Содержание к диссертации
Введение и постановка задач исследований 4
Глава 1. Основы процесса гомогенизации и его аппаратной реализации 8
1.1 Общие представления о процессе гомогенизации 8
1.2 Основные направления математического моделирования процесса гомогенизации 16
1.3 Гомогенизаторы, используемые в пищевой промышленности 39
1.3.1 Гомогенизаторы клапанного типа 41
1.3.2 Ультразвуковые колебания 44
1.3.3 Центробежный гомогенизатор 45
1.3.4 Гомогенизаторы-смесители 48
1.3.5 Роторно-пульсационные аппараты 50
1.4 Интенсификация процесса гомогенизации в РПА 60
Выводы по главе 1 63
Глава 2. Теоретическое исследование процесса гомогенизации в роторно-пульсационных аппаратах 64
2.1 Пропускная модуляция в роторно-пульсационных аппаратах 64
2.2Исследование кинетики гомогенизации в РПА
на основе уравнения Колмогорова-Фоккера-Планка 75
2.3 Энтропия как мера неопределенности фракционного состава 83
2.4 Энтропийный критерий качества эмульсий 89
2.5 Стохастический подход к моделированию процесса гомогенизации в РПА 90
Выводы по главе 2 104
Глава 3. Аппаратурное и методическое обеспечение экспериментальных исследований 105
3.1 Описание экспериментально-исследовательского стенда 105
3.2 Описание исследуемой конструкции РПА для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования 107
3.3 Методика обработки данных гидродинамического эксперимента для определения напорных и энергетических характеристик РПА 109
3.4 Методика анализа дисперсионного состава готовой смеси
на основе компьютерного анализа микрофотографий 111
Выводы по главе 3 118
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований роторно-пульсационного аппарата с направляющими лопастями 119
4.1 Сопоставление теоретических результатов стохастического моделирования с экспериментальными данными 119
4.2 Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик роторно-пульсационного аппарата 123
4.2.1 Результаты исследования энергопотребления аппаратов при обработке ньютоновских жидкостей 123
4.3 Результаты исследования напорно-расходной характеристики роторно-пульсационного аппарата 127
4.4 Разработка технологических аспектов аппаратурного оформления стадий гомогенизации и диспергирования при получении кисломолочных десертов с ягодными наполнителями 135
4.5 Методика расчета роторно-пульсационного аппарата 137
4.6 Пример расчета параметров роторно-пульсационного аппарата на заданную производительность 139
Выводы по главе 4 142
Основные результаты работы и выводы 143
Библиография 144
Приложения 162
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из главных направлений развития пищевой промышленности является повышение качества пищевых продуктов и соответствие их медико-биологическим требованиям. В связи с этим, научные исследования должны быть направлены на создание и модернизацию энергетически выгодных технологий, обеспечивающих безотходную переработку сырья, и производство экологически безопасных продуктов питания.
Среди существующих способов получения гомогенных систем (суспензий, эмульсий) наиболее предпочтительным, в современных условиях, является непрерывный поточный способ, который реализуется в роторно-пульсационных аппаратах (РПА). Гомогенизаторы такого типа в качестве составного звена входят в непрерывные поточные технологические линии, которые обладают достаточно большой производительностью и могут быть полностью автоматизированы. Обзор существующих конструкций гомогенизаторов позволяет сказать, что каждый из довольно широкой гаммы аппарат не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к устройствам такого рода. Но при всех прочих равных условиях использование пульсационных аппаратов роторного типа рассматривается наиболее предпочтительным. Данные аппараты, имеющие высокую производительность при малых габаритах и энергоемкости, позволяют получать жидкие смеси хорошего качества при достаточно малой флуктуации входных потоков. Возможность усовершенствования имеющихся конструкций открывает широкие перспективы для повышения эффективности. Совершенствование технологий требует интенсификации процесса гомогенизации, которая приводит к уменьшению проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.
Для производства жидких комбинированных продуктов питания используют роторно-пульсационные аппараты, в которых совмещены процессы гомогенизации и диспергирования. Гомогенизаторы, используемые на большинстве пищевых предприятиях морально физически устарели, металло - и энергоемки и во многих случаях не способны обеспечить заданное качество продуктов. Поэтому, для интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования, необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволяли бы увеличить турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. В роторно-пульсационных аппаратах интенсивность процессов диспергирования и гомогенизации достигается за счет создания звуковых (акустических) колебаний, гидромеханических процессов, кавитационных явлений. Большой вклад в развитие теории и практики гидромеханического перемешивания внесли: В.И.Биглер, М.А.Барам, Л.Г.Базадзе, Г.Ю.Будко, А.И.Зимин, В.Ф.Юдаев и многие другие. Однако, вопросы математического описания гидродинамики вихревых потоков в рабочих зонах РПА изучены недостаточно.
Анализ приведенной классификации математических моделей показывает, что на сегодня нет какой-либо универсальной модели, достоверно описывающей процесс гомогенизации в любом из существующих видов гомогенизаторов. Все рассмотренные модели имеют ряд преимуществ и недостатков. Однако наиболее перспективными можно считать вероятностные или стохастические модели, использование которых требует знания кинетики движения обрабатываемых материалов в конкретном исследуемом аппарате.
Поэтому, исследование эффективности применения РПА в производстве жидких комбинированных продуктов с целью интенсификации и диспергирования процессов является актуальной задачей для пищевой и других отраслей промышленности.
Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в интенсификации процессов гомогенизации и диспергирования в новой конструкции роторно- пульсационного аппарата при получении жидких комбинированных продуктов на основе анализа результатов стохастического моделирования и экспериментальных исследований.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие основные задачи:
• - математическое описание гидродинамики потоков в рабочих зонах роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода;
• - создание новой конструкции РПА;
• - исследование напорных и энергетических характеристик новой конструкции при различных режимах работы и конструктивных параметрах;
• - проверка математической модели на адекватность.
Научная новизна. - Разработана математическая модель роторно-пульсационного аппарата на основе стохастического подхода, позволяющая определить энтропию исследуемой среды и оценить качество продукта по степени идеальности;
- получены напорные и энергетические характеристики аппарата при различных режимах его работы и конструктивных параметрах;
доказана адекватность математической модели на основе сопоставления степени дисперсности, рассчитанной по экспериментальным данным, и теоретической степени идеальности.
Практическая значимость. По результатам теоретических и экспериментальных исследований процессов гомогенизации и диспергирования жидких продуктов разработана новая конструкция РПА, техническая новизна которого защищена патентом РФ №2309791.
Предложена рецептура производства кисломолочного десерта, получаемого на разработанной установке.
Автор защищает; - новую конструкцию роторно-пульсационного аппарата для проведения процессов гомогенизации и диспергирования жидких систем; математическое описание гидродинамики процессов гомогенизации и диспергирования на основе стохастического подхода, позволяющую оценить качество продуктов с помощью энтропии и степени идеальности, с учетом конструктивных и технологических параметров; результаты исследований напорных и энергетических характеристик аппарата.
