Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ способов повышения эффективности процесса сушки биологических объектов 17
1.1. Анализ основных способов сушки биологических объектов 17
1.2. Использование электронно-ионной технологии в процессах промышленных производств 26
1.3. Цель и задачи исследования 29
Глава 2. Теоретические и экспериментальные основы и закономерности влияния электрического поля на параметры процессов сушки 31
2.1. Коронный разряд и его влияние на свойства биологических объектов и окружающей среды 31
2.2. Исследование свойств электрического (коронного) разряда в окружающей атмосфере 35
2.3. Разработка и исследование оптимальной конструкции контурного электрода - «антенна-излучатель» и промышленная разработка генератора импульсов высокого напряжения (ГИВН) 37
2.4. Анализ работы системы: «генератор - контурный электрод - «антенна-излучатель» - биологический объект и защита электроизмерительных приборов от электрических излучений 49
2.5. Индуцирование электрических импульсов биологическими объектами при фазовых переходах и оценка их влияния на точность измерений криоскопической температуры молока-сырья 58
2.6. Исследование аэродинамики электрического ветра
2.6.1. Разработка устройства для измерения давления и скорости нагнетательной струи электрического ветра 73
2.6.2. Зависимость давления и скорости электрического ветра от напряженности электрического поля 78
2.7. Заключение 84
Глава 3. Экспериментальное исследование процесса сушки сгущенного обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий . 85
3.1. Экспериментальная установка для исследования процесса сушки обезжиренного молока в фиксированном положении на подложке (тонком слое) и методика проведения исследований 85
3.2. Результаты исследований процесса сушки сгущенного обезжиренного молока 89
3.3. Экспериментальная установка для исследования процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха и методика проведения исследований 101
3.4. Результаты исследования процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока 103
3.5. Экспериментальное исследование процесса сушки сгущенного заменителя цельного молока в фиксированном положении на подложке (тонком слое) и методика проведения исследований 122
3.6. Результаты исследования процесса сушки сгущенного заменителя цельного молока 122
3.7. Экспериментальное исследование процесса сушки белковой оболочки типа «Белкозин» 129
3.8. Заключение 130
Глава 4. Физико-математическая модель процесса конвективной сушки с применением электрического поля 132
4.1. Физическая модель 132
4.2. Математическое моделирование процесса
4.2.1. Удаление влаги за счет энергии теплового поля 134
4.2.2. Удаление влаги за счет энергии электрического поля 1 4.3. Физико-математическая модель процесса переноса электрических зарядов в капле сгущенного обезжиренного молока при сушке с использованием слабых электроимпульсных воздействий. 144
4.4. Математическое моделирование процесса 146
4.5. Численные значения потенциала напряженности электрического поля и его изменение в пространстве 149
4.6. Заключение 152
Глава 5. Исследование физической модели процесса сушки обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий 153
5.1. Экспериментальное исследование выбранной физической модели внешнего и внутреннего переноса теплоты, влаги и электрических зарядов в обезжиренном молоке 156
5.1.1. Методика проведения экспериментальных исследований микроэлектроосмоса 159
5.1.2. Методика проведения экспериментальных исследований микроэлектролиза 165
5.2. Экспериментальное исследование электрических свойств обезжиренного молока 170
5.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований электрического сопротивления обезжиренного молока 171
5.2.2. Экспериментальное исследование трибоэлектричества сухого обезжиренного молока 178 5.2.3. Методика проведения экспериментальных исследований трибоэлектричества частиц сухого обезжиренного молока 179
5.4. Заключение 186
Глава 6. Реализация основных научных результатов в промышленных условиях и перспективы развития процесса сушки биологических объектов 187
6.1. Промышленное использование слабых электроимпульсных воздействий в процессе сушки обезжиренного молока 187
6.2. Модернизация оборудования двухстадийного тепломассообменного процесса при производстве сухого обезжиренного молока 195
6.3. Барабанная (вальцовая) сушилка с использованием электрических полей 221
6.4. Процесс сушки биологических объектов в потоке низкотемпературной плазмы 224
6.5. Заключение 229
Основные результаты и выводы 231
Библиографический список использованной литературы
- Использование электронно-ионной технологии в процессах промышленных производств
- Анализ работы системы: «генератор - контурный электрод - «антенна-излучатель» - биологический объект и защита электроизмерительных приборов от электрических излучений
- Экспериментальная установка для исследования процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха и методика проведения исследований 101
- Численные значения потенциала напряженности электрического поля и его изменение в пространстве
Введение к работе
. Актуальность работы.
Интенсификация технологических процессов на основе последних достижений науки и техники, по-прежнему, остается одной из самых актуальных проблем развития научно-технического прогресса агропромышленного комплекса. В полной мере это относится и к процессу сушки пищевых продуктов, при организации которого на современном этапе необходимо решать ряд комплексных задач, связанных помимо качества продукта с рядом технических и социально-экономических вопросов.
Быстрое обновление и качественное совершенствование материально-технической базы пищевой промышленности России за счет использования достижений научно-технического прогресса - важнейшее условие снижения себестоимости пищевой продукции, а также увеличения производительности труда, повышения рентабельности и фондоотдачи производства.
Интенсификация процесса сушки входит в широкий круг вопросов, которые необходимо решить, чтобы создать высокоэффективное промышленное сушильное оборудование. За основные критерии эффективного функционирования современного сушильного оборудования принимаются следующие параметры:
качество готового продукта;
скорость технологического процесса;
энергоэффективность процесса;
экологическая безопасность процесса.
В основе многих методов сушки лежат тепловые и электрические воздействия на пищевые продукты, оказывающие определяющее влияние на качество этих продуктов.
Отрицательным фактором сушки является ее высокая энергоемкость, что, в конечном счете, сказывается на стоимости продукта.
Основные теоретические и научно-методические положения процесса сушки пищевых продуктов базируются на фундаментальных работах П.А. Ребиндера, А.В. Лыкова, М.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, М.Ю. Лурье, Г.А.
Кука, Б.С. Сажина, К. Masters (Великобритания), J. Вита (Нидерланды), S. Taneva (Япония). Большой вклад в развитие техники и технологии сушки пищевых продуктов и тепло-массообменных процессов внесли Н.Н. Липатов, И.А.Рогов, В.Д. Харитонов, В.И. Ивашов, В.Д. Сурков, СП. Рудобашта, В.В. Илюхин, Ю.В. Космодемьянский и другие. Исследования различных энергетических воздействий на биологические объекты показали, что изучение электрических технологий необходимо продолжить в силу их перспективности для интенсификации процесса сушки. Особое внимание заслуживает электронно-ионная технология, а именно процесс воздействия электрического поля непосредственно на пищевой продукт. Анализируя результаты проведенных информационных изысканий, можно заключить:
комплексных работ по исследованию процесса сушки пищевых продуктов на основе применения электронно-ионной технологии недостаточно для обобщения их результатов и конструктивных выводов;
одним из перспективных направлений интенсификации процесса конвективной сушки является применение электрического ПОЛЯ.
Учитывая большую потребность в сухих продуктах и высокую энергоемкость способов сушки, вопросы интенсификации, поиск новых технико-технологических решений, приводящих к увеличению энергоэффективности процесса и проведение научных исследований в этих направлениях, являются весьма актуальными. Основным объектом исследования в качестве пищевого продукта является обезжиренное молоко.
Цель и задачи исследований.
Цель научной работы: разработка научных и практических основ интенсификации процесса сушки обезжиренного молока на основе применения слабых электроимпульсных воздействий и повышение эффективности работы технологического оборудования при их реализации.
В соответствии с целью научно-исследовательской работы были поставлены следующие задачи:
- экспериментально исследовать закономерности влияния слабых
электроимпульсных воздействий на основные параметры процесса
конвективной сушки обезжиренного молока;
на основе структуры частицы обезжиренного молока предложить физическую модель процесса конвективной сушки с воздействием электрического поля;
разработать математическую модель, учитывающую интегральное влияние электрического поля на интенсивность процесса сушки капли обезжиренного молока;
разработать математическую модель внутреннего и внешнего переноса электрических зарядов в капле обезжиренного молока, лежащего в основе протекания электрокинетических процессов;
исследовать электрокинетические процессы и научно обосновать их влияние на интенсивность процесса конвективной сушки;
исследовать электрические свойства обезжиренного молока, уделив особое внимание трибоэлектрическому явлению и адгезии;
разработать прибор - генератор импульсов высокого напряжения (ГИВН) и «антенну-излучатель» (ионизатор), предназначенных для промышленного процесса сушки обезжиренного молока;
разработать новые конструкторские решения элементов оборудования на основе установленных закономерностей влияния слабых электроимпульсных воздействий, влияющих на эффективность процесса конвективной сушки.
Научная новизна:
предложен и разработан новый способ интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока на основе применения электрического поля;
сформулирована научно обоснованная гипотеза механизма влияния электрического поля на интенсивность процесса конвективной сушки;
экспериментально получены зависимости основных параметров конвективной сушки обезжиренного молока от характеристик электрического поля;
проведен анализ теоретических и экспериментальных данных влияния электрического поля на интенсификацию процесса конвективной сушки обезжиренного молока;
выявлены характеристические особенности влияния слабых электроимпульсных воздействий на процесс удаления влаги из обезжиренного молока;
выполнена интегральная оценка влияния электрического поля на интенсивность конвективной сушки капли обезжиренного молока;
осуществлено математическое описание процесса внутреннего и внешнего переноса электрических зарядов в капле обезжиренного молока;
сформулированы и реализованы принципы конструктивной оптимизации технологического оборудования применительно к процессам сушки в электрическом поле;
проведено моделирование электрокинетических процессов (микроэлектроосмос и микроэлектролиз) для подтверждения сформулированной гипотезы;
изучены особенности явлений трибоэлектричества и адгезии и их влияние на эффективность процесса сушки;
- обнаружено явление индуцирования электрических импульсов
биологическими объектами при фазовом переходе 1-го рода.
Практическая значимость:
экспериментально и в промышленных условиях показана практическая возможность эффективного использования электрического ПОЛЯ для интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока;
определены рациональные режимы проведения конвективной сушки обезжиренного молока в электрическом поле;
предложен метод количественной оценки приращения скорости сушки за счет применения электрического поля;
предложены конструкторские решения повышения эффективности работы оборудования в электрическом поле;
предложен метод устранения негативного влияния трибоэлектричества на процесс конвективной сушки;
разработан способ минимизации влияния адгезии на эффективность работы сушильного оборудования в электрическом поле;
- внедрены в промышленное производство режимы сушки обезжиренного
молока в электрическом поле.
Основные положения, выносимые на защиту. Концептуальные положения:
способ интенсификации процесса конвективной сушки обезжиренного молока за счет применения электрического поля;
научно обоснованная гипотеза о механизме влияния электрического поля на интенсивность процесса конвективной сушки обезжиренного молока.
Теоретические положения:
аналитическое описание массообменного процесса, учитывающее интегральное влияние электрического поля на интенсивность процесса конвективной сушки;
математическая модель внутреннего и внешнего переноса электрических зарядов в капле обезжиренного молока;
физическая модель процесса конвективной сушки обезжиренного молока в электрическом поле.
Экспериментальные результаты:
зависимости основных параметров конвективной сушки обезжиренного молока от характеристик электрического поля;
рациональные режимы проведения конвективной сушки в электрическом поле;
экспериментальные результаты моделирования электрокинетических процессов (микроэлектроосмос, микроэлектролиз);
основные параметры явлений трибоэлектричества и адгезии;
характеристики процесса индуцирования электрических импульсов биологическими объектами при фазовом переходе 1-го рода. Конструкторско - технологические и внедренческие решения:
конструкторские элементы для повышения эффективности работы технологического оборудования;
устройства для устранения негативного влияния явлений трибоэлектричества и адгезии;
основные научно-исследовательские и конструкторские результаты, внедренные в промышленность.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на научно-техническом совещании «Научно-технический прогресс в молочной промышленности» в докладе «Техническое перевооружение и реконструкция предприятий, внедрение ресурсо- и энергосберегающей техники с применением прогрессивных технологий на основе электронно-ионного направления в молочной промышленности» (Сибирский филиал ВНИКМИ -Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт молочной промышленности, Омск, 1987), факультете повышения квалификации «Экономика и организация ускорения научно-технического прогресса в молочно-консервной промышленности агропромышленного комплекса» в докладе «Применение электронно-ионной технологии в молочной промышленности» (МТИММП - Московский технологический институт мясной и молочной промышленности, Москва, 1987), LXXIII научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в докладе «Интенсификация процесса и повышение производительности распылительной сушилки с использованием электронно-ионной технологии» (Ордена Ленина институт сельского хозяйства, Омск, 1991), научно-технической конференции «Интенсификация производства в молочной промышленности» в докладе «Повышение производительности сушилки "ЛУРГИ - КРАУЗЕ" (Германия) с использованием электронно-ионной технологии» (ВНИКМИ, Москва, 1991), заседании секции Ученого Совета «Технология и механизация молочно - консервного производства» в докладе «Производство сухого обезжиренного молока с использованием слабых электроимпульсных воздействий» (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, Москва, 2001), заседании Ученого Совета в докладе «Техника и технология процесса сушки биообъектов» (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, Москва, 2009), заседании Ученого Совета в докладе «Развитие научных основ электротехнологий в процессах сушки, аппаратурное оформление и практическая реализация» (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии, Москва, 2012).
Публикации.
По материалам докторской диссертации опубликовано и издано 65 научных трудов, в том числе: монография, две книги (учебные пособия), 20 статей в специализированных научных журналах рекомендованных ВАК, 15 статей и докладов в научных трудах институтов, материалах научных чтений, семинаров, заседаний кафедр, конференций и специализированных ученых советах, 17 научных работ в зарубежных изданиях США, Канады, Германии, Чехии, Польши, Болгарии, Украины на английском и немецком языках, 10 патентов и авторских свидетельств на изобретения, 14 работ в самостоятельном исполнении. Объем публикаций составляет 70 печатных листов.
Структура и объем работы.
Использование электронно-ионной технологии в процессах промышленных производств
Все перечисленные недостатки снижают эффективность акустического воздействия и не обеспечивают приемлемой скорости ультразвуковой сушки.
Для удаления влаги из толстослойных биологических веществ, когда нужно отрегулировать температурные характеристики и градиент влаги на поверхности и внутри вещества, применяют сушку с использованием токов высокой частоты (ТВЧ). Таким способом можно, в частности, сушить пластические массы и другие биологические материалы, обладающие диэлектрическими свойствами [129].
Под воздействием электрического поля сверхвысокой частотных параметров, положительные ионы и электроны в биологическом материале (содержащего структурно определенное количество электролита, например, градиента раствора солей) изменяют направление.
При данном процессе сушки выделяется энергия в виде тепла, которое способствует интенсификации этого процесса, то есть обезвоживанию.
Меняя параметры потенциала электрического поля, а именно его напряженность, то можно воздействовать на температурные поля внутри высушиваемого материала и тем самым проконтролировать скоростные режимы в процессе обезвоживания.
Если создать неконтролируемое поле высокой частоты, то возникают отрицательные аспекты, такие как, разрушение поверхностных свойств высушиваемого материала. Для того чтобы добиться наилучших показателей в процессе сушки токами высокой частоты, необходимо подобрать рациональные режимы, которые будут стабильно распределять движение влаги от центра материала к его поверхностному слою.
Кроме того, необходимо учитывать, что для данного процесса сушки необходимо значительный подвод энергетической составляющей в виде тепловой нагрузки и электрического поля. Для сравнения рациональные эксплуатационные расходы при конвективной (распылительной) и контактной сушке на порядок меньше. Немаловажным фактором является и экономическая основа, которая показывает, насколько рентабельно то или иное технологическое оборудование в конкретном случае. [129].
Например, в Кемеровском государственном технологическом институте пищевой промышленности, исследован процесс сушки с помощью тока высокой частоты, при котором подача энергии в виде тепла осуществляется с помощью поля электрического тока высокой (10-25 мГц) и сверхвысокой (2000 - 2500 мГц) частоты. Влажные материалы биологического объекта растительного происхождения являются диэлектриками. В их состав входят ионы электролитов, электроны, молекулы полярных и неполярных диэлектриков, обладающие дипольными моментами. В электромагнитном поле диполи располагаются осью вдоль поля» [107].
«Попадая в переменное электромагнитное поле, они совершают колебательные движения, стремясь следовать за полями. При сушке биологический материал помещается между обкладками конденсатора, к которым подается ток высокой или сверхвысокой частоты. Обкладки имеют противоположные заряды, поэтому ионы и электроны перемещаются внутри материала к той или иной поверхности. При смене заряда на обкладках они перемещаются в противоположные направления. Диполи в переменном электрическом поле будут колебаться то в одну, то в другую сторону, и возникает трение, в результате чего выделяется тепло. То есть, энергия электромагнитных волн, затрачиваемая на преодоление этих трений, будет превращаться в тепло. В электрическом поле высокой и сверхвысокой частоты нагрев частиц биологического объекта растительного происхождения происходит за доли секунды. Под действием переменного электрического поля высокой частоты происходит регулируемый нагрев материала. Из-за испарения влаги и массообмена с окружающей средой, поверхностные слои обезвоживаются и теряют тепло. Поэтому температура и влажность биологического материала внутри выше, чем снаружи. Возникают градиенты температуры и влагосодержания, за счет которых влага изнутри перемещается к поверхности высушиваемого материала» [107].
«В отличие от конвективной сушки, направление обоих градиентов совпадает, что интенсифицирует процесс сушки. При этом способе сушки испарение происходит по всему объему. Изменяя напряженность поля, можно регулировать температуру биологического материала при данном процессе сушки. Диэлектрическая проницаемость определяет способность перехода энергии электромагнитных волн в теплоту, способность биологического объекта растительного происхождения реагировать на внешнее электромагнитное поле и зависит от физико-химических свойств, температуры и влагосодержания биологического материала, а также от частоты и напряженности электрического поля [107].
Изменение диэлектрической проницаемости приводит к изменению режима работы сушильных установок. Диэлектрическая проницаемость сухих материалов значительно меньше, чем воды. Чем меньше значение диэлектрической проницаемости, тем на большую глубину биологического объекта проникают электромагнитные колебания тока сверхвысокой частоты». Преимущества этого способа, как утверждает автор, - «это возможность регулирования и поддержания температуры внутри биологического материала, а недостатки - высокие затраты электроэнергии, сложное технологическое оборудование и обслуживание. Кроме того, сушка токами высокой частоты дороже конвективной сушки в 3 - 4 раза. В настоящее время токи высокой частоты используются для интенсификации сублимационной сушки» [107].
Анализ работы системы: «генератор - контурный электрод - «антенна-излучатель» - биологический объект и защита электроизмерительных приборов от электрических излучений
Обычно процессом сушки управляют, изменяя температуру, влажность и скорость воздушного потока, обдувающего материал. При этом параметры сушки определяют исходя из известных законов термодинамики и теории тепломассообмена. Воздушный поток, как и любые тела при трении с поверхностью высушиваемого биологического объекта наэлектризовываются, накапливая электрические заряды. А поскольку вода - слабый электролит, то чем больше её в продукте, тем выше его электропроводность.
Высушиваемый наружный слой превращается в теплоизоляционный, препятствующий передаче тепла в глубину материала, а значит и испарению жидкости из более глубоких слоев. По мере высыхания наружный слой биологического объекта становится диэлектриком и при трении о воздушный поток заряжается. Заряды эти накапливаются, и может наступить момент, когда действие электрического тока станет достаточно высоким для возникновения электрокинетических процессов. Тогда влага под действием электрического поля поднимется по капиллярам, к внешней поверхности частицы биологического объекта, преодолевая значительные препятствия. Это явление лежит в основе интенсификации процесса сушки. Чтобы проверить эту гипотезу был разработан способ сушки биообъектов с использованием слабых электроимпульсных воздействий, ее аппаратурное оформление и система контроля [34, 73, 82].
Экспериментальный установка, схема которой представлена на рис. 21, состоит из пневмотрубы 2, выполненного в виде заземленного металлического полого цилиндра, закрепленной в штативе 7. В пневмотрубе 2 точно вдоль центральной оси установлен на изоляторах электрод-излучатель 5, подключенный к импульсному генератору 3. Турбина 1 для подачи воздуха соединена с пневмотрубой 2 с выходом воздушного потока на весы 8 с электронной шкалой, на платформе которых установлена подложка 9, изготовленной из нейтрального к статике материала, на поверхность которой наносится высушиваемый образец 10. Блок трансформации 4 взаимосвязан с генератором 3 и осциллографом 6 на базе процессора IBM. При работе экспериментальной установки использовались измерительные приборы, например: секундомер, термометр и анемометр.
Основным объектом исследования выбран биологический продукт -сгущенное обезжиренное молоко, а также для дополнительного контроля сгущенный заменитель цельного молока (табл.2) и белковая оболочка «Белкозин».
Сгущенный заменитель цельного молока 2 1201 22 42,5 Количество обезжиренного молока в каждом опыте дозировалось при помощи капельного дозатора (дозатор US PROFI 117 - 129, USA) (на схеме не показан), для того чтобы количество биологического объекта - сгущенное обезжиренное молоко 10 при каждом опыте не изменялось. На подложке 9, установленной на платформе весов 8, зафиксирована граница круга, в пределах которого, распределяется точное количество сгущенного обезжиренного молока 10 капельным дозатором (50 гр.). Диаметр круга равен 20 мм. Включали турбину (VB=2,5 м/с - const.) и на импульсном генераторе 3 фиксировали необходимые параметры: напряжение U = 600 В, сила тока I = 0,028 А, частота импульсов f Гц и скважность импульсов S. По ГОСТ 30494-96 замеряли температуру воздуха (+ 30 С) в помещении и сгущенного обезжиренного молока (+25 С). Фото представлено на рис. 22.
Фото общего вида экспериментальной установки Перед включением турбины 1, отмечали начальные параметры весов 8. После включения турбины и работы всей экспериментальной установки через каждые 60 секунд получали промежуточные результаты. Завершение каждого эксперимента определялось «сухим» остатком сгущенного обезжиренного молока. Этот «сухой» остаток по массе составлял 20,4 грамм. По полученным показателям построены графические кривые, которые наглядно показывают, как происходит интенсификация процесса сушки при применении различных параметров частоты и скважности. При расчете
Параметры процесса сушки сгущенного обезжиренного молока без использования слабых электроимпульсных воздействий представлены в табл. 3.
Основным моментом в этих исследованиях это применение электрического поля в виде использование слаботочных импульсных воздействий при помощи импульсного генератора.
На рис. 27 и 28 представлены графики зависимости скорости сушки сгущенного обезжиренного молока в фиксированном положении на подложке (тонком слое) от частоты импульсов и зависимости скорости сушки сгущенного обезжиренного молока в фиксированном положении на подложке (тонком слое) от скважности импульсов.
При сушке в фиксированном положении на подложке (тонком слое) процесс сушки сгущенного обезжиренного молока наибольшей интенсивности достигает при параметрах: напряжение U = 600 В; сила тока I = 0,028 А; частота импульсов f = 200 Гц; скважность импульсов S = 3. Скорость процесса сушки возросла в 1,82 раза.
Экспериментальная установка для исследования процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха и методика проведения исследований 101
На генераторе импульсов высокого напряжения устанавливали необходимую частоту импульсов, скважность импульсов при напряжении U = 600 В и силе тока I = 0,028 А. После включения установки с помощью капельного дозатора вносилась капля сгущенного обезжиренного молока в поток воздуха. Масса капли сгущенного обезжиренного молока была постоянна и равна 10 гр. (d = 10 мм) Через 15 с извлекали каплю из потока воздуха. Для этого брался плотный лист бумаги и помещался между каплей обезжиренного молока и аэродинамической пневмотрубой. Капля падала на лист бумаги и взвешивалась, при этом учитывался вес листа бумаги. Следующим этапом этого эксперимента являлось повторное помещение капли в поток воздуха на 30, 60, 75, 90, 105, 120, 135, 150, 165 и 180 с. При напряжении U = 600 В, (I = 0,028 А.) и скважности импульсов S = 3 поэтапно в каждом опыте изменяли частоту импульсов f. По ГОСТ 30494 - 96 замеряли температуру воздуха после калорифера (+ 50 С) и образца (+ 25 С). Для контроля производилась фотосъемка (рис. 30 - 36) в результате которой возможно использование другого способа измерения за счет изменения диаметра капли.
По формуле (4) определяли влагосодержание капли сгущенного обезжиренного молока согласно данным каждого опыта в процессе исследования. Gc - масса сухого остатка составляла 4,08 гр. Все результаты исследований представлены в табл. 12-15.
Параметры сушки Усредненные данные изменения влагосодержания (W) капли сгущенного обезжиренного молока от времени (t) при частотеимпульсов fi = 150 Гц Анализ полученных результатов показывает, что наибольшую интенсивность процесс сушки капли сгущенного обезжиренного молока достигает при следующих параметрах; напряжение U = 600 В, I = 0,028 А, скважность импульсов S = 3, частота импульсов f2 = 200 Гц, (время) t = 105 с. По ГОСТ 30494-96 замеряли температуру воздуха в лаборатории (+30 С) и образца (+25 С).
На данном этапе эти электроимпульсные характеристики являются рациональными, чтобы на молекулярном уровне активизировать процесс, который ускоряет обезвоживание капли сгущенного обезжиренного молока.
Анализируя полученные графики зависимости V = F(W) скорости сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха в зависимости от частоты импульсов, определили, что наибольшая скорость процесса сушки достигается при частоте импульсов f2 = 200 Гц и составляет, V2 = 1,38 с" (рациональный период сушки t = 105 с). Таким образом, при контрольной скорости V0 = 0,81 с" , скорость процесса сушки возросла в 1,7 раза (рис. 38).
Затем определяли наиболее рациональные параметры скважности импульсов на процесс сушки капли сгущенного обезжиренного молока при постоянном параметре - частота импульсов 200 Гц.
Изменение скорости сушки капли сгущенного обезжиренного молока в зависимости от влагосодержания при разной частоте импульсов: (а-Ь) - период возрастания скорости процесса сушки; (Ь-с) - период неизменной скорости процесса сушки; (c-d) - период падающей скорости процесса сушки
Параметры процесса сушки при скважности импульсов S2 = Параметры сушки Усредненные данные изменения влагосодержания (W) капли сгущенного обезжиренного молока от времени (t) при скважностиимпульсов S2 = 3
На рис. 41 и рис. 42 представлены соответственно графики зависимости времени сушки капли сгущенного обезжиренного молока от частоты импульсов и зависимости времени сушки капли сгущенного обезжиренного молока от скважности импульсов.
Анализ графиков показывает, что при сушке капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха процесс сушки наибольшей интенсивности достигает при следующих параметрах: напряжение (амплитуда) U = 600 В, сила тока I = 0,028 А, частота импульсов f = 200 Гц, скважность импульсов S = 3.
Скорость процесса сушки капли обезжиренного молока увеличилась в 2,38 раза. Температура образца 25 С - const., температура воздушного потока 50 С - const., скорость потока V = 5 м/с, замеряли по ГОСТ 8361 -79. В целом можно отметить, что в лабораторных условиях параметры максимальных значений скорости сушки сгущенного обезжиренного молока, как капли, так и в фиксированном положении на подложке (в тонком слое) совпадают; U = 600 В, I = 0,028 A, f= 200 Гц, S = 3.
Данные параметры рациональны, чтобы на молекулярном уровне активизировать процесс, который ускоряет обезвоживание образцов молока, поэтому они взяты за основу при исследовании процесса сушки в промышленных условиях с использованием слабых электроимпульсных воздействий с целью получения оптимальных результатов.
Изменение скорости сушки капли сгущенного обезжиренного молока в зависимости от влагосодержания при разной скважности импульсов: (а-Ь) - период возрастания скорости процесса сушки; (Ь-с) - период неизменной скорости процесса сушки; (c-d) - период падающей скорости процесса сушки
Анализируя графики, в которых отмечены точками (а - Ь) - период возрастания скорости процесса сушки, (Ь - с) - период неизменной скорости процесса сушки, (с - d) - период падающей скорости процесса сушки капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха, а также в фиксированном положении на подложке (тонком слое), можно выдвинуть гипотезу. «При использовании слабых электроимпульсных воздействий определенной частоты и скважности, при образовании оболочки в виде пористой, но в то же время плотной структуры, как на поверхности капли сгущенного обезжиренного молока в потоке воздуха, так и в фиксированном положении на подложке (тонком слое), наряду с тепловым влиянием действуют микроэлектрокинетические явления».
В периоде сушки (а - Ь) действует только тепловой эффект, при котором скорость процесса сушки резко возрастает. Во втором периоде сушки (Ь - с) скорость процесса становится постоянной и в данный период действуют, кроме теплового эффекта, микроэлектрофорез, при котором происходит перераспределение сухих веществ внутри высушиваемой капли, а также микроэлектролиз, при котором происходит образование воздушных микропузырьков, способствующих дискретному выбросу микрочастиц влаги из микрокапилляров во внешнюю среду. В третьем периоде сушки (с - d) скорость процесса сушки замедляется, то есть высушиваемый наружный слой капли сгущенного обезжиренного молока превращается в теплоизоляционный, препятствующий передаче тепла в глубину материала, а значит и испарению жидкости из более глубоких слоев. По мере высыхания, наружный слой капли становится диэлектриком и при трении о воздушный поток заряжается. Заряды эти накапливаются, и может наступить момент, когда действие электрического тока станет достаточно высоким для возникновения микроэлектроосмоса. Тогда влага под действием электрического потенциала будет подниматься по капиллярам, к внешней поверхности, преодолевая значительные препятствия, то есть микроэлектроосмос способствует переносу микрочастиц влаги по капиллярам высушиваемой капли из центра к ее поверхности.
Численные значения потенциала напряженности электрического поля и его изменение в пространстве
Последовательность испытаний заключалось в следующем: 1. Выбирали время для экспериментов в середине смены (установившийся режим работы всей линии оборудования), которая длится 8 - 10 ч (исключали подготовительно-заключительное время). Это необходимо, чтобы снизить до минимума возможные отклонения по влагосодержанию подаваемого на сушку воздуха, колебанию температуры в сушильной камере, колебанию массовой доли влаги в сгущенном обезжиренном молоке, подаваемом на сушку, колебанию в системе давления пара, подаваемого в калорифер для нагрева сушильного агента, нестабильную подачу энергоносителя в паровую турбину, обеспечивающую вращение распылительного диска.
В течение 180 мин (через 2 ч после начала работы оборудования) снимали показатели сушилок Лурги - Краузе без включения генератора импульсов представленные в таблице 43 (3-й, 5-й, 7-й ч работы сушилки). Данные представлены в табл. 43.
В табл. 45 и 46 приведены данные производственных выработок распылительных сушилок № 1 и № 2 «Лурги - Краузе» в течение длительного периода, (даны средние показатели выработки сухого обезжиренного молока в кг/ч в течение смены). На распылительной сушилке № 1 включение генератора импульсов высокого напряжения, отмечено символом " ". Каждая партия выработанного сухого обезжиренного молока исследовалась в производственной лаборатории на предмет соответствия ГОСТ и стандартам. Данные химического, бактериологического анализа сухого обезжиренного молока представлены в Приложении 14 [53].
Интенсификация процесса сушки обезжиренного молока, связана с необходимостью усовершенствование целого ряда оборудования, входящего в состав технологической линии.
Производство сухого обезжиренного молока осуществляют путем двухстадийного тепломассообменного процесса. Технологический процесс организован на вакуум-выпарных аппаратах и сушильных распылительных установках. Сгущение исходного продукта с начальной концентрацией сухих веществ 9 % по массе производится на вакуум-выпарных аппаратах до концентрации сухих веществ в сгущенном обезжиренном молоке - 45 %. Сушка осуществляется при параметрах обеспечивающих достижение массовой доли влаги равной 4 % [53, 225]. Известно, что энергетические затраты на один килограмм выпариваемой воды в процессе выпаривания меньше, чем в процессе сушки. Это является одной из главных причин применения выпаривания перед сушкой. Другой причиной является качество конечного порошкового продукта [59, 218, 240, 247, 248].
При использовании подобной схемы организации производственного процесса, интенсификация процесса сушки неизбежно приводит к необходимости адекватного повышения производительности вакуум-выпарной установки. В этой связи были проведены исследования по совершенствованию конструктивного исполнения ее некоторых элементов. Исследования проводились на промышленной технологической линии производства сухого молока консервного цеха на молочноконсервном предприятии «Ялуторовскмолоко» Тюменской области.
Качественные характеристики сухого обезжиренного молока зависят от концентрации сухих веществ и температуры при сгущении обезжиренного молока. При технологическом производстве в процессе выработки сухих молочных продуктов этот параметр является определяющим. Общей закономерностью является снижение растворимости сухого обезжиренного молока в зависимости от температуры сгущения, концентрации сгущенного молока и от продолжительности процесса сгущения [125]. С целью интенсификации процесса сгущения обезжиренного молока в вакуум-аппарате перед сушкой были проведены исследования по усовершенствованию оборудования, предшествующие этому процессу.
К такому оборудованию относится вертикальный цилиндрический резервуар, где происходит базовое накопление обезжиренного молока перед перекачкой его насосом в систему вакуум-аппарата. Известно, что на качество продукта влияет много параметров: температура сгущения, непрерывная продолжительность работы установки, качество мойки, пригар в теплообменных трубках калоризатора и т. д. [121, 171].
Кроме этого, одним из отрицательных факторов, влияющих на работу вакуум-аппарата, является нестабильная подача обезжиренного молока из резервуара. Нестабильность этого процесса характеризуется наличием пены, которая образуется за счет образования воздушных пузырьков в обезжиренном молоке. При наличии стандартного уплотнения в молочном насосе попадание воздуха в подаваемое обезжиренное молоко полностью исключается. Единственным фактором в данном случае является сам резервуар, где происходит образование "воронки" при нормальном уровне жидкого продукта.
Образующаяся пена отрицательно влияет на работу вакуум-аппарата и, как следствие, происходит пригар молока на внутренней поверхности трубок в калоризаторе первой ступени, снижение теплообмена между греющим агентом и продуктом, повышение температурных характеристик, повышенный расход теплового агента, снижение времени непрерывной работы установки и т.д. Для повышения эффективности работы технологического оборудования, в резервуаре (рис. 72) разработано устройство, которое позволяет устранить вышеназванные отрицательные факторы.
