Введение к работе
Актуальность работы. Главным направлением исследований процессов и аппаратов пищевых производств является выявление закономерностей протекания технологических процессов, разработка методов расчета аппаратов и совершенствование действующего оборудования для переработки, в частности, мучного теста. В теории решения названных главных задач необходимо проведение проблемно ориентированных экспериментальных, аналитических и численных исследований, в которых плодотворными являются методы физико-химической механики или реологии. Изучение реологических свойств теста позволяет на стадии проектирования оборудования прогнозировать и корректировать параметры оборудования с целью получения готовых изделий требуемого качества.
Исследования Шведова Ф.Н., Ребиндера П.А., Воларовича М.П., Леонова А.И., Рогова И.А., Мачихиных Ю.А. и С.А., Панфилова В.А., Николаева Л.К., Косого В.Д., Маслова A.M., Урьева Н.В. и ряда других выдающихся отечественных ученых показали целесообразность реодинамического подхода к решению проблем совершенствования процессов и аппаратов производства пищевых продуктов. Это же обстоятельство нашло отражение в классических работах таких зарубежных ученых, как Рейнер М., Скотт-Блэр Г., Вейссенберг Р., Шоффильд Р., Боурне М. и многих других исследователей.
В настоящее время динамичное развитие получило производство хлебобулочные изделия из пшеничной муки с добавлением муки разных злаков, таких как: ржаная, овсяная, кукурузная, рисовая и гречневая. Данные муки различного зернового состава обогащены минеральными веществами, клетчаткой, высоким содержанием витаминов, микро- и макроэлементов, а также сбалансированным аминокислотным составом.
Тесто на основе смесей муки различного зернового состава является сложной сравнительно малоизученной гетерогенной системой, которая при межоперационном транспортировании и в формующих каналах оборудования проявляет вязкоупругие нелинейные неньютоновские эффекты. Транспортирование в межоперационных трубопроводах теста из муки различного зернового состава, исследование проблемы предельных скоростей экструзии в процессе формования различных полуфабрикатов, сопоставление результатов реометрии модельного теста на различных приборах, проведение модернизации пищевого оборудования, сопровождающейся получением высоких технико-экономических показателей, являются актуальными задачами и имеют важное практическое значение.
В более общем государственном плане работа ориентирована на решение задач, определенных приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ, утвержденными Президентом РФ Пр-842 и Пр-843 от 21 мая 2006 года. Эти документы были обновлены указом Президента РФ от 7 июля 2011г. №899.
Работа выполнена на кафедре техники мясных и молочных производств Санкт-Петербургского национального исследовательского университета
информационных технологий, механики и оптики института холода и биотехнологий в соответствии с планом работы Научно - образовательного центра «Производство продуктов питания из зерновых», созданного приказом Ректора СПбГУНиПТ (ныне /Институт холода и биотехнологий/ НИУ ИТМО) №308-о(а) от 18.09.2008 г.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является научно-обоснованное совершенствование межоперационного транспортирования и интенсификация процессов формования полуфабрикатов из теста различного зернового состава.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования:
провести обзор машин и аппаратов, применяемых для транспортирования и формования мучного теста;
разработать математическую модель межоперационного транспортирования модельного теста различного зернового состава;
исследовать проблему достижения максимальных скоростей экструзии в процессе формовании изделий из модельного теста различного зернового состава;
создать экспериментальную установку для опытного разделения местных и линейных потерь давления при течении модельного теста в межоперационных трубопроводах;
экспериментально исследовать течение модельного теста в трубопроводах;
провести сопоставление результатов реометрии модельного теста на капиллярном и ротационном реометрах;
провести практическую реализацию результатов экспериментальных и теоретических исследований.
Научная новизна. Проведено сопоставление результатов реометрии модельного теста различного зернового состава на капиллярном и ротационном приборах, что позволило получить надежные данные для инженерного расчета межоперационного трубопроводного транспорта.
Проанализирована численным методом с использованием программы Mathcad зависимость скорости сдвига на ротационном вискозиметре от индекса течения модельного теста и геометрии вискозиметра.
Исследовано влияние местных потерь давления при течении модельного теста в трубопроводных межоперационных системах.
Разработана методика подбора рационального диаметра трубы для межоперационного транспортирования теста.
Экспериментально определены режимы перехода ламинарного течения модельного теста в турбулентный и эффекты разбухания экструдата.
Практическая ценность. Создана методика расчета межоперационного трубопроводного транспорта мучного теста, разработан проект системы, который внедрен на производстве.
На основе материалов данной диссертационной работы изготовлен реометрический стенд, который используется в исследованиях в НИУ ИТМО ИХиБТ в магистратуре и бакалавриате.
Ряд результатов исследований находит отражение в учебном процессе при изложении дисциплины «Процессы и аппараты пищевых производств».
Новизна технических решений подтверждена заявкой № 2013129808 с приоритетом от 28.06.2013 на патент.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
- проблема потери устойчивости потока модельного теста в процессе
формования полуфабриката;
- научное обоснование технических решений, реализующих межоперационный
трубопроводный транспорт теста различного зернового состава;
- физические и математические модели механизмов линейных и местных
потерь давления при трубопроводном движении модельного теста различного
зернового состава;
- методика капиллярной вискозиметрии неньютоновских жидкостей с
исключением входовых потерь давления;
сопоставление результатов ротационной и капиллярной реометрии модельного теста.
Апробация работы. Основные положения и результаты, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на: 39-ой научно-практической конференции по итогам НИР за 2011 год профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников кафедры ТММП, Санкт-Петербург: НИУ ИТМО ИХиБТ, (2012 г.); XVII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО ИХиБТ, кафедра техники мясных и молочных производств секция №5, подсекция «Машины и аппараты пищевых производств», Санкт-Петербург: НИУ ИТМО ИХиБТ, (2013 г.); III международной научно-технической интернет-конференции молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии» (АМИТ): ОмГТУ-FESTO, (Омск 2013г.); XII международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ», (Переяслав-Хмельницкий, Киевская обл., Украина, 2013 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и подана заявка на получение патента РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, включая 14 таблиц, 47 рисунков, список литературы из 105 наименований, в том числе 23 иностранных, 13 приложений.
