Удосконалення обладнання для концентрування рідких харчових продуктів методом блочного виморожування

19

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 664.023.045.5-967

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ КОНЦЕНТРУВАННЯ РІДКИХ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ МЕТОДОМ БЛОЧНОГО ВИМОРОЖУВАННЯ

Спеціальність 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв.

МОРДИНСЬКИЙ ВСЕВОЛОД ПЕТРОВИЧ

Одеса - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній академії харчових технологій

Міністерства освіти і науки молоді та спорту України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки та техніки

Бурдо Олег Григорович,

Одеська національна академія харчових технологій, кафедра процесів, апаратів та енергетичного менеджменту, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Смірнов Генріх Федорович,

Одеська національна академія харчових технологій кафедра теплохолодотехніки, професор кафедри;

- доктор технічних наук, доцент Потапов Володимир Олексійович,

Харківський державний університет харчування та торгівлі,

кафедра холодильної та торговельної техніки, завідувач кафедри

Захист відбудеться _15 квітня __2011 р. о _13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.088.01 в Одеській національній академії харчових технологій за адресою 65039, м. Одеса-39, вул. Канатна,112 в ауд. А-234.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеської національної академії харчових технологій за адресою 65039, м. Одеса-39, вул. Канатна,112.

Автореферат розісланий _14 квітня __2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор К.Г. Іоргачова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

кріоконцентрування кристалізація виморожування

Актуальність теми. Україна має великий потенціал виробництва сільськогосподарської продукції. Однак конкурувати на світовому ринку з розвинутими країнами можливо лише за умови зниження енергозатрат та підвищення якості продукції. Тому актуальним завданням розвитку харчової промисловості на сучасному етапі є створення і освоєння нової техніки для переробки сільськогосподарської сировини, яка може бути використана в нових передових технологіях. Ці технології забезпечують високу якість продукції, зниження енерговитрат і підвищення економічної ефективності виробництва. Що стосується південних регіонів України, які спеціалізуються на випуску харчової продукції зі всіляких овочів і фруктів, то одним з важливих завдань переробних галузей є створення технологій для отримання високоякісних і дешевих харчових концентратів.

Основні вимоги до отриманого концентрату - якнайповніше збереження складу початкової сировини, що дозволило б, при розбавленні його водою, отримати продукт високої якості. Такий концентрат можна отримати методом блочного виморожування, розробленим на кафедрі процесів, апаратів та енергетичного менеджменту Одеської національної академії харчових технологій і вивчений в рамках дисертаційних робіт Бурдо О.Г., Аль-згул-Бассамом, Мілінчуком С.І., Коваленко О.О. та іншими.

Проте, всі попередні роботи проводилися на стержневих кристалізаторах, застосування яких недоцільно в апаратах великої продуктивності з кількома кристалізаторами. Автором пропонується для таких установок використовувати компактніші оригінальні пластинчасті кристалізатори. Але наукові основи концентрації і методи розрахунку устаткування на плоских кристалізаторах відсутні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі процесів, апаратів та енергетичного менеджменту відповідно до тематики науково-дослідних робіт Одеської національної академії харчових технологій: "Виробництво, переробка та зберігання сільськогосподарської продукції" (№ держреєстрації 0100U4572).

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка методики розрахунку та розробка устаткування для концентрування рідких харчових продуктів методом блочного виморожування, яке б забезпечило високу продуктивність при низьких енергозатратах;

Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити такі завдання:

- методом теплофізичного аналізу отримати модель процесу кристалізації води з продукту на плоских кристалізаторах та намітити шляхи інтенсифікації тепломасообміних процесів кріоконцентрування методом блочного виморожування;

- створити перевірочну методику розрахунку гідродинамічних процесів, що проходять в плоских кристалізаторах з щілинними каналами;

- провести комплекс експериментальних досліджень і встановити вплив конструктивних і режимних параметрів на динаміку зростання блоку льоду, на його структуру і структуру отримуваного концентрату, на теплообмінні і гідродинамічні процеси, що проходять в плоских кристалізаторах з щілинними каналами;

- узагальнити експериментальні дані і отримати в критеріальній формі рівняння для розрахунку тепломасообмінних процесів на плоских кристалізаторах;

- узагальнити дослідні дані гідродинамічних і теплообмінних процесів і отримати коефіцієнти місцевого опору і опору тертя в плоских кристалізаторах;

- розробити методику і програму розрахунку на ПЕОМ процесів концентрування при блочному виморожуванні кавового екстракту на плоских кристалізаторах;

- розробити методику і програму розрахунку на ПЕОМ теплообмінних і гідродинамічних процесів, що проходять в плоских кристалізаторах з щілинними каналами;

- розробити апарат для концентрації рідких харчових продуктів методом блочного виморожування на плоских кристалізаторах який забезпечує високу якість отриманих концентратів при низьких енергетичних затратах.

Об'єкт дослідження - процеси тепломасообміну при концентруванні харчових рідин методом блочного виморожування, теплообмінні і гідродинамічні процеси, що проходять в плоских кристалізаторах з щілинними каналами

Предмет дослідження - кріоконцентратор для низькотемпературного концентрування харчових рідин на плоскому кристалізаторі, математичні моделі процесів тепломасообміну при концентруванні харчових рідин методом блочного виморожування;

Методи дослідження - аналітичні методи з використанням ПЕОМ, методи теорії подібності, теплофізичного експерименту, масообмінного експерименту, дослідження з використанням контрольно-вимірювальної апаратури.

Наукова новизна отриманих результатів. В роботі сформульовані і доведені нові наукові положення:

1. Існуюче протиріччя між необхідністю збільшення швидкості виморожування (утворення циліндричного блоку на голчастих кристалізаторах) і задачами забезпечення високої степені розділення в умовах великої продуктивності можуть вирішуватися шляхом формування в об'ємі компактних плоско - паралельних блоків льоду з забезпеченням керованих зазорів для рідкої фази.

2. Специфіка процесів блочного виморожування в апаратах великої продуктивності потребує оригінальної конструкції тонкопластинчатих кристалізаторів з встановленими зазорами для рідкої фази продукту та організації стабільного кипіння холодильного агенту у стислих умовах плоского кристалізатора.

В роботі вперше:

- розроблено модель кріоконцентрування методом блочного виморожування на пластинчастих кристалізаторах, яка встановлює динаміку зростання блоку льоду, визначає поля температур в блоці льоду, динаміку зміни концентрації продукту;

- отримані кінетичні залежності зростання блоку льоду від його висоти, температури кристалізатора, початкової концентрації кавового екстракту, молочної сироватки та виноградного соку і тривалості виморожування;

- отримано кінетичні залежності структури блоку льоду від температури кристалізатора, початкової концентрації кавового екстракту, молочної сироватки та виноградного соку і часу виморожування;

- отримано кінетичні залежності зростання блоку льоду та його структуру від швидкості перемішування;

- отримано критеріальне рівняння, що описує тепломасообмінні процеси на плоских кристалізаторах;

- отримано коефіцієнти місцевого опору і опору тертя в щілинних каналах плоских кристалізаторах;

- розроблено методику розрахунку процесів концентрування при блочному виморожуванні на плоских кристалізаторах та теплообмінних і гідродинамічних процесів, що проходять у плоских кристалізаторах з щілинними каналами.

Практичне значення отриманих результатів. В результаті комплексних аналітичних і експериментальних досліджень розроблено технологічні режими процесів та схеми апаратів для низькотемпературного концентрування харчових рідин, які забезпечують отримання концентрату високої якості з низьким рівнем енергозат-рат. Апарати рекомендовано для харчових підприємств, які виготовляють концентрати харчових рідин, чутливих до нагрівання. Виготовлено триступеневу установку для концентрування методом блочного виморожування з об'ємом концентраторів 0,08 м³. Запропонований кріоконцентратор та дослідні зразки кавового концентрату пройшли апробацію на ВАТ «Одесхарчоконцентрат»

Особистий внесок здобувача. В процесі виконання дисертаційної роботи автором самостійно виконано огляд наукової літератури за темою досліджень. Разом із науковим керівником сформульовані наукові положення з концентрування харчових рідин на плоскому кристалізаторі методом блочного виморожування і програма експериментальних досліджень, поставлено задачі математичного моделювання низькотемпературного концентрування харчових рідин. Дисертантом самостійно розроблено конструкцію плоского кристалізатора, виконані аналітичні та експериментальні дослідження за темою дисертації, науковий аналіз, математична обробка і узагальнення результатів, формулювання висновків і пропозицій. Брав участь у виготовленні кристалізаторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на конференціях професорсько-викладацького складу ОНАХТ 1993…2010 рр., міжнародні конференції "Научно-технический прогресс в пищевой промышленности" (г. Могилев р. Белорусь, 1995 г.); конференції "Інтегровані технології та енергозбереження." (м. Харків, 2002, 2005 рр.); міжнародні конференції "Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых", (м. Одеса, 1997 р.); міжнародні конференції "Хлібопродукти-97" (м. Одеса, 1997 р.); міжнародні конференції "Повышение энергетической эффективности пищевых и химических производств", (м. Одеса, 2008 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи, одержані результати та рекомендації з їх використання повністю відображені у 17 друкованих праць, з них 7 публікацій у фахових виданнях.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, які включають 168 найменувань (з них 80 іноземних) і 6 додатків (на 27 сторінках). Матеріал дисертації викладено на 132 сторінці, містить 54 рисунків (23 сторінок), 15 таблиць (9 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета і завдання досліджень, наукові положення, показана наукова новизна й практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, апробація результатів, публікації за темою дисертації.

В першому розділі "Устаткування для низькотемпературної концентрації рідких харчових продуктів. Аналіз і тенденції розвитку" на підставі аналізу літературного огляду було виявлено, що ефективним методом отримання якісних концентратів є низькотемпературне виморожування води з розчину. Але існуюче обладнання має певні недоліки. Багатьох з таких недоліків можна уникнути, застосувавши спосіб блочного виморожування, що розроблено в ОНАХТ на кафедрі процесів і апаратів та енергетичного менеджменту. Цей метод, як і усі методи концентрації виморожуванням, складається з етапів кристалізації і сепарації. Суть етапу кристалізації в методі блочного виморожування полягає в отриманні блоку льоду з включенням в його структуру деякої частини концентрату. Етап сепарації в цьому методі відбувається без додаткових витрат енергії і реалізується під дією гравітаційних сил.

Існуючі кристалізатори для блочного виморожування мають голчасту або стержневу форму. Для установок з одним кристалізатором (в апаратах невеликої продуктивності або для останнього ступеня концентрування) перевагу слід віддавати стержневим кристалізаторам. У цих кристалізаторах підвищення термічного опору блоку льоду частково, а в деяких випадках і повністю компенсується збільшенням теплопередаючої поверхні. Проте, під час використання їх групами, ця перевага втрачається за рахунок зростання блоків льоду (рис 1.)

При розміщенні кристалізаторів по кутах квадрата у момент зрощення залишається невиморожено близько 20 % продукту, а при розміще нні трикутником - 15%. Тому для установок великої продуктивності доцільніше використовувати пластинчаті кристалізатори, (рис 1 в). Вони відрізняються більшою технологічністю, компактністю, тобто більшою поверхнею кристалізації при меншому об'ємі, ніж голчасті та стержневі.

У другому розділі "Моделювання тепло- масопереносу при кріоконцентруванні" аналітичними методами проведені дослідження процесів тепломасообміну при виморожуванні харчових рідин. Аналіз теплових режимів зв'язано з постановкою задачі рухомої границі затвердіння (задача Стефана).

Швидкість переміщення границі розподілу "блок льоду - продукт" визначається при _и< < _э

(1)

де: - коефіцієнт масовіддачі, м/с; Х_ж, Х_s - поточна та рівноважна концентрації, кг/м³;

Зміна концентрації продукту виражається через рівняння балансу маси:

(2)

де: h, l, b - висота, ширина та товщина блока льоду, м;

Звідки:

(3)

умова на границі =_л має вигляд:

(4)

Для умови _и<_э загальне рівняння теплового балансу має слідуючий вигляд:

(5)

при =_л мают місто граничні умови II і III роду

(6)

Температурне поле в блоці льоду _и<_э:

(7)

де - зміна температури блоку льоду, визвана зміною температури кипіння холодильного агенту, внаслідок гідростатичного тиску стовпа рідкого холодильного агенту, - зміна температури блоку льоду, визвана зміною температури кипіння холодильного агенту, внаслідок гідродинамічного опору руху холодильного агента.

При правильно спроектованому кристалізаторі, тобто, при плавильному виборі числа ходів холодильного агенту можливо прийняти що:



Складовою також можливо знехтувати, оскільки вона враховується у випарниках значної висоти. Таким чином температурне поле можливо представити в одномірному полі координат:

При відповідних умовах 4 роду на границі =_л :

(8)

Тобто температури в зоні "лід - стінка випарника" однакові:

(9)

Аналогічно, температурне поле в стінці випарника при _и<_э має вигляд:

(10)

Отримана система нелінійних диференціальних рівнянь другого порядку в часткових похідних, розв'язати яку практично важко.

Разом з тим, задачу можливо спростити, прийнявши наступні допущення: в інтервалі деякого відрізку часу задача розглядається як квазістаціонарна, тобто, в цьому інтервалі діють середні значення концентрації продукту и рівноважної концентрації , нехтуючи розподіленням температур за товщиною льоду в кожному елементі, зводимо задачу до спостережених параметрів.

При врахуванні прийнятих допущень, рівняння масопереносу буде мати вигляд:

(11)

З співвідношення (11 ) знаходимо товщину блоку льоду:

(12)

Тобто, задача зводиться до знаходження товщини блоку льоду. Вводячи узагальнені числа подібності

; (13)

отримаємо

(14)

Невідома величина коефіцієнта масопереносу призводить до ускладнення визначення числа Шервуда. Тому доцільно шукати значення цього числа в емпіричному вигляді такого типу, для якого є методика визначення невідомих констант. З цієї точки зору краще використовувати критеріальне рівняння в вигляді:

(15)

Константи рівняння типу (15) прийнято находити дослідним шляхом.

Об'єднане рівняння теплового балансу і тепловіддачі в цих умовах має вигляд:

(16)

де - термічний опір низки "блок льоду - холодильний агент"

Звідки:

(17)

З цього випливає, що практично задачу кристалізації води на пластинчастих випарниках можна звести до визначення товщини блоку льоду і температури на границі розподілу "лід - рідина". Таким чином, виникає необхідність в створенні теплової моделі блочного виморожування, метою якої є визначення температури на поверхні блоку льоду. Для визначення температури на поверхні створено модель теплообміну на відомих співвідношеннях Ликова, Земскова, Богданова.

В зв'язку з обмеженими розмірами каналів які, обмежуються міцністю матеріалу, з якого виготовляється кристалізатор, при великих теплових навантаженнях можливі випадки значного збільшення гідравлічного опору при русі холодильного агенту, що негативно впливає на потужність холодильної машини.

Методика розрахунку гідравлічного опору при русі холодильного агенту відома

(18)

Цією формулою можна користуватися при відомих величинах коефіцієнта тертя _тр в щілинних каналах і коефіцієнта місцевого опору _мс при повороті на 180⁰ в прямокутному щілинному каналі, значення яких відсутні в джерелах.

У третьому розділі "Експериментальне моделювання процесів тепломасопереносу на плоских кристалізаторах" наведені результати експериментальних досліджень процесів тепломасопереносу при виморожуванні харчових рідин. Для дослідження гідродинаміки холодильного агенту сконструйовано стенд, схема якого зображена на рис. 2. Стенд складається з пластинчастого кристалізатора (1) розмірами 0,25х 0, 4 м з двома одинарними і п'ятьма спареними каналами, які мають розмір в поперечнику 2х10 мм. Кристалізатор, у свою чергу, є випарником холодильної системи, до складу якої входить холодильна машина ВС-300 (2), голчастий ТРВ (3). До випарника підключено два зразкові манометри (4) з ціною ділення 4^.10³ Па і дванадцять мідьконстантанових термопар, розміщених на початку і в кінці кожного каналу. Під час експерименту випарник занурюється в ізольовану пінопластом ємкість (5) розмірами 0,294х0,094х0,43 м, заповнену 25 % розчином хлористого натрію. У цю ж ємність поміщається і нагрівальний елемент, потужність якого регулювалася за допомогою ЛАТРу 7. Виміри ЕРС термопар робилися мілівольтметром Щ-300 (8), а потужність нагрівача - вольт-ампер ватметром К-50 (9).

Діапазон серії експериментів та отримані дані залежності гідравлічного опору Р, та різниці температур t від тиску кипіння Рвх холодильного агенту приведено в табл. 1.

Таблиця 1

Гідродинамічні характеристики пластинчастого кристалізатора.

Тиск випаровування Рвх .10-5, Па	0,90	1,38	1,78	2,24	2,66	2,76	3,06	3,38	3,66
Гідравлічний опір Р. 10-5, Па	0,212	0,224	0,24	0,262	0,30	0,324	0,362	0,432	0,464
Різниця температур t, 0С	2,28	2,30	2,32	2,40	2,45	2,51	2,62	3,02	3,28

За результатами експерименту, за допомогою ПЕОМ, були набуті значень коефіцієнта опору тертю і коефіцієнта місцевого опору при повороті потоку на 180⁰ в щілинному каналі, які відповідно рівні

; (19)

Рівняння (19) використано в програмі розрахунку на ПЕОМ гідравлічного опору пластинчатих випарників з різною конфігурацією каналів і коефіцієнта тепловіддачі від киплячої рідини до стінки випарника.

Аналіз результатів показує, що розрахункові результати відрізняються від результатів експерименту не більше ніж на 3%. Для апробації розробленої методики визначення коефіцієнтів була проведена серія експериментів на промисловому зразку кристалізатора розмірами 0,005х0,5х1м. Результати, отримані при проведені експерименту і розрахункові дані, отримані на ПЕОМ (рис. 3.), свідчать про коректність запропонованої методики.

За допомогою проведених експериментальних досліджень, встановлена здатність навантаження холодильної машини, яка буде враховуватися при дослідженні процесу масопереносу на плоскому кристалізатору.

Для дослідження тепло-масообміну при виморожуванні харчових рідин використовувався стенд, схема якого аналогічна приведеному на рис. 2. На кристалізаторі з двох сторін жорстко кріпиться спеціальний утримувач, в якому фіксуються термопари, що дозволяє вимірювати температуру в блоці льоду і в розчині. Мідь - константанові термопари розміщені в капілярах з нержавіючої сталі. Гребінка "гарячих" спаїв термопар розміщувалася на кристалізаторі перпендикулярно його площини з метою визначення температурного поля. Відстань між капілярами, в яких розміщені термопари, дорівнює 5 мм. Термопари відділявся від капіляра тонким шаром епоксидного клею. Початкові умови експериментальних досліджень приведено в таблиці 2.

Таблиця 2

Початкові умови експериментальних досліджень

	Кавовий екстракт	Молочна сироватка	Виноградний сік
Концентрація , %	15...40	6...20	12…40
Температура кристалізатора, 0С	-6 ... -25	-10...-20	-5...-25
Висота блока льоду, м.	0,04...0,38	0,04...0,38	0,04...0,38
Термін проведення експерименту, год.	1,75...6,5	2,5...6,0	1,5...4,0

Результати досліджень вказують, що на кінетику росту блока льоду, в значній мірі, впливають температура кипіння холодильного агента (рис. 4) та початкова концентрація продукту (рис. 5). І в меншій мірі - початкова температура продукту та висота кристалізатора.

Залежність структурних характеристик зображена на рис. 6.

За результатами експериментальних досліджень було виявлено, що при зниженні температури кипіння холодильного агенту збільшується швидкість росту блоку льоду, але разом з тим і погіршується структурна характеристика блоку.

Узагальнення експериментальних досліджень було приведено в критеріальні формі,

(20)

отримано емпіричну формулу для визначення пористості блока льоду

(21)

Співвідношення (20) і (21) використовувались для проектування та оптимізації кріоконцентраторів з пластинчатими кристалізаторами.

У розділі 4 "Комп'ютерний експеримент. Пропозиції схем устаткування для кріоконцентрування" приведено методику розрахунку кріоконцентраторів для харчових рідин, результати комп'ютерного експерименту та схеми апаратів для концентрування рідких харчових продуктів методом блочного виморожування.

За допомогою алгоритму, в якому задавалися продуктивність апарата, початкова і кінцева концентрація продукту, отримали значення режимних (температура кипіння холодильного агенту) і конструктивних параметрів (поверхня кристалізаторів, тривалість виморожування та потужність холодильної машини), проводився розрахунок кріоконцентраторів (рис 7, 8, 9.)

Із аналізу отриманих результатів можна визначити оптимальну температуру кипіння холодильного агента, при якому поверхня концентраторів, час виморожування та питомі витрати енергії будуть мінімальними. Величина оптимальної, за енергетичним критерієм, температури кипіння залежить від початкової концентрації

продукту (рис 10).

Для інтенсифікації процесу концентрування харчових рідин на пластинчастих кристалізаторах було вивчено різні методи дії на поверхневий шар. Це такі як механічне, пневматичне та циркуляційне перемішування. Найбільш ефективним виявилося механічне перемішування (рис 11,12.) При цьому швидкість росту блоку льоду збільшується на 20-35%, а його пористість зменшується а 1,5-2 рази.

Розроблена методика використана при проектуванні експериментального зразка триступеневої установки для низькотемпературного концентрування харчових рідин. Випробовування установки підтвердили коректність інженерної методики. Проведено порівняння вартості концентрування кавового екстракту методом блочного виморожування на пластинчастих кристалізаторах та в вакуум-випарному апаратом. Економічний ефект при виморожуванні складає 120 грн. на одну тонну виділеної вологи.

ВИСНОВКИ

1. На основі теоретичних та експериментальних досліджень впливу технологічних і конструктивних параметрів на динаміку льодоутворення на пластинчатих кристалізаторах та структуру блоку льоду розроблено методику розрахунку апаратів для концентрування рідких харчових продуктів методом блочного виморожування.

2. Встановлено вплив конструктивних і режимних параметрів на динаміку зростання блоку льоду, на його структуру і структуру отримуваного концентрату. Виявлено, що із зниженням температури кипіння холодильного агенту збільшується швидкість росту блоку льоду, що приводить до зменшення поверхні але збільшується його пористість, що приводить до збільшення тривалості етапу сепарування.

3. Розроблено модель процесу кристалізації води з продукту на плоских кристалізаторах та досліджено вплив різних методів інтенсифікації тепломасообміних процесів кріоконцентрування методом блочного виморожування. Отримано критеріальне рівняння для розрахунку тепломасообмінних процесів на плоских кристалізаторах, яке задовільно узагальнюються з похибкою не більше 15%. Рівняння дозволяє розрахувати коефіцієнт масовіддачі в в межах чисел 18<Pr<50, 10000<Sc<50000.

4. Розроблено перевірочну методику розрахунку гідродинамічних процесів, що проходять в плоских кристалізаторах з щілинними каналами. Отримано рівняння для визначення коефіцієнту тертя при русі двофазного потоку в прямокутному щілинному каналі л_тр та коефіцієнта місцевого опору л_мо (19) при повороті на 180⁰ в прямокутного щілинного каналу при масових витратах двофазного потоку в межах 0,02<щ^.с<0,1

5. Отримано емпіричну формулу для визначення залежності структурних характеристик блока льоду від температурних режимів процесу та поточної концентрації продукту і узагальнюється з точністю не більше 12%.

6. Розроблено програму розрахунку на ПЕОМ процесів концентрування при блочному виморожуванні кавового екстракту на плоских кристалізаторах та теплообмінних і гідродинамічних процесів, що проходять в плоских кристалізаторах з щілинними каналами;

7. Встановлено, що ефективне використання електричної енергії досягається при стабілізації температури кипіння холодильного агенту на 5-7 ⁰С нижче кріоскопічної температури розчину.

8. Доведено, що використання механічного впливу на поверхневу плівку при виморожуванні дозволяє, за рахунок збільшення швидкості росту льоду та отримання блоку льоду меншої пористості та зменшити енерговитрати на виморожування на 20-35%.

9. Розроблено та виготовлено дослідний зразок концентратора на пластинчастих кристалізаторах, який дозволяє отримати питомі енерговитрати на рівні 0,04-0,1 кВт^.год електроенергії на 1 кг вимороженої води, що на 15-20% менше існуючих зразків, а в при використанні тепла плавлення льоду на рівні 0,025-0,07 кВт^.год елек-троенергії на 1 кг вимороженої води.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах

1. Буpдо О.Г. Оптимiзацiя паpаметpiв пpоцесу концентpуваня хаpчових piдин методом блочного вимоpожування [Текст]/О.Г. Бурдо, В.П. Моpдинский, Аль-Згул-Бассам. //Науковi пpацi ОДАХТ. Одеса - 1995. - Вип. 15. - С. 179-183

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень

2. Мордынский В.П. Оборудование для очистки сточных вод пищевых предприятий [Текст] /В.П. Мордынский //Международная конференция "Хлебопродукты 97". //Науковi пpацi ОДАХТ. Одесса - 1997. - Вип. 17. - С. 54-55

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень

3. Мордынский В.П. Моделирование тепломассопереноса при блочном вымораживании на плоских кристаллизаторах. Международная конференция "Хлебопродукты 97" [Текст]/ В.П. Мордынский //Международная конференция "Хлебопродукты 97". //Науковi пpацi ОДАХТ. Одесса - 1997. - Вип. 17. - С. 56-58.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень

4. Мординський В.П. Дослідження процесів тепломасообміну на пластинчастих кристалізаторах [Текст]/В.П. Мордынский//Науковi пpацi ОДАХТ. Одеса - 2001. - Вип. 22. - С. 182-185

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації.

5. Бурдо О.Г. Расчет и проектирование оборудования для криоконцентрирования виноматериалов [Текст]/О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко, С.И. Милинчук, В.П.Мордынский.//Научная конференция ОГАПТ, посвященная 100-летию академии. // "Наукові праці" ОДАХТ. Одеса -2002. - вип. 23. - С.211-214.

Особистий внесок здобувача: розробка методики розрахунку концентраторів.

6. Захаров Н.Д. Резервы энергосбережения в холодильных технологиях [Текст]/ Н.Д. Захаров, О.Г. Бурдо, В.П. Мординский//Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний жулнал. Харків:НТУ"ХПІ". - 2002. -№2 - С.6-10.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень

7. Мордынский В.П. Изучение влияния различных методов разрушения пограничного слоя при блочном вымораживании пищевых жидкостей [Текст]/В.П. Мордынский // "Наукові праці. ОНАХТ, Одеса - 2006. - Вип.28 Т2.- С.86-90.

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації

8. Бурдо О.Г. Енергетична програма навчального закладу.[Текст] /О.Г. Бурдо, П.І. Светлічний, В.П. Мординский, Г.С. Сталімбовська.//Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний жулнал. Харків: НТУ"ХПІ" - 2007. - № 2. - С. 155-158.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень

9. Мордынский В.П. Исследование кинетики вымораживания при пленочном течении жидкости [Текст]./В.П. Мордынский, Е. Касап/ Материалы международной научно-практической конференции "Повышение энергетической эффективности пищевых и химических производств". // Наукові праці. ОНАХТ Вип.30 Т1. Одеса - 2008. - С. 181-183.

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації

10. Мординский В.П. Интенсификация процесса льдообразования при блочном вымораживании пищевых жидкостей [Текст]/В.П. Мординський, П. И. Светличный.//Международная конференция "Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых". Одесса - 1997. - С. 338-341.

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації

11. Коваленко Е.А. Низкотемпературная технология переработки сельскохозяйственного сирья [Текст]. /Е.А. Коваленко, О.Г. Бурдо, В.П. Мордынский, С.И. Милинчук. /"Пути повышения эффективности хранения и переработки с/х продукции" ОЦНТИ, Одесса - 1999. - С. 58-59.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень

12. Моpдынский В.П. Аппараты для кpиоконцентpиpования жидких пищевых пpодуктов [Текст] В.П. Мордынский , А.Н. Гpиняк// Тезисы доклада 53 научной конференции ОДАПТ, 20 -30 апpеля Одесса - 1993. - С.225

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації.

13. Моpдынский В.П. Исследование гидpодинамического сопpотивления пластинчатого кpисталлизатоpа [Текст] /В.П. Мордынский // Научная конфеpенция ОНАПТ, 19-22 апp. Одесса - 1994. Тези доповіді. - С.60

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації.

14. Моpдынский В.П. Экспеpиментальное исследование массопеpеноса пpи блочном вымоpаживании на плоском кpисталлизатоpе [Текст]/В.П. Мордынский//Научная конфеpенция ОНАПТ, 11-14 апp. Одесса - 1995г. Тези доповіді. - С. 45.

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації.

15. Бурдо О.Г. Розробка нових функціональних компонентів на основі кріоконцентратів біологічних рідин [Текст]/О.Г. Бурдо, Є.Б. Дарманян, В.П. Мординський/ Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробну промисловість. Всеукраїнська науково-технічна конференція 17-20 жовтня Київ - 1995. Тези доповіді. - С. 86.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичних досліджень

16. Бурдо О.Г. Низькотемпературна технологія отримання рідких концентратів [Текст] /О.Г. Бурдо, В.П. Мординський, О.О. Коваленко/ Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробну промисловість. Всеукраїнська науково-технічна конференція 17-20 жовтня. Київ - 1995р. Тези доповіді. - С.75.

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення.

17. Мордынский В.П. Получение жидких пищевых концентратов методом блочного вымораживания [Текст]./В.П. Мордынский/Научно-технический прогресс в пищевой промышленности/Международная конференция. г.Могилев. Белорусь. - 1995. Тези доповіді. - С. 55.

Особистий внесок здобувача:проведення експериментальних досліджень, їх узагальнення, підготовка матеріалів до публікації.

АНОТАЦІЯ

Мординський В.П. "Удосконалення обладнання для концентрування рідких харчових продуктів методом блочного виморожування". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв, Одеська національна академія харчових технологій, Міністерство освіти, науки молоді і спорту України, Одеса 2011.

Дисертація присвячена удосконаленню обладнання для концентрування харчових рідин. Показано, що метод блочного виморожування на пластинчастих кристалізаторах є найбільш ефективний в апаратах великої продуктивності. В роботі отримані формули для розподілу поля температур і концентрацій при блочному виморожуванні на пластинчастих кристалізаторах. Експериментально досліджено і проаналізовано вплив режимних параметрів на кінетику росту блока льоду та його структуру. Отримані експериментальні результати було представлено в узагальнюючому виді в формі критеріального рівняння залежності числа конвективного масопереносу Sh від відношення теплового потоку під дією архімедової сили Ra дифузійно - вязкістного числа Sc, теплофізичних параметрів - числа Pr. Розроблено методику розрахунку апаратів для низькотемпературного концентрування харчових рідин методом блочного виморожування на пластинчастих кристалізаторах. На основі отриманих теоретичних та експериментальних даних розроблено та сконструйовано триступеневий апарат для низькотемпературного концентрування харчових рідин блочного виморожування на пластинчатих кристалізаторах продуктивністю 32 кг/год вимороженої води. В роботі приводиться порівняльний розрахунок економічної ефективності випаровування і низькотемпературного концентрування. По результатах розрахунків економічний ефект від використання блочного виморожування складає 120 грн. на кожні 1000 кг виділеної води.

Ключові слова: концентрування, виморожування, харчова рідина, кристалізатор, пластинчастий, гідродинаміка, пористість.

АННОТАЦИЯ

Мординський В.П. "Усовершенствование оборудования для концентрирования жидких пищевых продуктов методом блочного вымораживания". - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств, Одесская национальная академия пищевых технологий, Министерство образования, науки, молодежи и спорта Украины, Одесса 2011.

Диссертация посвящена усовершенствованию оборудования для концентрирования пищевых жидкостей. Показано, что использование стержневых и игольчатых кристаллизаторов имеет смысл в аппаратах небольшой производительности с одиночным кристаллизатором. В этом случае, за счет значительного роста поверхности теплообмена, уменьшается термическое сопротивление системы "холодильный агент - блок льда - раствор". Но в аппаратах тоннажной производительности, когда необходимо использовать пучок кристаллизаторов, это преимущество теряется при росте блоков льда. В этом случае невымороженная фракция составляет 15-20% от общего количества продукции. Дальнейшее вымораживание приведет к резкому уменьшению поверхности и снижении скорости роста блока льда. При использование пластинчатых кристаллизаторов для блочного вымораживания поверхность раздела фаз не изменяется вплоть до срастания, что позволяет утверждать о эффективности использования пластинчатых кристаллизаторов в аппаратах большой производительности. Кроме того, оборудование для криоконцентрирования с пластинчатыми кристаллизаторами отличается компактностью, технологичностью, надежностью, низкой металлоемкостью по сравнению с оборудованием со стержневыми и игольчатыми кристаллизаторами.

В работе аналитическими методами проведено исследование процессов тепло- массообмену при вымораживании пищевых жидкостей. Анализ тепловых режимов связан с постановкой задачи подвижной границы затвердения (задача Стефана). Получены формулы для распределения поля температур и концентраций при блочном вымораживании на пластинчатых кристаллизаторах.

В работе показано, что с увеличением производительности аппаратов и размеров испарителя повышается его тепловая нагрузка и, соответственно, увеличивается расход хладагента по каналам, что в свою очередь, приведет к увеличению гидравлического сопротивления движению парожидкостной смеси хладагента. Это приводит к снижению мощности холодильной машины и увеличивает перепад температур на входе и выходе из испарителя. Для испытания оригинальной конструкции кристаллизатора создан стенд, который позволял изменять тепловую нагрузку и давление кипения холодильного агента. При проведении эксперимента измерялся перепад давления в начале и конце каждого канала. На основании проведенных экспериментальных исследований получено эмпирическое уравнение для определения коэффициента трения при движении парожидкостной смеси фреона в плоских щелевых каналах и коэффициент местных сопротивлений при повороте парожидкостной смеси фреона в плоских щелевых каналах на 180⁰.

Для исследования кинетики роста льдообразования и структуры блока льда создан экспериментальный стенд. Во время проведения эксперимента фиксировались: время, температура и концентрация и объем продукта, температура кипения холодильного агента высота и толщина блока льда. Экспериментально исследовано и проанализировано влияние режимных параметров на кинетику роста блока льда и его структуру. Показано, что основными параметрами влияющими на кинетику роста блока льда и его структуру являются температура кипения холодильного агента и начальная концентрация продукта. Затем, в порядке убывания, следуют высота кристаллизатора и начальная температура продукта.

Полученные экспериментальные результаты были представлены в обобщающем виде в форме критериального уравнения зависимости числа конвективного массопереноса Sh от отношения теплового потока под действием архимедовой силы Ra диффузионно - вязкостного числа Sc, теплофизических параметров - числа Pr.

Для определения структурных характеристик блока льда получено эмпирическое уравнение зависимости пористости блока льда от начальной концентрации продукта и температуры кипения холодильного агента.

Исследовалось влияние различных способов воздействия на пограничный слой при блочном вымораживании на кинетику роста и структуру блока льда. Опыты показали, что наибольший эффект достигнут при механическом перемешивании. В результате чего скорость роста блока льда увеличивалась на 20-35 %, а пористость блока льда снижалась в 1.5-2 раза, что позволило сократить расход энергии на 20-35%.

Разработана методика расчета аппаратов для низкотемпературного концентрирования пищевых жидкостей методом блочного вымораживания на пластинчатых кристаллизаторах. Проведен компьютерный эксперимент, в результате которого установлено, что эффективное использование электрической энергии достигается при стабилизации температуры кипения холодильного агента на 5-7⁰С ниже криоскопической температуры продукта.

На основе полученных теоретических и экспериментальных данных разработан и сконструирован трехступенчатый аппарат для низкотемпературного концентрирования пищевых жидкостей блочного вымораживания на пластинчатых кристаллизаторах производительностью 32 кг/час вымороженной воды, который прошел апробацию в производственных условиях. Опытный образец концентратора на пластинчатых кристаллизаторах позволяет получить удельные энергозатраты на уровне 0,04-0,1 кВт ^. час электроэнергии на 1 кг вымороженной воды, что на 15-20% меньше существующих образцов, а в при использовании теплоты плавления льда на уровне 0,025-0,07 кВт ^. час электроэнергии на 1 кг вымороженной воды. В работе приводится сравнительный расчет экономической эффективности выпаривания и низкотемпературного концентрирования. Экономический эффект от использования блочного вымораживания составляет 120 грн. на каждые 1000 кг выделенной воды.

Ключевые слова: концентрирование, вымораживание, пищевая жидкость, кристаллизатор, пластинчатый, гидродинамика, пористость.

ANNOTATION

Mordynskiy V.P. "Equipment for Concentration of Liquid Food Products by the Method of Sectional Freezing". Manuscript.

Dissertation for scientific degree of candidate of engineering sciences in specialitiy 05.18.12 processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical productions, Odessa National Academy of Food Technologies, Department of Education, Youth and Sports of Ukraine , Odessa 2011.

Dissertation is sanctified to dedicateв еру research of equipment for the concentra-tion of food liquids. It is shown that the method of sectional freezing with lamellar crystal-lizers is the most effective for apparatuses vehicles of the large productivity. The research resulted in formulas for distribution of the field of temperatures and concentrations needed for sectional freezing on lamellar crystallizers . The obtained experimental results were presented in a summarizing kind in the form of criterion equation of dependence of the number of convective Sh mass shift from the relation of thermal stream under the action of Archimedes force of Ra diffusive - viscosity number of Sc, thermophysical parameters - number of Pr. Methodology of calculation of apparatuses for low temperature concentration of food liquids by the method of sectional freezing on lamellar crystallizers. Was developed on the basis of the obtained theoretical and experi-mental data a three-levelled apparatus for the low temperature concentration of food li-quids of the sectional freezing on lamellar crystallizers with the productivity of 32 kg/hours of frozen out water. Was developed and constructed a comparative calculation economic efficiency of evaporation and low temperature concentration is represented sn the thesis. According to the results of calculations an economic effect from the use of sectional freezing makes up 120 hrn. on each 1000 kg of distinguished water.

Keywords: concentration, freezing, food liquid, crystallizer, lamellar, hydrodynamics, porosity.

Размещено на Allbest.ru