Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 11
1.1 Общая характеристика молока 11
1.2 Технологии производства сухого молока 15
1.2.1 Технология и принцип работы распылительных сушильных установок 15
1.2.2 Технология и принцип работы барабанных сушильных установок 22
1.2.3 Технология и принцип работы сублимационных аппаратов пищевого производства 26
1.3 Характеристика и сферы применения сухого молока 28
1.4 Применение технологии индукционного нагрева в пищевом производстве 33
1.5 Заключение по литературному обзору 41
Глава 2 Организация работы, объекты и методы экспериментальных исследований 43
2.1 Организация выполнения работы 43
2.2 Методы и методики исследований 46
2.3 Объекты исследования 50
Глава 3 Разработка вальцовой сушилки индукционного типа и обоснование параметров работы 51
3.1 Разработка лабораторной вальцовой сушилки индукционного типа 51
3.2 Автоматизация лабораторной вальцовой сушилки индукционного типа 55
3.3 Экспериментальное исследование режимов работы лабораторной вальцовой сушилки индукционного типа 60
3.4 Экспериментальная методика сушки молочного сырья на лабораторной вальцовой сушилке 63
3.5 Разработка структуры прототипа вальцовой сушилки молока индукционного типа 64
3.6 Математическое описание процессов теплообмена в процессе работы вальцовой сушилки индукционного типа 74
3.7 Заключение по главе 3 82
Глава 4 Результаты исследований 84
4.1 Выбор оптимальных параметров работы вальцовой сушилки индукционного типа 84
4.2 Результаты исследований основных качественных показателей сухого молока, получаемого на вальцовой сушилке индукционного типа 86
4.3 Технологическая схема производства сухого молока на вальцовой сушилке индукционного типа 98
4.4 Расчет производительности и стоимости изготовления вальцовой сушилки индукционного типа 100
4.5 Конкурентные преимущества разработанной вальцовой сушилки индукционного типа 103
Результаты и выводы 106
Список литературы 108
Приложения 123
- Общая характеристика молока
- Применение технологии индукционного нагрева в пищевом производстве
- Разработка структуры прототипа вальцовой сушилки молока индукционного типа
- Конкурентные преимущества разработанной вальцовой сушилки индукционного типа
Общая характеристика молока
Молоко является многокомпонентной биоорганической гетерогенной системой, обладающей свойствами эмульсии, а также истинного и одновременно коллоидного раствора. В составе молока содержится следующие основные компоненты: вода – 87,5 %, сухие вещества – 12,5 %, белок – 3,3 %, жир – 3,5 %, молочный сахар – 4,7 % и 1 % минеральных веществ.
Дополнительно в состав молока входят витамины, ферменты, иммунные тела, газы и др. «Наличие такого комплекса веществ обуславливает и физико-химические свойства молока, среди которых с технологической точки зрения наиболее важными являются активная кислотность, плотность, вязкость, теплофизические характеристики» [65].
Белки, содержащиеся в молоке, являются основными ценными и дефицитными компонентами животного происхождения. К таким белкам, входящим в состав молока, относятся казеин – 2,7 %, альбумин – 0,5 % и глобулин – 0,1 %.
Жир, входящий в состав молока, находится в виде жировых шариков, окруженных белковой оболочкой, и усваивается при пищеварении человека на 96–97 %. В его состав входит более 20 незаменимых и ключевых жирных кислот, необходимых для обеспечения физиологических функций роста, развития и поддержания общего здоровья.
Жирные кислоты, входящие в состав молока, делятся на две группы – насыщенные и ненасыщенные. Насыщенных кислот в молоке обычно содержится 51–74 %, ненасыщенных – 49–26 %.
Молочный сахар – лактоза, углевод, входящий в состав молока, хорошо усваивается организмом, придает молоку сладковатый вкус. Молоко также содержит различные минеральные вещества, которые находятся в молекулярной связи с белками и поэтому хорошо усваиваются при пищеварении [2, 3].
В таблице 1.1 представлен состав молока основных видов сельскохозяйственных животных.
Химический состав молока и его вкусовые качества зависят от вида сельскохозяйственных животных, условий их кормления и содержания и ряда других факторов. В большей степени изменяется содержание жира в молоке, в меньшей степени – содержание молочного сахара и минеральных веществ.
Также химический состав молока меняется в период лактации, времени доения и ряда прочих факторов, влияющих на физиологическе состояние животных, и имеет в большинстве случаев функциональный характер. Основное влияние на процентное содержание в составе молока жиров, белков и витаминов оказывает качество и полноценность кормления и условия содержания животных [1, 4].
Применение технологии индукционного нагрева в пищевом производстве
Индукционный нагрев – бесконтактный и сложный процесс, сочетающий в себе электромагнитные и теплопередающие явления [123]. Данный вид нагрева имеет ряд преимуществ по температуре и однородности нагрева, высокую безопасность при использовании, максимальную производительность, возможность автоматизации установок, экологичность процесса нагрева, надежность, энергоэффективность и ценовую конкурентоспособность.
Индукционный нагрев объясняется теорией Фарадея, утверждающей, что изменение магнитной среды в проводнике приводит к возникновению электрического тока, который может быть индуцирован в этом проводнике [112, 113]. Индукционный нагрев получил большое распространение в промышленности, в частности, в металлургии, производстве полупроводников и химическом синтезе. В настоящее время индукционный нагрев используется в бытовых и коммерческих индукционных электропечах для приготовления пищи [123]. Кроме того, он применялся в других направлениях, включая производство насыщенного пара используемого для процессов сушки, стерилизации и пиролизе сельскохозяйственных отходов.
Современное состояние индукции системы нагрева было рассмотрено в работах [125, 127]. Авторы представили основные компоненты систем индукционного нагрева для промышленного, медицинского и бытового применения. Они также представили алгоритмы модуляции и управления, применяемые для точного управления преобразователем мощности и индукционным нагревом. Стоит отметить, что при домашнем применении индукционный нагрев в электроплитах требует недорогих конфигураций индукторов из-за ограниченного охлаждения только воздухом, промышленные установки с высокой выходной мощностью требуют хорошо продуманную систему охлаждения и управления для максимальной надежности в работе.
Система индукционного нагрева состоит из индукционной катушки, блока питания и колебательного контура. В пищевой промышленности и при приготовлении пищи продукт косвенно нагревается за счет теплопроводности через контакт с металлической поверхностью. При размещении металлической поверхности в электромагнитное поле генерируются токи Фуко (вихревые), на поверхности которых происходит нагрев с последующей передачей тепла нагреваемому пищевому продукту.
На рисунке 1.14 показаны основные компоненты системы индукционного нагрева. Используемый переменный ток в индукционной катушке создает вокруг переменное магнитное поле.
Несмотря на широкое применение индукционного нагрева в промышленности, применение индукционного нагрева в пищевой промышленности крайне ограничено. Отсутствие исследований, научных данных и информации о конструкциях и производительности индукционного нагрева в пищевой промышленности препятствовало коммерциализации индукционного нагрева, который является энергоэффективным и конкурентоспособным альтернативным вариантом нагрева [111].
В работе [125] для лабораторного получения биотоплива из сахарного тростника и кокосовой скорлупы использовали установку пиролиза с применением индукционного нагрева. На рисунке 1.15 приводится схема данной установки.
Применение индукционной системы в данной работе дает преимущество в скорости нагрева свыше 200 С и до 500 С, в сравнении с электрическим нагревом, кроме того, индукционный нагрев реактора увеличивает на 50 % выход биотоплива из используемого в работе растительного сырья.
В работе [101] были проведены теоретические расчеты энергопотребления и тепломассопереноса при производстве клубничного варенья в реакторах пастеризации с использованием электрического и индукционного нагрева. На рисунке 1.16 приводятся системы пастеризации на основе двух способов нагрева. В данной работе установлено, что система пастеризации с индукционным нагревателем требует меньше потребления электроэнергии при производстве клубничного варения. Согласно расчетам, энергоэффективность (КПД) системы пастеризации с индукционным нагревом составляет 95 % против 82 % при электрическом нагреве.
Неоспоримым преимуществом, приводимым в работе [101], при использовании индукционного нагрева на этапе пастеризации является отсутствие в технологической линии производства дополнительных агрегатов (теплообменников, насосов доставки теплоносителя и теплогенератора). Таким образом, предлагаемая в работе система требует меньшего времени на ремонт и обслуживание, она компактна и не имеет дополнительных движущихся и нагруженных частей.
В работе [56] приводится научно-экспериментальное обоснование технологической схемы линии пастеризации молока и разработка данной конструкции с использованием индукционного нагрева для тепловой обработки молока. На рисунке 1.17 приводится схема поточной линии производства питьевого молока.
Индукционный нагреватель с выдерживателем, представленный на рисунке 1.18, является основным узлом предлагаемой линии по производству питьевого молока, состоит из корпуса, сделанного из пищевых пластмасс, нижней входной камеры и верхней выходной камеры, имеющими входные и выходные патрубки [56
Сравнительная энергетическая оценка предлагаемой технологической линии термической обработки молока показывает, что предлагаемая технология снижает удельные затраты электроэнергии на процесс пастеризации молока на 21,6 % и массогабаритные характеристики линии пастеризации питьевого молока на 49 кг [34].
Новая система пастеризации при производстве томатной пасты, приводимая авторами в работе [100], строится на индукционном нагреве. На рисунке 1.19 приводится два способа нагрева, исследованные в данной работе. Основная цель работы [100] – создание инновационной системы тепловой обработки пищевых продуктов с оценкой преимуществ индукционного нагрева в качестве альтернативы обычным системам тепловой обработки при проведении стадии пастеризации. Рисунок 1.19 – Схемы пастеризации томатной пасты с электрическим (а) и индукционным нагревателем (b)
Система пастеризации томатной пасты с электрическим котлом в основном состоит из насоса, котла и двухтрубного теплообменника (DPHE). В данном теплообменнике тепловая энергия пара используется для нагрева томатной пасты во время процесса пастеризации. Поэтому существует потребность в паровой генерации перед процессом пастеризации с соответствующим оборудованием в случае использования такого отопительного оборудования. Система пастеризации томатной пасты с индукционным нагревателем состоит только из трубы и индуктора. Согласно расчетам, энергоэффективность (КПД) системы пастеризации с индукционным нагревом составляет 95%, в то время как обычная система с электрическим нагревом имеет 75 %.
В работе [106] приводятся данные о действии теплового эффекта индукционного нагрева, позволяющего значительно снизить общее количество бактерий в образцах грейпфрутового сока и сырого молока при проведении пастеризации.
Исследование качества получаемого соевого молока и сыра с применением индукционно нагреваемой системы, описанного в работе [112], приводится на рисунке 1.20.
Разработка структуры прототипа вальцовой сушилки молока индукционного типа
Изготавливаемый в ходе работы прототип вальцовой сушилки индукционного типа состоит из чугунного барабана с толщиной стенок 12 мм (рисунок 3.12), закрепленного на столешнице с помощью стойки и центрующих подшипников, вращающегося за счет работы электродвигателя и редуктора. Ложе и форма индуктора магнитного потока, расположенного на внутренней стенке вращающегося барабана, повторяют горизонтальный профиль сегмента барабана и составляют третью часть его внутренней поверхности, тем самым нагревая только его с помощью индукционного тока.
Для снижения или полного исключения вероятности повреждения индукционной катушки, возникающего при коротком замыкании, для упрощения конструкции и уменьшения основных элементов, входящих в состав прототипа, расстояние в горизонтальном направлении между внутренней стенкой барабана и поверхностью индуктор магнитного потока, размещенного на ложе, фиксируется натяжными винтами в пределах значения 3–8 мм.
Питание индукционной катушки осуществляется внешним источником тока с помощью изолированного контактного провода.
Термодатчик определения температуры (термопара) находится в непосредственном контакте с индукционной катушкой, численное значение передается на блок управления с целью контроля работы индукционной катушки.
Изменение расстояния в горизонтальном направлении между поверхностью индукционной катушки и внутренней стенкой барабана от 3 до 8 мм позволяет за счет воздушного охлаждения вентилятором исключить неблагоприятное влияние излучения тепла на индуктор от нагретого барабана. При расстоянии более 8 мм величина теплового влияния на индукционную катушку минимально, но снижается мощность магнитного потока, сконцентрированного на внутренней поверхности барабана. Рисунок 3.13 – Литцендрат, равномерно распределенный на токонепроводящим каркасе
Предлагаемое нами расположение основных элементов, входящих в состав прототипа, позволяет полностью исключить водяное охлаждение поверхности индуктора (рисунок 3.13) и максимально фокусировать на внутренней стенке барабана переменное индукционное поле за счет определенной формы ложа индуктора, на котором равномерно распределен литцендрат.
Конструктивное расположение индуктора, приведенное на рисунке 3.14, исключает необходимость жидкостного охлаждения.
Максимальное концентрирование переменного магнитного поля на поверхности индуктора достигается за счет использования специальных концентраторов магнитного поля, состоящих из карбонильного и оксидного железа. Ширина индуктора с множеством витков, расположенных на минимальном расстоянии между собой, составляет третью часть внутренней поверхностной площади барабана. Генерирующий индукционный ток на поверхности индуктора увеличивается за счет перпендикулярного расположения концентраторов по отношению к индуктору [58].
Использование концентраторов магнитного потока из оксида железа позволяет максимально сформировать магнитное поле на поверхности литцендрата. Исходя из основных законов, описываемых формирования магнитных полей, концентраторы располагались перпендикулярно ложу индуктора.
Конструкция прототипа вальцовой сушилки индукционного типа
Основным элементом, который контролирует весь процесс работы прототипа вальцовой сушилки индукционного типа, является контроллер (2), который обменивается по ходу сушки данными с панелью управления сушилкой (1), вентилятором (7) и регулятором напряжения (5) через обратную связь от индуктора (9) и нагреваемого барабана (13), генерируя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) на драйвер (4) и силовой полумост IGBT (8) (рисунок 3.15).
Для питания драйвера IGBT, блока обратной связи, вентиляторов, а также реле использовали блок питания с номинальным напряжением в 15 V (6) микроконтроллер и другие микросхемы подключались к выходу в 5 V этого же блока питания.
Данные трансформаторов тока (12), которые установлены последовательно с индуктором и датчиками температуры (10, 11), передаются на блок обратной связи (3).
Барабан (13), зафиксированный на столешнице с помощью подшипников, вращается со скоростью от 0 до 10 об/мин электродвигателем (14) через редуктор (15). Изменение скорости регулируется контроллером (2).
Выбором элементной базы и основой для индукционного нагрева стала плата (номенклатурный номер XR-B-16p), широко используемая в бытовых индукционных нагревательных приборах. Схема силового блока приведена на рисунке 3.16. Это плата с одним задающим КМОП-транзистором (H20R120) на рабочий LC-контур с управляющей частотой микросхемой MC68YC908QY4.
Рабочим LC-контуром являются конденсаторы C12, C14 и индуктор. Индуктор выполнен из литцендрата 8–24 нитки по 0,4 мм2 длиной 14 м, количество витков – 11. Длина рабочей зоны нагрева – 40 см, ширина индуктора рассчитана как 1/3 от общей длины внутренней окружности барабана. Каркасом индуктора является ложе индуктора, которое выполнено из термостойкого пластика так, чтобы обеспечить расстояние от внешней поверхности индуктора до внутренней поверхности барабана в 3–5 мм.
Колебательный LC-контур c постоянной резонансной частотой образуется за счет взаимосвязи нагретого барабана и силовой части вальцовой сушилки индукционного типа. Напряжение, подаваемое на основное верхнее плечо полумоста IGBT (8), формирует амплитуду меандра. Программирование на различные протоколы и режимы работы прототипа с использованием модуляции плотности образуемого сигнала происходит за счет генерации контроллером сигнала ШИМ.
Изменение скорости нагрева барабана осуществляется методом сокращения части импульсов, отвечающих за открытие силовых ключей IGBT.
Для точного контролирования количества оборотов был разработан редуктор (рисунок 3.17), который приводит во вращение барабан электродвигателем. В качестве электродвигателя был выбран двигатель MMR004 450W YK-8830 коллекторного типа, мощностью 450 Вт, напряжение питания – 220–240 В, частота вращения – 14000–17000 оборотов в минуту. На рисунке 3.17 представлены распечатанные на 3D принтерах корпус и основные узлы редуктора и индуктор в сборе.
Конкурентные преимущества разработанной вальцовой сушилки индукционного типа
Традиционные вальцовые сушилки основаны на паровом нагреве барабана, на испарение 1 кг влаги надо затратить 1,1-1,4 кг пара, соответственно необходимо использование дорогостоящих парогенераторов, также дорогих в обслуживании. Атмосферные традиционные вальцовые сушки обогреваются паром, температура которого выше 110 С, поэтому слой материала, контактирующий с горячей поверхностью, может достичь этой температуры, и происходят местные перегревы. Из-за этого степень растворимости сухих продуктов, полученных данным способом, составляет 85-90 %.
На сегодняшний день в результате перехода основных производителей сухого молока на распылительные сушилки и небольшого спроса на вальцовые сушилки последние производятся немногими производителями: Duprat, GMF Gouda, Dietzel, Escher Wyss. Причем ассортимент этих сушилок начинается от 4 м2 по греющей поверхности, и они имеют вес от нескольких тонн. На рынке сушильного оборудования отсутствует оборудование под объем по сырью до 100 литров в сутки. Предлагаемая нами конструкция вальцовой сушилки нацелена на малотоннажное производство. Кроме того, данная сушилка предназначена для использования без дополнительного оборудования переработки (сгущение, обезжиривание и пастеризации).
Ключевыми показателями конкурентного преимущества разрабатываемой вальцовой сушилки являются:
1. Универсальность устройства применительно к разным молочным продуктам (коровье, козье молоко, молочная подсырная сыворотка и т. д.). Процесс получения порошкообразного концентрата на данной сушилке не требует дополнительных операций по подготовке сырья к сушке (концентрирования или разбавления), не требует специального типа распылительных форсунок, используемых в технологии распылительной сушки. В предлагаемом нами техническом решении изменение температурного диапазона и скорости вращения барабана позволяет получать порошкообразный концентрат достаточного качества для применения при изготовлении мясо-молочной продукции и кондитерских изделий, а также индивидуального питания на основе сухого козьего молока.
2. Малогабаритность. Малогабаритная вальцовая сушилка имеет современные конструктивные особенности, повышающие удобство использования, она экономична в производстве и обслуживании благодаря высокой степени гибкой автоматизации процесса сушки.
3. Энергоэффективность. Низкое энергопотребление при высокой теплоотдаче реализуется за счет использования индукционного нагрева барабана.
В целом из-за простоты в обслуживании индукционную одновальцовую сушилку можно отнести к малой специализированной бытовой технике, наряду с домашней хлебопечкой, различными йогуртницами и аэрогрилем.