Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние и перспективы развития промышленного получения функциональных продуктов на основе концентратов цикория и ячменного солода 16
1.1 Анализ используемого сырья как объекта исследования 16
1.1.1 Концентрат ячменного солода 16
1.1.2 Концентрат цикория 18
1.1.3 Пралиновые массы как дисперсные системы 19
1.2 Обзор современного состояния техники и технологий получения функциональных продуктов питания 23
1.2.1 Особенности производства растворимых полуфабрикатов 23
1.2.2 Особенности технологии производства конфет пралине 33
1.3 Анализ существующих подходов к математическому описанию получения порошкообразных полуфабрикатов и функциональных продуктов на их основе 35
1.3.1 Математические подходы к описанию процессов сушки распылением 35
1.3.2 Математическое описание процессов получения агломерированных полуфабрикатов 38
1.3.3 Анализ теоретических подходов к формованию пралиновых масс 43
1.4 Анализ литературного обзора, постановка цели и задач исследования 49
ГЛАВА 2 Исследование свойств используемого сырья как объекта получения функциональных продуктов .. 53
2.1 Исследование реологических свойств концентратов цикория и ячменного солода 53
2.2 Изучение физических и теплофизических характеристик концентратов цикория и ячменного солода 58
2.3 Исследования форм связи влаги концентратов цикория и ячменного солода 64
2.4 Исследование процессов плавления и кристаллизации жировых компонентов пралиновых масс 68
ГЛАВА 3 Математическое моделирование процессов агломерации, сушки и охлаждения пищевых сред 72
3.1 Математическая модель агломерации твёрдой дисперсной фазы в камере с жидкостно-капельным орошением распылительной сушилки 72
3.2 Математическая модель конвективной сушки полидисперсных жидкой и твёрдой фаз агломератов после камеры жидкостно-капельного орошения распылительной сушилки 79
3.3 Моделирование конвективного охлаждения конфетных жгутов на основе дифференциального уравнения теплопроводности Фурье ...
3.3.1 Постановка начально-краевой задачи конвективного охлаждения конфетных жгутов 88
3.3.2 Аналитическое решение первой начально-краевой одномерной задачи конвективного охлаждения конфетных жгутов 91
3.3.3 Численное решение первой начально-краевой одномерной задачи конвективного охлаждения конфетных жгутов 92
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования процессов получения агломерированного цикория, ячменного солода и конфет типа пралине 101
4.1 Исследование процессов агломерации порошков цикория и ячменного солода с последующей их сушкой 101
4.1.1 Экспериментальная установка для исследования процессов агломерации и сушки пищевых сред 101
4.1.2 Оптимизация процессов агломерации и сушки 103
4.1.3 Экспериментальное исследование гигроскопических характеристик сухих концентратов цикория и ячменного солода 110
4.1.4 Исследование структурно-механических свойств агломерированных дисперсных систем ячменного солода и цикория 116
4.2 Исследование процесса получения пралиновых масс 123
4.2.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов по получению пралиновых масс с применением агломерированного ячменного солода 123
4.2.2 Исследование реологических характеристик пралиновых масс 124
4.2.3 Изучение влияния дозировки агломерированного ячменного солода на структурообразование жгутов пралиновых масс 125
ГЛАВА 5 Практическая реализация научных, проектно технических и технологических решений 128
5.1 Техническое обеспечение получения сыпучих порошкообразных полуфабрикатов со сниженной объёмной массой 128
5.1.1 Разработка установки для сушки и агломерации пищевых сред 128
5.1.2 Эксергетический анализ установки для сушки и агломерации пищевых сред 132
5.1.3 Создание системы автоматического управления процессов агломерации и сушки 144
5.2 Разработка технологии производства конфет типа пралине с применением агломерированного ячменного солода 150
5.2.1 Оптимизация рецептуры конфет типа пралине 150
5.2.2 Расчёт пищевой и энергетической ценности предлагаемой рецептуры конфет типа пралине
Заключение 159
Список сокращений и условных обозначений 161
Список литературы
- Обзор современного состояния техники и технологий получения функциональных продуктов питания
- Изучение физических и теплофизических характеристик концентратов цикория и ячменного солода
- Моделирование конвективного охлаждения конфетных жгутов на основе дифференциального уравнения теплопроводности Фурье
- Исследование реологических характеристик пралиновых масс
Введение к работе
Актуальность работы. В Государственной программе развития АПК РФ на 2013 – 2020 годы одной из целей является повышение конкурентоспособности российской растениеводческой продукции на внутреннем и внешнем рынках. Для достижения этой цели необходима комплексная переработка отечественных сырьевых источников с максимальным сохранением исходной пищевой и биологической ценности и создание на их основе продуктов питания функционального назначения.
Кондитерские изделия обладают высокой сахаро- и жироёмко-стью, низкой степенью обогащения функциональными макро- и микро-нутриентами (витамины, микроэлементы, пищевые волокна, органические кислоты и др.). Для обогащения кондитерских изделий перспективно применять отечественные cырьевые источники: концентраты и порошки цикория, ячменного солода, фруктовых соков и пюре.
Данная работа направлена на совершенствование процессов сушки концентратов цикория (КЦ), ячменного солода (КЯС) и агломерации их порошков для формирования высоких технологических и потребительских свойств пищевых продуктов при сниженных энергозатратах и создание обогащенных кондитерских изделий.
Теоретические основы тепломассообмена в процессе распылительной сушки и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, Б.И. Леончика, А.А. Долинского, А.П. Фокина, В.И. Муштаева, Ю.В. Космодемьянского, Д.Г. Пажи, В.С. Галустова, Г.К. Иваницкого, Н.Н. Липатова, В.Д. Харитонова, Г.Б. Дворецкого.
Большой научный и практический вклад в развитие промышленного производства растворимых порошкообразных полуфабрикатов и создание рецептур функциональных продуктов питания, а также кондитерских изделий сбалансированного состава внесли: А.В. Зубченко, Г.А. Маршалкин, Л.М. Аксенова, В.А. Панфилов, З.Г. Скобельская, Г.Б. Цыганова, С.Я. Корячкина, Т.В. Савенкова, М.А. Талейсник, В.К. Кочетов, Ф.Г. Нахмедов, В.А. Ломачинский, Г.О. Магомедов, М.Г. Магомедов и др.
В настоящее время передовые технологии получения сухих концентратов предусматривают совмещение процессов сушки и агломерации, где требуется дополнительная паровлажностная обработ-
ка высокодисперсного порошка, полученного сушкой распылением в кипящем слое для окончательной агломерации с последующей подсушкой. Однако эти технологии сложны, трудноуправляемы, требуют значительных энергозатрат и не обеспечивают высоких технологических и потребительских свойств агломерированных порошков, поэтому актуальной задачей является совершенствование процесса, способа и оборудования для распылительной сушки концентратов цикория и ячменного солода с одновременным проведением процесса агломерации их порошков.
Диссертационная работа выполнялась в ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» на кафедре «Технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабатывающего производств» в соответствии с тематикой НИР кафедры «Разработка энерго-, ресурсосберегающих и экологически чистых технологий переработки сельскохозяйственного сырья в конкурентоспособные хлебобулочные, кондитерские, макаронные, зерновые и крупяные продукты на основе медико-биологических воззрений» (№ госрегистрации 01201253868).
Цель диссертационной работы: научное обеспечение развития процессов распылительной сушки концентратов цикория и ячменного солода, агломерации их порошков и создание функциональных продуктов на их основе.
Для достижения цели необходимо было решить нижеперечисленные задачи.
-
Разработать научно-практический подход к получению агломерированных порошков цикория и ячменного солода повышенной сыпучести и сниженной объёмной массы.
-
Исследовать физико-химические, реологические, тепло-физические свойства концентратов цикория и ячменного солода, а также изучить процессы плавления и кристаллизации жира лау-ринового КС-35 и кокосового масла методом дифференциально-сканирующей калориметрии.
-
Разработать математическую модель агломерации твёрдой дисперсной фазы с использованием жидкостно-капельного орошения.
-
Создать математическую модель конвективной сушки полидисперсных жидкой и твёрдой фаз агломератов, получаемых после камеры жидкостно-капельного орошения распылительной сушилки.
-
Определить рациональные параметры распылительной сушки
концентратов цикория, ячменного солода и агломерации их порошков.
-
Изучить и систематизировать физико-химические, физико-механические, гигроскопические свойства порошкообразных и агломерированных продуктов и сформировать научно обоснованные условия их хранения и применения в производстве пищевых продуктов.
-
Разработать конструкцию распылительной сушильной установки и системы автоматического управления процессами сушки и агломерации порошков цикория и ячменного солода.
-
Разработать научно обоснованную технологию и рецептуру конфет типа пралине с применением агломерированного ячменного солода с повышенной пищевой ценностью и пониженной сахаро-ёмкостью.
-
Изучить влияние рецептурных компонентов и технологических параметров на структурообразование жгутов конфет типа пралине в процессе охлаждения.
10. Провести промышленную апробацию, эксергетический
анализ техники и технологий получения агломерированных по
рошков цикория, ячменного солода и конфет типа пралине.
Научная новизна. Изучены кинетические закономерности процессов сушки и агломерации концентратов цикория и ячменного солода, определены формы связи влаги с материалами.
Разработана математическая модель процесса агломерации, позволяющая подбирать рациональные концентрации твёрдых и жидких частиц в камере распылительной сушилки, рассчитывать необходимый путь и длительность совместного взаимодействия твёрдых частиц и жидких капель и оценивать количество образующихся агломератов.
Создана математическая модель конвективной сушки полидисперсных жидкой и твёрдой фаз агломератов после камеры жидкостно-капельного орошения, которая сопряжена с процессами образования агломератов и позволяет описать локальные характеристики гетерогенных потоков: температуру, расход и т. д.
Установлены зависимости изменения равновесных влажностей полученных порошков и агломератов цикория и ячменного солода от относительной влажности среды, позволяющие определить условия хранения и эффективной агломерации.
Практическая значимость работы. Практическая значимость исследований заключается в комплексной оценке тепло-массообменных процессов, происходящих при агломерации и сушке исследуемых пищевых концентратов.
Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, полученные результаты математического моделирования и анализ работы распылительных сушильных установок с одновременной агломерацией позволили разработать методологический подход к созданию высокоэффективной технологии распылительной сушки, совмещенной с процессом агломерации в одной камере, и соответствующее аппаратурное оформление (пат. РФ № 2570536, пат. РК № 30569).
Разработана технология получения конфет типа пралине. Установлено увеличение пищевой, биологической ценности разработанных конфет типа пралине «Солодушка».
Для математического описания необходимой продолжительности охлаждения жгутов пралиновых масс применено уравнение теплопроводности с граничным условием первого рода, позволяющее рассчитывать температурные профили в сечениях жгутов пралиновых масс.
Выполнен экономический расчёт, свидетельствующий об эффективности предлагаемой технологии.
Разработана программа для ЭВМ «Программа для моделирования эволюции температурных полей в конфетном жгуте при его охлаждении» (свидетельство РОСПАТЕНТА о гос. регистрации № 2016616835).
Выполнен эксергетический анализ совмещённых процессов сушки и агломерации исследуемых концентратов, свидетельствующий о повышении термодинамического КПД предлагаемого способа производства агломерированных порошков и позволяющий выявить направления его совершенствования.
Сформулированные теоретические положения и практические выводы могут быть использованы при организации научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на пищевых предприятиях, отраслевых НИИ и в учебном процессе.
Техническая новизна предложенных решений отражена в патентах на изобретения, полученных в РФ и Республике Казахстан. Востребованность в интеллектуальной собственности выражается в виде приобретения неисключительной лицензии на
право использования интеллектуальной собственности по патенту на изобретение РФ № 2570536 ООО «РИТМ».
Апробация работы. Материалы и результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Тамбов, 2014), (Воронеж, 2014, 2015, 2016), (Италия, 2014); отчетных научных конференциях ВГУИТ за 2013-2016 гг.
По результатам работы получены награды: почётная грамота за 1-е место в конкурсе 3D – моделирования в номинации «Аспиранты» Международного молодёжного симпозиума «Современные проблемы математики. Методы, модели, приложения»; диплом победителя программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») за научные результаты, обладающие существенной новизной и перспективой их эффективной коммерциализации; диплом за активное участие в работе XII Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации», г. Курск, 2015; бронзовая медаль за разработку «Установки для сушки и агломерации пищевых сред» XIX Московского Международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2016»; диплом лауреата премии правительства Воронежской области среди молодых учёных за научно-исследовательскую разработку «Установка для сушки и агломерации пищевых сред».
Проведена промышленная апробация производства порошка ячменного солода на ОАО «Молоко» г. Валуйки, а также производства конфет типа пралине с применением агломерированного ячменного солода на ОАО «Кондитерский комбинат «Кубань».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на изобретение РФ, 1 патент на изобретение РК и 1 свидетельство Роспатента о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков и 28 таблиц. Список литературы включает 150 наименований. Приложения к диссертации представлены на 58 страницах.
Обзор современного состояния техники и технологий получения функциональных продуктов питания
Одним из перспективных видов сельскохозяйственного сырья для приготовления функциональных напитков является корневой цикорий [124].
Концентрат цикория (КЦ) – полуфабрикат, получаемый из жареного корневого цикория путём экстракции сухих веществ обжаренного цикория с последующей фильтрацией и сгущением под вакуумом. Он имеет вязкую густую консистенцию с приятным кисловато-горьким вкусом. Содержание сухих веществ в этом полуфабрикате составляет 70 % [109, 122]. Определение макро- и микроэлементов на сверхчувствительном атомно-абсорбционном спектрофотометре «Перкин-Элмер» модели 303 показало, что в 100 г сухого вещества чистого растворимого цикория содержится, мг: калия – 1667,4; натрия – 157,2; кальция – 91,5; магния – 6,3; железа – 3,0; меди – 0,2; марганца – 0,42; цинка – 0,65. По содержанию незаменимых аминокислот (треонин, валин, метионин, изолейцин, фенилаланин и лизин) цикорные напитки можно отнести к продуктам средней биологической ценности. С каждой чашкой напитка (5 г сухого или 10 г концентрированного цикория в 175 – 200 мл воды) человек может получить 500 – 700 мг аминокислот, в том числе 110 – 180 мг незаменимых [47].
На сегодняшний день на рынке присутствует цикорий в виде высушенного порошка, молотого жареного порошка, жидкого концентрата, растворимого порошка, полученного распылительной или сублимационной сушкой концентрата [77, 127].
Современные отечественные технологии и оборудование не позволяют получать растворимый цикорий высокого качества (агломерированный). Полученный с их помощью высокодисперсный порошок образует при фасовке пыль в помещениях, быстро слёживается. Таким образом, существует необходимость разработки нового сушильного оборудования, позволяющего сочетать процессы распылительной сушки и агломерации с целью устранения указанных недостатков продукции.
Конфеты пралине и типа пралине изготовляют из ореховой массы, состоящей из смеси тонкоизмельчённых орехов, сахарной пудры и твёрдого жира [3]. Они обладают высокой пищевой ценность и калорийность, а по химическому составу и некоторым физико-химическим свойствам имеют некоторое сходство с шоколадом. Содержание в них жира около 30 %, 50 – 60 % углеводов, а также значительное количество растительных белков, при этом содержание влаги не превышает 4 %. Для улучшения питательных и вкусовых свойств пралиновых конфет в их рецептуры включают сухие молочные продукты, какао-продукты, фруктовые заготовки, а также пряности и ароматические вещества. Многие виды пралиновых конфет глазируют шоколадом.
Пищевые достоинства пралиновых конфет существенно зависят от номенклатуры исходного сырья. Высококачественные виды пралиновых конфет изготавливают из сладкого миндаля и какао-масла. Обычные виды конфет вырабатывают из ядер кешью и кокосового масла или заменителей какао-масла. Для производства массовых видов пралиновых конфет (неглазированных батончиков) используют в основном ядра фундука или арахиса и кондитерский жир. Рецептуры значительной части ассортимента пралиновых конфет предусматривают применение в различных пропорциях большинства перечисленных видов сырья.
Особенности производства и потребления готовой продукции
В настоящее время для производства пралиновых конфет применяют поточные линии, обеспечивающие комплексную механизацию основных и вспомогательных технологических процессов в соответствии с современным техническим уровнем. Однако это не исключает необходимость дальнейшего совершенствования линий в части повышения точности дозирования рецептурных компонентов и улучшения подготовки рецептурных масс к формованию.
По способу производства, технологическим процессам и возможности использовать аналогичное оборудование производство пралиновых конфет имеет много общего с производством шоколада. Наряду с этим производство пралиновых конфет имеет существенные особенности технологических параметров и режимов работы оборудования, обусловленных сложным взаимодействием жиров, входящих в состав тёртых ореховых масс, и твердых жиров, предусмотренных рецептурой. Эти жиры являются основными структурообразователями полуфабрикатов и изделий. От температуры плавления и застывания жиров, условий их кристаллизации зависят структурно-механические свойства конфетных масс при вымешивании, формовании и транспортировании, они определяют режимы и продолжительность охлаждения отформованных заготовок, допустимые нагрузки при транспортировании и завёртке изделий, условия и сроки хранения готовой продукции.
Ореховые массы при комнатной температуре имеют твёрдую или полутвёрдую консистенцию благодаря кристаллизации твёрдых жиров, добавляемых по рецептуре (например, какао-масло, кондитерский жир и др.), но так как ореховые ядра содержат жидкие жиры, то конфетные ореховые массы имеют менее твёрдую консистенцию, чем шоколадные.
Увеличение содержания какао-масла в пралиновой массе приводит к повышению её прочности. Кокосовое и сливочное масло в смеси с какао-маслом понижают прочность, а увеличение содержания жидкого масла орехов приводит к значительному снижению прочностных характеристик пралиновой массы и изделий из неё.
В зависимости от применяемого твёрдого жира конфетная масса пралине в температурном интервале от 21 до 33 С имеет пластичную тестообразную консистенцию, обладающую формоудерживающей способностью. Поэтому пралиновые массы обычно формуют методом выпрессовывания конфетных жгутов с последующей их поперечной резкой [72].
Существенной особенностью условий хранения и потребления пралиновых конфет является склонность конфетных масел к прогорканию, что неблагоприятно сказывается на вкусе изделий. Прогоркание может быть вызвано окислительными процессами, которые протекают при контакте жиров с кислородом воздуха. Некоторые факторы могут ускорить процесс окисления, например, повышенная температура и ультрафиолетовые лучи.
Правильной организацией хранения пралиновых конфет можно замедлить окисление жиров, а следовательно, и прогоркание. В качестве мер борьбы с окислительными процессами масел в конфетах могут быть рекомендованы: хранение на складах при пониженной температуре, без доступа света, воздуха, а также применение окрашенных непрозрачных упаковочных материалов и тары. Также можно предотвратить или замедлить окисление жирового компонента путём добавления в массу пралине антиокислителей, например, жирорастворимого витамина Е или наполнителя, содержащего большое количество антиоксидантов.
Изучение физических и теплофизических характеристик концентратов цикория и ячменного солода
Рассмотрим процесс диспергирования экстракта КЯС и КЦ пневматической форсункой внутри корпуса цилиндрической сушильной камеры установки для распылительной сушки. Пневматическая форсунка, представленная на рисунке 2.4, имеет цилиндрический канал, после прохождения продуктом которого, под воздействием сжатого воздуха (давлением 3 – 8 а т м осфер) диспергируется в камеру распылительной сушилки. Средняя рекомендуемая скорость движения продукта в канале форсунки R составляет 0,5 – 1,0 м/с [26].
Рисунок 2.4 – Пневматическая форсунка Одним из основных направлений интенсификации процесса распылительной сушки, является повышение дисперсности частиц распыла раствора, поэтому, необходимо стремиться максимально снизить поверхностное натяжение и вязкость раствора перед распылением. Анализ кривых течений (рисунок 2.2, 2.3) показывает, что для КЦ и КЯС вязкость будет минимальной при максимальной температуре 70 C, минимальном содержании СВ=30 % и максимальном градиенте скорости 28 с-1. Известно, что наибольшая экономическая эффективность распылительной сушки достигается при концентрации растворов 40 – 50 % сухих веществ. Поэтому нами были выбраны режимы распыления СВ=40 %, =75 C, – не менее 20 c-1. Для обеспечения течения раствора в канале пневматической форсунки с градиентом скорости 20 c-1 и выше с учётом производительности экспериментальной распылительной сушильной установки необходимо рассчитать диаметр капилляра канала форсунки. Для обеспечения заданной производительности распылительной сушильной установки, величина расхода продукта, перекачиваемого перистальтическим насосом 2V=( 1,3 -8,3) 10-7 м3/с, следовательно площадь сечения канала форсунки, м2: следовательно, диаметр канала, м:
Процесс диспергирования продукта целесообразно осуществлять в области его разрушенной структуры (участок ньютоновского течения), в нашем случае он наблюдается при градиентах скоростей сдвига у выше 20 с"1 (рисунки 2.2 в, г и 2.3 в, г), при таких градиентах скоростей сдвига эффективные вязкости разрушенных структур КЦ и КЯС практически не изменяются.
Полученные результаты могут быть заложены в основу разработки технологических решений, позволяющих реализовать процессы обезвоживания жидких пищевых сред с помощью сушки распылением.
Создание математической модели процессов сушки КЯС и КЦ и последующей агломерации их порошков невозможно без исследования некоторых физических и теплофизических характеристик: плотности р, кг/м3, коэффициента температуропроводности а, м2/с, коэффициента теплопроводности Я, Вт/(мК), удельной теплоёмкости ср, Дж/(кгК). Изучению теплофизических свойств жидких продуктов, подвергаемых сушке, посвящены многие работы [27, 76, 96, 118].
Коэффициенты температуропроводности и удельной теплоемкости исследовались методом «вспышки», на установке LFA 467 HyperFlash (рисунок 2.5), а удельная теплоёмкость методом дифференциально-сканирующей калориметрии на приборе синхронного термического анализа DSC 204 F1.
Зависимости температуропроводности и удельной теплоёмкости от температуры имеют практически линейный характер, с увеличением температуры удельные теплоёмкости растут, а коэффициенты температуропроводности снижаются, коэффициенты теплопроводности же растут, но имеют ярко выраженную точку перегиба при температуре 365 К, после которой начинается резкое падение.
На графике, отражающем зависимость коэффициентов теплопроводности от температуры таблетированных порошков ячменного солода (ПЯС) и порошка цикория (ПЦ), прослеживается фазовый переход второго рода – стеклование (рисунок 2.9), который позволяет судить о термопластических свойствах исследуемых порошков. Полученные результаты не противоречат исследованиям в области дегидратации экстрактов и концентратов [131]. Подробные характеристики процесса стеклования представлены в таблице 2.3.
По мере повышения температуры таблетированных порошкообразных образцов ПЯС и ПЦ от 35 до 100 С, происходят структурные изменения. При 40 – 50 С начинается усадка таблетированного образца, при 90 – 100 С начинается пластификация полуфабрикатов. При увеличении СВ от 95 до 97 % температура пластификации повышается с 88 до 97 С (рисунок 2.10).
В результате исследований установлено, что на теплофизические характеристики в большей степени влияет влажность продуктов, нежели чем температура [40]. Сопоставление результатов исследований и расчетных данных по теплофизическим характеристикам исследуемых материалов, получаемые с использованием установленных зависимостей при определенных фиксированных значениях влагосодержания и/или температуры, с допустимыми отклонениями (до 12 %) соответствуют данным литературных источников, обобщённых в работе [131]. Полученные зависимости могут быть использованы для моделирования тепломассообменных процессов с целью их оптимизации, а также в инженерной практике при проектировании производственных аппаратов в технологиях переработки КЯС и КЦ.
Моделирование конвективного охлаждения конфетных жгутов на основе дифференциального уравнения теплопроводности Фурье
Для анализа предложенной схемы рассмотрим циклонную камеру для агломерации твёрдых частиц, поступающих с тангенциальным вводом газовой несущей среды и с орошением закрученного потока дисперсной жидкостью распыливающей форсункой (рисунок 3.2). Картина агломерации в этом случае такова: твёрдые частицы сталкиваются с каплями жидкости, смачиваясь при этом; твёрдые частицы с плёнкой жидкости на поверхности, в силу турбулентных пульсаций дисперсионной среды при соприкосновении, удерживаются капиллярными силами и силами поверхностного натяжения жидкости. Многократное повторение такого процесса приводит к укрупнению частиц и к получению их агломератов.
Для теоретического описания данной физической картины использование фундаментальных уравнений переноса импульса (уравнение Навье-Стокса) и массы (уравнение конвективной диффузии) затруднительно по причине неясности в постановке условий на границе раздела фаз и стохастического характера столкновения твёрдых и жидких частиц в флуктурирующем турбулентном потоке несущей газовой среды [17, 28, 43,121].
Поэтому, для построения модели совокупных процессов в циклонной камере применим принцип аналогичный с химическими превращениями в рамках кинетических превращений. Будем обозначать твёрдые частицы, поступающие в циклонную камеру, через субстанцию А, а распыливаемые форсункой капли раствора через субстанцию В. Соединение субстанций А и В приводит к образованию новой субстанции S (твёрдые частицы с плёнкой на поверхности): fci А + В - S, (3.1) причём кинетика этого процесса определяется кинетическим коэффициентом ki. Превращение по соотношению (3.1) описывается системой уравнений гетерогенной химической реакцией со стохастическим единичным эквивалентом, т. е.: dCA(tr) , _ , ч _ ґл = — kACA{t)CR(t ); (3.2) dCB(t ) dt dCs{ti) dV = —k1CA(t)CB(t ); (3.3) = k1CA(t)CB(t ); (3.4) где t - текущее время; CA(t), CB(t), Cs(t) - константы субстанций соответственно А,В и S. Процесс образования агломератов, которые обозначим через субстанцию С, протекает по схеме соединения: S + А - С, (3.5) где к2 - кинетический коэффициент, характеризующий скорость протекания этого процесса. В соответствии с (3.5) запишем:
Свяжем полученную систему кинетических уравнений (3.9) - (3.12) с гидродинамикой в циклонной камере исходя из того, что вращающийся поток можно представить как поток идеального вытеснения, т.е. использовать соотношение u = z І , где z - координата в направлении закрученного потока, и - скорость потока; тогда система (3.9) - (3.12) запишется в виде задачи Коши: где Z = z kt CA/u; XA(Z) = CA(z)/CA; XB(Z) = CB(z)/CA; XS(Z) = Cs(z)/CA; XC{Z) = Cc(z)/CA; f = CB/CA; К = / Система (3.19) - (3.24) относится к классу нелинейных и может быть проинтегрирована только численно, например, простейшим явным методом Эйлера по конечностно-разностной схеме:
Расчёты показывают, что при равенстве кинетических коэффициентов процессов образования плёнки на частицах и агломерации наибольший выход агломерированных частиц наблюдается в случае одинаковых величин концентраций твёрдых частиц в газовзвеси и капель на выходе из орошающей форсунки (рисунок 3.2). Причём количество агломератов достигало =15 %, при значительном количестве мелких частиц = 45 %, но не с эффективным использованием капель раствора. Следует заметить, что затравочные частицы практически отработаны.
Если превалирует процесс агломерации над процессом создания плёнки на твёрдых частицах в циклонной камере (рисунок 3.3), то по-прежнему равенство концентраций твёрдых частиц и капель является наилучшим режимом в смысле получения максимального количества агломератов, при этом картина с стальными фракциями остаётся практически такой же, как и в случае, когда К=\.
Если наоборот, процесс нанесения плёнки на частицы является лимитирующим, по сравнению с их агломерацией (рисунок 3.4), то ситуация с образованием агломератов менее благоприятна, по сравнению с предыдущими вариантами развития процесса.
Качественный анализ процесса агломерации показывает, что существуют эффективные режимы, но в области, когда ki ki и СА Св. Однако, на практике реализация такого режима вызовет затруднения по причине первичности процесса образования плёнки на частицах (рисунок 3.6). Выход из данной ситуации заключается в разработке специальных узлов в распылительных сушилках, увеличивающих вероятность столкновения частиц за счёт увеличения времени нахождения твёрдых и жидких частиц в зоне агломерации.
Исследование реологических характеристик пралиновых масс
Экспериментальная установка для сушки и агломерации пищевых сред представляет собой форсуночную распылительную сушилку с системой напыления сухой высокодисперсной фракции, которая имитирует возврат высушенной высокодисперсной фракции из циклонного сборника сушильной установки промышленной распылительной сушилки (рисунок 4.1).
Процесс сушки осуществляется при помощи диспергирования жидкого продукта в камеру распылительной сушилки 4 пневматической форсункой 17 агломерационного узла 3. Подача жидкого продукта на пневматическую форсунку 17 осуществляется перистальтическим насосом 2 из термостатируемой ёмкости 1. Высушенная высокодисперсная фракция отделяется от отработанного теплоносителя в циклоне 7 и поступает в сборник циклона 8, ещё более тонкая очистка отработанного теплоносителя происходит в скруббере 9, имеющем сборник сухого продукта 10. Теплоноситель прокачивается через всю систему вытяжным вентилятором 13, нагрев теплоносителя происходит по мере прохождения через калорифер 11, а ввод в сушильную камеру осуществляется по трубопроводу 12.
Агломерация порошка осуществляется при столкновении влажных и высушенных частиц которые, возникают при напылении на распыляемый факел высушенных частиц, подаваемых в виде газовзвеси. Высушенные частицы непрерывно подаются в вибропитателем 14 в приёмную воронку эжектора 15,
Твёрдые сухие высокодисперсные частицы виде газовзвеси подаются через патрубок подачи газовзвеси 20 в кольцевой зазор коллектора 21, имеющего сплошную цилиндрическую поверхность 22, где закручивается и проходит в область кольцевого зазора коллектора 23, внутренняя поверхность которого имеет щелевые зазоры, образованные лопатками 24. Газовзвесь, проходя через равные по площади щелевые зазоры между лопатками 24, рассекается на равные потоки, образуя вихрь во внутренней части коллектора 23 направленный к его оси.
Для механической агломерации суспензия продукта с помощью распылителя 17 диспергируется внутри коллектора 23 (рисунок 4.2), непосредственно в уже упомянутый вихрь газовзвеси для столкновения диспергированных частиц жидкой фракции продукта и сухих твердых частиц газовзвеси. Газодинамика коллектора 23 организована таким образом, что достигается высокая интенсивность образования агломератов и исключение контакта диспергированных влажных частиц с внутренней поверхностью коллектора, образованной лопатками 24. При дальнейшем движении влажных высокодисперсных частиц и агломератов предполагается удаление избытка растворителя конвективной сушкой в сушильной камере 4 и дальнейшее отделение сухих твёрдых частиц для последующего агломерирования [60, 64, 69, 70, 80, 87, 90, 102, 105, 106, 107, 108, 125, 126].
Для исследования взаимодействия различных факторов, определяющих качественные показатели и энергетические характеристики процессов получения агломерированных пищевых порошков, применены методы математического планирования эксперимента таким образом, что эмпирически найдено математическое описание исследуемых процессов в виде уравнений регрессии, полученных статистической обработкой экспериментальных данных [24]. Основные факторы планирования: Xi, - влажность концентрата, %; Х2 - температура сушильного агента, подаваемого в сушильную камеру, С; Хз - доля порошка от концентрата, вносимого для агломерации (по СВ), %; Все представленные факторы являются совместимыми и не коррелируются между собой. Пределы измерения исследуемых факторов представлены в таблице 4.1.
Факторы и критерии планирования экспериментов представлены для порошка цикория в виде матрицы в таблице 4.3, для порошка ячменного солода в таблице 4.4. Для исследования выбран полный факторный эксперимент 22 причём, применено центральное композиционное рототабельное униформ-планирование, а для исключения влияния неконтролируемых параметров, рандомизировали порядок опытов с помощью таблицы случайных чисел. Каждую комбинацию факторов повторяли 3 раза [24].
Критерии Кохрена, Стьюдента и Фишера, применённые при обработке статистических данных, позволяют проверить однородность дисперсий, значимость коэффициентов уравнений регрессии и адекватность уравнений.