Властивості харчових продуктів. Загальні закономірності технологічних процесів харчових виробництв

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Властивості харчових продуктів

У харчовій промисловості для переробки продуктів використовують різноманітну апаратуру. Для технічних розрахунків апаратів, в яких повинні відбуватися технологічні процеси, необхідно знати і враховувати фізичні властивості харчових продуктів. Фізичні властивості продукту значною мірою визначають вимоги до розміру і конструкції апарату, а також режиму роботи, продуктивності та матеріалу для його виготовлення.

Для характеристики властивостей тіл, речовин, матеріалів, продуктів використовують фізичні величини.

Фізична величина - це властивість, якісно загальна для багатьох фізичних об'єктів, але кількісно індивідуальна для кожного з них. Значення (розмір) фізичної величини визначається оцінкою фізичної величини у вигляді деякої кількості прийнятих для неї одиниць.

Існують основні та похідні фізичні величини. Для всіх галузей науки й техніки зараз прийнято міжнародну систему одиниць СІ, основними одиницями якої є: довжини - метр (м), маси - кілограм (кг), часу - секунда (с), температури - кельвін (К), сили електричного струму - ампер (А), сили світла - кандела (кд), кількості речовини - моль. Крім того передбачено дві допоміжні одиниці: плоского кута - радіан (рад) і об'ємного кута - стерадіан (ср).

До технічних властивостей харчових продуктів в основному відносять фізичні (густина, питома вага, поверхневий натяг тощо), теплофізичні (питома теплоємність, теплопровідність, температуропроводність та ін.) та структурно-механічні. Дані про ці властивості для різних речовин і розчинів залежно від температури, тиску та інших факторів наведено в довідниках.

Розглянемо коротко деякі, досить важливі в практиці основні властивості робочих тіл.

Основні фізичні властивості

Густина. Густиною (кг/м3) називається маса одиниці об'єму речовини. Для однорідної системи

= m/V, (1.1)

де m - маса, кг; V - об'єм, м3.

Густина газів і пари дуже мала в порівнянні з густиною твердих тіл та рідин. Тому для характеристики газів і пари часто користуються питомим об'ємом - величиною, зворотною густині

= 1/ = V/m. (1.2)

Густина розчинів залежить від концентрації розчиненої речовини і температури розчину; у довідникових таблицях наводять густину залежно від цих параметрів.

Густина неоднорідної системи с (кг/м3), яка складається із декількох компонентів, визначається за рівнянням

, (1.3)

де x1, x2, …,хn - масові долі (концентрації) компонентів системи у суміші, кг/кг; , , …, n - густини відповідних компонентів, кг/м3. Густина більшої частини харчових продуктів близька до 1000 кг/м3.

Для характеристики сипких матеріалів (зерна, цукрового піску, картопляної крупки, тощо) введено поняття насипної густини, яку можна обчислити з рівняння

, (1.4)

де - насипна густина сипкого матеріалу, кг/м3; - справжня (фізична) густина частинок матеріалу, кг/м3; е - пористість сипкого матеріалу. Пористість визначається за формулою

,(1.5)

де Vп - об'єм пустот (проміжків) між частинами сипкого матеріалу, м3; V- об'єм, який займає вільно насипаний матеріал, м3.

Питомою вагою (Н/м3) називають вагу одиниці об'єму речовини. Для однорідної системи

,(1.6)

де g - прискорення вільного падання, м/с2.

В'язкість. В'язкістю називається властивість рідин (або газів) чинити опір взаємному переміщенню їх частинок під впливом застосованої до них сили. Вона впливає на режим руху рідин або газів, процеси фільтрації, осідання, перемішування, тепло- і масообміну.

Якщо уявити собі два шари рідини площею S, які віддалені один від одного на відстань і рухаються зі швидкостями v і v + Дv, тобто шари рухаються один відносно одного зі швидкістю Дv (рис.1.1), то для переміщення одного шару відносно другого необхідно прикласти силу , яку називають силою внутрішнього тертя.

Дослідження показує, що дотична сила Т тим більша, чим більший приріст швидкості на одиницю відстані між шарами і чим більша поверхня S стикання шарів:

,(1.7)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1

де - сила внутрішнього тертя, Н; S - площа дотику двох шарів рідини, м2; - градієнт швидкості руху рідини (або швидкість зсуву), 1/с; - постійний для даного стану рідини коефіцієнт пропорційності, який називається динамічним коефіцієнтом в'язкості, Па·с.

Сила внутрішнього тертя, яка приходиться на 1м2 площі контакту стикання шарів рідини, або напруження тертя , виразиться так (у Па):

,(1.8)

У курсі “Процеси та апарати харчових виробництв” для характеристики в'язкості рідин частіше користуються не динамічним коефіцієнтом в'язкості, а так званим кінематичним коефіцієнтом в'язкості (у м2/с), який виражається відношенням динамічного коефіцієнта в'язкості до густини продукту:

,(1.9)

Величина не підлягає теоретичному розрахунку, а визначається експериментальним шляхом; таблиці значень для більшості рідин і газів наведені в довідниках і спеціальній літературі. З підвищенням температури в'язкість рідин зменшується, а газів (наприклад, повітря), навпаки збільшується.

Формула (1.7) виражає закон Ньютона про тертя всередині рідини. Рідини, які підпорядковані цьому закону, називаються нормальними або ньютонівськими. До них відносяться всі гази, вода, спирти і багато інших рідин, які зустрічаються в практиці і розглядаються в гідравліці. В'язкість цих рідин - це функція температури і тиску, але не залежить від швидкості зсуву dv/dn.

Деякі рідини та більшість харчових продуктів (густі суспензії, пасти, патоки, продукти кондитерського та хлібопекарного виробництв, борошняне тісто, м'ясний і ковбасний фарші, сир, сметана та ін.), які більш чи менш відхиляються від закону Ньютона, називаються неньютонівськими або пластичними чи псевдопластичними. Їх властивості вивчає фізико-хімічна механіка і реологія - наука про плинність і деформації реальних тіл. Реологія суміжна з теорією пружності (пластичності) та гідродинамікою, запозичила із кожної науки відповідні закономірності для опису процесів руху.

За характером відхилень від закону Ньютона можна виділити три основні групи неньютонівських рідин.

До першої групи відносяться в'язкі (або стаціонарні) неньютонівські рідини, для яких функція (1.8) не залежить від часу (рис. 1.2). За видом кривих течії розрізнюють такі рідини цієї групи: бінгамівські, псевдопластичні та ділатантні. На рисунку 1.2 також наведено схему аналогічної лінійної залежності для ньютонівської рідини (крива 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2

Бінгамівські рідини, до яких, наприклад, належать томатна і шоколадна пасти, густі суспензії, борошняне тісто (рис. 1.2, крива 2), починають текти тільки після застосування напруження, яке перевищує межу плинності ( - початкове на-пруження зсуву, або межа плинності). При цьому структура пластичної рідини руйнується, і вона веде себе як ньютонівська, тобто залежність від dv/dn для них також прямо пропорційна.

Рівняння кривої течії бінгамівської рідини має вигляд

, (1.10)

де п - кутовий коефіцієнт, який називається пластичною в'язкістю, Па·с.

Псевдопластичні рідини (рис. 1.2, крива 3) не мають межі плинності; вони, як і ньютонівські, починають текти за найменших значень . До них належать розчини полімерів, целюлози, концентровані фруктові соки і пюре.

Ділатантні рідини (рис.1.2, крива 4) подібно псевдопластичним не мають межі плинності, але їх в'язкість росте із збільшенням швидкості зсуву. Рідини даного типу рідко зустрічаються в харчовій промисловості; прикладом їх може бути водяна суспензія крохмалю.

Неньютонівські рідини другої групи, характеристики яких залежать від часу, поділяються на два класи: 1) тіксотропні, уявна в'язкість яких з часом зменшується; 2) реопектичні, уявна в'язкість яких з часом збільшується. До тіксотропних рідин належать такі харчові продукти, як маргарин, мед, кисляк, кефір, в'язкість яких знижується під час збовтування. До реопектичних рідин можна віднести майонез, колоїдні розчини. У продовж інтенсивного перемішування в'язкість суміші зростає, і утворюється густа рідина.

До третьої групи відносяться в'язкопружні або максвелівські рідини. Уявна в'язкість цих рідин зменшується під впливом напружень, а після їх зняття частково відновлюють свою форму. Типова максвелівська рідина - це тісто.

Нелінійність кривих течій неньютонівських рідин означає, що в'язкість таких систем не має визначеного значення, а зі збільшенням градієнта швидкості спадає або зростає за деяким законом (є позірною в'язкістю).

Теплофізичні властивості

Теплофізичні властивості харчових середовищ в основному характеризуються теплоємністю, теплопровідністю і температуропровідністю.

Питома теплоємність - кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання одиниці маси речовини на один градус у будь-якому процесі. Теплоємність необхідна під час розрахунків теплових балансів, ентальпій течій та під час різних теплових розрахунків.

У технологічних розрахунках як правило використовують масову ізобарну теплоємність. Одиницею виміру теплоємності є Дж/(кг·К).

Питома теплоємність харчових продуктів залежить від багатьох факторів, найважливіші з яких температура та концентрація сухих речовин (або вологи).

Теплоємність с харчових продуктів (з невеликим вмістом жиру) можна визначити, знаючи кількість води Gв і сухих речовин , за формулою

, (1.11)

де - теплоємність сухої речовини, дорівнює 1680 Дж/(кг·К); - теплоємність води, дорівнює 4190 Дж/(кг·К); - відповідно маса продукту, сухої речовини та води, кг.

Питомі теплоємності рідин змінюються в діапазоні від 800 до 4190 Дж/(кг·К), газів - від 500 до 2200 Дж/(кг·К), твердих речовин - від 130 до 1800 Дж/(кг·К).

Питому теплоємність неоднорідної системи можна визначити за рівнянням

, (1.12)

де - масові питомі теплоємності компонентів, Дж/(кг·К); - масові долі відповідних компонентів у суміші, кг/кг суміші.

Теплопровідність. Всередині різних тіл теплота поширюється з різною інтенсивністю. Цю особливість матеріалів характеризує коефіцієнт теплопровідності л, одиниця виміру якого Вт/(м·К). Відомо, що найбільша теплопровідність у металів. Для них л =15…380 Вт/(м·К). Краплинні рідини мають низьку теплопровідність, для них л = 0,06…0,7 Вт/(м·К).

Теплопровідність харчових середовищ залежить від їх фізичного стану, складу, густини, тиску, вологості та температури. З відомими значеннями кількості води і сухих речовин теплопровідність харчового продукту л можна визначити за формулою

, (1.13)

де - коефіцієнт теплопровідності сухої речовини, в середньому приймається рівним 0,26 Вт/(м·К); в - коефіцієнт теплопровідності води, 0,6 Вт/(м·К). Під час технічних розрахунків значення коефіцієнтів теплопровідності беруть з довідкових таблиць. Їх можна також розрахувати за відповідними емпіричними формулами.

Температуропровідність визначає здатність матеріалу сприймати і віддавати теплоту і характеризується коефіцієнтом температуропровідності

, (1.14)

де - коефіцієнт температуропроводності, м2/с; л - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К).; -густина, кг/м3; с - питома теплоємність, Дж/(кг·К).

Чим вищий коефіцієнт температуропроводності, тим швидше може бути нагрітий або охолоджений даний продукт.

Структурно-механічні властивості

Ці властивості зумовлюють зберігання форми і розмірів, від них залежить зовнішній вигляд виробів, які виготовлені з харчової сировини. До структурно-механічних властивостей належать: пружність, пластичність, міцність, пористість тощо.

Пружність - це властивість матеріалу швидко відновлювати початкові розміри після припинення дії сил, які викликають деформацію матеріалу.

Пластичність - властивість матеріалу зберігати залишкову деформацію і збільшувати її з часом після припинення дії зовнішньої сили. Пластичність визначає здатність матеріалу розтікатись і є важливою характеристикою тістоподібних харчових продуктів.

Сукупність властивостей - в'язкість, густина, пружність - визначають консистенцію продукту.

Більш докладно структурно-механічні властивості харчової сировини буде розглянуто в підрозділі 4.2.

2. Загальні закономірності технологічних процесів

Технологічні процеси харчових виробництв відбуваються відповідно до загальних фізичних, хімічних та фізико-хімічних законів. Застосування цих законів до того чи іншого процесу дозволяє створити теорію цього процесу і методи проектування апаратів для його проведення.

Під час розгляду процесів харчової технології можна виділити такі основні узагальнення, закони та принципи:

закон збереження маси;

закон збереження енергії;

закони перенесення маси та енергії і принцип рушійної сили;

закони рівноваги;

закони масштабного переходу та моделювання;

принцип оптимізації проведення процесу.

Закон збереження маси в науці про процеси та апарати набуває форми матеріального балансу: кількість матеріалів, що надходить в апарат, повинна дорівнювати кількості кінцевих продуктів, отриманих в результаті проведення процесу. Якщо в апарат (рис.1.3) надходять компоненти А, В, С, а виходять із нього - Д і Е, то матеріальний баланс можна записати у такому вигляді:

mA + mB + mC = mД + mE, (1.15)

де mA, mB, mC, mД, mE - маси компонентів А, В, С, Д і Е.

Якщо під час проведення процесу мають місце втрати речовин (наприклад, з вологою), то mД - маса речовини, отриманої внаслідок процесу (готового продукту), а mE - маса втраченої під час процесу речовини.

На основі матеріального балансу визначають вихід продукту Z, тобто відношення маси готового продукту до маси вхідних продуктів, виражений у відсотках:

Z = 100 mД /(mA+ mB + mC), %. (1.16)

Матеріальний баланс можна обчислити сумарно для всіх сировинних компонентів або окремо для будь-якого з них. Матеріальний баланс складають як для одного апарата, так і для групи апаратів.

Для систем, які рухаються (поточних систем), закон збереження маси виражається рівнянням нерозривності:

S1v1 = S2v2. (1.17)

де S1, S2 - площі перерізу апарату, м2; v1, v2 - швидкості потоку у відповідних перерізах, м/с.

Закон збереження енергії. Енергетичний баланс складають на основі закону збереження енергії: кількість енергії, введеної в процес (прихід енергії) дорівнює кількості виділеної енергії (розхід). При цьому мається на увазі теплова, механічна, електрична та інші види енергії. Найчастіше у практиці складають енергетичний баланс на прикладі теплового.

Якщо позначити кількість теплоти, введеної в процес з вихідними продуктами А, В і С у вигляді фізичної теплоти через QA, QB, QC; теплоту, яка вводиться в процес з теплоносієм через Q3; тепловий ефект фізичних або хімічних перетворень через QВН; фізичну теплоту, виведену з процесу з компонентами Д і Е через QД і QЕ; витрати теплоти (в основному - у навколишнє середовище) через QВТ, то енергетичний (тепловий) баланс може бути представлений рівнянням:

QA + QB + QC + Q3 ± QBH = QE + QД + QBT. (1.18)

З цього рівняння як правило визначають кількість теплоти Q3, яку необхідно підвести в процес для його реалізації.

Закони перенесення маси та енергії і принцип рушійної сили. Під час різних технологічних операцій головна роль належить процесам перенесення. У гідромеханічних процесах об'єктом перенесення є рухома маса речовин, у теплових - теплова енергія, у масообмінних - той чи інший компонент, що переходить з однієї фази в іншу. Ефективність перенесення маси та енергії у цих процесах залежить від їх швидкості. Швидкість процесу - це об'єм рідини або газу, кількість теплоти або речовини, що передається в апараті через одиницю площі за одиницю часу.

Всі процеси можуть протікати тільки під дією певної рушійної сили, яка завжди є різницею потенціалів, характерних для даного виду процесів.

Розглядаючи процеси різного характеру (гідромеханічні, теплові, дифузійні), не важко помітити, що їх кінетичні закономірності харатеризуються загальною залежністю: швидкість процесу прямо пропорційна рушійній силі та обернено пропорційна опору.

Відповідно до цього закону можна написати аналогічні кінетичні рівняння.

Кінетичне рівняння гідромеханічних процесів, наприклад фільтрування:

dV/(Sdф) = ?р/R1 = K1?р, (1.19)

де V - кількість відфільтрованої рідини, м3; S - площа фільтра, м2; ф - час, с; ?р - перепад тисків в апараті - рушійна сила гідромеханічних процесів, Па; R1 - гідравлічний опір в апараті (фільтра і осаду); K1 = 1/R1 - коефіцієнт швидкості процесу (проникнення фільтрувального середовища).

Кінетичне рівняння теплових процесів:

dQ/(Sdф) = ?t/R2 = K2?t, (1.20)

де Q - кількість теплоти, що передається в апараті, Дж; S - площа поверхні теплообміну, м2; ?t- різниця температур між середовищами, що обмінюються теплотою - рушійна сила теплових процесів, К; R2 - термічний опір, (м2•К)/Вт; K2 =1/R2 - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 •К).

Кінетичне рівняння масообмінних процесів:

dM/(Sdф) = ?C/R3 = K3 ?C, (1.21)

де M - кількість речовини, що передається в апараті, кг; S - площа поверхні контакту фаз, м2; ?C - різниця концентрацій компонента, який переміщується з однієї фази в іншу - рушійна сила масообмінних процесів, кг/кг; R3 - опір масопередачі, (м2 • с)/кг; K3 = ?/R3 - коефіцієнт масопередачі, кг/(м2 • с).

Загальний вигляд кінетичного рівняння перенесення буде такий:

I = L • X, (1.22)

де I - швидкість процесу; L - проникність (обернена опору); X - рушійна сила процесу.

Аналіз кінетичних рівнянь дозволяє визначити загальний принцип інтенсифікації процесів: для прискорення процесу потрібно збільшити рушійну силу і зменшити опір або збільшити проникність.

Якщо в одному і тому ж апараті декілька процесів протікають одночасно (наприклад нагрівання продукту під час сушіння), то швидкість кожного з процесів прямо пропорційна відповідній рушійній силі, але залежить також і від інших сил. Із цих процесів виділяють головний, від інтенсифікації якого залежать кінцеві результати процесу.

Закони рівноваги. Сукупність тіл, що взаємодіють, називають системою. Якщо система знаходиться у рівновазі, то ніяких процесів у ній не відбувається. Процес виникає тоді, коли система виходить зі стану рівноваги. Якщо в апараті знаходиться рідина, температура якої дорівнює температурі навколишнього повітря, то теплообміну між стінкою апарату, рідиною і повітрям не буде, поки по обидва боки стінок апарата температура буде однаковою. Теплообмін виникне тоді, коли в апарат налити рідину, температура якої вища за температуру навколишнього повітря. Причиною виникнення процесу теплообміну є різниця температур рідини і стінок апарата. У цьому випадку система виходить зі стану рівноваги і з'являється рушійна сила, яка прагне повернути цю систему до рівноваги. Коли система наближається до рівноваги, рушійна сила зменшується. У стані рівноваги вона дорівнює нулю і процес припиняється, тобто

?t = 0 і Q = 0.

Умови рівноваги важливо знати для правильного вибору параметрів процесу і для визначення напрямку змін у системі умов зовнішнього впливу. Вказівки на характер цих змін дають два закони термодинаміки: принцип Ле Шательє і правило фаз Гіббса.

Принцип Ле Шательє формулюють так: у системі, яку виведено зі стану рівноваги дією зовнішніх сил, відбуваються зміни, напрямки яких протилежні силам, що вивели систему з рівноваги. Застосовуючи цей принцип до конкретних процесів, можна встановити, які параметри потрібно змінити, щоб спричинити потрібні для виробництва зміни у системі.

Правило фаз Гіббса записують так:

S = K - f + 2, (1.23)

де S - кількість ступенів вільності, тобто кількість параметрів, що визначають стан системи; K - кількість компонентів у системі; f - кількість фаз системи.

Закони масштабного переходу і моделювання. Під час проектування та експлуатації апаратури суттєву роль відіграє одне з основних положень науки про процеси та апарати - положення про вплив розмірів апарата на процес, який у ньому відбувається. Дослідження процесів та апаратів з економічних міркувань проводяться звичайно на лабораторних стендах та апаратах невеликих розмірів. Результати цих досліджень можна переносити на великорозмірні апарати тільки з урахуванням масштабності. Звідси виникає потреба у моделюванні процесів та апаратів. Теорія моделювання випливає з теорії подібності, яка широко використовується в науці про процеси і апарати. Теорія подібності, основи якої розглядаються в підрозділі 1.4, дає вказівки з принципів фізичного і масштабного моделювання процесів та апаратів. Під час фізичного моделювання вивчення даного процесу відбувається на фізичній моделі, а математичне моделювання передбачає математичний опис моделі процесу, який вивчається.

Теорія подібності і моделювання дає можливість подолати труднощі, які виникають під час масштабного переходу, а також передбачити його вплив на протікання процесу.

Принцип оптимізації проведення процесу. Для проведення будь якого процесу в його апаратурному оформленні завжди виникає можливість вибору декількох варіантів вирішення. Один із них є найбільш раціональним. Вибір найбільш доцільного варіанта набув назву оптимізації. Для оцінки оптимуму процесу, перш за все, необхідно обрати критерій оптимізації. Залежно від конкретних умов критерієм оптимізації можна взяти технологічний критерій, наприклад максимальний вихід продукції з одиниці об'єму апарата; економічний критерій - мінімальна вартість продукції за заданої продуктивності та ін. Частіше за все за критерій оптимізації приймають мінімум часу і затрат на виробництво продукції. Цього мінімуму досягають доцільним напрямком процесу і його апаратурним оформленням.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1

Як приклад, визначимо оптимальну товщину шару ізоляції теплообмінного апарату. На рисунку 2.1 показано графічний розрахунок оптимальної товщини шару ізоляції. Графік побудовано у координатах з горизонтальною віссю (абсцис) “товщина шару д” і вертикальною віссю (ординат), на якій відкладені питомі затрати ПЗ у гривнях.

Під час визначення оптимальної товщини шару ізоляційної конструкції теплообмінного апарату необхідно врахувати дві обставини. Зі збільшенням товщини шару теплової ізоляції зменшуються витрати теплоти у навколишнє середовище і, внаслідок цього, збільшується економія гріючої пари. Одночасно зі збільшенням товщини шару ізоляції зростають затрати, які пов'язані з її експлуатацією. Тому найбільш вигідна така товщина ізоляції, коли сумарна величина затрат на ізоляцію і затрат, які пов'язані з витратами теплоти у навколишнє середовище, мінімальна.

Крива СD характеризує вартість теплових затрат; зі збільшенням д ці затрати зменшуються. Крива АВ характеризує затрати на установку, амортизацію та обслуговування ізоляції. Сумарна крива МN (побудована по ординатам кривих СD і АВ) відображає загальні витрати на ізоляцію. Мінимум на кривій МN відповідає оптимальній товщині шару ізоляції теплообмінного апарату, коли будуть найменші сумарні затрати.

Кожний технологічний процес потребує індивідуального підходу, але є загальні, універсальні рішення оптимізації для багатьох процесів, які можуть бути сформульовані таким чином.

1. Безперервність процесу. Процеси технології харчових продуктів поділяють на періодичні та безперервні. Як вже було зазначено раніше безперервні процеси у порівнянні з періодичними забезпечують більш високу продуктивність апарату, одержання однорідного продукту високої якості, рівномірність споживання теплоти, води і електроенергії, більш безпечні умови праці та можливість автоматизації процесу. Тому можна постулювати принцип: оптимально організований процес - це, як правило, безперервний, автоматично керований процес.

2. Протитечійність потоків обміну. На практиці у безперервних теплових та масообмінних процесах зустрічаються такі схеми руху взаємодіючих середовищ: протитечія, прямотечія, перехресна течія і змішана течія. Аналіз процесів обміну теплотою і масою показує, що найсприятливішим є протитечійний процес. Тому можна сформулювати таке твердження: під час проведення обмінних процесів у безперервному потоці оптимальним є процес, що відбувається у протитечії.

3. Оновлення поверхні контакту фаз. В апаратах для переносу теплоти або маси оптимальним є варіант, який передбачає турбулентний режим і забезпечує максимальне зіткнення контактуючих середовищ при безперервному поновленні контакту фаз.

4. Максимальна рекуперація теплоти. Найбільш поширеним теплоносієм у харчових виробництвах є водяна пара. Позитивною властивістю її є практична сталість тепловмісту зі змінним тиском. Ця властивість водяної пари (як теплового агента) дає можливість багаторазово і оптимально використовувати її енергію у серії апаратів з тиском, що поступово спадає. Так, наприклад, у багатокорпусних випарних установках пара, яка використовується для обігріву, надходить тільки на обігрівання першого корпусу, інші корпуси обігріваються вторинною парою попередніх. Необхідно використовувати й інші теплові відходи, які утворюються під час того чи іншого процесу (наприклад, утилізувати теплоту продуктів згорання, що відходять у процесах сушіння). Ці заходи дають значну економію теплової енергії.

3. Основи раціональної побудови апаратів

харчовий продукт технологічний апарат

Основні вимоги до апаратів

До апаратів, що розробляються і використовуються у харчовій промисловості та громадському харчуванні, висувають такі загальні вимоги: технологічні, експлуатаційні, конструктивні, енергетичні, економічні, охорони праці та техніки безпеки, санітарно-гігієнічні, технічної естетики та захисту навколишнього середовища. Всі ці вимоги між собою пов'язані та взаємозумовлені; одна група вимог визначається іншою.

Під технологічними вимогами розуміють перш за все те, що конструкція апарату повинна забезпечити оптимальні умови проведення технологічного процесу та одержання продукту високої якості. Під технологічними умовами розуміють температуру і тиск в апараті, швидкість руху продукту через апарат, а також нагрівання, охолодження, подрібнення і перемішування продуктів, які обробляються в апараті та ін. Апарат не повинен мати застійних зон, в яких міг би накоплюватись продукт. Апарати повинні характеризуватись високими техніко-економічними показниками, під час аналізу яких необхідно враховувати досягнення вітчизняної та зарубіжної науки і техніки.

Експлуатаційні вимоги до апарата визначаються зручністю і простотою складання, розбирання, ремонту і обслуговування, надійністю у роботі, а також невеликим штатом обслуговуючого персоналу. До експлуатаційних вимог відносять також стійкість матеріалів, з яких побудований апарат, проти корозії, яка може виникнути під дією миючих засобів, навколишнього середовища і продукту, що переробляється. В свою чергу продукти взаємодії середовища і матеріалу не повинні володіти шкідливими властивостями у тому випадку, якщо продукт використовується для харчування. До експлуатаційних показників апарата відноситься і енергоємність - витрата енергії на одиницю сировини, що переробляється, або готової продукції. Зрозуміло, що чим ця величина менша, тим апарат вважається більш досконалим. Необхідно також поліпшувати надійність апарата - здатність виконувати задані функції, зберігати свої експлуатаційні показники у заданих межах протягом потрібного проміжку часу. Обладнання повинно бути виготовлене для визначених умов роботи і не бути непомірно міцним. Напруження в деталях конструкції повинні бути тільки незначно нижче припустимих, інакше маса і вартість конструкції будуть невиправдано великі. Конструкцію в цілому, як правило, роблять рівноміцною, хоча цей принцип інколи осмислено порушують. Наприклад, у конструкції дробарок передбачається одна деталь, яка легко замінюється і має міцність меншу за міцність всіх інших деталей. Якщо у дробарку випадково попаде особливо міцний матеріал, то зламається тільки ця деталь. Таким чином ремонт всієї складної машини зведеться до заміни однієї простої деталі. Строки довговічності апарату повинні бути оптимальні - не менші і не більші. У першому випадку апаратура проходить капітально-відновлювальні ремонти. Надлишкова довговічність також не може бути оправданою, тому що з часом обладнання морально застаріє і з цієї причини потребує заміни.

Конструктивні вимоги до апаратів пов'язані з їх проектуванням, виготовленням, транспортуванням і монтажем. Основні з них: стандартність і замінність деталей апарату; найменша трудоємкість під час складання; зручність транспортування, розбирання і ремонту; мінімальна маса апарату і його окремих частин. Конструктивна досконалість характеризується простотою будови, малою масою і габаритами, невеликими затратами дорогих дефіцитних матеріалів, технологічністю виготовлення. Під технологічністю (з точки зору машинобудування) розуміють відповідність конструкції вимогам оптимальних технологічних процесів виготовлення апаратів за заданих масштабів виробництва, і максимальної економії матеріалів на їх виготовлення. Показниками технологічності апаратів харчових виробництв можуть бути загальна трудомісткість, матеріалоємність і маса апарата. Загальна трудомісткість виготовлення апарату включає трудомісткість заготівельних операцій, механічної, термічної та інших видів обробки, складання і випробування апарата.

Під час конструювання апаратів необхідно враховувати, що зниженню трудомісткості сприяють уніфікація та нормалізація деталей і вузлів апарата; це дозволяє також скоротити в експлуатаційних умовах номенклатуру необхідних запасних деталей і полегшити ремонтні роботи.

Для зменшення маси апарата обирають таку форму його, коли відношення бокової поверхні до об'єму буде мінімальним. Таке відношення мають апарати кулястої форми, а для апаратів циліндричної форми з плоским дном ця вимога витримується за відношенням H/D = 2. З таким відношенням мінімальною буде і маса металу, яка витрачається на побудову циліндричного апарата.

Апарат повинен мати, по можливості, естетичний вигляд - приємну форму і забарвлення, відповідність основним ергономічним параметрам середньої людини.

Вимоги техніки безпеки і промсанітарії.

Безпека роботи апаратів і зручність їх експлуатації є важливими вимогами, які висуваються до апаратів. Тому апарати розраховують і виготовляють з необхідним запасом міцності, обладнують тепловою ізоляцією, захисними та запобіжними пристроями. У цьому відношенні найбільш безпечні герметично закриті апарати безперервної дії, в яких контроль і керування процесом автоматизовані.

Автоматизація забезпечує сталість заданого технологічного режиму в апараті, спрощує його обслуговування і веде до зменшення чисельності обслуговуючого персоналу.

Апарати харчових виробництв повинні відповідати і санітарно-гігієнічним вимогам, невиконання яких зумовлює бактеріальне, механічне або хімічне забруднення продуктів харчування. При цьому апарати повинні бути герметичні, легкодоступні для миття та стерилізації.

Енергетичні вимоги. Енергоємність апарата характеризується витратами енергії на одиницю сировини, яка перероблюється, або готової продукції. За інших рівних умов апарат буде досконалішим, якщо менше енергії буде витрачатися на одиницю сировини або продукції.

Економічні вимоги зводяться до того, що вартість проектування, виготовлення, монтажу та експлуатації апарата повинна бути, по можливості, мінімальною. Апарат повинен мати високі техніко-економічні показники. До їх числа належать продуктивність, витратні коефіцієнти, витрати на експлуатацію апарата, вартість апарата і собівартість продукції, яка одержується в ньому. Апарат повинен мати високу продуктивність і низькі витратні коефіцієнти, які визначають витрати сировини і енергетичних засобів (палива, пари, води, електроенергії ) на одиницю готової продукції.

Очевидно, що експлуатаційні витрати, які пов'язані з ремонтом і обслуговуванням апарата, повинні бути мінімальними. Невисока вартість обладнання є його перевагою. Однак у деяких випадках під час впровадження нової техніки слід віддати перевагу більш дорогому апарату, який має більшу продуктивність, низькі витратні коефіцієнти і невеликі витрати на експлуатацію. Подібний апарат зможе забезпечити великий вихід готової продукції, котра має невисоку собівартість.

Вимоги, що пов'язані з захистом навколишнього середовища, можна коротко сформулювати так: відходи (рідинні, газообразні, тверді), які одержують під час проведення процесів і викидають у навколишнє середовище, не повинні його забруднювати.

Під час розробки нових, досконалих машин і апаратів усі вище зазначені вимоги необхідно розглядати в єдиному комплексі.

Матеріали для виготовлення апаратів

Під час вибору матеріалів для виготовлення апаратів враховуються такі характеристики, як міцність, теплофізичні властивості, вартість, корозійна стійкість, легкість обробки. До характеристик міцності входять допустимі напруження на стискання і розтягання, ударна в'язкість, жаростійкість. Важливою характеристикою матеріалів, котрі використовуються для виготовлення теплообмінної апаратури, є теплопровідність; у деяких випадках вона є вирішальним показником під час вибору матеріалу. Вибір того чи іншого матеріалу залежить також від його вартості і доступності. Одною з основних вимог, що висуваються до матеріалів апаратів харчових виробництв є хімічна (корозійна) стійкість, тому що від неї залежить якість харчового продукту.

Основні матеріали, що використовуються для виготовлення харчової апаратури, - різноманітні метали і сплави (вуглецеві та нержавіючі сталі, титан, чугун, мідь і її сплави, алюміній і його сплави та ін.), неметалеві матеріали (пластмаси, скло, дерево та ін.) та захисні покриття.

Сталь - сплав заліза з вуглецем (вміст вуглецю 0,2…1,5%), основна й найважливіша група конструкційних матеріалів на основі заліза. Таке виняткове значення сталі здобули завдяки міцності, в'язкості, здатності витримувати динамічні навантаження, зварюватись, добре оброблятись різанням і прокатуванням. Вони також дешеві та доступні. Найширше застосування для виготовлення апаратів і машин знайшли вуглецеві сталі марок Ст.0 (для відкритих апаратів), Ст.2 (для теплообмінних апаратів), Ст.3 (для апаратів з підвищеним тиском), Ст.4 (вали мішалок, барабани центрифуг).

З точки зору корозійної стійкості особливе значення у харчовому машинобудуванні мають нержавіючі високолеговані хромонікелеві сталі. Вони мають властивість високої корозійної стійкості до агресивних середовищ, жаротривкості та високої міцності. Вони немагнітні, добре штампуються, зварюються. Найбільш розповсюджена сталь марки 1X18Н9Т має склад (у %): вуглецю - менше 1, хрому - 18, нікелю - 9, титану - менше 1.

Чавун широко використовується у харчовому апаратобудуванні для відливання фільтропресових рам, деталей насосів, компресорів, поршневих кілець, труб, зубчатих коліс. Чавун добре витримує навантаження, стиск, погано - згинання і розривання, а також розколювання. Вибираючи чавун, необхідно знати, що сірка, котра є в його складі, може переходити у продукт і надавати йому неприємний запах.

Кольорові метали, в основному алюміній, мідь, титан, нікель, свинець, а також сплави на їх основі широко використовуються у харчовому машинобудуванні.

Алюміній - достатньо міцний, має низьку густину, високу теплопровідність (більшу в 4,5 рази ніж сталь), легко штампується і прокатується. Однак погана зварюваність і погані ливарні властивості обмежують його застосування. Чистий алюміній має високу електрохімічну активність, але в умовах роботи апаратів поверхня його швидко покривається окисною захисною плівкою, котра запобігає його руйнуванню. Алюміній широко використовується для виготовлення апаратів харчових виробництв, особливо пивоварного і молочного. Крім алюмінія використовується також його сплав з міддю - дюралюміній. Антикорозійні властивості цього сплаву нижчі, ніж чистого алюмінію.

Мідь і її сплави (бронза і латунь) мають високу корозійну стійкість, теплопровідність, добре прокатуються, тягнуться, штампуються, але мають невисокі механічні властивості та погано обробляються різанням із-за великої в'язкості. Мідь широко використовується для виготовлення ректифікаційних апаратів спиртового виробництва, випарних апаратів кондитерського і рафінадного виробництв, випарних і перегонних апаратів лікеро-горілчаного виробництва.

З неметалевих матеріалів для виготовлення апаратів та їх вузлів використовують залізобетон, скло, пластмаси (вініпласт, поліетилен, фторопласти, текстоліт тощо). Слід відзначити, що фторопласти стійкі до агресивних середовищ і в цьому відношенні переважають благородні метали і їх сплави. Для виготовлення різноманітних деталей використовують фторопласт-4, а для захисних покрить - фторопласт-3. Особливо широко використовується фторопласт-4, який стійкий до жирів, масел, вологи, кислот; не має запаху, не має адгезійних властивостей. Його використовують для покриття розкатувальних і формуючих пристроїв у хлібопекарному, макаронному і кондитерському виробництвах. З нього роблять мембрани, сільфони, тонкостінні втулки, прокладки та гранули, що використовуються як інертний матеріал розпилювальних сушильних установок.

Як захисне покриття від корозії найчастіше застосовують емалі (емалювання) та олово (лудження). Так, наприклад, луджена листова сталь використовується для виготовлення тари у консервному, молочному і рибному виробництвах. Як покриття знаходять використання також пластмаси, лаки та смоли.

4. Основи теорії подібності та моделювання

Методи дослідження та аналізу процесів

Вирішення будь-якого інженерного завдання, особливо пов'язаного з науково-технічним прогресом у виробництві, базується на точному розрахунку, який переконливо доводить можливість і доцільність створення нового процесу, апарата або внесення в них змін. Змінювання в процесі та апараті, які можуть привести до нових, більш високих якісних і кількісних результатів проведення процесу, часто пов'язані з необхідністю врахування нових геометричних і фізичних величин, а також характеру взаємозв'язків між цими і раніше використовуваними величинами. Це, у свою чергу, призводить до необхідності виведення нових розрахункових формул, а нерідко і до створення нових методів розрахунку.

Відомо три методи дослідження процесу і одержання кількісних взаємозв'язків між істотними для нього фізичними і геометричними величинами: аналітичний, експериментальний та синтетичний.

Найбільш бажаний шлях дослідження - аналітичний чи теоретичний. Використовуючи загальні закони фізики, хімії, можна математично описати будь-який технологічний процес у вигляді диференціальних рівнянь. Після розв'язання цих математичних залежностей (диференціальних рівнянь) можна одержати аналітичні рівняння, необхідні для аналізу і розрахунку процесів. Прикладом такого методу дослідження є одержання одного з найбільш важливих і широко використовуваних рівнянь гідродинаміки - рівняння Бернуллі з диференціальних рівнянь Ейлера для сталого потоку рідини.

Використовуючи систему рівнянь Ейлера

(1.24)

отримаємо рівняння Бернуллі

, (1.25)

згідно з яким “для всіх поперечних перерізів сталого потоку ідеальної рідини повний гідродинамічний напір залишається незмінним”. Більш докладно ці залежності будуть розглянуті у підрозділі 2.2. Оскільки диференціальні рівняння описують цілий клас однорідних за своєю сутністю явищ, то під час розгляду конкретного явища їх необхідно обмежувати додатковими умовами - умовами однозначності. Умови однозначності включають геометричні, фізичні, початкові та граничні умови.

Однак, багато процесів харчової технології характеризуються великою кількістю перемінних і настільки складні, що диференціальні рівняння, які їх описують, не можуть бути вирішені відомими в математиці методами. Теоретичне виведення розрахункових залежностей, необхідних для проектування апаратури, в даному випадку є неможливим. У деяких випадках, наприклад, для такого поширеного у різних галузях промисловості процесу як перемішування, повна система диференціальних рівнянь ще не складена. Прикладом таких процесів є також процеси тепло- і масообміну в турбулентних потоках.

У таких випадках для знаходження зв'язку між величинами, що характеризують процес, вдаються до експериментального методу досліджень, тобто до проведення дослідів. При цьому проводять експериментальні дослідження і на основі дослідних даних одержують емпіричні рівняння. Ці рівняння використовуються в інженерній практиці. Так, наприклад, залежність питомої теплоємності молока від температури і вмісту сухих речовин виражається формулою:

, (1.26)

де - вологість молока, %; Т - температура, К; n - вміст сухих речовин, %.

Наведена формула справедлива за умов:

8 < n < 40 % і313 < Т < 353 К.

Однак, отримані емпіричні рівняння є частковими і не можуть бути поширені на умови, відмінні від тих, для яких вони отримані. У зв'язку з цим виникає необхідність мати велику кількість таких емпіричних рівнянь для різних умов. Крім цього метод прямого експерименту має недолік, який полягає в тому, що встановлення взаємозв'язку між окремими, як правило, чисельними фізичними та геометричними величинами у досліді виявляється настільки громіздким і трудомістким, що це може загальмувати розвиток техніки, тому що до моменту одержання результатів виникнуть нові завдання та проблеми і стануть необхідними нові рішення.

Найбільш розповсюдженим під час дослідження процесів та апаратів є синтетичний метод, що поєднує аналітичний і експериментальний. Це досягається шляхом використання для обробки дослідних даних методів теорії подібності. Теорія подібності дозволяє узагальнити результати досліджень і поширити їх на широке коло явищ, які подібні вивченому, але відрізняються чисельним значенням характерних параметрів.

Етапи створення нових процесів та апаратів

Фізичне і математичне моделювання

Для вибору режиму процесу, сировини, реагентів, конструкції апарату треба заздалегідь, як можливо точніше уявити собі, як буде організовано нове виробництво у промислових умовах.

Розробка нового харчового виробництва і нових конструкцій апаратів і машин для його реалізації здійснюється в декілька стадій (етапів).

Перша стадія є доказ принципової можливості такого виробництва. Він виражається у вигляді хімічних формул, які показують можливу течію реакцій, і у формі інших попередніх даних, із яких виходить необхідність пошукових робіт. На цій стадії необхідно виявити, які фундаментальні закони, гіпотези лежать в основі процесів, які планується розробити. Наприклад, доказ можливості електроконтактного способу нагріву бісквітного тіста полягає у перетворенні електричної енергії в теплову під час проходження змінного електричного струму промислової частоти 50 Гц крізь продукт, як крізь провідник, що володіє опором.

Наступним етапом є розробка схеми виробництва - послідовності технологічних операцій (хімічних реакцій). Цей етап виконується у дослідних лабораторіях на дослідних установках мінімальних розмірів. Лабораторні дослідження дають спосіб виробництва у вигляді принципової схеми, без достатніх даних для проектування промислових установок.

Наступною стадією є моделювання процесів, яке проводиться на лабораторних експериментальних установках, що є моделями майбутніх машин і апаратів, їх елементів та вузлів. Моделюванням називається метод дослідження існуючого чи створюваного об'єкта, коли замість об'єкта (оригіналу) вивчається модель (другий об'єкт, що замінює оригінал), а результати кількісно переносяться на оригінал. Масштаб моделей визначається залежно від характеру процесу і вимог законів моделювання; у ряді випадків дослідні установки повинні відтворювати майбутній процес у напіввиробничому (так званому пілотному) масштабі, а інколи і в натуральну величину. Етап моделювання дозволяє вирішити ряд найважливіших питань про розміри конструкції, вартість промислових установок, вихід продуктів, питомої витрати сировини, енергії; про умови рівноваги і основні напрямки у розвитку процесів тощо. Метод моделювання дозволяє уникнути великих помилок під час реалізації виробництва і прискорює його освоєння. Багато процесів неможливо вивчати у промислових апаратах унаслідок неможливості довільної зміни режиму їх роботи, труднощів роздільного вивчення спільно діючих факторів, можливого псування великої кількості продуктів. Під час досліджень на моделі експериментатор може за власним розсудом змінювати режим роботи апарата, виявляти вплив окремих параметрів (температури, тиску, концентрації, швидкості потоків тощо) на протікання досліджуваного процесу. Моделі оснащують контрольно-вимірювальними приладами, по можливості роблять з прозорими стінками або вікнами, що дає можливість вести візуальне спостереження за процесом, використовувати фото та кінознімальну апаратуру. Крім цього, дослідження на моделях можна проводити не з робочими (інколи небезпечними, дорогими чи дефіцитними) речовинами і не у жорстких (високі температури, агресивні середовища) умовах реального виробничого процесу, а з іншими (модельними) речовинами в умовах, які відрізняються від промислових. Так, наприклад, багаторазові дослідження показали, що універсальним моделюючим об'єктом для багатьох харчових продуктів є бентонітова глина, стан якої за різних концентрацій у воді може поступово змінюватись від типу колоїдного до твердого.

Ми розглянули головним чином основи фізичного моделювання, під час якого у дослідах на моделі змінюються (у порівнянні з виробничими умовами) лише масштаб установки, робочі речовини, температурні умови тощо, але фізична сутність процесу в моделі, що вивчається, залишається такою ж, як і в натурі.

Обробка результатів фізичного моделювання звичайно приводить до найважливіших теоретичних узагальнень і практичних висновків про раціональну конструкцію промислових апаратів.

Наступний етап досліджень включає проектування, виготовлення і випробування головних промислових зразків нової апаратури у схемах технологічних установок і випробування всієї машино-апаратурної системи виробництва. При цьому перевіряють і уточнюють результати попереднього моделювання. Оскільки масштаб апарата істотно впливає на перебіг процесу, зараз під час дослідження процесів почали використовувати проміжну ланку - ”напіввиробничі” експериментальні установки, які дістали назву ”пілотних”, тобто весь процес вивчають у три головні стадії: лабораторне дослідження, напіввиробничі випробування, виробничі випробування.

Заключним етапом є виготовлення серійних промислових апаратів на основі всього попереднього досвіду теоретичних, проектно-конструкторських і експериментальних робіт.

Аналогічний шлях створення нових машин і апаратів. Наукове дослідження є неминучим елементом практичного вирішення інженерних завдань.

Крім фізичного моделювання, яке нами розглянуто на прикладі розробки нових конструкцій апаратів, сучасне моделювання включає також гідравлічне, математичне і аналогове.

Гідравлічне моделювання виконують на спеціальних стендах, які включають фрагменти основних робочих елементів у натуральну величину. Під час гідравлічного моделювання виявляють закономірності, які визначають величину опору і продуктивність апарата для контактних устроїв різних типів, і різні способи взаємодії фаз. Використовуючи дані фізичного та гідравлічного моделювання, можна вибрати оптимальні умови процесу і розміри апарата.

Математичне моделювання одержало розвиток у зв'язку з широким використанням електронно-обчислювальних машин (ЕОМ). Моделювання цього виду є цінним доповненням до фізичного та гідравлічного моделювання і дозволяє на базі основних закономірностей виявити оптимальні сполучення параметрів процесу і конструкції апарата.

Під математичним моделюванням розуміють розробку і аналіз систем рівнянь процесу з відповідними початковими і граничними умовами для визначення оптимальних умов проведення процесу або роботи апарата. Математичне моделювання включає такі основні етапи: а) складання системи рівнянь, початкових і граничних умов; б) аналіз системи рівнянь з використанням ЕОМ (деформація або аналіз моделі); в) корегування параметрів рівнянь моделі на основі даних фізичного та гідравлічного моделювання; г) перевірка відповідності моделі реальному об'єкту (перевірка адекватності моделі та об'єкта).

Ми вже відмічали аналогічність кінетичних рівнянь перенесення гідродинамічних, теплових та масообмінних процесів. Аналогія існує також між електричними, тепловими і масообмінними процесами. Тому під час дослідження теплових, масообмінних або гідродинамічних процесів можна використовувати більш прості і в деякій мірі більш зручні, ніж натура, моделі, в яких протікає зовсім інший фізичний процес. Єдиною умовою використання такого способу досліджень, яке одержало назву аналогового моделювання, полягає в тому, що обидва процеси повинні описуватись однаковими за видом диференційними рівняннями. При введенні відповідних перерахованих коефіцієнтів будь-який з перелічених процесів можна змоделювати переносом електрики. Аналогові обчислювальні машини, робота яких основана на дослідженнях електричних моделей, дозволяють моделювати фізико-хімічні та біохімічні процеси різної природи. Завдяки значно більшій швидкості перенесення електричного струму в порівнянні зі швидкістю перенесення теплоти або речовини використання електричних моделей дозволяє значно прискорити проведення досліджень на моделях.

Основи теорії подібності. Види подібності

Сутність теорії подібності може бути достатньо глибоко і повно з'ясована тільки після визначення понять про подібність фізичних явищ і узагальнені (безрозмірні) параметри процесу. Подібними явищами називають такі явища, для яких відношення схожих і характеризуючих їх величин постійні.

Розрізняють подібність: геометричну, часову, фізичних величин, початкових і граничних умов.

Геометрична подібність апаратів (систем), в яких відбувається процес, дотримується, якщо відношення всіх подібних розмірів двох порівнювальних апаратів є величиною постійною (при цьому відповідні кути мають бути рівними), тобто (рис. 4.1):

де Kl - константа лінійної (геометричної) подібності.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.1

Часова подібність зберігається, якщо відношення між подібними інтервалами часу процесу зберігає постійне значення. Подібними інтервалами часу вважають інтервали, протягом яких завершуються аналогічні стадії порівнювальних процесів. Часова постійність характеризується співвідношенням

,

де K - константа часової подібності; - інтервали часу в першому процесі; - інтервали часу в другому процесі, подібному першому.

Якщо , то процеси протікають одночасно або синхронно.

Подібність фізичних величин, що характеризують процес, зберігається, якщо відношення значень цих величин для подібних процесів у просторі та в часі (тобто з дотриманням геометричної та часової подібності) є величиною постійною, тобто