Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Способы и устройства для гомогенизации и диспергирования жидких комбинированных продуктов 9
L1. Конструкции гомогенизаторов и диспергаторов в пищевой промышленности , 9
1Л.1- Гомогенизаторы клапанного типа 9
1.1.2. Гомогенизаторы и диспергаторы с колебательным контуром 10
1.1.3. Центробежные гомогенизаторы 16
1.2. Способы интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования в роторно-пульсационных аппаратах 21
1.2Л. Принцип работы роторно-пульсационного аппарата 21
1.2.2. Конструкции роторно-пульсационных аппаратов 24
1.3. Методы математического моделирования процесса перемешивания жидких продуктов 40
Выводы по главе 45
ГЛАВА 2. Моделирование процесса смешения в роторно-пульсационных аппаратах на основе корреляционного анализа 46
2Л. Исследование влияния рециркуляции на качество готового продукта 47
2.2. Исследование влияния процесса усреднения материальных потоков на качество продукта 63
2.3. Выбор рациональных параметров рециркуляции 69
Выводы по главе 81
ГЛАВА З Аппаратурное и методическое обеспечение экспериментальных исследований 82
3.1. Описание опытно-исследовательского стенда и конструкции роторно-пульсационного аппарата 82
3.2. Характеристики жидких материалов, используемых в экспериментальных исследованиях 86
3.3. Методика проведения эксперимента 88
3.4. Конструкция роторно-пульсационного аппарата с вибрирующим ротором 90
Выводы по главе 93
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 94
4.1. Методика обработки экспериментальных данных 94
4.2. Результаты исследований характеристик РПА при обработке ньютоновской среды 97
4.2.1. Изучение напорной характеристики 97
4.2.2. Изучение энергетической характеристики 104
43. Результаты исследований характеристик РПА при
обработке неньютоновской среды 109
Выводы по главе I 12
ГЛАВА 5. Промышленная реализация 113
5.1. Способ активации пивных дрожжей в РПА 113
5.2. Технология получения белковых рассолов для производства мясных цельномышечных копченых изделий из свинины 125
Выводы по главе 131
Выводы и основные результаты работы 132
Литература
- Гомогенизаторы и диспергаторы с колебательным контуром
- Исследование влияния процесса усреднения материальных потоков на качество продукта
- Характеристики жидких материалов, используемых в экспериментальных исследованиях
- Результаты исследований характеристик РПА при обработке ньютоновской среды
Введение к работе
Общая характеристика работы, В соответствии с Основами политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшей перспективой ее развития, утвержденными Президентом РФ 30 марта 2002 г. и реализацией Концепции государственной политики в области здорового литания населения РФ на период до 2005 г. главное внимание ученых, производителей и инвесторов обращается на безотходные и ресурсосберегающие технологии, экологически чистые производства с использованием относительно дешевых, но в то же время качественных, сбалансированных по белково-витамииному составу и безопасных продуктов.
При производстве жидких комбинированных продуктов питания одной из основных проблем является равномерное распределение различных добавок (витамины, БАД, стабилизаторы, ароматизаторы и т.д.), вносимых в небольших количествах, по всему объему среды. В большинстве случаев необходимо получить высококачественную смесь при соотношении компонентов 1:30 и выше.
Гомогенизаторы, используемые в настоящее время для этой цели на большинстве пищевых предприятий, морально и физически устарели, метало- и энергоемки и во многих случаях не способны обеспечить получение надлежащего качества продуктов различной вязкости. Поэтому разработка эффективных смесительных агрегатов, интенсифицирующих процессы гомогенизации и диспергирования при получении жидких комбинированных продуктов является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевых и ряда других отраслей народного хозяйства. Одним из ее решений является использование акустических упругих колебаний, генерирование которых успешно осуществляют в роторно-пульсационных аппаратах (РПА), В таких аппаратах осуществляется многофакторное воздействие на обрабатываемые среды: механическое (за счет ударных, срезающих и истирающих нагрузок при контактах с рабочими частями РПА), гидродинамическое (вследствие развитой турбулентности, пульсаций давления и скорости потока жидкости), гидроакустическое (выражающееся в интенсивной кавитации и ударных волнах). Особенностью этих аппаратов является то, что обрабатываемая жидкость является одновременно как источником, так и объектом гидромеханических колебаний. Здесь механическая энергия без промежуточных трансформаций непосредственно преобразуется в акустическую и кавита-ционную, благодаря чему КПД их достаточно высок.
Теоретические и экспериментальные исследования РПА провели отечественные ученые В.И. Биглер МА. Балабудкин, А,М. Балабышко, А.А. Барам, Л.Г. Базадзе, ГЛО. Будко, П.П. Дерко, А.И. Зимин, В.А Плотников, М-А. Промтов, В.П. Ружицкий, В.Н. Фридман, В.Ф. Юдаев и многие другие. К зарубежным ученым, внесших наибольший вклад в изучение гидромеханического диспергирования, относятся II. Виллсмс, А, Трейбер, П. Кифер, Е. Руд, П. Шеррат, Д. Стауффер, К. Яманато, И. Накам и другие.
В то же время, в связи со сложностью и многообразием процессов, воздействующих на гетерогенные системы, РПА остаются до конца не изучены, и таким образом, необходимо их дальнейшее исследование. Так же актуальной задачей является разработка современного аппаратурного оформления при получении новых качественных комбинированных продуктов питания, сбалансированных по белково-витаминному составу на основе безотходных технологий, которая может быть решена за счет интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования в РПА.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы является разработка многоцелевого роторно-пульсационного аппарата для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования при получении жидких комбинированных продуктов при соотношении смешиваемых компонентов 1;30 и выше.
Для достижения поставленной дели были определены следующие задачи: моделирование процесса работы смесительных агрегатов роторно-пульсационного типа на основе корреляционных функций; исследование напорно-расходной и энергетических характеристик РПА при перемешивании жидкостей, в том числе неньютоновских; исследование влияния различных параметров на процессы гомогенизации и диспергирования с целью оптимизации технологических режимов получения жидких комбинированных продуктов; разработка новой конструкции многоцелевого РПА,
Научная новизна. Разработаны математические модели процесса работы РПА для различных схем движения материальных потоков в них на основе корреляционных функций, позволяющие прогнозировать качество получаемого продукта; получены экспериментальные данные о напорно-расходных и энергетических характеристиках РПА при перемешивании жидкостей, в том числе неньютоновских и определены их рациональные параметры.
Практическая значимость и реализация. По результатам теоретических и экспериментальных исследований предложены две новые конструкции РПА, техническая новизна которых защищена патентами РФ. Одна из них, «Роторно - пульсационный аппарат», отмечена дипломом 1 степени победителя регионального конкурса «Инновация и изобретение года -2002» администрацией Кемеровской области, Кузбасской торгово-промышленной палатой, Кемеровским областным советом всероссийского общества изобретателей и рационализаторов.
При непосредственном участии автора разработаны и прошли опытную проверку новые технологические схемы для осуществления процессов гомогенизации и диспергирования при получении белкового рассола для производства копченых цельномышечных мясных изделий; активации пивных дрожжей.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИПП при подготовке бакалавров и магистров, а также при выполнении дипломных научных работ студентами технологических выпускающих кафедр.
Автор защищает: Новые конструкции многоцелевых роторно-пульсационных аппаратов для проведения процессов гомогенизации и диспергирования жидких комбинированных продуктов при соотношении смешиваемых компонентов 1:30 и выше; математические модели процесса работы РИА, полученные на основе использования корреляционных функций; результаты исследования нал оря о-расходных и энергетических характеристик при перемешивании жидкостей, в том числе неньютоновских и их оптимизацию; результаты использования РПА при получении высококачественных жидких комбинированных продуктов.
Гомогенизаторы и диспергаторы с колебательным контуром
Для повышения эффективности гомогенизации и диспергирования жидких продуктов известен ряд устройств, в которых используется пакет вибропластин колебательного контура, способствующих возникновению упругих колебаний и кавитации в перерабатываемой среде. Так, например, устройство для гомогенизации молока [1], показанное на рис. 1.3Ч состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого установлен колебательный контур 2, и сопла 3 для подачи к нему молока. Корпус представляет собой цилиндрическую камеру с конусным переходом с одной стороны, который служит для подключения к молочному трубопроводу при помощи гайки 4. Для соединения сопла с корпусом при помощи гайки 6 на его конце приварена шайба 5 и установлена резиновая прокладка 15. Внутри сопла концентрично установлен цилиндрический вытеснитель 7, который прикреплен к перемычке 8. Колебательный контур 2 состоит из пакета 15 пластин 9, выполненных, из нержавеющей стали толщиной 0,3 - 0,8 мм и дайной 50 - 80 мм. Пластины расположены вдоль продольной оси камеры и присоединены одним концом к крестообразной державке 10, укрепленной болтами на круглой отражательной пластине 11. Последняя прикреплена к корпусу при помощи болтов 12, шайб 13 и прокладок 14, образуя с ним кольцевой зазор. Ширина пластин 9 увеличивается по мере их отдаления от оси корпуса. Устройство подключается к молочному центробежному насосу с закрытым рабочим колесом. Молоко нагнетается насосом через сопло с большой скоростью и направляется на колебательный контур. Пластины, расположенные по потоку жидкости, приобретают интенсивное колебательное движение, воздействуют на жировые шарики, которые под действием кавитации дробятся. При дальнейшем движении в корпусе продукт ударяется об отражательную пластину, обтекает ее, попадает в зазор между ней и корпусом и направляется за колебательный контур. При этом на жировые шарики в различных слоях молока, движущихся с разной скоростью, действует сила трения, что повышает степень их дисперсности.
Отличительной чертой устройства для гомогенизации молока [13] является возможность регулирования собственной частоты колебаний пластин контура, вследствие чего повышается эффект гомогенизации. Устройство (рис. 1-4) включает корпус 1, колебательный контур, состоящий из крестовины 2 и пакета пластин 3, формирователь потока, содержащий неподвижный диск 4 со щелями 5, регулировочный диск 6 и дисковую вставку 7 со щелями 8, внутри которых находятся пластины 3, Исходный продукт поступает в патрубок 9 и далее перемещается к формирователю потока. При прохождении в щели 5 неподвижного диска 4 скорое гь жидкости резко возрастает до величины, необходимой для возбуждения в пластинах 3 акустических колебаний. Требуемые амплитуда и частота колебаний в зависимости от жирности, вязкости, плотности и других свойств среды, устанавливаются изменением длины рабочих участков пластин при помощи перемещения вдоль корпуса крестовины 2 винтом 12 и вставки 7 винтом 13 по направляющим 11. В полом штоке 14 выполнены отверстия 15 для пропускания жидкости. Проходное сечение щелей 5 также регулируется перемещением диска 6 вдоль штифта 16 с фиксацией его винтом 17 . Отрегулированная собственная частота колебаний пластин близка к частоте вынужденных колебаний. Обработанный продукт выводится из устройства через патрубок 10. Таким образом, эффект гомогенизации возрастает за счет явлений резонанса на 20 - 30 % при тех же энергозатратах.
Известен диспергатор, в котором вибропластины установлены на приводном валу [3]. На рис. 1,5 показано описываемое устройство, состоящее из корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, в полости которого многоярусно установлены плоские кольца 4 с выступами 5. Между ними на приводном валу 7 смонтированы с образованием рабочего зазора вибропластины 6 из тонкого материала (например, металлической пластины) и лопасти 8. Вибропластины могут быть выполнены с радиальными прорезями, зубчатыми кромками. Диспергатор работает следующим образом. Через входной патрубок 2 в корпус 1 подают обрабатываемую массу. Вибропластины 6, вращаясь с большой скоростью, создают в рабочих зазорах между выступа-ми 5 плоских колец 4 зоны разрежения
Исследование влияния процесса усреднения материальных потоков на качество продукта
При прохождении материального потока в РПА наряду с его разделением происходит взаимное наложение одной части на другую, т.е. их усреднение. Проанализируем это явление.
Для описания процесса усреднения в промышленных аппаратах, отличающихся режимом течения от идеального, используем оператор скользящего (текущего) среднего, предложенный Л.П. Шуповым [103]: Хв(0=4- Jx(t)dt (2-26) 1 tгде Г - время пребывания материала в смесителе; t - текущее время;
Этот оператор в текущий момент времени t на выходе из смесителя дает такую среднюю величину, которая соответствует среднему количеству материала, накопленному в аппарате за период Т, предшествующий моменту времени t. Корреляционная функция и дисперсия стационарной случайной функции, преобразованные по этому оператору, равны: Т К ВМ = - Ю- )Кх (T)dt (2-27) 1 0 l U хв Т2 о где Кх (т.) - корреляционная функция выходящего усредненного потока; Кхо(т) - корреляционная функция входящего потока; 2- - дисперсия выходящего усредненного потока (о=- = Кх (0)). хв хв в Таким образом, по известной корреляционной функции входного сигнала можно определить ее вид на выходе, а также найти дисперсию выходящего потока. Стабильность процесса можно выражать также с помощью численного параметра - интервала корреляции T=t2i, при котором Kx(ti,t2) Кх(т) 0. Он является мерой протяженности связи значений функции в различных сечениях. Чем больше х, тем меньшим изменениям подвержен процесс. За интервал корреляции принимают:
:Например, в агрегат подается жидкость W = 141,65-Ю"3 м3/ч. Объем одного аппарата составляет V = 1,12-10" м . Расчет приведен втаблице2.6.
Агрегат по схеме 2.3 имеет наибольший интервал времени между шагами. С одной стороны, это сказывается на уменьшении производительности, с другой означает более стабильное протекание процесса, по сравнению с другими схемами движения материальных потоков.
Оценим степень влияния процесса усреднения на снижение неоднородности входного потока. Для аппроксимации входного сигнала корреля Таблица 2.6 — Расчет величины At Схема а р К Т,с At, с 2.1 0,3 - 5 28,5 5,70 2.2 "" 2.3" 0,3 ОД 5 7 28,5 4,07 0,3 - 9 85,5 9,50 2.4 0,3 0,15 17 85,5 5,03 2.5 0,3 ОД 5 7 28,5 4,07 ционной функции принимают типовое выражение, которое отображает общие и характерные свойства полученной эмпирической кривой. Большая точность приближения не только не нужна для решения практических задач, но во многих случаях вредна, т.к. воспроизведение полученных в результате неточности замеров всех зигзагов кривой может внести искажение и усложнит решение.
Пусть корреляционная функция стационарного потока материала, поступающего в смесительное устройство, определяется уравнением: КХ0(т)=о-20 -ехр(-Л.-т)- COS(V) (2-38)
Для определения коэффициентов А. и \/ используются отдельные опорные точки, в которых экспериментальные значения КХо(т) и значения, рассчитанные по аппроксимирующему выражению, совпадают [42]. Дисперсия усредненного потока, выходящего из смесителя, имеет вид: 2 2 1в= f- - T + exp(- )-cos(M/)- - 7] (2-39) Например, в агрегат, работающий по схеме 2.1, подается дозаторами объемного типа вода и сухое молоко. Для нахождения значения дисперсии воспользуемся данными предварительного эксперимента для воды и работой [69] для сухого молока.
Характеристики жидких материалов, используемых в экспериментальных исследованиях
Основной смешиваемый компонент вводится в рабочую полость 1 через штуцер 2, а второй, с более легким удельным весом - через штуцера 3, камеру 7 и по каналам в зубьях внутреннего статора 15 поступает в зазор. В процессе работы аппарата происходит периодическое перекрытие пазов ротора и статора, что приводит к возникновению пульсаций давления и скорости потока жидкости, кавитации и генерированию звуковых низкочастотных колебаний (20 - 20 103 Гц). Известно, что колебания таких частот оказываются более эффективными для диспергирования [25]. Кроме того, на турбулентный поток в РПА воздействуют срезывающие и сдвигающие усилия в радиальном зазоре. Для повышения эффективности аппарата объем среды подвергается многократной обработке. Для этого организована внутренняя рециркуляция жидкости за счет отверстий 14, выполненных в ступице ротора, и лопаток 13. Последние также увеличивают насосный эффект. Обработанный продукт выводится из РПА через штуцер 4. Для поддержания температурного режима боковая поверхность аппарата образована тепловой рубашкой 16 со штуцерами для входа 5 и выхода 6 хладоносителя .
Таким образом, интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования достигается за счет того, что в зубьях внутреннего статора выполнены вертикальные каналы, выходящие в среднюю часть зуба и обращенные к ротору и создания рециркуляционных потоков, обеспечивающих полное взаимодействие компонентов продукта и равномерность их распределения.
Ниже приведена техническая характеристика экспериментальной установки: 1. производительность 0,050 — 0,100 м /ч 2. объем РПА 1,12-10"3м3 3. передаточное число клиноременной передачи 1,47 4. частота вращения ротора до 418,67 с" 5. межцилиндровый зазор 0,110"" -0,5-10" м 6. количество отверстий в ступице ротора 4 7. общая площадь отверстий в ступице ротора 0 - 0,0038465 м В качестве модельных жидкостей были выбраны: 1. ньютоновская среда - вода (t = 18 С, р = 988 кг/м ); 2. неньютоновские среды - белковая суспензия и растительное масло.
Белковая суспензия используется в качестве рассола для производства копченых цельномышечных мясных изделий с повышенным содержанием в них растительного белка. Она содержит воду и соевый белковый препарат. В качестве последнего использовали соевый изолят СУПРО 595 фирмы «Protein Technologies Industry». Для данных экспериментальных исследований использовался 10 %-ный состав суспензии, приготовленный в РПА при следующих параметрах работы: частота вращения ротора — 314 с"1, радиальный зазор - 0,1 ТО"3, время обработки - 3 мин.
Плотность неньютоновских сред определялась опытным путем и составила: р (белковой суспензии) = 1004 кг/м3; р (масла) = 830 кг/м3.
Исследования структурно-механических свойств модельных жидкостей проводили на ротационном вискозиметре «Reotest-2». При фиксированных значениях скорости сдвига у определяли его напряжение т. Измерения для каждого случая проводились по три раза, а затем рассчитывали среднее значение. Ошибка воспроизводимости результатов опытов составила не более ± 5 %. Экспериментальные и расчетные данные приведены в приложение 2. Исследуемые среды относятся к пластическим материалам. Для описания их течения использовали реологическое уравнение Шведова - Бингама: T = T0+TU Y С3"1) где то — предельное напряжение сдвига, Па; г),,., - вязкость пластического течения, Па с. Опытные данные были обработаны с помощью ЭВМ в программе Staistica 6 и получены следующие уравнения: для белковой суспензии: т - 1,98 10"3 + 0,016 10"3 у (3-2) для растительного масла: т = 2,03 10 + 0,076 -10" -у (3-3) Кривые течения пластических материалов показаны на рис. 3.3, из которых видно, что при одних и тех же значениях у напряжение сдвига, а, следовательно, и эффективная вязкость, у растительного масла больше.
Результаты исследований характеристик РПА при обработке ньютоновской среды
Экспериментальные исследования состояли из следующих этапов: 1. Проведение эксперимента с модельной жидкостью — водой (t = 18 С), используя различные модификации РПА. Конструкция аппарата изменя лась благодаря наличию съемных статорных колец. Таким образом, имелось три модификации: А) РПА с внешним статором, В) РПА с внутренним стато ром, С) РПА с внутренним и внешним статорами. 2. Выбор оптимальной модификации РПА. 3. Проведение эксперимента с неньютоновскими жидкостями, исполь зуя оптимальную модификацию РПА. Для каждой модификации аппарата (с лопатками и без них) использовался трехуровневый план полного факторного эксперимента ПФЭ 3 , кото рый позволяет получить описание процесса в виде квадратичного уравнения. Значения факторов по уровням приведены в табл. 3.1. Эксперименты проводились в следующем порядке.
1. Устанавливались заданные конструктивные параметры РПА: статор ные кольца в соответствии с модификацией аппарата, лопатки, величина площади отверстий в днище ротора с помощью дополнительных полимерных пластин и межцилиндровый зазор.
2. Проверялась пневматическая система измерений (удаляются возможные загрязнения) и герметичность соединительных трубок.
3. Включатся электродвигатель. Требуемая частота вращения ротора настраивалась путем изменения напряжения в обмотке возбуждения с помощью ЛАТРа по вольтметру. Контроль производили с помощью тахометра.
4. Открывалась входная магистраль циркуляционного контура. Настройка производительности осуществлялась вентилем, установленным после емкости 7.
5. После установившегося режима (-1-2 мин) производилась запись следующих величин: - для определения напорной характеристики: давление на входе, давление на выходе; - для определения энергетической характеристики: напряжение по вольтметру, сила тока по амперметру.
6. После измерения характеристик в требуемых диапазонах частоты вращения и производительности электродвигатель выключался. Входная магистраль циркуляционного контура перекрывалась, смеситель опорожнялся. Аналогичным образом проводилась следующая серия опытов.
Для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования в РПА необходимо увеличивать амплитуду пульсаций давления и турбулиза-цию потока, организуют направленное движение среды и др. Однако, в ряде случаев, эффективность аппаратов, особенно для процесса диспергирования, оказывается недостаточной (например, при переработки хлопьев, имеющих плоскую форму). Происходит неравномерное дробление частиц твердой фазы, что сказывается на качестве готового продукта. Для совмещения процессов гомогенизации и диспергирования предложена новая конструкция РПА с вибрирующим ротором, техническая новизна которой защищена патентом [77, приложение 10].
Данный РПА (рис. 3.4) состоит из корпуса 1, в который вмонтирован электромагнит 10. Ротор 4 установлен на валу 7 и поджат пружиной 8 к гайке 9. Статор 5 жестко закреплен на крышке 6. Между ротором и статором выставлен минимальный зазор. В состав аппарата входят также крышка 11, уплотнение 12, патрубки 2 для ввода и 3 для вывода компонентов.
Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая среда через входной патрубок 2 поступает в центральную часть устройства и под действием центробежных сил проходит в зазор между ротором 4 и статором 5. За счет удара частиц об зубья ротора и статора, а также сдвиговых напряжений, возникающих в зазоре, происходит их дробление. При подачи переменного напряжения на катушку электромагнита 10 возникают осевые колебания ротора 4. В момент его притяжения к электромагниту зазор увеличивается, создавая условия захвата частиц. При сближении ротора и статора происходит их раздавливание и перетирание. Значение радиального зазора является переменной величиной во времени, что позволяет изменять величину сдвиговых напряжений гетерогенной среды. В процессе вращения ротора происходит периодическое перекрывание прорезей, вследствие чего возникает гидравлический удар и генерирование акустических колебаний. Таким образом, на обрабатываемую среду происходит одновременное наложение упругих колебаний и осевых вибраций. Для эффективной работы аппарата должно выполняться следующее условие: частота вибраций ротора кратна частоте перекрытия прорезей рабочих тел. Пройдя активную зону, смесь попадает во внешнюю камеру и выводится через патрубок 3.
Таким образом, в предлагаемой конструкции РИА, за счет вмонтированного в корпус электромагнита, возможна обработка среды в условиях резонанса, что позволяет интенсифицировать технологические процессы в нем и повысить качество получаемого продукта.
