НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ВАЩУК ТИМОФІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

удк 664.061.4:084

Теплотехнологічні режими процесу концентрування томатопродуктів в роторно-плівковій випарній установці

05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних

та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Василенко Сергій Михайлович, Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Ткаченко Станіслав Йосипович, Вінницький Національний технічний університет, завідувач кафедри теплоенергетики

доктор технічних наук, професор

Кулінченко Віталій Романович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри "Процеси і апарати харчових виробництв та технології консервування"

Захист відбудеться “25” червня 2008 року о 16 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А – 310.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “23” травня 2008 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доц.

Л.О. Кривопляс-Володіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальше нарощування випуску концентрованих томатопродуктів в Україні і вихід цієї продукції на світовий ринок стримується, насамперед, її високою собівартістю і невисокою якістю, що не завжди відповідають вимогам світових стандартів. Це позв’язано з існуючим рівнем переробного виробництва, що оснащене переважно застарілим обладнанням, зокрема устаткуванням для згущення томатного соку.

Перспективним методом інтенсифікації процесів випарювання розчинів є їхня реалізація в плівках розчинів, що стікають у роторних плівкових апаратах. Випарні апарати цього типу максимально відповідають основним теплотехнологічним вимогам: мінімізації часу перебування розчинів у зонах з підвищеними температурами і забезпечення мінімально можливих температур проведення процесу, практичної ліквідації гідростатичної депресії у випарних апаратах і пов’язаної з цим мінімальної втрати температурного перепаду у випарних апаратах. Крім цього, апарати такого типу досить прості за конструкцією, технологічні у виготовленні, процеси в них добре автоматизуються, тому вони перспективні для створення багатокорпусних випарних установок і розроблення на їхній основі високоефективних технологічних комплексів. Режими роботи таких апаратів у харчовій промисловості мають характерні ознаки, зокрема взаємодію плівкової течії продукту з елементами ротора апарата. За цих умов єдиною фізично обґрунтованою методикою розрахунку роторних плівкових випарних апаратів є математичне моделювання процесів тепломасообміну в них, а також математичне моделювання режимів роботи багатокорпусних випарних установок, створених на їхній базі.

Тому розроблення науково обґрунтованих методик розрахунку теплообмінних апаратів, адекватних фізичним картинам процесів, що відбуваються в них, і аналіз режимів роботи багатокорпусних випарних установок на базі випарних апаратів цього типу безперечно є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає планам науково-дослідної роботи Національного університету харчових технологій і є складовою напряму «Розроблення наукових основ тепломасообмінних та інших процесів харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв із метою створення високоефективних технологій і устаткування, засобів механізації й автоматизації».

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в проведенні комплексних досліджень теплотехнологічних режимів роботи трикорпусної випарної установки, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу, при випарюванні томатопродуктів, а також у створенні фізично адекватних методик їхнього розрахунку.

Відповідно до поставленої мети дослідження сформульовано і розв’язано такі завдання:

· створити дослідно-промисловий зразок трикорпусної випарної установки, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу;

· провести комплексне теоретичне й експериментальне дослідження процесів теплообміну в плівках рідини, що формуються у роторно-плівкових апаратах з роторами спірального типу;

· провести експериментальне дослідження вмісту нітратів, нітрозоди-метиламіну і важких металів у томатопродуктах місцевого виробництва, а також зміни вмісту нітратів у процесі випарювання томатопродуктів;

· провести експериментальне дослідження режимів роботи трикорпусної випарної установки, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу, в умовах широкого діапазону відносної зміни одночасної подачі нагрівної пари, у різні корпуси.

Об'єкт дослідження ? трикорпусна випарна установка, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу.

Предмет дослідження ? теплообмін у плівках рідини і гідродинаміка плівкових течій у роторно-плівкових випарних апаратах з роторами спірального типу, вміст нітратів і важких металів у томатопродуктах, теплові режими роботи випарної установки.

Методи дослідження ? методи фізичного і математичного моделювання процесів перенесення імпульсу й енергії в плівкових течіях; методи планування експерименту; оброблення результатів експериментального дослідження методами теорії подібності та статистичними методами.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі вперше отримано такі наукові результати:

· запропоновано і розроблено модель механізму перенесення імпульсу й енергії в плівках роторно-плівкових апаратів, яка ґрунтується на врахуванні інтенсивності динамічної взаємодії ротора зі стічною плівкою рідини введенням понять еквівалентного дотичного напруження на поверхні плівки і переміжності турбулентності плівкової течії;

· розроблено напівемпіричну модель процесів перенесення в плівках роторно-плівкових апаратів з роторами спірального типу, основою якої є запропонована модель механізму перенесення і результати експериментального дослідження;

· розроблено розрахункову залежність для визначення інтенсивності тепловіддачі до плівки рідини роторно-плівкових апаратів з роторами спірального типу;

· проведено дослідження вмісту нітратів і важких металів у томато-продуктах місцевого виробництва;

· установлено залежність зміни концентрації нітратів у томатопродуктах у процесі їхнього згущення в дослідно-промисловій трикорпусній випарній установці;

· проведено дослідження режимів роботи трикорпусної випарної установки, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу, в умовах широкого діапазону відносної зміни одночасної подачі нагрівної пари у різні корпуси.

Достовірність та обґрунтованість отриманих наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена коректністю, повнотою й адекватністю фізичних припущень у постановці завдання і методів моделювання, використанням апробованих сучасних методів проведення експериментальних досліджень, засобів вимірювального комплексу, а також методів статистичного оброблення експериментальних даних і підтверджується задовільною відповідністю результатів розрахунку за розробленими моделями і методиками отриманим експериментальним даним.

Практичне значення отриманих результатів:

? розроблено ВФ «Спектр» при НВО «Селта» УААН, виготовлено на Сакському дослідно-механічному заводі НВО «Йодобром», впроваджено і досліджено на Нижньогірському консервному заводі АР Крим дослідно-промислову трикорпусну випарну установку, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу;–

розроблено методику розрахунку інтенсивності теплообміну при випарюванні розчинів у роторно-плівкових випарних апаратах з роторами спірального типу;–

розроблено методику розрахунку вмісту важких металів, нітратів, нітрозодиметиламіну в процесі концентрування томатопродуктів;

? розроблено методику розрахунку режимів роботи трикорпусної випарної установки, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу, що разом з попередніми результатами є методологічною основою для розроблення випарних установок такого типу, розрахунку теплотехнологічних режимів їхньої роботи, а також розроблення сучасних схем автоматичного керування ними.

Результати роботи передано до Українського науково-дослідного інституту цукрової промисловості і НВО «Селта» УААН для використання при розробленні і впровадженні сучасного тепломасообмінного устаткування.

Особистий внесок здобувача полягає у запропонованій ідеї конструкції роторно-плівкового випарного апарата з ротором спірального типу; участі в патентуванні розробки; особистій участі в розробленні конструкції апарата, виготовленні дослідно-промислових зразків апаратів, розробленні теплотехнологічної схеми трикорпусної випарної установки та її монтажі; участі в плануванні й проведенні експериментального дослідження режимів роботи випарної установки, вмісту нітратів, нітрозодиметиламіну і важких металів у томатопродуктах місцевого виробництва, а також зміни вмісту нітратів у процесі їхнього випарювання; реалізації напівемпіричної моделі теплоперенесення в плівках рідини роторно-плівкових апаратів з роторами спірального типу; узагальненні й аналізі результатів дослідження режимів роботи трикорпусної випарної установки.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи подавалися в двох доповідях на 70-й науковій конференції молодих учених, аспірантів і студентів Національного університету харчових технологій (м. Київ, 2004 р.), доповідалися в Українському науково-дослідному інституті цукрової промисловості, НВО «Селта» УААН, на науково-методичних семінарах кафедри теплотехніки НУХТ.

Публікації. Зміст дисертації відображено в шести наукових працях, у тому числі: у трьох статтях у спеціалізованих наукових журналах, одному патенті України, двох тезах науково-технічної конференції.

Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаної літератури з 137 джерел, 13 додатків. Зміст роботи викладений на 159 сторінках, містить 19 рисунків, 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета та задачі дослідження. Наведені нові наукові результати, показане значення роботи, результати впровадження в промислову практику.

У першому розділі розглянуто проблеми, що постають під час роботи роторно-плівкових випарних апаратів, в тому числі наведений аналіз їх конструкцій та особливостей експлуатації.

Виконаний аналітичний огляд літературних джерел з питань теплообміну та гідродинаміки плівкових течій. Наведений порівняльний аналіз існуючих методик математичного моделювання процесів перенесення імпульсу та енергії в плівкових течіях.

Показано, що більшість досліджень теплогідродинамічних характеристик плівкових течій присвячена вивченню процесів теплоперенесення за ламінарно-хвильового та розвиненого турбулентного режимів руху рідини в плівках під час їх вільного стікання та за наявності паралельного потоку пари.

Проведений аналіз результатів експериментальних досліджень теплообміну в роторно-плівкових випарних апаратах різноманітних конструкцій. Показано, що практичне використання їх результатів достовірне лише для відповідних конструкцій, продуктів, що підлягають упарюванню та діапазонів зміни витратних та теплофізичних характеристик.

На основі проведеного аналізу сформульовані конкретні завдання дослідження та вибрані шляхи їх розв’язання.

Другий розділ присвячений опису дослідно-промислової випарної установки, роторно-плівкового випарного апарата, методик проведення досліджень та оброблення експериментальних даних.

Дослідно-промислова установка, що складається з трьох РПА пілотної моделі, технологічна схема якої показана на рис.1, була розроблена ПФ «Спектр» при НВО «Селта» УААН, виготовлена на Сакському дослідно-механічному заводі НВО «Йодобром». Впровадження і дослідження роботи дослідно-промислової установки проведені на Нижньогірському консервному заводі АР Крим.

Автор висловлює подяку співробітникам Центру контролю й випробувань якості продукції Мінагрополітики АР Крим і його керівнику Л.С. Кан за допомогу в проведенні експериментального дослідження вмісту важких металів і нітратів у томатопродуктах.

Установка складається з насоса 1 подачі томатопродуктів, буферної місткості 2 з датчиками верхнього і нижнього рівня продукту, фільтра 3, РПА 4, 10, 17, гребінки подачі пари 6 з регулятором тиску 44, пароструминного теплового насоса 7, шнекових насосів 9, 30 і 31 (для подачі томатопродукту з одного корпусу в інший), конденсатовідвода 13, 19 і 38, конденсатора 22 для конденсації вторинної пари останнього корпусу, водоструминного вакуум-насоса 23, водяного насоса 24, фільтра 25, системи трубопроводів для подачі продукту, охолодної води, відведення конденсату, регламентувальної і керувальної апаратури.

Спочатку томатопродукт, нагрітий до 60 °С у кожухотрубному підігрівнику А9-КБВ за допомогою насоса 1 через фільтр 3 подається в буферну місткість 2. У разі спрацьовування датчика верхнього рівня насос 1 автоматично вимикається, а з досягненням продуктом нижнього рівня автоматично вмикається. Регулювання величини подачі продукту в перший корпус 4 здійснюється за допомогою вентиля 5. Пара з лінії підведення пари надходить у гребінку 6 через регулятор тиску 44.

Через регулювальний вентиль 8 пара надходить у пароструминний тепловий насос 7 і далі — в парову сорочку корпусу 4, де конденсується і конденсат через вентиль 12, конденсатовідвід 13 і зворотний клапан 15 надходить у лінію відводу конденсату 16. Вторинна пара надходить у парову сорочку корпуса 10. Продукт із корпусу 4 подається за допомогою шнекового насоса 9 через регулювальний вентиль 54 у другий корпус 10. Якщо продукт на виході з корпусу не досяг необхідної концентрації, то через вентилі 56 і 58 байпасной лінії він може бути повернутий у перший корпус 4. Конденсат з парової сорочки корпусу 10 через вентиль 18 виводиться в конденсатовідвід 19, а потім насосом, керованим датчиками верхнього і нижнього рівня, через зворотний клапан відводиться в лінію 16.

Аналогічно працюють усі інші корпуси. Вторинна пара з останнього корпусу надходить у конденсатор 22. Концентрований томатопродукт шнековим насосом 31 через регулювальний вентиль, керований електронним рефрактометром, надходить на лінію розфасування. До досягнення томатопродуктом на виході з останнього корпусу заданої концентрації він може бути спрямований у початок установки перед насосом подачі продукту 1 чи в кожен із корпусів через вентилі 53, 56, 57 і 58 по байпасних лініях.

Концентрація СР на виході з корпусів установки визначалася за стандартною методикою визначення розчинних сухих речовин з похибкою вимірювання за шкалою сухих речовин ± 0,1 %. Тиски нагрівних і вторинних парів у корпусах вимірялися зразковими вакуумметрами класу 0,4 з ціною поділки 0,0004 Мпа. Температури нагрівних і вторинних парів у корпусах вимірювалися лабораторними термометрами з ціною поділки 0,1 КО.

Витрату нагрівної пари, що надходить у кожен із корпусів установки вимірювали за допомогою стандартного звужувального пристрою.

Дослідно-промисловий зразок роторно-плівкового випарного апарата (рис.2) складається з корпусу 1, піддона 2, кришки 3, ротора 4 і приводу 5. Корпус 1 утворений внутрішньою стінкою б з полірованою робочою поверхнею 7, зовнішньою стінкою 8, верхнього 9, нижнього 10 трубними решітками, між якими розміщено пучок труб 11 з полірованою внутрішньою поверхнею. Піддон 2 складається з двох стінок, що утворюють парову оболонку, і похилу стінку, що разом з нижньою трубою решіткою 10 утворює кільцевий канал 15 після з’єднання фланців корпусу 1 і піддона 2. Ротор 4 складається з трубчастого вала, на якому закріплено перфорований барабан 22, що має верхній торець, циліндричну і конічну обичайки, на яких закріплено стрічку шнека 23.

Конструктивні параметри дослідно-промислового зразка РПА: внутрішній діаметр циліндра D = 0,638 м; довжина циліндричної частини Lц = ,0 м; відношення довжини циліндричної частини до діаметра aе = 1,567; довжина конусної частини Lк = 0,22 м; кут нахилу конусної частини 45°; загальна робоча довжина ротора L = 1,22 м; крок гвинтової лінії шнека ротора Н = 0,15 м; діаметр перфорованого барабана Dd = 0,5м; зазор між ротором та внутрішньою поверхнею стінки Д?2мм; кут нахилу твірної стрічки шнека b °; частота обертання ротора nр = 0,667 с-1.

У дослідах об’ємна щільність зрошення поверхонь теплообміну продуктом змінювалася в межах Г=7•10?6…4 • 10?4, м2?с; вміст сухих речовин у томатопродукті СВ = 4…28 %; значення плівкового числа Рейнольда Red = ,2…142; середній температурний напір у корпусах випарної установки 8…13 °С; тиск вторинної пари третього корпусу випарної установки ? (2,5…3,2)104 Па.

У третьому розділі проведено аналіз теплоперенесення в плівках рідини роторно-плівкових випарних апаратах з роторами спірального типу.

Під час аналізу перенесення імпульсу й енергії в спадних плівках томатопродуктів як дискретно-локальні (квазілокальні) теплогідродинамічні характеристики приймалися їх усереднені вздовж поверхні теплообміну окремого апарата значення. Аналіз механізму пароутворення в плівках рідини у всьому діапазоні зміни витратних і режимних характеристик, що траплялися в дослідах, свідчить, що у всіх режимах роботи випарних апаратів відбувалося випарювання з поверхні плівки за відсутності кипіння в ній.

Проведено обґрунтування достовірності використання як базової моделі для порівняльного аналізу результатів експериментального дослідження двовимірної моделі стаціонарної турбулентної квазістабільної плівки, що стікає по вертикальній плоскій поверхні за наявності міжфазного дотичного напруження на поверхні поділу «пара — рідина».

Двовимірне рівняння руху (диференціальне рівняння збереження механічної енергії в плівці) у рамках нуссельтових припущень набуває одновимірного вигляду:

, (1)

vх = 0 при y = 0, при y = . (2)

Рівняння перенесення теплоти (диференціальне рівняння збереження внутрішньої енергії) для випадку випарювання з поверхні плівки запишеться у вигляді

, (3)

за граничних умов

Т = Тст при y = 0. (4)

Розподіл дотичного напруження запишеться в такий спосіб

, (5)

а розподіл густини теплового потоку

. (6)

Вираз для безрозмірнісного кінематичного коефіцієнта турбулентної в’язкості з використанням поняття довжини шляху змішання набуває вигляду:

, (7)

де — безрозмірна довжина шляху змішання.

Попередній аналіз дозволив зробити висновок, що існуючі моделі молекулярного та турбулентного перенесення в плівках не дозволяють однозначно описати результати експериментального дослідження. Очевидною причиною цього є динамічна взаємодія ротора з плівкою, яка є причиною двох взаємопов’язаних ефектів:

? зменшення товщини плівки;

? турбулізації руху рідини в плівці.

Для числового опису інтенсивності динамічної взаємодії ротора з поверхнею плівки введемо поняття так званого умовного динамічного напруження на поверхні плівки фi, а для описання турбулізації рідини в плівці скористаємося поняттям перехідного режиму від ламінарного до турбулентного, та введемо поняття коефіцієнта переміжності турбулентного руху рідини в плівці g, визначивши його як

g = (?+? ?+1)? (?+2? ?+1). (8)

Тоді величина, що визначає міру стійкості ламінарної течії, визначиться як

k = 1 – g,

адже при = 0 матимемо k =1 і ламінарний режим існує, і навпаки, при = 1 матимемо k=0, і ламінарний режим поступається розвиненому турбулентному.

Для визначення величини k припустимо, що вона підлягає релаксаційній залежності

dk ? dфi ? ? k. (9)

Інтегруючи останнє рівняння за граничної умови k = 1 при фi = 0, одержимо

k ? exp (?фi) (10)

і відповідно

г = 1 ? k ? 1 ? exp (?фi). (11)

Припускаємо, що при ламінарному режимі руху в плівці ?+1= 0, а при розвиненому турбулентному режимі довжину шляху змішування задамо, виходячи з однофазової моделі в модифікації Ван-Дриста.

Тоді рівняння зміни довжини шляху змішування в плівці набуде вигляду

?+ ? 0,4y+[ 1? exp(?y+?26)] [ 1 ? exp (?фi)], (12)

а плівкове число Рейнольдса розчину визначиться так

(13)

Безрозмірнісні форми коефіцієнта тепловіддачі для випадку випарювання з поверхні плівки визначаються в такий спосіб:

Nu = St Рr v* (g)–1/3. (14)

Відповідно до наведеної методики для результатів експериментального дослідження були розраховані значення фi, що відповідають значенням інтенсивності тепловіддачі в дослідах. Для цього, розв’язуючи систему рівнянь (7), (12), (13), (14) відносно фi з підстановкою в них значень плівкових чисел Нуссельта і Рейнольдса, розрахованих з використанням результатів, отриманих у дослідженні, знаходили експериментальні значення фi.

Для значення турбулентного аналога числа Прандтля обрали вираз, отриманий при дослідженні теплообміну під час випарювання яблучних соків в плівках

Prt = 1?0,1(+)0,28. (15)

У результаті була отримана безрозмірнісна залежність

фi* = 6,2• 10?5 • Red0,902Pr1,32, (16)

(Коефіцієнт детермінації — 0,768).

Оскільки динамічна взаємодія ротора з плівкою визначається також співвідношенням товщини неперервного шару в плівці до зазору між ротором та твердою поверхнею, рівняння для визначення фi* модифікували, обравши як визначальний параметр симплекс, який дорівнює відношенню розрахункової товщини плівки, що вільно стікає, визначеної для ламінарно-хвильового режиму руху за відповідних витратних та теплофізичних характеристик плівки, до величини зазору між ротором та внутрішньою поверхнею стінки дл-хв ?Д (величина зазору приймалась рівною Д=2мм). Відповідна залежність, отримана при апроксимації дослідних даних, має вигляд

фi* =35,51 (дл-хв ? Д)2,73 Pr?0,496. (17)

Таким чином, отримані рівняння (16), (17) становлять гідродинамічну граничну умову другого роду на поверхні плівки при y = d і дозволяють, відповідно, замкнути модель перенесення імпульсу й енергії в плівці.

На рис.3 наведене порівняння значень числа Nu, розрахованих на базі експериментальних даних, з визначеними відповідно до вищенаведеної методики з використанням для замикання моделі рівняння (16). Можна зробити висновок про задовільну відповідність експериментально визначених та розрахованих за пропонованою методикою значень безрозмірнісного коефіцієнта тепловіддачі.

Рівняння (16), (17) можуть бути використані, очевидно, для розрахунку фi* у роторно-плівкових апаратах з роторами спірального типу і відповідними наявними в дослідах кутом нахилу спіралі і лінійною швидкістю кромки спіралі щодо поверхні теплообміну.

Проте, пропонована методика, що ґрунтується на побудові математичної моделі процесів перенесення імпульсу й енергії в плівці і враховує складний одночасний вплив на інтенсивність процесів перенесення зменшення товщини плівки і турбулізації плинності рідини в ній, викликане взаємодією ротора і плівки, є досить складного і громіздкого для безпосередніх інженерних розрахунків.

Тому для розробки інженерної методики розрахунку теплообміну в роторно-плівкових апаратах зі спіральним ротором експериментальні результати аналізувалися з метою одержання залежності між безрозмірнісним коефіцієнтом тепловіддачі і безрозмірнісними числами, що характеризують витратні і теплофізичні характеристики.

У результаті апроксимації дослідних даних з використанням методів теорії подібності отримано узагальнюючу залежність у вигляді

Nu = 0,133 • Red ?0,134Pr0,37, (18)

(Коефіцієнт детермінації — 0,739).

В четвертому розділі проведений аналіз результатів експериментального дослідження вмісту важких металів та нітратів в томатопродуктах кримського виробництва.

Аналіз конструкції дослідної установки, а також методики опрацювання його результатів (розділ 2) дає можливість з високим ступенем вірогідності припустити, що в ході досліджень втрати мінералізата мінімізовані або ж їх зовсім немає. Тому, очевидно, залежність вмістів металів у томатопродуктах від вмісту сухих речовин, виходячи з рівнянь балансів сухих речовин і важкого металу, повинна описуватися залежністю

Сі = km, (19)

оскільки Сі = G і m ? (100G СР), де G і, G СР — масові вмісти відповідно металу, мг? кг продукту, і сухих речовин, кг? кг продукту, у томатопродукті. Тобто, k = G і ? (100G СВ) — відносний вміст металу в сухих речовинах, відповідно, величина постійна.

Опрацювання результатів експериментального дослідження дала можливість одержати відповідні розрахункові залежності, мг/кг

Ссв = 0,016 m, мг/кг, (20)

См = 0,23 m, мг/кг, (21)

Сц = 0,35 m, мг/кг. (22)

Графіки залежностей (20) — (22) наведені на рис. 4 а, б.

СанПиН 43-123-4089—86 встановлюють однакові вимоги до гранично допустимих концентрацій важких металів і миш’яку як для овочів, так і для овочевих консервів, до яких належать і концентровані томатопродукти. Отже, не виключена можливість, що при упарюванні томатного соку зі вмістом важких металів і миш’яку в 0,18...0,25 від їх ГДК, вище отримана томатна паста може містити метали, понад їхній ГДК і не буде відповідати вимогам СанПиН 43-123-4089—86. Цей висновок підтверджується результатами проведених експериментів, коли при ГДК міді 5 мг/кг і її вмісті у вихідному матеріалі 0,9 мг/кг її концентрація в процесі концентрування зросла до 6,6 мг/кг, тобто перевищила значення ГДК.

Отже, для одержання концентрованих томатопродуктів, у яких вміст важких металів і миш’яку гарантовано не перевищуватиме значень ГДК, необхідно посилити вимоги до вмісту цих елементів у вихідному матеріалі, який не повинен перевищувати (0,15...0,18)ГДК, визначених СанПиН 43-123-4089—86.

Графічна залежність вмісту нітратів від вмісту сухих речовин, показана на рис.5. Залежність концентрації нітратів від умісту сухих речовин визначалася у вигляді у = Ахв. Така залежність була обрана з міркувань, що в процесі нагрівання, що супроводжує процес концентрування, частина нітратів розкладається, а частина видаляється з концентрованого продукту у вигляді летких сполук.

Після розрахунку коефіцієнтів регресії отримано рівняння:

Сн = 41,98 m0,3523, мг/кг, (23)

де m — концентрація сухих речовин, %.

Отримана залежність підтверджує висновки ряду дослідників про зниження концентрації нітратів при тепловій обробці за рахунок їхнього розкладання, а також видалення разом з леткими сполуками.

З метою побудови напівемпіричної моделі розкладання і видалення нітратів у процесі концентрування томатопродуктів запишемо швидкість зміни
вмісту нітратів залежно від концентрації сухих речовин у вигляді релаксаційної залежності

dGн? dm = ? nGн, (24)

де Gн? вміст нітратів у сухих речовинах, мкг? кг сухих речовин.

Інтегруючи рівняння (24) за умови, що

Gн = Gн0 при m = m0, (25)

одержимо

Gн = Gн0exp[n(m0? m)]. (26)

або ж Сн = (m? m0) Сн0exp[n( m0? m)]. (27)

Як визначальний параметр була обрана концентрація сухих речовин, тому що для роторно-плівкової випарної установки за заданої продуктивності і температурного режиму вона визначає також час перебування томатопродукту у випарній установці.

Значення m0 і Cн0 визначаються для однієї з експериментальних точок. Загалом, вибір граничних умов за експериментальними даними також входить до статистичного завдання. Проте, оскільки в даному разі кількість дослідів була обмеженою, граничні умови визначалися для точки, у якій очікувана помилка мінімальна.

Опрацювання результатів експериментального дослідження згідно з формою рівняння (27) дало залежність

Сн = 5,75m • exp[n( 16 ? m)], (28)

де коефіцієнт

n = 0,08+ 0,064(0,092 m + 0,1)2,5? (16 ? m). (29)

Наведена на рис.5 крива, побудована відповідно до розрахунку за залежністю (28), свідчить про її відповідність як дослідним даним, так і розрахунку за степеневою залежністю (23).

Аналіз результатів про їхню відповідність ГДК свідчить про необхідність застосовувати для одержання томатної пасти томатний сік, вміст нітратів у якому не перевищує 0,3...0,35 їх ГДК.

Одним з найнебезпечніших канцерогенів є N-нітрозодиметиламін (НДМА). Це сильнодіюча канцерогенна речовина, включена серед інших нітрозосполук Міжнародним агентством з вивчення раку (МАВР) до числа сполук, канцерогенні властивості яких безсумнівні.

У процесі консервування і концентрування соків під впливом температури відбуваються структурні зміни — утворюються нові сполуки, у тому числі і нітрозамини (НА). Так, свіжий томатний сік містить 45 мг/кг амінокислот, тим часом як консервований — 337 мг/кг. Тобто, кількість НА зростає швидше, ніж зростає вміст сухих речовин у томатопродукті. Тому при розробці нового обладнання для виробництва концентрованих овочевих соків нами проводилися дослідження утворення НДМА.

Встановлено, що інтенсивність накопичення НДМА під час концентрування томатного соку зростає зі збільшенням концентрації сухих речовин у концентраті, що свідчить про нітрозування амінів і аміногруп. Нітрозуванню також підлягають нітрати і продукти їхнього перетворення. Збільшення активності утворення НДМА наприкінці процесу концентрації пояснюється тим, що стійкими є тільки вторинні аміни. Так, уміст НДМА в першому корпусі трикорпусної вакуум-випарної установки, залежно від початкової концентрації соку, становить 4...8 , а в останньому — 75...150 мкг/кг.

Таблиця 4.2

Зміст НДМА в томатній пасті в процесі випарювання в трихкорпусній вакуум-випарній установці, мкг/кг

Початковий

вміст сухих речовин, % | До обробки | Перший корпус | Другий корпус | Третій

корпус

5 | Сліди | 4 | 15 | 75

6 | 5 | 18 | 120

7 | 8 | 20 | 150

Одночасно з процесом нітрозування амінів, нітратів і продуктів їхніх перетворень під впливом температури, варто очікувати, що збільшення вмісту НДМА в процесі концентрування томатопродуктів буде меншим очікуваного. Це викликано тим, що випарювання томатопродуктів також повинне викликати одночасне зменшення концентрації НА в концентраті томатного соку внаслідок леткості нітрозамінів і в зв’язку з їх доброю розчинністю у водяній парі. Водночас, збільшення тривалості процесу негативно впливає на якість томатної пасти в частині вмісту канцерогенних речовин.

В п’ятому розділі розроблена напівемпірична модель випарної установки, що дозволяє врахувати втрати теплоти в навколишнє середовище та самовипаровування томатопродукту в випарних апаратах. Модель дозволила визначити значення параметрів, які визначають оптимальні теплотехнічні режими в умовах роботи з перепусками нагрівної пари в парові камери другого та третього корпусів випарної установки.

Аналіз отриманої математичної моделі з допомогою двовимірних перетинів дозволив визначити зміни критерія оптимізації, яким була обрана питома витрата нагрівної пари, під час варіювання кожної пари факторів, серед яких визначальними були обрані: витрата томатопродукту на випарну установку та витрати нагрівної пари в кожний з трьох корпусів випарної установки.

ВИСНОВКИ

1. У результаті комплексного теоретичного аналізу й аналізу результатів експериментального дослідження теплообміну в плівках томатопродуктів з випарюванням у роторно-плівкових випарних апаратах з роторами спірального типу показано, що в кільцевій плівці рідини реалізується режим плинності, перехідний від ламінарного до турбулентного і розвинутий турбулентний.

2. Запропоновано модель механізму динамічної взаємодії спірального ротора апарата і плівки випарюваного розчину, в основу якої покладено поняття «умовного дотичного напруження» на поверхні плівки.

3. Розроблена математична модель процесів перенесення імпульсу й енергії в плівці, що базується на запропонованому принципі переміжності турбулентності, враховує особливості механізму перенесення імпульсу й енергії в перехідному режимі плинності в умовах динамічної взаємодії ротора і плівки розчину.

4. Для інженерного моделювання процесів теплоперенесення в плівках роторно-плівкових апаратів зі спіральним ротором розроблено розрахункова залежність, що пов’язує безрозмірнісну величину інтенсивності тепловіддачі з безрозмірнісними числами, що характеризують витратні і теплофізичні характеристики рідини в плівці.

5. За результатами аналізу експериментального дослідження вмісту томатопродуктів кримського виробництва розроблено розрахункові залежності для визначення вмісту важких металів (свинцю, міді, цинку), з різними значеннями вмісту сухих речовин у них.

6. На основі проведених експериментів установлена залежність зміни концентрації нітратів у томатопродуктах кримського виробництва від концентрації сухих речовин у них. Залежність свідчить, що збільшення концентрації нітратів відбувається меншою мірою, ніж збільшення концентрації сухих речовин, що свідчить про зниження вмісту нітратів за рахунок їхнього розкладання у процесі згущення томат-продуктів, а також видалення разом з леткими сполуками.

7. Розроблено модель, що дає можливість враховувати зниження кількості нітратів, що містяться в томатопродуктах, у процесі їхнього згущення.

8. Проведені дослідження дали змогу встановити, що для одержання концентрованих томатопродуктів, у яких вміст важких металів і нітратів не перевищує ПДК, необхідно, щоб вміст важких металів у вихідному матеріалі (томатному соку) не перевищувало (0,18...0,25) ГДК, а нітратів містилося не більш як 0,3...0,35 їх ПДК.

9. Переважна кількість N-нітрозодиметиламіну накопичується в кінцевій стадії процесу (до 150 мкг?кг концентрованого томатопродукту).

10. Зі збільшенням концентрації сухих речовин у вихідному томат-продукті відбувається випереджальне збільшення кількості N-нітрозодиметиламіну в концентрованому томатопродукті.

11. Напівемпірична модель теплотехнічного режиму випарної установки, отримана на базі результатів експериментального дослідження, дала змогу визначити параметри оптимальних режимів в умовах роботи з перепусками гріючої пари у другий і третій корпуси.

12. Аналіз отриманої напівемпіричної математичної моделі теплотехнічного режиму випарної установки за допомогою двовимірних перерізів дав можливість установити зміну критерію оптимізації при варіюванні кожної пари факторів, за які було обрано витрату томатопродукту на перший корпус та витрати нагрівної пари на перший, другий та третій корпуси випарної установки.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ

– коефіцієнт тепловіддачі, вт/(мІ·К); – середня товщина плівки продукту, м; – радіальний зазор між кінцями лопатей і робочою поверхнею, м; еу, еq – кінематичні коефіцієнти турбулентного перенесення імпульсу й енергії, мІ/с; ,– безрозмірнісні кінематичні коефіцієнти турбулентного перенесення імпульсу й енергії, ; ; l – коефіцієнт теплопровідності розчину, Вт/(м·К); нр – кінематичний коефіцієнт в'язкості розчину, мІ/с; фі ? умовне напруження тертя на поверхні плівки, Н? м2; фi* = фi ? (сg (н2? g)1? 3) ? безрозмірнісне «умовне напруження тертя»; ? – довжина шляху змішування, м; ?+? безрозмірнісна довжина шляху змішання, ?+= ?v*?нр; ар – коефіцієнт темпе-ратуропровідності розчину, мІ/с; m – вміст сухих речовин, %; q – густина теплового потоку, Вт/м2; Т – температура, К; T+– безрозмірнісна температура, ; v,vx,vy , v z – швидкість та її компоненти, м/с; v* – динамічна швидкість, м/с, ; x, y, z – декартові координати, м; y+ – безрозмірнісна координата, ; Гv ? об'ємна щільність зрошення продуктом робочої поверхні, м2? с; Nu – безрозмірнісне число Нуссельта, Nu=(н2?g)1?3; Reр – безрозмірнісне число Рейнольдса плівкове (визначальний розмір – еквівалентний діаметр плівки); Reр=4Г/нр; Pr – безрозмірнісне число Прандтля; Prt – турбулентний аналог числа Прандтля; St ? безрозмірнісне число Стентона, St?1= T+.

ПУБЛІКАЦІЯ ОСНОВНИХ ПОЛОЖЕНЬ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бессараб О.С., Шутюк В.В., Ващук Т.О. Утворення N-нітрозодиметиламіну при зневодненні овочевих соків //Харчова промисловість.- 1999. - Вип. 45.- С. 280-282.

Особистий внесок автора: брав участь у підборі та теоретичному аналізі літературних джерел, плануванні й проведенні досліджень, узагальненні отриманих результатів, підготовці матеріалів до друку.

2. Ващук Т.О., Бессараб О.С., Шутюк В.В. Випарна установка для виробництва томатної пасти //Наукові праці Українського державного університету харчових технологій 2000.- № 6.- С. 96-97.

Особистий внесок автора: брав участь у підборі та теоретичному аналізі літературних джерел, плануванні й проведенні досліджень, узагальненні отриманих результатів, підготовці матеріалів до друку.

3. Василенко С.М., Шутюк В.В., Ващук Т.О. Теплоперенесення в турбулентних плівках рідини //Харчова промисловість -2004. - №3. - С.42-45. Особистий внесок автора: приймав участь у підборі та теоретичному аналізі літературних джерел, розробленні та реалізації математичної моделі.

4. Ващук Т.О., Василенко С.М., Шутюк В.В. Теоретичне обґрунтування основних розмірів роторних плівкових випарних апаратів // Матеріали 70-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. Ч.2. К.: НУХТ. – 2004. – С.46.

Особистий внесок автора: брав участь у підборі та теоретичному аналізі літературних джерел, розробленні вихідних даних для проектування, підготовці матеріалів.

5. Ващук Т.О., Василенко С.М., Шутюк В.В Експериментальне дослідження технологічних режимів випарної установки на базі роторних плівкових апаратів // Матеріали 70-ої наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. Ч.2. К.: НУХТ. – 2004. – С.46.

Особистий внесок автора: брав участь у підборі та теоретичному аналізі літературних джерел, плануванні й проведенні досліджень, узагальненні отриманих результатів, підготовці матеріалів.

6. Патент B01D1/54. Роторно-плівковий вакуумний аппарат. М. Л. Вайсман, Т. О. Ващук, В. П. Токаренко Бюл. № 2 від 25.04.97р.

Особистий внесок автора: здійснював патентний пошук, участь у проведенні досліджень, обробленні отриманих результатів, підготовці заявки на патент України.

АНОТАЦІЇ

Ващук Т.О. Теплотехнологічні режими процесу концентрування томатопродуктів в роторно-плівковій випарній установці.? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 ? процеси та обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. ? Національний університет харчових технологій, Київ, 2008.

Робота присвячена комплексному дослідженню теплотехнологічних режимів роботи трикорпусної випарної установки, що складається з роторно-плівкових випарних апаратів з роторами спірального типу, при випарюванні томатопродуктів, а також у створенні фізично адекватних методик їхнього розрахунку.

У результаті комплексного теоретичного аналізу й аналізу результатів експериментального дослідження теплообміну в плівках томатопродуктів з випарюванням у роторно-плівкових випарних апаратах з роторами спірального типу запропоновано модель механізму динамічної взаємодії спірального ротора апарата і плівки випарюваного розчину, в основу якої покладено поняття «умовного дотичного напруження» на поверхні плівки. Розроблена математична модель процесів перенесення імпульсу й енергії в плівці, що базується на запропонованому принципі переміжності турбулентності, враховує особливості механізму перенесення імпульсу й енергії в перехідному режимі плинності в умовах динамічної взаємодії ротора і плівки розчину. Для інженерного моделювання процесів теплоперенесення в плівках роторно-плівкових апаратів зі спіральним ротором розроблено розрахункова залежність, що пов’язує безрозмірнісну величину інтенсивності тепловіддачі з безрозмірнісними числами, що характеризують витратні і теплофізичні характеристики рідини в плівці. За результатами аналізу експериментального дослідження вмісту томатопродуктів кримського виробництва розроблено методику для визначення вмісту важких металів (свинцю, міді, цинку) та нітратів, з різними значеннями вмісту сухих речовин у них. Проведений аналіз отриманої напівемпіричної математичної моделі теплотехнічного режиму випарної установки уможливив визначити зміну техніко-економічних показників процесу концентрування при варіюванні витрати томатопродукту на перший корпус та витрати нагрівної пари на перший, другий та третій корпуси випарної установки.

Ключові слова: теплотехнологічні режими, роторно-плівковий випарний апарат, теплообмін, переміжність турбулентності, коефіцієнт тепловіддачі, дотичне напруження, важкі метали, нітрати.

Ващук Т.А. Теплотехнологические режимы процесса концентрирования томатопродуктов в роторно-пленочной выпарной установке. ? Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальность 05.18.12 – Процессы и оборудование
пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. ? Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2008.

Работа посвящена комплексному исследованию теплотехнологических режимов работы трехкорпусной выпарной установки, состоящей из роторно-пленочных выпарных аппаратов с роторами спирального типа, при выпаривании томатопродуктов, а также в создании физически адекватных методик их расчета.

В результате комплексного теоретического анализа и анализа результатов экспериментального исследования теплообмена в пленках томатопродуктов с выпариванием в роторно-пленочных выпарных аппаратах с роторами спирального типа показано, что в кольцевой пленке жидкости реализуется режим течения, переходный от ламинарного к турбулентному и турбулентный.

Предложена и разработана модель механизма переноса импульса и энергии в пленках роторно-пленочных аппаратов, в основу которой положен учет интенсивности динамического взаимодействия ротора со стекающей пленкой жидкости путем введения понятий эквивалентного касательного напряжения на поверхности пленки и перемежаемости турбулентности пленочного течения. Разработана полуэмпирическая модель процессов переноса в пленках роторно-пленочных аппаратов с роторами спирального типа, в основу которой положены предложенная модель механизма переноса и результаты экспериментального исследования.

Разработанная математическая модель процессов переноса импульса и энергии в пленке, которая базируется на предложенном принципе перемежаемости турбулентности, учитывает особенности механизма переноса импульса и энергии в переходном режиме течения в условиях динамического взаимодействия ротора и пленки раствора.

Для инженерного моделирования процессов теплопереноса в пленках роторно-пленочных аппаратов со спиральным ротором разработана расчетная зависимость, связывающая безразмерностную величину интенсивности теплоотдачи с безразмерностными числами, характеризующими расходные и теплофизические характеристики жидкости в пленке.

В результате анализа результатов экспериментального исследования содержания томатопродуктов крымского производства разработаны расчетные зависимости для определения содержания тяжелых металлов: свинца, меди, цинка,? в них при различных значениях содержания сухих веществ.

На основе проведенных экспериментов установлена зависимость изменения концентрации нитратов в томатопродуктах крымского производства от концентрации сухих веществ в них. Разработана модель, позволяющая учитывать снижение количества нитратов, содержащихся в томатопродуктах, в процессе их сгущения. Установлено, что подавляющее количество N-нитрозодиметиламина накапливается в