авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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

Pages:   || 2 | 3 |

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ЖИДКИХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В УСЛОВИЯХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ В ВАКУУМЕ И СУБЛИМАЦИИ В ЕДИНОМ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Буданцев Егор Владимирович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ЖИДКИХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В УСЛОВИЯХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ В ВАКУУМЕ И СУБЛИМАЦИИ В ЕДИНОМ ЦИКЛЕ

Специальность 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2011

Работа выполнена в НИИ пищевого белка и экологии ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Семенов Геннадий Вячеславович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Буйнов Александр Александрович

- кандидат технических наук, доцент

Белуков Сергей Владимирович

Ведущая организация ГНУ ВНИИКОП «Всероссийский научно- исследовательский институт консервной и

овощесушильной промышленности»

Защита состоится ________________ в _______ на заседании диссертационного совета Д. 212.148.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, 33, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПП.

Автореферат разослан _____________ 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д. 212.148.10,

кандидат технических наук Максимов Д.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Обеспечение длительных сроков сохранности пищевых продуктов и сырья посредством высушивания было и остается одной из лидирующих технологий. Среди сотен применяемых сегодня инженерных решений и процессов можно выделить два основополагающих направления – сушка при атмосферном давлении и сушка в вакууме.

Сушка при атмосферном давлении обладает весомым недостатком – предполагает длительный высокотемпературный контакт продукта с кислородом в составе воздушной среды. Это приводит к интенсивным окислительным реакциям и, как следствие, к невысокому качеству многих сухих продуктов. Поэтому в настоящее время все более широкое распространение получают вакуумная сушка при давлениях ниже давления тройной точки воды (сублимационная сушка), либо испарение влаги в вакууме. Недостатки сублимационной сушки – низкая интенсивность, высокие энергозатраты, сложное оборудование.

Альтернативой сублимационной сушке является вакуумная сушка при давлениях порядка 30 50 мм.рт.ст. Вакуумная сушка находит все большее применение в технологиях производства быстрорастворимых фруктовых и овощных соков и пюре, готовых первых и вторых блюд.

Еще одним новым и перспективным направлением вакуумного обезвоживания является совмещение процесса испарения в вакууме при давлениях, незначительно превышающих давление тройной точки воды (порядка 2500 – 3500 Па) с последующей сублимационной сушкой (20 – 60 Па) в рамках одного технологического цикла. Положительные результаты такого ведения процесса обезвоживания были получены А.В. Антиповым и Г.Д. Шабетником при сушке сгущенной желчи. Близкие к этому направлению исследования выполнялись в г. Ижевск под руководством В.В. Касаткина. В нашей стране рассматриваемая технология широкого промышленного распространения пока не получила, что в значительной степени обусловлено отсутствием методов расчета, позволяющих выполнить корректные количественные оценки режимных параметров процесса, а также отсутствием промышленных устройств для реализации такой технологии.



Изучению процесса вакуумной сушки посвящены работы многих отечественных и зарубежных учёных. В числе наиболее значимых являются работы А.М. Бражникова, Е.Е. Вишневского, А.С. Гинзбурга, Э.И. Гуйго, А.А. Гухмана, Н.К. Журавской, Э.И. Каухчешвили, А.В. Лыкова, И.А. Рогова, Г.Б. Чижова. Дальнейшее изучение процесса, развитие основ теории и практическое использование сублимационной сушки получили в работах В.П. Агафонычева, И.Л. Аксельрода, С.Т. Антипова, Л.А. Бантыш, А.З. Волынца, Г.В. Семенова, А.А. Буйнова, Воскобойникова, В.В. Илюхина, Б.П. Камовникова, В.А. Катюхина, О.Г. Комякова, В.Е. Куцаковой, Д.П. Лебедева, Б.М. Ляховицкого, В.Г. Поповского, Э.Ф. Яушевой и других. Большой вклад в развитие научных основ и практических аспектов метода сублимационной сушки, в разработку принципов конструирования и создание промышленного оборудования внесли зарубежные ученые Х. Айленбер, Л.Ф. Бертен, А.Л. Гарпер, Р.И. Гривз, Р.Ф. Дайер, К.Х. Кеслер, Д.К. Конрой, Л. Рэй, Г.И. Сандерленд, О. Сэндалл, Е.Е. Флосдорф, Р. Харрис и многие другие.

Однако, несмотря на наличие большого количества физических моделей вакуумного обезвоживания задача изучения особенностей процесса вакуумной сублимационной сушки объектов жидкой и пастообразной консистенции представляющих обширную группу продуктов, посредством совмещения этапов вакуумного обезвоживания, самозамораживания и сублимационной сушки на завершающем этапе в одном технологическом аппарате является актуальной.

Цель работы. Разработка методов расчета и инженерных решений, обеспечивающих снижение энергозатрат и формирование заданного уровня качества в совмещенном режиме процессов испарения в вакууме с последующим сублимационным обезвоживанием термолабильных материалов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• Предложить физическую модель процесса удаления влаги из пищевых продуктов вакуумным испарением с последующей сублимацией в рамках одного цикла сушки;

• Определить взаимосвязь уровней удельных энергозатрат и качества высушенных продуктов при выбранных режимных параметрах;

• Разработать метод инженерного расчета соотношения длительности этапов вакуумного обезвоживания;

• Подготовить техническое предложение по рекомендации рациональных режимов сушки яблочного пюре, гидролизата клейковины пшеницы и рыбного фарша в условиях промышленного производства.

Научная новизна. Предложена физическая модель процесса вакуумного обезвоживания, в основе которой лежит представление объекта сушки в виде уже сформировавшегося слоя с учетом вспенивания материала в вакууме, разделения вспененной и жидкой областей, образования условной границы фазового перехода с изменяющимися во времени теплофизическими характеристиками слоев, которые в свою очередь зависят от давления в сушильной камере.

На основе балансовых уравнений разработано математическое описание процесса с использованием программы Comsol Multiphysics и даны формулы для инженерного расчета скорости продвижения границы фазового перехода и продолжительности этапов вакуумного обезвоживания, самозамораживания и сублимационной сушки.

Предложен сравнительный безразмерный критерий, основанный на соотношении показателя качества и количества удаленной влаги отнесенных к удельным затратам энергии. Критерий позволяет взять за основу заданный уровень качества и определить удельные энергозатраты, либо решить обратную задачу.

Практическая значимость. Разработан комплекс технических решений, направленных на снижение энергозатрат и обеспечение задан­ного потребителем уровня качества при различных режимах и сочетаниях процесса влагоудаления.

Разработана методика инженерного расчета длительности от­дельных этапов удаления влаги в вакууме и всего цикла сушки.

Определена энергозатраты и уровень качества высушенных продуктов при различных режимах и сочетаниях процесса влагоудаления применительно к условиям промышленного производства.

Разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию стенд, позволяющий выполнять комплексные исследования тепломассообмена в процессах вакуумного обезвоживания. Конструкция защищена патентом РФ №2357166 от 27.05.2009 г. Предложен способ интенсификации процесса сушки жидких и пастообразных материалов в стеклянных емкостях. Патент РФ №2413147 от 27.02.2011г.

Полученные результаты получили применение при разработке и конструировании промышленных сублимационных установок проектной организацией «Научно-производственное объединение энергетических систем и приводов машин» г. Москва, а также реализованы на промышленном предприятии по производству сухих продуктов ООО "Сублимированные продукты ГАЛАКС" г. Волгоград.

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ «Разработка инновационных энергосберегающих технологий тепломассообмена в процессах биотехнологической обработки термолабильных материалов», а также результаты работы реализованы в виде законченных НИР, выполненных в рамках государственных НТП, хоздоговорных работ в период с 2007 г. по настоящее время.

Были подготовлены и защищены дипломные проекты и магистерские диссертации при подготовке студентов факультета: «Холодильная техника и технология» МГУПБ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на 3-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008» (Москва, 2008г), 7-й Международной научной конференции студентов и молодых учёных «Живые системы и безопасность населения» (Москва, 2008) и Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и средства переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания» (Москва, 2009).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 4 журналах, реферируемых ВАК. Получено 2 патента.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 8 таблицы, 4 приложения. Список литературных источников включает 199 наименование, в том числе 59 работ зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы. Описаны особенности процесса вакуумного обезвоживания в условиях промышленного производства. Обоснована практическая значимость диссертационной работы и сформулирована ее цель.

В главе 1 представлен аналитический обзор литературы и патентов, рассмотрены физические модели процессов вакуумного обезвоживания. Сформулированы задачи исследования.

В настоящее время все более широкое распространение получают вакуумная сушка при давлениях ниже давления тройной точки воды (сублимационная сушка), либо вакуумное испарение влаги. Недостатки сублимационной сушки и ее достоинства общеизвестны. Оценка технической базы зарубежных предприятий, связанных с выпуском быстровосстанавливаемых пищевых продуктов (сухие овощные и фруктовые соки и пюре, добавки в мюсли, каши, йогурты в виде мелких кусочков сухих овощей и фруктов, высушенные первые и вторые блюда) показывает, что применение вакуумной сушки при давлениях 20 – 30 мм.рт.с.т находит все большее и весьма широкое применение.

Современная экономическая ситуация выдвигает в число важнейших задачу производства пищевой продукции, с заданным соотношением показателей цена/уровень качества. Совмещение процесса испарения в вакууме при давлениях незначительно превышающих давление тройной точки воды (порядка 2500 – 3500 Па) с последующей сублимационной сушкой (20 – 60 Па) в рамках одного технологического цикла во многом позволяет решить эту задачу.

В главе 2 рассмотрена физическая модель и методика расчета совмещенного процесса удаления влаги в рамках совмещенного цикла сушки.

Объектами исследований выбраны жидко-вязкие продукты, которые занимают значительное место в общей структуре пищевого сырья - фруктовые пюре, соки, пасты, кисломолочные продукты, закваски, клейковина злаковых растений и т.д.

Изучался процесс вакуумной сушки этой группы продуктов, размещался обычно на плоских противнях слоем толщиной (10 15) 10-3 м. Как вариант, объект сушки помещен в какие-либо емкости (противни, флаконы, ампулы и т.п.). Подвод теплоты кондуктивный. Первый этап процесса - давление 1300 4000 Па (10 30 мм.рт.ст.). Тепловой поток обеспечивает температуру греющей поверхности на уровне 50 оС. Продукт нагревается и вскипает в вакууме. Удаляется примерно половина влаги. На втором этапе система откачки понижает давление в камере ниже давления тройной точки воды, начинается процесс самозамораживания. При этом удаляется ещё порядка 5 % влаги. Третий этап - удаление влаги вакуумной сублимационной сушкой.





Процесс испарения в вакууме обычно рассматривают как результат объемного поглощения материалом теплоты, без явной границы фазового перехода. Вводится предположение о том, что в интенсивной области проходит условная граница фазового перехода, определяемая по доле испаренного вещества. Подобный подход позволяет провести расчет длительности процесса в ходе обезвоживания и распределения температур по толщине (рис. 1).

Согласно этой модели процесса высушиваемый исходный слой материала толщиной h на рис. 1 расположен на греющей поверхности. Горизонтальная пунктирная линия обозначает границу фазового перехода, движущуюся вниз; ее начальное положение совпадает с прямой x=h.

Граница фазового перехода делит исходный слой на два: снизу – еще не подвергшийся фазовому переходу, исходный материал, свойства которого обозначаются индексом 1; над ним – материал из которого уже частично удалена влага, свойства его обозначаются индексом 2. Индексом 3 обозначается паровое пространство. Толщина обезвоженного слоя обозначена через () и является искомой функцией времени, меняющейся от нуля (при =0) до h.

Процессы вакуумной сублимационной сушки пищевых продуктов и сырья принято считать квазистационарными (пунктирные линии распределения температур). Рассматривается вариант процесса нестационарного – сплошные линии на рис. 1.

Математическое описание процесса сублимационной сушки термолабильного материала базируется на применении к нему основных закономерностей тепло- массообмена с учетом фазовых превращений.

1. Уравнение теплопроводности (с учетом конвекции и тепловыделения):

, (1)

где Т – температура, 0С, – плотность, кг/м3, Ср – теплоемкость, Дж/кгК, k- теплопроводность, Вт/мК, - скорость, м/с, Q – мощность объемного тепловыделения, Вт/м3, t – время, с.

2. Уравнение диффузии пара:

(2)

где с – концентрация пара, моль/м3, D – коэффициент диффузии, м2/с, - пористость материала.

3. Условие на подвижной границе фазового перехода (испарения или сублимации):

(3)

где - скорость движения границы, м/с, Дж/м2 с, - степень черноты, = 5.67·10-8 Вт/м2 К4 - постоянная Стефана-Больцмана, L - скрытая теплота сублимации, Дж/кг, Tamb – температура внешней среды, К.

Таким образом, скорость V движения границы фазового перехода вычисляется, исходя из теплового баланса на этой границе в условиях двухстороннего энергоподвода. А именно, кондукцией в нижней части слоя и радиацией к открытой поверхности.

4. Условие на подвижной границе для уравнения диффузии определяется следующими факторами. Скорость V формирует поток Nv, моль/м2 сек, сублимирующего пара, отходящего от подвижной границы, в виде

(4)

где Mv =0.018 кг/моль, - молекулярный вес водяного пара, а - единичный вектор внешней нормали.

Концентрация водяного пара на границе фазового перехода (при термодинамическом равновесии) равна

, (5)

где Pv- парциальное давление пара, Па; R=8.314 Дж/мольК – газовая постоянная, T - температура, К. Зависимость давления от температуры имеет вид

lnPv=9.55-5723T -1 +3.53lgT-0.00728T. (6)

В качестве следующего шага рассматриваем ситуацию, когда объектом сушки является слой, образованный гетерогенными теплофизическими свойствами материала. Следствием является необходимость введения в расчетную программу блока изменяемых теплофизических свойств компонентов. Задача в такой постановке может быть решена с помощью компьютерных расчетных программ, например, системы Comsol. Последовательное применение этой системы уравнений позволяет рассчитать длительность каждого из трех этапов общего цикла обезвоживания. В общем случае может возникнуть необходимость расчета процесса с двумя или несколькими слоями с различными свойствами, и тогда в модель будет необходимо ввести дополнительные уравнения теплопроводности, диффузии. Столько же дополнительных зон будет нужно добавить и в геометрическую расчетную схему модели.

Постановка задачи основывается на основных физических законах переноса тепла и массы, сформулированных в форме уравнений в частных производных. Решение системы таких уравнений совместно с поиском неизвестного закона движения границы фазовых превращений представляет собой сложную задачу, в том числе создание двумерной и трехмерной подвижной, деформирующейся конечноэлементной сетки.

По этой причине наряду с постановкой задачи, рассчитанной на компьютерное решение, заслуживает рассмотрения и приближенная постановка этой же задачи, при этом необходимо учитывать следующие обстоятельства:

  1. Используемые исходные данные (теплофизические свойства и т.п.) реальных биологических материалов обладают большим разбросом значений. Точность решения задачи не может превысить точности задания исходных данных.
  2. Процесс обезвоживания рассматривается как квазистационарный. Основанием для этого является характерная для сушки биообъектов большая длительность процессов и расход основного количества теплоты только на фазовый переход.

Задача расчета данным методом сводится к системе двух или нескольких обыкновенных дифференциальных уравнений, которая может быть решена численно с применением любого стандартного пакета математических программ, например, Matlab. При этом можно получить и аналитическое решение.

Приближенная квазистационарная постановка задачи для системы сводится к учету теплового баланса в материале с фазовым переходом:

,(7)

- количество теплоты, идущее в материал (зона 1) от левой границы.

- количество теплоты, аккумулируемое материалом.

- теплота фазового перехода.

- количество теплоты, аккумулируемое материалом каркаса

(зона 2).

Qвн – внутренний объемный сток теплоты, связанный с выпариванием или са- мозамораживанием.

- количество теплоты, поступающее в зону 2.

Такая запись позволяет ввести переменные толщины слоя объекта сушки под знак производной по времени, что точнее учитывает тепловой баланс, а именно - теплоемкостный вклад слоев, и дает более точное решение для закона движения границы. Данное преимущество сильнее всего проявится при расчетах материалов с большой теплоемкостью.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.