автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса нагнетания начинок и разработка роторного нагнетателя для кондитерских изделий

На правах рукописи

/V ;

АЛЕКСЕНКО ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГНЕТАНИЯ НАЧИНОК И РАЗРАБОТКА РОТОРНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ДЛЯ КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

:к 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2013

005543160

Работа выполнена в филиале Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северокавказский федеральный университет» (г. Пятигорск)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карячким Владимир Петрович, зав. кафедрой «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «ГУ-УНПК»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Магомедов Газнбек Омарович, зав. кафедрой ТХКМиПЗ ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»

кандидат технических наук Рудометкин Александр Сергеевич, менеджер по внедрению инновационных разработок ООО «Келлогг РУС»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 9-00 на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета академии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат размещён на официальном сайте ВАК http://vak2.ed.gov.ru и на сайте ВГУИТ www.vsuet.nj и на сайте http://valc2.ed.gov.ru «25» ноября 2013 года.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д.212.035.01 доктор технических наук, профессор

Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В различных технологиях производства готовой продукции из пищевых масс, обладающих пластическими свойствами, применяются процессы формования изделий с начинкой.

Процессы формования занимают важное место в поточном производстве качественной продукции, определяя степень механизации поточных линий, их производительность и энергопотребление.

Технический прогресс требует постоянного совершенствования нагнетателей формующего оборудования, являющегося основным оборудованием в поточных линиях производства разнообразной продукции.

Совершенствование нагнетателей, как для гомогенных начинок, так и для начинок, содержащих крупно-дисперсные компоненты, позволяет интенсифицировать производство широкого ассортимента изделий пищевой промышленности на автоматизированных и механизированных поточных линиях.

В настоящее время, в качестве нагнетателей формующих машин кондитерской промышленности применяются, в основном шнековые, шестеренные, поршневые и плунжерные нагнетатели, обладающие рядом недостатков. Это «мягкая» расходно-напорная характеристика шнековых, чрезмерное механическое воздействие на структуру начинок у шестеренных и наличие возвратного хода поршневых и плунжерных нагнетателей.

Совершенствование нагнетателей для начинок, обладающих различными физико-механическими свойствами, а также разной характеристикой предела текучести необходимо основывать, объединяя положительные стороны известных нагнетателей и устраняя их недостатки.

В связи с этим разработка начинконаполнителя роторного типа, с минимальным механическим воздействием на начинку при формовании в сквозных каналах кондитерских масс, обладающих пластическими свойствами, является актуальной задачей.

Цель работы - разработка новой конструкции устройства роторного типа для наполнения начинкой корпуса изделия формуемого в сквозном канале или в обкатываемом батоне карамельной массы.

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

- разработка экспериментальной установки роторного типа с шестеренным

нагнетателем свободным от запертых объемов во впадинах зубьев;

- анализ рабочих процессов в роторном шестеренном нагнетателе;

- разработка методики исследования;

- исследование реологических свойств начинок;

- исследование расходно-напорных характеристик нового шестеренного нагнетателя для пластично-текучих начинок;

- исследование влияния геометрических и кинематических параметров роторного устройства для нагнетания начинок на производительность;

- разработать структурную и параметрические схемы процесса нагнетания начинок, обладающих пластичными свойствами;

- разработать физическую, механическую и математическую модели нагнетания пластичных масс шестеренным нагнетателем;

- разработать предложения технического решения по промышленной реализации и дать научно обоснованные методы расчета основных элементов конструкций новых роторно-шестеренных делителей для кондитерских материалов с пластическими свойствами.

Научная новизна работы.

Определены рациональные значения геометрических и кинематических параметров рабочих органов нагнетателя роторного типа свободного от запертых объемов во впадинах зубьев нагнетающих шестерен.

Даны сравнительные расходно-напорные характеристики традиционного шестеренного нагнетателя и нового шестеренного нагнетателя.

Получены и решены дифференциальные уравнения процесса течения пластично-текучих начинок в сквозных каналах.

Разработаны физические, механические и математические модели деформационного поведения начинок в области стационарного сдвигового течения.

Практическая значимость работы.

Результаты и рекомендации, полученные на основании проведенных исследований, использованы в разработке предложения технического решения по промышленной реализации устройства роторного типа для наполнения начинками, обладающими пластическими свойствами, корпусов кондитерских изделий, формуемых способом совместного выпрессовывания в сквозных каналах или для подачи начинки в батон карамельной массы, а также для коэкструзии изделий с начинкой.

Устройство для наполнения начинкой формуемых жгутов принято к внедрению на производстве на хлебокомбинате города Пятигорска для производства пряников с начинкой.

Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ на изобретения №2429708 [12] и N»2461201 [13].

При участии автора разработана и изготовлена установка для определения коэффициента бокового давления начинок, обладающих пластическими свойствами, способная собирать, хранить и обрабатывать экспериментальные данные в среде ЬаЬУ1Е\!У.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса течения пластичных начинок.

Автор защищает. Результаты физического и математического моделирования реологических свойств начинок, полученные фундаментальными методами ротационной и капиллярной вискозиметрии, сжатием материала в замкнутом объеме, а также методом квазистатического нагружения;

Параметрические схемы и математические модели процесса течения в материалопроводе начинок, обладающих пластическими свойствами.

Результаты основных показателей процесса течения пластичных начинок от геометрических и кинематических параметров нового шестеренного устройства роторного нагнетания начинок;

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на ежегодных научных конференциях

Пятигорского государственного гуманитарно-технического университета и государственного университета - УНГЖ (г.Орел); международной научно-практической конференции «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России» (Орел, 2006), IV и X международных научно-практических конференциях «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (Орел, 2007, 2013), VI международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств» -(Могилев, 2007), II конференции молодых ученых "Реология и физико-механическая механика гетерофазных систем" (Звенигород, 7-11 июня 2009 г.), П1 международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 29-30 октября 2009 г.), IV международной научно-практической конференции «Инновационные направления в пищевых технологиях» (Пятигорск, 19-22 октября 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК - 1 работа, в научных журналах -2 работы и получено 2 патента РФ на изобретение №2429708 и №2461201.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений, включает 41 рисунок и 15 таблиц. Основной текст изложен на 127 страницах машинописного текста, приложение на 18 страницах. Библиография включает 153 источников литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе представлен анштиз литературных источников и Интернет-сайтов, посвященным теоретическим и практическим вопросам наполнения формования жгутов с начинкой из пищевых масс, обладающий пластическими свойствами.

Проведен анализ конструкций используемых устройств для наполнения начинкой формуемых жгутов, включая совместное формование составных жгутов, содержащих разные по цвету и составу пищевые массы, а также изделий, получаемых коэкструдированием.

Выявлены недостатки, скрытые резервы конструкций начинконаполнителей и их преимущества, что в последующем послужило основанием для разработки нового начиконаполнителя роторного типа

Расширяющийся ассортимент пищевых изделий с начинкой, производимых, в основном, непрерывным способом формования в сквозных каналах, требует создания новых прогрессивных конструкций начинконаполнителей.

Установлено, что перспективным устройством для подачи начинки на формующее оборудование пищевых производств является роторно-шестеренный нагнетатель с отсутствующими во впадинах нагнетающих шестерен зонами.

Во второй главе представлены результаты изучения области применения и особенности работы шестеренных нагнетателей. Показано, что на предприятиях пищевой промышленности все большее применение находят шестеренные нагнетатели, которые используются в качестве основных рабочих органов формующих машин и трубопроводного транспорта для перекачивания какао-масла, шоколада, майонеза, ржаной закваски, вязкопластичных мясопродуктов и т.п.

Исключение запертых объемов во впадинах зубьев вытесняющих шестерен позволило разработать новую конструкцию роторно-шестеренного устройства для подачи начинки. Разработанное устройство обладает пониженным механическим воздействием на структуру начинок, обладающих пластическими свойствами. Данное устройство способно нагнетать начинки, содержащие в своем составе и крупнодисперсные компоненты.

Уменьшение механического воздействия нагнетающих шестерен на структуру пластических объектов формования, а также энергопотребления шестеренных устройств в целом, можно объяснить снижением интенсивности релаксационных процессов в рабочих зонах нового роторно-шестеренного устройства за счет соразмерности скорости объемного деформирования пластических объектов формования со скоростью релаксационных процессов, что характерно для шестеренных вытеснителей без запертых объемов во впадинах зубьев.

Проанализированы дифференциальные уравнения для определения момента на валу шестеренного нагнетателя как критерия его функционирования с учетом утечек в радиальных и торцевых зазорах между полыми шестернями с отверстиям во впадинах зубьев, корпусом и вкладышами с отверстиями для подачи начинки в камеру нагнетания. Решение данных уравнений позволят определить мощность формования на новых конструкциях шестеренных нагнетателей в зависимости от его геометрии и кинематики, а также реологических свойств объекта нагнетания.

В третьей главе Представлены выбор объектов исследовании и их реологические характеристики

Разработку устройства для подачи некоторых видов начинки в корпуса изделий, получаемых выпрессовыванием через сквозные каналы, целесообразно проводить с учетом реологических свойств формуемых полуфабрикатов. С этой целью нами были

исследованы реологические

свойства начинки для мучных изделий.

На рисунке 1 изображены экспериментальные значения

касательного напряжения 9 (Па) в зависимости от скорости сдвига О (с"') начинки «Персик» для ста их завтраков, представленные в логарифмических координатах = ^и полученные при разгружении торсиона вискозиметра «Реотест - 2» в диапазоне температур от 23 до 49,5 "С .

Анализ экспериментальных данных показал, что все логарифмические графики кривых

\%в = \% 1фсик,> „ри различных ТеЧвНИЯ = \Ъв(\% О) МОГуТ быТЬ

температурах (цифры легенды графика указывают значения р<13ДСЛСНЫ НЙ. ДВЭ.

температуры образцов в "С). разнонаправленные по кривизне

участка. При этом направление

а & ^ £ о

а «

+ а

2 6

10 100 1( Скорость сдвига 101), 1/с [х2.Ч Р27.3 4-ДО.З Р34.К ИМИ.! Х4Р.Х А44.9 О-49,5 |

Ригл/нок I — "Экспепиментальные значения коивых течения

кривизны графиков с области малых значений скоростей сдвига к области больших значений скоростей сдвига меняется с направления выпуклости графиков к оси касательных напряжений на направление к оси скорости сдвига. На рисунке 2 представлены координаты точек перегиба - в виде графиков скорости сдвига Г) = "С) и касательного напряжения в = в("С) в зависимости от температуры.

Из рисунка 2 видно, что с увеличением температуры численные значения скорости сдвига в точках изменения направления кривизны кривых течения \&9 = \%в§%о)

повышаются практически линейно при соответствующем нелинейном снижении

численных значений

касательного напряжения в этих точках. Упругие свойства исследованных образцов

начинки «Персик» понижаются при соответствующем

расширении диапазона скорости сдвига. Например, упругие свойства при температуре 23 "С превышают пластические в диапазоне скорости сдвига от 0,167 с"1 до 0, 9 с"1, а при температуре 49,5 "С - в диапазоне от 0,167 с"1 до 5, 75 с"1. Такое поведение кривых течения 1^0=1^0(1^0) позволяет предложить следующие реологические уравнения состояния начинки «Персик» для исследованного диапазона темперагур [1].

В области малых скоростей сдвига начинка проявляет значительные упругие свойства, значительно превышающие пластические, на которые указывает знак «минус» у предельного напряжения сдвига. Поэтому для первых участков кривых течения предлагается трехпараметрическое уравнение Гершеля - Балкли:

в = -в„ + кО" (1)

где 6 - напряжение сдвига, Па; - _ предельное напряжение сдвига, Па; к -коэффициент консистенции, Па с"; Б - скорость сдвига, с ; п - индекс течения.

Вторые участки всех кривых течения начинки обращены выпуклостью к оси скорости сдвига. При этом они имеют наклон касательных в области больших значений скорости сдвига равный 45° к горизонтальной оси абсцисс. Такой характер графиков позволяет описать их уравнением Шведова - Бингама:

<? = #„ +77,,,/? (2)

где 6 - напряжение сдвига, Па; &0 - предельное напряжение сдвига, Па; ?7П, -пластическая вязкость, Па с; Э - скорость сдвига, с"1.

Графики, представленные на рисунке 3, были описаны степенными функциями:

- предельное напряжение сдвига: 9„ = 6.753/~|4,7;

23 27,3 30,3 34,6 38,1 40,8 44,9 49,5

Температура, "С

_Н>-Р-лЬ-в|_

Рисунок 2 — Координаты точек перегиба (И, 0 ) кривых течения начинки «Персик» при различных температурах.

- коэффициент консистенции: к = 57954/

- индекс течения: п = 0,218/°" 81.

-1,25

23 27,3 30,3 34,8 38,1 40,8 44,8 49,5 Температура

23 27,3 30.3 34,8 38,1 40.8 44,9 49.5 Температура

Рисунок 3 - Зависимость параметров Рисунок 4 - Зависимость параметров реологического трехпараметрического уравнения Гершеля - Балкли уравнения Шведова - Бингама образцов начинки, начинки «Персик» от температуры

Функциональные зависимости параметров реологического уравнения начинки указывают на нелинейное повышение текучести начинки с ростом температуры.

Графики предельного напряжения сдвига и пластической вязкости, представленные на рисунке 4, были описаны соответствующими степенными

функциями: ва = 41,959г1'329 и = 11,777^'913.

В таблице 1 представлены параметры реологических уравнений состояния начинки «Персик»

Таблица 1

Темпера- Диапазон Параметры реологических уравнений состояния начинки

тура, °С скорости сдвига О, в = -ва + кП' 0 = 6 „

с1 -©о. Па к, Па с" п 0о, Па ;;„,, Па-с

23 27,3 30,3 34,8 38,1 40.8 44.9 49,5 0,167< О <0,9 0,167<£><1,5 0,167<£><2,1 0,167 < £> <2,7 0,167<£><3,4 0,167< О <4,2 0,167< £><5,0 0,167< £> <5,75 5 3,03 1,5 1,2 0,73 0,67 0,358 0,218 57 28,5 13,8 9,55 6,5 6 5,8 4,6 0,224 0,268 0,336 0,386 0,389 0,447 0,451 0,483 0,9 < О <12,9 1,5 <£><72,9 2.1 <£><72,9 2,7 <£><72,9 3,4 <£><72,9 4.2 < £> <72,9 5,0< £> <72,9 5,75 <£><72,9 43 21 8,35 5,6 4,09 3,68 3,27 3,49 10,25 6,8 4.9 3,5 2,75 2,4 1.87 1,56

На рисунке 4 представлены кривые течения = и зависимости

вязкости \%т] = \%г1(\%0) от скорости сдвига начинки для пряников при разных температурах. Из рисунка 4 видно, что с увеличением температуры вязкость начинки снижается, то есть графики кривых течения \%в = \%в(\%0) и зависимостей

вязкости = й) от скорости сдвига I) начинки меняют свое расположение и перемещаются вниз.

Характер кривых течения и зависимостей вязкости от скорости сдвига, изображенных в логарифмических координатах позволил отнести начинку для пряников к материалам, обладающим пластическими свойствами, и предложить реологические уравнения состояния начинки.

Рисунок 4 - Зависимость касательного напряжения в — светлые точки и вязкости г| - темные точки от скорости сдвига О при разных температурах в "С, представленные в логарифмических координатах.

1(1 100 Скорость сдвига 10D, 1/с

[-О-ИТ -Ü-26.4T -»-lilT -*-3<i,4"c]

В первом реологическим

приближении уравнением состояния начинки может быть уравнение Гершеля-Балкли:

6 = в0+кО" (3)

где в - касательное напряжение сдвига, Па; ва -предельное напряжение сдвига, Па; к - коэффициент консистенции, Па с"; Б — скорость сдвига, с"1; п - индекс

течения.

Параметры реологического уравнения состояния (1) начинки для пряников были определены графо-аналитическим методом [5] и сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Параметры реологического уравнения состояния (1) начинки для

Температура, "С Параметры реологического уравнения Гершеля-Балкли

©о к п

Па Па с" -

19 164,8 735 0,149

26,4 81,47 412 0,269

На рисунке 5 представлены параметры реологического уравнения состояния начинки для пряников при исследованных температурах, которые соответствуют процессу подачи начинки в тестовую заготовку пряника.

Более точным реологическим уравнением состояния начинки для пряников будет уравнение вида [6]:

в1 = +6>; + вкГГ (4)

где в - касательное напряжение сдвига, Па; в„ - предельное напряжение сдвига, Па; К - коэффициент консистенции, Па с"; Б - скорость сдвига, с*1; п -индекс течения.

Рисунок 5 Зависимость параметров реологического уравнения состояния начинки для пряников.

Кривая течения

^ в = в(\% О) данного

уравнения имеет точку перегиба, которая делит ее на два участка. При этом каждый участок имеет разнонаправленную кривизну. Касательная,

проведенная к кривой течения через точку перегиба описывается уравнением: в = кО" (5)

Знак «-» перед предельным напряжением сдвига -в; в уравнении (4) указывает на расположение первого участка графика кривой течения при малых скоростях сдвига под графиком касательной, который описан уравнением (4). Этот участок обращен выпуклостью к оси касательных напряжений. На первом участке упругие свойства начинки превышают пластические свойства.

Знак «+» перед предельным напряжением сдвига + в уравнении (4) указывает на расположение второго участка графика кривой течения над графиком касательной, который расположен за точкой перегиба при больших скоростях сдвига. Этот участок обращен выпуклостью к оси скоростей сдвига. На втором участке кривой течения пластические свойства начинки превосходят ее упругие свойства.

В точке перегиба при сдвиговом течении начинки происходит выравнивание величин упругих и пластичных проявлений начинки, то есть в точке перегиба упругие и пластические свойства начинки уравниваются по своим количественным значениям.

На рисунке 6 представлены графики рисунка 4 с обозначением точек перегиба, которые изображены

затемненными и увеличенными.

Рисунок 6 - Кривые течения и зависимости вязкости Ш'/ = от

скорости сдвига начинки для пряников при разных температурах с указанными точками перегиба на кривых течения

Температура "С ¡□8о Вк

- 1У ТГ —Л-26.4 'Г —О- 19 "С -о—26.4 "С I

Уравнение (4) имеет следующие решения:

- при температуре 19 °С: в2 =+148,56 + 7750-£>0139 (5)

- при температуре 26,4 в2 = +80,68 + 401(9 ■ D0,211 (6) Уравнения вязкости

-в1 к /? = +— +-г

' OD D"

при указанных температурах соответственно будут иметь вид:

^148,562 J775 0D D

а так же:

1 = + ^ (7)

_ 80,682 401

С возрастанием температуры вязкостные свойства начинки для пряников понижаются, что видно из уравнений (6) и (7). При этом предельное напряжение сдвига в„ понижается на 45,7%; коэффициент консистенции к - на 51,6%, а индекс течения п повышается на 50,9%, что объясняет повышение текучести начинки с возрастанием температуры на 7,4°С.

Для неньютоновских начинок характерна неравномерная передача давления по направлениям - анизотропия. Поэтому исследовали коэффициент бокового давления начинок в среде графического программирования ЬаЬУ1Е\У, которая позволяет собирать, хранить и обрабатывать экспериментальные данные.

Коэффициент бокового давления кбд определяется отношением бокового давления к давлению формования, измеряемом в осевом направлении сжатия при течении под давлением и сквозных формующих каналах и транспортирующих трубопроводах.

Нами создана экспериментальная установка нового поколения для исследования деформационных процессов, протекающих в пищевых массах в условиях объемно-напряженного состояния. С помощью данной установки получили экспериментальные данные реологических характеристик пищевых масс в объемно-напряженном состоянии, применяя среду графического программирования ЬаЬУ1Е\\^.

Экспериментальная установка представлена на рисунке 7.

В состав установки входит: винтовая пара 1 со штурвалом для нагружения исследуемого образца пищевой массы путем вращения штурвала. Винтовая пара крепится на жестких стойках. Установка имеет термостатируемый цилиндр 3, в который загружают образец объекта исследования. Давление в образце исследуемой массы создается усилием, передающимся на поршень цилиндра 2 при повороте штурвала по часовой стрелке. Цилиндр 3 с образцом массы закреплен на основании, которое жестко связано с рамой. Датчик КРТ5-1,8 7предназначен для измерения и регистрации бокового давления в режиме реального времени. Параллельно с ним установлен манометр 6. Манометр 6 показывает давление вдоль оси нагружающего поршня. С помощью шины сигнал от датчика измерения

бокового давления 7 через плату сбора и обработки экспериментальных данных USB - 6008 передается на компьютер.

Установка предназначена для проведения исследовательских работ и может применяться в технологических лабораториях предприятий пищевой или химической промышленности.

а) б)

1 - винт, 2 - поршень, 3 - емкость с темперирующей рубашкой, 4 - вход теплоносителя, 5 - сменный материалопровод, 6 - манометр, 7 - датчик давления КРТ5-1, 8 - выход теплоносителя

а) схема экспериментальной установки, б) общий вид экспериментальной установки Рисунок 7 - Экспериментальная установка для исследования свойств фруктово-ягодных и жировых начинок

Рисунок 8 - Лицевая панель виртуальной модели установки для определения коэффициента бокового давления в пищевых массах.

На рисунке 8 представлен характерный нелинейный график изменения давления внутри объема дисперсной среды (начинка, конфетная масса, тесто), характеризующий нелинейный характер соотношения бокового и осевого давления. По графику можно определять коэффициент бокового давления.

Таким образом, знание коэффициента бокового давления неньютоновских пищевых материалов, обладающих тиксотропными свойствами и представляющих собой, как правило, сплошные дисперсные среды в виде пищевых масс широкого ассортимента позволяют научно-обоснованно производить инженерные расчеты,

связанные с производительностью и мощностью на валу привода технологического оборудования, оптимизировать геометрические размеры его рабочих органов, а также выявлять ациональные режимы технологических операций, что в конечном итоге обеспечивает совершенствование существующих и разработку новых технологий производства качественной продукции на предприятиях пищевых производств.

-0.0002Х1 * 1.1736Х ±32,377

о/У

Рисунок 9 - График изменения давления внутри объема теста, характеризующий нелинейный характер соотношения бокового и осевого давления

О 400 800 1200

Показания бокового манометра Р. кПа

Результаты проведенных

исследований, основанные на

применении методов инженерной физико-химической механики при изучении реологических характеристик начинок позволило отнести

исследованные материалы к материалам, у которых упругие деформации малы по сравнению с пластическими. При этом изученные начинки по их реологическим свойствам можно отнести к пластично-текучим реологическим телам.

В четвертой главе приведены результаты определения гидравлического коэффициента сопротивления по длине при транспортировании жировой начинки по материалопроводу и приведен инженерный расчет материалопровода подачи начинки.

Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления А по длине материалопровода для начинок, обладающих пластическими свойствами является функцией приведенного числа Рейнольдса Яе*. При этом же Кс*, в свою очередь, может принимать значения, зависящие от соотношения вязкой и пластической компонент сил трения начинки при ее течении в материалопроводе.

В формулу вязкости входит величина предела текучести в„, которая увеличивает гидравлические потери в сравнении с ньютоновскими жидкостями за счет пластических свойств начинки. Это можно видеть в выражении приведенного критерия Рейнольдса:

Яе* =-

— + кВ"~ й

(9)

Зная численные значения А. и Ке\ получаемые на основе эксперимента, можно рассчитать коэффициент А из формулы:

А

Л = -

Яе'

(10)

где А - постоянный коэффициент, рассчитываемый на основании экспериментальных данных;

Ке* - приведенное число Рейнольдса.

Для определения коэффициента А проводили исследования течения начинки «Персик» с помощью экспериментальной установки, общий вид и схема которой представлены на рисунке 7.

Исследования течения начинки проводили на установке (рисунок 7) с материалопроводами диаметром 5; 6,3; 8; 10 и 12 мм. При этом длина трубок колебалась в пределах от 100 до 1600мм

Методом капиллярной вискозиметрии при помощи набора материалопроводов были построены кривые течения в = в(П) и рассчитаны зависимости вязкости 7 = т]{й) объекта исследования от скорости сдвига.

В таблице 3 представлены параметры реологического уравнения состояния начинки.

Таблица 3

Значения параметров реологического уравнения состояния начинки

Длина материалопровода, Ь Параметры реологического уравнение состояния начинки в = в„ + кГУ'~[

во К п

м Па Пас" -

0,10 14,0 14,0 0,831

0,25 14.0 14,5 0,816

0,50 13.0 16,0 0,783

1,00 13.0 14,9 0,779

1,60 I 1,6 12.3 0.775

В таблице 4 представлены значения коэффициента А, полученные для материалопроводов длиной 1 м с различными диаметрами.

Среднее значение коэффициента А, полученные для материалопроводов длиной 1м, диаметр которого изменялся от 0,1 до 1,6м, составляет 627,40. При этом относительная погрешность, рассчитанная по формуле:

. А,-А„

% (11)

ЛП1Я

составляла в пределах 1 - 2%.

На рисунке 10 представлен график, показывающий закономерность изменения обобщенного критерия Рейнольдса в зависимости от диаметра материалопровода и давления Ар, которое прилагалось к материалопроводу при проведении эксперимента.

На рисунке 11 представлен график закономерности изменения коэффициента гидравлического сопротивления X в зависимости от диаметра материалопровода и давления Ар, которое прилагалось к материалопроводу при проведении эксперимента.

Таблица 4

Значение коэффициента А, полученные для материалопроводов длиной 1м

различного диаметра.

Диаметр Давление Коэффициент Приведенное Коэффициент, А Среднее

(1, мм р, кПа гидравлического число значение

сопротивления, X Рейнольдса, коэффициента,

Яе* А

5 98 160899,446 0,003909961 64,00033

196 36956,24587 0,001731786 64,00032

429 15358,78862 0,004167012 64,00028

392 9877,579732 0,006479348 64,00028 64,0003

6,3 98 136840,2586 0,0045881 63,99994

196 39839,10494 0,0157594 64,051838

429 16049,79748 0,0384269 63,999887

392 8464,604397 0,0741723 63,999884 64,012887

8 98 69190,87419 0,0090968 63,969316

196 2084,718328 0,3010185 63,969294

429 4852,712741 0,1293172 63,969338

392 1741,366087 0,3603717 63,969324 63,96934

10 98 60033,83968 0,001066 63,996073

196 7624,778858 0,00839 63,971895

429 3452,831638 0,018527 63,970612

392 1792,702 0,035684 63,970778 63,977339

12 98 9032,65 0,0694746 63,969355

196 2448,26 0,2563208 63,969361

429 1174,22 0,5344322 63,969522

392 708,1596 0,8902043 63,969473 63,969428

Среднее значение А = 63,985859

[дц.2<М1|> ■ 2<ННИМ(НКИ) а 4(ИЦКЬ61ННЧ> □ ЙШНИШЮ ШЖШЬКШН) [

Рисунок 10 Зависимость обобщенного критерия Рейнольдса Яе* от давления Ар в материалопроводах длиной 1 м с различными материалопроводах

Рисунок 11 Зависимость коэффициента

гидравлического сопротивления, А. от давления Ар в

различными

длиной 1 м

диаметрами

диаметрами

В таблице 5 представлены значения коэффициента А, полученные для материалопроводов диаметром 5мм с различной длины.

Таблш!а 5

Значение коэффициента А, полученные для материалопроводов диаметром

5 мм различной длины.

Длина Ь, Давление р, Коэффициент Приведенное Коэффициент, А Среднее

мм кПа гидравлического число значение

сопротивления, X Рейнольдса, К С' коэффициента, А

100 98 13643,044 0,004691 63,999982

196 2935,5811 0,0218015 64,000003

429 1505,1458 0,0425208 64,000005

392 1421,6193 0,0450191 64,000022 64

250 98 34836,494 0,0018372 64,000075

196 2100,6534 0,0304667 64,000077

429 3203,8855 0,0199758 64,000076

392 1949,469 0,0328295 64,000093 64

500 98 33161,313 0,00193 63,999909

196 14509,867 0,0044108 63,999902

429 4606,4378 0,0138936 63,999926

392 5721,9266 0,011185 63,999889 63,9999

1000 98 160899,45 0,00391 64,00033

196 36956,246 0,0017318 64,00032

429 15358,789 0,004167 64,00028

392 9877,5797 0,0064793 64,00028 64,0003

1600 98 264871,37 0,0002416 64,000073

196 42165,916 0,0015178 64,000271

429 18205,463 0,0035154 64,000213

392 12432,347 0,0051454 63,969523 63,99252

Среднее значение А - 63,998544

Рисунок 12 Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления X и числа К с от давления в материалопроводах диаметром 5 и 12 мм и длиной 1000 мм.

Были предложены эмпирические зависимости обобщенного критерия Рейнольдса Яе* и коэффициента гидравлического сопротивления "К для

материалопроводов метровой длины, которые были представлены в виде степенных функций:

В пятой главе дано описание усовершенствованного устройства для наполнения начинкой формуемого жгута.

Устройство относится к роторно-шестеренным устройствам для наполнения начинкой жгутов из мягких сортов пралиновых конфетных масс, карамельного жгута, формуемого из карамельного батона, а также к устройствам для наполнения начинкой корпуса экструдируемых готовых сухих завтраков.

На рисунке схематично изображен общий вид и разрезы устройства для наполнения начинкой формуемого жгута А-А (рисунок 13). Устройство содержит питатель 1, в виде воронки, закрепленной на корпусе 2, в котором расположен шестеренный нагнетатель 3 (рисунок 13).

Шестеренный нагнетатель 3 выполнен с полыми коническими шестернями, имеющими сквозные радиальные прорези 4 во впадинах зубьев 5.

Внутри полых шестерен нагнетателя установлены цилиндрические вставки 6 и 7, каждая из которых имеет продольный паз 8, образующий канал с наклонным дном 9 и выходным сечением круглой формы.

Рисунок 13 Общий вид устройства для наполнения жгутов начинкой

В торцевой части корпуса смонтирована с образованием камеры 10 насадка 11. Насадка 11 имеет отверстия 12, которые предназначены для дополнительной гомогенизации начинки, обладающей значительными тиксотропными свойствами.

Повышение производительности устройства достигается тем, что нагнетатель с полыми коническими шестернями имеет роторный тип конструкции свободной от наличия холостого хода.

Примененный в устройстве нагнетатель с полыми коническими шестернями по сравнению с цилиндрическими полыми шестернями имеет минимальную торцевую поверхность нагнетающих шестерен, обращенную к насадке подачи

Л5 = 156407/? Re12 = 0,0072р1,8398

1,2=8932,5р'Ш98 (14) Re5 =0,0027/7

-2.0445

(12) (13) (15)

1,8398

0,3697

начинки, что исключает застойные зоны со стороны малых торцевых поверхностей нагнетающих шестерен.

Также нагнетатель с полыми коническими шестернями имеет устойчивую подачу благодаря жесткой расходно-напорной характеристике и минимальное разрушающее структуру начинки механическое воздействие из-за отсутствия запираемого объема во впадинах зубьев нагнетающих шестерен, что имеет место в обычных шестеренных нагнетателях, не имеющих полых шестерен с прорезями во впадинах зубьев.

Механическое воздействие на начинку при прохождении отверстий 12 обеспечивает равномерность ее структуры по всему объему начинки и способствует повышению качества Наполнения внутренней полости формуемого жгута, состоящего из корпуса и начинки.

Кроме этого, благодаря наличию камеры 10 насадки 11 с отверстиями 12 обеспечивается устойчивая подача гомогенизированной начинки без пульсации в гибкий шланг с металлической трубкой (на фиг.1,2 не показаны).

Гибкий шланг с металлическим наконечником для подачи начинки в карамельный батон или гибкий шланг для подачи начинки в формующий инструмент экструдера или другое приспособление крепят по внешнему диаметру насадки 11.

В предлагаемом устройстве с нагнетающими полыми коническими шестернями, имеющими цилиндрические вставки с продольными пазами отпадает необходимость в установке шарового клапана после насадки - перед шлангом с металлической трубкой, что упрощает конструкцию нагнетателя.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Начинка из питателя 1, закрепленного на корпусе 2 подается к шестеренному нагнетателю 3, и заполняя впадины зубьев 5 конических шестерен, перемещается в зону зацепления, где вытесняется зубьями 5 из впадин через радиальные сквозные прорези 4 и неподвижные цилиндрические вставки 6 и 7 в продольных пазах 8.

Нагнетаемая коническими шестернями нагнетателя 3 начинка вытесняется через прорези 4 во впадинах зубьев 5 конических шестерен и попадает под давлением в полость паза 8. Перемещаясь по пазу 8 вдоль наклонного дна 9 начинка поступает в камеру 10 насадки 11 и далее, проходя через отверстия 12 гомогенизируется. После прохождения отверстий 12 насадки 11 начинка, с приобретенной при гомогенизаци в отверстиях 12 однородной структурой, подается в гибкий шланг с металлическим наконечником (на рисунке 13 не показаны) или другое приспособление.

Таким образом, использование устройства, в конструкции которого в качестве рабочих органов начинконаполнителя использованы нагнетающие полые конические шестерни со сквозными прорезями во впадинах зубьев, позволит:

- повысить производительность устройства.

-уменьшить габариты устройства, упростить конструкцию и исключить застойные зоны со стороны нагнетающих торцевых поверхностей.

- расширить применение шестеренных конструкций начинконаполнителей в производстве разнообразной кондитерской продукции.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании анализа рабочих процессов в роторно-шестеренном нагнетателе с учетом реологических характеристик разработана экспериментальная установка роторного типа с шестеренным нагнетателем свободным от запертых объемов во впадинах зубьев.

2. Исследованы реологические свойства начинок для пралиновых масс, для пряников, а тагаке жировой начинки для экспедированных изделий.

3. Получены расходно-напорные характеристики роторно-шестеренного нагнетателя свободного от запертых объемов во впадинах зубьев нагнетающих шестерен для пластично-текучих начинок;

4. Исследовано влияние геометрических и кинематических параметров роторно-шестеренного устройства для нагнетания начинок на его производительность.

5. Разработаны структурная и параметрическая схемы процесса нагнетания начинок, обладающих пластичными свойствами.

6. Разработаны физическая, механическая и математическая модели нагнетания пластичных масс шестеренным нагнетателем.

7. Разработаны предложения техническою решения по промышленной реализации и даны научно обоснованные методы расчета основных элементов конструкций новых роторно-шестеренных нагнетателей для пищевых масс с пластическими свойствами.

Основные положения диссертации опубликованы п следующих работах:

1. Алексенко Д.Н., Корячкин В.П. Коэффициент объемной подачи роторно-шестеренного нагнетателя, свободного от запертых зон во впадинах зубьев // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. Научно-практический журнал. - 2013. - № 2(19) - С. 42-46.

2. Устройство для исследования коэффициента бокового давления неныотоновских сред // Известия ОрелГТУ. Серия «Легкая и пищевая промышленность». — 2006. - 2006. - С. 52-54.

3. Корячкин В.П., Алексенко Д.Н. Течение пластичных дисперсных масс в сквозных круглых каналах // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2007. - № 2. - С. 78-81.

4. Алексенко Д.Н., Корячкин В.П., Семенова Е.В. Экспериментальная установка для определения реологических характеристик пищевых масс в объемно-напряженном состоянии // Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России. Материалы V международной научно-практической конференции.- г. Орел, ОрелГТУ, 2006г. -С. 152-157.

5. Алексенко Д.Н., Корячкин В.П. Реологические свойства начинки для мучных изделий // Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг. Материалы IV международной научно-практической конференции, Под общей редакцией д.т.н. профессора Ю.С. Степанова, г. Орел: ОрелГТУ.- 2007. -С. 302-305.

lo

6. Алексенко Д.Н., Корячкин В.П. Исследование коэффициента бокового давления пищевых материалов в среде графического программирования LabView // Техника и технология пищевых производств: тез. докл. VI Междунар. научно-технической конф. - Могилев: УО МГУП, 2007. - С.225-225

7. Алексенко Д.Н., Корячкин В.П. Применение пакета для LabView в реометрии // Научные труды №31 (часть V) «Дни науки» - Пятигорск: издательство «Технологический университет», 2008. - С.118-121

8. Алексенко Д.Н., Темирчева В.В., Корячкин В.П. Сдвиговое течение дисперсных пищевых сред // Материалы II конференции молодых ученых "Реология и физико-механическая механика гетерофазных систем" 7-11 июня 2009 г., Подмосковные Липки г. Звенигород. -2009 — С. 124-127

9. Алексенко Д.Н. Устройство для наполнения начинкой формуемого жгута // Инновационные направления в пищевых технологиях/ Материалы III международной научно-практической конференции 29-30 октября 2009г. -г. Пятигорск, РИА-КМВ, 2009. - С. 124-127

10. Алексенко Д.Н. Метод ротационной вискозиметрии // Инновационные направления в пищевых технологиях. Материалы IV международной научно-практической конференции 19-22 октября 2010 г. Пятигорск: РИА-КМВ. - 2010. -С. 293-295

11. Алексенко Д.Н., Корячкин В.П. Экспериментальная установка для определения коэффициента гидравлического сопротивления начинок кондитерских изделий // Потребительский рынок: качество и безопасность продовольственных товаров 2013. Материалы научно-практической конференции. - Орел: Госуниверситет - УНПК, 2013. - С. 44-46.

12. Пат. №2429708 РФ МКИ7 A23G 3/00. Устройство для наполнения начинкой формуемого жгута [Текст] / Корячкин В.П., Алексенко Д.Н., заявитель и патентообладатель ОрелГТУ. - 2010112366/13, заявлено 30.03.2010, опубл.

27.09.2011 Бюл. № 27.

13. Пат. №2461201 РФ МКИ7 А21С 3/04, А21С 9/06, А21С 11/16. Устройство для изготовления пищевого экструдированного продукта с начинками [Текст] / Корячкин В.П., Кушнарев А.И., Гончаровский Д. А., Алексенко Д.Н., заявитель и патентообладатель ОрелГТУ. - 2011101361/13, заявлено 12.01.2011, опубл.

20.09.2012 Бюл. № 26.

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 251.

ФГДОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

(«ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГДОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северокавказский федеральный университет» филиал в г. Пятигорск

На правах рукописи 0

0420И55111

АЛЕКСЕНКО Дмитрий Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГНЕТАНИЯ НАЧИНОК И РАЗРАБОТКА РОТОРНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ДЛЯ КОНДИТЕРСКИХ

ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук КорячкинВ.П.

Пятигорск-2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................5

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПРОИЗВОДСТВА КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ 11

1.1 Классификация способов формования пищевых масс.......................11

1.2 Обзор конструкций шестеренных нагнетателей для кондитерских масс. Классификация шестеренных нагнетателей.............................................12

1.3. Шестеренные нагнетатели трубопроводного транспорта...................16

1.4 Шестеренные нагнетатели формующих машин..................................22

1.4.1 Машины с традиционными шестеренными нагнетателями с запертым объемом во впадинах зубьев..............................................................22

1.4.2 Устройства с шестеренными нагнетателями свободными от защемляемого объема во впадинах зубьев.........................................................27

1.5 Технологический процесс производства кондитерских изделий с начинкой..............................................................................................................33

1.5.1 Технологический процесс приготовления фруктово-ягодных начинок................................................................................................................33

1.5.2 Технологический процесс образования жгута из карамельной массы с начинкой................................................................................................36

1.6 Современное состояние теории шестеренных нагнетателей...............37

1.6.1 Теоретический расчет производительности шестеренных нагнетателей........................................................................................................38

1.6.2 Мощность на приводном валу шестеренного нагнетателя...........43

1.7 Цели и задачи исследования.................................................................46

ГЛАВА 2 РЕОМЕТРИЯ КОНДИТЕРСКИХ НАЧИНОК, ОБЛАДАЮЩИХ ПЛАСТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ..............................................................48

2.1. Выбор объектов исследования.............................................................48

2.2 Метод ротационной вискозиметрии применительно к начинкам с пластическими свойствами.................................................................................49

2.2.1 Кривые течения начинок................................................................49

2.2.2 Параметры реологических уравнений состояния начинок при сдвиговом течении..............................................................................................55

2.2.3 Влияние скорости сдвига на вязкостные свойства начинки для пряников..............................................................................................................55

2.2.4 Влияние механического воздействия на реологические свойства начинок................................................................................................................60

Краткие выводы к главе 2...........................................................................63

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ШЕСТЕРЕННОГО НАГНЕТАТЕЛЯ СВОБОДНОГО ОТ ЗАПЕРТЫХ ЗОН ВО ВПАДИНАХ ЗУБЬЕВ..................................................................................64

3.1 Описание экспериментальной установки и методики определения производительности............................................................................................64

3.1.1 Зависимость производительности от частоты вращения шестерен .66

3.1.2 Расходно-напорная характеристика шестеренного нагнетателя ..67

3.2 Определение гидравлического коэффициента сопротивления по длине материалопровода при транспортировании жировой начинки.........................68

3.3 Определение коэффициента бокового давления объектов исследования в среде графического программирования lab VIEW...................82

3.3.1 Экспериментальная установка для определение коэффициента бокового давления объектов исследования в среде графического программирования lab VIEW...............................................................................83

3.3.2 Определение коэффициента бокового давления пряничного теста в среде графического программирования lab VIEW...........................................84

3.3.3 Определение коэффициента бокового давления начинки в среде графического программирования lab VIEW.......................................................88

Краткие выводы к главе 3...........................................................................97

ГЛАВА 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГНЕТАНИЯ УПРУГО-ВЯЗКО-ПЛАСТИЧНЫХ НАЧИНОК В МАТЕРИАЛОПРОВОДЕ КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ.........................................................98

4.1 Разработка структурной схемы осевого роторно-шестеренного нагнетателя с коническими шестернями, не имеющих запертого объема во впадинах зубьев...................................................................................................98

4.2 Разработка параметрической схемы функционирования роторно-шестеренного нагнетателя начинки.................................................................102

4.3. Моделирование нагнетания начинок в материалопроводе круглого поперечного сечения роторно-шестеренными устройствами.........................105

4.3.1. Физическая модель нагнетания упруго-вязко-пластичных начинок..............................................................................................................105

4.3.2. Математическая модель транспортирования упруго-вязко-пластичных начинок в сквозном материалопроводе круглого сечения..........108

4.4 Уточнение формулы расчет потерь давления по длине материалопровода.............................................................................................113

4.5 Методика инженерного расчета материалопровода..........................116

Краткие выводы к главе 4.........................................................................118

ГЛАВА 5 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РОТОРНО-ШЕСТЕРЕННОГО НАГНЕТАТЕЛЯ СО СВОБОДНЫМИ ОТ ЗАПЕРТЫХ ОБЪЕМОВ ВО ВПАДИНАХ ЗУБЬЕВ......................................................................................119

5.1 Устройство для наполнения начинкой формуемого жгута...............119

5.2 Вариант использования устройства для наполнения начинкой формуемого жгута.............................................................................................124

5.3 Экономический эффект от внедрения нового устройства.................127

Краткие выводы к главе 5.........................................................................129

Общие выводы к диссертационной работе......................................................130

Список литературы...........................................................................................131

Приложения.......................................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В различных технологиях производства готовой продукции из пищевых масс, обладающих пластическими свойствами, применяются процессы формования изделий с начинкой. При этом на предприятиях пищевой промышленности все большее применение находят шестеренные нагнетатели, которые используются в качестве основных рабочих органов формующих машин и трубопроводного транспорта для перекачивания какао-масла, шоколада, майонеза, ржаной закваски, вязкопластичных мясопродуктов и т.п. [32,33, 61, 62,63, 66, 68, 70].

Технический прогресс требует постоянного совершенствования нагнетателей формующего оборудования, являющегося основным оборудованием в поточных линиях производства разнообразной кондитерской продукции с начинками.

Совершенствование нагнетателей, как для гомогенных начинок, так и для начинок, содержащих крупно-дисперсные компоненты, позволяет интенсифицировать производство широкого ассортимента изделий на автоматизированных и механизированных поточных линиях в различных отраслях пищевой промышленности.

В настоящее время, в качестве нагнетателей формующих машин кондитерской промышленности применяются, в основном шнековые, шестеренные, валковые, поршневые и плунжерные нагнетатели, обладающие рядом недостатков. К недостаткам этих конструкций нагнетателей относятся: «мягкая» расходно-напорная характеристика шнековых, неустойчивая расходно-напорная характеристика валковых, чрезмерное механическое воздействие на структуру начинок у шестеренных и наличие возвратного хода поршневых и плунжерных нагнетателей.

Недостаток качественных отечественных продовольственных товаров, а также жесткая конкурентная борьба производителей на товарных рынках

требуют выпускать конкурентоспособную продукцию. Производства качественной и конкурентоспособной продукциикондитерской отрасли возможно добиться путем совершенствования конструкций формующего оборудования для технологических процессов производства изделий с начинкой.

Совершенствование нагнетателей для начинок, обладающих различными физико-механическими свойствами, а также разной характеристикой предела текучести, необходимо основывать объединением положительных сторон конструкций известных нагнетателей и устраняя их недостатки.

Анализ специальной технической отечественной и зарубежной литературы [28, 32, 33, 61, 68, 70, 79, 85, 86, 93, 101], а также патентный поиск [62, 63, 66] показал, что вопросами изучения процессов нагнетания разнообразных масс, обладающих пластическими свойствами и модернизацией технологического оборудования занимался ряд ученых: Р.В.Торнер, А.Н.Остриков, О.В.Абрамов, А.С.Рудометкин, G.Schenkel, E.C.Bernhardt, J.M.McKelvey, E.Fisher и другие [1, 2, 24, 32, 56-60, 68, 77, 82, 93-95, 100], а вопросами исследования реологических свойств пищевых сред: Г.К. Берман, Г.В.Виноградов, М.П.Воларович, А.В.Горбатов, Н.Н.Липатов,

A.Д.Малкин, Б.М.Азаров, С.А.Мачихин, Ю.А.Мачихин, Ю.В. Клаповский,

B.П. Корячкин и другие [14-22,26,27, 30, 31, 37, 41,49, 51, 52]

Своими исследованиями они внесли большой вклад в изучение реологии процессов нагнетания разнообразных дисперсных материалов, в том числе и пищевых, протекающих в экструдерах различных конструкций. Однако вопросы нагнетания неньютоновских многокомпонентных дисперсных пищевых материалов, к которым относятся фруктово-ягодные и жировые начинки, изучены не достаточно. В связи с этим разработка для кондитерских дисперсных масс начинконаполнителя роторно-шестеренного типа, свободного от мертвых зон, обладающим минимальным механическим

воздействием на структуру объекта нагнетания, является актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.

Совершенствование конструкции роторно-шестеренного

начинконаполнителя роторно-шестеренного типа позволит обеспечить частичное замещение импортных продуктов питания отечественными, что направлено на решение задачи продовольственной безопасности РФ.

Объектами исследования являются жировые и фруктово-ягодные начинки для мучных и сахаристых кондитерских изделий.

Предметом исследования является разработка усовершенствованной конструкции роторно-шестеренногоначинконаполнителя, свободного от мертвых зон и обладающего минимальным механическим воздействием на объекты нагнетания для изделий из широкого ассортимента кондитерских масс.

На основании проведенного анализа основных тенденций развития оборудования для производства кондитерских изделий с начинкой, современных проблем и состояния исследований процессов нагнетания пищевых масс, обладающих пластическими свойствами, можно сформулировать цель настоящего исследования.

Целью работы является разработка новой конструкции устройства роторного типа для наполнения начинкой жгута из кондитерской массы, формуемого в сквозном канале или в обкатываемом батоне карамельной массы.

Разработка новой эффективной конструкции роторно-шестеренного начинконаполнителя и совершенствование процесса нагнетания начинок для кондитерских изделий.

Для достижения заданной цели необходимо решить задачи следующие задачи.

Задачи исследований

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи исследований:

- разработка экспериментальной установки роторного типа с

шестеренным нагнетателем свободным от запертых объемов во

впадинах зубьев;

- анализ рабочих процессов в роторном шестеренном нагнетателе;

- разработка методики исследования;

- исследование реологических свойств начинок;

- исследование расходно-напорных характеристик роторно-шестеренного нагнетателя для начинок с пластическими свойствами;

-исследование влияния геометрических и кинематических параметров роторно-шестеренного устройства для нагнетания начинок на производительность;

- разработать структурную и параметрическую схемы процесса нагнетания начинок, обладающих пластичными свойствами;

-разработать физическую, механическую и математическую модели нагнетания пластичных масс роторно-шестеренным нагнетателем;

-разработать предложения технического решения по промышленной реализации и дать научно обоснованные методы расчета основных элементов конструкций новых роторно-шестеренных нагнетателей для кондитерских масс с пластическими свойствами.

Научная новизна работы.

Определены рациональные значения геометрических и кинематических параметров рабочих органов нагнетателя роторного типа свободного от запертых объемов во впадинах зубьев нагнетающих шестерен.

Получены расходно-напорные характеристики нового шестеренного нагнетателя.

Разработаны математическая модель течения фруктово-ягодных и жировых начинок в области стационарного сдвигового течения в канале материалопровода.

Изучено сдвиговое течение фруктово-ягодных и жировых начинок для

кондитерских изделий в кольцевом зазоре ротационного вискозиметра. При этом выявлены реологические уравнения состояния начинок.

Разработана математическая модель течения начинок, которая позволила предложить методику инженерного расчета материалопровода для подачи начинки в рабочие зоны формующего оборудования.

Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ на изобретения №2429708 и №2461201.

Практическая значимость работы.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствована конструкция роторно-шестеренного нагнетателя для нагнетания фруктово-ягодных и жировых начинок в кондитерские изделия.

Результаты и рекомендации, полученные на основании проведенных исследований, использованы в разработке предложения технического решения по промышленной реализации устройства роторно-шестеренного типа для наполнения начинками, обладающими пластическими свойствами, корпусов кондитерских изделий, формуемых способом совместного выпрессовывания в сквозных каналах или подачей начинки в батон карамельной массы, а также для коэкструзии изделий с начинкой.

Устройство для наполнения начинкой формуемых жгутов принято к внедрению на производстве на хлебокомбинате города Пятигорска для производства пряников с начинкой.

Разработана и изготовлена установка для определения коэффициента бокового давления начинок, обладающих пластическими свойствами, способная собирать, хранить и обрабатывать экспериментальные данные в среде ЬаЬУШ\У.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса течения начинок, обладающих пластическими свойствами, внедрены в учебный процесс.

Автор защищает. Результаты физического и математического моделирования реологических свойств начинок, полученные фундаментальными методами ротационной и капиллярной вискозиметрии.

Параметрические схемы и математические модели процесса течения в материалопроводекондитерских начинок, обладающих пластическими свойствами.

Результаты основных показателей процесса течения пластичных начинок от геометрических и кинематических параметров нового шестеренного устройства роторного типа для нагнетания начинок;

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на ежегодных научных конференциях ФГБОУ ВПО «Северо-кавказский федеральный университет» (филиал в г. Пятигорск) и Государственного университета -УНПК (г.Орел); IV-VI международных научно-практических конференциях «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания», Орел 2006 -2013.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПРОИЗВОДСТВА КОНДИТЕРСКИХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ

1.1 Классификация способов формования пищевых масс

Процессы выпрессовывания пищевых материалов через открытые каналы матриц, прессования в замкнутом объёме формующей ячейки, прокатки в зазоре между несущей и формующей поверхностями, а также резки, являются процессами пластического сдвига, происходящего в материале в течение всей продолжительности формования и основанного на релаксационном механизме деформирования материала, в результате действия на него усилий со стороны рабочих органов формующего оборудования [16, 17,19,21,53].

В связи с известной технологической эффективностью выпрессовывания [19, 24, 26, 32], данный способ оценивается как наиболее прогрессивный способ формования разнообразных материалов, в том числе и пищевых, и на его реализацию ориентируются специалисты в практике создания формующих машин [17,33, 35].

Выпрессовывание широко применяется в различных отраслях пищевой промышленности - на предприятиях макаронного производства, на хлебопекарных предприятиях при формован