Введение к работе
Актуальность темы.
В последние годы активно развивается применение в пищевых технологиях электрического тока непосредственно для обработки сырья и продуктов, а именно: электрогидравлический шок, электропорация (разрушение клеточных мембран) и нагрев за счет джо-улевой теплоты - прямой электронагрев (омический нагрев).
Такие способы воздействия на пищевое сырьё, в некоторых случаях, особенно когда энергоносителем выступает электроэнергия, могут заменить традиционный нагрев за счет теплопроводности, конвекции и излучения, поскольку генерирование теплоты здесь происходит в самом продукте, что позволяет существенно повысить энергоэффективность производственных процессов.
Преимущество прямого электронагрева в сравнении с традиционным нагревом: быстрый и однородный нагрев, более высокая степень стерилизации при более низких температурах обработки, более высокое качество продукции, возможность обработки продукта с высоким содержанием твердых составляющих, непрерывность производственного процесса и надежный контроль его параметров.
Расчёт малогабаритного аппарата, подбор материалов электродов для концентрирования пищевых жидкостей, расчет оптимальных режимов эксплуатации является актуальной задачей в силу отсутствия единой схемы расчетов подобных аппаратов, отсутствия на рынке малогабаритных аппаратов серийного отечественного производства для обработки пищевых продуктов.
Степень разработанности темы. Проблемой теории и практики выпарных аппаратов, основанных на греющих камерах электродного типа занимались такие известные ученые как Пищулин В.П., Косинцев В.П., Лотов В.А., Москвин Л.Н., Пьянков А.Г. и др. (СССР). На основании их исследований были созданы методические указания для учебного процесса по курсу «Процессы и аппараты химических производств», разработаны методики расчета аппаратов электродного типа, определены основные физико-химические характеристики процесса прямого электронагрева. Однако их исследования относились к области неорганической химии и соединений. В направлении использования прямого электронагрева для обработки пищевых жидкостей известны работы Гетчела Б.Е. как одни из самых ранних работ по адаптации греющих камер электродного типа для пищевой промышленности. Непосредственно на обработке и ультрапастеризации пищевых продуктов специализировались такие ученые как Шастри С.К., Смит П., Де Альвис и др., а так же научные коллективы системы университетов Миннесоты (США), машиностроительного факультета Пражского чешского технического университета (Чехия), агрокультурного центрального университета штата Луизиана (США). Их разработки легли в основу формирования задач исследований данной диссертации, выбора объектов исследования и разра-
ботки аппарата прямого электронагрева (приоритет №2013122747\05(033629) от 20.05.2013).
Цель работы. Целью настоящей работы является изучение основных закономерностей процесса концентрирования пищевых продуктов с использованием прямого электронагрева и разработка на этой основе методики расчета и создание аппарата прямого электронагрева.
Задачи исследований:
Классифицировать методы концентрирования соков с позиции эффективности на основании литературного обзора применяемых методов по экономическим и технологическим параметрам. Определить факторы, оказывающие влияние на интенсификацию методов.
Определить важнейшие факторы, оказывающие влияние на интенсификацию тепломассообменных процессов в разрабатываемом аппарате прямого электронагрева, включая электропроводность пищевых растворов, вольтамперные характеристики системы, удельную мощность греющей камеры электродного типа, ее конструктивное оформление.
Аналитически и экспериментально исследовать физико-химические процессы, возникающие при омическом нагреве жидкостей в аппаратах электродного типа, и их влияние на получаемый продукт.
Построить математическую модель процесса омического нагрева, на основе анализа, существующих математических описаний аналогичных процессов.
Разработать методику расчёта технологических и конструктивных параметров аппаратов омического нагрева соков.
Экспериментально исследовать влияние обработки пищевых жидкостей в разработанном омическом вакуум-выпарном аппарате экстракторе на их органолептические, физические и химические характеристики.
Научная новизна заключается в следующем:
Установлена зависимость электропроводности, как основного параметра процесса омического нагрева, от концентрации упариваемого сока и от температуры для яблочного, облепихового, черносмородинового, рябинового соков.
Получена зависимость электропроводности от общей кислотности соков.
Определена зависимость удельной подводимой мощности при прямом электронагреве от концентрации сухого вещества, не приводящая к увеличению объёма пены при кипении яблочного сока под атмосферным давлением, для заданной поверхности испарения.
Построена математическая модель процесса омического нагрева плодово-ягодных соков.
Разработана методика расчета аппаратов с рабочим объемом от 1 л до 100 л
электродного типа, непрерывного действия с плоскопараллельным расположением элек
тродов для концентрирования плодово-ягодных соков омическим нагревом.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
Экспериментально определена взаимосвязь электропроводности соков с их физическими характеристиками.
Получена эмпирическая зависимость удельной мощности греющей камеры от концентрации для яблочного сока, позволяющая контролировать пенообразование.
Предложено математическое описание процессов прямого электронагрева, учитывающее влияние конвекции на температурный профиль.
Практическая значимость состоит в том, что:
Изучена коррозионная стойкость нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т в среде плодово-ягодных соков на примере яблочного и даны рекомендации по ее применению в качестве электродов.
Доказано параллельное асептическое влияние электрического тока на обрабатываемый продукт в процессе нагрева, даны рекомендации по использованию асептического влияния в процессе производства.
Разработана схема расчета малогабаритного аппарата прямого электронагрева непрерывного/периодического действия для исследования процессов нагревания, выпаривания и асептической обработки пищевых растворов различного состава.
Для повышения эффективности и оптимизации размеров греющих камер электродного типа предложена оригинальная конструкция, содержащая перегородки, выполняющие функции гасителей воронки при перемешивании и электродов одновременно, на которую подана заявка на патент (приоритет №2013122747\05(033629) от 20.05.2013). Эта конструкция позволяет минимизировать пенообразование, а за счет наличия нескольких электродных пар увеличить интенсивность процесса.
На основании разработанной схемы расчета аппарат прямого электронагрева и оригинальной конструкции, описанной в заявке на патент, создан рабочий аппарат объемом 100 л и внедрен в производство на ООО НПО «Здоровое питание» (акт внедрения), где в ходе серии испытаний доказана его эффективность и адекватность теоретических положений работы, выносимых на защиту.
Личный вклад автора. Автору принадлежит основная роль в постановке задачи, планировании и проведении исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов. Основные исследования проведены автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, личных вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования.
Апробация работы. XIV Всероссийская научно-практическая конференция имени профессора Л.П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2013) и на расширенном заседании кафедры «Общей химической технологии», ИПР НИ ТПУ» (Томск, 2013).
Научные положения, выносимые на защиту:
Обобщенные экспериментальные результаты по исследованию интенсифицирующего воздействия прямого электрического нагрева на процессы концентрирования пищевых жидкостей в диапазоне изменения их электропроводности на примере плодово-ягодных соков яблока, черной смородины, облепихи и красной рябины.
Экспериментальные данные, физико-математическую модель и методику расчета омического вакуум-выпарного аппарата-концентратора.
Исследования и выбор конструкционных материалов корпуса аппарата, материалов электродов для сред в условиях наложенного переменного электрического тока частотой 50 Гц.
Аппаратурно-технологическое оформление процесса омического нагрева плодово-ягодных растворов в условиях малотоннажных производств.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, перечня использованной литературы из 82 наименований. Основной текст изложен на 104 страницах. Диссертация содержит 8 таблиц и 21 рисунок.
