авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Методологическое обоснование агрегата и процесса распылительной сушки в нестационарных аэродинамических потоках

На правах рукописи

МИХАЛЕВА Татьяна Владимировна МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ АГРЕГАТА И ПРОЦЕССА РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКАХ 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (машиностроение и металлообработка)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург 2013 2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Попов Валерий Павлович

Официальные оппоненты: Полищук Владимир Юрьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», заведующий кафедрой машин и аппаратов химических и пищевых производств;

Магомедов Газибек Омарович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», заведующий кафедрой технологии хлебопекарного, макаронного и кондитерского производства Ведущая организация – ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Защита диссертации состоится 1 июля 2013 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г.

Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан 30 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наиболее распространенным методом, применяе мым для получения мелкодисперсной пищевой продукции, является воздуш ная сушка. Процесс сушки пищевого сырья с получением высококачествен ных порошков осуществляется распылительными сушилками с прямоточ ным, противоточным и смешанным движением сушильного агента – воздуха.

Современная тенденция развития сушильной технологии - обеспечение максимальной интенсификации процессов распылительной сушки при одно временном улучшении качества высушиваемого материала.

Недостатки существующих распылительных сушилок - большие габа ритные размеры и значительные энергозатраты, ограниченная возможность оперативного влияния на протекание процесса сушки, низкая пищевая цен ность получаемых продуктов. Устранение этих недостатков требует разра ботки и внедрения оборудования на базе новых принципов с автоматизиро ванным управлением технологическими процессами.

Приоритетным направлением исследований в области получения высо кокачественных молочных порошков и сохранения их пищевой ценности яв ляется применение щадящих технологических процессов, использование в аппаратах нескольких потоков сушильного агента.

В связи с вышесказанным, является целесообразным методологическое обоснование с разработкой соответствующего математического аппарата и создание распылительных сушильных установок с организованными аэроди намическими потоками сушильного агента и систем управления ими.

Работа выполнена в рамках госбюджетных тем «Совершенствование производственных процессов в пищевой промышленности и АПК на основе био- и нанотехнологий» (№ ГБ 01200902661) и «Управление свойствами сы рья, технологическими процессами в пищевой промышленности и АПК ин женерными и физико-химическими методами» (№ ГБ 01990000123).

Целью работы является снижение энергозатрат процесса распылитель ной сушки пищевых продуктов в мелкодисперсном состоянии, повышение качества молочных порошков.

Задачи исследования:

– разработка математической модели процесса распылительной сушки продуктов в условиях нестационарных аэродинамических режимов потоков сушильного агента;

– исследование зависимости выходных параметров технологического процесса от структурно-механических параметров высушиваемого материа ла с целью идентификации и верификации модели;

– теоретическое обоснование использования в технологическом процес се пониженных температур и нескольких потоков сушильного агента;

– экспериментальное исследование влияние параметров процесса сушки в нестационарных аэродинамических потоках на эффективность его протека ния и на качество готового продукта;

– разработка конструкции сушильного аппарата и оценка технико экономической эффективности его применения.

Объект исследований - прямоточная распылительная сушилка с пнев матическим распылителем.

Предмет исследования - процесс распылительной сушки мелкодисперс ных продуктов, в частности, с использованием нестационарных аэродинами ческих потоков сушильного агента.

Научная новизна работы:

– разработана математическая модель процесса распылительной сушки продукта с учётом колебательного движения единичной частицы продукта в нестационарном аэродинамическом потоке;

– разработана методика проведения эксперимента с целью получения за висимостей переменных величин математической модели от структурно механических параметров высушиваемого материала;

– доказана эффективность применения нестационарных аэродинамиче ских потоков в процессе распылительной сушки;

– теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесооб разность применение пониженных температур и нескольких потоков су шильного агента для повышения качества готовой продукции и снижения энергозатрат технологического процесса сушки;



– доказано, что интенсивность влагоотдачи высушиваемых продуктов, относящихся к одной группе вязкости, одинакова;

– впервые получены оптимальные значения параметров процесса рас пылительной сушки в нестационарном аэродинамическом потоке сушильно го агента для жидких продуктов на молочной основе.

Достоверность представленных в работе научных выводов и рекомен даций подтверждена использованием современных апробированных методов исследования сушки распылением, апробированных вычислительных мето дов и программных комплексов, репрезентативными выборками эксперимен тальных данных и удовлетворительной сходимостью результатов экспери ментальных и теоретических исследований.

Практическая значимость работы:

– создано устройство для распылительной сушки пищевых продуктов в нестационарных аэродинамических потоках, защищенное патентом РФ на изобретение;

– разработаны алгоритм, программное средство и методика векторной оптимизации процессов распылительной сушки;

– разработан и введен в эксплуатацию лабораторный стенд, позволяю щий выполнять комплексные исследования тепломассообмена в процессах распылительной сушки.

Основные положения, выносимые на защиту:

– теоретическое и экспериментальное обоснования целесообразности совместного применения пониженных температур и нескольких потоков су шильного агента для повышения качества готовой продукции и энергетиче ской эффективности процесса сушки пищевых продуктов;

– математическая модель процесса распылительной сушки продукта с учётом колебательного движения единичной частицы продукта в нестацио нарном аэродинамическом потоке;

– результаты экспериментальных исследований по изучению влияния нестационарных гидроаэродинамических режимов на процесс сушки и каче ство готового продукта;

–алгоритм разработки энерго- и материалоемких установок для распы лительной сушки мелкодисперсных материалов с применением нестационар ных аэродинамических потоков;

–устройство для распылительной сушилки с возможностью использова ния активных аэродинамических потоков, защищенное патентом РФ на изо бретение.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладыва лись и получили одобрение на всероссийских научно-практических конфе ренциях «Инновационные технологии обеспечения безопасности питания и окружающей среды» (Оренбург, 2007);

«Молодежь и наука – шаг в будущее» (Оренбург, 2008, 2009);

всероссийской научно-методической конференции «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике (Уфа, 2007);

всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Техно логии. Инновации» (Новосибирск, 2007);

международных научно практических конференциях: «Потребительский рынок: качество и безопас ность товаров и услуг» (Орел, 2007), «Пища. Экология. Качество» (Новоси бирск, 2008), «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные продукты» (Москва, 2008), «Пищевая промышленность: состояние, пробле мы, перспективы» (Оренбург, 2009);

региональных конференциях молодых ученых и специалистов Оренбургской области (Оренбург, 2007, 2008, 2009, 2010);

международных конференциях молодых ученых «Пищевые техноло гии и биотехнологии» (Казань, 2008, 2009), международной научной конфе ренции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инно вации» (Оренбург, 2010).

Результаты исследований представлялись на научно-технических вы ставках и конкурсах и отмечены: выставка научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2009» (Москва, 2009) – диплом лауреата и премией Пре зидента РФ за проект «Устройство для сушки продуктов», свидетельство о творческих успехах в создании научного проекта и активном участии;

все российский конкурс докладов по совместной программе Минобрнауки Рос сии и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно технической сфере «Студенты, аспиранты и молодые ученые – малому нау коемкому бизнесу» (Ползуновские гранты, Барнаул, 2008) - диплом победи теля конкурса и премия за работу «Процесс сушки в гидроаэродинамическом потоке»;





областной конкурс в сфере науки и инноваций (Оренбург, 2009) свидетельство «Золотая молодежь Оренбуржья».

Результаты исследования переданы в ООО «Сладкая жизнь» (г. Орен бург), на базе которого осуществлена опытно-промышленная апробация раз работанной распылительной сушилки с пульсатором в производственных ус ловиях.

Программное средство «Расчет параметров распылительной сушки в ак тивном гидроаэродинамическом режиме» и лабораторный стенд для распы лительной сушки порошков используются в учебно-исследовательской рабо те Оренбургского государственного университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 16 работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах из «Перечня …» ВАК, и патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов с описанием теоретических и экспериментальных исследований, заключения с общими выводами и рекомендациями, списка использованных источников из 255 наименований, 16 приложений. Общий объем работы со ставляет 161 страницы, включая 34 рисунка, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены обоснование актуальности темы, определены цели и задачи исследования, даны оценки практической и научной значимо сти работы.

В первом разделе представлены результаты теоретического исследова ния процессов, протекающих при сушке пищевых продуктов, описаны осо бенности и отличия распылительного способа получения порошков. Приве дены результаты анализа известных источников и публикаций по вопросам расчета распылительных сушилок, отличительных особенностей их конст рукций. Рассмотрены пути модернизации оборудования для распылительной сушки. Выявлено, что наиболее перспективным направлением развития рас пылительной техники является использование активных аэродинамических воздействий на процесс обезвоживания продукта.

Во втором разделе приведено описание математического аппарата для исследования процесса сушки в активном аэродинамическом режиме, про цессов влагоотдачи обособленных частиц продуктов, происходящих при по лучении порошков распылением. В процессе распылительной сушки оценка состояния материала ведется посредством уравнений тепломассообмена и различных эмпирических зависимостей на основе измеряемых параметров сушильного агента. На основе полученных данных разработана математи чес-кая модель, напрямую связывающая процесс потери влаги с изменением реологических свойств высушиваемого материала с учётом активного воз действия на потоки сушильного агента.

На рис. 1 приведена упрощённая схема предложенного устройства су шильной установки, включающего в себя сушильную башню, воздуховоды и пульсатор. В сушильной башне аппарата частица движется под действием возвратно-поступательного турбулентного потока воздушной смеси, созда ваемого специальным пульсатором. Созданный пульсатором поток влияет на характер движения единичной частицы, делая его колебательным. Траекто рия движения частицы в сушильной камере включает три участка. На первом участке частица продукта попадает в сушильную камеру, а на третьем участ ке происходит удаление частицы из сушильной камеры. Длительность про хождения частицей этих участков весьма мала и не оказывает существенного влияния на процесс влагоотдачи (здесь и влияние пульсатора минимально вследствие большой разности скорости вылета частицы из распылительного устройства и скорости возвратно-поступательного турбулентного (попереч ного) потока сушильного агента). На втором участке траектории частица по падает в поле действия пульсатора и движется со скоростью, определяемой как начальной скоростью и её направлением, так и скоростями осевого и по перечного потоков сушильного агента и направлением поперечного потока воздуха.

Частица продукта (движется вниз) под действием поперечного потока сушильного агента, подаваемого в сушильную камеру через систему возду ховодов и газораспределительных решеток от пульсатора, периодически из меняет скорость и траекторию движения (характерные точки А, В и С).

Сушильный агент Продукт 1 Отработанный сушильный агент А Б В Сушильный агент Готовый Отработанный продукт сушильный агент Рис. 1 – Схема движения частицы в сушильной башне под действием пульсатора В точке А значение скорости частицы определяется суммой векторов максимальной скорости осевого (основного) потока и скорости поперечного потока (действует справа) сушильного агента и приобретает максимальное значение. При изменении направления поперечного потока воздуха на про тивоположное, осуществляемом переключением дроссель-клапана (далее клапана) пульсатора, частица теряет скорость вплоть до точки В вследствие торможения частицы встречным потоком сушильного агента (действует сле ва), причём вектор и значение скорости частицы в точке В будут совпадать с вектором и значением скорости основного потока. Далее под воздействием поперечного потока частица разгоняется до своего максимального значения в точке С, где происходит очередное изменение направления поперечного по тока сушильного агента. Вектор скорости частицы в этой точке равен абсо лютному значению вектора скорости в точке А.

Для оценки изменения влажности, вязкости и плотности, скорости и массоотдачи частицы в процессе сушки и получения расчётных зависимо стей разработана математическая модель, описывающая кинетические осо бенности и процесс массоотдачи при использовании в сушильной башне по перечного потока сушильного агента. При построении модели движения единичной капли продукта были сделаны следующие допущения: все части цы имеют шарообразную форму, скорость движения осевого (основного) по тока воздуха постоянна, частицы продукта в объеме сушильной распределе ны равномерно.

Для учета скорости и частоты изменения направления переменного по тока воздуха, которые влияют на характер движения частиц, делая его коле бательным, можно воспользоваться уравнениями, характеризующими гармо ническую зависимость скорости пульсаций переменного потока во времени.

Уравнение, учитывающее зависимость скорости движения частицы про дукта от скорости движения и частоты изменения направления возвратно поступательного потока сушильного агента, задаваемого пульсатором, имеет вид:

= 0 sin( ' ), (1) где 0 – начальная скорость переменного потока, м/с;

– круговая частота, зависящая от количества оборотов дроссель-клапана пульсатора, с-1;

– вре мя, с;

– угол между патрубками пульсатора.

Векторное уравнение скорости единичной капли с учетом воздействия переменного потока:

r uur rr = w + + u, (2) ur u r где – скорость переменного потока, м/с;

w – скорость газового потока, м/с;

r u – относительная скорость частицы, м/с.

За основу построения математической модели были взяты уравнения Ю.И. Дытнерского, базирующиеся на втором законе Ньютона. Общее диф ференциальное уравнение движения частицы имеет вид:

d 3 d d3 d 3 u = g + 6 d 6 6 2, (3) где – плотность продукта, кг/м ;

d – диаметр частицы, м;

– скорость час тицы, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

– коэффициент гидроди намического сопротивления;

u – относительная скорости частицы, м/с.

Решая данное уравнение методом суперпозиции, разложив на горизон тальную и вертикальную составляющую. Решение уравнений в вертикальном направлении совпадает с уравнениями Ю.И. Дытнерского. При движении частицы в горизонтальном направлении с учетом нестационарных аэродина мических потоков, скорость частицы запишется в виде:

bu0 г г = +, (4) (u0 г + b) exp ab u0 г 0.885k1k2 с. м., b = 5.08, k1, k2 – коэффициенты пропорционально где а = с. м.

d d сти, зависящие от геометрической формы капли, – кинематический коэф фициент вязкости, м2/с;

с. м. - плотность сухого молока, кг/м3;

u 0 г – началь ное значение скорости капли в горизонтальном направлении, м/с.

Далее были изучены массообменные процессы при распылительной сушке, происходящие в ядре потока и на поверхности частицы. Для оценки интенсивности массоотдачи сферической частицы, в соответствии с законом Фика, от всей поверхности шара через паровоздушную пленку в радиальных направлениях установится поток массы пара. Пульсатор будет оказывать влияние на процесс массообмена, уравнение которого принимает вид:

2 d dCп 0.52 0. dW = D 2 + 0.51, (5) d D dr где W – влажность продукта;

D – коэффициент диффузии пара в воздухе;

– кинематическая вязкость, м2/с;

r – радиус капли, м;

Сп – концентрация пара в потоке.

При сушке удаляемая влага создает вокруг частицы паровоздушную пленку, называемую пограничным слоем. В связи с использованием колеба тельного потока, происходит уменьшение пограничного слоя, и пар с по верхности частицы беспрепятственно удаляется непосредственно в ядро по тока.

На основе математической модели разработаны алгоритм и программное средство, позволяющее определять влажность, вязкость и плотность продук та в любой момент времени процесса, а также оптимизировать время его протекания. Программное средство позволяет также оценить возможности применения пульсатора поперечного потока сушильного агента и особенно сти массоотдачи частиц продукта при использовании нестационарного аэро динамического режима сушки.

В третьем разделе приведены описания методики экспериментальных исследований и результаты оценки адекватности предложенной модели про цесса.

Экспериментальные исследования проводили по следующей схеме: про верка математической модели с определением основных параметров сушки;

исследование изменяющихся величин математической модели;

исследование применения различных режимов сушки с учетом изменения реологических свойств продукта;

определение пограничных значений переменных парамет ров математической модели;

разработка сушильной установки с колебатель ными аэродинамическими потоками сушильного агента;

оценка эффективно сти разработанной конструкции. Исследования были выполнены на лабора торном стенде - модернизированной распылительной прямоточной сушилке с управляющими системами, позволяющими контролировать и снимать дан ные протекающего процесса. Использовались известные методики, приборы и приспособления для определения параметров (влажности, плотности, вяз кости, скорости потока, температуры, частоты вращения).

Экспериментальные исследования проводились на кафедре пищевой биотехнологии Оренбургского государственного университета. Конструкция устройства для распылительной сушки в нестационарных аэродинамических потоках представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Распылительная сушилка с пульсатором:

1 – сушильная башня, 2 – вибросушилка, 3–4, 10 – воздуховоды, 5 – воздухогенератор, 6 – пульсатор, 7 – дроссель-клапан, 8 – воздухораспределительные панели, 9 – калорифер, 11 – фильтр Разработанный лабораторный стенд для распылительной сушки (рис. 3) представляет собой сушильную камеру с прозрачными стенками, систему подвода сушильного агента сверху и по бокам камеры с возможностью изме нения температуры и скорости подачи воздуха, систему фильтрации отрабо танного воздуха, систему распыления продукта, лоток для сбора готового продукта. В стенки сушильной башни в отверстия для отбора проб продукта на различной высоте вставлены специальные щупы.

Была проведена серия экспериментов, в которых были изучены влияния влажности и температуры на вязкость, плотность, а также закономерности изменения их в процессе сушки. Исследованию подвергались продукты с вязкостью от 0,008 Пас до 1,8 Пас, плотностью от 1013 кг/м3 до 1220 кг/м3, влажностью 0,4–0,9. Вязкость определяли согласно стандартным методикам, далее образцы высушивали при одинаковых условиях и через равные проме жутки времени определяли влажность, вязкость, температуру образцов. В результате установлено, что вязкость молочных продуктов при увеличении температуры снижается.

5 Рис. 3 – Лабораторный стенд:

1 – сушильная башня;

2 – пульсатор;

3 – воздухогенераторы;

4 – воздуховоды, 2 5 – воздухораспредели тельные блоки При высушивании молочных продуктов выявлено (рис. 4), что измене ние вязкости после достижения влажности 0,115–0,12 резко возрастает.

Рис. 4 – Изменение вязкости молочных продуктов при изменении влажности (сушке) молочных продуктов В связи с этим, процесс разделили на два участка: изменение вязкости при влажности 0,95W0,12 (рис. 5 а–в);

изменение вязкости при 0,12W0,05 (рис. 5 г–д).

молоко  домашнее  молоко  «М»  молоко  «Оренбургское» а) б) молоко  сливки домашнее  домашние  молоко  сливки «М»  «Давлеканово»  молоко  сливки «Оренбургское» «Оренбургское» в) г) сливки домашние  сливки «Давлеканово»  сливки «Оренбургское» д) е) Рис. 5 - Изменение вязкости молочных продуктов при влажности Из графиков 5 а–в видно, что при уменьшении влажности продукта его вязкость увеличивается. Например, при изменении влажности от 0,9 до 0, вязкость молока увеличивается с 0,0018 Пас до 50 Пас, витаминизированной смеси на молочной основе при уменьшении влажности с 0,6 до 0,12 вязкость увеличится с 1,8 Пас до 55 Пас, сливок при изменении влажности с 0,4 до 0,12 вязкость уменьшится с 3,2 Пас до 50 Пас.

Из графиков 5 г–д видно, что при снижении влажности ниже 0, наблюдается резкое возрастание вязкости при уменьшении влажности, например, при влажности 0,10 вязкость молока – 580 Пас, витаминизированной смеси на молочной основе – 600 Пас, сливок – 780 Пас, при 0,05 вязкость молока – 1200 Пас, витаминизированной смеси на молочной основе – 1390 Пас, сливок – 1410 Пас. Резкое возрастание вязкости связано с изменением агрегатного состояния тела из золиобразного в гелеобразное.

В качестве параметров, влияющих на вязкость продукта, были выбраны его влажность (W), температура (t) и исходное значение вязкости ( нач ), ме няющиеся в пределах:

0.05 W 0, 9 ;

40 0 С t 80 0С ;

0,008Па с нач 2Па с.

По результатам эксперимента получены уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие изменение вязкости от начального значе ния вязкости, влажности материала и его температуры.

Так как изменение вязкости в процессе сушки разделили на два участка, то уравнения, описывающие эти изменения, также отличаются:

– для 0,12 W 0, 9 :

1 = 5, 0421 9,8051 x1 1, 6572 x2 0,5760 x3 + 1, 4577 x1 x2 + (6) +1, 0416 x1 x3 0, 4581 x1 x2 x3 + 4, 2358 x1 + 0,8508 x2, 2 – для 0, 05 W 0,12 :

2 = 412,1689 675, 69 x1 39,1998 x2 + 23, 7212 x3 + 23, 2083 x1 x (7) +244, 7656 x12 + 54, 4299 x2 + 24,3058 x3.

2 При нахождении уравнения регрессии для определения зависимости плот ности при начальной плотности продукта ( нач ), температуре и влажности ис следовали продукты, параметры которых находятся в следующих пределах:

0, 05 W 0, 9 ;

40 0 С t 80 0С ;

1010 кг / м 3 нач 1035 кг / м 3.

Получено уравнение регрессии для определения плотности при извест ной начальной плотности продукта, температуре и влажности:

= 1323,168 195, 034 x1 12,8936 x2 46,5337 x12 21,9379 x (8) 11,5580 x4.

Приведенные уравнения описывают изменения вязкости и плотности молочных продуктов при сушке в заданных условиях. Использование данных этих уравнений позволяет определять такие параметры сушки, как время вы сушивания, влажность в любой момент времени.

Для перевода в натуральную величину х1,х2, х3, х4 приведены уравнения:

х1 = 2,3529W 1,1176;

x2 = 0, 05t 2;

x3 = 0, 079 нач + 0,9212;

x4 = 0, 054 нач + 6, 4997. (9) При верификации математической модели анализировали зависимости (рис. 6), полученные экспериментальным путем. Сравнивая эксперименталь ные данные с результатами моделирования, можно сделать вывод, что опыт ные значения кривых сушки отличаются от расчетных в каждой точке не бо лее, чем на 5–7 %, что удовлетворяет требуемой точности моделирования.

Рис. 6 – Изменение влажности молока при температуре 800С, 600С, 400С, частоте вращения пульсатора 100 об/мин, отношения скоростей потока 0, (1а, 1б – сушка при t=40 0C;

2а, 2б – при t=60 0С;

3а, 3б – при t=80 0С) Таким образом, теоретические расчеты подтверждаются эксперимен тальными данными, и можно сказать, что верификация проведена успешно, а математическая модель достаточно хорошо описывает реальный процесс сушки.

В четвертом разделе приведены экспериментальные данные по опреде лению воздействия параметров процесса сушки распылением в колебатель ном аэродинамическом потоке на его скорость и на качество получаемого продукта.

Были выбраны девять молочных продуктов, отличающихся структурно механическими и физико-химическими свойствами. С учетом того, что все остальные молочные продукты имеют свойства, аналогичные свойствам вы ше выбранных продуктов.

Проведенные испытания показали, что интенсивность влагоотдачи наи более хорошо коррелирует с изменением вязкости продукта. В результате все рассмотренные продукты можно разделить в зависимости от вязкости (при одинаковой влажности) на три группы:

I группа – низковязкие продукты – молоко «Кошкинское», концентриро ванное молоко «Шадринское», сливки «Давлеканово»;

II группа – средневязкие продукты – молоко «М»;

концентрированная витаминизированная смесь на молочной основе «Малютка», сливки «Орен бургские»;

III группа – высоковязкие продукты – сливки домашние, молоко домаш нее, концентрированная витаминизированная смесь на молочной основе «Милковит».

Установлено, что скорость сушки продуктов, относящиеся к одной и той же группе, одинакова.

Для анализа процесса распылительной сушки с использованием колеба тельных аэродинамических потоков была проведена серия экспериментов, в ходе которых изучали влияние частоты вращения дроссель-клапана, отноше ние скоростей поперечного и основного потоков на скорость сушки молоч ных продуктов и качество готового продукта.

При графоаналитическом анализе процесса сушки с использованием ко лебательных аэродинамических потоков весь процесс можно разделить на три этапа.

Время первого и третьего этапа сушки продукта (описанные выше) крайне ограничено и не оказывает влияния на дальнейший процесс.

На втором этапе продукт попадает в активное поле, создаваемое дроссель клапаном пульсатора. Частица начинает двигаться по криволинейной траекто рии, подвергается воздействию сушильного агента с нескольких сторон, и про цесс сушки идет быстрее.

Выявлено, что наиболее интенсивно процесс сушки для большинства ка тегорий продуктов идет при повышенной температуре и наибольшей частоте вращения дроссель-клапана. Однако замечено, что низковязкие продукты при больших частотах вращения дроссель-клапана (125–150 с-1) слипаются и на выходе получаются большими комками, что недопустимо. При сушке более вязкого продукта сушка идет наиболее хорошо при больших скоростях попе речного потока (1,3–1,5 м/с). Следует отметить, что увеличение частоты вра щения дроссель-клапана пульсатора увеличивает частоту колебания частицы, и процесс сушки высоковязкого продукта идет более быстро. Отношение ско ростей поперечного и основного потока сушильного агента во всех случаях не оказывает большого влияния на скорость сушки, однако влияет на агломе рационный состав порошка.

В результате экспериментов установлено, что наиболее быстро процесс сушки продуктов идет при частоте до 150 с-1, увеличение частоты вращения клапана от 150 до 250 с-1 не оказывает существенного влияния на процесс, более 250 с-1 приводит к понижению качества готового продукта, т.е. частицы слипаются и не просушиваются до требуемой влажности.

Для оценки качества молочных продуктов на основе требований ГОСТов, технических условий и другой нормативно-технической документации были разработаны комплексные показатели качества, включающие в себя оценку органолептических, физико-химических свойств и пищевую ценность гото вых порошков. По уравнениям регрессии, полученным путем графического анализа диаграмм, построенным по экспериментальным данным, обработан ным на основе композиционного ортогонального плана полного факторного эксперимента 23 были построены поверхности отклика. В результате анализа поверхностей отклика органолептических и физико-химических показателей, пищевой ценности и продолжительности сушки от температуры сушильного агента, частоты вращения дроссель-клапана пульсатора при заданных скоро стях основного и поперечного потоков были получены оптимальные пара метры процесса сушки (таблица).

Таблица – Оптимальные параметры для высоковязких, низковязких, средневязких продуктов Скорость Частота Группа Температура, Время поперечного вращения продуктов С сушки, с клапана, с- потока, м/с Высоковязкие 62-660С  1,3 10-30 8  продукты  Средневязкие 58-610С  1  85-95  7,5  продукты  Низковязкие 59-600С  1  90-100  6  продукты  Соблюдение оптимальных параметров процесса распылительной сушки обеспечивает получение наилучшего качества продуктов всех групп.

Для оценки эффективности полученных оптимальных режимов были проведены промышленные испытания, при которых проводили сравнитель ный анализ процесса сушки и качества получаемого продукта с использова нием предлагаемых и традиционных режимов сушки и оборудования. По ре зультатам испытаний сделаны выводы, что получение порошка с заданными качествами при высушивании при температуре ниже 800С без использования пульсатора невозможно, при сушке же с пульсатором за счет уменьшения по граничного слоя и интенсивной турбулизации потока продукт высушивается до параметров ГОСТа. В результате пищевая ценность увеличилась на 6-8%, органолептические показатели – на 5%, энергозатраты на производство тон ны порошка снизились – на 2,6 %.

В пятом разделе приведен технический и экономический расчет. Тех нический расчет распылительной сушилки с пульсатором в качестве допол нительного показал, что основные размеры сушильной камеры при использо вании пульсатора уменьшаются на 15%, расход воздуха увеличивается на 24%, температура сушильного агента снижается до 40-80 0С. Произведенный энергетический расчет показал, что КПД сушилки с использованием колеба тельных аэродинамических режимов увеличился на 6%. Рентабельность про дукции увеличилась на 6,6 %, срок окупаемости составил 1,26 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основе разработанной математической модели кинетики процесса распылительной сушки в нестационарном аэродинамическом потоке, массо обмена и созданного на ее основе программного средства, проведена модер низация прямоточной распылительной сушилки и оптимизированы техноло гические параметры.

2. Использование полученных регрессионных зависимостей вязкости и плотности продуктов на молочной основе от начальной вязкости и плотно сти, влажности и температуры продукта для верификации и идентификации позволят оптимизировать процесс распылительной сушки.

3. Теоретически обоснованное и практически подтвержденное использо вание в технологическом процессе пониженных температур и нестационар ного аэродинамического потока при распылительной сушке позволяет сокра тить время сушки, энергоемкость процесса и повысить пищевую ценность готового продукта.

4. Выявленные оптимальные сочетания частоты вращения клапана пуль сатора, скорости поперечного потока и температуры сушильного агента по зволяют производить процесс сушки в энергосберегающем режиме с получе нием высококачественного продукта.

На основании проведенной классификации пищевых продуктов выявле ны особенности протекания процесса сушки различных групп продуктов в зависимости от применяемых технологических режимов.

Оптимальным, с точки зрения получения наилучшего качества продуктов на молочной основе, являются параметры процесса сушки: для высоковязких продуктов – температура 62-660С, скорость поперечного потока 1,3 м/с, часто та вращения дроссель-клапана 10-30 с-1;

для средневязких продуктов – 58-610С, 1м/с, 85-95 с-1;

для низковязких продуктов – 59-600С, 1м/с, 90-100 с-1.

5. Разработано устройство для сушки продуктов (пат. № 2332142), кото рое делает возможным осуществление процесса в колебательном аэродина мическом потоке, интенсифицирует массообмен.

Проведенные производственные испытания подтверждают возможность использования предложенных технических решений, которые повышают производительность распылительной сушилки на 6 %, снижают энергозатра ты на производство тонны порошка на 2,6 %, повышают пищевую ценность готового продукта на 8 %, увеличивают прибыль на 12 %.

Список публикаций по теме диссертации:

В журналах из «Перечня …» ВАК:

1. Михалева, Т.В. Движение частиц при распылительной сушке молока/ Т.В. Михалева, В.П. Попов // Молочная промышленность. – 2010. – № 4. – С. 75-77.

2. Михалева, Т.В. АСУТП как фактор повышения качества выпускае мой продукции / Т.В. Михалева, В.П. Попов// Вестник Оренбургского госу дарственного университета. – 2006. – № 13. – С. 92-93.

3. Михалева, Т.В. Анализ процесса массообмена при распылительной сушке пищевых продуктов в переменном потоке / Т.В. Михалева // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2012. – № 10. – С. 161-163.

Патент РФ на изобретение:

4. Пат. 2332142 Россия, МПК7 А23 L 3/46. Устройство для сушки про дуктов / Михалева Т.В., Попов В.П., Коротков В.Г. - № 2006125281/13;

Заяв.

13.07.2006;

Опубл. 27.08.2008. – Бюл. № 24.

В прочих изданиях:

5. Михалева, Т.В. Сушка мелкодисперсного сырья с элементами автома тизированного управления / Т.В. Михалева, В.П. Попов // Пищевые техноло гии: сборник тезисов VIII всероссийской конференции молодых ученых с международным участием. – Казань: Изд-во «Отечество», 2007. – С. 135-136.

6. Михалева, Т.В. Возможности внедрения автоматизированных систем управления в процесс сушки / Т.В. Михалева, В.П. Попов // Инновационные технологии обеспечения безопасности питания и окружающей среды: сбор ник материалов всероссийской научно-практической конференции. – Орен бург: ВТУ, 2007. – С. 286-288.

7. Михалева, Т.В. Автоматизация технологических процессов / Т.В. Ми халева, В.П. Попов// Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономике: сборник материалов всероссийской научно-методической конфе ренции. – Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ, 2007. – С. 161-164.

8. Михалева, Т.В. Сушка как фактор влияния на качество продукта / Т.В. Михалева, В.П. Попов // Потребительский рынок: качество и безопас ность товаров и услуг: сборник материалов IV международной научно практической конференции. – Орел: ОрелГТУ, 2007. – С. 49-50.

9. Михалева, Т.В. Интенсификация процесса сушки молока / Т.В. Миха лева // Сборник трудов V международной научно-практической конферен ции / РАСХН. Сибирское отделение. – Новосибирск: ГНУ СибНИПТИП, 2008. – С. 61-62.

10. Михалева, Т.В. Возможности модернизации распылительных суши лок / Т.В. Михалева, В.П.Попов // Пищевые технологии и биотехнологии:

сборник тезисов докладов IX международной конференции молодых уче ных. – Казань: Изд-во «Отечество», 2008. – С. 105.

11. Михалева, Т.В. Применение пульсатора для сушки мелкодисперсных продуктов функционального назначения / Т.В. Михалева, В.П. Попов // Тех нология и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продук ты: сборник материалов VI международной научно-практической конферен ции. – М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008. – С. 31-36.

12. Михалева, Т.В. Особенности протекания процессов сушки в погра ничном слое / Т.В. Михалева, В.П. Попов // Вестник Оренбургского государ ственного университета. – 2008. – № 82. – С. 218.

13. Михалева, Т.В. Особенности применения распылительной сушки для консервирования детских продуктов на молочной основе / Т.В. Михалева // Молодежь и наука – шаг в будущее: сборник трудов областной научно практической конференции. – Оренбург: ОГИМ, 2009. – С. 183-185.

14. Михалева, Т.В. К вопросу о формировании пограничного слоя при сушке распылением / Т.В. Михалева // Вестник Оренбургского государствен ного университета. – 2009. – № 2. – С. 201.

15. Михалева, Т.В. К вопросу сушки пектина полученного кислотно кавитационным способом / Т.В. Михалева, А.В. Быков, В.М. Тыщенко // Ос новы государственной политики в области создания продуктов здорового пи тания: технологические аспекты: сборник материалов «круглого стола». – М.:

Издательский комплекс МГУПП, 2010. – С. 101-103.

16. Михалева, Т.В. Особенности определения параметров распылитель ной сушки / Т.В. Михалева, Т.М. Крахмалева // Наука и образование: фунда ментальные основы, технологии, инновации: сборник материалов междуна родной научной конференции, 2011. – Электронное издание.

Подписано в печать 29.05.2013 г.

Формат 60Х841/16. Бумага писчая. Цена свободная.

Усл. печ. листов 1,0. Тираж 100. Заказ 129.

ОООИПК «Унивесритет» 460007, г. Оренбург, ул. М. Джалиля, 6.

E-mail: ipk_universitet@mail.ru Тел./факс: (3532) 90-00-

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.