Совершенствование процесса получения эмульсионных пищевых продуктов в аппаратах с импульсными потоками

Родионова, Елена Николаевна

Процессы и аппараты пищевых производств

автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса получения эмульсионных пищевых продуктов в аппаратах с импульсными потоками

кандидата технических наук: Родионова, Елена Николаевна
город: Москва
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.18.12

Диссертация по технологии продовольственных продуктов на тему «Совершенствование процесса получения эмульсионных пищевых продуктов в аппаратах с импульсными потоками»

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование процесса получения эмульсионных пищевых продуктов в аппаратах с импульсными потоками"

На правах рукописи

Родионова Елена Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В АППАРАТАХ С ИМПУЛЬСНЫМИ ПОТОКАМИ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ь янв 2014

Москва-2013

005544343

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» на кафедре "Кондиционирование и вентиляция".

Научный руководитель - Юдаев Василий Федорович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - Алексеев Геннадий Валентинович

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный

исследовательский университет информационных

технологий, механики и оптики»,

заведующий кафедрой "Процессы и

аппараты пищевых производств"

Зимин Алексей Иванович

доктор технических наук, профессор, Военный институт (общевойсковой) ВУНЦ СВ РФ "Общевойсковая академия", заведующий кафедрой общепрофессиональных дисциплин

Ведущая организация - Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии)

Защита состоится 27 февраля 2014 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.148.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 33, конф. зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУПП» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 33.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайтах ВАК РФ Министерства образования и науки РФ (http://vak.ed.gov.ru/) и ФГБОУ ВПО «МГУПП» (http://mgupp.ru).

Автореферат разослан «26» декабря 2013 г.

Ученый секретарь У /

диссертационного совета —

д.т.н., проф. V Л.Л. Никифоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Ведущие тенденции развития пищевой промышленности характеризуются возрастающим применением в отрасли сложных процессов переработки сырья, базирующихся на использовании достижений науки и техники, новых технологий производства многокомпонентных продуктов, включающих жировые эмульсии.

Многокомпонентные эмульсионные продукты вошли в рацион питания различных слоев населения, в том числе в качестве диетического. Вопросы расширения ассортимента при одновременном повышении качества и биологической ценности продукции связаны с использованием прогрессивных технологий и конструкций аппаратов. Производство подобной продукции представляет собой сложный технологический процесс, ключевой операцией которого является диспергирование и гомогенизация в аппаратах различного типа.

Одним из важнейших количественных показателей эмульсий, определяющих их качественные особенности, является дисперсность. В связи с развитием технологий, применяющих гомогенизированные компоненты, предъявляются повышенные требования к дисперсности эмульсионных продуктов. С ней связаны улучшение усвояемости измельченных частиц организмом человека, повышение сроков хранения продуктов из-за увеличения стабильности эмульсий, улучшение вкусовых характеристик продуктов, а также возможность создания широкого спектра новых многокомпонентных продуктов с заданными свойствами.

Возможности повышения технологической эффективности эмульгирования находятся в использовании методов импульсного воздействия на обрабатываемые среды при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости.

К аппаратам, реализующим импульсные энергетические воздействия, относятся роторные аппараты с модуляцией потока (РАМП), принцип работы которых основан на создании импульсного режима течения. Анализ теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в РАМП, привел к выводу о необходимости выбора критерия, характеризующего условия дробления капли в нестационарном потоке с учетом физико-химических свойств компонентов эмульсии. Определение такого критерия дробления капель в аппаратах с нестационарными релаксационными переходными гидромеханическими процессами позволит разработать исходные данные и требования для расчета роторных аппаратов, в частности, с модуляцией потока обрабатываемой жидкости с большой глубиной модуляции скорости (объемного расхода) на заданную предельную дисперсность эмульсии при минимальных затратах энергии.

Таким образом, исследование локальных характеристик течения обрабатываемой среды, играющих определяющую роль в интенсификации процесса и совершенствовании оборудования для эмульгирования, является актуальной задачей.

Решение данной задачи позволит не только существенно улучшить качество готовой продукции, но и снизит себестоимость конечной продукции на основе стабильных водно-масляных эмульсий на предприятиях малой и средней мощности в пищевой промышленности (хлебобулочной, кондитерской, консервной, масложировой и мясомолочной).

Степень разработанности проблемы. Исследованиям по данной тематике посвящено много работ отечественных и зарубежных ученых (Балабышко A.M., Барановский Н.В., Борисов A.A., Брагинский Л.Н., Владыкина Т.Ф., Гельфанд Б.Е., Горбатов A.B., Зимин А.И., Клейтон В., Козин Н.И., Колмогоров А.Н., Кардашев Г.А., Кутц Г., Левич В.Г., Натанзон М.С., Нигматулин Р.И., Новицкий Б.Г., Орешина М.Н., Паронян В.Х., Промтов М.А., Рогов И.А., Тырсин Ю.А., Фомин В.М., Червяков В.М., Шерман Ф., Юдаев В.Ф. и другие). Сложность и многообразие всего комплекса многофакторного воздействия на обрабатываемую среду в РАМП и недостаточность по этой причине полноты представлений о механизмах дробления капель затрудняет его аналитическое описание и совершенствование процесса эмульгирования. До настоящего времени недостаточно исследованы критерии, характеризующие условия дробления капель в нестационарных переходных течениях обрабатываемой среды. Изложенное свидетельствует о необходимости дальнейшего исследования и развития теоретических основ и экспериментальных закономерностей процесса эмульгирования в РАМП.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является совершенствование процесса получения эмульсионных пищевых продуктов в аппаратах с импульсными потоками.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являлись:

- анализ методов, способов, аппаратурного оформления процесса и условий эмульгирования и применения эмульсий в пищевой промышленности;

- исследование геометрических, гидравлических, кинематических, динамических и акустических характеристик компактного РАМП с произвольной конусностью его рабочих поверхностей;

-разработка математической модели дробления дисперсной фазы в импульсном потоке дисперсной среды с учетом конкретных геометрических, кинематических, режимных параметров РАМП;

-теоретическое исследование математической модели, учитывающей условия дробления дисперсной фазы в зависимости от геометрических, кинематических и динамических параметров аппарата-эмульгатора с импульсным потоком обрабатываемой среды, а также физико-химических свойств компонентов эмульсии;

-разработка конструктивной схемы компактного роторного аппарата проточного типа для производства пищевой эмульсии;

- создание экспериментального стенда и проведение исследований процесса эмульгирования в импульсном потоке обрабатываемой жидкости;

-разработка рекомендаций по применению предложенной конструкции

РАМП и расчету режимов его работы для получения прямых эмульсий с учетом полученных результатов исследований.

Идея работы заключается в определении импульса силы инерции капли в нестационарнодвижущейся дисперсионной среде, необходимого для ее разрушения с учетом сил межфазного поверхностного натяжения.

Методы исследования - теоретические и экспериментальные, включающие стандартные и вновь разработанные методики с применением математического моделирования переходных гидромеханических процессов в нестационарном модулированном потоке, анализа и статистической обработки полученных результатов. Математическая и статистическая обработка проводилась с использованием систем МаШсаё 14 и 81а1лз1лса 6.1.

Научная новнзна заключается в том, что определены величины критериев условия дробления капли при ее относительном движении в дисперсионной среде, которые экспериментально подтверждены при импульсном течении дисперсной среды через модулятор РАМП.

Проведенные исследования позволили получить новые результаты:

— исследованы геометрические, гидравлические, кинематические, динамические и акустические характеристики разработанного РАМП;

-получена функциональная зависимость относительной максимальной интегральной плотности импульса давления от относительной величины зазора между рабочими коническими поверхностями ротора и статора;

— построена математическая модель, позволившая теоретически получить критерии и их значения, определяющие условия дробления капли при нестационарных периодических переходных гидромеханических процессах, которые реализуются в модуляторе роторных аппаратов;

— при теоретических и экспериментальных исследованиях предложен критерий гомохронности, характеризующий нестационарное движение капли в дисперсионной среде;

— выявлена роль скорости изменения ускорения капли относительно дисперсионной среды в процессе дробления и при определении значения критерия условия ее дробления.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается корректностью постановки задач; представленным объемом экспериментальных данных, полученных на экспериментальном стенде на базе роторного аппарата с модуляцией потока, применением современных методов исследования; прямых средств измерения; корректным применением статистических методов при обработке и анализе экспериментальных данных.

Теоретическая и практическая значимость разработок, полученных лично автором:

-получено необходимое значение критического значения критерия гомохронности для капли, движущейся в нестационарном потоке, которое определяет условие дробления капли;

— получено значение параметра, определяющего время воздействия на

каплю, прямо пропорциональное относительной скорости изменения ускорения капли в дисперсионной среде;

-из теоретического анализа характеристик переходного гидромеханического процесса, определения значения критерия гомохронности для капли и параметра, характеризующего скорость изменения ускорения капли в дисперсионной среде усовершенствована методика расчета аппарата-эмульгатора с переходными гидромеханическими процессами;

-разработан и смонтирован экспериментальный стенд на базе РАМП с произвольной конусностью боковых рабочих поверхностей ротора и статора и регулируемой величиной зазора между ними.

Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в образовательном процессе, написании учебно-методической документации, а также при выполнении научно-исследовательских работ в ФГБОУ ВПО "МГУТУ им. К. Г. Разумовского".

Научные положения, выносимые на защиту:

-модель дробления капли в дисперсионной среде при нестационарных периодических релаксационных гидромеханических процессах в модуляторе РАМП и определение критериев, характеризующих условия дробления капли;

-экспериментальные исследования и научно обоснованный метод расчета критических значений критериев, характеризующих условия дробления капли;

- роль скорости ускорения капли в дисперсионной среде при определении условий ее дробления.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на следующих научных форумах: XII Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности», Москва, МГУТУ, 2006 г.; Международная научно-практическая конференция «Технологии и продукты здорового питания», Москва, МГУПП, 2007 г.; IV, V, VI, VII, VIII Международные научно-практические конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб, 2007-2009 г.г.; XIII Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности -защита прав потребителя и рынка от контрафактной, фальсифицированной и некачественной продукции», Москва, МГУТУ, 2007 г.; Международный научно-практический форум «Стратегия 2020: Интеграционные процессы образования, науки и бизнеса как основа инновационного развития аквакультуры в России», Москва, МГУТУ, 2009 г.; XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-22», Иваново, 2009 г.; II НПК «Инновационное развитие пищевой промышленности на основе современных методов управления Можайского района Московской области», Можайск, 2009 г.; Международная научно-практическая конференция «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе», Москва,

МГУТУ, 2011 г.; Круглый стол на тему «Государственная политика в области производства продуктов здорового питания: законодательные и научные аспекты», Москва, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция "Инновационное развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства", посвященной 55-летию Алматинского университета (12-13 октября 2012 г.), Алматы, 2012 г.

Работа выполнялась по госбюджетной тематике «Интенсификация технологических процессов в нестационарных потоках и их аппаратное оформление», гос. per. № 0120.0 602985.

Диссертационная работа выполнялась автором с 2006 по 2012 год в федеральном государственном бюджетном учреждении Высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского». Все результаты, отраженные в разделах «Научная новизна» и «Практическая значимость разработок» получены лично автором.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 14 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, разработке методик теоретического и экспериментального исследований и обработке экспериментальных данных, непосредственном участии в получении, анализе и обобщении результатов исследований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, приложений. Работа (без учета приложений) изложена на 175 страницах, содержит 6 таблиц, 44 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В общей характеристике обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи, идея, методы исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость разработок.

В главе 1 «Состояние вопроса, цель и задачи исследования»

представлен обзор различных источников информации по эмульсионным продуктам в пищевой отрасли АПК, методам и способам эмульгирования, устройствам для приготовления эмульсий, моделям распада капель в жидкости при ее нестационарном течении, сформулированы выводы по первой главе, цель, объекты и задачи исследования.

В главе 2 «Анализ гидромеханических процессов в РАМП» приведен расчет геометрических, гидравлических, кинематических, динамических и акустических характеристик для РАМП. Его схема изображена на рисунке 1.

б)

Рисунок 1 - Схема ротсриого аппарата:

а) в разрезе, б) ротср. в) статор; I - трубопровод-корпус. 2 - статор, 3 -ротор. 4 - окно ротора. 5 - окно статора

Рисунок 2 - К определению площади проходного сечения модулятора

Модулятор проложенной конструкции РАМП отличается от предшествующих тем. что. во-первых, основания отверстии являются дугами окружностей существенно неравной длины, соизмеримой с радиусами вращения, во-вторых, длина модулятора, равная толщине стенок ротора и статора, много меньше меньшего основания отверстия. В качестве площади проходного сечения приня та трапеция, длины оснований а(1) которой являются переменными величинам! от времени (рисунок 2)

S(0 = (2/ísin a t¡ 2)' + Jó2 + (2 г sin со í/2)31. (I)

В этом выражения за начало отсчета времени принят момент времени, соответствующий началу процесса открывания отверстия статора ротором, и оно описывает изменение площади диафрагмы только до полного открытия отверстия статора. В последующем этот отрезок времени 1„ у{ /ш принят в качестве масштаба времени, а относительное время - /'=///„. В относительных величинах на интервале одного периода перекрывания отверстия статора 7'=2л/ш площадь проходного сечения диафрагмы

S; 0

s¡ /;<;/•<;/;, s; i^sn'y S\ t\ £ /' 5 Г,

где

SV)=

(2)

(^72)-

«пгг/2

/3 =

2 - /£сг • /£с-2> » » (Л + г).«й п^/2-

3 = А/ста, Д- величина зазора между ротором и статором в направлении нормали к рабочим поверхностям ротора и статора; е- полуконусность рабочих поверхностей; «-угловая частота вращения ротора; Л. г- радиусы оснований конуса на уровне отверстий; // = Л/(2со$а), ус (ур) - угловая ширина отверегия статора (ротора).

5КОг

Относительная величина зазора принята как отношение д к средней линии трапсциичггвсрстня.

Интервалы времени /¡, соответствующие различным стадиям процесса перекрывания отверстий определяется из следующих условий: /'1 янляси-я корнем уравнения 5|(/'|)=1 (момент времени полного открывания отверстия статора); /'2 - корень уравнения 5з(/'г)"1 (момент времени начала процесса закрывания отверстия статора); /'» - корень уравнения $(/})=<$' (момент времени конца процесса закрывания). Данные уравнения решаются численно с помощью встроенной функции математического пакета \tathcail. I рафичекая зависимость прслставлсна на рисунке 3.

На основании полученной зависимости (2) вычислен переменный коэффициент гидравлического сопротивления отверстия модулятора

[1 + 0,707^1-5'/А-^(Г)"'; о </'</,' 6,(0- \-л1-, <<''<4 (3)

[1+0,70771-^'/А']<,'<!'

Рисунок 3 - Зависимость плошали проходного сечения диафрагмы от времени при различных : 1 - 0.05; 2-0,1;3-0,2

Л"(/') = , 50 = Н(Л + г)нпус/2. Интервалы времени соответствуют

интервалам в (2).

Для расчсга кинематических характеристик течения жидкости в модуляторе РАМП с произвольной конусностью использовали известное уравнение Рикагги истечения жилкости через модулятор в относительных величинах

¿и'/сЬ=Но(1-4{1')и'*). (4)

Здесь и =и/ц), и-средняя по сечению скорость, ц, = ^2Д -скорость установившегося движения идеальной жидкости, АР - средняя разность давлений жидкости на модуляторе, ра - плотность обрабатываемой жидкости. Но = 1у0/(2/) - критерий гомохрокностн, /-обшая д.ина модулятора.

Данное уравнение описывает течение жидкости через модулятор в режиме развитой турбулентности. Для практики применения РАМП этот случай наиболее характерный, так как течение жидкостей в процессе их обработки происходит с сильно развитой турбулентностью. Уравнетие решалось численным методом Рунге-Кутты с переменным шшч>м. Краесым условием для него являегся периодичность скорости, так как коэффициент уравнения являет:я периодической функцией с периодом Т:

1/(0=!/(/'+Г).

(5)

—■V3

Г Д

0.« ix) 15

Но Л

• II •1« •20 -м

7"* \ \

у/

го

Рисунок 4 - Относительная скорость течение обрабатываемой среды и'(1') при (Г = 0,02, Но: 1 -0.05; 2-0.25; 3-0.5; 4-1

Рисунок 5 - Форма импульсов переменного давлен и я при «У'= 0,02 Но: 1-0.05; 2-0.25:3- 1

Па рисунке 4 приведены характерные I рафики зависимости относительной скорости от относительного времени процесса перекрыаа.тия окна сгатора при различных значениях кри!ерия Но. Ма рисунке 5 изображены

• рафики зависимости относительного ускорения прямо пропорционального импульсам давления при различных значениях критерия По.

Видно, что величина критерия гомохроиности Но определяет время разгона и торможения жидкости в модуляторе и величину амплитуды отрицательного импульса давления. С ее увеличением увеличивается амплитуда скорости течения и амплитуда ее ускорения.

На рисунке 6 приведены графические зависимости максимального значения относительной величины интегральной плотности импульса давления от относительной величины зазора 6' при различных величинах А. Под интегральной плотностью импульса давления здесь принято произведение максимального модуля давления ^п*, за период /', эффективной длительности отрицательного импульса давления и отношения объема жидкости в отверстии статора к объему, протекающему через отверстие за период

истечения, т.е.

N -— - ЧИСЛО импульсов

I оОкА

давления, которым подвергается обрабатываемая среда за промежуток времени когда она находится в отверстии статора длиной / + /„,,

Р.-Н^!*. (6) Из приведенных Iрафиков видна решающая роль величины зазора на эффективность импульса ускорения в диафрагме РАМП. С уменьшением величины Рисунок 6 - Зависимость максимального ,аюРа Увеличивается плотность значения относительной величины имп>льса давления, которая интегральной плотное™ импульса характеризует меру воздействия давления от величины зазора У при ,1а интенсивность проводимого различных величинах .4: / - I; 2 - 2; 3 - "Р«««« эмульгирования.

В главе 3 ^Теоретические основы механизмов н условий дробления капли в потоке» проанализированы физические механизмы эмульгирования в турбулентном потоке акад. Колмогорова А.Н.; при нестабильности течения Толминга-Шлихтинга; Радвеля-Кремнева при |радиентном течении; при неустойчивости Релся-Тейлора и другие.

Из многочисленных экспериментов выделены несколько видов разрушения капли в зависимости от интенсивности воздействия на нее: ударных волн малой интенсивности: с выдуванием «парашюта» (при расныливании, преимущественно, в газовую среду); с образованием

«парашюта» со струйкой в центре образовавшегося тора; непрерывная «обдирка» поверхностного слоя капли при больших градиентах скорости обтекания у поверхности капли; взрывное дробление в достаточно сильных ударных волнах, когда «обдирка» практически не наблюдается, а наблюдаемая капля быстро разрушается на большое число мелких капель, такие процессы разрушения описываются уравнениями теории катастроф; дробление комбинированное, когда разрушение капли носит многофакторный характер. Например, периодическое выдувание парашюта, так и за счет дробления вытянутых по потоку нитей или жгутов, образующихся при "обдирке" поверхностного слоя. Во всех видах разрушения капля дробится вследствие неоднородного распределения давления на ее поверхность.

При заданном законе обтекания капли процесс дробления определяется основными физическими характеристиками дисперсной фазы и дисперсионной среды, образующими независимые критерии: критерий Вебера = \Ар\и2с1 /(2а) ~ 1л (критическое значение, когда начинается процесс разрушения капли по разным оценкам находится в некотором интервале); критерия Струхаля или гомохронности Но = (у0/(2/); критерий Маха М = м/с - при получении аэрозолей (жидкость в газе) имеет существенное значение, но при получении эмульсии не играет существенной роли. Для разрушения частицы дисперсной фазы, помимо превышения критических значений вышеуказанных критериев, необходимо, чтобы возмущение, превышающее критическое, действовало достаточное время (t>t<^), которое характеризуется критерием Струхаля или гомохромности. В литературе встречаются различные корреляции для расчета продолжительности индукции и разрушения капель, сильно отличающиеся друг от друга. Следует заметить, что, несмотря на то, что, существует множество способов осуществления разрушения капель (механические, физико-химические, акустические, кавитационные, электрические, химические), все они сводятся к соотношению энергии (сил) деформации к энергии (силам) межповерхностного натяжения капли, которые рассмотрены и проанализированы в диссертации.

В связи с тем, что решающее влияние на процесс дробления оказывает скорость относительного движения капли дисперсной фазы в дисперсионной среде — скорость обтекания капли, рассматривается характер скорости ее движения в импульсном потоке жидкости.

Уравнение движения капли в относительных величинах и' = и/и0, и' = и/и0, /' = г/г0 имеет вид

(1 -р)сМ/Ж' + 18г и' + (\ + р/2)с1и'/Л' = 0, (7) которое решается при условии периодичности относительной скорости

и\Г) = и\1' + Т'). (8)

Здесь и, с!и! Ж - скорость и ускорение частицы дисперсной фазы в

дисперсионной срслс; Z-// - критерий Жуковского; ц -

коэффициент динамической вязкости дисперсионной среды; Р = РС)Р+, Рф (pf) - плотность дисперсной фазы (дисперсионной среды); d - диаметр капли.

Численное интегрирование системы уравнений (4). (5). (7), (8) было выполнено методом Рунге-Кутш. Параметры изменялись в следующих пределах: Но = 0.05 +1, 0.01+0.2, 2 = 0.5 + 1, p=pjpf = 1.1 + 1.25. IIa

рисунках 7 и 8 приведены характерные результаты решений.

Рисунок 7 - I рафики относительной Рисунок 8 - Графики относительной

скорости u\f) (а) и относительного скорости и'(г') (а) и относительного

ускорения капли в дисперсионной ускорения капли в дисперсионной

среде du'/dt' (б) при значениях срслс du'jdt' (б) при значениях

параметров; 5' = 0.2 ; Но : 1 - I, 2 - 0.5, i арамегров; Но = 0.05 ; 8" : I - 0.2, 2 -

3 - 0.25. 4 - 0.1; 5 - 0.05; Z = 1; C.1.3-0.05,4-0.01; Z = 1; р = 1.25 />=1.25

Так как в РАМП воздействие не. частицу дисперсной фазы происходит в условиях импульсного возмущения давления, которое определяется изменением ускорения за короткий промежуток времени, то рассмо1рим показатель, характеризующий скорость изменения ускорения частицы дисперсной фазы от своего минимального до максимального значения

Л0„

(</ц/<//). -(¿и^к) М

(9)

где (</«/<Л). - максимальная величина положительного ускорения капли, (<А//сЛ) - минимальная величина отрицательного ускорения капли за период Т, М- промежуток времени, в течение которого данное изменение произошло (рисунок 9).

На рисунке 10 изображены графики зависимости от критерия

гомохронности Но при различных значениях величины относительного зазора б'. Данные зависимости характеризуются наличием точек максимума.

Рисунок 9 - К определению величины показателя А0Ш

Зависимость максимальных значений от величины относительного зазора

5' представлена на рисунке 11. Из рисунка 11 следует, что как и максимальная интегральная плотность импульса даилеиня так и максимальная скорость изменения ускорения капли увеличивается с уменьшением относительной величины зазора между рабочими боковыми поверхностями ротора и сгагора.

Введен критерий гомохронности //о„ характеризующий отношение промежутка времени критического воздействия на каплю Д/ ко времени относительного движения капли на расстояние своего диаметра / и., т.е.

//о. = ы. Л//4_

(10)

Величину гидродинамических сил, действующих на каплю диаметром </ будем характеризовать зависимостью критерия гомохронности Но. движения капли от критериев Н'е и Но. представленной в виде поверхности отклика Ho.OVe.Ho) (рисунок 12) и критериального уравнения

Но.' -3.29+0.86 И>+4.79//о-0.061Ге2+0.91 Ч'еНо-13.07//о2 (II)

Максимальному значению критерия гомохронности Но^ соответствуют значения критериев 1К«?«11 и Ноч0.58.

Рисунок 10 - Зависимость скорости ускорения А0,,,, движения капли от критерия гомохронности Но при различных значениях величины относительного зазора 8": 1-0.01; 2-0.05; 3-0.1; 4-0.2

Рисунок 11 - Зависимость максимальных значений скорости ускорения от относительной

величины зазора 8"

Рисунок 12- Поверхность отклика

В главе 4 «Экспериментальные исследовании получения эмульсий в роторном аппарате» рассмотрены практические вопросы эмульгировании растительного жира в воде. В этом случае капли легко увлекаются дисперсионной средой и их относительная скорость и меньше чем в сплошной газовой среде. Поэтому для успешного проведения процесса эмульгирования необходимо воздействовать на обрабатываемую среду высокоинтенсивными возмущениями, которые имеют место в РАМП с небольшими относительными -зазорами между ротором и статором. Экспериментальное исследование эмульгирования проводилось на лабораторной установке (рисунок 13), которая включала в себя РАМ! I I; входной 2 и выходной 3 патрубки; баки 4 для готовой продукции 5 с водой и 7 с маслом; насосы 6 для подачи воды и 8 - масла на вход аппарата I; расходомеры для воды (РС-7) 9 и для масла (РС-5) 10; манометры II на входе в полость ротора и в камере аппарата; гидрофон 12; осциллограф (С1-18) 13; вольтметр 14; стробоскоп 15; электродвигатель 16.

В качестве объекта исследования использовалась модельная смесь подсолнечное масло "Слобода" (ОАО "ЭФКО", Россия) в воде. Для оценки диаметра капель эмульсии использовали

средний объемно-

поверхностный диаметр (/.

Для определения рациональных параметров РАМИ использовали метод планирования экспериментов.

Рисунок 13 - Схема экспериментальной установки

Обработка данных

эксперимента приводилась при помощи интефнронанной

системы статистического

анализа и обработки данных 81а11$иса.

Уравнение регрессии, отображающее зависимость степени дисперсности (0 = </1 . мкм ') от величины pa.ina-ii.Horo зазора между ротором и статором РАМП (<?, мм) и частоты вращения ротора (а», об/мин), выглядит следующим образом:

/)-0.74-0.97£+50<о+0.18(<5)г+10<5 «в-ЮЧ»)1. (12)

Общий нил поверхности, описанной данным уравнением, представлен на рисунке 14. Имеет место качественное сходство поверхностей отклика (рисунки 12. 14). Причем максимальные значения дисперсности О приходятся на значения угловой частоты вращения ротора ш = (у<|>1,)/(2//Уо). соответствующей оптимальному значению кршерня гомохронности Но «0.58. Что позволяет положить данное значение в основу методики расчета параметров роторного аппарата для получения эмульсионных пищевых продуктов.

Данная методика была использована на ООО "Научно-промышленная фирма "ЛИОНИК" при разработке технологического процесса производства детского питания и диетических пищевых продуктов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТ!,I И ВЫВОДЫ

(.Проведенный анализ современных аппаратов-эмульгаторов показал, что работы, направленные на совершенствование конструкций и выявление режимов их работы, остаются актуальными. Из анализа следует, что они требуют углубления теоретических основ процесса дробления капли, огшсывающих многообразие физических явлений, происходящих в рабочих зонах аппарата, которые позволили бы найти необходимые и достаточные условия дробления капель и использовать их в качестве исходных данных д,тя усовершенствования расчета апп арвта-эму л ы тпора.

2. Предложена конструкция роторного аппарата с произвольной конусностью боковых рабочих поверхностей ротора и статора: размешенных в г I роду кг о и ро ноле, теоретически исследованы геометрические, гидравлические, кинематические, динамические и акустические характеристики роторного аппарата предложенной конструкции.

Рисунок 14 - 11онер.хность отклика

3. Предложена функциональная зависимость плотности импульса давления дисперсной среды от величины зазора между рабочими коническими поверхностями ротора и статора. Показано, что плотность импульса давления резко увеличивается с уменьшением величины относительного зазора, а отношение ширины отверстия ротора к ширине отверстия статора имеет оптимальное значение в интервале от 1 до 3.

4. Впервые предложен и исследован показатель (9), характеризующий скорость изменения ускорения капли в дисперсионной среде в условиях ее дробления в импульсном потоке. Установлено, что максимальные значения введенного показателя увеличиваются с уменьшением относительной величины зазора между рабочими боковыми поверхностями ротора и статора.

5. Теоретически определены величины критериев Вебера и гомохронности, соответствующих максимуму силового воздействия на каплю при импульсных периодических переходных гидромеханических процессах.

6. Проведены экспериментальные исследования получения эмульсии типа растительное масло в воде с ПАВ в роторном аппарате с произвольной конусностью, создающего импульсные периодические переходные гидромеханические процессы. Полученные результаты позволяют сделать вывод о качественном соответствии теоретических исследований течения жидкости через модулятор, определения критерия условия дробления капли и экспериментальных исследований диаметра получаемых частиц. Это позволило сформулировать дополнительное условие дробления капли в импульсном потоке в виде минимальной продолжительности импульса давления и его величины.

7. Усовершенствована методика расчета режимных параметров процесса, обеспечивающих повышение эффективности эмульгирования в аппаратах с импульсными потоками, и внедрена на ООО "Научно-промышленная фирма "ЛИОНИК", о чем свидетельствует соответствующий акт.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Юдаев, В.Ф. Необходимые и достаточные условия дробления капель в нестационарном потоке и его осуществление/ В.Ф. Юдаев, E.H. Родионова // Естественные и технические науки. -2008. - №6. - С. 298-303.

2. Юдаев, В.Ф. Учет временного фактора при дроблении капли в нестационарном потоке/ В.Ф. Юдаев, E.H. Родионова // Естественные и технические науки. -2009. - №4. - С. 446-449.

3. Родионова, E.H. Особенности работы роторных аппаратов//Е.Н. Родионова, О.В. Михайлов, В.Ф. Юдаев// Технологии XXI века в пищевой, перерабатывающей и легкой промышленности (электронное научное издание). - 2012.- №6. часть И. Статья №5. - 8 с. - http://wwvv.roszitlp.com/xxicr/.

материалы конференций

4. Родионова, E.H. К вопросу о физических механизмах диспергирования/ Труды XII Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности». Выпуск 11, Т.1. — М.: МГУТУ, 2006, С.

100-102.

5. Родионова, E.H. Площадь проходного сечения диафрагмы роторных аппаратов с произвольной конусностью/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев, Д.А. Лепеха// Сб. трудов IV Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Т.П. - СПб, Издательство политехнического университета,

2007, С. 381-382.

6. Лепеха, Д.А. Совершенствование роторных аппаратов для интенсификации технологических процессов пищевых производств/ Д.А. Лепеха, E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев// Труды XIII Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности». Выпуск 12, Т. II -М.: МГУТУ, 2007, С. 129-131.

7. Родионова, E.H. Анализ коэффициентов гидросопротивления роторных аппаратов с произвольной конусностью/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев, Д.А. Лепеха// Сб. трудов V Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Т. 12. — СПб, Издательство политехнического университета,

2008, С. 493-494.

8. Родионова, E.H. Движение частицы дисперсной фазы в нестационарных релаксационных переходных гидромеханических процессах/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев// Сб. трудов VI Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Т. 13. — СПб, Издательство политехнического университета, 2008, С. 193-194.

9. Родионова, Е. Н. Критерий дробления капли в нестационарном потоке/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев, А.Л. Агломазов// Сб. тр. Международного научно-практический форума «Стратегия 2020: Интеграционные процессы образования, науки и бизнеса как основа инновационного развития аквакультуры в России». М: МГУТУ, 2009, С. 127-129.

10. Родионова, E.H. Модель эмульгирования в нестационарном потоке/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев, А.Л. Агломазов// Сб. трудов VII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб, Издательство политехнического университета, 2009, С. 291-292.

П.Родионова, E.H. Оптимизация акустических характеристик модулятора роторного аппарата/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев// Сб. трудов VIII Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - СПб, Издательство политехнического университета, 2009, С. 150-151.

12. Родионова, E.H. Оптимизация параметров течения модулятора роторного аппарата при переходных процессах/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев// Сб. тр. II международной научно-практической конференции «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе». - М.: МГУТУ, 2011, С. 305-309.

13. Родионова, E.H. Условия дробления капель в роторных аппаратах-

эмульгаторах с периодическими переходными течениями/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев//Сб. докладов круглого стола «Государственная политика в области производства продуктов здорового питания: законодательные и научные аспекты» -М.: Изд-во ООО «Вторая типография», 2012, С. 212-217.

14. Михайлов, О.В. Факторы эмульгирования в аппаратах с импульсными потоками/ E.H. Родионова, В.Ф. Юдаев//Сб. материалов Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства», посвященной 55-летию Алматинского университета (12-13 октября 2012 г.) - Алматы, 2012. С. 103-105.

Отпечатано с готового оригинал-макета в Типографии «Фабрика Переплета Триумф» Подписано в печать 25.12.2013 г. Формат 60x84 Объем 1,15 п.л. Тираж 100 экз. Те л.8 (916) 351-39-43

Текст работы Родионова, Елена Николаевна, диссертация по теме Процессы и аппараты пищевых производств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ им. К. Г. Разумовского

На правах рукописи

04201456159 УДК: 66.063.61

РОДИОНОВА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В АППАРАТАХ С ИМПУЛЬСНЫМИ ПОТОКАМИ

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Юдаев В.Ф.

Москва 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление 2

Основные обозначения 5

Аббревиатура 7

Общая характеристика работы............................................................................................................8

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 16

1.1. Эмульсионные продукты в масложировой промышленности... 16

1.2. Методы, способы и устройства, применяемые при приготовлении эмульсий........................................................................................................27

1.2.1. Методы эмульгирования................................................................................................27

1.2.2. Способы эмульгирования................................................................................................28

1.2.3. Аппар аты-эмульгаторы..................................................................................................31

1.2.4. Роторные аппараты с модуляцией потока и основные направления их конструирования............................................................................45

1.3. Модели распада капель в жидкости при нестационарном

течении............................................................................................................................................59

1.4. Выводы, цель и задачи исследования....................................................................61

Глава 2. Анализ гидромеханических процессов в РАМП................................................64

2.1. Схема роторного аппарата с произвольной конусностью....................64

2.2. Площадь проходного сечения модулятора роторного аппарата с произвольной конусностью............................................................................................68

2.3. Коэффициенты гидравлического сопротивления модулятора роторного аппарата с произвольной конусностью........................................77

2.4. Кинематические характеристики течения жидкости в модуляторе роторного аппарата с произвольной конусностью 80

2.5. Акустические характеристики модулятора роторного аппарата с произвольной конусностью............................................................................................89

2.6. Выводы............................................................................................................................................97

Глава 3. Теоретические основы механизмов и условий дробления капли в

потоке жидкости..............................................................................................................................99

3.1. Физические модели диспергирования обрабатываемых текучих жидких сред..................................................................................................................................99

3.2. Условия дробления............................................................................................................106

3.3. Исследование процесса дробления жидкостей различными способами..............................................................................................................................................110

3.4. Модель дробления частицы дисперсной фазы в нестационарном потоке дисперсионной среды..............................................................................................118

3.5. Выводы................................................................................................................................................140

Глава 4. Экспериментальные исследования получения эмульсий в

роторном аппарате....................................................................................................................142

4.1. Постановка вопроса................................................................................................................142

4.2. Экспериментальная установка....................................................................................143

4.3. Выбор метода анализа дисперсности эмульсии..........................................144

4.4. Методы статистической обработки результатов экспериментального исследования размеров частиц дисперсной фазы......................................................................................................................................................147

4.5. Результаты обработки экспериментальных данных по исследованию дисперсного состава эмульсии............................................151

4.6. Исследование процесса эмульгирование методами математического планирования эксперимента............................................154

4.7. К методике расчета параметров роторного аппарата............................157

4.8. Выводы..........................................................................................................................................160

Основные результаты и выводы..............................................................................................................161

Список работ, опубликованных по теме диссертации..........................................................162

Список использованной литературы..................................................................................................165

Приложения..............................................................................................................................................................176

Приложение А. Систематизация устройств для диспергирования по

используемым в них способам дробления..............................................................................................................177

Приложение Б. Графики относительной скорости течения обрабатываемой среды в модуляторе роторного аппарата и'(0 при различных значениях

входных параметров...................................................................................... 179

Приложение В. Графики ускорения течения обрабатываемой среды в модуляторе роторного аппарата Ли'/¿1' при различных значениях входных

параметров............................................................................................................................................................................1^6

Приложение В. Фотография экспериментального стенда.......................... 192

Приложение Г. Фотография промышленной установки............................... 194

Приложение Д. Внедрение результатов диссертационной работы............ 196

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ар ширина отверстий ротора, м;

ас ширина отверстий статора, м;

Ьр ширина промежутка между отверстиями ротора, м;

Ъс ширина промежутка между отверстиями статора, м;

с скорость звука в дисперсионной среде, м/с;

с, концентрация дисперсной среды, доля;

с0б объемная концентрация, доля;

d диаметр капли, м;

dvs средний объемно-поверхностный диаметр капли, м;

Е напряженность приложенного электрического поля, В/м;

h высота окна статора, м;

I длина патрубка, м;

^ отношение объема патрубка статора к объему,

протекающему через этот патрубок за период истечения

АР перепад давлений жидкости на модуляторе, Па;

АР0 среднее значение перепада давлений на модуляторе, Па;

^ переменная часть перепада давлений, обусловленная модуляцией объемной скорости течения, Па;

Рт амплитуда отрицательной фазы давления, Па;

Q(t) объемный расход жидкости через отверстие статора, м3/с;

г, R радиусы оснований конуса на уровне отверстий, м;

Rp радиус внешней поверхности ротора, м;

S(t) площадь проходного сечения диафрагмы модулятора, м2;

t0 длительность процесса открывания модулятора, с;

Кф время, с;

Т = Г/10 относительный период;

Т период перекрывания окна статора, с;

= ¿0 относительное время;

относительная скорость частицы дисперсной фазы в

»о

тах> ^тт

дисперсионной среде, м/с;

, относительное ускорение частицы дисперсной фазы в

дисперсионной среде, м/с2;

средняя по площади поперечного сечения потока скорость,м/с;

скорость установившегося движения идеальной жидкости, м/с;

максимальная и минимальная скорость за период модуляции, м/с;

величина зазора между ротором и статором в направлении нормали к рабочим поверхностям, м;

и' относительная скорость;

У^Ф объем дисперсной фазы, м3;

Уд( объем дисперсной системы, м3;

а полуконусность ротора и статоа, рад;

Ус угловая ширина отверстия статора, рад;

Ур угловая ширина отверстия ротора, рад;

5 радиальный зазор между ротором и статором, м;

5' относительная величина зазора;

коэффициент динамической вязкости дисперсной фазы, Пас;

коэффициент динамической вязкости дисперсионной среды, Пас;

£ коэффициент гидравлического сопротивления;

р плотность жидкости, кг/м ;

д разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной

среды, кг/м3;

Рф плотность дисперсной фазы, кг/м3;

рс плотность дисперсионной среды, кг/м3;

коэффициент межфазного поверхностного натяжения, Н/м; коэффициент заполнения отверстий ротора; коэффициент заполнения отверстий статора; угловая частота вращения ротора, с"1;

телесный угол, в который излучается акустическая энергия от отверстия статора, стерад;

число Бонда; критерий гомохронности; число Лапласа; число Маха; число Струхаля;

число Вебера;

число Жуковского.

АББРЕВИАТУРА

БГКП - бактерии группы кишечной палочки; ГАРТ - гидродинамический аппарат роторного типа;

КМАФАнМ - количество мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов;

ПАВ - поверхностно-активные вещества;

ПАРТ - пульсационный аппарат роторного типа;

РАМП - роторный аппарат с модуляцией потока;

РИА - роторно-импульсный аппарат;

РПА - роторно-пульсационный аппарат;

РПАА - роторно-пульсационный акустический аппарат;

СЖК - жирная кислота свободная.

со

РФи

Во Но Ьр

Ы2

ст.

1,2

м2

г* и

М = — с

и ^

St = Же =

__ \Ар\и2с1

2 сг,

1,2

2 =

М (р РФ<17

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

К аппаратам, реализующим импульсные энергетические воздействия, относятся роторные аппараты с модуляцией потока (РАМП), принцип работы

которых основан на создании импульсного режима течения. Анализ теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в РАМП, привел к выводу о необходимости выбора критерия, характеризующего условия дробления капли в нестационарном потоке с учетом физико-химических свойств компонентов эмульсии. Определение такого критерия дробления капель в аппаратах с нестационарными релаксационными переходными гидромеханическими процессами позволит разработать исходные данные и требования для расчета роторных аппаратов, в частности, с модуляцией потока обрабатываемой жидкости с большой глубиной модуляции скорости (объемного расхода) на заданную предельную дисперсность эмульсии при минимальных затратах энергии.

Таким образом, исследование локальных характеристик течения обрабатываемой среды, играющих определяющую роль в интенсификации процесса и совершенствовании оборудования для эмульгирования [27], является актуальной задачей.

Степень разработанности проблемы- Исследованиям по данной тематике посвящено много работ отечественных и зарубежных ученых (Балабышко A.M., Барановский Н.В., Борисов A.A., Брагинский Л.Н., Владыкина Т.Ф., Гельфанд Б.Е., Горбатов A.B., Зимин А.И., Клейтон В., Козин Н.И., Колмогоров А.Н., Кардашев Г.А., Кутц Г., Левич В.Г., Натанзон М.С., Нигматулин Р.И., Новицкий Б.Г., Орешина М.Н., Паронян В.Х., Промтов М.А., Рогов И.А., Тырсин Ю.А., Фомин В.М., Червяков В.М., Шерман Ф., Юдаев В.Ф. и другие). Сложность и многообразие всего комплекса многофакторного воздействия на обрабатываемую среду в РАМП и недостаточность по этой

причине полноты представлений о механизмах дробления капель затрудняет его аналитическое описание и совершенствование процесса эмульгирования. До настоящего времени недостаточно исследованы критерии, характеризующие условия дробления капель в нестационарных переходных течениях обрабатываемой среды. Изложенное свидетельствует о необходимости дальнейшего исследования и развития теоретических основ и экспериментальных закономерностей процесса эмульгирования в РАМП.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являлись:

- разработка математической модели дробления дисперсной фазы в импульсном потоке дисперсной среды с учетом конкретных геометрических, кинематических, режимных параметров РАМП;

- теоретическое исследование математической модели, учитывающей условия дробления дисперсной фазы в зависимости от геометрических, кинематических и динамических параметров аппарата-эмульгатора с импульсным потоком обрабатываемой среды, а также физико-химических свойств компонентов эмульсии;

- разработка рекомендаций по применению предложенной конструкции РАМП и расчету режимов его работы для получения прямых эмульсий с учетом полученных результатов исследований.

Научная новизна заключается в том, что определены величины критериев условия дробления капли при ее относительном движении в дисперсионной среде, которые экспериментально подтверждены при импульсном течении дисперсной среды через модулятор РАМП.

Проведенные исследования позволили получить новые результаты:

- исследованы геометрические, гидравлические, кинематические, динамические и акустические характеристики разработанного РАМП;

- получена функциональная зависимость относительной максимальной интегральной плотности импульса давления от относительной величины зазора между рабочими коническими поверхностями ротора и статора;

- построена математическая модель, позволившая теоретически получить критерии и их значения, определяющие условия дробления капли при нестационарных периодических переходных гидромеханических процессах, которые реализуются в модуляторе роторных аппаратов;

- при теоретических и экспериментальных исследованиях предложен критерий гомохронности, характеризующий нестационарное движение капли в дисперсионной среде;

-выявлена роль скорости изменения ускорения капли относительно дисперсионной среды в процессе дробления и при определении значения критерия условия ее дробления.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью постановки задач; представленным объемом экспериментальных данных, полученных на экспериментальном стенде на базе роторного аппарата с модуляцией потока, применением современных методов исследования; прямых средств измерения; корректным применением статистических методов при обработке и анализе экспериментальных данных.

Теоретическая и практическая значимость разработок, полученных ли

Похожие работы

Технология продовольственных продуктов
05.18.00