Повышение эффективности создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры

1. Метод прогнозирования направлений совершенствования технических средств для обработки молока (блок 1-6).

2. Методика выбора аппаратурных оформлений для обработки молока (блок 2, 4, 7).

Рис. 4. Схема алгоритма методологического обеспечения

создания технических средств для обработки молока на основе декомпозиционно-морфологического моделирования их структуры

3. Способ оценки информационной обеспеченности технических средств для обработки молока (блок 2, 4). Для рассматриваемых вариантов строятся модели структуры процесса переноса информации. Информационная обеспеченность аппарата определяется как энтропия Н интенсивности информационного обмена, для оценки которой в работе на основе конкретизации энтропийной меры субстрактно-структурной сложности получена формула:

, (24)

где lkm - число m связей i-го компонента структуры (i 2).

4. Методика модернизации функционирующего технического средства для обработки молока (блок 2, 4, 11). Для анализа исходного состояния производства строится модель структуры на первом уровне декомпозиции, а на ее базе – модели структур аппаратурного оформления и переноса Е, М. I. Исходя из цели модернизации, в ходе анализа и синтеза уточняются параметры процессов, выбираются необходимые структурные изменения в аппаратурном оформлении, а также производится анализ структуры переноса информации, который определяет коррекцию в системе автоматического управления. При необходимости вносятся изменения в аппаратурное оформление процесса обработки молочного сырья.

5. Методика подготовки патентоспособных описаний технических средств (блок 1-7).

3. Экспериментальная и компьютерная поддержка создания технических средств для обработки молока.

Присущие разработанному декомпозиционно-морфологическому подходу внутренняя интерпретируемость, структурируемость и связ­ность дают основание для перехода к компьютерной поддержке выбора структуры оборудования. Отмеченные свойства позволяют представить уровни декомпозиции в виде ролевого фрейма:

, (25)

где – наименование d-уровня, – базовый i-ый элемент структуры, – вид компонента структурного уровня, – связь компонента, i – номер компонента.

Ролевая структура строится в виде графа, описывающего различные варианты построения декомпонируемых уровней. На фрейме указывается рассматриваемый структурный уровень, тем самым задается словарь структурных терминов. Наполнение ролевого фрейма производится в режиме диалога: на первом этапе по запросу компьютера пользователь разделяет информационное описание на базовые структурные элементы вида (3). Затем логическим процессором производится их автоматическое связывание с помощью шаблона, представляющего собой приведенную выше последовательность построения декомпозиционных уровней в виде морфологической модели. Таким образом, фреймы-прототипы преобразуются в конкретные фреймы-экземпляры. В результате объединения фреймов-экземпляров получается компьютерный вариант модели структуры аппарата.

Выбор конструктивных параметров при создании аппаратов осуществляется исходя из изменений свойств сырья при их переработке. В связи с этим в качестве экспериментальной поддержки создания аппаратов для оценки теплофизических и реологических свойств молочного сырья в работе предложены оригинальные методики и соответствующие им измерительные стенды. Для комплексного измерения определения теплофизических характеристик в работе предложен способ по а.с. 1196745. При разработке методики расчета для этого способа решена система дифференциальных уравнений теплопроводности для измерительной ячейки, моделью которой является полубесконечный цилиндр, состоящий из четырех (i = 1,..., 4) соосно-расположенных цилиндрических тел (слоев) вида:

(26)

с начальными и граничными условиями:

, , , (27)

,

где Ri – координата границы цилиндрического тела по оси х; t – время, с;
– коэффициент теплопроводности, Вт·м-1·k-1.

Решение системы уравнений (27) получено в виде:

, (28)

где – относительная температура; b – тепловая активность материала измерительной ячейки, Вт·с-0,5·К-1; а – коэффициент температуропроводности, м2·с-1.

Предложенный способ реализован на экспериментальном стенде, по а.с. 842531, причем за счет интенсификации термостатирования многослойно измерительной ячейки время измерения сократилось с 6…8 час. до 5…10 мин. На данном стенде были исследованы основные теплофизические характеристики (коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, удельная теплоемкость) сгущенного молока с сахаром, плавленых сыров, сливочных масел, молочно-овощного пюре и других пищевых продуктов.

Реологические характеристики молочных продуктов определялись на стенде, включающем ротационный вискозиметр «Реотест-2», подключенный через согласующий блок к самопишущему электронному потенциометру КСП-4. Исследования кинетики деформации образца производились в наиболее характерном для обработки молочного сырья режиме постоянной скорости сдвига (= const). На рис. 5 приведены характерные для ряда исследованных молочных продуктов (сгущенное молоко с сахаром, сметана, творог различной жирности, плавленые сыры) кривые кинетики деформации: для скоростей сдвига

> 48 с-1 – кривая 3. Кривая 4 получена для течения продукта при повторной его деформации.

Рис. 5. Типовые кривые кинетики деформации молочных продуктов

в режиме = const

При > 48 с-1 на кривых кинетики определяются четыре участка: I – нарастание касательного напряжения до предела сдвиговой прочности S1, II – структурная релаксация напряжения до установления динамического равновесия между процессами разрушения и восстановления структуры, III – установившейся режим течения (у=const), IV – прекращение принудительной деформации приводит к релаксации касательного напряжения до остаточного конечного значения к. Для расчета коэффициента тиксотропности (кт), степени разрушения структуры при деформации р и степени восстановления структуры при повторной деформации в в работе предложены формулы:

, , . (29)

Полученные кривые позволяют определить необходимые для расчета энергосберегающих режимов работы аппарата реологические параметры продукта.

4. Практическое применение результатов исследований развития технологических процессов и технических средств для обработки молока

4.1. Исследование направлений совершенствования технических средств для процесса кристаллизации лактозы при охлаждении сгущенного молока с сахаром. С целью исследования развития модели структуры было осуществлено преобразование информационного описания вакуум-аппарата типа «Виганд» в модельное представление множеством базовых элементов типа (3).

В соответствии с (4) идентифицировались структурные модели декомпозиционных уровней и строились соответствующие им графы (рис. 6, где А(Ф) – компонент структуры технологического процесса; А(S), A(s) – надсистема и компонент декомпозиционного уровня техническое средство). Затем на основе этих моделей выполнен морфологический синтез вариантов структур технологических процессов и технических средств, и определены направления их развития на период до 1995 года по состоянию на 1984 год (подробная процедура приведена в диссертации). Один из выбранных вариантов по приоритетному развитию структуры аппарата послужил основой создания экспериментального стенда для исследования процесса кристаллизации лактозы при непрерывном охлаждении сгущенного молока с сахаром. В результате исследований процесса был идентифицирован дендритный механизм зародышеобразования кристаллов и установлена корреляция между темпом охлаждения сгущенного молока с сахаром и температурой массовой кристаллизации лактозы. С учетом структурных особенностей процессов массообмена математическая модель представлена в виде:

, (30)

, (31)

, (32)

, (33)

где V1 – объем кристаллизатора, м3; f – плотность распределения кристаллов лактозы по размерам в единице объема, м-4; t – время, с; vр – линейная скорость роста кристаллов, мс-1; Gv – объемная скорость потока, м3с-1; G – массовый расход, кгс-1; с – относительная концентрация; – отношение молекулярных масс безводной лактозы и кристаллогидрата; 2 –объемный коэффициент формы кристалла; r – радиус кристалла, м; v3 – скорость зародышеобразования кристаллов, с-1м-3; индекс 1 относится к параметрам сгущенного молока с сахаром, 2 – к параметрам лактозы, 3 – к параметрам зародышей кристаллов, 4 – к параметрам раствора лактозы.

Решение системы (30) – (33) относительно времени t перехода раствора в кристаллическую фазу получено в виде:

, (34)

где Мv – масса кристаллов в единице объема сгущенного молока, кгм-3; k3 – константа зародышеобразования кристаллов, кгс-1м-3; kр – константа роста кристаллов, м4с-1кг-1.

Полученное уравнение (34) применено при расчете параметров аппарата для охлаждения сгущенного молока с сахаром.

а) б)

в)

г)

Рис. 6. Графы структурных уровней морфологической модели вакуум-аппарата «Виганд» (цифры в кружках – номера базовых структурных элементов):

а – технологии, б – аппаратурного оформления процесса,

в – процесса материального обмена, г – аппарат;

– компоненты S; – компоненты Ssr; – граничные элементы

Результаты структурного моделирования и исследования направлений совершенствования процессов и их аппаратурных оформлений были внедрены во Всесоюзном промышленном объединении «Союзконсервмолоко» при разработке программы ускорения научно-технического прогресса на 1986-1990 годы, и помимо этого использованы при получении авторских свидетельств на два изобретения. Для непрерывного охлаждения сгущенного молока с сахаром и кристаллизации лактозы разработана конструкция аппарата (а.с. 1274664, схема на рис. 7а), особенностью которой является наличие внутри корпуса пакета соосно расположенных перфорированных тарелок 1, между которыми вращаются лопасти 2 мешалки. При этом по сравнению с известным роторным вакуум- аппаратом при тех же габаритных размерах на порядок увеличивается поверхность испарения продукта, и, следовательно, увеличивается производительность. В способе и устройстве для охлаждения сгущенного молока и кристаллизации лактозы (а.с. 1337026, схема на рис. 7б) с целью повышения качества посредством исключения из готового продукта органолептически ощутимых кристаллов предложено путем выбора частоты вращения комбинированной мешалки 1 осуществлять центробежную классификацию кристаллов. Боковая поверхность аппарата имеет спиральные канавки 2, а дно у стенки выполнено с кольцевым наклонным желобом 3 и имеет отводной патрубок 4. Продукт с повышенным содержанием кристаллов скапливается в пристенном пространстве вакуум-аппарата, а после охлаждения собирается в кольцевом желобе и отводится на кристаллизацию. Результаты проведенных испытаний предлагаемого способа охлаждения сгущенного молока на Молочно-консервном комбинате г. Резекне (Латвия) подтвердили повышение качества получаемого продукта до соответствия ГОСТу 2903-78.

а) б)

Рис. 7. Аппараты для охлаждения и кристаллизации сгущенного молока с сахаром

4.2. Исследование развития структуры технологических процессов и технических средств, входящих в производство творога. Исходя из результатов исследования развития объектов (способ производства творога и процесс коагуляции молочно-белкового сгустка), идентифицированы наиболее перспективные варианты производства творога. К ним относятся: организация поточных процессов коагуляции и обезвоживание молочно-белкового сгустка, минимизация механического воздействия при обезвоживании с целью получения продукта традиционной консистенции. С учетом этого разработаны «Исходные требования на агрегат коагуляции молочного белка и обезвоживания молочно-белкового сгустка», спроектирован, изготовлен в ОАО «СПб Мясомолмаш» опытно-промышленный агрегат (производительность по творогу 350 кг/ч), который успешно прошел испытания на Приозерском городском молочном заводе (Ленинградская область) и показал возможность организации поточного производства творога традиционной консистенции. Также были проведены исследования кинетики образования структуры молочно-белкового сгустка с использованием модифицированного радиоактивным излучением штамма (закваска КД), позволившие установить возможность сокращения вдвое времени проведения процесса сквашивания.

4.3. Исследование направлений совершенствования технологических процессов обработки молочного сырья с помощью СВЧ-поля. Полученные результаты исследования нашли применение в разработках по применению СВЧ-энергии в технологических процессах обработки молока, получения сгущенного молока, обработки молочно-белкового сгустка, выпечки хлебо­булочных изделий. Совместно с сотрудниками ЛЭТИ (С.-Петербург) определены необходимые при СВЧ-нагреве режимы стерилизации молока. Проведенные испытания на Костромском городском молочном заводе подтвердили возможность снижения температуры обработки молока при пастеризации до 60оС, что улучшает сохранение нативных свойств молока в готовом продукте. На предприятии ООО «Ингредиент» (С.-Петербург) принято решение о выпуске в 2010 году многоцелевых микроволновых установок для фермерских хозяйств с использованием полученных параметров режима пастеризации.

4.4. Выявление спектра эффективных вариантов организации технологических процессов обработки молока. Получена морфологическая модель технологических процессов обработки молока, включающая формализованные описания множества возможных, в том числе нереализованных (заранее структурно неопреде­ленных), вариантов получения молочных продуктов на основе принятых морфологических параметров. Один из синтезированных вариантов использован для разработки структуры оригинального процесса получения нового функционального продукта повышенной пищевой ценности – фруктового плавленого сыра на основе копреципитата (а.с. 1600667).

4.5. Проектирование и модернизация технических средств для обработки молока. Разработанные основы моделирования структуры в различной мере нашли применение в проектных организациях пищевой промышленности РФ. Их использование в ЗАО «Ленпродмаш» на стадии предпроектной подготовки повысило обоснованность принимаемых к реализации вариантов модернизации выпускаемого оборудования, сократилось время на разработку исходных требований, технического задания на конструирование и оформление конструкторской документации. В научно-производственном предприятии «Сибагромаш» (г.Краснообск Новосибирской обл.) была применена методика системного анализа модернизируемого технологического оборудования и системного синтеза новых аппаратурных оформлений процессов обработки пищевого сырья; она использована при разработке новых типов нестандартного оборудования для обработки молочного сырья (обезвоживатели, коагуляторы для творога и адыгейского сыра), а также при проектировании специального аппаратурного оформления технологических процессов для малых предприятий.

В ходе выполнения НИР на кафедре «Техники мясных и молочных производств» (СПбГУНиПТ) проведена модернизация ряда аппаратов молочной отрасли.

Рис. 8. Схема аппарата для плавления блоков сливочного масла

Рис. 9. Поперечный разрез ножа – скребка с изменяющейся массой

Рис. 10. Схема аппарата с регулируемым зазором между лопастями мешалки и поверхностью теплообмена

а)

б)

Рис. 11. Схема модернизации эскимогенератора (Ролло-20»:

а) наколка-носитель с термоэлементами в зубцах,

б) устройство для механизированной установки наколки-носителя