Введение к работе
Актуальность темы исследования. Ведущие тенденции развития пищевой промышленности характеризуются возрастающим применением в отрасли сложных процессов переработки сырья, базирующихся на использовании достижений науки и техники, новых технологий производства многокомпонентных продуктов, включающих жировые эмульсии.
Многокомпонентные эмульсионные продукты вошли в рацион питания различных слоев населения, в том числе в качестве диетического. Вопросы расширения ассортимента при одновременном повышении качества и биологической ценности продукции связаны с использованием прогрессивных технологий и конструкций аппаратов. Производство подобной продукции представляет собой сложный технологический процесс, ключевой операцией которого является диспергирование и гомогенизация в аппаратах различного типа.
Одним из важнейших количественных показателей эмульсий, определяющих их качественные особенности, является дисперсность. В связи с развитием технологий, применяющих гомогенизированные компоненты, предъявляются повышенные требования к дисперсности эмульсионных продуктов. С ней связаны улучшение усвояемости измельченных частиц организмом человека, повышение сроков хранения продуктов из-за увеличения стабильности эмульсий, улучшение вкусовых характеристик продуктов, а также возможность создания широкого спектра новых многокомпонентных продуктов с заданными свойствами.
Возможности повышения технологической эффективности
эмульгирования находятся в использовании методов импульсного воздействия на обрабатываемые среды при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости.
К аппаратам, реализующим импульсные энергетические воздействия, относятся роторные аппараты с модуляцией потока (РАМП), принцип работы которых основан на создании импульсного режима течения. Анализ теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в РАМП, привел к выводу о необходимости выбора критерия, характеризующего условия дробления капли в нестационарном потоке с учетом физико-химических свойств компонентов эмульсии. Определение такого критерия дробления капель в аппаратах с нестационарными релаксационными переходными гидромеханическими процессами позволит разработать исходные данные и требования для расчета роторных аппаратов, в частности, с модуляцией потока обрабатываемой жидкости с большой глубиной модуляции скорости (объемного расхода) на заданную предельную дисперсность эмульсии при минимальных затратах энергии.
Таким образом, исследование локальных характеристик течения обрабатываемой среды, играющих определяющую роль в интенсификации процесса и совершенствовании оборудования для эмульгирования, является актуальной задачей.
Решение данной задачи позволит не только существенно улучшить качество готовой продукции, но и снизит себестоимость конечной продукции на основе стабильных водно-масляных эмульсий на предприятиях малой и средней мощности в пищевой промышленности (хлебобулочной, кондитерской, консервной, масложировой и мясомолочной).
Степень разработанности проблемы. Исследованиям по данной тематике посвящено много работ отечественных и зарубежных ученых (Балабышко A.M., Барановский Н.В., Борисов А.А., Брагинский Л.Н., Владыкина Т.Ф., Гельфанд Б.Е., Горбатов А.В., Зимин А.И., Клейтон В., Козин Н.И., Колмогоров А.Н., Кардашев Г.А., Кутц Г., Левич В.Г., Натанзон М.С., Нигматулин Р.И., Новицкий Б.Г., Орешина М.Н., Паронян В.Х., Промтов М.А., Рогов И.А., Тырсин Ю.А., Фомин В.М., Червяков В.М., Шерман Ф., Юдаев В.Ф. и другие). Сложность и многообразие всего комплекса многофакторного воздействия на обрабатываемую среду в РАМП и недостаточность по этой причине полноты представлений о механизмах дробления капель затрудняет его аналитическое описание и совершенствование процесса эмульгирования. До настоящего времени недостаточно исследованы критерии, характеризующие условия дробления капель в нестационарных переходных течениях обрабатываемой среды. Изложенное свидетельствует о необходимости дальнейшего исследования и развития теоретических основ и экспериментальных закономерностей процесса эмульгирования в РАМП.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является совершенствование процесса получения эмульсионных пищевых продуктов в аппаратах с импульсными потоками.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являлись:
- анализ методов, способов, аппаратурного оформления процесса и
условий эмульгирования и применения эмульсий в пищевой промышленности;
-исследование геометрических, гидравлических, кинематических, динамических и акустических характеристик компактного РАМП с произвольной конусностью его рабочих поверхностей;
-разработка математической модели дробления дисперсной фазы в импульсном потоке дисперсной среды с учетом конкретных геометрических, кинематических, режимных параметров РАМП;
-теоретическое исследование математической модели, учитывающей условия дробления дисперсной фазы в зависимости от геометрических, кинематических и динамических параметров аппарата-эмульгатора с импульсным потоком обрабатываемой среды, а также физико-химических свойств компонентов эмульсии;
-разработка конструктивной схемы компактного роторного аппарата проточного типа для производства пищевой эмульсии;
создание экспериментального стенда и проведение исследований процесса эмульгирования в импульсном потоке обрабатываемой жидкости;
разработка рекомендаций по применению предложенной конструкции
РАМП и расчету режимов его работы для получения прямых эмульсий с учетом полученных результатов исследований.
Идея работы заключается в определении импульса силы инерции капли в нестационарнодвижущейся дисперсионной среде, необходимого для ее разрушения с учетом сил межфазного поверхностного натяжения.
Методы исследования - теоретические и экспериментальные, включающие стандартные и вновь разработанные методики с применением математического моделирования переходных гидромеханических процессов в нестационарном модулированном потоке, анализа и статистической обработки полученных результатов. Математическая и статистическая обработка проводилась с использованием систем Mathcad 14 и Statistica 6.1.
Научная новизна заключается в том, что определены величины критериев условия дробления капли при ее относительном движении в дисперсионной среде, которые экспериментально подтверждены при импульсном течении дисперсной среды через модулятор РАМП.
Проведенные исследования позволили получить новые результаты:
-исследованы геометрические, гидравлические, кинематические, динамические и акустические характеристики разработанного РАМП;
-получена функциональная зависимость относительной максимальной интегральной плотности импульса давления от относительной величины зазора между рабочими коническими поверхностями ротора и статора;
построена математическая модель, позволившая теоретически получить критерии и их значения, определяющие условия дробления капли при нестационарных периодических переходных гидромеханических процессах, которые реализуются в модуляторе роторных аппаратов;
при теоретических и экспериментальных исследованиях предложен критерий гомохронности, характеризующий нестационарное движение капли в дисперсионной среде;
-выявлена роль скорости изменения ускорения капли относительно дисперсионной среды в процессе дробления и при определении значения критерия условия ее дробления.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается корректностью постановки задач; представленным объемом экспериментальных данных, полученных на экспериментальном стенде на базе роторного аппарата с модуляцией потока, применением современных методов исследования; прямых средств измерения; корректным применением статистических методов при обработке и анализе экспериментальных данных.
Теоретическая и практическая значимость разработок, полученных лично автором:
-получено необходимое значение критического значения критерия гомохронности для капли, движущейся в нестационарном потоке, которое определяет условие дробления капли;
-получено значение параметра, определяющего время воздействия на
каплю, прямо пропорциональное относительной скорости изменения ускорения капли в дисперсионной среде;
-из теоретического анализа характеристик переходного гидромеханического процесса, определения значения критерия гомохронности для капли и параметра, характеризующего скорость изменения ускорения капли в дисперсионной среде усовершенствована методика расчета аппарата-эмульгатора с переходными гидромеханическими процессами;
-разработан и смонтирован экспериментальный стенд на базе РАМП с произвольной конусностью боковых рабочих поверхностей ротора и статора и регулируемой величиной зазора между ними.
Полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в образовательном процессе, написании учебно-методической документации, а также при выполнении научно-исследовательских работ в ФГБОУ ВПО "МГУТУ им. К. Г. Разумовского".
Научные положения, выносимые на защиту:
-модель дробления капли в дисперсионной среде при нестационарных периодических релаксационных гидромеханических процессах в модуляторе РАМП и определение критериев, характеризующих условия дробления капли;
-экспериментальные исследования и научно обоснованный метод расчета критических значений критериев, характеризующих условия дробления капли;
- роль скорости ускорения капли в дисперсионной среде при определении условий ее дробления.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на следующих научных форумах: XII Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности», Москва, МГУТУ, 2006 г.; Международная научно-практическая конференция «Технологии и продукты здорового питания», Москва, МГУПП, 2007 г.; IV, V, VI, VII, VIII Международные научно-практические конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», СПб, 2007-2009 г.г.; XIII Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности -защита прав потребителя и рынка от контрафактной, фальсифицированной и некачественной продукции», Москва, МГУТУ, 2007 г.; Международный научно-практический форум «Стратегия 2020: Интеграционные процессы образования, науки и бизнеса как основа инновационного развития аквакультуры в России», Москва, МГУТУ, 2009 г.; XXII Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-22», Иваново, 2009 г.; II НПК «Инновационное развитие пищевой промышленности на основе современных методов управления Можайского района Московской области», Можайск, 2009 г.; Международная научно-практическая конференция «Инженерные инновационные технологии автоматизации и управления в агропромышленном комплексе», Москва,
МГУТУ, 2011 г.; Круглый стол на тему «Государственная политика в области производства продуктов здорового питания: законодательные и научные аспекты», Москва, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция "Инновационное развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства", посвященной 55-летию Алматинского университета (12-13 октября 2012 г.), Алматы, 2012 г.
Работа выполнялась по госбюджетной тематике «Интенсификация технологических процессов в нестационарных потоках и их аппаратное оформление», гос. per. № 0120.0 602985.
Диссертационная работа выполнялась автором с 2006 по 2012 год в федеральном государственном бюджетном учреждении Высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления имени К. Г. Разумовского». Все результаты, отраженные в разделах «Научная новизна» и «Практическая значимость разработок» получены лично автором.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 14 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, разработке методик теоретического и экспериментального исследований и обработке экспериментальных данных, непосредственном участии в получении, анализе и обобщении результатов исследований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, приложений. Работа (без учета приложений) изложена на 175 страницах, содержит 6 таблиц, 44 рисунка.
