Содержание к диссертации
Введение
1. Общие сведения об ёмкостном оборудовании 37
1.1. Назначение ёмкостного оборудования 37
1.2. О значимости гидродинамических, тепловых и реологических исследований при обработке жиросодержащих и других видов пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами 39
1.3. Теоретические предпосылки разработки высокоэффективного ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов 44
1.4. Выводы по первой главе 47
2. Техника и методика обработки данных экспериментальных исследований 49
2.1. Установка для исследований реологических характеристик жиросодержащих и других аномально-вязких пищевых продуктов .49
2.2. Методика обработки реологических характеристик жиросодержащих пищевых продуктов при их различных фазовых состояниях. Обобщённые температурные зависимости вязкости и единые скоростные температурно-инвариантные характеристики исследуемых продуктов 50
2.3. Экспериментальная установка для исследований гидродинамических и тепловых процессов в модели ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов 58
2.4. Методика исследований гидродинамических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов. Специфика проводимых исследований 62
2.5. Выводы по второй главе 64
Исследование реологических характеристик жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами 66
3.1. Общие сведения о пищевых продуктах с аномально-вязкими свойствами 66
3.2. Цель исследований реологических характеристик жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов 73
3.3. Теоретические предпосылки обобщения реологических характеристик отдельных групп жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с наиболее родственными характерными признаками 75
3.4. Кисломолочные напитки
3.4.1. Кисломолочные напитки "Бифидок", "Ряженка" с содержанием жира 2,5%, кефир "Фруктовый", кефир "Детский", "Ряженка" с содержанием жира 4% 76
3.4.2. Обобщённая температурная зависимость эффективной вязкости и единая скоростная температурно-инвариантная характеристика эффективной вязкости кисломолочных напитков. Математическое описание полученных зависимостей 77
3.5 Кисломолочные продукты 83
3.5.1. Сметана с содержанием жира 10%, 15%, 20% и 30% 84
3.5.2. Обобщённая температурная зависимость эффективной вязкости и единая скоростная температурно-инвариантная характеристика эффективной вязкости сметаны с различным содержанием жира. Математическое описание полученных зависимостей 86
3.6. Маргарины 90
3.6.1. Мягкие маргарины "Утро", "Росинка", "Домашний", "Лакомка", "Сливочный 92
3.6.2. Маргарины брусковые "Росинка", "Утро", "Сливочный новый", "Домашний", "Волшебница" 94
3.6.3. Обобщённая температурная зависимость эффективной вязкости и единая скоростная температурно-инвариантная характеристика вязкости мягких и брусковых маргаринов. Математическое описание полученных зависимостей 95
3.7. Майонезы 102
3.7.1. Майонезы "Утро", "Нежко", "Для салатов", "Новый", "Провансаль", "Колибри" и "Лёгкий" 102
3.7.2. Обобщённая температурная зависимость эффективной вязкости и единая скоростная температурно-инвариантная характеристика эффективной вязкости майонезов. Математическое описание полученных зависимостей 105
3.8. Комбинированные жировые продукты — спреды ПО
3.8.1. Спред"Домашний" 111
3.8.2. Спред "Веста" 111
3.9. Мясные студни 113
3.9.1. Мясные студни "Праздничный", "Куриный" и "Домашний" 113
3.9.2. Обобщённая температурная зависимость эффективной вязкости и единая скоростная температурно-инвариантная характеристика эффективной вязкости мясных студней. Математическое описание полученных зависимостей 115
3.10. Кулинарные жиры 120
3.10.1. Кулинарный жир "Сало растительное" 120
3.10.2. Кулинарный жир "Фритюрный" 120
3.11. Пищевые продукты, не содержащие жиров: кетчуп "Шашлычный острый", кетчуп "Сладкий", разжиженная ржаная закваска, раствор хлебной мочки, сок "Овощная смесь", томатный сок 122
3.12. Выводы по третьей главе 124
4. Теоретические основы расчёта расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке вязких жиросодержащих пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами 130
4.1. Состояние вопроса 130
4.2. Гидродинамические особенности обработки жиро содержащих и других вязких пищевых продуктов с аномально-вязкими свойствами в ёмкостном оборудовании. Проблемы перемешивания таких продуктов 132
4.3. Анализ литературных источников по расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов 135
4.4. Математическое моделирование процессов по определению расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами при обработке жиро содержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами 152
4.4.1. Разработка математической модели расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при турбулентном режиме и угле установки лопастей менее 90 —первая модель 154
4.4.2. Разработка математической модели расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа с центральными отражательными лопастями при турбулентном режиме и угле установки лопастей менее 90 167
4.4.3. Разработка математической модели расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при ламинарном режиме и угле установки лопастей не более 15 175
4.4.4. Разработка математической модели расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при ламинарном режиме при угле установки лопастей менее 15 и центральными отражательными лопастями 189
4.4.5. Разработка математической модели для градиента скорости сдвига продукта в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа на основании полуэмпирической теории турбулентного переноса 194
4.4.6. Полу эмпирическая модель расчёта расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при турбулентном режиме и угле установки лопастей менее 90 - вторая модель 198
4.4.7. Разработка математической модели расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при турбулентном режиме и угле установки лопастей 90 205
4.4.8. Разработка математической модели расходуемой энергии при турбулентном режиме в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа с эластичной рабочей кромкой при угле установки лопастей 90208
4.4.9. Сопоставление разработанных математических моделей реальному процессу по расходу энергии и градиенту скорости в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами.210
4.5. Критериальные уравнения для определения расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке сред с ньютоновскими свойствами и жиросодержащих пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами 217
4.6. Выводы по четвёртой главе 222
5. Моделирование расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих пищевых продуктов и других вязких сред 225
5.1. Цель и задачи исследований 225
5.2. Экспериментальные исследования и получение обобщённых уравнений для расчёта расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при обработке жиросодержащих продуктов и вязких сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами 226
5.2.1. Исследования по определению зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного при изотермическом движении модельной среды с ньютоновскими свойствами -раствора глицерина 226
5.2.2. Исследования по определению зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного при неизотермическом движении модельных сред с ньютоновскими свойствами -растворов глицерина 230
5.2.3. Исследования по определению зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного обобщённого при неизотермическом движении модельной среды с неньютоновскими псевдопластичными свойствами - раствора карбоксилметилцеллюлозы 233
5.2.4. Исследования по определению зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного обобщённого при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими
псевдопластичными свойствами - сметаны с содержанием жира
15% 235
5.2.5. Исследования по определению зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного обобщённого при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами - майонеза "Колибри" 237
5.2.6. Исследования по определению зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного обобщённого при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами - кетчупа "Сладкий" 237
5.2.7. Исследования по определению зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного обобщённого при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами — ряженки с содержанием жира 4% 240
5.2.8. Единая зависимость критерия мощности от критерия Рейнольдса центробежного обобщённого при неизотермическом движении жиросодержащих пищевых продуктов и других вязких сред с неньютоновскими псевдопластичными свойствами при ламинарном, переходном и турбулентном течениях в ёмкостном оборудовании с очищающим перемешивающим устройством .242
Экспериментальные исследования и получение обобщённых уравнений для расчёта расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при обработке жиросодержащих пищевых продуктов и других вязких сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными
свойствами 246
5.3.1. Исследования критерия мощности при различном числе лопастей перемешивающих устройств при изотермическом и неизотермическом движении модельных сред с ньютоновскими свойствами — растворов глицерина 246
5.3.2. Исследования критерия мощности при различных геометрических размерах лопастей перемешивающих устройств, изотермическом и неизотермическом движении модельных сред с ньютоновскими свойствами - растворов глицерина 254
5.3.3. Исследования критерия мощности при расположении лопастей перемешивающих устройств под углом 15, неизотермическом движении среды с ньютоновскими свойствами - растворов глицерина 257
5.3.4. Исследования критерия мощности при неизотермическом движении модельной среды с неньютоновскими псевдопластичными свойствами — раствора карбоксилметилцеллюлозы 259
5.3.5. Исследования критерия мощности при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами — сметаны с содержанием жира 15% 261
5.3.6. Исследования критерия мощности при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами - майонеза "Колибри" 261
5.3.7. Исследования критерия мощности при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами - кетчупа "Сладкий" 262
5.3.8. Исследования критерия мощности при неизотермическом движении продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами - ряженки с содержанием жира 4%" 263
5.3.9. Обобщённая зависимость критерия мощности для
жиросодержащих пищевых продуктов и других вязких сред с неньютоновскими псевдопластичными свойствами при их неизотермическом движении в ёмкостном оборудовании с
перемешивающими устройствами шиберного типа 263
5.4. Выводы по пятой главе 266
6. Теоретические основы расчёта теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами 269
6.1. Состояние вопроса. Специфические условия теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов 269
6.2 Анализ литературных источников по теплообмену в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами 271
6.3. Критериальные уравнения теплообмена с учётом диссипации энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами 278
6.4. Математическое моделирование процессов теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неныотоновскими псевдопластичными свойствами 281
6.5. Математическое моделирование процессов теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами 292
6.6. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований по теплоотдаче на стороне обрабатываемого продукта с неньютоновскими псевдопластичными свойствами в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов 295
6.7. Выводы по шестой главе 297
7. Моделирование тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих пищевых продуктов и других вязких сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами. получение обобщённых зависимостей для расчёта тепловых процессов в ёмкостном оборудовании 299
7.1. Задачи исследований 300
7.2. Моделирование тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с
перемешивающими устройствами очищающего типа 301
7.2.1. Экспериментальные исследования теплоотдачи при обработке
модельных сред с неньютоновскими свойствами 301
7.2.2. Установление влияния критерия Рейнольдса на теплоотдачу .302
7.2.3. Установление влияния критерия Прандтля на теплоотдачу 305
7.2.4. Экспериментальные исследования теплоотдачи при обработке
жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов и сред с
неньютоновскими псевдопластичными свойствами 307
7.2.5. Критериальная зависимость теплоотдачи от критерия Прандтля обобщённого 308
7.2.6. Единая обобщённая критериальная зависимость теплоотдачи от критерия Рейнольдса обобщённого для жиросодержащих и других вязких продуктов и сред с неньютоновскими псевдопластичными свойствами при их нагревании и охлаждении в ёмкостном оборудовании с перемешивающими
устройствами очищающего типа 311
7.3. Моделирование тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при обработке жир о содержащих пищевых продуктов и других вязких сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами 322
7.3.1. Экспериментальные исследования теплоотдачи при обработке модельных сред с ньютоновскими свойствами 322
7.3.2. Установление влияния критерия Рейнольдса на теплоотдачу при обработке модельных сред с ньютоновскими свойствами 323
7.3.3. Установление влияния критерия Прандтля обобщённого на теплоотдачу при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов и сред с неньютоновскими псевдопластичными свойствами 324
7.3.4. Экспериментальные исследования теплоотдачи в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов и сред с неньютоновскими псевдопластичными свойствами. Единая обобщённая критериальная зависимость теплоотдачи от критерия Рейнольдса обобщённого. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных 326
7.3.5. Экспериментальные исследования теплоотдачи в ёмкостном оборудовании при различном числе лопастей на перемешивающих устройствах 332
7.3.6. Экспериментальные исследования теплоотдачи в ёмкостном оборудовании при различных геометрических размерах лопастей перемешивающих устройств 335 7.3.7. Экспериментальные исследования теплоотдачи в ёмкостном оборудовании при расположении лопастей перемешивающих
устройств шиберного типа под углом 15 338
7.4. Выводы по седьмой главе 340
8. Новые конструктивные решения ёмкостного оборудования, методики его инженерных расчётов, внедрение результатов исследований, их технико экономическая эффективность и перспективы внедрения результатов исследований 342
8.1. Новые конструктивные решения ёмкостного оборудования для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами 342
8.2. Методы инженерных- расчётов ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами 343
8.3. Внедрение результатов исследований 344
8.4. Технико-экономическая эффективность предложенных решений 346
8.5. Перспективы применения результатов исследований 349
8.6. Выводы по восьмой главе 350
Основные результаты работы и выводы 352
Список литературы
- Теоретические предпосылки разработки высокоэффективного ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов
- Экспериментальная установка для исследований гидродинамических и тепловых процессов в модели ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов
- Обобщённая температурная зависимость эффективной вязкости и единая скоростная температурно-инвариантная характеристика эффективной вязкости кисломолочных напитков. Математическое описание полученных зависимостей
- Математическое моделирование процессов по определению расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами при обработке жиро содержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами
Введение к работе
Актуальность работы. Задачи дальнейшего развития различных отраслей пищевой промышленности могут быть успешно реализованы на основе создания прогрессивных и высокоэффективных технологий. С учётом этого стратегия развития пищевой промышленности тесно связана с оснащением пищевых предприятий высокоэффективной передовой техникой, так как проблема обеспечения населения высококачественными продуктами питания практически не может быть решена без применения совершенного оборудования, в том числе ёмкостного, широко используемого при производстве пищевых продуктов.
Необходимость создания высокоэффективного оборудования для пищевой промышленности отмечают такие известные учёные в области процессов и аппаратов пищевых производств, как Панфилов В.А., Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остриков А.Н., Ураков О.А., Федоткин И.М., Липсман В.С. и другие.
Создание конкурентоспособного ёмкостного оборудования невозможно без всесторонних исследований прогрессивных эффективных способов интенсификации реализуемых гидродинамических и тепловых процессов. Знание закономерностей протекания гидродинамических и тепловых процессов при обработке вязких и аномально-вязких пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании создают теоретическую основу для их интенсификации.
Применение в ёмкостном оборудовании перемешивающих устройств очищающего и шиберного типов открывает большие перспективы интенсификации гидродинамических и тепловых процессов. Такие устройства обеспечивают механическую и гидродинамическую турбулизацию пристенных слоёв обрабатываемых продуктов, имеющих большую вязкость и тем самым оказывающих существенное термическое сопротивление при осуществлении тепловых и гидродинамических процессов.
Изыскание новых способов повышения интенсивности гидродинамических и тепловых процессов на основе научных исследований развития теоретических основ создания прогрессивных и более эффективных видов ёмкостного оборудования составляют весьма важную задачу. В связи с этим проблема установления закономерностей тепловых и гидродинамических процессов, реализуемых в ёмкостном оборудовании и научное обоснование прогрессивных и эффективных способов их интенсификации при обработке вязких жиросодержащих пищевых продуктов, обладающих свойствами неньютоновской псевдопластичной среды, является одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.
Цель работы – выявление общих закономерностей гидродинамических, тепловых и реологических процессов и разработка на этой базе научно-технических основ их интенсификации при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов, а также разработка единого метода расчёта эффективной вязкости для различных групп жиросодержащих продуктов.
Задачи исследований:
– провести комплексные теоретические и экспериментальные исследования гидравлических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов;
– выполнить методами физико-химической механики исследования реологических характеристик жиросодержащих и других пищевых продуктов;
– получить обобщённые реологические характеристики для различных групп жиросодержащих продуктов с однородными свойствами;
– модифицировать применительно к обобщению реологических характеристик жиросодержащих продуктов при их различном фазовом состоянии метод Вильямса, Лендели, Маслова А.М.;
– разработать способы интенсификации гидродинамических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов;
– усовершенствовать теоретические основы расчётов расходуемой энергии и коэффициентов теплоотдачи в ёмкостном оборудовании с предложенными конструкциями перемешивающих устройств;
– разработать математические модели расходуемой энергии, теплообмена и градиента скорости сдвига в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами;
– получить обобщённые критериальные уравнения расходуемой энергии и теплообмена с учётом конструкций перемешивающих устройств и реологических свойств обрабатываемого продукта;
– предложить новые конструктивные решения перемешивающих устройств в ёмкостном оборудовании, обеспечивающих интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов;
– сформулировать на основе системного анализа и совокупности рабочих гипотез концепцию моделирования ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами для тепловой и гидродинамической обработки жиросодержащих и других пищевых продуктов, обеспечивающую интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов, экономию энергетических ресурсов и сокращение продолжительности обработки продуктов.
Концепция работы: В основу научного решения проблемы создания высокоэффективного ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с аномально-вязкими свойствами положены комплексный метод исследований – теоретический и экспериментальный, базирующийся на эффективных способах интенсификации гидродинамических и тепловых процессов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– предложены теоретические основы расчётов расходуемой энергии и теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов, базирующиеся на физическом и математическом моделировании гидродинамических и тепловых процессов;
– разработаны способы интенсификации гидродинамических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании, защищённые авторскими свидетельствами;
– разработаны математические модели расходуемой энергии, теплообмена и градиента скорости сдвига в ёмкостном оборудовании, учитывающие конструктивные особенности перемешивающих устройств и реологические свойства обрабатываемого продукта;
– предложены обобщённые критериальные уравнения расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании для ламинарного, переходного и турбулентного течений, учитывающие влияние конструктивных и кинематических параметров перемешивающих устройств очищающего и шиберного типов на потребляемую мощность;
– установлен различный характер движения ньютоновских и неньютоновских сред с псевдопластичными свойствами при перемешивании их в ёмкостном оборудовании в ламинарной и переходной областях;
– выполнены исследования реологических характеристик жиросодержащих и других пищевых продуктов, на основании которых получены обобщённые реологические характеристики для различных групп жиросодержащих продуктов с однородными свойствами;
– модифицирован применительно к обобщению реологических характеристик жиросодержащих продуктов при их различном фазовом состоянии метод Вильямса, Лендели, Маслова А.М.;
– получены на основе теории подобия обобщённые критериальные уравнения теплообмена, что позволило установить степень влияния обобщённых критериев Рейнольдса и Прандтля на теплоотдачу и рекомендовать полученные уравнения для расчёта тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами;
– разработаны теоретические основы расчётов расходуемой энергии и теплообмена в ёмкостном оборудовании на базе физического анализа гидродинамических и тепловых процессов и их математического моделирования с учётом конструкций перемешивающих устройств и свойств обрабатываемого продукта;
– предложены новые конструктивные решения перемешивающих устройств в ёмкостном оборудовании, обеспечивающие интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов;
– сформулирована на основе системного анализа и совокупности рабочих гипотез концепция моделирования ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами для тепловой и гидродинамической обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов, обеспечивающая интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов, экономию энергетических ресурсов и сокращение продолжительности обработки продуктов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Системный подход к созданию высокоэффективного ёмкостного оборудования для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами.
Закономерности протекания гидродинамических и тепловых процессов и на их основании разработанные научно-технические положения интенсификации при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа.
Математические модели гидродинамических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании для различных конструкций перемешивающих устройств.
Обобщённые критериальные уравнения мощности и теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами.
Специфика гидродинамических потоков в ёмкостном оборудовании при обработке сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами.
Новые экспериментальные реологические характеристики жиросодержащих продуктов при их различных фазовых состояниях, полученные методами физико-химической механики.
Единые температурные зависимости и единые скоростные температурно-инвариантные характеристики эффективной вязкости для каждой из пяти обобщённых групп жиросодержащих продуктов и математическое описание этих зависимостей.
Математическая модель по определению градиента скорости сдвига в ёмкостном оборудовании при обработке продуктов с псевдопластичными свойствами.
Расчётные формулы для определения эффективной вязкости каждого продукта, входящего в состав соответствующей обобщённой группы жиросодержащих продуктов с однородными физико-химическими свойствами.
Расчёт ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами.
Практическая значимость работы:
– определено влияние геометрических, кинематических и конструктивных параметров перемешивающих устройств очищающего и шиберного типов на расходуемую энергию и теплообмен при обработке в ёмкостном оборудовании жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами;
– для разработки и модернизации ёмкостного оборудования получены новые данные о реологических характеристиках большого числа следующих жиросодержащих пищевых продуктов: маргаринов мягких "Утро", "Росинка", "Домашний", "Лакомка", "Сливочный" и брусковых "Утро", "Сливочный новый", "Домашний", "Росинка", "Волшебница", майонезов "Утро", "Нежко", "Для салатов", "Провансаль новый", "Колибри", "Лёгкий", "Провансаль", сметаны с содержанием жира 10, 15, 20 и 30%, мясных студней "Праздничный", "Куриный", "Домашний", кулинарных жиров "Сало растительное", "Фритюрный", комбинированных жировых продуктов – спредов "Веста", "Домашний", и ряда других продуктов;
– разработаны методы расчёта ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа при обработке жиросодержащих продуктов;
– проданы два авторских свидетельства предприятиям через Роспатент РФ;
– результаты исследований использованы при модернизации ёмкостного оборудования в ОАО "Балтийское молоко", на Смольнинском хлебозаводе, в ООО "Протеин плюс";
– материалы работы используются в научной, технической и учебной работе.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях с 1990 по 2008 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 92 работы, в том числе 15 авторских свидетельств Роспатента РФ, 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и пять отдельных изданий [24, 40, 66, 74, 92].
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, списка литературы и приложений. Объём диссертации – 275 страниц основного машинописного текста, 62 рисунка, 3 таблицы, 375 наименований источников в списке литературы, при этом 70 – на иностранных языках, а также приложений на 187 страницах.
Теоретические предпосылки разработки высокоэффективного ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов
Анализ ёмкостного оборудования, применяемого для выработки пищевых продуктов различной вязкости, с учётом особенностей протекания в этом оборудовании гидродинамических и тепловых процессов, позволяет считать наиболее перспективным ёмкостное оборудование с перемешивающими устройствами шиберного и очищающего типов. Оба типа перемешивающих устройств в процессе работы в значительной степени разрушают пристенные слои, оказывающие существенное влияние на термическое сопротивление теплообмену, а в конечном итоге - на производительность оборудования. При этом перемешивающие устройства шиберного типа создают наиболее интенсивные потоки продукта в непосредственной близости от пристенного слоя, что обуславливает разрушение значительной его части посредством гидродинамического воздействия. В ёмкостном же оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа интенсификация тепловых процессов осуществляется механическим способом посредством непрерывного счищения очищающими лопастями пристенных слоев продукта и последующего перемешивания счищенных слоев с основной массой продукта.
Задачи дальнейшего развития различных отраслей пищевой промышленности могут быть успешно решены на основе создания прогрессивных технологий и высокоэффективного оборудования. Создание высокоэффективного оборудования невозможно без всесторонних исследований прогрессивных эффективных способов интенсификации процессов, протекающих в оборудовании. При осуществлении в ёмкостном оборудовании биохимических, физико-химических, гидродинамических и тепловых процессов необходимо подогревать, пастеризовать или охлаждать продукт. Среди отмеченных процессов тепловая обработка вязких пищевых продуктов является серьёзной проблемой, что объясняется сравнительно большой продолжительностью тепловых процессов. Их длительность обусловлена следующими обстоятельствами: низкой теплопроводностью вязких пищевых продуктов, наличием пристенного слоя сравнительно большой толщины на теплообменной поверхности, медленным теплообменом между пристенным слоем и основной массой продукта в ёмкости. Кроме того, при осуществлении тепловых процессов в ёмкостном оборудовании, при нагревании или охлаждении в нём вязких пищевых продуктов может иметь место образование на теплопере-дающей поверхности оборудования пригара или застывшего слоя продукта.
Среди причин, обуславливающих значительную продолжительность тепловых процессов в ёмкостном оборудовании при обработке в них вязких пищевых продуктов, одним из самых значимых параметров является толщина пристенного слоя. По мере возрастания толщины пристенного слоя продукта наряду с увеличением термического сопротивления протеканию тепловых процессов создаются предпосылки для значительного перегревания или переохлаждения продукта. В результате такого перегревания или переохлажде- -ния на теплообменной поверхности образуется, соответственно, пригоревший или замёрзший слой, что приводит к ухудшению вкусовых качеств продукта и к снижению производительности оборудования.
Рассматривая вопросы интенсификации тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами на стороне продукта, необходимо также иметь ввиду, что при увеличении коэффициента теплоотдачи помимо сокращения продолжительности тепловой обработки продукта происходит уменьшение удельных расходов тепло- и хладоносителей и расходуемой энергии.
При создании ёмкостного оборудования необходимо учитывать широкий перечень обрабатываемых в нём пищевых продуктов, включающих: жиры, томатные пасты, сгущённое молоко, соусы, джемы, сиропы, сливки различной жирности, смеси мороженого, эмульсии, маргарины, кулинарные жиры, сметану с различным содержанием жира, майонезы различного состава, кефиры, простокваши, ацидофильное молоко, ряженку, йогурт, ацидофилин, закваски, кетчупы, овощные и фруктовые соки и другие пищевые продукты. Вязкость перечисленных продуктов существенно различается. Это обуславливает соответствующие требования к устройству ёмкостного оборудования, к конструкции перемешивающих устройств и к их геометрическим и кинематическим параметрам.
Другая особенность изготовления продуктов в ёмкостном оборудовании состоит в том, что вязкость продукта существенно меняется на различных стадиях технологического процесса, и это оказывает существенное влияние на протекание гидродинамических и тепловых процессов, а тем самым на расходуемую энергию и производительность оборудования.
С учётом отмеченных особенностей обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании актуальным1 при разработке высокоэффективного оборудования является исследование прогрессивных эффективных гидродинамических и тепловых процессов, протекающих в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами. Разработка высокоэффективного ёмкостного оборудования становится ещё более значимой исходя из того, что "... из 6621 наименования машин и оборудования, необходимых в соответствии с научно обоснованными системами машин для обеспечения и конкурентоспособности предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности, в России производится только 2307" [272].
Экспериментальная установка для исследований гидродинамических и тепловых процессов в модели ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов
Экспериментальные исследования по определению реологических характеристик пищевых продуктов с аномально-вязкими свойствами, таких, как % эффективная вязкость и касательные напряжения, в широком диапазоне изменения температур, скорости или напряжения сдвига являются весьма тру- „ доёмким и сложным процессом, в особенности при изучении реологических характеристик вязких жиросодержащих пищевых продуктов. Задача исследований становится ещё более сложной при изучении реологических характеристик жиросодержащих продуктов при их фазовых изменениях.
В диссертационной работе значительная часть исследований реологических характеристик выполнена с жиросодержащими пищевыми продуктами. Вместе с тем исследованы реологические характеристики ряда вязких пищевых продуктов, не содержащих жир. Методика обработки реологических характеристик тех и других продуктов, выполненных на установке с использованием ротационного соосно-цилиндрического вискозиметра, была одинаковой. В зависимости от вязкости продукта устанавливался один из измерительных цилиндров Н, S3, S2 или S1. Измерительные цилиндры подбирались с учётом рекомендаций по использованию вискозиметра, а также исходя из условия, чтобы градиентный слой в процессе исследований распро 51 странялся бы на всю ширину продукта, находящегося в кольцевом зазоре измерительного устройства вискозиметра. Одновременно рассчитывалась толщина градиентного слоя 5, которая сопоставлялась с фактической толщиной кольцевого зазора. Значение 5 вычислялось по формуле, приведённой в [24]: б-2 " », (2.2.1) Y где п - частота вращения измерительного цилиндра, с" ; R — радиус измерительного цилиндра, м; у — градиент скорости сдвига, с" .
С учётом значения 8, рассчитанного по формуле (2.2.1), подбирался и устанавливался соответствующий измерительный цилиндр. Большое внимание уделялось полноте наполнения мерного стакана пробой исследуемого продукта, которая помещалась в зазоре между мерным стаканом и измерительным цилиндром.
Перед началом измерений реологических характеристик исследуемая проба термостатировалась при заданной температуре с точностью до 0,1 С. С целью обеспечения постоянной температуры пробы наружный неподвижный цилиндр вискозиметра с темперирующим резервуаром соединялся с жидкостным циркуляционным термостатом. Температура термостатирования пробы поддерживалась с точностью ±0,1 С. При каждой следующей температуре брали новую пробу продукта. Привод вискозиметра позволял изменять значения градиента скорости сдвига в диапазоне от 0,17 до 1312 с" . Погрешность измерений реологических характеристик не превышала ±4%.
Обработка реологических исследований вязких пищевых продуктов осуществлялась в следующей последовательности: приводились общие сведения об исследуемом продукте, затем делалась графическая обработка экспериментальных данных. На основании графических зависимостей анализировались полученные результаты. Опытные данные для подобных видов продуктов с однородными свойствами обрабатывались в виде обобщённых графических зависимостей. Делалось математическое описание полученных графических зависимостей. Полученные уравнения использовались для расчёта искомых величин. Определялась погрешность полученных зависимостей.
При обобщении результатов реологических исследований для получения температурной зависимости вязкости были учтены работы Вилиамса, Лендели, Ферри [374], Виноградова Г.В., Малкина А.Я. [40], Маслова А.М [121]. Маслов A.M. применил метод обобщения реологических характеристик для полимеров к пищевым продуктам. Вместе с тем, учитывая сложность получения обобщённой температурной зависимости вязкости для описания этой зависимости, он использовал данные о смазочных материалах и жидких пищевых продуктах, когда они текут практически как ньютоновские жидкости, имеют сравнительно незначительную вязкость и находятся в расплавленном состоянии [121]. Так, например, говяжий жир при 67С, бараний жир при 69С, костный жир при 70С, свиной жир при 70С, молочный жир при 70С и т.д. При этих температурах вязкость жиров настолько мала, что не может представлять интерес для практики, поскольку протекание гидродинамических и тепловых процессов в оборудовании для жиросодержащих продуктов определяется значениями вязкости продуктов при более низких температурах. А именно - при 15-М-5С, когда они находятся в различных фазовых состояниях - в застывшем и в состоянии плавления. При этом их вязкость в десятки и сотни раз больше вязкости продуктов, находящихся в расплавленном состоянии.
В связи с изложенным, необходимо отметить следующее. Если сложной задачей для Маслова A.M. являлась возможность получения обобщённой температурной зависимости вязкости для группы продуктов с однородными свойствами, когда продукты имеют высокую температуру и текут, как ньютоновские среды, то очевидно, что ещё более сложным является получение обобщённой температурной зависимости вязкости для групп продуктов с однородными свойствами при сравнительно низких температу 53 pax продуктов; особенно когда они находятся в различных фазовых состояниях и обладают свойствами неньютоновской среды. Именно такая сложная задача решалась автором диссертационной работы.
Одним из основных вопросов при исследовании реологических характеристик вязких пищевых продуктов является определение эффективной)вязкости, нахождение которой может осуществляться в следующей последовательности [142].
Обобщённая температурная зависимость эффективной вязкости и единая скоростная температурно-инвариантная характеристика эффективной вязкости кисломолочных напитков. Математическое описание полученных зависимостей
Анализ формулы (4.4.2.15) позволяет отметить следующее. Расходуемая энергия в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа и центральными отражательными лопастями весьма существенно зависит от частоты вращения перемешивающего устройства - в третьей степени. Заметное влияние также оказывает длина очищающей лопасти, её ширина и число очищающих лопастей - в первой степени. Эти величины могут заметно изменяться в различных емкостях. Плотность перемеши 175 ваемого продукта хоть и оказывает влияние на расходуемую энергию в первой степени, но в интервале температур, имеющих место в условиях производства, она меняется не более, чем на 5- -7%.
Особого внимания заслуживает эффективная вязкость продукта. Несмотря на то, что, согласно формуле (4.4.2.15), вязкость продукта оказывает влияние на расходуемую энергию всего лишь в первой степени, расходуемая энергия сильно зависит от эффективной вязкости. Это происходит потому, что в процессе обработки продукта в ёмкости значение вязкости может изменяться в десятки раз и более в зависимости как от температуры продукта, так и от градиента скорости сдвига продукта.
Формула (4.4.2.15), несмотря на её значительный объём, при современном уровне развития вычислительной техники позволяет быстро и точно рассчитывать как общую мощность, затрачиваемую в ёмкости на перемешивание мешалкой с очищающими устройствами и центральными отражательными лопастями, так и отдельных элементов очищающих перемешивающих устройств и центральных отражательных лопастей. Расчёты показали, что расхождение мощности, рассчитанной по формуле (4.4.2.14), с экспериментальными данными находится в пределах 8- -14%.
Разработка математической модели расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при ламинарном режиме и угле установки лопастей не более 15 В различных отраслях пищевой промышленности находят широкое применение процессы перемешивания в ёмкостях с лопастными мешалками сред, обладающих неньютоновскими свойствами [4, 29, 46, 54, 82, 98, 100, 101,118,126,127,255,286]. В данной работе рассмотрена задача по определению расходуемой энергии при перемешивании вязких сред в ёмкостном оборудовании с лопа 176 стными мешалками шиберного типа. С учётом [9, 155] задача решается для малого угла наклона лопасти при ламинарном режиме течения. Такие условия являются преобладающими при перемешивании вязких жидкостей.
Для расчёта мощности, затрачиваемой на перемешивание вязких сред в ёмкостях с лопастными мешалками шиберного типа и для прочностных расчётов этих мешалок необходимо знать распределение давления по длине лопасти и точку приложения результирующей силы. В известных работах [23, 248] по определению расходуемой энергии с использованием лопастных мешалок, но не шиберного типа, не уделялось должного внимания теоретическому нахождению точки приложения результирующей силы сопротивления обрабатываемой среды и распределению давления по длине лопасти для неньютоновских сред. Это создавало определённый пробел в теории данного вопроса. В данной работе предпринята попытка решить данную задачу теоретически совместно с Аретом В.А.
Примем следующие допущения. Угол наклона лопасти к стенке ёмкости будем считать малым, то есть не превышающим 15. Примем также, что диаметр ёмкости много больше, чем длина лопасти, поэтому стенку ёмкости на участке, равном длине лопасти, приближённо можно считать плоскостью.
На рис. 4.4.3.1 схематически изображена стенка ёмкости с лопастью и приведены необходимые обозначения. Здесь: 1 - лопасть; 2 - стенка ёмкости; Ох — ось абсцисс, проведённая по биссектрисе угла между стенкой ёмкости и лопастью; Оу - ось ординат, перпендикулярная оси абсцисс; D - произвольно выбранная точка между лопастью и стенкой; х - координата точки D по оси абсцисс, м; у - координата точки D по оси ординат, м; yd - расстояние от стенки ёмкости до точки D, м; h - расстояние от стенки ёмкости до лопасти на уровне точки D, м; h0 - расстояние между началом лопасти и стенкой, м; hi - расстояние между концом лопасти и стенкой, м; а — проекция длины лопасти на стенку ёмкости, м; хт - координата точки с максимальным давлением по оси абсцисс, м; hm - расстояние между стенкой ёмкости и лопастью на уровне точки с максимальным давлением, м.
Математическое моделирование процессов по определению расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами при обработке жиро содержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами
Объясняется это следующим. В процессе тепловой обработки продукта его теплофизические характеристики изменяются в зависимости от температуры продукта. При этом если температура продукта изменяется даже на сравнительно большую величину - на 6(Н80С, то его удельная теплоёмкость и теплопроводность изменяются не более, чем на 1(К30%. Значение же коэффициента динамической вязкости при изменении продукта в указанном интервале температур нередко изменяется в десятки и сотни раз. Поэтому очевидно, что, несмотря на показатель степени у критерия Прандтля, равный 0,37, его влияние на теплоотдачу, как и критерия Рейнольдса, в который также входит коэффициент динамической вязкости, значительно.
Экспериментальные исследования теплоотдачи при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов и сред с неньютоновскиліи псевдопластичными свойствами При обработке жиросодержащих и других вязких продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами в критериях Рейнольдса и Прандтля вместо коэффициента динамической вязкости вводится эффективная вязкость. Несмотря на кажущуюся простоту указанного различия критериев Рейнольдса и Прандтля при обработке сред с ньютоновскими и неньютоновскими свойствами имеет место существенное различие в протекании гидродинамических и тепловых процессов, которое объясняется следующим. При обработке сред с ньютоновскими свойствами одна из основополагающих те-плофизических характеристик, оказывающих наиболее существенное влияние на теплообмен и входящая в критерии Рейнольдса и Прандтля — вязкость, изменяется только от температуры. В процессе же обработки неньютоновских сред с псевдопластичными свойствами вязкостные свойства продукта изменяются не только от его температуры, а также от градиента скорости, который, в свою очередь, зависит от геометрических, конструктивных и кинематических параметров перемешивающего устройства оборудования. Как по 308 казали наши обширные исследования реологических характеристик многих жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов, эффективная вязкость продукта изменяется в десятки раз и более в зависимости от температуры продукта и от градиента скорости сдвига. Очевидно, что отмеченное обстоятельство оказывает существенное влияние на гидродинамические и тепловые процессы, в том числе в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами.
В процессе экспериментальных исследований тепловых процессов при обработке жиросодержащих продуктов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа изучалась теплоотдача на стороне обрабатываемого продукта в зависимости от его теплофизических характеристик, кинематических, конструктивных и геометрических параметров перемешивающего устройства.
Перечень обрабатываемых продуктов и сред, использованных при проведении экспериментов, был следующий: сметана жирностью 15%, майонез "Колибри" с содержанием жира 35%, ряженка с содержанием жира 4%, кетчуп "Сладкий", и модельная среда - раствор карбоксилметилцеллюлозы. Все перечисленные продукты обладали неньютоновскими псевдопластичными свойствами. Данные экспериментальных исследований этих продуктов приведены в таблицах 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 и 7.6.
При обработке опытных данных в критериальных зависимостях были учтены значения показателей степеней у критериев Рейнольдса и Прандтля, полученные в результате исследований тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при обработке модельных сред - водоглицериновых растворов.
Для изучения влияния критерия Прандтля обобщённого на теплооб 309 мен опытные данные были обработаны в виде следующей зависимости, представленной на рис. 7.3: lg(Nu/(Re56. (ц1эф/ эфст)0Д4))= /(lg(Pr0)). (7.3) В процессе проведения исследований при обработке упомянутых продуктов и сред, значения критерия Прандтля обобщённого изменялись в следующих интервалах: при охлаждении сметаны от 560 до 1741, при её нагревании - от 147 до 2035; при охлаждении майонеза провансаль "Колибри" от 3277 до 9187, при его нагревании - от 1438 до 5802; при охлаждении ряженки от 237 до 781, при её нагревании - от 186 до 1107; при охлаждении кетчупа "Сладкий" от 1022 до 6076, при его нагревании - от 1371 до 4591; при охлаждении модельной среды - раствора карбоксилметилцеллюлозы от 261 до 385.
Приведённые сведения об изменениях в ходе проведения экспериментальных исследований значения критерия Прандтля обобщённого позволяют судить о достаточно большом интервале теплофизических характеристик, имевших место в опытах. Это даёт основание распространить полученные результаты исследований на широкий перечень вязких жиро содержащих и других продуктов, не содержащих жир.
Графоаналитическая обработка опытных данных перечисленных продуктов, представленная на рис. 7.3, позволила установить степень влияния критерия Прандтля обобщённого на теплоотдачу при обработке жиросодер-жащих и других продуктов, не содержащих жир. При этом было определено значение степени у критерия Прандтля обобщённого, равное 0,37. Это согласуется с результатами исследований при использовании водоглицериновьгх растворов.
