеристик квасного сусла....................................... 46

2.5 Выводы по главе.......................................................... 49

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РРИ В УСЛОВИЯХ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООТДАЧИ В ГРЕЮЩЕЙ РУБАШКЕ................................................................. 50

3.1 Теплообмен на контактном элементе РРИ и анализ условий теплоотдачи в греющей рубашке................................... 51

3.2 Схема экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.............................................................. 55

3.3 Результаты исследований процесса теплообмена в условиях

интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке............................62

3.4 Технико - экономические характеристики работы РРИ и их анализ............................................................................................................................................79

3.5 Выводы по главе......................................................................................................................85

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И

РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ

ПРИМЕНЕНИЮ РРИ........................................................................................................86

4.1 Рекомендации по расчету и проектированию РРИ................................86

4.2 Разработка рекомендаций по использованию РРИ для концентрирования квасного сусла........................................................................90

4.3 Разработка рекомендаций по практическому применению концентрированного квасного сусла................................................................96

4.4 Оценка экономической эффективности производства концентрата квасного сусла........................................................................................98

4.5 Выводы по главе........................................................... 102

ВЫВОДЫ..................................................................................................................................................................104

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Российскую кухню невозможно себе представить без кваса. Первые упоминания об этом напитке относят еще к X веку. Несмотря на столь солидный возраст, квас по-прежнему любим в народе за свои непревзойденные вкусовые качества. Он обладает бактерицидными свойствами, высокой энергетической ценностью и содержит массу полезных микроэлементов и аминокислот. Помимо этого квас регулирует процессы пищеварения, улучшая обмен веществ в организме.

Раньше квас приготовляли настойным и рациональным способами, которые сейчас применяют редко. В настоящее время одним из наиболее распространенных способов производства кваса является приготовление его из концентрата квасного сусла (ККС). Это позволяет снизить потери сухих веществ (на 15 -18 %) за счёт более полного извлечения экстрактивных веществ из исходного сырья по сравнению с настойным способом и, самое главное, - перевести производство кваса на индустриальную основу [79].

Выработка концентратов квасного сусла на специализированных заводах упрощает механизацию и автоматизацию погрузочно - разгрузочных и транспортно - складских работ при разгрузке исходного сырья и отгрузке готовой продукции, что позволяет снизить трудовые и денежные затраты на производство продукции. Кроме того, при производстве напитков из концентратов вследствие уменьшения объёмов исходного сырья значительно снижаются расходы на строительство складских помещений для хранения сырья.

В связи с тем, что квасное сусло является термолабильным продуктом, процессы его переработки должны проводиться в оптимальном температурно-временном режиме при невысоких температурах и с небольшой продолжительностью контакта продукта с теплообменной поверхностью. Наиболее распространенным способом концентрирования таких пищевых продуктов является выпаривание под вакуумом. Для его проведения в пищевой

промышленности широкое применение получили пленочные и роторно-пленочные вакуумные выпарные аппараты [12, 38].

Роторные распылительные испарители (РРИ) обладают рядом преимуществ по сравнению с распространенными вакуумными выпарными аппаратами. Прежде всего, РРИ отличаются большей интенсивностью процессов теплообмена за счет дополнительной турбулизации пленочного течения жидкости в аппарате, возникающей при многократном диспергировании раствора в поле центробежных сил. РРИ обладают небольшим гидравлическим сопротивлением при высокой плотности орошения поверхности теплообмена, достаточно компактны и не требуют высоких затрат энергии на организацию своей работы [20, 53, 78, 84, 85]. Однако процесс теплопередачи в РРИ недостаточно изучен, что препятствует широкому использованию их в пищевой промышленности. Расширению применения РРИ будет способствовать улучшение его характеристик в результате применения различных методов интенсификации теплообмена, среди которых следует отметить введение воздуха в поток греющей воды в рубашке [27, 86].

В соответствии с изложенным, актуальным является проведение исследований, направленных на интенсификацию теплообмена и изучение возможности применения РРИ для получения качественного концентрата квасного сусла. В связи с этим были сформулированы цель и задачи исследования.

Цель работы - изучение процесса концентрирования пищевых продуктов в роторном распылительном испарителе в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке и совершенствование на этой основе технологии производства концентрата квасного сусла.

Задачи исследований:

- изучение физико-химических свойств и теплофизических характеристик квасного сусла и его концентратов, получение экспериментально-статистических моделей для их определения;

- исследования процесса теплообмена в РРИ в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке;

- установление оптимальных режимов работы РРИ;

- определение технико - экономических характеристик работы РРИ;

- разработка рекомендаций по промышленному использованию РРИ для получения концентрата квасного сусла.

Научная новизна:

- определены зависимости основных физико-химических свойств и теплофизических характеристик квасного сусла и его концентратов от температуры и содержания сухих растворимых веществ;

- установлены основные закономерности процесса концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ в условиях интенсификации теплообмена;

- выполнена оценка способов ввода воздуха в теплоноситель (горячую воду) на интенсивность теплообмена в РРИ;

- получены экспериментально-статистические модели, описывающие зависимость коэффициентов теплоотдачи от основных параметров на контактном элементе и в греющей рубашке РРИ в условиях интенсификации теплообмена.

Теоретическая и практическая значимость:

- получены экспериментально-статистические уравнения для расчета физико-химических свойств и теплофизических характеристик квасного сусла в широких диапазонах изменения температур и концентраций сухих веществ;

- установлены оптимальные режимы проведения процессов концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ, в том числе и квасного сусла, в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке;

- получены экспериментально-статистические зависимости для расчета основных технико-экономических характеристик РРИ;

- предложена методика уточненного расчета РРИ, позволяющая определить как основные конструктивные характеристики аппарата, так и основные параметры процесса;

- материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при выполнении курсового и дипломного проектирования студентов, обучающихся по направлению 260600 «Пищевая инженерия».

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Выбор объекта исследования

Период ироничного отношения к традиционным продуктам питания и напиткам, в некоторой степени ознаменованный взрывом популярности «фаст фуда» и модой на западные потребительские товары в 90-х годах прошлого века, впрочем, никогда не доходил до угрозы риска окончательно повернуться спиной к традиционным и национальным продуктам питания и напиткам. Квас, как наиболее яркий представитель этой группы продуктов питания, миновал период более чем 10-кратного падения объема производства (5 млн. дал в 1997 г. против 70 млн. дал в 1991 г.) и в последние годы стремительно возвращает прежние позиции в восприятии потребителя и в его корзине потребления [24]. Россияне стали больше заботится о здоровье. В настоящее время в нашей стране формируется рынок продуктов совершенно нового типа [23].

Продукты питания, обладающие за счет добавок или особой рецептуры оздоровительными или профилактическими свойствами (функциональные), пользуются все большим спросом у населения. В развитых странах функциональные продукты и напитки - это наиболее естественная и удобная форма обогащения организма человека различными микроэлементами, микронутриентами (витаминами, минеральными веществами) и другими полезными компонентами [23].

Квас - наш национальный продукт и, как национальный бренд, нуждается в аутентичности и защите интеллектуальной собственности [23]. В возвращении кваса ключевую роль сыграли научно - исследовательские работы, проведенные ВНИИ пивоваренной безалкогольной и винодельческой промышленности в 19801998-х годах по адаптации современных технологий высокоскоростного розлива, фильтрации и пастеризации к производству кваса, что позволило преодолеть ряд технических проблем, и, в частности, добиться достаточных сроков хранения (до 6-9 мес.) без применения консервантов, а также не допуская компромиссов по отношению к качеству напитка. Как известно, традиционный аутентичный квас -

продукт «живой», ферментированный, что диктует короткие сроки хранения. При превышении сроков процесс брожения заходит слишком далеко, приводя к увеличению содержания спирта выше допустимого уровня и практически полному сбраживанию Сахаров, увеличению количества кислот, кетонов, альдегидов и т.д., что ухудшает органолептические свойства напитка. По этой причине сроки хранения непастеризованного кваса не превышали несколько дней. Данное обстоятельство стало практически непреодолимым для коммерциализации кваса, связанной с перевозкой, хранением и дистрибуцией, и успешной конкуренции его в сегменте других безалкогольных напитков, которые уже к началу 90-х годов имели многомесячные сроки хранения [24].

Приготовление кваса из концентрата квасного сусла является наиболее рациональным и экономически выгодным способом, поскольку позволяет перевести производство кваса на индустриальную основу.

Концентрат квасного сусла представляет собой продукт, который получают затиранием с водой ржаного и ячменного солодов и несоложеных материалов (ржаной или кукурузной муки), или свежепроросшего ржаного солода и ржаной муки, с применением ферментных препаратов, с последующим осахариванием, осветлением и концентрированием квасного сусла в вакуумном выпарном аппарате [91].

По внешнему виду концентрат квасного сусла - это густая вязкая жидкость темно - коричневого цвета, кисло - сладкая на вкус, имеющая аромат ржаного хлеба. В охлаждённом состоянии концентрат квасного сусла представляет собой малоподвижную густую массу, что без предварительного подогрева затрудняет слив его из транспортной тары [19].

Содержание сухих веществ в концентрате квасного сусла по ГОСТ в пределах 70 + 2 %, в концентрате кваса - не ниже 57, содержание механических примесей, солей тяжёлых металлов и мышьяка не допускается [19].

В нашей стране концентрат квасного сусла получают двумя способами. Для первого из них исходным сырьём служит рожь, для второго - сухой ржаной и ячменный солоды, ржаная или кукурузная мука.

Применение концентратов квасного сусла для производства кваса способствует значительной экономии материальных ресурсов за счёт отсутствия ряда технологических операций (выпечка и дробление квасных хлебцев и т. д.), снижению расхода топлива, электроэнергии при производстве кваса, сокращению стоимости технологического оборудования квасоваренных цехов.

1.2 Конструкции роторных испарителей

Для переработки увеличивающихся объемов пищевого сырья предусматривается осуществить техническое перевооружение предприятий на основе оснащения их эффективным и надежным оборудованием, обладающим высокой производительность, допускающим поточную организацию переработки сырья, позволяющим в значительной мере исключить порчу и потери продуктов за счет кратковременности и низкотемпературных условий их термообработки [12].

К конструкциям вакуумных выпарных аппаратов должны предъявляться следующие требования [38]:

- компактность, простота, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

- стандартизация узлов и деталей;

- соблюдение требуемого режима (температура, давление, время нахождения раствора в аппарате), получение полуфабриката или продукта необходимого качества, как можно более продолжительная работа аппарата между мойками при минимальных отложениях осадков на поверхности теплообмена, удобство обслуживания4 контроля за работой и регулирования;

- высокая интенсивность теплопередачи, малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности теплообмена.

Данным требованиям в достаточной мере отвечают вакуумные выпарные аппараты, применяемые для проведения многих тепловых и тепло-массообменных процессов: выпаривания, дистилляции, ректификации, и др.,

достаточно широко распространенных в пищевой промышленности [38]. Проведение процесса выпаривания под вакуумом позволяет значительно снизить температуру кипения упариваемых термолабильных жидкостей, что уменьшает опасность их пригорания и разложения, а также позволяет использовать недорогие теплоносители.

Для проведения различных тепло - и массообменных процессов под вакуумом применяют тарельчатые и насадочные колонны, трубчатые и пленочные тепло - и массообменные выпарные аппараты [38]. Тарельчатые и насадочные аппараты ввиду высокого гидравлического сопротивления в них редко используют для термообработки продуктов [41, 98, 99, 101, 102, 108, 110].

Трубчатые выпарные аппараты достаточно широко распространены в пищевой промышленности [31]. Установки с трубчатыми кипятильниками применяются с естественной и принудительной циркуляцией упариваемого раствора. В трубчатых выпарных аппаратах с естественной циркуляцией движение раствора осуществляется за счет разности плотностей жидкости в опускной части циркуляционного контура и парожидкостной смеси в его подъемной части. В аппаратах с принудительной циркуляцией движение жидкости осуществляется за счет циркуляционного насоса, установленного внизу на входе в кипятильник. Вакуумные выпарные аппараты с естественной циркуляцией упариваемой жидкости нашли наибольшее применение для проведения процессов выпаривания вследствие относительной сложности герметичных насосов, работающих под вакуумом [31].

Интенсивность процессов теплообмена значительно повышается за счет проведения их в тонких жидкостных слоях (пленках) пленочных аппаратов (ПА) [50, 59, 66, 81, 92, 95, 96, 105, 106, 107]. К главным достоинствам таких аппаратов относятся: развитая, постоянная по величине поверхность контакта фаз; высокие скорости перемещения тонкого слоя обрабатываемой смеси, что уменьшает время ее контакта с теплообменной поверхностью; сохранение равномерности потоков и постоянных температур кипения жид