Введение к работе
Актуальность работы. Жидкие пищевые продукты, которые со-сержат мелко- и крупнодисперсные взвеси или обладают консистен-даей вязкой пасты, охлаждают в кондуктивных теплообменных ап-іаратах, где наличие теплопередаодей поверхности между частица-!И продукта и хладоносителем не позволяет обеспечивать эффекти-(пый теплообмен из-за непрерывно понижающегося значения коэффи-[иента теплопередачи. Непосредственное контактное охлаждение '.идких пищевых продуктов практически не применяется.
Получение порошкообразных продуктов путем криогранулирова-гия обеспечивает формирование кристаллической структуры продула и определяет его качество (монодисперсность, однородность остава и др.). Отсутствие необходимого оборудования не позво-яет использовать новые технологии в процессах производства ищевой продукции.
Контактное охлагдение пищевого сырья, полуфабрикатов и го-овых продуктов хладоносителем ("ледяной" водой, снегованием) эффективный технологический процесс холодильного кснсервиро-ания. Отсутствие хладоносителя в условиях сбора плодов и ово-ей на плантациях и при последущей технологической обработке а предприятиях приводит к потерям до 30...40 % обьема урожая снижению качества полуфабрикатов и готовой продукций. ЗНзчк^ ельная продолжительность охлаждения отдельных видов пищевых родуктов (птица, вареные колбасы и др.) не позволяет яятенси-ицировать прохождение технологического процесса и снижает роки хранения готового продукта. Простые, мобильные и эхоло-вчески чистые контактные охладители для производства "ледяной" оды и снега практически отсутствуют.
В диссертации рассмотрены научные основы создания струйных азодйнамическкх устройств, в которых охлавдаиций потенциал зсширившегося газа используется для диспергирования и охлаж-зния введенного в поток жидкого продукта (в дальнейшем - теп-зносителя), образующего с потоком газа гетерогенную систем;', груйные газодинамические устройства обеспечивают охлаждение зеденного теплоносителя до температуры, равной или uvue тем-
пературы окружающей среда, при сохранении первоначального фазового состояния, или перевод теплоносителя в состояние снеси "кидкость-твердая фаза" или твердой фазы.
Охлажденный теплоноситель используют в технологических процессах в качестве сырья, полуфабриката или готового пищевого продукта, либо в качестве промежуточного хладоносителя при контактном охлаждении пищевого сырья, полуфабрикатов или готовых продуктов, что способствует увеличению выпуска пищевой продукции и сохранении ее высокого качества.
Диссертация выполнена на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок Краснодарского политехнического института в соответствии с совместными планами Минвуза СССР и Минхсмнефте-маш. (1976, І97Б, 1984 гг.), постановлением ГКНТ СССР -'1242 от 06.06.1978 г.(г/р № I80I486, 8I04206I), рекомендациями Всесоюзных научно-технических конференций по холодильной технике и технологии (Ташкент, 1977, Ленинград, 1986), координационным кланом НИР по механике (приказ Минвуза СССР й 453 от IS.0G.1985 г.).
Цели и задачи исследования. Разработка нового научного направления в области технологического оборудования для пищевой про'йїішіенности, которое включает исследование струйных газодинамических устройств, в которых совмещаются процессы производства холода, диспергирования и охлакдения продукта в потоке, и последующего разделения охлажденного продукта и газа. Создание научных основ струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения пищевых продуктов обусловило необходимость решения следующих основных задач: исследование процессов 'формирования --холодного высокоскоростного потока газа при вводе в него аидко-го теплоносителя; обоснование условий получения гетерогенных систем при смешении газа и теплоносителя, и их последующего разделения при сохранении теплоносителем температуры ниже температуры окружающей среды; оценка факторов, обуславливающих замораживание гадкого теплоносителя при взаимодействии с движущимся в спутном течении холодным газом и сохранение достигнутого фазового состояния при выводе теплоносителя из потока газа; разработка обобщенных математических моделей устройств, .которые могут послужить основой при создании инженерной методики расчета струйных газодинамических устройств для контактного охлаждения применительно к-технологическим процессам в пищевой промышленности.
Научная новизна работа. Разработаны основные теоретические оложения, которыми определяются условия создания струйных га-одинамических устройств для контактного охлаждения пищевых родуктоз, в том числе теоретическая модель процессов анерго-бмена потоков газа и жидкости при их струйном спутном течении формировании в гетерогенную систему "газ-теплоноситель" с те-пературой ниже температуры окружающей среды
Оценены возможности формирования твердой фазы теплоносителя достижения полного фазового перехода а теплоносителе, а такке охранения достигнутого фазового состояния теплоносителя с тем-ературой ниже температуры окружающей среда при выводе из ох-аждающего устройства.
Установлены условия наступления "предельных" режимов, обус-озленных совместным влиянием параметров газа (число ІДаха) и зплоносителя (температура и теплоемкость), и массовой концен-рацией последнего в газе, при которых исключается нормальная зботз струйных газодинамических охлаждающих устройств.
Получено экспериментально более 100 рабочих характеристик їлаждавдих устройств при работе на системе "Еоз,пух.~водап, в іапазоне степеней расширения газа Д = 0.33...0.0S, начяль-jx температур газа Тгн и теплоносителя ТКн от GC3-273 К, чн-;л Маха для газа после сопла МГ5 = 1.2...2.О, массовой рао-)Дной концентрацій! М-тк/тг = 0.01...Ї.2, доли твердой фаз:-?
f ТеПЛОНОСИТеЛЯ O^fs^I, КОТОрЫе ПОЗВОЛИЛИ ОЦеНИТЬ ЕОЗ'Л0.1*.ОС-
i струйных газодинамических устройств для контактного о:слгш~ іния пищевых продуктов.
Автор заищцает физические модели процессов энергообмена ж вводе аидкого теплоносителя в струйное спутное течение с юокоскоростным низкотемпературным потоком газа, описыЕащяе лаздение и замораживание частиц при смешении, и сохранение стицами достигнутого фазового состояния и температуры ниае мпературы окружающей среда при последушеч отделении частиц ' плоносителя от газа; математические модели струйных газоди-мических охлаздавщих устройств, который позволяют прогнозувать холодильную мощность устройства Qnn в заданном диегг.-Н'Э изменения темчератур теплоносителя, обусловленным коккре--нм технологическим процессом контактного-охлаждения; резуль-
тэты численных и натурных экспериментов, аодтверадавдие достоверность разработанных математических моделей струйных газодинамических охлаздакцих устройств; инженерные метода расчета этих устройств и оценку их использования для контактного охлаждения в пищевых отраслях промышленности.
Практическая значимость' работы. Разработаны научные основы теории и инженерные метода расчета струйных газодинамических охлааданцих устройств, которые позволяют оценить энергетические характеристики устройств ( QXH, эксергетический КПД rlex ) и целесообразность применения этих устройств в конкретных технологических процессах охлаждения пищевых продуктов.
Предложены конструкции и способы использования струйных газодинамических охлаадаздих устройств для контактного охлаждения пищевых продуктов; их новизна защищена авторскими свидете-льства.чи. Предложены, разработаны и испытаны устройства для производства "ледяной" воды, льдо-водяной смеси и сне-іного льда; новизна разработанных конструкций защищена авторскими свидетельствами.
Изготовленное и внедренное на Кургашшском птицекомбинате струйное газодинамическое устройство, работающее в качестве генератора "ледяной" вода, снизило продолжительность охлаждения продукта на 2О-30 % и обеспечило увеличение производительности линии обработки птицы, при сокращении удельной энергоемкости линии на 14-15 %. Это обеспечило окупаемость устройства через 7G8 часов после ввода в эксплуатацию.
Разработано и внедрено струйное газодинамическое устройство для обработки неосветленного яблочного сока перед промежуточным хранением; по данным К5> ВШШКОП продолжительность хранения сока до промышленной переработки увеличивается в 2-2.5 раза/
Технологическая схема предварительного охлаждения овощей при их сборе на плантациях с использованием разработанного в НИИ струйного охлаждающего устройства для получения "ледяной" еоды и снеаного льда рекомендована ВНйИКОН к промышленному применение. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 16.03 -техника и физика низких температур в вузах Российской федерации, Украины а Болгарии.
Апробация работы. Основные положения и" результаты диссерта-
щга доложены и обсуждались іш Всесоюзных научно-технических кон-ференцих по производству и применению холода в отраслях народного хозяйства (Ташкент, 1977, Ленинград, 1981, 1986, Тбилиси,1984, Москва, 1985, Кишинев, 1987); Всесоюзных научно-технических семинарах (Баку, 1981, Таллин, 1981, Ташкент, 1982, Севастополь, 1982); Всесоюзном семинаре по проблемам криогенной техники и кондиционирования воздуха при МВТУ (Москва, 1980, 1981, 1983); межреспубликанской научно-практической конференции по холодильной технике и технологии (Краснодар, 1992); международных научных сессиях Высшего института хранительной и вкусовой промышленности (Пловдив, Болгария, 1983, 1989); 5-й национальной научно-технической конференции по холоду (Пловдив, Болгария, 1986); Х1 научно-технической конференции по холодильной технике и кондиционированию воздуха (Познань, Полыиа, 1987); научно-тех-зических семинарах в МПУ (Москва), СПбТИХП (Санкт-Петербург), ЗИХВП (Пловдив, Болгария) (I990-I99I гг.).
Публикации. По содержанию диссертации опубликовано учебное гособие, 47 статей и тезисов докладов, получено 13 авторских свидетельств на изобретения, броцзовая медаль ВДНХ (Москва,IS77).
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, ікти глав основного текста, выводов по работе, спискаиспользо-$анчой литературы в количестве 445 источников, з т.ч. 45 иност-)анных, 179 патентов США., СССР, Англии, 'Ьранцки, ФРГ я дрл, н ірилоаений.
Общий обьем составляет 325 с, где 268 с. основного текста, і т.ч. 151 рис, на 78 с, 9 таблиц, и прилоаения на 37 с.