Введение к работе
Актуальность работы. Концентрирование жидких продуктов играет существенную роль в пищевой промышленности, агропромышленном комплексе и других отраслях. Удаление части воды уменьшает объем продуктов, что существенно для хранения и транспортировки, замедления жизнедеятельности микроорганизмов и нежелательных биохимических реакций, приводящих к снижению качества продуктов.
Исследования использующихся в отечественной и зарубежной практике способов и устройств концентрирования жидких продуктов показали, что криоконцентрирование является одним из эффективных технологических процессов, основное преимущество которого - низкотемпературная обработка, обеспечивающая наиболее полное сохранение исходных свойств продуктов (витаминов, минеральных веществ), в том числе в ароматосодержащих и термолабильных жидкостях. В консервной промышленности такой способ используют при получении концентрированных соков высокого качества. В винодельческой промышленности криоконцентрирование используют для приготовления высококачественных марочных вин. Криоконцентрирование повышает содержание алкоголя в вине с улучшением вкусовых качеств последнего. Используя обработку холодом для виноградных соков и вин, предотвращают процесс образования кристаллических помутнений при хранении.
Применяя комбинированное обезвоживание жидких пищевых продуктов криоконцентрированием и сублимацией можно существенно сократить общие затраты на производство быстрорастворимых порошкообразных продуктов (в 2-2,5 раза) и одновременно повысить качество.
В применяемых технологиях процесс теплообмена при криоконцентрировании протекает через теплообменную поверхность, что влияет на уровень энергозатрат и продолжительность обработки продуктов, учитывая необходимость периодической очистки теплообменной поверхности от вымороженного льда.
В связи с этим разработка эффективной технологии и оборудования для криоконцентрирования жидких продуктов является актуальной задачей, решение которой позволит сократить общие затраты на производство и повысить качество готового продукта.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование струйного криоконцентратора жидких продуктов непрерывного действия при поточно-контактном взаимодействии холодильного агента и продукта.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-построение физической и математической моделей процесса криоконцентрации при поточно-контактном взаимодействии холодильного агента и продукта;
-проведение теоретических исследований процесса криоконцентрации в струйном криоконцентраторе жидких продуктов;
-экспериментальное определение размеров гранул твердой двуокиси углерода на выходе из сужающегося сопла струйного аппарата;
-проведение численных экспериментов по исследованию процесса криоконцентрации и анализ их результатов;
-проведение экспериментальных исследований струйного криоконцентраторатора и проверка адекватности математической модели;
-оценка энергетической и технологической эффективности разработанного струйного криоконцентратора;
-технико-технологическая оценка выбора эффективного рабочего вещества для использования в струйном криоконцентраторе;
-разработка конструкции и инженерной методики расчета струйного криоконцентратора жидких продуктов для промышленной установки.
Научная новизна.
1. На основании проведенных теоретических исследований процесса криоконцентрации для струйного аппарата разработана математическая модель процесса криоконцентрирования в струйном криоконцентраторе, отражающая особенности процесса, связанного с тепломассообменом в двухкомпонентном, трехфазном высокоскоростном потоке при наличии фазовых переходов рабочих компонентов.
2. Экспериментально установлен размер гранул твердой двуокиси углерода, образующихся при истечении из сужающегося сопла струйного аппарата с диаметром выходной части сопла от 0,5 до 1 мм и давлении жидкой двуокиси углерода на входе в аппарат 64,3 бар.
3. Теоретически и экспериментально исследован процесс тепломассообмена при поточно-контактном взаимодействии двуокиси углерода в газообразной и твердой фазах с каплями обрабатываемого продукта в струйном эжекционном аппарате.
4. Разработана конструкция струйного криоконцентратора жидких продуктов, обеспечивающая обработку продукта в непрерывном потоке.
5. Разработана программа расчета режимных характеристик струйного криоконнцентратора жидких продуктов на языке Turbo Pascal, защищенная свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611387.
Новизна технологических и технических решений подтверждена патентами Российской Федерации: № 48708 «Линия для концентрирования жидких пищевых продуктов», № 2294644 «Способ концентрирования жидких пищевых продуктов в непрерывном потоке», № 56505 «Эжектор».
Практическая значимость работы. Разработанные технологии и струйный криоконцентратор жидких продуктов, использующий в качестве рабочего вещества двуокись углерода, предназначены для использования на предприятиях перерабатывающей промышленности, занимающихся производством фруктовых соков и высококачественных марочных вин. Струйный криоконцентратор, использующий в качестве рабочего вещества фреоны, применим в химической, фармацевтической, нефтегазовой и других отраслях промышленности для концентрации жидких продуктов. Эффективность технологии криоконцентрирования повышается за счет увеличения показателей качества обработанного продукта, а также за счет снижения приведенных затрат на обработку.
Внедрение результатов работы. Разработанная инженерная методика расчета и проектирования струйной криоконцентраторной установки (СКУ) принята Краснодарским научно-исследовательским институтом хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Российской академии сельскохозяйственных наук для использования в проектах холодильных систем на перерабатывающих предприятиях агропромышленного комплекса Краснодарского края. Материалы диссертационной работы в части математической модели внедрены в учебный процесс на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» и используются при чтении курсов «САПР низкотемпературных систем», «Математические методы моделирования физических процессов в криогенной технике» по специальности 140504 – «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- математическая модель процесса криоконцентрации жидких продуктов в струйном эжекционном аппарате, отражающая особенности процесса, связанные с тепломассообменом в трехфазном двухкомпонентном высокоскоростном потоке при наличии фазовых переходов рабочих компонентов;
- зависимости, определяющие режимные характеристики работы струйного криоконцентратора и оптимальную длину камеры смешения в пределах изменения расхода продукта Gn от 0,5 до 1,5 кг/мин, расхода рабочего вещества Gr от 0 до 3 кг/мин, температуры продукта tn от 10 до 30 С :
для количества вымороженной влаги W, кг/кг
W= а1 – а2 tn – а3 Gn + а4 tn2 + а5 tn Gn + а6 Gn2 ;
при Gr = 0,5 кг/мин;
для оптимальной длины камеры смешения Loпт , мм
Loпт = b1 – b2 tn – b3 Gn – b4 tn2 + b5 tn Gn – b6 Gn2 ;
при Gr = 0,5 кг/мин;
для расхода рабочего вещества Gr , кг/мин
Gr= c1 + c2 W + c3 Gn – c4 W2 + c5 W Gn + c6 Gn2 ;
при tn = 20 С;
- коэффициент расхода при истечении жидкой углекислоты в сужающемся сопле с диаметром выходного сечения 0,5; 0,75; 1 мм соответственно составляет 0,42; 0,38; 0,32 при давлении жидкой двуокиси углерода перед соплом 64,3 бар;
- среднестатистический размер гранул твердой фазы при истечении жидкой двуокиси углерода из сужающегося сопла составляет 85 мкм при диаметре выходного сечения от 0,5 до 1 мм при давлении жидкой двуокиси углерода перед соплом 64,3 бар;
- разработанная конструкция струйного криоконцентратора жидких продуктов, способ концентрирования жидких пищевых продуктов в непрерывном потоке и технологическая линия для концентрирования жидких пищевых продуктов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международной научно-технической конференции «Современные проблемы холодильной техники и технологии» (г.Одесса, 2005г.), региональной научно - практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов (г.Майкоп, 2007г.), XI Всероссийской научно-практической конференции «Агропромышленный комплекс и актуальные проблемы экономики регионов» (г.Майкоп, 2008г.), международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в области холодильного хранения и переработки пищевых продуктов» (г.Краснодар, 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 1 патент Российской Федерации на изобретение, 2 патента Российской Федерации на полезную модель, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 6 статей и 3 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 7 приложений. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 12 таблиц. Список использованной литературы включает 129 наименований.
