Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее распространенным методом, применяемым для получения мелкодисперсной пищевой продукции, является воздушная сушка. Процесс сушки пищевого сырья с получением высококачественных порошков осуществляется распылительными сушилками с прямоточным, противоточным и смешанным движением сушильного агента - воздуха.
Современная тенденция развития сушильной технологии - обеспечение максимальной интенсификации процессов распылительной сушки при одновременном улучшении качества высушиваемого материала.
Недостатки существующих распылительных сушилок - большие габаритные размеры и значительные энергозатраты, ограниченная возможность оперативного влияния на протекание процесса сушки, низкая пищевая ценность получаемых продуктов. Устранение этих недостатков требует разработки и внедрения оборудования на базе новых принципов с автоматизированным управлением технологическими процессами.
Приоритетным направлением исследований в области получения высококачественных молочных порошков и сохранения их пищевой ценности является 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 аэродинамическими 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 сырья, технологическими процессами в пищевой промышленности и АПК инженерными и физико-химическими методами» (№ ГБ 01990000123).
Целью работы является снижение энергозатрат процесса распылительной 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 материала с целью идентификации и верификации модели;
теоретическое обоснование использования в технологическом процессе пониженных температур и нескольких потоков сушильного агента;
экспериментальное исследование влияние параметров процесса сушки в нестационарных аэродинамических потоках на эффективность его протекания и на качество готового продукта;
разработка конструкции сушильного аппарата и оценка технико- экономической эффективности его применения.
Объект исследований - прямоточная распылительная сушилка с пневматическим распылителем.
Предмет исследования - процесс распылительной сушки мелкодисперсных продуктов, в частности, с использованием нестационарных аэродинамических 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 зависимостей переменных величин математической модели от структурно- механических параметров высушиваемого материала;
доказана эффективность применения нестационарных аэродинамических потоков в процессе распылительной сушки;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность применение пониженных температур и нескольких потоков сушильного 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 распылительной сушки в нестационарном аэродинамическом потоке сушильного агента для жидких продуктов на молочной основе.
Достоверность представленных в работе научных выводов и рекомендаций подтверждена использованием современных апробированных методов исследования сушки распылением, апробированных вычислительных методов и программных комплексов, репрезентативными выборками экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных 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, позволяющий 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 энергетической эффективности процесса сушки пищевых продуктов;
математическая модель процесса распылительной сушки продукта с учётом колебательного движения единичной частицы продукта в нестационарном аэродинамическом потоке;
результаты экспериментальных исследований по изучению влияния нестационарных гидроаэродинамических режимов на процесс сушки и качество готового продукта;
-алгоритм разработки энерго- и материалоемких установок для распылительной сушки мелкодисперсных материалов с применением нестационарных аэродинамических потоков;
-устройство для распылительной сушилки с возможностью использования активных аэродинамических потоков, защищенное патентом РФ на изобретение.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на всероссийских научно-практических конференциях «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. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2007); международных научно- практических конференциях: «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (Орел, 2007), «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2008), «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные продукты» (Москва, 2008), «Пищевая промышленность: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2009); региональных конференциях молодых ученых и специалистов Оренбургской области (Оренбург, 2007, 2008, 2009, 2010); международных конференциях молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2008, 2009), международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010).
Результаты исследований представлялись на научно-технических выставках и конкурсах и отмечены: выставка научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2009» (Москва, 2009) - диплом лауреата и премией Президента РФ за проект «Устройство для сушки продуктов», свидетельство о творческих успехах в создании научного проекта и активном участии; всероссийский конкурс докладов по совместной программе Минобрнауки России и Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно- технической сфере «Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу» (Ползуновские гранты, Барнаул, 2008) - диплом победителя 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. Оренбург), на базе которого осуществлена опытно-промышленная апробация разработанной распылительной сушилки с пульсатором в производственных условиях.
Программное средство «Расчет параметров распылительной сушки в активном гидроаэродинамическом режиме» и лабораторный стенд для распылительной сушки порошков используются в учебно-исследовательской работе 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 составляет 161 страницы, включая 34 рисунка, 7 таблиц.
