На правах рукописи

ШЕМЕНЕВА НАТАЛЬЯ АНАТОЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ

КВАСНОГО СУСЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

РОТОРНОГО РАСПЫЛИТЕЛЬНОГО ИСПАРИТЕЛЯ

Специальность: 05.18.12 – процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово – 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сорокопуд Александр Филиппович

Официальные оппоненты: Петрик Павел Трофимович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Энергосберегающие процессы в химической и нефтегазовой технологиях»

Буянов Олег Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», заведующий кафедрой «Теплохладотехника»

Государственное научное учреждение

Ведущая организация:

«Сибирский научно – исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции» Российской академии сельскохозяйственных наук, Новосибирская область, п. Краснообск

Защита состоится 19 декабря 2013 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г.

Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./ факс 8(3842) 39–68–88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http: //www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан « 18 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Российскую кухню невозможно себе представить без кваса, являющегося нашим национальным напитком. Помимо своего непревзойденного вкуса, квас обладает бактерицидными свойствами, улучшает обмен веществ в организме и содержит массу полезных микроэлементов и аминокислот. А так как россияне в последнее время стали больше заботится о своем здоровье, то и квас стал стремительно возвращаться в корзину потребителя.

В настоящее время наиболее распространенным способом производства кваса является приготовление его из концентрата квасного сусла. Однако, ввиду термолабильности данного продукта, процессы его концентрирования должны проводиться при невысоких температурах и минимальной продолжительности контакта с теплообменной поверхностью. Поэтому в пищевой промышленности для приготовления концентрата квасного сусла, как правило, применяют пленочные выпарные аппараты, работающие под вакуумом.

Роторные распылительные испарители (РРИ) обладают рядом преимуществ по сравнению с распространенными вакуумными выпарными аппаратами. Прежде всего, РРИ отличаются большей интенсивностью процессов теплообмена за счет дополнительной турбулизации пленочного течения жидкости в аппарате, возникающей при многократном диспергировании раствора в поле центробежных сил. Также РРИ достаточно компактны и не требуют высоких затрат энергии на организацию своей работы.

Однако процесс теплопередачи в РРИ недостаточно изучен, что препятствует широкому использованию их в пищевой промышленности.

В соответствии с изложенным, актуальным является проведение исследований, направленных на интенсификацию теплообмена и изучение возможности применения РРИ для получения качественного концентрата квасного сусла.

Научной базой исследований в данной области явились работы М.М.

Авруцкого, Я. М. Константинова, Ю.И. Макарова, В.М. Олевского, В.Р.

Ручинского, М.А. Харисова, А.Ф. Сорокопуда и ряда других ученых.

Цель работы – изучение процесса концентрирования пищевых продуктов в роторном распылительном испарителе в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке и совершенствование на этой основе технологии производства концентрата квасного сусла.

Задачи исследований:

– изучение физико–химических свойств и теплофизических характеристик квасного сусла и его концентратов, получение экспериментально–статистических моделей для их определения;

– исследования процесса теплообмена в РРИ в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке;

– установление оптимальных режимов работы РРИ;

– определение технико – экономических характеристик работы РРИ;

– разработка рекомендаций по промышленному использованию РРИ для получения концентрата квасного сусла.

Научная новизна:

– определены зависимости основных физико–химических свойств и теплофизических характеристик квасного сусла и его концентратов от температуры и содержания сухих растворимых веществ;

– установлены основные закономерности процесса концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ в условиях интенсификации теплообмена;

– выполнена оценка способов ввода воздуха в теплоноситель (горячую воду) на интенсивность теплообмена в РРИ;

– получены экспериментально–статистические модели, описывающие зависимость коэффициентов теплоотдачи от основных параметров на контактном элементе и в греющей рубашке РРИ в условиях интенсификации теплообмена.

Теоретическая и практическая значимость:

– получены экспериментально–статистические уравнения для расчета физико–химических свойств и теплофизических характеристик квасного сусла в широких диапазонах изменения температур и концентраций сухих веществ;

– установлены оптимальные режимы проведения процессов концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ, в том числе и квасного сусла, в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке;

– получены экспериментально–статистические зависимости для расчета основных технико–экономических характеристик РРИ;

– предложена методика уточненного расчета РРИ, позволяющая определить как основные конструктивные характеристики аппарата, так и основные параметры процесса;

– материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при выполнении курсового и дипломного проектирования студентов, обучающихся по направлению 260600 «Пищевая инженерия».

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методов исследований, обоснованных теоретических положений.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись:

– на VI Всероссийской научно–практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» (г.

Магнитогорск, 2011г.);

– на IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2011 г.);

– на V Всероссийской научно–практической конференции "Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности" (г. Бийск, 2012 г.);

– на международном научном форуме «Пищевые инновации и биотехнологии» (г. Кемерово, 2013 г.);

– на научных семинарах кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (г. Кемерово, 2010– 2013 г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 9 печатных работ, из них 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (110 источников), 6 приложений, содержит 32 рисунка и 10 таблиц. Основной текст изложен на 114 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе приведен литературный обзор наиболее распространенных конструкций вакуумных выпарных аппаратов, используемых в пищевой промышленности. Анализ аппаратов показал перспективность использования РРИ для концентрирования жидких термолабильных пищевых продуктов и, в частности, квасного сусла.

Литературный обзор показал, что в доступной автору литературе недостаточно сведений, характеризующих работу РРИ, вследствие сложности процесса теплообмена в них, что препятствует установлению оптимальных режимов переработки жидких пищевых продуктов, в том числе квасного сусла.

Кроме того, в первой главе рассмотрены способы интенсификации теплообмена в греющей рубашке РРИ и обоснован выбор конструктивного решения, как наиболее оптимального с точки зрения затрат на его реализацию.

Для интенсификации теплообмена предлагается турбулизировать греющую воду воздухом, вводимым в нее через трубки различного конструктивного исполнения.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы исследования физико– химических свойств и теплофизических характеристик жидких пищевых продуктов, приведены результаты экспериментальных исследований. Данные по свойствам продуктов имеют особую значимость при проведении тепло– массообменных процессов в выпарных аппаратах.

В качестве объекта исследования использовали концентрат квасного сусла компании ООО «Домат–Д» (Белгородская область, г. Бирюч), ТУ 9185– 005–23452466–03.

Диапазон изучения физико–химических свойств (плотности с, кг/м3;

динамической вязкости с, мПа·с; поверхностного натяжения с, Н/м) и теплофизических характеристик (удельной теплоемкости сс, кДж/(кг·К);

теплопроводности с, Вт/(м·К)) квасного сусла был выбран из анализа условий концентрирования в РРИ.

В процессе экспериментального исследования параметры менялись в следующих пределах:

– концентрация сухих растворимых веществ – ССВ=1060% масс. с шагом ССВ= 10 % масс.;

– температура – Т=293333 К, Т= 10 К.

Для определения плотности использовали пикнометрический метод, динамической вязкости – капиллярный метод, поверхностного натяжения – метод наибольшего давления пузырька академика Ребиндера.

Для исследования теплофизических характеристик были использованы следующие методы: теплопроводность – сравнительным методом Христиансена; удельная теплоемкость – калориметрическим методом.

Коэффициент температуропроводности ас, м2/с, рассчитывался по формуле: а = /(с).

Эксперименты проводились в трех повторениях. Погрешности измерения изучаемых свойств и характеристик по выбранным методикам составили: для плотности – ± 0,24%, для динамической вязкости – ± 2,9%, для поверхностного натяжения – ± 1,55%, для теплопроводности – ± 2,58%, для удельной теплоемкости – ± 1,3% После обработки экспериментальных данных в среде статистического пакета EXCEL были получены экспериментально–статистические модели, позволяющие рассчитать физико–химические свойства и теплофизические характеристики квасного сусла и его концентратов в интервале температур проведения процесса концентрирования в РРИ при различных концентрациях сухих веществ где R – коэффициент множественной регрессии, показывающий, что модель приспособлено объясняет 96,2% изменения плотности;

В третьей главе представлены результаты исследования теплообмена в РРИ в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке при концентрировании жидких пищевых систем.

Исследования проводились на экспериментальной установке, основным элементом которой являлся РРИ, представляющий собой цилиндрический вертикальный аппарат диаметром 0,15 м (рисунок 1), внутри которого расположен вращающийся ротор.

Ротор представляет собой набор распылителей, каждый из которых своим заборным устройством (ЗУ) питает рабочей жидкостью диспергирующее устройство (ДУ). Жидкость находится на питающих тарелках, которые в совокупности с распылителями и пристенными каплеотбойниками образуют контактных элементов (КЭ). Корпус РРИ обогревается горячей водой, циркулирующей в рубашках, площадь обогреваемой поверхности составляет 0,256 м2. Частота вращения ротора 90 с-1.

Характеристика распылителя: диаметр ДУ – dР=0,075 м, его высота – hР=0,042 м, диаметр отверстий ДУ – dО=0,002 м, количество рядов отверстий – 7, количество отверстий в одном ряду – 32 (отверстия в рядах расположены в шахматном порядке). Высота КЭ – h=0,13 м.

Аппарат работает следующим образом. Исходный продукт с вышерасположенного КЭ через переток 8 сливается в ДУ распылителя 9, откуда вместе с продуктом, поступившим с питающей тарелки 4, распыливается в свободное пространство КЭ. Достигнув пристенного каплеотбойника 3, представляющего собой набор вертикальных металлических пластин, установленных на стенке аппарата под углом 15 – 25 к касательной к ДУ, продукт растекается по ним в тонкую пленку и получает тепло за счет того, что пластины плотно соединены с корпусом 2. На поверхности пластин пленка продукта интенсивно турбулизируется касательно ударяющимися каплями, что повышает интенсивность процесса теплообмена на КЭ, а также уменьшает брызгоунос. Далее жидкость выходит на корпус 2, где интенсивно перемешивается, за счет запаса энергии, и затем по пластинам 3 и корпусу стекает на сливную тарелку 4, откуда большая ее часть подается ЗУ 10 в ДУ 9.

Остальная часть продукта, в количестве равном количеству свежепоступившего на тарелку, сливается в нижерасположенный КЭ. Восходящий поток пара с помощью направляющих 6, установленных в газоходах под углом 30 – 35, приобретает вращательное движение на каждом КЭ. При этом пар и распыленная жидкость взаимодействуют в условиях, близких к прямотоку, что увеличивает время контакта пара и жидкости и способствует дополнительной турбулизации контактирующих фаз.

На первом этапе исследований в качестве модельных систем использовались: водный раствор NaCl (ССВ =8; 12 % масс.), водный раствор сахара (ССВ =5; 10 % масс.). Исследования проводились при температуре греющего агента ТВН=365…373 К с шагом 4 К, расходах греющего агента VВ=8,3310-4 и 9,2210-4 м3/с; подачах воздуха – VВОЗД=(0,94…7,47)10-5 м3/с, подачах продукта VН=0,83310-5; 1,1110-5; 1,6610-5 м3/с. Глубина вакуума в аппарате – р=92 кПа. Ввод воздуха в греющую воду осуществлялся с помощью загнутой по направлению движения теплоносителя трубки (рисунок 8, вариант а). Температуру внутренней поверхности аппарата измеряли в двух точках по высоте с помощью хромель – копелевых термопар.

Эффективность процесса упаривания оценивалась с помощью коэффициента концентрирования, = WК/WН, где WК, WН – соответственно конечный и начальный объем упариваемого продукта. Таким образом, с уменьшением эффективность процесса концентрирования увеличивается.

Соотношение греющей воды и воздуха оценивалось через коэффициент насыщения j= VВОЗД /VВ.

На рисунках 2–4 представлены графические зависимости коэффициента концентрирования, теплопередачи КСР и теплоотдачи в греющей рубашке РРИ 2 от коэффициента насыщения греющей воды воздухом.

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента концентрирования от коэффициента насыщения при упаривании растворов, р = 92 кПа, ТВН = 373 К:

VВ=9,22·10-4 м3/с: 1 – VН = 0,83310-5 м3/с; 2 – VН = 1,1110-5 м3/с;

3 – VН = 1,6610-5 м3/с; VВ=8,33·10-4 м3/с: 4 – VН = 0,83310-5 м3/с.

Как показали проведенные эксперименты, при увеличении коэффициента j до j=0,07 коэффициент концентрирования снижается, а на участке с j=0,07 до j=0,081– возрастает. Это объясняется тем, что за счет наполнения потока теплоносителя пузырьками воздуха у поверхности теплообмена происходит разрушение пограничного ламинарного слоя. При дальнейшем увеличении подачи воздуха (j>0,07), он начинает перемещаться сплошным потоком и перестает дробить и обновлять пограничный слой. Повышение температуры греющего агента также ведет к снижению значения коэффициента концентрирования. Наиболее эффективно процесс упаривания протекал при ТВН=373 К. Увеличение подачи исходного продукта ведет к росту коэффициента. Увеличение подачи греющей воды повышает эффективность процесса.

Математическая обработка данных с использованием программы YABASIC– 2.763 позволила определить оптимальные соотношения расходов воздуха и греющей воды j=0,069±0,002.

Минимальное значение коэффициента концентрирования =0, достигалось при VН=0,83310-5 м3/с, j=0,07, ТВН=373 К, р= 92 кПа.

Рисунок 3– Зависимость коэффициента теплопередачи от коэффициента насыщения при упаривании растворов, р = 92 кПа, ТВН = 373 К:

VВ=9,22·10-4 м3/с: 1 – VН = 0,83310-5 м3/с; 2 – VН = 1,1110-5 м3/с;

3 – VН = 1,6610-5 м3/с; VВ=8,33·10-4 м3/с: 4 – VН = 0,83310-5 м3/с.

Графики (рисунки 3–4) наглядно демонстрируют, что значения КСР и увеличиваются с увеличением j до 0,07 и далее уменьшаются. С ростом VН – наоборот. Максимальных значений КСР и 2 достигают при j0,07, ТВН =373 К и VН = 0,83310-5 м3/с, это совпадает с условиями, обеспечивающими минимальное значение коэффициента концентрирования.

Как видно из графиков на рисунке 4, с увеличением значений j с j=0,01 до j0,07 увеличение значений коэффициента теплоотдачи составляет 90… Вт/(м2К). При дальнейшем росте величины j значения коэффициента теплоотдачи снижаются.

Наиболее интенсивно процесс концентрирования протекал при VВОЗД=6,4110-5 м3/с; ТВН=373 К; р=92 кПа, VН=0,83310-5 м3/с; VВ=9,22·10-4 м3/с, при этом уменьшение коэффициента концентрирования, по сравнению с при j =0, составляет =12,1 %. Исходя из проведенного анализа, именно данный режим был принят как наиболее эффективный для концентрирования солевого раствора с 8 до 26 % масс. и сахарного раствора с 5 до 55 % масс (рисунки 5–7).

Рисунок 4– Зависимость коэффициента теплоотдачи 2 от коэффициента насыщения при упаривании растворов, р = 92 кПа, ТВН = 373 К:

VВ=9,22·10-4 м3/с: 1 – VН = 0,83310-5 м3/с; 2 – VН = 1,1110-5 м3/с;

3 – VН = 1,6610-5 м3/с; VВ=8,33·10-4 м3/с: 4 – VН = 0,83310-5 м3/с.

Для расширения информационной базы по деалкоголизации водно – спиртового раствора в РРИ (в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке) в рамках настоящих исследований также были проведены эксперименты по деалкоголизации водно – спиртового раствора (ССП= 8 % об.) при ТВН = 365 К, j 0,07, р= 92 кПа, VН = 0,972 10-5; 1,39 10-5 м3/с (рисунки 5– 7).

Рисунок 5 – Изменение коэффициента концентрирования по проходам через испаритель при упаривании жидких пищевых систем Достаточно было трех проходов через испаритель для обеих подач, чтобы содержание спирта в водно–спиртовом растворе составляло менее 1 % об.

Проверка результатов проведенных экспериментов по материальному балансу показала, что расхождение экспериментальных и расчетных значений не превышает 6%, а величина энергетических потерь, определенная из уравнения энергетического баланса, составляет не более 12%.

Рисунок 6 – Изменение коэффициента теплопередачи по проходам через испаритель при упаривании жидких пищевых систем Рисунок 7 – Изменение коэффициента теплоотдачи 2 по проходам через испаритель при упаривании жидких пищевых систем Величина коэффициента теплоотдачи зависит от целого ряда режимных, конструктивных, технологических и других факторов. Получение точной расчетной зависимости для определения коэффициента теплоотдачи с учетом всех факторов для всех случаев теплообмена не представляется возможным. На практике ограничиваются получением расчетных зависимостей для конкретных теплообменных процессов, что позволяет выявить основные факторы, оказывающие определенное влияние на исследуемый процесс, и получить зависимости, пригодные для практического применения.

По данным, полученным в результате проведения экспериментов по упариванию солевого, сахарного и водно–спиртового растворов, с применением методов статистического анализа построена экспериментально–статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи 1 на КЭ РРИ от основных параметров при вводе воздуха в греющую воду с помощью загнутой по направлению движения теплоносителя трубки (рисунок 8, вариант а) 1= exp(2147,39–0,4 ·Reпл–1,1·Fr–0,02·Peц+0,254·К–0,001·We), Уравнение (7) имеет следующие безразмерные комплексы:

пленочный критерий Рейнольдса– Reпл= критерий Кутателадзе – где Gр – производительность ДУ распылителя, кг/с;

dK –диаметр капель в факеле распыла, м;

Uпл – скорость течения пленки упариваемой жидкости по пластинам каплеотбойника, м/с.

UK – скорость полета капель, м/с;

r – удельная теплота парообразования упариваемого раствора, Дж/кг;

– разность между температурой поверхности нагрева и температурой кипения раствора, К;

Физико–химические свойства и теплофизические характеристики модельных систем определялись экспериментально.

Данное уравнение применимо при следующих значениях чисел подобия:

Reпл=1600…8000; Fr=70…280; Peц=47000…55000; (Reц=1700…12000;

Pr=4…30); K=12…20; We=180…360.

Также была построена экспериментально–статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи 2 в греющей рубашке РРИ от входных параметров в условиях турбулизации воздухом (ввод воздуха через трубку по варианту а) на рисунке 8) Уравнение (8) справедливо для VВ= 8,3310-4; 9,2210-4 м3/с, р= 92 кПа в следующих диапазонах изменения входных параметров: ТВН =395…373 К, VH = (0,833…1,66)10-5 м3/с, VВОЗД =(0,94…6,41)10-5 м3/с, j=0,01…0,07 – и может быть рекомендовано для практических расчетов.

Отклонение значений коэффициента теплоотдачи 1, полученных экспериментально и рассчитанных по уравнению (7), не превышает 17,12 %.

Отклонение значений коэффициента теплоотдачи 2, полученных экспериментально и рассчитанных по уравнению (8), не превышает 14,56 %.

На втором этапе исследований для изменения турбулизации теплоносителя ввод воздуха в поток горячей воды осуществлялся через трубки диаметром 6 мм, с толщиной стенки 1мм, различного конструктивного исполнения (рисунок 8).

Рисунок 8– Схемы устройств для ввода воздуха:

а) трубка загнутая; б) =15°, 30°, 45°,60°; в) =10°; г) 4 отверстия мм в Вертикальная часть вводных трубок 2 устанавливалась во входном патрубке диаметром 20 мм на расстоянии 120 мм от рубашки РРИ 1. Для варианта а) на рисунке 8 длина прямого участка вводной трубки, установленного по оси входного патрубка, составляла 30 мм. В остальных вариантах нижний торец вводной трубки устанавливался непосредственно на стенку патрубка. Вводные трубки по вариантам а), г), д) имели одинаковое выходное сечение. Торцы трубок в вариантах г) и д) были заглушены.

В качестве модельной системы использовался водный раствор поваренной соли (NaCl) с начальной концентрацией ССВ= 8 % масс.

Исследования проводились при подаче воздуха VВОЗД=(0,94…7,47)10- м3/с, подаче продукта VН =0,83310-5 м3/с, давлении р=92 кПа, температуре греющего агента ТВН=365 … 373 К, расходе греющего агента VВ=9,2210-4 м3/с.

Как и в предыдущих экспериментах, наиболее эффективно процесс упаривания осуществлялся при ТВН=373 К. Анализ данных (рисунок 9) показал, что независимо от характера конструктивного исполнения ввода воздуха в теплоноситель при увеличении коэффициента j до j0,07 коэффициент концентрирования снижается, а на участке с j0,07 до j=0,081 – возрастает.

Процесс упаривания солевого раствора в РРИ при вводе воздуха в греющую воду через трубки по вариантам б), в) (рисунок 8), т. е. с различным углом среза представляет практический интерес. При этом коэффициент концентрирования при испытанных температурах греющей воды достигает наименьших значений при угле среза =10° (рисунок 8, в). Анализ данных показал, что вариант а) обеспечивает коэффициент концентрирования выше на 6 %, чем вариант в) на рисунке 8.

концентрирования от коэффициента В качестве рабочей жидконасыщения греющей воды (ТВН=373 К) сти использовали квасное сусло с при различных вариантах ввода воздуха: концентрацией сухих веществ 1 - д); 2 - г); 3 - б); = 60°; 4 - б), =45°; ССВ=10 % масс. (исходный конценб), =30°; 6 - б), =15°; 7 - в), =10° трат разводили кипяченой водой).

Концентрирование квасного сусла осуществлялось по следующему плану: первый проход – отделение ароматических веществ, последующие проходы – концентрирование до 60 % масс. При этом рабочие параметры выбранного режима составили:

– первый проход: подача продукта VН =1,6610-5 м3/с; температура греющей воды ТВН=355 К; без подачи воздуха в греющую рубашку;

– остальные проходы: подача продукта VН =0,83310-5 м3/с; температура греющей воды ТВН= 373 К; подача воздуха в греющую рубашку VВОЗД=6,4110- м3/с (j0,07). Вакуумная система обеспечивала создание в исследуемом объеме разрежения с остаточным давлением 8 кПа.

Введение воздуха в поток греющей воды осуществлялся через трубку по варианту в) (рисунок 8) с углом среза =10°.

Рисунок 10–Изменение коэффици- Рисунок 11–Изменение коэффициента концентрирования по проходам ента теплопередачи по проходам через испаритель при упаривании через испаритель при упаривании Рисунок 12–Изменение коэффици- Рисунок 13–Изменение коэффициента теплоотдачи 1 по проходам ента теплоотдачи 2 по проходам через испаритель при упаривании через испаритель при упаривании Как следует из данных, представленных на рисунках 10–13 для концентрирования квасного сусла до 63 % масс. потребовалось четыре прохода через испаритель. При этом было установлено, что с увеличением содержания сухих веществ в исходном растворе коэффициент концентрирования возрастает, что снижает эффективность процесса упаривания.

Органолептическая оценка кваса, приготовленного на основе экспериментального концентрата квасного сусла, выполненная на ООО «Савой» (г. Рубцовск, Алтайский край), показала перспективность использования РРИ для производства концентратов квасного сусла.

По данным, полученным в результате проведения экспериментов по упариванию солевого раствора и квасного сусла, с применением методов статистического анализа построена экспериментально–статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи 1 на КЭ РРИ от основных параметров при вводе воздуха в греющую воду с помощью трубки по варианту в) на рисунке 8.

1= exp(2350,29–0,44 ·Reпл–1,14·Fr–0,02·Peц+0,29·К–0,009·We), Данное уравнение применимо при следующих значениях чисел подобия:

Reпл=1600…8000; Fr=70…280; Peц=47000…55000; (Reц=1700…12000;

Pr=4…30); K=12…20; We=180…360.

Также была построена экспериментально–статистическая модель, описывающая зависимость коэффициента теплоотдачи 2 в греющей рубашке РРИ от входных параметров при вводе воздуха в греющую воду с помощью трубки по варианту в) на рисунке 8.

Уравнение (10) справедливо для VВ=9,2210-4 м3/с, р = 92 кПа в следующих диапазонах изменения входных параметров: ТВН =355…373 К, VH =0,83310-5 м3/с, VВОЗД =(0…6,41)10-5 м3/с, j=0…0,07 – и может быть рекомендовано для практических расчетов.

Анализ данных по упариванию солевых растворов показал, что трубка по варианту в) обеспечивает коэффициент теплоотдачи на КЭ в среднем выше на 10,4 %, а в греющей рубашке на 11,1 % по сравнению с вариантом а) на рисунке В третьей главе также был проведен анализ технико–экономических показателей работы РРИ, таких как удельный паросъем ПУД, кг пара/м поверхности теплообмена РРИ, и удельные энергозатраты NУД, кВт/кг пара.

Общие энергозатраты на работу выпарной установки измеряли при помощи счетчика электроэнергии СКАТ 301Э/1– 4 Ш Р2.

ПУД и NУД рассматривались как функция j. Анализ данных показал, что повышение j от 0,01 до 0,07 позволяет повысить паросъем на 5…20 % в зависимости от условий процесса.

Анализ экспериментальных данных по упариванию жидких пищевых систем показал, что с увеличением концентрации сухих веществ при каждом следующем проходе эффективность процесса снижается, уменьшается удельный паросъем, а удельные энергозатраты увеличиваются. Это можно объяснить как снижением количества влаги в растворе, так и значительным изменением физико–химических и теплофизических характеристик упариваемых растворов, что меняет гидродинамическую обстановку на КЭ РРИ, ухудшая условия теплообмена.

Процесс выпаривания квасного сусла в РРИ характеризуется удельным паросъемом 55–70 кг пара/м2, что примерно в 3 раза превышает аналогичный показатель трубчатых выпарных аппаратов. Удельный паросъем в вертикальном роторном пленочном аппарате (РПА) конструкции ВНИИЖа при концентрировании квасного сусла составил 135–160 кг пара/м2,при этом давление греющего пара в рубашке обогрева составляло р=0,8–1,2 МПа.

В результате математической обработки экспериментальных данных в среде статистического пакета EXCEL были получены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитать удельный паросъем и удельные энергозатраты (уравнения 11 и 12 при вводе воздуха в греющую воду через загнутую трубку по варианту а) на рисунке 8, а уравнения 13, 14– по варианту в) на рисунке 8) ПУД = exp(2010,19+2,04·j–0,03· ТВН–0,38 ·Reпл–0,96·Fr–0,02·Peц+ NУД= exp(–1983,94–1,62·j–0,02· ТВН+0,37 ·Reпл+0,95·Fr+0,02·Peц– ПУД = exp(2027,28+2,06·j–0,04· ТВН–0,38 ·Reпл–0,97·Fr–0,02·Peц+ NУД= exp(–1974,48–2,02·j–0,04· ТВН+0,37 ·Reпл+0,95·Fr+0,02·Peц– Уравнения (11, 12) применимы при: j=0,01…0,07;ТВН=365…373К;

Reпл=1600…8000; Fr=70…280; Peц=47000…55000; (Reц=1700…12000;

Pr=4…30); K=12…20; We=180…360.

Уравнения (13, 14) применимы при: j=0…0,07;ТВН=355…373К;

Reпл=1600…8000; Fr=70…280; Peц=47000…55000; (Reц=1700…12000;

Pr=4…30); K=12…20; We=180…360.

Анализ данных показал, что трубка по варианту в) обеспечивает увеличение удельного паросъема на 5,8% и уменьшение удельных энергозатрат на 6,9 % по сравнению с вариантом трубки а) на рисунке 8.

В четвертой главе предложена методика уточненного расчета РРИ для концентрирования жидких пищевых систем в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке, даны рекомендации по использованию РРИ для концентрирования квасного сусла. Приведена оценка экономической эффективности производства концентрата квасного сусла. Размер капитальных затрат на организацию производства концентрата квасного сусла составил 6586,187 тыс. рублей, срок окупаемости – 10 месяцев.

В приложении приведены результаты экспериментальных исследований, протокол дегустационной оценки (на ООО «Савой», г. Рубцовск Алтайского края) безалкогольного сильногазированного квасного напитка вкусо – ароматического направления «Квас Алтайский» с добавлением экспериментального концентрата квасного сусла.

ВЫВОДЫ

1. Исследованы физико–химические свойства и теплофизические характеристики квасного сусла и его концентратов в зависимости от температуры и концентрации сухих веществ в диапазонах, приемлемых для инженерной практики. Получены экспериментально–статистические уравнения, описывающие исследуемые свойства.

2. Исследовано влияние конструкций ввода сжатого воздуха в теплоноситель (горячую воду) на интенсивность теплоотдачи в рубашке РРИ, построены экспериментально–статистические модели для расчета коэффициентов теплоотдачи на КЭ и в греющей рубашке РРИ при переработке жидких пищевых продуктов.

3. Определены оптимальные режимы процесса концентрирования жидких пищевых продуктов в РРИ, в том числе и квасного сусла, в условиях интенсификации теплообмена в греющей рубашке.

4. Установлены технико–экономические характеристики (удельный паросъем и удельные энергозатраты) работы РРИ в условиях интенсификации теплообмена. Получены экспериментально–статистические зависимости, описывающие исследуемые характеристики.

5. Предложена методика уточненного расчета РРИ в условиях интенсификации теплоотдачи в греющей рубашке для проведения процессов деалкоголизации и концентрирования жидких пищевых продуктов.

6. Разработаны рекомендации по промышленному использованию РРИ для получения качественного концентрата квасного сусла, рассчитана экономическая эффективность капитальных вложений на его производство.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Сорокопуд, А.Ф. Влияние турбулизации теплоносителя газом на теплообмен в роторном распылительном испарителе / А.Ф. Сорокопуд, Н.А.

Шеменева // Техника и технология пищевых производств. – 2012. –№ 2. – С.

117–120.

2. Сорокопуд, А.Ф. Физико – химические свойства концентрата квасного сусла / А.Ф. Сорокопуд, Н.А. Шеменева, Н.Г.Третьякова // Техника и технология пищевых производств. – 2012. –№ 2. – С. 120–124.

Статьи в сборниках научных трудов, тезисы 3. Гриценко, В.В. Интенсификация теплообмена в роторном распылительном испарителе / В.В.Гриценко, А.Ф.Сорокопуд, Н.А. Шеменева // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч.

работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Вып. 18. – Кемерово, 2009. – С. 32–33.

4. Сорокопуд, А.Ф. Определение оптимальных условий обогрева роторного распылительного испарителя / А.Ф. Сорокопуд, Н.А. Шеменева // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Вып. 3.– Кемерово, 2010. – С. 3–7.

5. Сорокопуд, А.Ф. Технико – экономические характеристики роторного распылительного испарителя / А.Ф. Сорокопуд, Н.А. Шеменева // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сб. науч. работ / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Вып. 3– Кемерово, 2010. – С. 8–14.

6. Сорокопуд, А.Ф. Оптимальный расход воздуха на турбулизацию теплоносителя в греющей рубашке роторного распылительного испарителя / А.Ф.Сорокопуд, Н.А.Шеменева // Сборник материалов VI Всероссийской научно – практической конференции с международным участием «Качество продукции, технологий и образования» / Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И Носова. – Магнитогорск, 2011. – С. 384.

распылительного испарителя / Н.А.Шеменева // Сборник материалов IV Всероссийской конференции с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые продукты и здоровье человека» / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2011. – С.283–284.

8. Шеменева, Н.А. Концентрирование квасного сусла в роторном распылительном испарителе / Н.А.Шеменева, А.Ф.Сорокопуд // Сборник материалов V Всероссийской научно – практической конференции «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» / Бийский технологический институт АлтГТУ им. И.И.

Ползунова. – Бийск, 2012. – С.66–69.

9. Шеменева, Н.А. Теплофизические свойства концентрата квасного сусла / Н.А.Шеменева // Сборник материалов международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Пищевые инновации и биотехнологии» / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2013. – С. 835–839.