Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1.Состояние и развитие основных способов измельчения твердых материалов.
1.1.1. Процесс измельчения твердых материалов .
1.1.2.Машины для измельчения частиц.
1.2. Состояние науки и техники криогенной обработки растительных материалов .
1.2.1.Теория и моделирование процесса криогенной обработки.
1.2.2.Теплофизические свойства пищевых материалов
1.2.3.Способы криогенной обработки.
1.3. Выводы по обзору. Формулировка цели и задач исследования.
Глава 2. Исследование свойств плодов перца черного горького как объекта измельчения .
2.1. Теоретические основы определения прочностных свойств.
2.2. Методика исследования прочностных свойств.
2.3 Результаты определения характеристик разрушения плодов перца черного горького .
2.4 Сравнение результатов определения характеристик разрушения плодов перца черного без и с криообработкой.
2.5 Моделирование температурных эффектов при измельчении частиц пряностей
Глава 3. Разработка процесса криогенной обработки растительных материалов .
3.1.Моделирование процесса движения фронта замораживания растительных материалов при криогенной обработке.
3.2. Теплообмен при криогенной обработке пряностей
Глава 4. Обоснование технического предложения по установке измельчения пряностей с предварительной криогенной обработкой
4.1.Моделирование теплообмена в аппарате криогенной обработки
4.2. Анализ конструкции аппарата криогенного измельчения пряностей
Выводы
Литература
- Процесс измельчения твердых материалов
- Состояние науки и техники криогенной обработки растительных материалов
- Результаты определения характеристик разрушения плодов перца черного горького
- Анализ конструкции аппарата криогенного измельчения пряностей
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальной задачей на современном этапе развития страны, характеризуемом наличием в стране значительной части населения с отклонениями в здоровье и снижением продолжительности жизни, является обеспечение здоровья населения за счет питания пищевыми продуктами высокого качества. Решение этой задачи возможно путем разработки новой техники и технологии производства высококачественных пищевых продуктов.
Применение пряностей в пищевых продуктах - давняя традиция и обязательное условие обеспечения их высокого качества. Основной целью измельчения пряностей является достижение уменьшения размеров частиц при хорошем качестве продукта в плане сохранения вкусовых качеств и цвета. Пряности находят применение как непосредственно в измельченном виде, так и виде экстрактов, для получения которых операция измельчения является обязательной.
Предварительное охлаждение пряностей и постоянно поддерживаемая в измельчителе низкая температура снижает уровень потерь летучих масел и влаги, тем самым, сохраняя большую часть ароматических веществ, приходящихся на единицу массы продукта. Потери летучих масел могут быть заметно снижены методом низкотемпературного (криогенного) измельчения пряностей предварительно обработанных жидким азотом. При этом возможно получение твердо-хрупкого состояния материала, а также поддержание требуемого низкотемпературного уровня за счёт поглощения вырабатываемого в процессе измельчения тепла, что благоприятно для энергосбережения при измельчении. Испарение жидкого азота до газообразного состояния фактически создаёт инертную и сухую атмосферу для дополнительной защиты качества продукта.
В данной работе предпринят комплексный анализ системы процессов криогенной обработки пряностей и последующего их измельчения. На этой основе разрабатывается процесс и конструируется устройство для низкотемпературного (криогенного) измельчения. Основными элементами такого устройства являются предварительный охладитель и измельчитель.
Диссертационная работа выполнена в Майкопском государственном технологическом университете в рамках инициативной научно-исследовательской темы Майкопского государственного технологического университета «Совершенствование технологических приемов производства продуктов переработки сельскохозяйственного сырья» (№ гос. регистрации 01201062580).
Цель работы – разработать процесс криогенной подготовки пряностей к измельчению и на этой основе предложить конструкцию установки для измельчения пряностей.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи:
- в связи с отсутствием оборудования для низкотемпературного (криогенного) измельчения с поддержанием низкой температуры в рабочей зоне, целесообразно разработать процесс и сконструировать устройство для осуществления данного процесса;
- определить теоретическую основу и методику экспериментального исследования свойств частиц пряностей как объекта измельчения;
- определить характеристики деформационного поведения и прочностные свойства частиц пряностей и сравнить результаты без и с криообработкой;
- поставить и решить задачи теплопереноса в твердой фазе и разработать методику идентификации теплофизических свойств частиц пряностей при криогенной обработке;
- экспериментально исследовать процесс криогенной обработки пряностей и определить теплофизические свойства частиц пряностей при криогенной обработке;
- обосновать конструкцию аппарата для криогенной подготовки пряностей к измельчению;
- разработать и предложить конструкцию измельчителя для пряностей прошедших криогенную подготовку.
Научная новизна диссертации заключается в следующем: дано математическое описание процесса замораживания частиц пряностей при криогенной обработке жидким азотом; разработана методика и проведена идентификация параметров теплофизических свойств пряностей при замораживании; представлено кинетическое уравнением передачи тепла с подвижной границей с использованием функции Хевисайда от координаты и времени; получен комплекс данных по коэффициенту пропорциональности, характеризующему скорость движения границы и коэффициентам температуропроводности плодов перца черного горького обеих зон при криобработке; установлены прочностные свойства плодов перца черного и отмечено существенное снижение характеристик прочности перца в результате криобработки.
Практическая значимость работы заключается в результатах теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили разработать научно обоснованный процесс криогенной подготовки пряностей к измельчению.
Результаты практической разработки и создание экспериментальной установки для криогенной подготовки и измельчения пряностей (заявка на патент РФ на полезную модель «Установка криогенного измельчения пряностей», приоритет от 07.02.2014 № 2014104418) признаны высокоэффективными и приняты Межрегиональным научно-производственным центром «Экстракт-Продукт» для совместной работы по практической реализации на предприятии ООО ”Компания Караван” и предприятиях-заказчиках.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих научных и научно-практических конференциях: XV между-народной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», Барнаул, 2014; Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие современной науки». Уфа,2014; Международной заочной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы», Москва, 2014; Международной заочной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования», Тамбов, 2014.
Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах рекомендованных ВАК при Минобрнауки России. Подана заявка на патент РФ на полезную модель «Установка криогенного измельчения пряностей», приоритет от 07.02.2014 № 2014104418.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 114 страницах, содержит 27 рисунков и 8 таблиц. Список использованных источников включает 127 наименований на русском и иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 5 страницах.
Процесс измельчения твердых материалов
Как в промышленности, так и в лабораторной практике чаще всего применяются следующие типа мельниц: валковые, вращающиеся шаровые, вибрационные, ударные и струйные. Эффективность их работы, экономичность и область дисперсности, в которой они дают лучшие показатели, зависят от таких факторов, как материалы стенок и мелющих тел, размеры и количество шаров. В случае струйного измельчения [1] влияют скорость и запыленность газа. В случае вибрационного измельчения [22] влияют частота и амплитуда колебаний и т. д. Многое определяют сопряженные с мельницей агрегаты загрузки и удаления измельченного материала.
На основании известных в настоящее время данных можно с уверенностью утверждать, что не имеется такого одного типа мельницы, который мог бы всегда и во всех случаях эффективно заменить все другие, даже в сравнительно узкой области дисперсности (более того, можно, по-видимому, показать принципиальную невозможность создания такой универсальной машины). Выбор мельниц для промышленных и исследовательских целей должен осуществляться с учетом конкретных свойств измельчаемого материала и условий его применения.
В самых общих чертах из названных типов мельниц при помоле абразивных материалов вращающаяся шаровая наиболее экономична, она позволяет получать продукт такой же тонкости, что и струйная. Для очень тонкого измельчения предназначены вибрационные мельницы, но измельченный материал в них загрязняется продуктами износа мелющих тел. В струйной мельнице износ минимален, но велики потери материала, уносимого отработанным газом. Мельницы ударного действия, называемые дезинтеграторами, пригодны для измельчения только очень мягких материалов, абразивность которых достаточно мала. Ниже дано более подробное описание конструкций и принципов действия измельчителей этих видов.
Вращающиеся мельницы с мелющими телами являются одним из наиболее распространенных типов измельчителей. Они успешно применяются в горнообогатительной, строительной и химической промышленности [2; 6; 29; 30]. Многие особенности этих мельниц свойственны также вибрационным и планетарным шаровым мельницам.
Вращающиеся шаровые и стержневые мельницы состоят из пустотелого барабана, имеющего торцевые крышки, с полыми цапфами, которые установлены в подшипниках. Помольная камера заполнена мелющими телами (шары, стержни, кремневая галька) и измельчаемым материалом. При вращении помольной камеры мелющие тела увлекаются стенками посредством сил трения и центробежного эффекта, поднимаются на некоторую высоту и падают вниз, измельчая частицы в зоне соприкосновения шаров (или других мелющих тел). Перемещение измельчаемого материала по мельнице осуществляется за счет естественного напора при непрерывной его подаче. При мокром помоле материал увлекается жидкостью. В случае сухого помола через мельницу может продуваться поток воздуха, выносящий более легкие измельченные частицы. Подача горячего воздуха позволяет совместить помол с сушкой.
В расчетах обычно рассматривается шар, увлекаемый силами трения во вращение барабаном мельницы. При движении шара по круговой траектории в некоторой ее точке проекция силы тяжести шара на радиус его вращения вокруг оси мельницы становится равной центробежной силе. Поскольку тангенциальная сила погашается реакцией опоры и сопротивлением последующего ряда шаров того же слоя, шар получает возможность двигаться по круговой траектории под действием собственного веса как тело, брошенное под некоторым углом к горизонту.
На параболическом участке траектории при свободном падении шар обгоняет корпус мельницы. Вследствие этого число ударов шара за единицу времени о нижнюю часть барабана превышает число его оборотов. Работа, затрачиваемая на подъем шара, равная его кинетической энергии в точке падения, и определяет основные технические характеристики барабанной мельницы. Очевидно, что при надлежащем выборе скорости вращения, обеспечивающей необходимый подъем шаров, их кинетическая энергия растет с увеличением диаметра барабана. Однако расчет энергии шара в момент падения осложняется совокупным движением других шаров и измельчаемого материала и может быть выполнен только при допущении ряда упрощающих приближений.
Невозможность повышения энергонапряженности вращающейся мельницы иным путем, кроме как увеличением диаметра, особенно сказывается при сверхтонком измельчении. Максимально достижимая в любой вращающейся мельнице дисперсность пропорциональна ее энергонапряженности. Поэтому вращающаяся шаровая мельница не может быть эффективно применена для тонкого измельчения. Длительность измельчения во вращающихся мельницах лабораторного типа для достижения достаточной дисперсности материала устанавливается иногда в десятки, и даже сотни часов.
Малая энергонапряженность вращающихся мельниц побудила к созданию машин, в которых мелющие тела движутся с ускорениями, значительно превышающими ускорение силы тяжести. Из машин такого рода наибольшее признание и распространение получили вибрационные мельницы [22].
Состояние науки и техники криогенной обработки растительных материалов
Эксперименты по сжатию проводились на установке, позволяющей с постоянной скоростью нагружать единичные плоды перца черного горького вплоть до разрушения (Раздел 2.2). Плоды находились в воздушно сухом состоянии и для экспериментов отбирались случайным образом [10]. Измеряли исходный размер плодов и получали зависимость между силой и деформацией. Статистическая обработка полученных результатов показала отсутствие корреляционных связей между характеристиками поведения деформируемых плодов и их размерами (см. Таблицу 2.1). Статистическая обработка данных таблицы 2.1 позволила определить средний результат поведения деформируемых плодов перца черного горького различных исходных размеров, а так же разброс погрешности деформации в соответствующем доверительном интервале, представленный на рисунке 2.4.
Согласно деформационной диаграмме нагружения, экспериментальные данные, представленные на рисунке 2.4 можно разделить на два участка относительно начала координат: первый – участок упругих деформаций и второй – участок упруго-пластичных деформаций. Участок упругой деформации может быть описан степенной зависимостью вида: (2.17) где - усилие нагружения, Н; - абсолютная деформация, м; - коэффициент пропорциональности. Участок упруго-пластичной деформации может быть описан линейной зависимостью вида: (2.18) где и коэффициенты данной зависимости.
Определение данных коэффициентов, а так же критические точки – значения деформации sк, - перехода от упругого к упруго-пластичному состоянию является необходимым для расчета прочностных характеристик плодов перца черного горького.
Определение коэффициентов , и проводилось с помощью процедуры «Поиск Решения» в программной среде Excel, реализующей подбор параметров с помощью метода наименьших квадратов Ньютона.
В качестве параметра оптимизации было выбрано среднее значение относительных отклонений ряда расчетных данных, полученных с помощью уравнений (2.17) и (2.18), от экспериментальных, которое составило менее 5%. На рисунке 2.5.а представлены экспериментальные данные деформационной диаграммы нагружения плодов перца черного горького на участке упругой деформации и функциональная зависимость уравнения (2.17) с определенным коэффициентом На рисунке 2.5.б представлены экспериментальные данные деформационной диаграммы нагружения плодов перца черного горького на участке упруго-пластичной деформации и функциональная зависимость уравнения (2.18) с определенными коэффициентами и . Критическая точка значения деформации - переход от упругой к упруго-пластичной составила .
С целью использовать уравнения (2.17) и (2.18) с полученными соответствующими коэффициентами для определения числовых значений основных прочностных характеристик плодов перца черного горького приняли среднее значение размера плодов перца черного горького `d=4,9 мм.
Экспериментальные и теоретические кривые зависимости силы от деформации в течение упруго-пластичной деформации параллельны друг другу с небольшим отклонением. Это маленькое отклонение объясняется фактом, что область контакта плода перца при сжатии не была совершенно круглой, и ее определяли приближенно. Для корректировки теоретической кривой к экспериментальным данным поправочный коэффициент k должен быть введен (2.23)
Сравнением между экспериментальной и теоретической кривой установлено значение поправочного коэффициента (k=0.884).
Эксперименты показали, что разрушение плодов перца черного горького происходит в области упруго-пластичной деформации и область пластичной деформации не наступает. Напряжение плодов данного размера, при котором случай поломки, наблюдается не постоянно. Прочностные характеристики плодов носят распределенный случайный характер даже с идентичным процессом нагружения, так как возможны отличия по микро структуре и ориентации, а также возможных дефектов.
Интеграл зависимости «сила – деформация», то есть, площадь под кривой «усилие-деформация» до величины силы разрушения определяет работу разрушения. Для расчета работы разрушения необходимо иметь гладкую безразрывную функцию от начала до деформации в момент разрушения. Для этого необходимо соединить функциональные зависимости упругого и упруго-пластичного состояния деформации, описываемых уравнениями (2.17) и (2.18) для получения функции уравнение (2.24). Соединение функции используется функция «Heaviside Step Functions» в программной среде Mathcad13, что показано на рисунке 3.6. Функция «Heaviside Step Functions» выполняет объединение разрывных функций по интервалу, содержащему неоднородность.
Результаты определения характеристик разрушения плодов перца черного горького
Процесс теплообмена при замораживании пищевых продуктов при криогенной обработке, например, жидким азотом связан с изменением агрегатного состояния жидких компонентов материала и скачкообразным изменением физико-химических свойств в этом процессе [36]. Задача описания такого процесса относится к нелинейной краевой задаче [18], как по параметрам процесса теплопереноса, так и по граничным условиям, связанным с движением фронта промерзания между замерзшей фазой и фазой содержащей жидкие составляющие компоненты.
В связи с моделированием процесса криогенной обработки растительных материалов необходимо разработать методику определения скорости движения фронта замораживания и теплофизических свойств по экспериментальным данным процесса заморозки и разморозки на основе решения задачи теплопроводности с подвижной границей [11]. В начале рассмотрим упрощенную формулировку этой задачи, предполагая, что при погружении продукта в жидкий азот температура на его поверхности снижается до температуры среды – температуры кипения жидкого азота и поддерживается таковой в течение всего процесса. Учитывая, что в данной задаче используется граничное условие первого рода, данное допущение является реалистичным для начальной стадии процесса. В этом случае процесс промерзания описывается уравнениями теплопередачи в пористой полуограниченной пластине заполненной водной фазой, одна из сторон которой скачкообразно охлаждается до температуры среды. Процесс переноса тепла в глубь продукта описывается следующим образом.
В начальный момент времени (t=0 сек) температура на поверхности продукта опускается до температуры криогенной среды (для жидкого азота Tc=77 K), которая за счет интенсивного теплообмена с внешней средой остается постоянной и значительно более низкой, чем температура замерзания (Tz=272,7 K), которая рассчитывается с учетом температурной депрессии по формуле [115]:
В результате образуется промерзший слой переменной толщины x(t), нижняя граница которого имеет температуру замерзания (Tz), а верхняя – температуру среды (Tc). На этой границе происходит фазовый переход капиллярно-жидкой воды в лёд с поглощением тепла равного теплоте фазового перехода (r=335 кДж/кг). Учитывая, что в начальный момент времени температура материала равна её начальной температуре (To=298 K), то контроль адекватности принятых допущений можно вести по изменению температуры в центре материала, что соответствует её эффективному радиусу (reff), определяемому как отношение объема частицы к её площади. Для малых времен промерзания можно считать, что разность T(reff,t)(Ґ,t) стремится к 0 при малых t.
Полученные значения этих производных вместе с производной (3.21) подставим в условие сопряжения фаз (3.8) и после умножения правой и левой части на t1/2 получаем характеристическое уравнение для расчета параметра b
Для проверки методики необходим объект, для которого возможно получить надежные экспериментальные данные (объект должен иметь весь набор теплофизических свойств). В данной работе использовали результаты экспериментального исследования процесса замораживания клубники в качестве «объекта моделирования заморозки» (ОМЗ) [38], в которых удалось измерить скорость продвижения фронта промерзания и основным замерзающим компонентом является вода. Данный ОМЗ выбран исключительно для исследования основных тенденций теоретических изысканий, подтверждения предлагаемых методик оценки свойств растительного сырья при криогенной обработке. Полученные результаты дадут основания для перехода к развитию теоретических изысканий применимых для пряностей, в частности перца черного горького. Решение уравнения (3.22) в аналитическом виде затруднено из-за наличия неаналитических функций erf(u) и erfc(u). Поэтому для численного решения использовали теплофизические параметры влагосодержащего продукта (ОМЗ), рассчитанные по уравнениям [115]:
Анализ конструкции аппарата криогенного измельчения пряностей
На основании проведенных исследований разработана установка криогенного измельчения пряностей, которая работает по предлагаемому непрерывному способу обработки растительного материала (заявка на полезную модель «Установка криогенного измельчения пряностей», приоритет от 07.02.2014 № 2014104418).
Устройство криогенного измельчения пряностей, включающая в себя последовательно соединенные дозатор-питатель, камера криогенной обработки и измельчитель, а также устройство подачи жидкого криоагента, отличающаяся тем, что дозатор-питатель, камера криогенной обработки и измельчитель соединены путем использования патрубков, в качестве устройства подачи криоагента содержит резервуар в виде сосуда Дьюара с компрессором, а камера криогенной обработки выполнена термоизолированной и снабжена спиральными транспортерами с возможностью вращения, установленными в два яруса, при этом днище корпуса верхнего яруса перфорированное с отверстиями диаметра меньшим размеров исходных частиц пряностей, а по оси нижнего яруса расположена неподвижная перфорированная трубка соединенная с резервуаром для жидкого криоагента.
В данном техническом решении применение помещения установки в замкнутый теплоизолирующий кожух и возврат паров криоагента направлены на сокращение расхода криоагента, однако этот возврат относительно теплых паров криоагента требует дополнительных затрат энергии на циркуляцию паров в установке и снижению их температуры, а применение термоизолирующего кожуха затрудняет обслуживание установки.
Основной задачей, решаемой в предлагаемой конструкции, является разработка устройства криогенного измельчения пряностей обеспечивающей качество помола при снижении затрат криоагента.
Техническим результатом является обеспечение равномерного помола и снижение потерь летучих масел в получаемых пряностях.
Технический результат достигается тем, что камера криогенной обработки термоизолированная, 2-х ярусная с установленными в каждом ярусе вращающимися спиральными транспортерами, днище корпуса верхнего яруса, перфорированное с отверстиями диаметра меньшим размером исходных частиц пряностей, а по оси нижнего яруса расположена неподвижная перфорированная трубка, соединенная с резервуаром для жидкого криоагента.
Сущность устройства в применении двухстадийного криогенного охлаждения исходного зернистого пряного сырья – на первой стадии охлаждение производится парами криоагента, на второй – жидким криоагентом. Пары криоагента на первую стадию поступают со второй стадией, где они образовались при контакте жидкого креоагента с зернистым пряным сырьем, предварительно охлажденным на первой стадии. Таким образом, в заявляемом криогенном устройстве реализуется наиболее эффективный противоточный процесс теплообмена. На рисунке 4.5 представлена схема устройства криогенного измельчения пряностей. На рисунке 4.6 представлена конструкция камеры криогенной обработки. Устройство криогенного измельчения пряностей (рис. 4.5) состоит из камеры криогенной обработки 1, дозатор-питателя 2, привода транспортеров 3, сосуда Дьюара 4, компрессора 5, измельчителя 6 с приводом 7. Все это закреплено на раме 8.
Устройство криогенного измельчения работает следующим образом. Продукт подается дозатором-питателем 2 в камеру криогенной обработки 1, являющейся 2-х ярусной со спиральными транспортными шнеками, вращающимися от привода 3, где происходит транспортирование материала последовательно в обоих ярусах. Компрессор 4 нагнетает воздух в сосуд Дьюара 6 для увеличения давления, и за счет этого жидкий азот из нижней части сосуда подается через трубопровод в камеру криогенной обработки 1. Из камеры криогенной обработки 1 материал попадает в измельчитель 6 с приводом 7. Все элементы установки закреплены на раме 8.
Камера криогенной обработки (рис 4.6) состоит из корпуса 1, шнека 2, крышки резервного сброса паров азота 3, трубки подачи жидкого азота 4, звездочки 5 и втулки 6. Работает камера криогенной обработки следующим образом. Обрабатываемый материал поступает в верхний ярус корпуса 1. Спиральные транспортные шнеки 2 перемещают материал последовательно сначала в верхнем ярусе, затем в нижнем. Привод шнеков 2 осуществляется цепной передачей на звездочки 5. Перфорированная трубка подачи жидкого азота 4, расположенная по оси нижнего яруса соединена с сосудом Дьюара и закреплена во втулке 6.
Жидкий азот, поступив в трубку 4 через отверстия в ней, распыляется на перемещаемый слой материала и частично попадает в измельчитель. Образовавшиеся при контакте с охлаждаемым материалом в нижнем ярусе пары азота проходят через перфорированное днище верхнего яруса и контактируют с перемещаемым слоем поступившего на охлаждение материалом, при этом происходит теплообмен и начинается охлаждение материала.
