автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процессов перемешивания и напорного транспортирования молочных продуктов

/' / 1 л / / . у 5 , , -- / { V / ( ,

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

МАМЦЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

.УДК 637.13.02

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И НАПОРНОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: ^рроф., к.т.н. Калошин Ю.А.

Москва, 1998г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

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

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................8

1.1 .Гидромеханические процессы в производстве молочных продуктов........................................................ 8

1.1.1 .Механические перемешивающие устройства................... 9

1.1.2.Напорное транспортирование жидких пищевых продуктов..... 29

1.2.Структурно-механичекие свойства пищевых сред............... 36

1.3.Определяющие уравнения гидромеханических процессов

производства молочных продуктов............................38

1.4.Цели и задачи исследования..................................44

ГЛАВА 2. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И НАПОРНОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ.........................................47

2.1.Расчет рациональных параметров механических перемешивающих устройств..................................................47

2.2.Разработка насосного оборудования для транспортирования молочных продуктов..............................................55

2.3.Расчет гидравлических сопротивлений в трубопроводах при движении молочных продуктов..............■.......................77

2.4.Вывод ы...................................................81

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.................83

3.1.Определение реологических характеристик молочных продуктов. . 83 3.2.0пределение мощности при перемешивании молочных продуктов. 91 3.3.Определение производительности и мощности одновинтового роторного насоса................................................101

3.4.Определение гидравлических сопротивлений трубопроводов.....107

3.5.Вывод ы.................................................110

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВА-

НИЙ......................................................114

4.1 .Методика расчета мощности механических перемешивающих

устройств.................................................114

4.2.Методика расчета производительности и мощности насоса для перекачки молочных продуктов..................................116

4.3.Методика расчета трубопроводов при движении в них молочных продуктов.................................................117

4.4.Разработка нового технологического оборудования.............121

4.5.Вывод ы..................................................122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ......................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................... 125

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время одной из важнейших задач, стоящих перед молочной промышленности является повышение эффективности как технологических процессов, так и оборудования.

Для решения этих задач необходимо техническое перевооружение предприятий путем оснащения их новым и модернизированным оборудованием, что позволит увеличить объем выпускаемой продукции, повысить качество полуфабрикатов и готовой продукции, снизить металлоемкость оборудования и энергозатраты.

В общем комплексе производственных процессов при производстве молочных продуктов большое место занимают процессы перемешивания и напорного транспортирования сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Процесс перемешивания молочных продуктов сопровождается сложными физико-химическими, коллоидными и биохимическими процессами происходящими в рабочем объеме смесителя. Поэтому перемешивание можно рассматривать как способ интенсификации этих процессов, приводящих к получению полуфабриката с заранее заданными свойствами.

Несмотря на широкое применение разнообразных конструкций смесителей, разработка и создание этих машин осуществляется в основном на основании производственного опыта и интуиции, что связано с недостаточной изученностью такого сложного процесса как перемешивание молочных продуктов и отсутствием единого подхода к расчету смесительного оборудования.

Для перекачки молока и молочных продуктов применяют разнообразные насосы, которые имеют существенные недостатки: низкий срок службы, воздействие на продукт, приводящее к ухудшению качества. Поэтому дальнейшее изучение физических процессов, происходящих в рабочих объемах насоса, позволит разработать научно- обоснованные методы расчета

перспективных конструкций насосов, отличающихся высокими технико-экономическими показателями.

Для научно-обоснованного проектирования оборудования для перемешивания и напорного транспортирования молочных продуктов необходим комплексный учет геометрических, кинематических параметров оборудования совместно со знанием реологических свойств молочных продуктов.

Однако изучению реологических свойств молочных продуктов в литературе уделено недостаточно внимания, имеющиеся сведения о структурно-механических свойствах конкретных продуктов, таких как молоко, сливки, противоречивы. В тоже время без учета реологических свойств молочных продуктов невозможен выбор рациональных как технологических процессов, так и параметров технологического оборудования- смесителей, насосов, трубопроводов и т.д.

Поэтому изучение закономерностей изменения реологических свойств молочных продуктов, разработка и совершенствование смесительного оборудования и насосов для транспортирования сырья, полуфабрикатов и готовой продукции является актуальной народнохозяйственной задачей.

Цель работы: создание научно-практических основ разработки высокоэффективного технологического оборудования для перемешивания и напорного транспортирования молочных продуктов, обеспечивающих интенсификацию процессов и получение продуктов с заранее заданными свойствами.

Научная концепция работы - повышение эффективности технологического оборудования и интенсификация процессов могут быть достигнуты только на базе комплексного учета влияния геометрических, кинематических, динамических параметров оборудования и закономерностей изменения физико-механических свойств продуктов.

Научная новизна работы. На основании предложенных определяющих уравнений разработан единый подход к описанию процесса перемешивания жидких сред в смесителях различной конструкции, что позволяет разрабатывать и совершенствовать смесительное оборудование.

Разработана физическая картина и дано математическое описание процесса движения жидких сред в рабочих объемах одновинтового роторного насоса. Получены расчетные зависимости для определения рациональных параметров насоса, а также его производительности и мощности.

Определены физико-механические характеристики молока, сливок и их изменения в процессе переработки.

Определены местные гидравлические сопротивления в напорных трубопроводах при движении молочных продуктов, что позволяет научно-обоснованно проектировать трубопроводные системы перекачки продуктов.

Практическая ценность работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики инженерных расчетов: смесителей для перемешивания молочных продуктов; одновинтовых роторных насосов; трубопроводных систем; что позволяет определять рациональные геометрические, кинематические и динамические параметры технологического оборудования и трубопроводов.

Разработаны и изготовлены оригинальные установки для изучения процессов перемешивания и напорного транспортирования молочных продуктов.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны, изготовлены и внедрены новые конструкции смесителей, винтовые насосы, трубопроводная система для перекачки молочных продуктов.

Результаты выполненных исследований позволяют осуществлять расчет и проектирование высокоэффективного технологического оборудования для перемешивания и напорного транспортирования молочных продуктов.

Исходя из вышеизложенного, на защиту выносится разработка и совершенствование процессов перемешивания и напорного транспортирования молочных продуктов с целью создания научно- практических основ разработки высокоэффективного оборудования.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Гидромеханические процессы в производстве молочных продуктов.

Молоко коровье, поступающее на предприятия молочной промышленности, является важнейшим видом сырья, необходимым для производства разнообразного ассортимента молочных продуктов. Поэтому качество поступающего в производство молока должно соответствовать требованиям нормативного- технической документации. В табл. 1.1. представлены основные требования к качеству молока, поступающего для производства молочных продуктов [90].

Таблица 1.1.

Органолептические, физико-химические и микробиологические

показатели заготовляемого молока

Показатель сорт

первый второй

Вкус и запах Чистый без посторонних привкусов и запахов

Консистенция Однородная жидкость без осадков и хлопьев

Цвет от белого до слабо желтого

Кислотность, °Т 16-18 16-20

Степень чистоты по эталону не ниже группы I II

Бактериальная обсеменен-ность по редуктазной пробе, не ниже класса I II

Температура при приемке, °С, не выше 10 не учитывается

Поступающее сырое молоко проходит приемку, очистку и охлаждение. Очистка молока осуществляется путем фильтрования или центрифугированием. Охлаждение молока преследует цель сохранения его качества в течении 12-24 часов.

Таким образом, подготовленное сырое молоко поступает как сырье для производства широкого ассортимента молочных продуктов.

Несмотря на производство разнообразного ассортимента молочных продуктов, можно выделить общие типовые технологические процессы: сепарирование, нормализация, гомогенизация, пастеризация, стерилизация, охлаждение, розлив и т.д. Эти общие технологические процессы можно классифицировать на основе законов, определяющих скорость процессов. В большинстве случаев производство молочных продуктов можно рассматривать как гидромеханические, тепло- и массообменные и микробиологические процессы.

В данной работе основное внимание будет уделено гидромеханическим процессам: перемешиванию жидких сред, перемещению жидких сред насосами, гидравлическим сопротивлениям в трубопроводах.

1.1.1. Механические перемешивающие устройства.

Процесс перемешивания пищевых компонентов сопровождается сложными физико-химическими, коллоидными и биохимическими процессами, происходящими с ними в рабочем объеме смесителя. Поэтому перемешивание можно рассматривать и как способ интенсификации этих процессов, приводящих к получению полуфабриката с заранее заданными свойствами [3, 4, 19,24].

При перемешивании происходит перенос и перераспределение материальных частиц вещества, благодаря чему обеспечивается тесное соприкосновение и взаимодействие различных фаз и компонентов между

собой. Поэтому под перемешиванием вязких сред можно понимать такой процесс, который обеспечивает безградиентное состояние системы в целом.

Главное направление всех исследовательских работ по перемешиванию вязких сред ставит своей целью повышение эффективности перемешивающих устройств. При этом сравнение эффективности различных перемешивающих устройств производится по величине развиваемой мощности на единицу перемешиваемого объема при достижении в одинаковых перемешиваемых объемах идентичной технологической интенсивности процесса.

Под технологической интенсивностью процесса можно понимать достижение заданного определяющего показателя готовности полуфабриката к дальнейшей переработке.

За интенсивность перемешивания принимается расход энергии на единицу объемного расхода жидкости, отбрасываемой мешалкой в единицу времени.

С гидродинамической точки зрения процесс перемешивания сводится к динамическому взаимодействию вращающихся рабочих органов смесителя с вязкой средой, а также взаимодействию перемешиваемого продукта с внутренней поверхностью стенок и перегородок смесителя. Указанное взаимодействие зависит от структуры и характера потоков, возникающих в вязкой среде от вращения перемешивающих устройств. Для качественного анализа физической картины, возникающей при перемешивании, рассмотрим смеситель в виде вертикального цилиндрического сосуда, в центральной части которого вращается рабочий орган различной конфигурации, сообщая массе продукта вращательное движение [34,52].

Как известно из гидродинамики вращательное движение жидкости бывает статическое и динамическое. При этом статическое вращение характеризуется условием постоянства угловой скорости вращения со для всех точек вращающейся среды, т.е., со = const, а распределение скоростей выражается уравнением:

Vcx. = юг, (1.1)

где VCT- окружная скорость вращения, м/с; г - радиус вращения, м.

В результате статического вращения возникает вихревой столб, в котором все частицы жидкости находятся в относительном покое и трение между слоями отсутствует.

Однако по мере удаления от оси вращения и приближения к внутренним стенкам смесителя окружная скорость VCT. уменьшается и на стенках аппарата стремится к нулю, что противоречит уравнению (1.1). Следовательно, во всем объеме смесителя не может существовать только статическое вращение вязкой среды. В действительности наряду со статическим вращением возникает на периферии смесителя динамическое вращение жидкости, для которого характерно распределение скоростей, изменяющихся по закону:

Уд = С/г, (1.2)

где С - константа.

Уравнение (1.2) показывает, что с увеличением радиуса вращения г скорость Уд стремится к нулю, что соответствует физике процесса.

Следовательно возникающее в смесителе вращение вязкого продукта можно рассматривать как комбинированный вихрь, имеющий центральную область статического вращения (А), периферийную область динамического вращения (В) и пограничный подслой С (рис. 1.1). Данное плоское течение неограниченной среды называется комбинированным вихрем Ренкина [52, 70].

Как видно из эпюры распределения окружных скоростей вдоль радиуса смесителя, в зоне статического вращения имеет место линейное увеличение окружной скорости, в зоне динамического вращения - гиперболическое падение скорости, а в области пограничного подслоя уменьшение окружной скорости по параболическому закону.

При этом в области статического вращения угловая скорость частиц, жидкой среды равна угловой скорости вращения лопасти смесителя, а в области динамического вращения наблюдается отставание вязкого потока от

вращающейся лопасти. В зависимости от расположения лопасти по высоте смесителя в последнем образуются вихревые замкнутые циркуляционные контуры, которые способствуют перемешиванию продукта. Причем зоны циркуляции вторичных потоков располагаются над лопастью и под лопастью (рис. 1.2. а, б, в, г, д). Анализ циркуляционных контуров (рис. 1.2. а, б, в, г,д) показывает, что наиболее сложный характер циркуляции жидкой среды имеет место при работе рамных и якорных смесителей. В этом случае наряду с основным контуром циркуляции создаются вихреобразования за лопастями, двигающимися вдоль боковых стенок и днища сосуда, что усиливает эффект общей циркуляции, а следовательно перемешивания всего продукта. Поэтому применение якорных и рамных мешалок получило наибольшее распространение в аппаратах с обогреваемыми стенками, так как вихреобразования у стенок способствует значительному повышению коэффициента теплоотдачи от стенок аппарата к вязкой среде.

Таким образом, образование вторичных потоков приводит к тому, что в смесителе возникает продольно-винтовое движение частиц перемешиваемого продукта, что способствует интенсивному перемешиванию его.

При работе мешалок с наклонными лопастями происходит деформация структуры циркуляционных контуров. При наклоне лопастей в сторону нисходящего потока контур вторичной циркуляции смещается к оси мешалки, а нижний удаляется от лопастей мешалки.

Наличие нескольких мешалок, расположенных на одном валу приводит к появлению нескольких циркуляционных контуров.

Однако сказанное выше о характере распространения вихревого движения может быть отнесено только к маловязким системам, чтобы убедиться в этом необходимо рассмотреть динамику процесса распространения вихря в вязкой среде [84].

Как известно, дифференциальное уравнение, описывающее распространение вихря в вязкой среде имеет вид:

А ' г

Рис.1.1. Структура потока жидкости.

Лопасть

Открытая турбина

Пропеллер

г)

(5

О

7е

е>

О'

д)

Рис. 1.2. Схемы циркуляционных потоков.

дЧ> Уф

- + УГ- +-.- = (1.3)

дЬ дг г <Эф

где - Уг , УфСоетавляющие скорости по осям г , ср соответственно; компонента вектора вихря; v- коэффициент кинематической вязкости; Д-оператор Лапласа.

Для кругового вращательного движения еди�