Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее важных направлений приоритетного национального проекта «Развитие АПК» является разработка технологий нового поколения, в основу которых положено высокое качество получаемой продукции, экологическя безопасность, конкурентоспособность на мировом рынке и энергосбережение. Индустриальные технологии требуют выпуска принципиально нового высокопроизводительного и ресурсосберегающего оборудования, фундаментальной базой развития которого является глубокое теоретическое изучение процессов обработки сырья.
В основе большинства процессов обработки молочного сырья лежат законы гидродинамики. Гидродинамические исследования открывают перспективные направления совершенствования процессов, а также могут быть широко использованы при теоретическом изучении большого класса аналогичных систем.
Гомогенизация является одним из важнейших технологических процессов и применяется для увеличения дисперсности продуктов; при этом повышается их питательная ценность, стабильность, улучшается их качество (консистенция и вкус), сокращаются потери молочного жира с потребительской тарой при транспортировке и хранении, уменьшая его отстой, решая, тем самым, проблему наиболее полного использования всех составных частей молока. Таким образом, вопрос интенсификации процесса и развития техники гомогенизации является весьма актуальным.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса гомогенизации посвящены работы Барановского Н.В., Суркова В.Д., Вайткуса В.В., Мухина А.А., Кацнельсона М.У., Гисина И.Б., Кузьмина Ю.Н., Лапшина А. А Фофанова Ю.Ф., Грановского В.Я., Филатова Ю.И., Долинского А.А., Шурчковой Ю.А., Ткаченко А.Н. и других ученых. Тем не менее, гомогенизация относится к наиболее проблематичным процессам, с точки зрения их теоретического обоснования.
Снижение производства молока в России делает актуальной переработку сыворотки, неоценимого резерва в увеличении выпуска молочных продуктов, повышении их качества, а также биологической и питательной ценности. Как отмечал Н.Н. Липатов, с каждым годом растет внимание главенствующих стран к вопросам переработки сыворотки, в частности, производству молочного сахара, содержащего единственный углевод животного происхождения - лактозу, промышленное производство которой по традиционной технологии сводится к сгущению сыворотки, ее кристаллизации и центрифугальному отделению кристаллов молочного сахара с последующей их сушкой. Наиболее узким местом в производстве молочного сахара является процесс кристаллизации, обусловливающий продолжительность производственного цикла и процесс центрифугального отделения кристаллов молочного сахара, предопределяющий его качество. Вопросам теоретического и экспериментального исследования процесса кристаллизации и центрифугального разделения кристаллизата молочного
сахара посвящены работы Розанова А.А., Храмцова А.Г., Фиалкова А.Н., Евдокимова И.А., Чеботарёва А.И, Полянского К.К., Шестова А.Г., Гнездиловой А.И., Перелыгина В.М., Кравченко Э.Ф., Куленко В.Г. и др.
Фундаментальным и наиболее перспективным способом поиска новых и
совершенствования известных методов обработки сырья является
математическое моделирование процессов, в основе которого, как правило,
лежит классическая гидродинамика. Наиболее глубокое гидродинамическое
обоснование получил процесс тонкослойного сепарирования, который
рассматривался в работах Бремера Г.Н., Гольдина Е.М., Жукова В.Г., Кука
Г.А., Липатова Н.Н., Лукьянова Н.Я., Соколова В.И., Суркова В.Д., Семенова
Е.В., Карпычева В.И., Лысковцова И.В., Карамзина В.А., Крылова В.В.,
Торосяна Д.С., Борисова А.Т. и других. Подобный углубленный подход к
внутрижидкостным и межфазным взаимодействиям в процессе
гомогенизации, тонкослойного инерцеонно-адгезионного
центрифугирования и кристаллизации, разработка на базе него новой обобщающей теории и создание на ее основе новых и более совершенных и экономичных машин и аппаратов, повышающих качество продукции, является актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Развитие теории процессов переработки сырья в молочной промышленности на основе гидродинамического анализа внутрижидкостных и межфазных взаимодействий в эмульсиях и суспензиях и их практическая реализация в организации новых высокоэффективных процессов и создании высокопроизводительного и ресурсосберегающего оборудования.
В работе решались следующие задачи:
исследовать процессы гомогенизации эмульсий (молока) и центрифугирования суспензий (кристаллизата молочного сахара), рассматривая их с позиций классической гидродинамики, вводя соответствующую двумерную систему криволинейных координат;
- исследовать процессы взаимодействия фаз многофазных потоков, а,
именно, эмульсий (жировых шариков с плазмой молока в процессах их
конгломерации и гомогенизации) и суспензий (кристалла молочного сахара с
мелассой в процессе центрифугирования и кристаллизации);
обосновать необходимость более глубокого, чем позволяет классическая гидродинамика, подхода к процессам внутрижидкостных и межфазных взаимодействий в процессе гомогенизации и других высокоскоростных процессов;
объяснить причины появления парадоксов гомогенизации и разработать математическую модель внутрижидкостных взаимодействий, позволяющую преодолеть их в гидродинамике высокоскоростных потоков;
- создать математические модели однофазных высокоскоростных
потоков при движении в клапанном пространстве гомогенизатора и при
истечении из сопла;
разработать математическую модель процесса вихревой гомогенизатции на основе теории винтовых потоков;
разработать и обосновать новую гипотезу, дающую единое объяснение процессу гомогенизации в любом гомогенизирующем устройстве;
указать направления технического совершенствования аппаратурного оформления процессов на основе предложенных математических моделей на примере вихревого гомогенизатора, инерционно-адгезионной центрифуги и кристаллизатора с воздушным охлаждением.
Научная концепция заключается в решении проблемы разработки новых высокоэффективных процессов и аппаратов на основе глубоких теоретических исследований внутрижидкостных и межфазных взаимодействий.
Научная новизна работы:
проведен сравнительный гидродинамический анализ процессов молочной промышленности с позиций гипотез непрерывности и дискретности жидкостной фазы и получены математические модели однофазных и многофазных потоков;
предложены двумерные гидродинамические модели движения тонкослойного потока в клапанной щели клапанного гомогенизатора с учетом поперечного и продольного градиентов скорости;
- установлена зависимость продольного градиента скорости потока
гомогенизируемого продукта от угла входа в гомогенизирующую
щель;
- разработана гидродинамическая модель жидкостного потока на основе
гипотезы дискретности жидкой фазы, которая положена в основу
предложенных математических моделей жидкостных потоков в плоской
щели клапанного гомогенизатора и в процессе истечения из сопла, получены
гидро- и термодинамические параметры потоков: распределения скоростей,
давлений, плотностей и температур;
- разработана гидродинамическая модель вихревого гомогенизатора,
получены его основные гидродинамические параметры, проведен
термодинамический анализ процесса вихревой гомогенизации;
- предложена теоретически обоснованная гипотеза низкотемпературной
кавитационной гомогенизации, движущей силой которой является процесс
сублимации, с позиций которой рассмотрены процессы гомогенизации в
клапанных, вихревых, сопловых, ультразвуковых, роторных гомогенизаторах
и проведен их сравнительный анализ;
теоретически установлена целесообразность применения для гомогенизации устройств с наиболее протяженной зоной сверхнизких давлений;
- теоретически обоснован высказанный ранее тезис о единой природе
явлений эрозионного разрушения металла и гомогенизации;
- на основании теоретических исследований разработана новая
конструкция гомогенизирующей головки, основанная на новом принципе
действия - вихревой гомогенизации;
изучено влияние конструктивных параметров вихревого гомогенизатора на степень гомогенизации;
разработаны двумерные математические модели движения открытых тонкослойных жидкостных потоков на конической поверхности, разделительном пороге и отбортовке рабочей тарелки ротора инерционно-адгезионной центрифуги для разделения кристаллизата молочного сахара в биконической и параболической системах координат;
аналитически определена форма свободной поверхности жидкостной струи с учетом сил поверхностного натяжения и краевого угла смачиваемости поверхности и получены основные гидродинамические параметры однородного тонкослойного жидкостного потока;
разработана математическая модель движения и гидродинамического взаимодействия фаз крупнодисперсных суспензий в тонкослойном открытом потоке под действием массовых сил на примере моделирования процесса инерционно-адгезионного центрифугирования;
изучено влияние конструктивных параметров инерционно-адгезионной центрифуги на качество разделения кристаллизата молочного сахара;
- разработаны математические модели процессов укрупнения частиц
дисперсной фазы суспензий и эмульсий на примере кристаллизации
молочного сахара и конгломерации жировых частиц молока в гравитацион
ном поле;
- изучен процесс теплопередачи в кристаллизаторе с воздушным
охлаждением.
Практическая значимость работы. На основании разработанных в диссертации теоретических моделей жидкостных потоков:
разработан новый способ гомогенизации - низкотемпературная кавитация, обеспечивающий высокоэффективное дробление жировых шариков;
разработано новое перспективное энергосберегающее направление развития и совершенствования процесса и техники гомогенизации - вихревая гомогенизация;
предложена новая высокоэффективная конструкция
гомогенизирующего устройства - вихревая гомогенизирующая головка, и методика инженерного расчета данного типа устройств;
произведен инженерный расчет вихревой гомогенизирующей головки производительностью 5000 кг/ч, положенный в основу конструкторской документации при ее изготовлении и проведены производственные испытания сконструированного вихревого гомогенизатора производительностью 5000 кг/ч, которые показали высокую эффективность вихревой гомогенизации;
разработана методика и выполнен инженерный расчет, положенный в основу проектирования и разработки конструкторской документации на инерционно-адгезионную центрифугу производительностью 500 кг/ч по кристаллизату, опытный образец которой прошла межведомственные испытания.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях: I областной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г.
Вологда, 1980; VIII Всесоюзной научно-технической конференции, г. Каунас, 1980 г.; Всесоюзной научно-технической конференции, г. Ставрополь, 1981 г.; II Областной научно-технической конференции, г. Вологда, 1982 г.; Всесоюзной научно-технической конференции, г. Каунас, 1983 г.; VI Всесоюзной научно-технической конференции «Основные направления рационального использования обезжиренной молочной пахты и сыворотки» г. Ставрополь, 1983 г.; V Областной научно-технической конференции, г. Вологда, 1985 г.; Всесоюзной конференции «Разработка и совершенствование техники для производства, хранения, транспортировки продуктов питания», г. Москва, 1987 г.; III Всесоюзной научно-технической конференции, г. Москва, 1988 г.; 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современные достижения биотехнологии», Ставрополь, сентябрь, 2002 г.; научно-технической конференции «Эффективные технологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции», Вологда-Молочное, 2004 г.; 2-ом Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, ноябрь, 2003 г.; Липатовских чтениях, г. Москва, 2005 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Пути повышения эффективности молочных продуктов», Адлер, 2005 г.; Международном семинаре «Современные направления переработки сыворотки», г. Ставрополь, 2006 г.; Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию академии, «Наука - производству», г. Вологда, 2006 г.; VII Общероссийской научной конференции «Успехи современного естествознания», г. Сочи, сентябрь, 2006 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии объемом 24,5 издательских печатных листа, в 23 статьях и 19 тезисах, в т.ч. в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования 7. Получен 1 патент РФ и 2 положительных решения ФИПС.
Структура и объем работы. Структура диссертации состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 298 страницах машинописного текста. Список литературы включает 310 наименований.
