Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в пищевой промышленности особое внимание уделяется разработке продуктов эмульсионного типа (молочные продукты, кремы, десерты, пасты, напитки, обогащенные по витаминному составу, майонезы). Это вызвано необходимостью создания широкого ассортимента комбинированных продуктов на основе компонентов природного происхождения, с целью получить композиции заданного состава и свойств, с высокой степенью сбалансированности всех питательных веществ и повышенной биологической ценностью. Возрастание питательной ценности продуктов с эмульсионной структурой объясняется тонкой дисперсией жира и увеличенной поверхностью жировой фазы, что облегчает усвоение жира в организме человека. Следует также учитывать, что после гомогенизации значительно замедляется процесс расслаивания эмульсионной системы, что очень важно при длительном хранении продуктов. Эти обстоятельства и обусловливают стремительный рост числа наименований эмульсионных продуктов в современном питании.
Аппараты, используемые для проведения гомогенизации и эмульгирования, имеют ряд серьёзных недостатков и зачастую не удовлетворяют современным требованиям по производительности и качеству готовой продукции. Поэтому задача совершенствования существующих конструкций гомогенизирующих устройств, например, за счёт организации направленного движения жидкостных потоков с целью концентрации значительного количества энергии в малых объёмах, является, безусловно, актуальной.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка новых конструкций вихревых устройств на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и эмульгирования для получения тонкодисперсных многокомпонентных эмульсий.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
провести моделирование гидродинамики жидкостного потока вихревых эмульсоров и гомогенизаторов;
теоретически исследовать процесс дробления жирового шарика в зонах сверхнизких давлений на примере клапанного гомогенизатора;
теоретически исследовать гидродинамику потока с одним источником и стоком в вихревом устройстве;
разработать вихревое устройство для гомогенизации с одним источником и стоком и установку для его экспериментальных исследований на базе плунжерного блока клапанного гомогенизатора;
провести экспериментальные исследования и оптимизировать параметры вихревого гомогенизатора с одним источником и стоком;
провести планирование эксперимента для определения оптимальных конструктивных параметров эмульсора;
разработать методику расчёта вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов;
разработать промышленные образцы вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования производительностью 5 м3/ч.
Объект исследования. Объектом исследования являются вихревые устройства для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов, а предметом - термо- и гидродинамика процессов гомогенизации и эмульгирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
теоретически обосновано распределение гидродинамических параметров вихревого потока с учетом конусности свободной поверхности потока;
определены потери давления и скорости потока по длине вихревой трубы на трех участках конического вихря с учетом внутрижидкостного трения;
произведены теоретические исследования термо- и гидродинамики процесса разрушения жирового шарика при прохождении клапанного устройства гомогенизатора;
выявлены кинематические особенности винтового потока с одним источником и стоком;
изучено влияние конструктивных и эксплуатационных параметров вихревого устройства с одним источником и стоком, а также его пространственного положения на качество готового продукта;
на основании физического моделирования и теоретических исследований разработаны принципиально новые конструкции вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования пищевых продуктов.
Практическая значимость работы и ее реализация. Практическая ценность работы заключается в том, что:
разработаны новые конструкции вихревых устройств с одним стоком для гомогенизации и эмульгирования, позволяющие снизить средний размер частиц дисперсной фазы в продукте;
предложено направление развития и совершенствования техники гомогенизации и эмульгирования, которое позволяет сократить энергозатраты, металлоемкость и упростить конструкции гомогенизатора и эмульсора при сохранении высокого качества получаемого продукта;
предложена методика расчета вихревых устройств с одним стоком для гомогенизации и эмульгирования жидких пищевых продуктов;
результаты исследований использованы в учебном процессе по изучению влияния операций гомогенизации и эмульгирования на качество готового продукта.
Основные положения, выносимые на защиту:
теоретическая модель дробления жировых шариков молока в клапанной щели гомогенизатора;
математическое описание винтового движения жидкостного потока в вихревых гомогенизирующих устройствах с одним источником и одним стоком;
результаты экспериментальных исследований модельного вихревого устройства;
новые конструкции вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования жидких пищевых продуктов;
результаты экспериментальных исследований вихревых устройств с одним стоком по влиянию конструктивных и эксплуатационных параметров на размер дисперсной фазы продукта;
- методика расчета вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования.
Научные положения, выносимые на защиту, обладают новизной и разра
ботаны автором самостоятельно.
Основные результаты диссертационной работы реализованы:
в ОКР на ОАО ВМЗ г. Вологда, где созданы конструкции опытных вихревых устройств для гомогенизации и эмульгирования;
на ФГУП УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина, где разработанное устройство для гомогенизации прошло испытание в линии производства молока Front 8FRM;
в образовательном процессе при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Технологическое оборудование» и «Машины и аппараты молочной промышленности» на специально созданной лабораторной установке и при чтении лекций по дисциплинам «Процессы и аппараты» и «Технологическое оборудование».
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-практической конференции, посвященной 96-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2007г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2007 г.); научно-практической конференции, посвященной 97-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2008 г.); шестой всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (г. Вологда, ВоГТУ, 2008 г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2008 г.); международной научно-практической конференции «Через инновации в науке и образовании к экономическому росту АПК» (Ростовская обл., пос. Персиановский, Донской ГАУ, 2008 г.); второй международной научно-практической конференции «Технология и продукты здорового питания» (г. Саратов, Саратовский ГАУ, 2008); научно-практической конференции, посвященной 98-летию академии (г. Вологда, с. Молочное, 2009 г.); смотр-сессии молодых ученых и аспирантов (г. Вологда, с. Молочное, 2009 г.).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 15 работ, из них в центральном журнале 2.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений; включает 78 рисунков, 16 таблиц. Основной текст изложен на 156 страницах, приложения - на 17 страницах. Список литературы включает 132 наименования.
