Содержание к диссертации
Основные условные обозначения 4
Введение 6
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии
производства крупяных концентратов 12
1.1. Обзор техники и технологии производства крупяных
концентратов 12
Мойка круп 12
Варкакруп 17
Сушка вареных круп.... 27
1.2. Анализ технологий производства варено-сушеных круп и
комбинированного варочно-сушильного оборудования 33
1.3. Теоретические основы тепловлажностной обработки
пищевого сырья 37
1.4. Основные сведения о применении перегретого пара для
влаготепловой обработки пищевых продуктов 40
1.5. Анализ литературного обзора и задачи исследования 43
Глава 2. Математическое моделирование процессов мойки,
варки и сушки 47
Технологическая система мойки, варки и сушки 47
Модель функционирования системы «мойка - варка -
сушка» 48
2.3. Математическая модель процесса «мойка - варка - сушка» 53
2.4. Задача минимизации избыточного пара в процессе «мойка-
варка-сушка» 61
Глава 3. Исследование основных кинетических закономерностей
процесса «мойки-варки-сушки» круп 71
3,1 Исследование процесса мойки овсяной крупы 71
3.2. Исследование кинетики процесса варки овсяной крупы 75
3.2.1. Характер влияния температуры теплоносителя на процесс
варки 75
3.2.2. Исследование характера влагопоглощения крупами 77
3.3. Исследование процесса сушки овсяной крупы в
импульсном псевдоожиженном слое 83
3.4. Методика расчета энергетических затрат в процессах
производства крупяных концентратов 85
3.4.1. Тепловой расчет технологии производства варено-сушеных
круп, применяемой на Грязинском пищекомбинате (I схема) 86
3.4.2. Тепловой расчет разработанной технологии производства
варено-сушеных круп (II схема) 90
3.5. Определение качественных показателей варено-сушеных
круп . 94
Глава 4. Разработка конструкций комбинированных варочно-
сушильных аппаратов для производства крупяных
концентратов и способа автоматического управления
процессом 96
4.1. Разработка методики проектирования комбинированных
варочно-сушильных аппаратов 96
Исходные данные для расчета 96
Методика расчета 97
4.1.3. Результаты расчета 106
4.2. Разработка конструкций варочно-сушильных аппаратов для
производства крупяных концентратов 106
Варочно-сушильный аппарат для производства крупяных концентратов 106
Комбинированная установка для производства варено-сушеных круп 113
4.3. Разработка способа автоматического управления процессом
производства варено-сушеных круп 122
Основные выводы и результаты 130
Литература 131
Приложение 142
Основные условные обозначения
а - коэффициент температуропроводности, м2/с;
с — удельная теплоемкость, Дж/(кг-К);
D - коэффициент диффузии, м /с;
Д cf-диаметр, м;
F - площадь, м2; сила, Н;
/— частота колебаний, Гц;
G - масса продукта, кг; производительность кг/с;
g = 9,81 м*/с - ускорение свободного падения;
H,h- высота, м;
7, / - энтальпия, кДж/кг;
L - длина, м;
т - масса, кг;
N- скорость сушки в периоде постоянной скорости, кг/(кг-с); мощность, кВт;
п - частота вращения, с"1;
Р - давление, Па;
Q - массовая доля теплоты, Дж;
j - интенсивность потока, кг/(м3*с);
q - плотность теплового потока, Вт/м2; удельная нагрузка на газораспреде'
лительную решетку, кг/м ; расход топлива, м /ч;
R, г-радиус, м;
R - газовая постоянная, Дж/(кг-К);
г - удельная теплота парообразования, кДж/кг;
S, s - площадь, іґ;
Ttt- температура, К; С;
U, и - влагосодержание, кг/кг; массовая доля испаряемой влаги, кг/ч;
V- объем, м ; объемный расход, м /с;
v - скорость, м/с;
W- влажность, %;
a. — коэффициент теплоотдачи, ВтуїУ-К);
А — разность, приращение;
6 — толщина тела (слоя), м; относительный коэффициент термодиффузии,
К"1;
є - относительная порозность слоя; коэффициент фазового превращения;
ц — коэффициент полезного действия;
Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); коэффициент потерь;
р, — коэффициент динамической вязкости, Па с;
v — коэффициент кинематической вязкости, м /с;
р плотность, кг/м3;
г—время, с;
<р - угол, град;
as - относительный коэффициент сушки.
Безразмерные числа, критерии
Ar = gds(pM-p) р/// - критерий Архимеда; Bi = a R/XM - критерий Био; Nu = a D/X - критерий Нуссельта; Рг = у/а - критерий Прандтля; Re = v d р/р — критерий Рейнольдса; Fo = a t/R2 - критерий Фурье; К = га p/(A(Ts- Т)) - критерий Кутателадзе; Ре = h f(p а) - критерий Пекле.
Индексы
ex — условия входа; п - пар; к - конечное состояние; кип - кипение; кр - крупа; м -~ материал; н, о~ начальное состояние; нас — насыпной; пр — приход; рас — расход; с - сушка; вых - условия выхода; s — насыщенный; опт — оптимальный; ел — слой; крит - критический; экс - экспериментальный; ел ~ влажный; пл - плотный; э - эквивалентный; max — максимальный; min ~ минимальный; т - текущий; р - равновесная; са - сушильный агент; і — количество интервалов; расч — расчетное; доп - допустимое.
Введение к работе
С ростом населения планеты все более актуальными становятся проблемы снабжения высококачественными, биологически полноценными, экологически безопасными продуктами питания, рационального использования сырья и топливно-энергетического потенциала.
В улучшении обеспечения продовольствием важная роль принадлежит пищеконцентратной промышленности. Приготовление блюд из пищевых концентратов не требует больших затрат труда и тепловой энергии. По внешнему виду и органолептическим свойствам их трудно отличить от тех же блюд, приготовленных из свежего сырья. Все это объясняет особую важность применения пищевых концентратов для армейского и других видов общественного питания, а также для людей, ценящих свое время. Это связано с необходимостью освоения регионов, сложные природные условия которых не позволяют заниматься сельским хозяйством, с быстрым ростом городов, концентрацией в них большого количества населения, с развитием туризма [39,74,103,124].
К перспективным направлениям развития пищеконцентратной промышленности относится выпуск пищевых концентратов, не требующих кулинарной обработки, в частности, круп, не требующих варки. Преимуществами крупяных концентратов, не требующих варки, являются: большое содержание в них сухих веществ которое колеблется от 87 до 93 % [39], малый вес, биологическая полноценность, повышенная усваиваемость пищеварительной системой человека, высокая степень подготовленности к потреблению, возможность длительного хранения без специальных условий, меньшие транспортные затраты.
В последние годы неуклонно повышается уровень среднедушевого потребления всех видов пищеконцентратов: в 1980 г. — 1,74 кг, в 1985 г. - 2,9 кг, в 1990 г. - 3,37 кг, в 1998 г, - 3,85 кг, 2001 г. - 3,89 кг. [39, 74,139].
Несмотря на высокие темпы роста, уровень потребления пищеконцентра-
тов в Российской Федерации значительно отстает от уровня достигнутого в развитых странах. Примером оптимального потребления этой продукции могут служить США - более 20 кг на душу населения [139].
Основным направлением увеличения производства концентратов является создание новых, прогрессивных и совершенствование существующих энергосберегающих технологий, обеспечивающих высокое качество готовой продукции на основе внедрения новой техники, способствующей экономии исходного сырья, энергии, материалов, создание высокоэффективных машин и аппаратов, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов.
Одним из недостатков присущих производству пищевых концентратов, являются энергетические затраты. В этой связи неизбежно встает вопрос интенсификации и повышения экономичности тепловой обработки пищевого растительного сырья. Страны Запада на основе широкого внедрения новейших достижений техники добились исключительных результатов в энергосбережении. Мы отстаем в этом.
За 25 лет энергоемкость не уменьшилась (1,15 кВт/ч на 1 руб.). Доля стоимости энергии в себестоимости продукции составляет 40...50 % (в 3...10 раз выше мирового уровня). При этом затраты, связанные с потреблением пара в процессах термической обработки, составляют от 4 до 10 % от полной себестоимости 1 т варено-сушеных круп, не требующих варки [124].
Интенсификации процессов варки, гидротермической обработки, сушки способствует применение высокотемпературных теплоносителей, улучшающих условия тепло- и массообмена, а следовательно, сокращающих длительность процессов без ухудшения качества готового продукта. В связи с этим весьма перспективно использование перегретого пара в качестве теплоносителя.
Идентичность свойств и термодинамических показателей пара, образуемого за счет влаги испаряемой при сушке круп перегретым паром и перегретым паром атмосферного давления, используемым в качестве теплоносителя, способ-
ствует его экономии.
Развитие научных основ позволило разработать общее направление оценки процессов мойки, варки, сушки, протекающих в аппаратах различных типов; совершенствование связи математических моделей с их практической реализацией; исследование энергетической целесообразности применения перегретого пара, его влияние на характер изменения показателей качества готового продукта и обоснование создания новых, перспективных конструкций варочно-сушильных аппаратов с активным гидродинамическим режимом.
Создание высокоэффективных аппаратов, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов, позволяет изготовить поточные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходную переработку сырья, повышение качества и расширение ассортимента пищевых концентратов, снижение энергозатрат.
Актуальность работы. Важнейшим этапом производства пищевых концентратов, существенно влияющим на качество и себестоимость продукции, является тепловлажностная обработка (мойка, варка и сушка). Широко применяемые в промышленности способы варки и сушки характеризуются значительной энергоемкостью и длительностью [39, 72,73,74].
Недостаточная изученность процессов обработки пищевых продуктов перегретым паром препятствует разработке общей модели расчета процессов, затрудняет выбор оптимальных режимов обработки и сдерживают внедрение этих процессов. Поэтому весьма актуально изучение механизма тепло- и массообмена и основных кинетических закономерностей процессов тепловой обработки пищевых продуктов перегретым паром, также необходима конструктивная разработка комбинированных варочно-сушильных аппаратов, в которых возможно было бы использование перегретого пара в качестве теплоносителя, и определение экономичности новых способов.
Один из сдерживающих факторов увеличения производства пищевых концентратов - отсутствие современной энергосберегающей технологии и высоко-
производительного оборудования.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР Воронежской государственной технологической академии по теме «Исследование процессов тепло- и массообмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования» (№ г.р. 01960007320).
Цель и задачи диссертационной работы: повышение энергетической эффективности (технологии производства варено-сушеных круп) процессов теп-ловлажностной обработки круп при производстве пищевых концентратов с использованием перегретого пара в качестве теплоносителя за счет разработки рациональных технологических режимов и оригинальных варочно-сушильных аппаратов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработка энергосберегающих технологических режимов процесса производства варено-сушеных круп за счет сбалансированности тепловых и материальных потоков;
математическое описание процесса производства варено-сушеных круп; изучение основных закономерностей тепло- и массообмена в процессе мойки, варки и сушки;
проведение энергетического анализа предлагаемой технологии производства варено-сушеных круп для оценки ее эффективности;
разработка комбинированных варочно-сушильных аппаратов и способа автоматического управления процессом производства варено-сушеных круп;
проведение промышленной апробации, проверка эффективности предлагаемых разработок.
Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработана энергосберегающая технология производства варено-сушеных круп, основанная на замкнутой рециркуляции теплоносителя и полном использовании энергии перегретого пара.
Разработана математическая модель тепловых и материальных потоков в
технологии производства варено-сушеных круп, которая позволяет добиться максимально полного использования энергии теплоносителя.
Выполнен энергетический анализ предлагаемой технологии производства варено-сушеных круп, подтвердивший высокую эффективность применения перегретого пара.
Разработан программно-логический алгоритм управления процессом сушки круп в среде перегретого пара, позволяющий осуществлять непрерывный поиск оптимальных режимов по текущему соотношению количества испаряемой из продукта влаги в единицу времени к расходу исходной крупы в широком диапазоне изменения случайных факторов.
Разработан алгоритм управления процессом производства варено-сушеных круп, позволяющий обеспечить стабильное поддержание заданных технологических режимов.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2169490, 2181015,2182805.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработана энергосберегающая технология производства варено-сушеных круп, основанная на замкнутой рециркуляции теплоносителя и полном использовании его энергии.
Разработана методика инженерного расчета комбинированных варочно-сушильных аппаратов для реализации предложенной технологии.
Разработаны комбинированные варочно-сушильные аппараты (Пат. РФ № 2169490, 2182805) и способ автоматического управления процессом сушки круп (Пат. РФ №2181015).
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на отчетных научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 1999 по 2001 гг.); на третьей Международной научно-практической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» Орел, (2000 г.), на Международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств», Могилев (2002 г.).
Результаты настоящей работы демонстрировались на 13-й межрегиональной выставке «Продторг» и бьши отмечены дипломом (27-29 марта 2002 г.), а также в конкурсе инновационных проектов и награждены дипломом Воронежского ЦНТИ (2002 г.). Работа отмечена премией для молодых ученых администрации Воронежской области за 2002 г.
Работа выполнялась на кафедре процессов и аппаратов химических и пи
щевых производств (ПАХПП) и безопасности жизнедеятельности (БЖД) ГОУ
Воронежской государственной технологической академии. Хотелось бы выра-
«I зить искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических
наук, профессору Острикову Александру Николаевичу и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Калашникову Геннадию Владиславовичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы.
