ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХАРЧУВАННЯ ТА ТОРГІВЛІ

ПОПЕРЕЧНИЙ АНАТОЛІЙ МИКИТОВИЧ

УДК 664.084

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ ВПЛИВУ МЕХАНІЧНИХ

КОЛИВАНЬ НА ІНТЕНСИФІКАЦІЮ ПРОЦЕСІВ ПЕРЕРОБКИ ХАРЧОВОЇ СИРОВИНИ

Спеціальність 05.18.12 – процеси й обладнання харчових,

мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному університеті економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Черевко Олександр Іванович, Харківський державний університет харчування та торгівлі, ректор, завідувач кафедри процесів, апаратів та автоматизації харчових виробництв.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Буляндра Олексій Федорович,

Національний університет харчових технологій,

професор кафедри теплотехніки;

доктор технічних наук, професор

Калінін Лев Георгійович,

Одеська національна академія харчових технологій, професор кафедри процесів та апаратів;

доктор технічних наук, доцент

Погожих Микола Іванович,

Харківський державний університет харчування та торгівлі, завідувач кафедри енергетики та фізики

Провідна установа: Український державний хіміко-технологічний

університет Міністерства освіти і науки України,

м. Дніпропетровськ, кафедра обладнання

і технології харчових виробництв.

Захист відбудеться “24червня 2004 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.088.01 Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, 61051, м. Харків.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного університету харчування та торгівлі за адресою: вул. Клочківська, 333, 61051, м. Харків.

Автореферат розісланий "21" травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Михайлов В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Переробка сільськогосподарської сировини і виробництво продуктів харчування відносяться до числа одних з самих енергоємних технологічних процесів з підвищеними вимогами до кінцевого продукту. В даний час у переробних галузях АПК губиться до 40 % сировини, спостерігається тенденція постійного росту енергетичної складової в собівартості продуктів харчування, що досягає до 20 %. З огляду на це, гостро стають проблеми створення і впровадження сучасних технологій, що забезпечують скорочення енергоспоживання в сполученні з заощадженням сировини й інших ресурсів, удосконалення обладнання по переробці харчової сировини.

Одним із перспективних напрямків в удосконаленні обладнання по переробці харчової сировини, як в Україні так і за її межами, є створення апаратів з активними гідродинамічними режимами, в яких досягається значна інтенсифікація процесів, перш за все – тепло- та масообміну. Активні гідродинамічні режими можуть бути досягнуті за рахунок застосування низькочастотних механічних коливань – вібрацій. Разом із цим недостатні знання в області теорії і техніки з застосуванням вібрацій гальмують їх впровадження у виробництво прогресивного обладнання. Тому розвиток наукових досліджень по впливу механічних коливань на інтенсифікацію процесів харчової технології з розробкою високопродуктивного вібраційного обладнання, яке дозволяє значно знизити витрати енергетичних і матеріальних ресурсів, є актуальною науково-прикладною проблемою.

Актуальною задачею, що стоїть перед наукою і практикою харчування, є вирішення проблеми дефіциту тваринних білків, забезпечення збалансованого харчування, захисту населення від негативного виливу забруднень навколишнього середовища після Чорнобильської катастрофи. Вирішення цієї проблеми можливо за рахунок використання в харчуванні нетрадиційної харчової сировини і напівфабрикатів рослинного та тваринного походження. До такої сировини можна віднести бульйони після варення субпродуктів на підприємствах м’ясної промисловості, більша частина яких направляється в каналізаційну систему, або в кращому разі – на корм худобі. Покращення їх якості з метою подальшого використання в харчових цілях потребує вирішення питань миття субпродуктів перед їх варенням та концентрування одержаних при варенні бульйонів. Не менш важливою харчовою сировиною зі значним вмістом білка є соя. Незважаючи на широке використання сої в харчуванні інших країн (особливо США), в Україні переробці цієї рослини не приділяється достатньої уваги. Нетрадиційною харчовою сировиною в її використанні є також глід, топінамбур, пшениця та інші рослини.

Наукове обґрунтування впливу механічних коливань на інтенсифікацію ряду процесів харчової технології, розробка високопродуктивного вібраційного устаткування, а також використання високого потенціалу нетрадиційної харчової сировини на харчові цілі - проблеми, що є визначальними в даній роботі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась у відповідності з комплексними науковими програмами досліджень по держбюджетним НДР Г-83-27 “Модернізація схем і режимів роботи технологічних машин з метою підвищення їх ефективності” (№ ГР 0060304, 1985 р.), Г-86-16 “Дослідження технічних і експлуатаційних характеристик і оцінка ефективності обладнання для технологічної обробки овочів” (№ ГР 01.86.0077157, 1987 р.), Г-8-26 “Розробка нового і удосконалення існуючого обладнання для технологічної обробки овочів з метою підвищення його ефективності” (№ ГР 01.88.0025618, 1990 р.), Г-91-19 “Підвищення технічного рівня торгівельно-технологічного обладнання” (№ ГРА 01001339Р, 1995 р.), Г97-1 “Підвищення технічного рівня та конкурентоспроможності технологічного обладнання підприємств масового харчування і торгівлі та наукове обґрунтування напрямків виробництва цього обладнання” (№ ГР 0197U008146, 1999 р.), Г-97-5 “Розробка і дослідження перспективних зразків машин і апаратів харчових виробництв” (№ ГР 0100U005073, 2001 р.), Д–2003-1 “Розробка та наукове обґрунтування створення нових видів технологічного обладнання для обробки сипкої харчової сировини”, затвердженим Вченою радою Донецького державного університету економіки і торгівлі
ім. М. Туган-Барановського протягом 1986-2003 років. Крім того, робота тематично пов’язана з загальнодержавною програмою щодо поліпшення продовольчого забезпечення населення України.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є наукове обґрунтування впливу механічних коливань на інтенсифікацію гідромеханічних та тепло-, масообмінних процесів переробки харчової сировини, який дозволяє знизити питомі витрати енергетичних, матеріальних ресурсів і покращати якість продуктів.

Відповідно до цієї мети були поставлені й вирішені такі основні задачі:

- проаналізувати стан проблеми інтенсифікації гідромеханічних і тепло-, масообмінних процесів і обґрунтувати застосування механічних коливань з метою зниження витрат енергетичних і матеріальних ресурсів;

- теоретично обґрунтувати вплив механічних коливань на процес миття харчової сировини та визначити параметри роботи мийної машини з вібруючим робочим органом;

- провести експериментальне дослідження адгезійного зв’язку забруднень з субпродуктами м’ясопереробних виробництв, вібраційного транспортування та миття субпродуктів;

- теоретично та експериментально дослідити вплив пульсуючих потоків (вібрацій) на процес ультрафільтраційного концентрування рідинних продуктів – м’ясо-кісткових бульйонів, соєвого молока і вторинної молочної сировини;

- теоретично та експериментально дослідити вплив механічних коливань на гідродинаміку та кінетику тепло-, масообміну при конвективному сушінні рослинних матеріалів в аеровіброкиплячому шарі (АВКШ);

- теоретично та експериментально дослідити тепло-, масообмін при сушінні та термічній обробці продуктів у віброкиплячому шарі (ВКШ) ІЧ-випромінюванням;

- розробити конструкції прогресивних вібраційних апаратів для сушіння і термічної обробки рослинної сировини, миття субпродуктів, ультрафільтраційного концентрування рідинних продуктів та дослідити експериментальні зразки;

- організувати комплекс заходів щодо впровадження результатів роботи в практику підприємств по переробці харчової сировини.

Об’єкт дослідження – гідромеханічні, тепло-, масообмінні процеси переробки харчової рослинної та тваринної сировини із застосуванням механічних коливань.

Предмет дослідження – харчова сировина рослинного та тваринного походження.

Методи дослідження – планування проведення експериментів, статистичного аналізу, аналітичні та експериментальні способи визначення впливу вібрацій на інтенсифікацію процесів, методи оптимізації в моделюванні технологічних процесів з використанням комп’ютерних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у вирішенні науково-прикладної проблеми зниження енергетичних і матеріальних витрат при здійсненні технологічних процесів миття м'ясних продуктів, ультрафільтраційного концентрування біологічних рідин, а також сушіння і термічної обробки харчової сировини. В основу теоретичних і експериментальних досліджень покладено наукову концепцію, яка полягає в інтенсифікації процесів переробки харчової сировини за допомогою застосування низькочастотних механічних коливань (вібрацій), що забезпечує зниження енергетичних і матеріальних витрат.

На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень вперше:

- теоретично обґрунтовано вплив механічних коливань на інтенсифікацію процесу миття харчової сировини;

- теоретично обґрунтовано вібраційне транспортування субпродуктів, визначено вплив параметрів вібрацій (частоти, амплітуди та прискорення вібрацій) на процес транспортування і миття субпродуктів;

- теоретично обґрунтовано вплив низькочастотних механічних коливань (вібрацій) на процес ультрафільтраційного концентрування біологічних рідин;

- теоретично обґрунтовано процес комбінованої термічної обробки та сушіння харчових продуктів з використанням ІЧ-нагрівання та віброкиплячого шару (ВКШ);

- теоретично обґрунтовано вплив низькочастотних механічних коливань газорозподільної решітки на процес конвективного сушіння дисперсних харчових матеріалів в псевдозрідженому шарі.

Новизна запропонованих технічних рішень підтверджена 3 авторськими свідоцтвами СРСР, також отримано 2 деклараційних патенти України на винахід.

Практичне значення одержаних результатів. На основі результатів проведених теоретичних і експериментальних досліджень:

- визначено раціональні режими ультрафільтраційного концентрування біологічних рідин (м'ясо-кісткових бульйонів, соєвого молока і сколотин);

- визначено раціональні параметри вібраційного транспортування і миття м'ясних продуктів (зокрема, яловичих субпродуктів);

- визначено раціональні параметри конвективного сушіння рослинних матеріалів в аерокиплячому шарі (АКШ) і АВКШ; визначений вплив параметрів вібрації на властивості ВКШ матеріалу;

- розроблені та практично впроваджені комбіновані процеси сушіння та термічної обробки харчової сировини з використанням ІЧ-нагрівання та ВКШ;

- запропоновані технологічні схеми безвідходного виробництва соєвих продуктів та м’ясо-кісткових бульйонів;

- розроблена технологічна інструкція по виготовленню карамелі “фруктово-ягідна з глідом”;

- розроблена і передана для використання конструкторська документація на нові апарати безперервної дії для переробки харчової сировини з використанням вібрацій – апарат жарильний вібраційний АЖВ-1, сушарку з АВКШ, вібраційну машину для миття субпродуктів, апарат для вібропросіювання і радіаційного сушіння крохмалю та три апарати для ультрафільтраційного концентрування біологічних рідин.

Наукові результати, одержані при виконанні дисертаційної роботи, можуть бути рекомендовані для використання в науково-дослідних і проектно-конструкторських установах харчового машинобудування, а також у вищих навчальних закладах ІІІ і ІV рівнів акредитації, що займаються підготовкою спеціалістів у галузі розробки та експлуатації обладнання харчових виробництв.

Реалізація результатів роботи. Розроблені технологічні схеми та апарати для переробки харчової сировини з використанням вібрацій впроваджено на таких підприємствах України:

- АТВТ “Донецький завод “Продмаш” – апарат жарильний вібраційний АЖВ-1 (акт впровадження від 20.12.1999 р.), ультрафільтраційний модуль з пульсуючою подачею вихідної рідини (акт впровадження від 15.04.2003 р.), пристрій для ультрафільтрації біологічних рідин (акт впровадження від 15.04.2003 р.);

- ТОВ “Донецький м’ясопереробний комбінат” – вібраційний устрій для миття субпродуктів (акт впровадження від 18.04.2002 р.), технологія і обладнання безвідходного виробництва бульйонів (акт впровадження від 25.04.2003 р.);

- АТ “Кондитерська фабрика АВК” (м. Донецьк) – апарат для вібропросіювання та радіаційного сушіння крохмалю (довідка від 21.10.2003 р.), рецептура і технологічна інструкція по виготовленню карамелі “фруктово-ягідна з глідом” (акт впровадження від 02.08.2002 р.);

- НПП „УкрПромСоя” (м. Донецьк) – технологія і обладнання безвідходного виробництва соєвих продуктів (акт впровадження від 27.05.2003 р.);

- ТОВ “Фірма ВІ-ВА-ЛТД” (м. Донецьк) – сушильно-охолоджувальний апарат вібраційний СОАВ (акт впровадження від 18.10.2001 р., акт випробування від 21.11.2002 р.);

- ЗАТ „Геркулес” (м. Донецьк) – вібраційний устрій для миття субпродуктів (акт впровадження від 14.01.2003р.), випуск дослідно-промислової партії морозива вершкового з соєвими горішками (акт впровадження від 14.06.2001 р.)

- ВАТ "Донецький булочно-кондитерський комбінат" – випуск дослідно-промислової партії торта "Шахтарський" із соєвими горішками (акт впровадження від 18.02.2000 р.)

Окремі результати дисертаційної роботи використані в підручнику “Процеси і апарати харчових виробництв” та навчальному посібнику “Курсове проектування торгово-технологічного обладнання” (загальним обсягом 35,8 д.а.), рекомендованими Міністерством освіти і науки України для студентів вищих навчальних закладів освіти ІІІ і ІV рівнів акредитації, які готують спеціалістів за напрямком "Харчова технологія та інженерія" (довідка про впровадження в навчальний процес № 13.02/60 від 31.12.2003 р. ДонДУЕТ).

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану проблеми, формулюванні і доказі наукових положень дисертації, постановці задач і програм досліджень, участі у проведенні патентного пошуку та наукових експериментів, обробці дослідних даних, узагальнені отриманих результатів і формулюванні висновків, підготовці матеріалів до публікації та складанні заявок на винаходи, розробці нормативної та проектної документації і проведенні заходів із упровадження науково-технічних розробок у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались з 1986 по 2003 рр. і отримали позитивні оцінки на:

- Республіканській науково-технічній конференції “Розробка прогресивних способів сушіння різних матеріалів та виробів на основі досягнень теорії тепло- та масообміну” (Черкаси, 1987);

- 2-ій Всесоюзній науковій конференції “Проблеми індустріалізації громадського харчування країни” (Харків, 1989);

- Шостій Всесоюзній науково-технічній конференції “Електрофізичні методи обробки харчових продуктів та сільськогосподарської сировини” (Москва, 1989);

- Всесоюзній науковій конференції “Проблеми впливу теплової обробки на харчову цінність продуктів харчування” (Харків, 1990);

- Всесоюзній конференції “Механіка сипких матеріалів” (Одеса, 1991);

- Міжнародній конференції “Перспективи розвитку масового харчування та торгівлі в умовах переходу до ринкової економіки” (Харків, 1994);

- 9 міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (Одеса, 1996);

- науково-практичній конференції “Стан і проблеми розвитку торгівлі й харчування в Україні” (Харків, 1997);

- ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Продовольчий ринок та проблеми здорового харчування” (Орел, 2000);

- ІІ та ІІІ міжнародних науково-практичних конференціях “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка” (Слав’яногірськ, 2001 і 2003 рр.);

- Міжнародній науковій конференції “Теоретичні і практичні аспекти застосування методів інженерної фізико-хімічної механіки з метою удосконалення та інтенсифікації технологічних процесів харчових виробництв” (Москва, 2002);

- III Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми технології та механізації процесів переробних і харчових виробництв” (Харків, 2003);

- Міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича енергомеханіка та автоматика” (Донецьк, 2003);

- Міжнародній науково-практичній конференції “Управлінські та технологічні аспекти розвитку підприємств харчування і торгівлі” (Харків, 2003);

- науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу ДонДУЕТ ім. М. Туган-Барановського (раніше – Донецького державного комерційного інституту та Донецького інституту радянської торгівлі) протягом 1986-2003 рр.

Публікації. За результатами досліджень опублікована 51 наукова праця, у тому числі: 1 підручник, 1 навчальний посібник, 29 статей, 3 авторських свідоцтва СРСР та 2 деклараційні патенти України на винахід, 15 тез доповідей на конференціях. Без співавторів опубліковано 14 робіт.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація викладена на 372 сторінках машинописного тексту, містить 34 таблиці і 95 рисунків, 24 додатки. Список використаних джерел містить 507 найменувань, з них 46 іноземних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраного напряму дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про їх практичне впровадження.

У першому розділі “Сучасний стан проблеми застосування механічних коливань при переробці харчових продуктів” показано, що вібраційні процеси завоювали одне із важливіших місць в техніці і є одними із найбільш універсальних за застосуванням. За допомогою механічних коливань (вібрацій) розрушують і ущільнюють дисперсні матеріали, знижують ефективну в’язкість продуктів (наприклад, в кондитерському виробництві), ріжуть метал, інтенсифікують різноманітні фізичні і хімічні процеси – екстрагування, теплообмін, сушіння та інші. Головною характерною особливістю вібрацій як одного із видів механічної дії є можливість передачі продуктам, що обробляються, енергії великої питомої потужності. Разом з цим можливість регулювання параметрів вібрацій (частот та амплітуд) в широких межах дозволяє розповсюдити її дію як на значні об’єми продукції, так і, навпаки, в випадку необхідності обмежитись шаром в декілька мікрон, який безпосередньо прилягає до вібруючої поверхні. Суттєвий внесок в розвиток вібротехніки внесли вчені І.І. Блехман, В.В. Гортинський, І.Ф. Гончаревич, Г.Ю. Джанелідзе, В.А. Повідайло, М.Б. Урьєв, В.А. Членов та інші. Вперше роботи по застосуванню вібрацій в технологічних процесах були узагальнені в монографіях В.А. Членова і М.В.Михайлова, які вийшли з друку в 1967 і 1972 рр. Питаннями застосування вібрацій в механічних та гідромеханічних процесах харчової технології займались М.А. Буренков, В.В. Гортинський, К.І. Пазирук, М.А. Талейсник, Н.Б. Урьєв, в процесах тепло- і масообміну (особливо сушіння) – А.С. Гінзбург, М.О. Гришин, О.П. Калиновська, А.С. Зелепуга, А.П. Рисін, Л.А. Орлов, А.І. Чернявський, А.А. Долінський, Г.Е. Лимонов та інші.

Наведено відомості щодо стану проблеми застосування механічних коливань в технологічних процесах харчової технології та відзначені пріоритетні науково-технічні рішення, що сприяють підвищенню ефективності процесів та обладнання по обробці харчової сировини. Узагальнення цих даних дало можливість сформулювати задачі досліджень, що спрямовані на досягнення мети дисертаційної роботи.

У другому розділі “Наукове обґрунтування впливу механічних коливань на процеси переробки харчової сировини” на основі виявлення фізичної сутністі процесів створені математичні моделі, які відображають вплив механічних коливань на ряд гідродинамічних та тепло-, масообмінних процесів харчової технології. Зокрема, вивчено вплив механічних коливань на процеси миття, ультрафільтраційного концентрування, сушіння та термічної обробки харчової сировини.

Теоретичні дослідження процесу миття харчової сировини (на прикладі субпродуктів) полягали у визначенні імпульсів миттєвих сил тиску на плівку бруду, швидкості вібраційного транспортування і продуктивності мийної машини з вібруючим робочим органом, а також розрахунку потужності інерційного приводу цієї машини.

На рис. 1 і 2 наведені розрахункові схеми теоретичних досліджень.

Рис. 1. Розрахункова схема вібро-транспортування тіла при струминному митті |

Рис. 2. Розрахункова схема вібролотка з інерційним вібратором |

З метою інтенсифікації процесу миття, якість якого визначається кількістю імпульсів миттєвих сил тиску на плівку бруду, аналітичне дослідження вібраційного транспортування продукту передбачає інтенсивне підкидання останнього, кратне періоду вимушених коливань. Рух тіла при цьому розділено на дві ділянки: сумісний з поверхнею лотка, який вібрує, та вільний рух, який називається “польотом” (рис. 1).

Для першої ділянки рівняння руху тіла відносно поверхні вібруючого за законом S = Asin t лотка записується як:

; (1)

. (2)

В цих рівняннях m – маса тіла; А – амплітуда коливань; щ – кругова частота коливань; N – нормальна реакція поверхні лотка; f – коефіцієнт тертя;  – кут нахилу лотка до горизонту;  – кут напрямку коливань.

Максимальне прискорення лотка визначається із (1) і (2) як

. (3)

Нами визначено, що коефіцієнт тертя субпродуктів по перфорованій мокрій поверхні лежить в межах f = 0,25...1,18. Тому

при f = 0,25 – б < 15o, а в < 75о,

при f = 1,18 – б < 49o, а в < 41о.

Виходячи з цього, можна прийняти:

в = 25...30о, б = 0...49о.

Якщо тіло відривається від поверхні лотка в момент t0 =3/4 Т (точка О1), то величина абсолютного переміщення тіла вздовж лотка за один період коливань U буде складатись із величин переносу тіла лотком і вільного польоту:

. (4)

Після відповідних перетворень і інтегрування одержана формула для визначення середньої швидкості вібротранспортування

. (5)

Теоретично обґрунтовано визначення амплітуди коливань і потужності інерційного приводу вібруючого робочого органу машини для миття субпродуктів з урахуванням взаємного впливу мас ланки, що рухає (віброприводу), і провідної ланки (робочого органу – лотка з продуктом), а також гідравлічного опору, пропорційного квадрату швидкості.

Відповідно до розрахункової схеми – рис. 2 – з використанням кінетичного потенціалу вирази для кінетичної (6) та потенціальної (7) енергій системи запишуться як:

(6)

(7)

де Т1 – кінетична енергія вібролотка; Т2 – кінетична енергія дебалансів;
П – потенціальна енергія системи; М – маса лотка з продуктом; m – маса дебаланса вібратора; S – переміщення; r – радіус центра тяготіння дебалансів;
І – динамічний момент;  КS – жорсткість пружних зв’язків; fСТ – статична деформація пружної підвіски.

Одержана формула для визначення амплітуди коливань вібраційної машини

, (8)

де – кутова швидкість дебалансів; – коефіцієнт “турбулентного” тертя; FT – постійна сила тертя.

Потужність приводу самобалансного вібратора визначається формулою

, (9)

де з – КПД механічних передач; и – кут зсуву коливань по фазі, викликаний наявністю опору при русі лотка.

Експериментальні дослідження вібраційної мийної машини показали адекватність теоретичним викладкам.

Характерною особливістю мембранного розділення рідинних харчових продуктів, особливо в процесах ультрафільтрації, є утворення концентраційного, або поляризаційного, та гелевого шарів, наявність яких утруднює перенесення розчинника через мембрану і тим самим перешкоджає процесу ультрафільтрації. Як відомо, питома продуктивність або швидкість процесу ультрафільтрації G визначається рівнянням

, (10)

де V – кількість пермеата, одержаного за час ф ; SМ – площа мембрани; р0 – рушійна сила процесу (тиск); з – динамічний коефіцієнт в’язкості рідини; R – опір процесу.

Опір процесу ультрафільтраційного концентрування може бути представлений як

R = RM + RK + Rг + R0 + Ra, (11)

де RM – опір мембрани; RК – опір концентраційної поляризації; Rг – опір гелевого шару; R0 – опір блокованих пор (осаду); Rа – опір адсорбційних явищ.

Для зменшення величини опору та збільшення рушійної сили запропоновано використати вібруючу перфоровану пластину, розміщену в близькості від ультрафільтраційної мембрани – рис. 3. Теоретичне обґрунтування цього заходу пов’язане з тим, що при вібрації пластини почергово то з однієї, то з іншої її сторони утворюються переривисті потоки продукту. Такий коливальний процес в гідравліці називають гідравлічним ударом.

Рис. 3. Схема руху потоків рідини між мембраною та вібруючою пластиною

Для визначення величини підвищення тиску (ударного тиску) Др скористаємось законом про зміну кількості руху. Відповідно рис. 3а, одержимо:

(12)

де - приріст часу; с – густина рідини; S – площа перфорованої пластини.

Звідси

де а – швидкість розповсюдження хвилі гідравлічного удару.

Визначаючи швидкість потоку рідини v0, яка спричиняється вібруючою пластиною, за формулою

v0 = 4Af ц/е,

де А – амплітуда коливань; f - частота коливань; ц – відношення площі пластини до площі поперечного перерізу апарата; е – живий переріз апарата,

а швидкість розповсюдження хвилі гідравлічного удару а - за формулою Н.Є.Жуковського, одержимо

, (13)

де К – модуль пружності рідини; Е – модуль пружності матеріалу стінок апарата; D - діаметр апарата; д – товщина стінок апарата.

Питома продуктивність мембрани Gb при цьому складає (без врахування R0 і Ra)

, (14)

де Sґ - відносна поверхня мембрани, яка зазнає впливу підвищеного градієнту тиску.

Ступінь інтенсифікації процесу – відношення Gb/G – показує збільшення продуктивності ультрафільтраційної мембрани при використанні перфорованої вібруючої пластини по відношенню до тупикового режиму (без перемішування). За нашими підрахунками та по експериментальним дослідженням воно дорівнює 1,5...2,0.

При русі пластини від поверхні мембрани (рис. 3б) між ними виникають області із зниженим тиском, градієнт якого визначається формулою

p= 103 Па. (15)

Під дією цього градієнта тиску рідина на межі перфорацій пластини набирає характер вихрового руху, який перешкоджає утворенню стійкої стратифікації поблизу поверхні мембрани.

Застосування механічних коливань (вібрацій) дозволяє створити активні гідродинамічні режими і тим самим досягнути значної інтенсифікації процесу сушіння. В науковому обґрунтуванні впливу механічних коливань на тепло-, масообмін в процесах сушіння харчової сировини в АВКШ виділені зовнішні та внутрішні фактори. Інтенсивність зовнішнього тепло-, масообміну в загальному вигляді визначається рівняннями:

q=Wr/S=(tн-ts); (16)

m=W/ S=(pн-ps), (17)

де q – густина теплового потоку; W – кількість рідини, що випарюється з поверхні продукту, r – теплота пароутворювання; S – поверхня випарювання; – тривалість випарювання; – коефіцієнт тепловіддачі від повітря до продукту; tн – температура поверхні вологого продукта; ts – температура повітря; m – питомний потік вологи від поверхні продукту; - коефіцієнт масопередачі від продукту до повітря; pн – тиск насиченої пари при температурі поверхні продукта; ps – парціальний тиск пари в повітрі.

Інтенсифікація внутрішнього тепло-, масообміну при сушінні капілярно- пористих тіл в АВКШ зумовлена взаємодією трьох гідродинамічних ефектів: кавітації, виникненні кумулятивної струминки і зміні надлишкового тиску рідини в каналах, що вібрують.

Теоретичні передпосилки ІЧ-нагрівання продуктів в псевдозрідженому шарі виходять із рівняння, що описує динаміку зменшення вмісту вологи U продукту з часом ? при ІЧ-нагріванні:

, (18)

де U – об’ємний вміст вологи в продукті, кг/м3; U0 – початкове значення цієї величини, кг/м3; m – величина, яка визначається співвідношенням ; в – коефіцієнт масовіддачі (вологовіддачі), м/с; h – товщина шару продукту, м.

Масова вологість продукту пов’язана з об’ємною співвідношенням

, (19)

де  – густина сухих речовин продукту, кг/м3; р – об’ємна пористість продукту.

На рис. 4 представлена теоретична залежність W(ф) в порівнянні з експериментальними даними (точки), одержаними нами при термічній обробці соєвих бобів.

Розрахунки показують, що при збільшенні густини теплового потоку q в 1,6 рази коефіцієнт масовіддачі в збільшується в 2 рази і при q = 2600 Вт/м2 складає в = .10-5 м/с.

Тепловий баланс процесу може бути виражений рівнянням

(20)

де r - питома теплота пароутворення, Дж/кг; - зменшення маси води в продукті, кг; СC, СВ – відповідно питома теплоємність сухої речовини та води, Дж/(кг.К); mC,mВ – відповідно маса сухої речовини та води в продукті, кг; б – коефіцієнт тепловіддачі від шару продукту в навколишнє середовище, Вт/(м2·К); tП– температура навколишнього середовища,оС; t-температура шару продукта,оС.

Рівняння (20) з урахуванням (18) і (19) може бути представлено як

(21)

де . (22)

Після деяких спрощень одержуємо

(23)

де .

На рис. 5 представлені криві зміни температури соєвих бобів, побудовані за (23) в порівнянні з експериментальними значеннями. Як видно, теорія досить точно відображує процес до моменту “вибуху” зерен, відзначеного заштрихованою смугою.

Рис. 4. Теоретичні криві зміни Рис.5. Теоретичні криві зміни

вологості соєвих бобів температури соєвих бобів

(точки – експериментальні) (точки – експериментальні)

У третьому розділі “Дослідження процесу миття харчової сировини в машині з вібруючим робочим органом” проведено аналіз процесу миття харчової сировини, що показав відсутність на цей час показника, який би міг характеризувати адгезійний зв’язок забруднень з поверхнею продукту. Проведені дослідження показали, що таким показником може бути крайовий кут змочування.

Визначені усереднені значення коефіцієнта тертя ковзання різноманітних м’ясних субпродуктів по різним поверхням, які лягли в основу теоретичних досліджень. Експериментальні дослідження процесів миття субпродуктів проведені на експериментальній установці – рис. 6, в основу якої покладено авторське свідоцтво [34].

Вперше проведені досліди по вібротранспортуванню субпродуктів. Одержані залежності швидкості вібротранспортування v субпродуктів від параметрів вібрації робочого органу. На рис. 7 і рис. 8 наведені такі залежності для печінки. Із графіків видно, що прискорення вібрацій Aщ2 не визначає однозначно швидкість v вібропереміщення. При одній і тій же величині прискорення Aщ2 швидкість v може змінюватись в досить широких межах. Області найбільш раціональних режимів вібротранспортування при мінімальних напруженнях,

Рис. 6. Принципова схема машини для миття субпродуктів: 1 – платформа;
2 – лоток поворотовий; 3 – робоча поверхня лотків (перфорована);
4 – трубопровід м'який (шланг); 5 – бачок; 6 – ресора; 7 – кутники кріплення; 8 – основа; 9 – вібратор ексцентриковий; 10 – шатун;
11 – пружна ланка; 12 – водопровід; 13 – душуючий колектор;
14 – трубопровід обертової води; 15 – душуючий колектор обертової води; 16 – насос; 17 – бункер завантажувальний; 18 – шибер; 19 – лоток вивантаження; 20 – фільтруюча перегородка; 21 – шарнірна опора;
22 – насадка струйна.

Рис. 7. Залежність v=f(A, Aщ2)Рис. 8. Залежність v=f(щ, Aщ2)

які виникають при роботі вібромашини, заштриховані. Залежність швидкості транспортування v від кута ? підйому вантажонесучого органа (поворотового лотка) виражена рівнянням

v = 0,14 – 3,3 . 10-3б . (24)

Визначено вплив параметрів вібрації (амплітуди, частоти коливань, кута нахилу лотків) на якість миття субпродуктів. Як приклад, на рис. 9 наведено моделювання залежності якості миття субпродуктів (печінки) від амплітуди і частоти коливань робочого органу.

Рис. 9.  Лінії рівних значень якості миття печінки (в балах) в залежності від    параметрів вібрації

Наведено також залежності продуктивності та споживаної потужності від параметрів вібрації. Визначені раціональні параметри струминного миття субпродуктів, які забезпечують максимальну продуктивність і високу якість миття: частота коливань щ = 140 рад/с; амплітуда коливань А = 2,5 мм; кути нахилу лотків б1 = 30, б2 = 25, б3 = 10, б4 = 5, питома витрата води – кг/кг.

У четвертому розділі “Дослідження процесу ультрафільтраційного концентрування рідинних харчових продуктів з використанням механічних коливань” наведені результати експериментальних досліджень, які підтвердили теоретичні передпосилки розділу 2.

Основні експериментальні дослідження проведені на ультрафільтраційній установці періодичної дії, схема якої представлена на рис. 10, з використанням напівпроникних мембран УПМ-П-500 і ГР61ПП. Дослідження процесу ультрафільтраційного концентрування м’ясо-кісткових бульйонів, соєвого молока та знежирених молочних продуктів проведені в 3-х варіантах: без перемішування, з перемішуванням лопатевою та вібраційною мішалками. Як приклад, наведено залежності питомої продуктивності (швидкості процесу) мембрани від тиску і концентрації сухих речовин – рис.11 – та від температури і тривалості процесу – рис. 12. Вперше проведені експериментальні дослідження ультрафільтраційного концентрування бульйонів. Показано, що концентрація бульйону може бути

Рис. 10. Схема експериментального ультрафільтраційного модуля:

1  ультрафільтраційний модуль; 2 – водяна оболонка; 3 – мембрана;
4 –  підложка; 5 – збірник фільтрата; 6 – компресор; 7 – термостат;
8 – потенціометр КСП-4 з термопарою; 9 – привід вібратора;
10 – вібратор ексцентриковий; 11 – манометр; 12 - кран трьохходовий;
13 – кран-пробовідбірник; 14 – мембрана гнучка; 15 – диск перфорований.

Рис.11. Залежність продуктивності мембрани від тиску і концент-рації сухих речовин при концент-руванні бульйону при t = 65°C:

- без перемішування;

- з віброперемішуванням | Рис.12. Залежність продуктивності мемб-рани від температури і тривалості процесу при концентруванні соєвого молока при р = 0,8 МПа:

1, 2, 3 – без перемішування;

4 – з віброперемішуванням (в.п.)

визначена за його реологічним показником – динамічним (чи кінематичним) коефіцієнтом в’язкості, між якими встановлена залежність:

(25)

при 40оС t 90оC та 1%Сср24%,

де t – температура бульйона, °С; Сср – концентрація сухих речовин, %.

Встановлені раціональні режими ультрафільтраційного концентрування досліджених харчових речовин – табл.1.

Таблиця 1

Раціональні параметри здійснення ультрафільтраційного концентрування

Продукт

Параметри | Бульйон | Соєве молоко | Сколотини | Обезжирене молоко

Тип мембрани | УПМ-П | ГР 61ПП | ГР61ПП | УПМ-П | Тиск, МПа | 0,3...0,4 | 0,6...0,8 | 0,3...0,4 | 0,3...0,4 | Температура, оС | 60...70 | 50...60 | 40...60 | 50...60 | Концентрація сухих речовин, % | 10...12 | 8...9 | 7 | 15...16 | Тривалість, с .10-33...4 | 10...12 | 12...14 | 15...18 | Швидкість пульсуючих потоків, м/с | 1,2...1,4 | 1,2...1,4 | 1,2...1,4 | 1,5 | Амплітуда коливань, мм | 3 | 3 | 3 | 3 | Частота коливань, рад/с | 150 | 150 | 150 | 150

У п’ятому розділі “Дослідження процесів конвективного сушіння рослинних матеріалів в аеровіброкиплячому шарі” з метою підтвердження теоретичного обґрунтування і розробки промислового апарату для сушіння корнеклубнеплодів в АВКШ наведені результати досліджень, основними задачами яких є проведення експериментальних досліджень по гідродинаміці псевдозрідження рослинних матеріалів, встановлення закономірностей, які характеризують кінетику процесу їх сушіння, теоретичний аналіз процесу сушіння в аерокиплячому (АКШ) та аеровіброкиплячому шарі (АВКШ).

В розділі обґрунтовано вибір об’єктів сушіння (плодів гліду, корнів хрону, клубнів топінамбура), наведена принципова схема експериментальної лабораторної сушильної установки – рис. 13 – та містяться дані експериментальних досліджень.

На рис. 14, як приклад, наведені криві псевдозрідження АКШ кубиків хрону з розміром грані 6 мм і вологовмістом 10 і 160% при різних питомих навантаженнях на газорозподільну решітку (10 і 30 кг/м2). Встановлено, що при значенні вологовмісту продукту більше 150 % особливо проявляються явища агрегування частинок між собою і прилипання їх до решітки і стінок камери; при цьому переведення їх в псевдозріджений стан без додаткових заходів (вібрацій, ударів) стає неможливим. Швидкість повітря, при якому починається псевдозрідження, перш за все залежить від вологовмісту матеріалу. Наприклад, для сухих кубиків топінамбуру (w = 10 %) вона складає 0,85...0,90 м/с, для вологих (w = 350 %) – 1,2...1,3 м/с, відповідно для кубиків хрону при w = 10 % - 0,90...0,95 м/с та при w = 160 % - 1,05...1,10 м/с. В той же час швидкість початку псевдозрідження майже не залежить від величини питомого навантаження на газорозподільну решітку.

За даними гідродинамічних досліджень АКШ встановлено, що для досліджених і їм подібних матеріалів у відому критеріальну залежність

Рис. .  Схема експериментальної сушильної установки: 1– камера сушильна;
2 – електрокалорифер; 3 – вентилятор; 4 – вібратор; 5 – патрубок циліндричний; 6 – тяга; 7 – затискач; 8 – напрямна з пружинними амортизаторами; 9 – повітропровід; 10 – рукав м’який; 11 – решітка газорозподільна; 12 – заслінка регулююча; 13 – діафрагма; 14 – ЛАТР;
15 – стійка; 16 – лінійка; 17 – анемометр; 18 – посудина Дьюара;
19 – мікроманометр; 20 – мікроманометр диференціальний;
21 – потенціометр КСП - 4; 22 – термопара; 23 – потенціометр ЭПП-0,9

Рис. 14. Криві псевдозрідження шару кубиків хрону з розміром грані 6 мм і вологовмістом 10 % (криві 2,4) і 160% (криві 1,3) при питомому навантаженні 30 кг/м2 (криві 1,2) і 10 кг/м2 (криві 3,4)

О.М.Тодеса для сферичних частин слід внести поправковий множник 0,6, тобто залежність буде мати вигляд

, (26)

де ReКР – число Рейнольдса, розраховане для критичної швидкості псевдорозрідження; Ar – критерій Архімеда.

Різницю в числах Рейнольдса, визначених за залежністю О.М.Тодеса і експериментально знайдених нами, можна пояснити тим, що залежність О.М. Тодеса не враховує вологість частинок, їх схильність до адгезії і когезії, а також питоме навантаження на газорозподільну решітку.

Серія експериментальних досліджень з метою оцінки впливу параметрів віб-рації на гідродинамічні властивості ВКШ матеріалу – рис. 15 – дозволила зробити наступні висновки:

- оптимальна величина прискорення вібрацій, при якій відбувається інтенсивне перемішування ВКШ, лежить в межах 20...25 м/с2;

- при створенні апаратів з ВКШ необхідно віддавати перевагу малим за висотою шарам матеріалу (30...40 мм) і низьким частотам вібрації (10...25 Гц).

Для порівняння гідродинаміки АВКШ і АКШ наведено криві псевдозрідження шару кубиків топінамбура з розміром грані 6 мм і вологовмістом 350при прискоренні вібрацій 24 м/с2 в залежності від питомого навантаження на газорозподільну решітку і амплітуди її коливань – рис. 16.

Математична обробка кривих псевдозрідження показала, що вони можуть бути описані рівнянням регресії:

, (27)

де а, b, c, d – параметри рівняння.

Встановлено, що критична швидкість повітря, яка відповідає моменту початку псевдозрідження на вібруючій решітці, менша, ніж на нерухомій на 0,3...0,5 м/с. Вібрації решітки з амплітудою 2 мм при швидкості повітря, меншій критичної, ущільнюють шар матеріалу, а з амплітудою 10 мм – розпушують його.

Псевдозрідженню сприяє зменшення частоти коливань решітки. Гідродинамічні дослідження показали, що значно покращують однорідність псевдозрідженого шару і зменшують його гідравлічний опір вібрації решітки з великими амплітудами (5...10 мм) і малими частотами (7...15 Гц). Оптимальне (робоче) значення швидкості псевдозрідження, яке забезпечує інтенсивне постійне перемішування киплячого шару, при вібраціях решітки може бути в 1,5...2 рази меншим критичного значення при АКШ. Це, в свою чергу, зменшує витрату сушильного агенту та енергетичні витрати на процес.

В експериментальних дослідженнях по кінетиці сушіння вивчено вплив на

процес таких параметрів: температури і швидкості теплоносія, питомого навантаження на газорозподільну решітку, форми і розмірів частинок матеріалу, а також параметрів вібрації. Вивчення процесу сушіння кубиків хріну і топінамбура та плодів глоду проводили шляхом розгляду кривих видалення вологи, швидкості сушіння і зміни температури матеріалу в процесі обробки. На рис. 17 наведені криві кінетики (1, 2, 3) плодів глоду в АКШ при питомому навантаженні 40 кг/м2 і температурі сушильного агента 80 С. Там же наведені криві 1?, 2ґ ? 3ґ ?о експериментальним дослідженням сушіння плодів глоду в ВКШ ІЧ-випромінюванням при густині теплового потоку 1,3 кВт/м2. На рис. 18 наведені криві кінетики сушіння плодів глоду в АВКШ.

Як виходить з наведених графіків, основне видалення вологи відбувається в періоді постійної швидкості сушіння. Критична точка, яка характеризує перехід від періоду постійної швидкості до періоду спадаючої швидкості, визначається вологістю продукта і режимами сушіння. Інтенсифікація процесу сушіння при вібрації сипкого матеріалу спостерігається не тільки за рахунок розпушення шару продукта і збільшення його активної поверхні з сушильним агентом, але і за рахунок зростання коефіцієнтів тепло- і масообміну при вібрації окремих частинок. Таким чином, ефект вібраційного впливу на процес сушіння проявляється в: збільшенні інтенсивності сушіння в періоді постійної швидкості (в 1,5...1,6 рази); подовженні періода постійної швидкості сушіння по відношенню

Рис. 17. Криві сушіння (1, 1?), температури в центрі плода (2, 2?) і швидкості сушіння (3, 3?) гліду в АКШ та ВКШ ІЧ-випромінюванням | Рис. 18. Криві сушіння (1, 2, 3) і швидкості сушіння (1?, 2ґ, 3ґ) ?лодів гліду в АВКШ в залежності від частоти коливань решітки.

до загальної тривалості процеса; зменшенні швидкості сушильного агенту (в 1,5...1,6 рази) при постійних інших параметрах; збільшенні продуктивності апаратів з АВКШ в порівнянні з АКШ на 20...50 %. Раціональні режими вібрації при сушінні в АВКШ: А = 3...5 мм, f = 15 Гц.

Аналітичне узагальнення результатів досліджень процесів конвективного сушіння рослинних матеріалів в псевдозрідженому шарі включає розрахунок тривалості нагрівання та температури продуктів.

Виходячи з рівнянь теплового балансу