Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и техники сублимационной сушки пищевых продуктов 11
1.1. Анализ исследований процессов гранулирования и
сублимационной сушки жидких и пастообразных пищевых продуктов 11
1.1.1. Обзор результатов исследований по сублимационной сушке гранулированных материалов 13
1.1.2. Обзорный анализ фракционно-дисперсного материала, состоящего из частиц произвольной формы 17
1.1.3. Анализ количественной оценки распределения пластин- чешуек по размерам в общей массе полидисперсного материала 21
1.2. Вакуумное сублимационное обезвоживание при различных видах энергоподвода 25
1.3. Анализ экспериментальных и теоретических работ по интенсификации процесса сублимационной сушки 31
1.3.1. Физические основы интенсификации процесса сублимационной сушки 32
1.3.2 Сублимационная сушка материала в тонком слое 38
1.4. Анализ существующий конструкций вакуум-сублимационных сушильных установок с различными способами ввода продукта 43
1.5. Обоснование выбора экстракта стевии («стевиозод») как объекта сушки 54
1.6. Цель и задачи исследований 66
Глава 2. Исследование основных характеристик «стевиозида» как объекта вакуум — сублимационной сушки 68
2.1. Определение криоскопической температуры и количества вымороженной влаги 68
2.2. Определение динамической вязкости экстракта стевии 74
2.3. Определение коэффициента поверхностного натяжения экстракта стевии 78
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса вакуум — сублимационной сушки системы распыла 80
3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов 80
3.1.1. Описание вакуум - сублимационной установки 80
3.1.2. Описание распиливающего модуля 83
3.2. Изучение процесса вакуум - сублимационной сушки при ИК - энергоподводе 86
3.2.1. Сушка под действием ИК-излучения 8 8
3.3. Изучение кинетики процесса вакуум-сублимационной сушки экстракта стевии системы распыла 89
3.4. Определение оптимальных параметров работы сушилки 95
3.5. Выбор компромиссных решений задачи оптимизации процесса 100
Глава 4. Математическое моделирование тепло- массообмена и разрушения капель раствора стевиозида при сублимационной сушке 109
4.1. Общие замечания 109
4.2. Подача гетерогенной смеси в вакуумную камеру 111
4.3. Определение среднечисленного размера капель 114
4.4. Идентификация толщины твёрдой фазы частицы 116
4.5. Определение напряжений для полей среды 121
Глава 5. Практическое применение результатов исследований 125
5.1. Устройство для распыления жидкого продукта в вакуум - сублимационной сушилке 125
5.2. Устройство для распыления жидкого продукта в вакуум — сублимационной сушилке 128
Глава 6. Бизнес планирование реализации инновационного проекта 133
6.1. Резюме 133
6. 2. Описание отрасли и предприятия 134
6. 3. Характеристика услуг и продукции 137
6. 4. Конкуренция и конкурентное преимущество 140
6. 5. План производства 141
6.6. План материально-технического обеспечения и капитальных вложений 143
6.7. Организационный план 146
6.8. Финансовый план 149
6.9. Потенциальные риски 151
6.10. Анализ чувствительности проекта 152
Основные выводы и результаты проекта 154
Библиографический список 155
Приложение А
- Обзор результатов исследований по сублимационной сушке гранулированных материалов
- Определение динамической вязкости экстракта стевии
- Описание вакуум - сублимационной установки
- Подача гетерогенной смеси в вакуумную камеру
Введение к работе
При длительных сроках хранения и максимального сбережения качественных показателей термолабильных составляющих разнообразных продуктов и сред пищевого и фармацевтического назначения наиболее целесообразным видится применение прогрессивного метода консервирования термолабильных материалов, а именно вакуум-сублимационной сушки, путем обезвоживания до влажности 2,4...3,6 % которая позволяет обеспечить максимальное сохранение большинства нативных свойств пищевых продуктов, биологических материалов и медицинских препаратов в процессе их длительного хранения.
Основным препятствием для широкого внедрения сублимационной сушки в пищевую промышленность является сравнительно высокая себестоимость получаемых продуктов за счет длительности процесса, использование одного источника энергии, который в разные периоды сушки работает неэффективно, а так же высокая энергоемкость технологического процесса. Поэтому, создание новых сушильных технологий для комплексной переработки сельскохозяйственного сырья с использованием энергосберегающих электротехнологий, является актуальной задачей подъема народного хозяйства России, что составляет научную проблему.
Разработка наиболее ценных по вкусовым и пищевым качествам продуктов питания относится к числу важнейших направлений развития современной науки и производства, как в Российской Федерации, так и во всем мире. Одной из задач этого направления является замена сахара сладкими некалорийными веществами.
Существующая проблема массового заболевания взрослого населения и детей сахарным диабетом, ожирением и массой других недугов из-за нарушения углеводного обмена в организме, развитие кариеса зубов у детей требует использования подсластителей в производстве продуктов диетического и диабетического назначения.
Искусственные подсластители широко представлены в составе кондитерских и молочных продуктов, безалкогольных и алкогольных напитков, десертов и легких закусок, жевательной резинки и др. Вопреки заявлениям производителей ни один из этих продуктов не вправе рассчитывать на "зеленый свет" в мир здоровой пищи. То, что употребление в пишу, искусственных подсластителей: аспартама, сахарина и ацесульфама связано с риском для здоровья, подтверждено научно. Поэтому в рамках исследования продукта, как объекта сушки нами предлагается природный сахарозаменитель стевиозид сладость которого в 300 раз превосходит сладость сахарозы. Кроме того, листья стевии содержат полисахариды, пектины, витамины А, С, Е и Р, микроэлементы - К, Са, Mg, Zn и Fe, 17 аминокислот(в том числе 8 незаменимых), протеин, клетчатку и др. полезные вещества, обладающие нестабильным поведением или инактивацией при воздействии на них высокой температуры. Многочисленные исследования показали, что при регулярном употреблении стевиозида снижается содержание сахара, радионуклидов и холестерина в организме, улучшается регенерация клеток и коагуляция крови, тормозится рост новообразований, укрепляются кровеносные сосуды. Отмечены также желчегонное, противовоспалительное и диуретическое действия. Стевиозид препятствует образованию язв в желудочно-кишечном тракте. Ацетилсалициловая кислота, бутадион и другие противовоспалительные лекарства, принимаемые совместно со стевией, не оказывают повреждающего воздействия на стенки желудка. Поэтому производство и широкое применение природных сахарозаменителей является актуальной задачей охраны здоровья граждан РФ. Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является повышение эффективности вакуум - сублимационной сушки экстракта стевии на основе разработки устройства для непосредственного ввода жидкого продукта в вакуумную камеру и определение рациональных режимов ведения процесса.
Для достижения цели решались следующие задачи:
- экспериментальное исследование и обобщение теплофизических и физико-химических характеристик стевиозида как объекта сушки;
- разработка энергосберегающего способа сушки жидких продуктов и устройства для его реализации;
- анализ процесса сублимационной сушки стевиозида для выбора рациональных режимов и его оптимизации;
- синтез математической модели явлений переноса при непосредственном распылении экстракта стевии в вакуумную камеру;
- создание бизнес — плана инновационного проекта.
Научная новизна.
- получены тепло — физические и физико-химические свойства экстракта стевии при низких температурах позволяющие обосновать способ и конструкцию вакуум - сублимационной сушилки;
- разработаны способ и устройство вакуум - сублимационной сушки, позволяющие снизить энергоемкость процесса путем использования модуля, обеспечивающего непосредственный ввод жидкого продукта в вакуумную камеру;
- установлены кинетические закономерности процесса сублимационного обезвоживания экстракта стевии, позволяющие установить взаимосвязь скорости сушки с модулем диспергирования жидкой среды;
- найдены оптимальные режимы сушки экстракта стевии с точки зрения минимизации энергозатрат и разработаны математические модели явлений переноса в вакуумной камере. Практическая значимость. Разработан способ получения сублимированного стевиозида. Установлены рациональные режимы гранулирования и сублимационной сушки жидких продуктов. Разработана оригинальная конструкция вакуум-сублимационной сушильной установки с модулем распыла. Предложена методика расчета плотности потока ИК-излучения при испарительном самозамораживании жидких термолабильных продуктов. Синтезирована математическая модель кинетики процесса затвердевания капель раствора стевии и их разрушении под действием разности давлений позволяющее прогнозировать геометрические размеры проектируемых установок для сушки.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2007139185, №2007142869,2007133765.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2005 по 2008 гг.).
Результаты работы экспонировались на постоянно действующих межрегиональных выставках г. Воронеж: «инновации - 2006»; «Промышленный форум 2008»; «Конкурс инновационных проектов 2008»; «2я всероссийская выставка ярмарка 2005» г. Новочеркасск.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ из ни 2 в реферируемых изданиях РФ, в том числе получено 2 патент Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 136 наименований. Приложения к диссертации представлены на 6 страницах.
Обзор результатов исследований по сублимационной сушке гранулированных материалов
В настоящие время известен ряд отечественных и зарубежных работ, в которых изучалась сублимационная сушка дисперсных материалов в вакууме при различных условиях организации процесса.
Так, в работе В.В. Илюхина анализируется влияние масштабного фактора на интенсивность сублимационной сушки. Моделью исследований являлись отдельно взятые сферические гранулы мясного фарша со средним диаметром от 7,3-10"3 до 22,3 -10-3 м, к которым осуществлялся радиационный энергоподвод. Полученные параболические зависимости длительности сушки тк от величины диаметра d в виде xK=C-d2, где С - экспериментальный коэффициент. Автором делается вывод, что уменьшение размера гранул с целью интенсификации процесса сублимационной сушки является рациональным. В идеале целесообразно уменьшение определяющего размера до величины, равной толщине зоны сублимации.
Исследование тепло- и массообмена в процессе сушки сферических гранул мясного фарша при радиационном энергоподводе проводили H.J. Hoge и M.N. Pilsuorth. Авторами разработана аналитическая модель процесса сушки отдельно взятой гранулы. Получены уравнения для расчета длительности сублимации с учетом прогрева высыхающего материала по мере углубления фронта фазового перехода.
Теоретическое и экспериментальное изучение сублимационной сушки гранулированного материала в условиях высокотемпературного радиационного энергоподвода выполнено И.Л. Аксельродом. В частности, им установлено, что чем меньше зерна сушимого материала, тем быстрее интенсивность прошедшего через слой излучения достигает максимального значения, которое соответствует полному испарению. В качестве модельного тела был использован слой гранулированного нафталина. При проведении экспериментов применялись гранулы диаметром от 0,16-Ю-3 до 1 10 3м.
Экспериментальное исследование процесса сушки мясных гранул в условии их вибрационного перемешивания выполнено В.И. Цюпой. Сделан вывод о целесообразности максимального измельчения продукта перед сублимационной сушкой.
Вопросу влияния масштабного фактора и формы тела на интенсивность процесса сублимационного обезвоживания посвящен ряд работ А.С. Гинзбурга и Б.М. Ляховицкого. Объектом исследований являлись тела из нафталина, имевшие различную форму (конус, пластина, шар, призма). Образцы закрепляли на специальном каркасе и помещали в вакуумную камеру. Характерный размер образцов был равен (70-г 100)-10"3м. В результате проведенных экспериментов установлено, что форма и взаимное расположение тел влияют на процесс сублимации. Наибольшая интенсивность обезвоживания достигается у тел конической формы, далее следуют пластина и шар [66].
Значительные исследования сублимационного обезвоживания гранулированных продуктов проведены во МНИИППе (г. Кишинев) под руководством В.Г. Поповского [112 - 115 и др.]. Объектом исследований являлись дисперсные материалы, состоящие из частиц, получаемых путем дробления замороженных блоков фруктовых соков и паст. В качестве обобщающего критерия гранулометрического состава выбиралась масса гранулированного материала в состоянии свободной засыпки (насыпная масса, кг/м ). В зависимости от величины принятого критерия определена длительность процесса сушки и производительность сублимационной установки. Экспериментально найдено, что производительность достигает максимума присушке гранулированного сырья с насыпной массой 650 кг/г. В качестве оптимальной величины насыпной массы гранулированного продукта указаны следующие значения 750 кг/м р{ 550 кг/м .
Рекомендуемые величины Pj найдены авторами эмпирически и по этой причине не могут быть без дополнительных исследований применены для материалов и условий сушки, отличных от рассматриваемых в [20].
Отмечена перспективность непрерывного способа замораживания фруктовых пюре для сублимационной сушки на грануляторе «Л-200» (гранулятор с охлаждаемым барабаном), продукт замораживался в тонком слое (о,4-1(Г3) м, а затем скалывался в виде отдельных пластин со средним размером (5х10)-10"3м [105]. Насыпная масса такого материала составляет 300-г-350 кг/м , длительность сушки его сокращается на 30 % в сравнении с обезвоживанием в сплошном слое.
Ниже нами будет показано, что для экономически эффективной работы подобных аппаратов замораживания, их режим и размер частиц (пластин-чешуек) должны выбираться только на основании комплексного анализа. Необходимо, во-первых, определить влияние толщины слоя замораживаемого сырья на производительность самого гранулятора и себестоимость гранулирования. Во-вторых, требуется найти зависимость между характеристиками получаемого дисперсного материала (толщина частиц, насыпная масса, эффективная теплопроводность и т. д.), длительностью сушки и производительностью сублимационной установки. Критерием оптимизации в таком анализе могут быть выбраны приведенные затраты на процесс сублимационного консервирования в целом.
Исследования, которые провели G.W. Oetjen и H.J. Eilenberg позволили им получить некоторые аналитические зависимости, связывающие тепло- и массопроводные свойства гранулированного сырья и параметры процесса сушки [135]. Рассматривался процесс сублимации слоя гранулированного материала при кондуктивном подводе тепла от плиты с жидким теплоносителем. В качестве фактора, интенсифицирующего сублимационную сушку, авторами предлагается механическое перемешивание слоя гранул. Показано, что оптимальным является перемешивание с частотой порядка одного раза в секунду. Итак, анализ приведенных выше работ позволяет сделать следующие выводы: в настоящее время достаточно изучены закономерности тепломассопереноса при сушке отдельно взятых гранул правильной геометрической формы; показана принципиальная возможность интенсификации (по длительности) процесса сублимационного обезвоживания при использовании гранулированного сырья; получены практические рекомендации по выбору параметров процесса сушки гранул в условиях механического или вибрационного их перемешивания; для решения вопроса об экономической эффективности внедрения операции гранулирования в технологический процесс сублимационного консервирования требуется дальнейшее изучение влияния формы и размера частиц, их укладки, условий сушки на производительность сублимационной установки. Эти исследования должны быть выполнены для случаев обезвоживания сырья в неподвижном слое гранул.
Определение динамической вязкости экстракта стевии
Вязкость — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение вязкости приходится учитывать при переходе и перетекании жидкостей по трубам, через отверстия и т. д. Знание вязкости позволяет нам судить о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов.
В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения.
Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер, г\ - динамическая вязкость увеличивается в десятки и сотни раз.
Вязкость жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т. д.) вязкость изменяется закономерно — возрастает с возрастанием молекулярной массы.
Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение вязкости. При течении «структурированной» жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной (ньютоновской) вязкости, но и на разрушение структуры.
Определение вязкости экстракта стевии было осуществлено при помощи вибровискозиметра SV-10 представленного на рис. 2.5.
Вибровискозиметр SV-10 предназначен для измерения динамической вязкости различных жидкостей в химической, нефтяной, пищевой, фармацевтической, парфюмерной и других отраслях промышленности, а также для научных исследований. Принцип действия его основан на зависимости мощности, которая затрачивается на возбуждение вибрации двух тонких сенсорных пластин с частотой 30 Гц и постоянной амплитудой около 1 мм, от вязкости жидкости. Указанный принцип, реализованный в приборе, позволяет проводить измерения во всем диапазоне без замены сенсорных пластин. Сенсор, представляющий тонкую пластину, не деформирует структуру образца. Таким образом, возможно стабильное измерение не ньютоновских жидкостей. Кроме того, можно измерить вязкость образца, содержащего пузырьки, не разрушая их.
Вибровискозиметр состоит из измерительного блока и блока управления с цифровым дисплеем. В приборе установлен температурный датчик, обеспечивающий измерения температуры исследуемой жидкости. На рис 2.6 представлена зависимость динамической вязкости по времени экстракта стевии при начальной влажности 312, 617 и 943 % Из анализа кривых видно, что при увеличении влажности образца коэффициент вязкости с ростом температуры снижается несколько динамичней, кривая имеет более выпуклый характер, обуславливается это межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул.
Для подвода теплоты к продукту нами был осуществлен комбинированный энергоподвод. Став уже классическим кондуктивный способ подачи теплоты с одной стороны, обеспечивая теплообмен с нижними слоями диспергированной насыпной массы продукта, и коротковлновое ИК — излучение с другой. В свою очередь ИК источник обеспечивает квантовый перенос теплоты к продукту, а проникающая способность излучения (порядка 4- 12мм) обеспечивает теплообмен с верхними и средними слоями сформированных гранул.
Для обеспечения ИК- энергоподвода использованы источники фирмы DAEWOO марки 2М 218J. Регулирование мощности осуществляли с помощью двух тиристоров марки КУ 208Г, включенных последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора. Сигнал управления тиристорами вырабатывается специальной электронной схемой. Диапазон регулирования мощности от 20 до 100 %.
ВН-250 7 с маслоотделителем и ресивером 6, который откачивает из испарителя 4 насыщенный пар хладагента. Перед компрессором 7 во всасывающем трубопроводе происходит перегрев пара в теплообменнике 16 типа «труба в трубе», что приводит к увеличению работы сжатия, конечной температуры нагнетания и тепловой нагрузки на воздушный конденсатор 8. Перегрев пара перед компрессором необходим также для безопасной работы холодильной машины.
Горячий пар после сжатия компрессором 7 поступает в воздушный конденсатор с принудительным охлаждением 8, где охлаждается до температуры насыщения, и в результате конденсации превращается в жидкость. Далее проходя через фильтр-осушитель 10 и теплообменник 16 где от жидкого хладагента отделяется влага и он переохлаждается, попадает в терморегулирующий вентиль и далее в испаритель 4.
Описание вакуум - сублимационной установки
Экспериментальные исследования процесса вакуум-сублимационной сушки проводились на установке периодического действия с распыливающим модулем, созданной на кафедре машин и аппаратов пищевых производств Воронежской государственной технологической академии, оснащенной необходимыми контрольно-измерительными приборами и приспособлениями.
Сушилка, изображенная на рис. 3.1 и 3.2, представляет собой герметичную камеру 1 с крышкой 3, в которой есть смотровые окна. Десублиматор 4, расположенный внутри камеры, выполнен в виде трубчатого змеевика и отделен от камеры ребристым экраном, причём внутренняя поверхность десублиматора омываться фреоном, подаваемым холодильной машиной 7 через воздушный конденсатор 8, ресивер 6, переохладитель 16 и терморегулирующий вентиль 17.
Внутри камеры сушилки 1 на подставке расположены весы 2 марки ВЛК-500, необходимые для изучения кинетики процесса сушки.
Для подвода теплоты к продукту нами был осуществлен комбинированный энергоподвод. Став уже классическим кондуктивный способ подачи теплоты с одной стороны, обеспечивая теплообмен с нижними слоями диспергированной насыпной массы продукта, и коротковлновое ИК — излучение с другой. В свою очередь ИК источник обеспечивает квантовый перенос теплоты к продукту, а проникающая способность излучения (порядка 4- 12мм) обеспечивает теплообмен с верхними и средними слоями сформированных гранул.
Для обеспечения ИК- энергоподвода использованы источники фирмы DAEWOO марки 2М 218J. Регулирование мощности осуществляли с помощью двух тиристоров марки КУ 208Г, включенных последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора. Сигнал управления тиристорами вырабатывается специальной электронной схемой. Диапазон регулирования мощности от 20 до 100 %.
Температура высушиваемого продукта и десублиматора определяется при помощи хромель-копелевых термопар. Все термопары через герметичный разъем подключены к измерителю- регулятору ТРМ138 11 фирмы «Овен». Все параметры сушки контролируются, стенографируются и регулируются ПЭВМ 12 при помощи ТРМ138 через преобразователь интерфейса АСЗ.
В камере сушилки при давлении ниже давления тройной точки для воды контроль остаточного давления осуществляется термоэлектрическим вакуумметром модели ВТ-2А.
Основой холодильной машины вакуум-сублимационной установки является одноступенчатый холодильный агрегат
ВН-250 7 с маслоотделителем и ресивером 6, который откачивает из испарителя 4 насыщенный пар хладагента. Перед компрессором 7 во всасывающем трубопроводе происходит перегрев пара в теплообменнике 16 типа «труба в трубе», что приводит к увеличению работы сжатия, конечной температуры нагнетания и тепловой нагрузки на воздушный конденсатор 8. Перегрев пара перед компрессором необходим также для безопасной работы холодильной машины.
Горячий пар после сжатия компрессором 7 поступает в воздушный конденсатор с принудительным охлаждением 8, где охлаждается до температуры насыщения, и в результате конденсации превращается в жидкость. Далее проходя через фильтр-осушитель 10 и теплообменник 16 где от жидкого хладагента отделяется влага и он переохлаждается, попадает в терморегулирующий вентиль и далее в испаритель 4.
Жидкий продукт через распыливающий модуль 18, диспергируется в вакуумированный объем камеры, образуя на поддоне насыпной гранулированный слой. Устройство для распыления жидкого продукта в вакуум-сублимационной сушилке изображенной на рис. 3.3 состоит из испарительной камеры 1, выполненной в виде циклона, с установленным по касательной патрубком 2 для ввода жидкого продукта. По центру камеры имеется патрубок отвода пара 3. Переходным каналом 4 испарительная камера соединена с соплом устройства для распыления жидкого продукта. Переходной канал снабжен эластичной диафрагмой 5, являющейся внутренней стенкой кольцевой камеры 6 подвода газа (жидкости). Конфуз орная часть сопла 8 снабжена регулируемым кольцевым каналом 7 подвода пара (газа), направленным по касательной к образующей сопла. Поверхность сопла 8 ниже кольцевого канала 7 выполнена в виде жалюзи из пластин, установленных по образующей сопла. Щели жалюзи установлены по касательной в направлении вращения продукта в испарительной камере. Сопло снабжено внешней паровой камерой 9, соединенной трубопроводом 10 с патрубком отвода пара 3 из испарительной камеры 1. Трубопровод 10 снабжен патрубком 11 подвода инертного газа.
Работа устройства заключается в следующем, жидкий продукт по патрубку 2 по касательной вводится в испарительную камеру 1, где поддерживается давление выше тройной точки. В испарительной камере продукт приобретает вращательное движение и интенсивно испаряется, пар удаляется через патрубок 3. Затем вращающийся продукт проходит по камера \. Рис. 3.3. Схема экспериментального устройства для распыления жидкого продукта в вакуум - сублимационной сушилке: 1 - испарительная камера; 2 - патрубок ввода продукта; 3 - патрубок отвода пара; 4 - переходной канал; 5 — диафрагма; 6 - кольцевая камера; 7 - кольцевой канал; 8 - сопло; 9 - кольцевая камера; 10 - трубопровод; 11 - патрубок подвода газа; 12 — греющие элементы переходному каналу 4 в сопло. Сечение кольцевого канала регулируется эластичной диафрагмой 5 путем изменения давления газа (жидкости) в кольцевой камере 6. Вследствие потери напора в переходном канале давление жидкости на входе в сопло меньше, чем в испарительной камере. Пар из испарительной камеры по трубопроводу 10 поступает в кольцевую камеру 9, а затем через кольцевой канал 7 - в конфузорную часть сопла по касательной к образующей. Кольцевой канал 7 разделяет зоны с давлениями выше тройной точки в конфузорной части сопла и ниже. Пар образует «прилипший» слой, толщина которого зависит от разницы статических давлений пара в кольцевой камере 9 и во вращающемся потоке жидкости.
Данное явление было использовано нами для образования пограничного слоя при обтекании поверхности тела потоком газа, во избежании непосредственного контакта продукта со стенками сопла при прохождении зоны повышенного перепада давления (устройство ввода -вакуумированный объем). У самой поверхности частички газа прилипают к твердому телу (сопло) где их скорость движения равна нулю. Этот прилипший к поверхности слой имеет бесконечно малую толщину. Около «прилипшего», слоя газа вследстивие действия сил вязкости образуется слой заторможенного газа толщиной х, в котором скорость изменяется от нуля до скорости потока вдали от тела, т. е. до скорости внешнего потока. Этот слой заторможенного газа около поверхности называют динамическим пограничным слоем. Так же при обтекании поверхности газом поток испытывает сопротивление за счет вязкого трения, имеющего место в реальной среде, что приводит к возникновению перепада давления. Поскольку на приодаление сопротивления расходуется кинетическая энергия потока, принято считать, что сила сопротивления, приходящаяся на единицу длинны, пропорциональна этой величине. как было сказано выше, «прилипший» паровой слой определяет сечение струи, выходящей через сопло жидкости, и изолирует продукт от контакта со стенками сопла.
Подача гетерогенной смеси в вакуумную камеру
Современные технологические приёмы характеризуются энергонасыщенными свойствами широкого термодинамического спектра. Основная задача при проектировании аппаратурного оформления таких процессов как раз и состоит в выборе рациональных режимов функционирования и как следствие снижение металлоёмкости изделий. Для реализации такого подхода необходим оценочный анализ скорости протекания явлений переноса, сопровождающий тот или иной процесс. Очевидно, что эвристический подход идентификации процессных и конструктивных параметров приводит к необходимости проведения большого массива экспериментальных исследований, результаты которых не всегда с успехом могут быть использованы за счёт линейного масштабирования на промышленные объекты в силу существенной нелинейности явлений переноса. А применяемая модель «чёрного ящика» не отражает внутренней структуры и глубинной взаимосвязи протекающих процессов в системе. Более того, обработанные эмпирические данные довольно трудно экстраполировать на другие режимные области процесса из-за отсутствия не только подобающего математического аппарата, но и физических представлений в области экстраполяции параметров.
Сублимационная сушка различных пищевых ингредиентов, являющихся в подавляющем своём большинстве термолабильно-ограниченными, специфической проработки и оценки технических и процессных компонентов [12, 13, 23, 74]. Учитывая, что в настоящее время, несмотря на широкую практику применения этого вида сушки, фундаментальную информативность о качественной стороне происходящих явлений, теоретические формализмы пока ещё не сформулированы до конца. Следует отметить, что хотя набор законов переноса и сохранения классический (закон Фурье, закон Фика, закон сохранения импульса и массы и т.д.), тем не менее вызывает затруднение их формулировки для рассматриваемого вида сушки по причине сопряжённости и существенной нелинейности сопровождающих этот процесс взаимозависимые потоки теплоты и массы.
Основная рабочая гипотеза предлагаемого способа получения порошка стевии из водного раствора состоит в следующей цепочке логических рассуждений. В верхнюю зону камеры подаётся мелкодисперсная жидкая взвесь раствора стевии. При попадании в вакуум , причём неоднородный, т.к. замеры остаточного абсолютного давления по высоте показывают увеличение его с высотой более чем на порядок (с 50 до « 610 Па), капли по мере движения их к дну охлаждаются из-за снижения давления. За счёт этого поверхностный слой капель начинает переохлаждаться и затвердевать с увеличивающейся по толщине ледяной фазы. По мере дальнейшего продвижения капель давление вне их снижается ещё больше, а давление раствора в ледяной оболочке остаётся довольно высоким и по порядку величины соответствует давлению в зоне входа в камеру капель («103 Па). Из-за разности давлений происходит разрушение ледяной оболочки капли. Осколки твёрдой фазы и вновь образуемая твёрдая фаза мелких капель после разрушения целостности капли оседают в мелкодисперсном виде на дно рабочей камеры, существенно увеличивая удельную площадь массообмена при последующем наложении дополнительного механизма энергоподвода для удаления замороженной влаги.
Главный вопрос: каким образом оценить все эти явления и по возможности спрогнозировать размер рабочей камеры для формирования мелкодисперсного слоя частиц твёрдого водяного раствора стевии. Будем считать, что транспортирование аэрозоли осуществляется из одного достаточного большого объёма с давлением р} в другой большой объём с давлением р2 (вакуумная камера) через отверстие, для которого выполнено геометрическое условие l 0,01-d, где / — толщина отверстия, a d — его диаметр. Принятие такого условие означает, что потерь на трение при прохождении смеси незначительны. В нашем случае вакуумную установку можно классифицировать как низковакуумную, и предположить вязкостный режим течения смеси воздух-жидкие капли водного раствора стевии. Очевидно, что объёмная доля жидкостных включений существенно меньше дисперсионной среды.
