Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

Підвищення ефективності гідромеханічних і теплових процесів при приготуванні сусла в умовах міні-пивзаводів

05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Чепелюк Олександр Миколайович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Таран Віталій Михайлович, Національний

університет харчових технологій МОН України,

завідувач кафедри машин і апаратів

харчових виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сукманов Валерій Олександрович, Донецький

національний університет економіки і торгівлі

ім. М. Туган-Барановського МОН України,

завідувач кафедри загальноінженерних дисциплін,

директор інституту харчових виробництв

кандидат технічних наук, доцент

Олішевський Валентин Вікторович, Національний

університет харчових технологій МОН України,

доцент кафедри технологічного обладнання

харчових виробництв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виробництво пива на міні-пивзаводах має досить суттєві відмінності від великопромислового виробництва. Це пов'язано з необхідністю максимально корисно використовувати обмежені наявні площі приміщень, отримуючи невелику собівартість продукції не стільки за рахунок обсягів виробництва, скільки завдяки раціональному використанню ресурсів і спрощенню машинно-апаратурної схеми.

Одним з перспективних напрямків, які дозволяють інтенсифікувати процес виробництва пива і скоротити кількість обладнання, що використовується, є розробка комбінованого обладнання, здатного виконувати кілька технологічних операцій. Також для міні-підприємств можливе спрощення технології приготування пива завдяки використанню концентратів пивного сусла і ячмінно-солодових екстрактів (ЯСЕ). Використання нового обладнання, зміна технології, порівняно з традиційними схемами, призводять до того, що стає неможливим застосовувати існуючі рішення, технологічні режими обробки. Тому гідромеханічні і теплові процеси, що протікають при виробництві сусла і пива в умовах міні-пивзаводів, потребують ґрунтовного дослідження і аналізу. З урахуванням їх результатів удосконалюється апаратурне оформлення міні-пивзаводів і надаються рекомендації щодо раціональних режимів роботи обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до пріоритетного напрямку наукових робіт Національного університету харчових технологій (НУХТ), зокрема на 2006 - 2010 рр. «Розроблення наукових основ тепломасообмінних та інших процесів харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв з метою створення нових високоефективних технологій та обладнання, засобів механізації та автоматизації для харчових і переробних галузей АПК» (схвалено вченою радою НУХТ, протокол №7 від 25.03.2006 р.), а також планів науково-дослідної роботи кафедри «Машини і апарати харчових виробництв» НУХТ - “Інтенсифікація тепломасообмінних та інших процесів з метою створення високоефективного обладнання харчових виробництв”.

Виконана робота відповідає Закону України № 2623 - 3 від 11 липня 2001р. «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки».

Автором особисто проаналізовано літературні джерела, сформульовано задачі досліджень, проведено дослідження теплових і гідромеханічних процесів, які відбуваються при приготуванні сусла, оброблено та проаналізовано отримані результати, створено математичну модель процесу відділення осаду в комбінованому сусловарильному апараті.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності гідромеханічних і теплових процесів при приготуванні сусла в умовах міні-пивзаводів і удосконалення установки для виробництва пива з ЯСЕ.

Відповідно до поставленої мети сформульовані основні задачі досліджень:

- розробити комбіноване обладнання для приготування сусла, здатне спростити існуючу машинно-апаратурну схему;

- визначити фізичні і теплофізичні характеристики сусла з ЯСЕ в залежності від температури і масової частки сухих речовин та отримати емпіричні залежності;

- провести дослідження процесу теплообміну при нагріванні сусла в комбінованому сусловарильному апараті і побудувати відповідну модель у вигляді критеріального рівняння;

- за допомогою фізичного моделювання проаналізувати процес відділення хмелевої дробини і білкового осаду в комбінованому сусловарильному апараті;

- запропонувати математичну модель процесу осадження твердих частинок в комбінованому сусловарильному апараті і перевірити її адекватність;

- на основі отриманих результатів рекомендувати раціональні конструктивні параметри апарата та режими його роботи;

- розробити та провести у виробничих умовах апробацію установки для приготування пива, до складу якої входить комбінований сусловарильний апарат;

- розрахувати показники економічної ефективності впровадження установки для приготування пива з ЯСЕ.

Об'єктом досліджень є процеси, що протікають при приготуванні пивного сусла, обладнання для їх реалізації.

Предметом досліджень є режими проведення процесів теплової обробки і відділення осаду в комбінованому сусловарильному апараті, а також конструктивні параметри апарата.

Дослідження виконані методами математичного і фізичного моделювання. Математична модель базується на рівняннях руху Нав'є - Стокса, доповнених умовами однозначності, теорії пограничного шару і теорії руху річкових наносів. Фізичні характеристики сусла визначені наступним чином: густина - за допомогою пікнометра, динамічна в'язкість - методом капілярної віскозиметрії; теплофізичні - комплексним теплометричним методом. Для обробки дослідних даних використано пакети прикладних програм Exel і Math CAD.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- експериментально досліджено фізичні і теплофізичні характеристики сусла, приготовленого на основі ЯСЕ, і встановлено їх залежності від температури і масової частки сухих речовин;

- одержано критеріальне рівняння, яке описує процес теплообміну при нагріванні сусла в комбінованому сусловарильному апараті;

- проаналізовано вплив конструктивних параметрів апарата і режимів його роботи на процес відділення осаду;

- вперше з урахуванням положень теорії пограничного шару і руху річкових наносів створена адекватна математична модель процесу осадження твердих частинок в комбінованому сусловарильному апараті;

- теоретично отримано залежність радіуса осідання частинок з певними параметрами від частоти обертання мішалки, і доведено її адекватність.

Практичне значення одержаних результатів.

В дисертаційній роботі використано науково обґрунтований підхід до конструювання обладнання і визначення впливу його основних режимних параметрів на процес приготування пива на міні-пивзаводах. Розроблена конструкція комбінованого сусловарильного апарата з рамною мішалкою, в якому поєднуються процеси нагрівання, кип'ятіння сусла з хмелем та відділення хмелевої дробини і зкоагульованих білків. Запропоновано критерії оцінки ефективності процесу відділення осаду і з їх урахуванням визначено раціональні режими роботи апарата.

З використанням створеного апарата розроблена і апробована нова машинно-апаратурна схема для приготування пива з ЯСЕ в умовах міні-пивзаводу. При цьому скорочуються виробничі площі, витрати на утримання і експлуатацію обладнання, тривалість процесу і, як наслідок, зменшується собівартість продукції. Результати роботи використані в конструкторських розробках ПП «КИЙ-ПИВО» і на міні-пивзаводі ТОВ «Край». Новизна розроблених апарата, машинно-апаратурної схеми і способу приготування пива підтверджена деклараційними патентами України.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному: обґрунтовано і розроблено комбінований сусловарильний апарат для приготування сусла з ЯСЕ; проведено експериментальні дослідження фізичних і теплофізичних характеристик пивного сусла, приготовленого на основі ЯСЕ, узагальнено їх результати і отримано відповідні математичні залежності; описано процес теплообміну і досліджено процес відділення осаду в комбінованому сусловарильному апараті; створена математична модель процесу осадження твердих частинок в комбінованому сусловарильному апараті; за результатами теоретичних і експериментальних досліджень підготовлено статті до публікації.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювалися на: 67, 69, 74 наукових конференціях студентів, аспірантів і молодих вчених НУХТ, Київ, 2001, 2003, 2008 рр.; VII та ІХ Міжнародних науково-технічних конференціях, Київ, НУХТ, 2001, 2005 рр.; Міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Сучасні методи створення нових технологій та обладнання в харчовій промисловості”, Київ, НУХТ, 2002 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення України”, Київ, НУХТ, 2004 р.; Всеукраїнській науково-практичній конференції “Сучасні наукові досягнення - 2008”, Миколаїв, Національний університет кораблебудування, 2008 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 5 статей у фахових виданнях, 7 тез наукових конференцій. Отримано 3 деклараційні патенти на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел, 12 додатків. Загальний обсяг роботи викладено на 130 сторінках, включаючи 45 рисунків і 5 таблиць. Список використаних джерел з 134 найменувань на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянута роль пива в харчовому раціоні людини, проаналізовано основні тенденції розвитку пивоварної галузі. Обґрунтовано актуальність представленої роботи, сформульовано її мету, наукову новизну і практичну цінність.

У першому розділі проаналізовано основні тенденції розвитку техніки і технології для міні-пивзаводів. Зазначено, що на ринку пиво-безалкогольної продукції спостерігається тенденція до розширення асортименту і обсягів виробництва пива міні-пивзаводами, що обумовлено можливістю їх встановлення у місцях відпочинку людей і виготовлення оригінальних, елітних сортів пива та пива профілактичного й оздоровчого призначення.

Останнім часом в різних галузях харчової промисловості широко застосовують ЯСЕ. Зокрема, вони є основною сировиною для виробництва пива на міні-пивзаводах. Їх використання дозволяє скоротити капітальні витрати, тривалість процесу приготування сусла, розширити асортимент, покращити якість готової продукції. Завдяки сучасним методам концентрування в екстрактах зберігаються всі смакові й ароматичні якості вихідної сировини.

В розділі проаналізовано конструкції міні-пивзаводів, що випускають фірми «Пако», «Москон», «Дестіла», «PSS», «КИЙ-ПИВО» та інші.

При проектуванні обладнання для пивоварних підприємств невеликої продуктивності спостерігається тенденція до створення комбінованого обладнання. Такий шлях дозволяє скоротити необхідну кількість одиниць обладнання та відповідно зменшити капітальні та експлуатаційні витрати, потребу у виробничих площах. На міні-пивзаводах використовується комбіноване обладнання, яке поєднує функції заторного, сусловарильного і фільтраційного апаратів. сусло екстракт ячмінний осадження

Для отримання високоякісного сусла важливе значення має відділення хмелевої дробини, видалення з нього крупних і дрібних зважених частинок. Проаналізувавши роботу традиційного обладнання, зроблено висновок, що його використання на міні-пивзаводах пов'язано з суттєвим ускладненням апаратурного оформлення, значними матеріальними витратами, тому для підприємств малої потужності є недоцільним.

У другому розділі наведено опис дослідної установки для приготування пива, в якій технологією передбачено використання ЯСЕ. В апаратурній схемі відсутні солододробарка, заторний і фільтраційний апарати. Для інтенсифікації процесу, спрощення машинно-апаратурної схеми приготування пива, порівняно з установкою ПП «КИЙ-ПИВО», запропоновано вилучити зі схеми хмелевіддільник, а процеси кип'ятіння сусла з хмелем і відділення осаду проводити безпосередньо в комбінованому сусловарильному апараті з рамним перемішуючим пристроєм. Це досягається шляхом плавного сповільнення частоти обертання перемішуючого пристрою і зміною конфігурації днища апарата. При цьому частинки хмелю і гарячого білкового осаду осідають на дно апарата і спрямовуються до його центру, де відбувається їх концентрування.

Всередині апарата встановлена чотирьохлопатева рамна мішалка 9, яка приводиться в рух від трьохфазного асинхронного електродвигуна АИР71В4 2 через редуктор 3. Кріплення рамної мішалки розміщено у верхній частині апарата. Конструкція кріплення забезпечує можливість регулювання положення мішалки по висоті апарата для дослідження його впливу на ефективність процесу.

Нагрівання сусла здійснюється з допомогою ТЕНів 5. Відведення готового сусла з апарату відбувається через патрубок 14, а хмелевого залишку і білкового осаду - через патрубок 4.

Для визначення температури сусла використовувався мідний термометр опору ТСМ-50 з цифровим вторинним приладом. Температура поверхні нагрівальних елементів визначалася з допомогою термопари. Частота обертання перемішуючого пристрою при нагріванні сусла змінювалася від 15 до 90 об/хв, при відділенні осаду - від 40 до 0 об/хв.

Фізичні і теплофізичні характеристики визначалися для пивного сусла з масовою часткою сухих речовин 5,0…18,8 % і при температурі t=20…90 С. Для визначення густини застосовано поширений метод вимірювання густини рідин - за допомогою пікнометра. Масова частка сухої речовини визначалася ареометрами. Визначення динамічної в'язкості пивного сусла, приготовленого на основі ЯСЕ, проводили за допомогою капілярного віскозиметра ВПЖ-1.

Теплофізичні характеристики досліджували комплексним теплометричним методом, який базується на розв'язанні диференційного рівняння теплопровідності для температури t та густини теплового потоку q на поверхнях плоского зразка в умовах регулярного режиму другого роду.

Дослідження гідромеханічних процесів проводилося з метою визначення найбільш сприятливих режимів, здатних забезпечити ефективне відділення осаду. Ефективність освітлення сусла аналізували в залежності від конструктивних параметрів апарата. При цьому використовувалися змінні вставки з конусною частиною, а також змінювалося положення мішалки по висоті апарата з метою визначення необхідного зазору між днищем і мішалкою, який би забезпечував якісне відділення осаду.

Кількість частинок в зваженому стані визначалася шляхом вимірювання величини світлового потоку, який проходить через шар сусла. Якісні показники сусла і пива визначалися за стандартними методиками.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень фізичних і теплофізичних характеристик пивного неохмеленого сусла, визначених в залежності від температури t, ^оС і масової частки сухих речовин С_ср, %.

Дослідження показали, що збільшення температури сусла призводить до зменшення його густини, що пов'язано з лінійним розширенням рідини. Густина пивного сусла зі збільшенням масової частки сухих речовин зростає, що відповідає відомій закономірності для бінарних неоднорідних систем. Більш значний вплив на густину сусла із двох досліджених факторів має масова частка сухих речовин. Математична залежність має вигляд:

. (1)

Коефіцієнт динамічної в'язкості зі збільшенням масової частки сухих речовин зростає (рис. 2) внаслідок збільшення твердими частинками опору зусиллям, які викликають відносне переміщення частинок в суслі. Підвищення температури призводить до зниження цього опору внаслідок інтенсифікації броунівського руху. При апроксимації була отримана математична залежність:

. (2)

Підвищення температури сусла призводить до збільшення його коефіцієнта теплопровідності . В дослідженому інтервалі температур це зростання становить близько 15 % при всіх значеннях масової частки сухих речовин. Зростання коефіцієнта теплопровідності пов'язано з інтенсифікацією молекулярного перенесення теплоти в суслі. Зворотна ситуація спостерігається при дослідженні впливу на коефіцієнт теплопровідності масової частки сухих речовин в суслі: з її збільшенням від 5 до 18,8 % коефіцієнт теплопровідності зменшується на 15-18%. Це пояснюється зміною співвідношення між компонентами сусла з меншою і більшою теплопровідністю.

Шляхом апроксимації експериментальних даних отримано залежності коефіцієнта теплопровідності і питомої теплоємності . Використовуючи попередньо отримані експериментальні дані, розраховано коефіцієнт температуропровідності , який характеризує теплоінерційні властивості сусла:.

Отримані результати дещо відрізняються від відомих характеристик сусла, приготовленого на основі солоду, що може бути обумовлено особливостями сусла з ЯСЕ.

У четвертому розділі проаналізовано особливості теплообміну при приготуванні пивного сусла в комбінованому сусловарильному апараті. Процеси теплової обробки включають нагрівання сусла і його кип'ятіння з хмелем.

Необхідність їх дослідження викликана потребою оцінити ефективність роботи апарата, виробити рекомендації щодо режимів його роботи, при яких забезпечується виготовлення якісної продукції. Факторами, які суттєво впливають на теплообмін в апараті, є частота обертання мішалки, температура і масова частка сухих речовин в суслі.

В сусловарильному апараті густина теплового потоку значно менша за критичну, тому режим кипіння є бульбашковим, і не відбувається перегріву сусла в пограничному шарі біля поверхні ТЕНів.

На основі експериментальних даних і проведених розрахунків отримано залежність коефіцієнта тепловіддачі в сусловарильному апараті від частоти обертання перемішуючого пристрою n (рис. 3). Результати отримані для сусла з масовою часткою сухих речовин 12,5 %.

Як видно з графіка (рис. 3), збільшення частоти обертання мішалки викликає збільшення коефіцієнта тепловіддачі. Це пов'язано з тим, що швидше оновлюється поверхня контакту сусла з нагрівальними елементами, відповідно, швидше і теплота відводиться в основний об'єм рідини.

За результатами експериментальних досліджень отримано критеріальне рівняння, яке описує процес тепловіддачі в апараті при нагріванні сусла:

, (3)

де Nu - критерій Нусельта; Re - критерій Рейнольдса; Pr - критерій Прандтля; - коефіцієнт динамічної в'язкості сусла в середині об'єму, ; - коефіцієнт динамічної в'язкості сусла при температурі стінки, .

Отримане рівняння апроксимує дослідні дані з точністю 0,7 %.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень гідромеханічного процесу відділення хмелевої дробини і освітлення пивного сусла в комбінованому сусловарильному апараті. Осідання частинок значно залежить від їх параметрів, властивостей дисперсійного середовища, а також умов проведення процесу. При дослідженні потрібно враховувати й конструктивні особливості обладнання.

Після закінчення кип'ятіння сусла для його освітлення і відділення хмелевої дробини частота обертання перемішуючого пристрою протягом 30 хв плавно зменшувалася від 40 об/хв до його повної зупинки (рис. 4). Перемішуючий пристрій сповільнювався з різною інтенсивністю зміни частоти обертання на початкових етапах, яка характеризувалася максимальним кутовим прискоренням _max.

Доцільність швидкої зміни частоти обертання на початкових етапах другого і третього варіантів обумовлена тим, що при її зменшенні до 23 об/хв осідання частинок практично не спостерігається, і тому цей етап варто проводити досить швидко. Суттєве відділення спостерігається при частоті обертання менше 10 об/хв, а при нижче 2-3 об/хв відбувається незначне переміщення частинок по дну, яке стає майже непомітним при n<1 об/хв. Але при такій швидкості зупиняти мішалку недоцільно, оскільки руйнується шар осаду. При n<0,5 об/хв така зупинка не дає відчутних негативних наслідків.

Критерієм вибору одного з режимів є мінімальний вміст зважених частинок в суслі (рис. 5). Як видно з графіків, дуже інтенсивна зміна частоти обертання (див. рис. 4, крива 3) на початковому етапі не дає бажаних результатів (рис. 5, крива 3), оскільки темпи сповільнення мішалки значно перевищують сповільнення потоків рідини в апараті, а це призводить до додаткової надмірної турбулізації і перешкоджає осіданню частинок. Кількість зважених частинок перевищує їх кількість при другому варіанті. При першому варіанті осідання частинок розпочинається лише на 10 хв від початку процесу, проходить дуже повільно і в підсумку зважених частинок в суслі залишається більше, ніж в інших випадках. Найвищий ступінь освітлення сусло матиме при зміні частоти обертання мішалки, математично описаній залежністю (4), точність якої 3,6 %:

, (4)

де n - частота обертання мішалки, об/хв; - час, хв.

Необхідна тривалість процесу відділення становить 16-18 хв.

При використанні плоского днища основна маса осаду збирається в радіусі 92 - 108 мм, що становить приблизно 40 % радіуса апарата. Встановлення днища з нахилом конусної частини 18 забезпечує концентрування осаду в центральній зоні, що становить третину радіуса апарата. Збільшення кута нахилу конусної частини днища несуттєво ущільнює осад, однак створює в центральній частині апарата застійну зону. Для утворення щільного шару осаду відстань між мішалкою і днищем апарата повинна становити 30 мм. Зменшення її негативно впливає на концентрування осаду, руйнуючи його шар. Підняття мішалки вище цього значення також призводить до поступового збільшення радіуса шару осаду. Центральна частина мішалки не повинна мати лопаті, тому доцільно використовувати рамну мішалку з циліндричними обичайками і верхнім кріпленням.

У шостому розділі проведено моделювання процесу осадження зважених частинок в комбінованому сусловарильному апараті. Моделі осідання частинок, які традиційно використовуються на цей час, описують процес в нерухомій рідині, і не можуть бути використані для опису процесу освітлення в апараті з перемішуючим пристроєм.

Для вивчення осідання твердих частинок хмелю і зкоагульованих білків на дно апарата були використані закони гідродинаміки, теорія пограничного шару та напівемпірична теорія руху річкових наносів. В подальших розрахунках прийнято такі конструктивні параметри і режими роботи установки: радіус апарата R=0,24 м, частота обертання мішалки n=40-0 об/хв.

Оскільки рух частинок до центру апарата відбувається у дуже тонкому шарі, цей процес залежить від розподілу поля швидкості поблизу днища апарата.

Для дослідження області накопичення осаду були використані результати відомої задачі, розв'язаної У.Т. Бьодевадтом, про обертання рідини над нерухомою основою (дном).

В апараті сусло обертається з кутовою швидкістю . Оскільки зміна кутової швидкості в апараті є повільною, можна наближено вважати, що протягом певного часу . Граничні умови для складових швидкості є:

при z=0;

при z=. (5)

Введемо замість координати z безрозмірну величину:

, (6)

а для складових швидкості візьмемо наступні вирази:

. (7)

За умов (5) - (7) та відомих припущень щодо розподілу тиску, У.Т. Бьодевадтом за допомогою рядів були знайдені функції , графіки яких наведено в роботах по теорії пограничного шару.

Приймемо за товщину граничного шару ту висоту, на якій спостерігається рух сусла до центру апарату. За даними Дж. Е. Нідала, це явище спостерігається до значення . Тоді для обертового руху рідини над нерухомою основою аналогічно .

Осадження відбувається при сповільненому обертальному русі сусла в апараті. У області, де відбувається осідання частинок, величини вертикальної складової швидкості значно менші за величини обертальної та радіальної складових швидкості у придонному шарі. Це обумовлює характер процесу осідання: він нагадує, певною мірою, процес осідання річкових наносів.

При моделюванні розглядалось осідання твердих частинок (або ж неможливість їх руху вгору разом з рідиною) і попадання їх в область, де величини горизонтальної складової швидкості не перевищують певну межу - швидкість відкладання _від.

Граничній рівновазі або початковому моменту руху частинки відповідає рівність двох сил - активної сили лобової дії на частинку і сили тертя. На основі цього виведено формулу для обчислення швидкості течії, при якій частинка на дні починає рух (гальмування у оберненому процесі), яку в річній гідравліці прийнято називати початковою швидкістю :

, (8)

де - коефіцієнт захоплення; , - питома вага частинки та сусла; g - прискорення вільного падіння; - ширина частинки.

. (9)

Потрапляючи в зону апарата, де <_від, частинка, дотикаючись до дна, осідає на ньому.

Визначимо радіус області утворення осаду. Швидкість відкладання визначається за формулою (9). З іншої сторони, абсолютне значення вектора швидкості є:

.

Позначивши радіус, який характеризує зону осадження для частинок певного розміру в залежності від частоти обертання мішалки, r^*, маємо:

, (10)

де Для .

Згідно з розрахунковими даними, осідання частинок починається при частоті обертання мішалки меншій за 35 об/хв в радіусі 35 - 80 мм, тоді як за експериментальними даними - при частоті обертання меншій за 23 об/хв. Це можна пояснити додатковою турбулізацією сусла мішалкою, що не дозволяє частинкам осідати на дно апарата. Проте дані, отримані на основі математичної моделі для частоти обертання 15 об/хв і менше, цілком підтверджуються експериментальними. Так, при n=10 об/хв на дно починають осідати частинки всіх розмірів. По всій поверхні днища апарата осідають найбільші частинки гранульованого хмелю (розміром 2,8 - 8,0 мм). Розрахунковий радіус їх осідання, обчислений за формулою (10), майже дорівнює радіусу апарата. Частинки розміром 2,0 - 2,8 мм осідають в зоні , а розміром 0,28 - 2,0 мм (вони становлять в суслі 63 % від загальної кількості частинок) - в радіусі . Менші частинки осідають в зоні, яка не перевищує 0,1 м. При частоті обертання 4 об/хв площа осідання всіх частинок дорівнює площі апарата, осідають дрібні частинки розмірами до 0,28 мм.

Розроблена модель є адекватною реальному процесу осадження, відхилення отриманих теоретично і експериментальних даних становить 7,15%.

Для з'ясування впливу частоти обертання мішалки на процеси, що відбуваються в апараті, проаналізовано її вплив на коефіцієнт тепловіддачі і мутність сусла. Процес тепловіддачі суттєво інтенсифікується при збільшенні частоти обертання мішалки до 58 - 60 об/хв. Надалі коефіцієнт тепловіддачі зростає повільно. Зворотна ситуація спостерігається для мутності: значення частоти обертання мішалки 10 - 60 об/хв незначно змінюють її величину, тоді як при n більше 60 об/хв спостерігається більш швидке зростання її значень. Таким чином, в комбінованому сусловарильному апараті доцільно проводити процес приготування сусла при частоті обертання мішалки до 60 об/хв.

У сьомому розділі подано пропозиції щодо промислового використання запропонованих конструкторських розробок і результатів наукових досліджень. На основі установки ПП «КИЙ-ПИВО» з використанням результатів проведених досліджень була удосконалена установка (рис.6) для приготування пива з ЯСЕ.

Установка складається з комбінованого сусловарильного апарата 2, апаратів бродіння 4 і доброджування 6, установки для одержання холодної води 5 і насоса 3, щита управління 1. З метою охолодження сусла в процесі бродіння і пива в процесі доброджування апарати бродіння 4 і доброджування 6 обладнані охолоджуючими сорочками спірального типу. Апарат доброджування оснащений спеціальним клапаном, що дозволяє встановлювати розливну колонку і здійснювати розлив пива з даного апарату. Необхідний тиск в апараті створюється шляхом підключення його через вентиль до балона з СО₂.

Установка працює наступним чином. ЯСЕ через завантажувальне вікно подається в комбінований сусловарильний апарат 2, заповнений в необхідній пропорції водою, і здійснюється нагрівання при ввімкненій мішалці. До отриманого сусла додають хміль і кип'ятять. Пара з апарату видаляється по паровідвідній трубі. Після кип'ятіння сусла з хмелем відбувається відділення хмелевої дробини з допомогою перемішуючого пристрою шляхом поступового сповільнення частоти його обертання. При цьому хмелева дробина збирається в центрі днища апарата. Освітлене сусло відводиться через боковий патрубок, а через центральний видаляється осад. Сповільнення частоти обертання мішалки здійснюється частотним перетворювачем.

Сусло насосом 3 подається в апарат бродіння 4, де також відбувається його охолодження з допомогою спіральної охолоджуючої сорочки. Після закінчення процесу бродіння молоде пиво за рахунок надлишкового тиску в апараті 4 по трубопроводу подається в апарат доброджування 6, де з допомогою спіральної сорочки воно охолоджується до температури 4 С і дозріває протягом 21 доби. Дріжджі, які осіли, з апаратів бродіння 4 і доброджування 6 відводяться через вентилі в днищі, а готове пиво за рахунок надлишкового тиску СО₂ по трубі через клапан і колонку подається на розлив.

Установка даного типу має спрощену апаратурну схему, менші габаритні розміри, характеризується зменшеними витратами енергії порівняно з аналогічними установками, призначеними для приготування пива. В установці створено сприятливі умови для якісного освітлення сусла.

У співавторстві з науковцями кафедр БПБЕН і МАХВ Національного університету харчових технологій отримано патент на спосіб приготування пива оздоровчо-профілактичного призначення з вмістом рослинних екстрактів.

ВИСНОВКИ

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дали можливість науково обґрунтувати і сформулювати основні пропозиції по підвищенню ефективності виробництва пива в умовах міні-пивзаводів. Розроблено нове комбіноване обладнання для приготування сусла і визначено його конструктивні і режимні параметри.

Аналіз отриманих в роботі результатів дозволив зробити такі висновки:

1. На основі аналітичного огляду літературних джерел обґрунтовано доцільність вдосконалення обладнання шляхом поєднання функцій кількох апаратів в одному. Цей шлях є найбільш перспективним для підприємств малої потужності.

2. Визначено фізичні і теплофізичні характеристики пивного сусла, приготовленого на основі ЯСЕ, в залежності від температури і масової частки сухих речовин, які використані для опису процесів теплообміну і осадження твердих частинок в комбінованому сусловарильному апараті. Отримано відповідні математичні залежності характеристик.

3. Експериментально встановлено, що на теплообмін в комбінованому сусловарильному апараті впливають температура сусла, масова частка сухих речовин та частота обертання перемішуючого пристрою.

Отримано критеріальне рівняння, яке описує процес теплообміну в комбінованому сусловарильному апараті в період нагрівання сусла.

4. На основі експериментальних досліджень показано, що осадження зважених частинок в комбінованому сусловарильному апараті спостерігається при зниженні частоти обертання мішалки нижче 18 - 23 об/хв, а суттєве їх відділення - при сповільненні обертання до 10 об/хв і нижче. Визначено рекомендовану граничну величину прискорення мішалки.

5. Експериментально досліджено вплив конструктивних особливостей апарата на відділення осаду. Для якісного проведення цього процесу рекомендовано використовувати днище з кутом нахилу конусної частини 18 і розміщувати мішалку на відстані 30 мм від днища.

6. Аналітично отримано залежність для визначення радіуса осідання частинок, в якій враховано їх характеристики і режим роботи перемішуючого пристрою.

7. Визначено раціональну частоту обертання використаного перемішуючого пристрою, яка становить 58 - 60 об/хв. Перевищення цих значень не є доцільним, оскільки при несуттєвому збільшенні коефіцієнта тепловіддачі призводить до надлишкової турбулізації сусла і збільшення його мутності.

8. Встановлено, що з економічної і технологічної точки зору використання в установці для приготування пива на міні-пивзаводах комбінованого сусловарильного апарата з рамним перемішуючим пристроєм дозволяє отримувати якісне сусло при скороченні тривалості процесу.

9. Установка для виробництва пива в умовах міні-пивзаводів, в якій використано комбінований сусловарильний апарат, має спрощену апаратурну схему, менші габаритні розміри порівняно з аналогами. Доцільність її впровадження підтверджена економічними розрахунками: річний прибуток підприємства становитиме 36,06 тис. грн., термін окупності установки 3,91 роки. Отримано позитивні відгуки від ПП «КИЙ-ПИВО» і ТОВ «Край» про використання результатів дисертаційної роботи.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

Чепелюк О.М. Міні-пивоварні / О.М. Чепелюк, В.М. Таран, С.О. Удодов // Харчова і переробна промисловість. - 2001. - №11. - С.29.

Особистий внесок: літературний огляд, підготовка матеріалів до публікації.

Чепелюк О. Прояснення пивного сусла в комбінованому сусловарильному апараті / О. Чепелюк, В. Таран, С. Удодов // Харчова і переробна промисловість. - 2008. - №6. - С. 23-25.

Особистий внесок: літературний огляд, постановка задачі, розробка методики проведення досліджень, проведення експериментів, аналіз і узагальнення отриманих даних, підготовка матеріалів до публікації.

Чепелюк О. Моделювання процесу осаджування в комбінованому сусловарильному апараті / О. Чепелюк // Харчова і переробна промисловість. - 2008. - №11. - С. 26-28.

Чепелюк О. Комбінований сусловарильний апарат / О. Чепелюк, С. Удодов, В. Таран // Харчова і переробна промисловість. - 2009. - №2 - 3. - С. 27-29.

Особистий внесок: удосконалення конструкції сусловарильного апарата, підготовка матеріалів до публікації.

Чепелюк О. Відділення осаду в комбінованому сусловарильному апараті / О. Чепелюк, С. Удодов, В. Таран // Наукові праці НУХТ. - 2009. - №28. - С. 59-60.

Особистий внесок: постановка задачі, проведення експериментів, аналіз і узагальнення отриманих даних, підготовка матеріалів до публікації.

Пат. 50341 Україна, МПК⁷ С12С13/08. Міні-пивоварня для приготування пива / Удодов С.О., Таран В.М., Чепелюк О.М.; заявник і патентовласник Український державний університет харчових технологій. - №2001128966; заявл. 25.12.01; опублік. 15.10.02, Бюл. №10.

Особистий внесок: патентний пошук, підготовка матеріалів заявки.

Пат. 53305 Україна, МПК⁷ С12С7/00. Спосіб приготування пива / Домарецький В.А., Москальова Л.М., Таран В.М., Удодов С.О., Чепелюк О.М.; заявник і патентовласник Український державний університет харчових технологій. - №2002043368; заявл. 23.04.02; опублік. 15.01.03, Бюл. №1.

Особистий внесок: підготовка матеріалів заявки.

Пат. 70673 А Україна, МПК⁷ С12С13/00. Міні-пивоварня / Чепелюк О.М., Удодов С.О., Таран В.М.; заявник і патентовласник Національний університет харчових технологій. - №20031212088; заявл. 23.12.03; опублік. 15.10.04, Бюл. №10, 2004 р.

Особистий внесок: патентний пошук, розробка конструкції обладнання, підготовка матеріалів заявки.

Чепелюк О.М. Удосконалення системи обігріву сусловарильних апаратів міні-пивзаводів / О.М. Чепелюк, В.М. Таран, С.О. Удодов // 67-а наукова конференція студентів, аспірантів і молодих вчених: Тези доп. - К.: УДУХТ. - 2001. - С. 47.

Особистий внесок: літературний огляд, розробка конструкції обладнання, підготовка матеріалів до публікації.

Чепелюк О.М. Комбінований апарат для приготування пивного сусла / О.М. Чепелюк, С.О. Удодов, В.М. Таран // Міжнародна наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів: Тези доп. - К.: НУХТ. - 2002. - С.45.

Особистий внесок: літературний огляд, розробка конструкції обладнання, підготовка матеріалів до публікації.

Чепелюк О.М. Дослідження процесу відділення хмелевої дробини в сусловарильному апараті / О.М. Чепелюк, С.О. Удодов, В.М. Таран // 69-та наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів: Тези доп. - К.: НУХТ. - 2003. - С. 49.

Особистий внесок: літературний огляд, проведення експериментів, аналіз і узагальнення отриманих даних.

Дослідження фізичних і теплофізичних характеристик сусла пивного неохмеленого / О.М. Чепелюк, В.М. Таран, С.О. Удодов, Л.П. Ткач // Харчова промисловість. Додаток до журналу №3 (опубліковано за матеріалами Міжнародної науково-технічної конференції «Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення України»). - К.:НУХТ. - 2004. - С. 29 - 30.

Особистий внесок: літературний огляд, проведення експериментів, аналіз і узагальнення отриманих даних.

Чепелюк О.М. Освітлення пивного сусла в комбінованому сусло-варильному апараті / О.М. Чепелюк, С.О. Удодов, В.М. Таран // ІХ Міжнародна наукова конференція «Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи»: Матеріали конференції. - К.: НУХТ. - 2005. - С.28.

Особистий внесок: літературний огляд, постановка задачі, розробка методики проведення досліджень, проведення експериментів, аналіз і узагальнення отриманих даних, підготовка матеріалів до публікації.

Чепелюк О.М. Математична модель осідання твердих часток в комбінованому сусловарильному апараті / О.М. Чепелюк, С.О. Удодов, В.М. Таран // Програма і матеріали 74-ї наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті”. - К.: НУХТ, 2008.- С. 236.

Особистий внесок: створення математичної моделі, підготовка матеріалів до публікації.

Чепелюк О.М. Математична модель процесу відділення осаду в комбінованому сусловарильному апараті / О.М. Чепелюк, С.О. Удодов, В.М. Таран // Збірник матеріалів всеукраїнської науково-практичної конференції «Сучасні наукові досягнення - 2008». В 3-х т. - Т.ІІІ. - Миколаїв: Національний університет кораблебудування. - 2008. - С.182 - 184.

Особистий внесок: літературний огляд, постановка задачі, створення математичної моделі, підготовка матеріалів до публікації.

АНОТАЦІЯ

Чепелюк О.М. Підвищення ефективності гідромеханічних і теплових процесів при приготуванні сусла в умовах міні-пивзаводів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. - Національний університет харчових технологій, Київ, 2009.

Дисертаційна робота присвячена удосконаленню апаратурного оформлення міні-пивзаводів, завдяки чому можливо підвищити ефективність роботи підприємств невеликої потужності. Розроблено комбінований сусловарильний апарат, призначений для кип'ятіння сусла з хмелем і освітлення сусла, досліджено процеси, що відбуваються в ньому. В якості основної сировини для виробництва пива використовується ячмінно-солодовий екстракт (ЯСЕ).

В роботі експериментально визначено фізичні і теплофізичні характеристики сусла, приготовленого на основі ЯСЕ, які використані при отриманні критеріального рівняння процесу теплообміну в сусловарильному апараті.

Експериментально досліджено процеси тепловіддачі та відділення хмелевої дробини і гарячого білкового осаду. Проаналізовано вплив конфігурації днища, частоти обертання і розміщення перемішуючого пристрою по висоті апарата на якість відділення осаду. Створена адекватна математична модель процесу відділення осаду. Визначено раціональні конструктивні і режимні параметри роботи комбінованого сусловарильного апарата.

Ключові слова: міні-пивзавод, ячмінно-солодовий екстракт, комбінований сусловарильний апарат, теплообмін, осад, освітлення сусла, перемішуючий пристрій.

Чепелюк А.Н. Повышение эффективности гидромеханических и тепловых процессов при приготовлении сусла в условиях мини-пивзаводов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. - Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2009.

Диссертация посвящена усовершенствованию аппаратурного оформления мини-пивзаводов с целью повышения эффективности работы предприятий небольшой мощности. Особенностью рассматриваемой технологии производства пива является использование ячменно-солодовых экстрактов (ЯСЭ).

В работе проанализированы современные машинно-аппаратурные схемы производства пива в условиях мини-пивзаводов и установлено, что довольно часто используются комбинированные аппараты. В работе предложено на мини-пивзаводах использовать комбинированный сусловарочный аппарат, который выполняет функции кипячения сусла с хмелем и отделения осадка. Применение аппарата позволяет получить качественное сусло при уменьшении материальных расходов и сокращении длительности процесса.

Определена зависимость физических и теплофизических характеристик пивного сусла из ЯСЭ от температуры и массовой доли сухих веществ. С помощью математической обработки экспериментальных данных получены соответствующие эмпирические уравнения. Результаты использованы при исследовании процесса теплообмена.

Установлено, что на теплоотдачу в комбинированном сусловарочном аппарате главным образом влияет гидродинамический режим в нем, а также изменение характеристик сусла в зависимости от массовой доли сухих веществ и температуры.

Получено критериальное уравнение, описывающее процесс теплообмена в аппарате в период нагрева сусла, которое может быть использовано для расчета более мощных аппаратов аналогичного типа.

Проанализированы факторы, которые влияют на качество отделения хмелевой дробины, а также горячего белкового осадка в аппарате. Рекомендован режим замедления частоты вращения перемешивающего устройства, который обеспечивает лучшее формирование слоя осадка. Также исследовано влияние формы днища аппарата на этот процесс.

Оптимальная продолжительность процесса отделения дробины и осадка - 16-18 минут. Дальнейшее ее увеличение не способствует значительному увеличению количества отделенного осадка.

Отделение хмелевой дробины и белкового осадка при высоких температурах - сразу же после кипячения сусла с хмелем - интенсифицирует процесс оседания частиц. Также положительно это влияет и на микробиологические показатели, обеспечивая отсутствие вредной микрофлоры в сусле.

Создана математическая модель процесса осаждения твердых частиц в комбинированном аппарате, в которой использованы законы гидродинамики, теория движения речных наносов и теория пограничного слоя. Получена зависимость для расчета радиуса осаждения частиц. Проверка адекватности модели показала, что отклонение полученных теоретически и экспериментально данных составляет 7,15 %.

Определены рациональные конструктивные параметры аппарата: угол наклона конусной части днища должен составлять 18; расстояние межу мешалкой и днищем - 30 мм, причем центральная часть перемешивающего устройства не должна иметь лопастей.

При работе аппарата целесообразно поддерживать частоту вращения перемешивающего устройства 58 - 60 об/мин. Дальнейшее ее увеличение несущественно интенсифицирует процесс теплоотдачи, а только вызывает излишнюю турбулизацию сусла и увеличение его мутности.

Разработана установка для производства пива в условиях мини-пивзаводов, основой которой является комбинированный сусловарочный аппарат. Она имеет упрощенную аппаратурную схему, меньшие габаритные размеры по сравнению с аналогичными установками, менее энергозатратна. Эффективность приготовления пива из ЯСЭ на этой установке подтверждена экономическими расчетами и положительными отзывами предприятий г. Киева ООО «Край» и ЧП «КИЙ-ПИВО».

Ключевые слова: мини-пивзавод, ячменно-солодовый экстракт, комбинированный сусловарочный аппарат, теплообмен, осадок, осветление сусла, перемешивающее устройство.

Chepelyuk O.M. Increasing of efficiency of hydromechanical and thermal processes during preparation of beer-mash in mini-breweries. - Manuscript.

The thesis is for getting Candidate's Degree in Technical Sciences under speciality 05.18.12 - processes and apparatus of food, microbiological and pharmaceutical productions. - The National University of Food Technologies, Kyiv, 2009.

This thesis is devoted to improvement of mini-breweries' apparatus fitting out that makes possible to increase efficiency of activity of middle sized productions. A combined wort brewing apparatus for boiling of beer wort with hop and for further defecation of the wort is developed and processes that are proceeding in the apparatus are studied. Barley malt extract (BME) is used as a main raw material for production of beer.

On basis of experiments physical and thermophysical characteristics of beer wort prepared from BME are defined and stated in the thesis. The obtained results are used during receiving of criterial equation of heat exchange process in the wort brewing apparatus.

Processes of heat emission and separation of hop components from hot protein deposit are experimentally explored. Influence of bottom configuration, rotation speed and mixing device positioning height on quality of deposits separation is analyzed. An adequate mathematical model of deposits separation process is created. Rational constructive and mode parameters of combined wort brewing apparatus functioning are defined.

Key words: mini-brewery, barley malt extract, combined wort brewing apparatus, heat exchange, deposit, beer wort defecation, mixing device.

Размещено на Allbest.ru