ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7133| Title: | Вдосконалення технології та обладнання для виробництва рідких та пастоподібних продуктів з молока |
| Authors: | Тімченко, Олексій Володимирович Білик, Арсен Григорович |
| Keywords: | роторно-пульсаційний апарат;рідка сировина;багатоцільове призначення;гомогенізація |
| Issue Date: | 14-Dec-2023 |
| Abstract: | Мета магістерської кваліфікаційної роботи це розробка та дослідження параметрів дослідної роторно-пульсаційної установки (РПУ) з розширеними функціональними можливостями для виробництва рідких та пастоподібних молочних продуктів. Методи досліджень. Дослідження виконані методами математичного моделювання, конструювання, прототипування. Розроблено дослідну конструкцію РПА багатоцільового призначення, проведено комплексні дослідження гідродинаміки проходження рідин через систему ротор-статор, проведено теоретичні та експериментальні розрахунки залежності ступеня збитості від тривалості газонаповнення та зазору між бічними поверхнями зубів ротора та статора. Об’єкт роботи. Процеси взаємодії робочих органів дослідної роторно-пульсаційної установки з рідкими та пастоподібними молочними продуктами. Предмет роботи. Функціональні зв’язки між конструктивними і геометричними параметрами робочих органів дослідної роторно-пульсаційної установки та напірно-витратними, енергетичними характеристиками процесу, отриманими рівнями збитості при обробці молоковмісних модельних систем. Наукова новизна. Уточнено апроксимуючі функції, що описують математичні залежності зміни напірної та енергетичної характеристик роторно-пульсаційного апарата, отримано рівняння та їх коефіцієнти у натуральному вираженні для практичного застосування. Практичне значення. Проведеним циклом досліджень технологічних можливостей створеної установки підтверджена можливість переробки та одержання рідких та пастоподібних молочних продуктів з різними фізико-хімічними властивостями у широкому діапазоні в'язкості. Отримані результати дозволили надати рекомендації для вдосконалення технології та серійного обладнання. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7133 |
| Appears in Collections: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Білик.pdf Restricted Access | Магістерська кваліфікаційна робота (МКР) складається з реферату, переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. МКР містить 108 сторінок, включає 40 формул, 43 рисунка, 24 таблиці, 32 літературних джерела та 1 додаток. | 3.14 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
магістр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему: «Вдосконалення технології та обладнання для виробництва рідких та
пастоподібних продуктів з молока»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
Виконав: студент 2 курсу, групи мПВ-86
спеціальності 133 – Галузеве машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(освітня програма)
Арсен БІЛИК
(ім’я та прізвище)
Керівник Олексій ТІМЧЕНКО
(ім’я та прізвище)
Рецензент Сергій ШЕВЧЕНКО
(ім’я та прізвище)
Черкаси 2023
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
Освітньо-кваліфікаційний рівень магістр
Спеціальність 133 «Галузеве машинобудування»
Освітня програма «Обладнання переробних і харчових виробництв»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
ЗАТВЕРДЖУЮ:
завідувач кафедри
___________Василь ОСИПЕНКО
(підпис) (ім’я та прізвище)
«_________»__________________2023 року
ЗАВДАННЯ
на магістерську кваліфікаційну роботу студенту
Арсену БІЛИКУ
(ім’я та прізвище)
1 Тема магістерської роботи: «Вдосконалення технології та обладнання для
виробництва рідких та пастоподібних продуктів з молока»
Керівник магістерської роботи: Олексій ТІМЧЕНКО
(ім’я та прізвище, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджені наказом Черкаського державного технологічного університету від
“___”____________2023 року №_____
2 Строк подання студентом магістерської роботи 05.12.2023 р.
3.Вихідні дані до магістерської роботи: технологічні інструкції; робочі
інструкції; патенти; конструкторська документація, наукова та довідкова література
4 Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно
розробити):
Реферат; Вступ; Аналіз стану проблеми, мета та завдання роботи; Методика
проведення робіт і методи досліджень; Результати експериментальних досліджень;
Реалізація результатів науково-дослідної діяльності; Загальні висновки; Список
використаних джерел, Додатки.
5 Перелік графічного матеріалу:
Вступ;
Відомі конструкції роторно-пульсаційних апаратів;
Роторно пульсаційні апарати, призначені для отримання газорідинних систем;
Експериментальний зразок роторно-пульсаційної установки;
Напірно-витратна характеристика дослідної установки;
Результати досліджень розподілу енергоспоживання приводу установки;
Оцінка ефективності роботи роторного апарата;
2
Залежність впливу геометрії роторно-пульсаційного пристрою на рівень збитості
продукту;
Практича реалізація результатів роботи;
Ротор РПУ;
Загальні висновки.
6. Консультанти розділів магістерської кваліфікаційної роботи
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання видав завдання
консультанта
прийняв
Розділ 1 Тімченко О.В, ст. викладач
Розділ 2 Тімченко О.В, ст. викладач
Розділ 3 Тімченко О.В, ст. викладач
Розділ 4 Тімченко О.В, ст. викладач
7. Дата видачі завдання_______________________________________________
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів магістерської кваліфікаційної Строк
з/п роботи виконання етапів Примітка
проекту (роботи)
1 Розділ 1 18.09.2023
2 Лист 1,2 25.09. 2023
3 Лист 3, 4 03.10. 2023
4 Розділ 2 11.10. 2023
5 Лист 5, 6 16.10. 2023
6 Лист 7 24.10. 2023
7 Розділ 3 28.10. 2023
8 Лист 8 02.11. 2023
9 Розділ 4 09.11. 2023
10 Лист 9 15.11. 2023
11 Лист 10 05.12. 2023
Студент дипломник _______________ Арсен БІЛИК
( підпис ) (ім’я, прізвище)
Керівник магістерської кваліфікаційної роботи _______________ Олексій ТІМЧЕНКО
( підпис ) (ім’я, прізвище)
3
ЗМІСТ
СПИСОК ОСНОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ…………………………………….. 10
ВСТУП ………………………………………………………………………. 13
РОЗДІЛ l. АНАЛІЗ СТАНУ ПРОБЛЕМИ, МЕТА ТА ЗАВДАННЯ
РОБОТИ……………………………………………………………………… 13
1.1 Пристрої для подрібнення, диспергування та гомогенізації
харчових продуктів………………………………………………….. 17
1.1.1 Загальна характеристика обладнання для механічної обробки
молока та молочних продуктів……………………………………... 17
1.1.2 Гомогенізатори та емульситатори………………………………….. 17
1.2 Конструкції роторно-пульсаційних апаратів……………………… 24
1.3 Досвід застосування РПА у різних галузях промисловості……… 30
1.4 Огляд апаратурного оформлення для газонаповнення харчових
продуктів……………………………………………………………... 32
1.4.1 Аеровані продукти та існуюче серійне обладнання для їхнього
виробництва………………………………………………………….. 32
1.4.2 РПА, призначені для отримання газорідинних систем…………… 34
Висновки до розділу 1………………………………………………………. 39
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ РОБІТ І МЕТОДИ
ДОСЛІДЖЕНЬ………………………………………………………………. 40
2.1 Експериментальна роторно-пульсаційна установка……………… 40
2.2 Прилади та методи досліджень…………………………………….. 44
2.3 Методика планування експерименту та математична обробка
результатів досліджень……………………………………………… 48
Висновки до розділу 2………………………………………………………. 51
РОЗДІЛ 3. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ…. 52
3.1 Визначення технічних характеристик для обробки рідин………... 52
3.1.1 Напірно-витратна характеристика…………………………………. 52
3.1.2 Розподіл енергоспоживання приводу установки………………….. 58
3.1.3 Критерій ефективності роботи РПА……………………………….. 67
3.2 Вивчення процесів диспергування та гомогенізації рідких та
пастоподібних продуктів……………………………………………. 72
3.2.1 Дослідження емульгуючої здатності………………………………. 72
3.2.2 Оцінка ступеня гомогенізації……………………………………….. 75
3.3 Проведення дослідних виробок збитих модельних систем………. 76
3.3.1 Вплив тривалості обробки газонаповнення продукту на ступінь
збитості системи……………………………………………………... 76
4
3.3.2 Вплив інтенсивності механічної обробки продукту на
дисперсність газорідинної системи………………………………… 79
3.3.3 Вивчення залежності впливу геометрії роторного пристрою на
рівень збитості системи……………………………………………... 82
3.4 Огляд споживаної потужності під час обробки молочних
продуктів……………………………………………………………... 89
Висновки до розділу 3………………………………………………………. 90
РОЗДІЛ 4. РЕАЛІЗАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ НАУКОВО-ДОСЛІДНОЇ
ДІЯЛЬНОСТІ………………………………………………………………… 92
4.1 Вдосконалення промислових зразків гідродинамічних установок
роторного типу………………………………………………………. 92
4.1.1 Гідродинамічна установка роторного типу ГУРТ-300…………… 92
4.1.2 Установка для обробки пастоподібних продуктів ГУРТ-300/160... 96
4.2 Рекомендації комплектації роторного пристрою установки ГУРТ
у безперервному виробництві………………………………………. 103
4.2.1 При отриманні сирних паст………………………………………… 103
4.2.2 При одержанні збитих молочних продуктів………………………. 104
Висновки до розділу 4………………………………………………………. 106
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ……………………………………………………. 107
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………… 108
ДОДАТКИ…………………………………………………………………… 111
5
РЕФЕРАТ
Магістерська кваліфікаційна робота (МКР) складається з реферату, переліку
умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел
і додатків. МКР містить 108 сторінок, включає 40 формул, 43 рисунка, 24 таблиці, 32
літературних джерела та 1 додаток.
Мета магістерської кваліфікаційної роботи це розробка та дослідження
параметрів дослідної роторно-пульсаційної установки (РПУ) з розширеними
функціональними можливостями для виробництва рідких та пастоподібних молочних
продуктів.
Методи досліджень. Дослідження виконані методами математичного
моделювання, конструювання, прототипування. Розроблено дослідну конструкцію
РПА багатоцільового призначення, проведено комплексні дослідження гідродинаміки
проходження рідин через систему ротор-статор, проведено теоретичні та
експериментальні розрахунки залежності ступеня збитості від тривалості
газонаповнення та зазору між бічними поверхнями зубів ротора та статора.
Об’єкт роботи. Процеси взаємодії робочих органів дослідної роторно-
пульсаційної установки з рідкими та пастоподібними молочними продуктами.
Предмет роботи. Функціональні зв’язки між конструктивними і геометричними
параметрами робочих органів дослідної роторно-пульсаційної установки та напірно-
витратними, енергетичними характеристиками процесу, отриманими рівнями збитості
при обробці молоковмісних модельних систем.
Наукова новизна. Уточнено апроксимуючі функції, що описують математичні
залежності зміни напірної та енергетичної характеристик роторно-пульсаційного
апарата, отримано рівняння та їх коефіцієнти у натуральному вираженні для
практичного застосування.
Практичне значення. Проведеним циклом досліджень технологічних
6
можливостей створеної установки підтверджена можливість переробки та одержання
рідких та пастоподібних молочних продуктів з різними фізико-хімічними
властивостями у широкому діапазоні в'язкості. Отримані результати дозволили надати
рекомендації для вдосконалення технології та серійного обладнання.
Ключові слова: МОЛОЧНА СИРОВИНА, РОТОРНО-ПУЛЬСАЦІЙНИЙ
АПАРАТ, РІДКА СИРОВИНА, ПРОДУКТИВНІСТЬ, БАГАТОЦІЛЬОВЕ
ПРИЗНАЧЕННЯ, ГОМОГЕНІЗАЦІЯ, ГАЗОНАПОВНЕННЯ.
7
ABSTRACT
A master's thesis consists of an abstract, a list of symbols, an introduction, four
chapters, conclusions, a list of references, and appendices. The master's thesis consists of 108
pages, including 40 formulas, 43 figures, 24 tables, 32 references and 1 appendice.
The purpose of the master's thesis is to develop and study the parameters of a pilot
rotary pulsation unit (RPU) with advanced functionality for the production of liquid and
paste-like dairy products.
Research methods. The research was carried out by methods of mathematical
modeling, design, prototyping. A pilot design of a multipurpose RPU was developed,
comprehensive studies of the hydrodynamics of fluids passing through the rotor-stator system
were carried out, theoretical and experimental calculations were made of the dependence of
the degree of breakdown on the duration of gas filling and the gap between the side surfaces
of the rotor and stator teeth.
Object of work. The processes of interaction of the working bodies of the experimental
rotary-pulsation unit with liquid and paste-like dairy products.
The subject of work. Functional relationships between the design and geometric
parameters of the working bodies of the experimental rotary-pulsation unit and the pressure-
flow and energy characteristics of the process, obtained by the levels of whipping during the
processing of milk-containing model systems.
Scientific novelty. The approximating functions describing the mathematical
dependencies of changes in the pressure and energy characteristics of the rotary-pulsation
apparatus were specified, equations and their coefficients in natural terms were obtained for
practical application.
Practical significance. The conducted cycle of studies of the technological capabilities
of the created unit confirmed the possibility of processing and obtaining liquid and paste-like
dairy products with different physical and chemical properties in a wide range of viscosities.
8
The obtained results allowed us to provide recommendations for improving the technology
and serial equipment.
Keywords: DAIRY RAW MATERIALS, ROTARY-PULSATION APPARATUS,
LIQUID RAW MATERIALS, PRODUCTIVITY, MULTIPURPOSE,
HOMOGENIZATION, GAS FILLING.
9
СПИСОК ОСНОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
Jm – момент інерції маси диска відносно осі обертання, кг*м2;
М – маса диска ротора, кг;
U – стійкість емульсії, %;
h – кількість фази, що відокремився, см3;
т – маса, кг;
V – об'єм, м3;
р – щільність, кг/м3;
ро і рг відповідно – густина продукту до і після газонаповнення, кг/м3;
W – ступінь збитості газорідинних продуктів, %;
Vг – витрата газу, м3/с;
do – діаметр пропускного отвору, м;
Рг – тиск газу, Па;
t – температура, К.
d, dtj – зазор між бічними поверхнями статора та ротора (міжциліндровий зазор), мм;
b – відстань між фланцями кришки та корпусу роторного пристрою; мм;
а – половина кута конусності, град;
S – вибіркове стандартне відхилення;
хі- – значення вимірювання, отримане при і-ому повторі;
tf,a – значення критерію Стьюдента;
N – кількість експериментів, число рядків матриці X;
В – вектор-стовпець коефіцієнтів рівняння;
X – матриця кодованих значень незалежних змінних;
X* – транспонована матриця X;
Y – вектор-стовпець результатів експерименту;
ε – матриця похибок;
10
R – достовірність апроксимації;
к – число рядків матриці;
уі – значення відгуку, отриманого в і-му досліді;
М – матриця, поправка на зсув;
τ, τj – час, с,
Q – подача (витрата), м3/с;
Н – напір, м;
ηг – коефіцієнт корисної дії насоса;
ZH І ZВ – висотні координати перерізів, що розглядаються після роторного пристрою і
до нього, м;
рH і рВ – абсолютний тиск рідини в перерізах, що розглядаються після роторного
пристрою і до нього, Па;
vH і vВ – швидкість потоку в аналізованих перерізах після роторного пристрою і до
нього, м/с,
D – діаметр вихідного патрубка, м;
Nr – гідравлічна потужність, Вт;
NД – дисипована потужність, Вт;
Vл – окружна швидкість рідини, м/с;
r – поточний радіус, м;
Ro – радіус бічної поверхні статора, м;
Ri – радіус бічної поверхні ротора, м;
m – константа, що враховує відхилення реальної рідини від ньютонівської;
n – частота обертання ротора, с-1 (об/хв);
f – коефіцієнт тертя для турбулентного режиму, %;
µ – кінематична в'язкість продукту, м2/с;
NH – потужність, що витрачається на деформацію та подрібнення твердих частинок, що
11
містяться в оброблюваному продукті, кВт;
σр – руйнівна напруга або межа міцності, Па;
Е – модуль Юнга, Па;
NM – потужність, що витрачається на тертя у підшипниках, в ущільненнях валу
(механічні втрати), Вт;
No – потужність, що витрачається на об'ємні втрати рідини, Вт;
Ny – втрати потужності, пов'язані з витоками рідини через ущільнення, Вт;
NЕ – енергоспоживання приводу, Вт;
mп і тм – відповідно, маса продукту та елементів конструкції, кг;
Сп і См – теплоємність продукту та металу, кДж/кг*К;
ηЕ – коефіцієнт ефективності енергоспоживання витраченої енергії приводу, %;
a, b, c – обчислювані коефіцієнти;
С – середньоквадратичні відхилення шуканих коефіцієнтів;
α – коефіцієнт тепловіддачі від елементів конструкції до охолоджуючої рідини
Вт/м2*К.
12
ВСТУП
Нині існує обмежений вибір вітчизняного номенклатурного устаткування
виробництва молочних і молоковмісних продуктів. З іншого боку спостерігається
бурхливе зростання асортименту продукції на молочній основі. Повною мірою це
стосується пастоподібних і рідких багатокомпонентних продуктів, в процесі
виробництва яких необхідно здійснювати операції з ефективного змішування
компонентів зі спрямованим регулюванням цілого ряду показників: температури,
в'язкості, щільності, дисперсного стану компонентів і т.п. Тому роботи спрямовані на
створення спеціалізованого устаткування для цих цілей є актуальними.
Розробка нових та вдосконалення традиційних технологій у молочній
промисловості спрямоване на підвищення якості та безпеки продуктів, надання їм
покращених та нових споживчих властивостей, зниження енергоємності їх отримання.
Важливими факторами є так само і те, що до сфери переробки молочної галузі все
ширше залучаються нетрадиційні джерела сировини, посилюється необхідність
вирішення проблем щодо глибини, комплексності та екологічності переробки
дисперсних продуктів.
До основних показників якості дисперсних продуктів складного складу
належать: дисперсність, однорідність, стійкість (стабільність) та консистентність
(структурно-механічні властивості) [1-3]. Стійкість і консистентність багато в чому
визначається як фізико-хімічними властивостями компонентів, так і їх способом
обробки [1-4]. Підвищення однорідності, тобто рівномірності розподілу дисперсної
фази в суцільному середовищі, вимагає застосування ефективніших методів
диспергування та гомогенізації [1-6].
Приготування високодисперсних продуктів є досить складним науково-
технічним завданням та вимагає для свого вирішення розробки відповідної ефективної
технології та апаратурного оформлення. Недостатня ефективність використовуваного
13
нині устаткування, позначається як у його якості, і на тривалості виробничого циклу,
[6]. Таким чином, виникла необхідність створення апаратів, що забезпечують
здійснення процесів для отримання високоякісної продукції із заданими структурно-
механічними властивостями.
Необхідні для диспергування компонентів умови можуть бути отримані при
великих швидкостях зсуву. З урахуванням того, що в харчовій промисловості
переробляються середовища з широким діапазоном в'язкості, необхідно розробляти
обладнання з можливістю варіювання швидкостей зсуву. Таким умовам найбільш
повно відповідають роторно-пульсаційні апарати (РПА), що забезпечують
інтенсифікацію процесу перемішування за рахунок використання активних
гідродинамічних режимів, у широкому діапазоні частотних коливань, що поєднуються
з одночасним механічним впливом на частинки дисперсної фази (диспергування,
деформація, різання) [1-7].
На харчових переробних підприємствах РПА добре зарекомендували себе у
різних технологічних операціях як ефективні малооб'ємні змішувачі чи емульсори. Їх
меншою мірою використовують при гомогенізації різних видів продуктів,
доповнюючи, а іноді і замінюючи у виробничих лініях енерго- та металомісткі
гомогенізатори клапанного типу, а також при проведенні процесу пастеризації та
стерилізації молока на знижених температурних режимах. Крім цього, на сьогоднішній
день є актуальними напрями одержання на РПА молочних продуктів із збитою
структурою, замінників незбираного молока, кремів, майонезів тощо.
Промислове застосування розглянутих апаратів передбачає наявність резервуара,
який через лінію рециркуляції з’єднується з РПА. Ємність повинна бути забезпечена
мішалкою та теплообмінною сорочкою. У цьому випадку РПА забезпечує
диспергування та гомогенізацію суміші за рахунок циркуляції по замкнутому циклу, а
в резервуарі продукт піддається необхідній тепловій обробці. Наразі харчовими
14
підприємствами використовується понад 50 різних технологій із застосуванням
вказаного обладнання.
Однак досі існує ряд негативних моментів при експлуатації цих машин,
головними з яких є те, що апарати, що випускаються, мають обмежені можливості з
переробки високов'язких продуктів і не забезпечують ефективного проведення низки
додаткових технологічних операцій (по подрібненню сиру, переробці твердих жирів,
дробленню твердих фракцій, газонаповнення харчових продуктів). Крім цього при
їхній промисловій експлуатації в молочній, харчовій та інших галузях промисловості
потрібне створення технологічних ліній або компонування їх додатковим обладнанням,
наприклад ємністю з мішалкою та тепловою сорочкою, насосом, ежектором та
додатковим трубопроводом для циркуляції рідкої суміші.
Мета роботи: розробка та дослідження параметрів дослідної роторно-
пульсаційної установки (РПУ) з розширеними функціональними можливостями для
виробництва рідких та пастоподібних молочних продуктів.
Завдання дослідження:
- розробити експериментальний стенд для досліджень;
- дослідити та встановити математичну залежність напірної та енергетичної
характеристик РПУ;
- визначити раціональні параметри енерговкладання приводу установки;
- визначити диспергувальну здатність створеної РПУ з урахуванням оптимальних
технічних параметрів;
- розробити математичну статистичну модель процесу газонаповнення;
- надати рекомендації щодо вдосконалення промислових зразків РПУ.
Об’єктом дослідження є процеси взаємодії робочих органів дослідної роторно-
пульсаційної установки з рідкими та пастоподібними молочними продуктами.
Предметом дослідження є функціональні зв’язки між конструктивними і
15
геометричними параметрами робочих органів дослідної роторно-пульсаційної
установки та напірно-витратними, енергетичними характеристиками процесу,
отриманими рівнями збитості при обробці молоковмісних модельних систем.
Методи досліджень: положення механіки суцільного середовища, сучасні
методи математичного моделювання складних технічних систем та процесів.
Наукова новизна досліджень:
Уточнення апроксимуючих функції, що описують математичні залежності зміни
напірної та енергетичної характеристик роторно-пульсаційного апарата для отримання
рівняння та їх коефіцієнтів у натуральному вираженні для практичного застосування.
Практична цінність досліджень:
Проведеним циклом досліджень технологічних можливостей створеної
установки необхідно підтвердити можливість переробки та одержання рідких та
пастоподібних молочних продуктів з різними фізико-хімічними властивостями у
широкому діапазоні в'язкості. Отримані результати повинні дозволили надати
рекомендації для вдосконалення технології та серійного обладнання.
16
РОЗДІЛ l
АНАЛІЗ СТАНУ ПРОБЛЕМИ, МЕТА ТА ЗАВДАННЯ РОБОТИ
1.1 Пристрої для подрібнення, диспергування та гомогенізації харчових
продуктів
1.1.1 Загальна характеристика обладнання для механічної обробки молока та
молочних продуктів.
Загалом для подрібнення, диспергування, емульгування, гомогенізації,
змішування та інших операцій використовують переважно апарати механічної обробки
[1-7]. На жаль, загальноприйнятої класифікації та термінології подібних апаратів не
існує, крім того, результати порівняльних випробувань їх ефективності надзвичайно
розрізнені і не мають систематичного характеру. Все це, поряд з надзвичайною
різноманітністю обладнання в цій галузі, утруднює здійснювати узагальнюючий аналіз.
Крім того, процес механічної обробки, як правило, супроводжується досить
інтенсивним виділенням теплоти і при деяких режимах може призводити до певних
деструктивних змін тих чи інших компонентів молока, що також ускладнює
проведення порівняльного аналізу.
У зв'язку з цим при розгляді апаратів для механічної обробки було умовно
виділено кілька груп апаратів, що відрізняються між собою за функціональним
призначенням.
1.1.2 Гомогенізатори та емульситатори.
У групу гомогенізатори та емульситатори об'єднані апарати основним цільовим
призначенням яких є створення стійких емульсій із заданими розмірами частинок
жирової фракції рівномірно розподілених у продукті. У молочній промисловості існує
два основні види диспергування емульсій: гомогенізація та емульгування. Умовно
17
вважають, що при гомогенізації розмір частинок дисперсної фази (зокрема жирових
кульок) не повинен перевищувати 2 мкм, при великих розмірах частинок процес
відносять до емульгування [8].
В результаті диспергування досягається тонке дроблення та однорідний розподіл
жирової фази, що дозволяє уникнути відстоювання та поділу фаз, знизити втрати
молочного жиру при переробці, транспортуванні та зберіганні сировини. Крім того,
гомогенізація сприяє підвищенню засвоюваності жирової фази молочних продуктів
організмом людини.
Процес гомогенізації використовується при виробництві пастеризованого та
стерилізованого молока, молочних напоїв, вершків, йогуртів, молочних десертів,
відновленого та згущеного молока, продуктів дитячого харчування, сумішей для
морозива та ін. Гомогенізатори широко застосовують у харчовій, кондитерській,
овочеконсервній промисловості фруктових та овочевих паст, соків, кетчупів, майонезів
та багатьох інших продуктів та харчових добавок.
Клапані гомогенізатори. Класичним прикладом апаратів такого типу є клапанні
гомогенізатори. Дія гомогенізаторів клапанного типу ґрунтується на тому, що молоко
нагнітається під тиском до 30 МПа в кільцевий канал між сідлом та клапаном. Під дією
тиску гомогенізованого продукту клапан утворює з сідлом вузьку кільцеву щілину,
висота якої залежить від продуктивності гомогенізатора і величини робочого тиску.
При цьому відбувається дроблення жирових кульок і ступінь дисперсності молочного
жиру збільшується.
Відомо, що 80% жирових кульок свіжого молока мають середній діаметр, що
дорівнює приблизно 3,7 мкм, у гомогенізованому молоці 80-85% жирових кульок
мають середній розмір від 1 до 2 мкм [8-11]. На думку деяких дослідників [8-14], питне
молоко, піддане гомогенізації при тиску 13 МПа з ефектом гомогенізації 93%, через 18
годин зберігання має 84% жирових кульок розміром 1,7 мкм.
18
Продукт в гомогенізаторах типу П8-ГМ подається насосом під тиском 20 МПа в
гомогенізуючу головку, в якій він проходить між сідлом 2 і клапаном 1 (рис. 1.1 а),
ступінь гомогенізації досягає 80% [12].
Особливістю пристрою [12] є змінний переріз гомогенізуючої щілини (рис. 1.1
б), де за рахунок виникнення кавітаційного ефекту підвищується ефективність процесу.
Рисунок 1.1. Головки клапанних гомогенізаторів: а – гомогенізуюча головка серії
П8-ГМ: 1 – клапан, 2 – сідло, 3 – щілина; б – гомогенізатор для рідини, гомогенізуюча
щілина якого має змінний переріз: 1 – сідло, 2 – щілина, 3 – канавки, 4 – клапан, 5 –
камера, 6 – корпус, 7 – сопло.
Проведення процесу гомогенізації при високому тиску вимагає істотної витрати
електроенергії, яка становить до 10 кВт/год на 1000 кг продукту, що обробляється.
Температура продукту перед гомогенізацією повинна бути 60-80°С. Гомогенізатори
клапанного типу відносяться до енерго- та металоємних машин. Це є основним їх
недоліком. Крім того, вони характеризуються наявністю деталей, що швидко
зношуються.
Аналіз патентних та інших матеріалів про гомогенізатори клапанного типу
показав, що і в нашій країні і за кордоном конструювання в цій галузі спрямоване на
зниження енерговитрат [9-14] та вибір оптимальної конструкції гомогенізуючого
клапана [15, 16].
Соплові гомогенізатори. Одним із напрямів у цій галузі є створення соплових
19
гомогенізаторів [9]. Зокрема відомий спосіб [11], який передбачає турбулізацію потоку
рідини, кавітаційний ефект та досягнення за рахунок цього гомогенізації.
Гомогенізуюча камера (рис. 1.2 а) утворена циліндричним корпусом, всередині якого є
перегородка з отвором конусоподібної форми. Проведено роботи [14] з розробки та
досліджень подібних соплових гомогенізаторів, а також організовано їх виготовлення.
Гомогенізуюча головка таких апаратів має постійні геометричні розміри та складається
з двох камер (рис. 1.2, б). У першому ступені гомогенізації продукту надається
обертальний рух, а в другому поступальний. З таким типом головки при тиску 8-10
МПа можна досягати ефективності гомогенізації не нижче 85%.
а б
Рисунок 1.2 – Соплові гомогенізатори: а – одноступеневий, б – двоступінчастий
(форсуночний).
Хвильовий гомогенізатор. Технологія, дозволяє інтенсифікувати технологічний
процес гомогенізації. Принцип пропонованої технології гомогенізації заснований на
хвильовому впливі з певними характеристиками на двофазну рідину, що дозволяє
отримати високі ступені гомогенізації.
Ці хвилі збуджуються спеціальним гідродинамічним генератором, який
функціонує під дією потоку рідини, що прокачується через нього. Частота і амплітуда
вібрації підібрані таким чином, що кульки жиру, що знаходяться в молоці, втрачають
стійкість і розриваються. Так при частоті 15 кГц максимальний розмір жирових кульок
2 мкм був отриманий при амплітуді хвильового впливу порядку 0,03 МПа. Тоді як за
частоти 20 кГц результат отримано вже за амплітуди 0,017 МПа. А при частоті
20
вібраційного впливу 10 кГц вдалося досягти дисперсності жирових кульок лише 3 мкм,
хоча амплітуда впливу досягала 0,05 МПа. Робочий тиск гомогенізатора становив 3÷4
МПа, максимальна продуктивність 1000 кг/год. Схему дослідної установки показано на
рис. 1.3.
Рисунок 1.3 – Дослідний зразок хвильового гомогенізатора.
Молоко або вершки з ємності 1 за допомогою насоса 2 надходили до робочої
камери, в якій встановлений хвильовий генератор 3. У робочій камері завдяки
випромінюванню генератора відбувалася гомогенізація продукту. Датчик тиску 8
осцилограф 9 використовувалися для контролю функціонування хвильового
генератора. Подача насоса та тиск регулювалися зміною частоти обертання
електромотора 4, для чого використовувався інвертор 5.
Хвильовий гомогенізатор дозволяє не тільки гомогенізувати молочний жир, за
його допомогою можна диспергувати в молоці різні добавки, наприклад: рослинний
жир, сиропи, порошки. Цей гомогенізатор здатний ефективно диспергувати сухе
молоко, руйнуючи грудки сухої речовини та прискорюючи його розчинення. Робота в
цій галузі не вийшла поки що зі стадії лабораторних досліджень.
Ультразвукові гомогенізатори. У молочній промисловості проводяться роботи з
використання для гомогенізації електромеханічних (електромагнітних,
магнітострикційних та п'єзоелектричних) та гідродинамічних пристроїв, що створюють
пружні коливання звукового та ультразвукового діапазону. Електромагнітні
21
випромінювачі мають механічну систему, яку живить електромагніт, збуджений
змінним струмом. Магнітострикційні випромінювачі [17] працюють у частотах від 20
до 40 кГц і не вимагають високого тиску та надійні у роботі.
У США розроблено гомогенізатор [18], який може бути використаний при
виробництві кремів, паст, маргарину та інших продуктів аналогічної консистенції.
Основними його елементами (рис. 1.4.) є: приєднаний до двигуна вал 6, з прикріпленим
диском 5 в якому розміщені в тримачах 3 пластини 8. Між вхідним патрубком і
тримачами розташовані пристрої 7, що розбивають масу. При роботі гомогенізатора в
нього насосом під тиском 4-5 МПа подають продукт, що підлягає обробці. Останній
проходить над пластинами, що викликає їх коливання та виникнення ультразвуку.
Таким чином, пластини є високочастотним ультразвуковим резонатором.
Наступний тип гомогенізатора має корпус із розміщеним усередині нього
коливальним контуром, що складається з пакета пластин. Сопла мають прямокутну
форму, причому пластини коливального контуру однакові за розміром і розділені
прокладками, а відбивна пластина встановлена з можливістю зворотно-поступального
руху. В цілому, незважаючи на порівняльну різноманітність конструктивних варіантів
апаратів цього типу, промислового використання вони не отримали через не
досягнення ефективності клапанних гомогенізаторів.
Рисунок 1.4 – Ультразвуковий гомогенізатор роторного типу.
22
Відцентрові гомогенізатори. Ефективність гомогенізації в цих апаратах залежить
від тиску, під дією якого оброблювана рідина виходить з сопел або щілинних отворів
ротора, що обертається і вдаряється в пристосування для зниження швидкості
продукту.
Відцентровий гомогенізатор [19], призначений для обробки молока та молочних
продуктів, складається з ротора та статора з рифленими поверхнями. Між ними є зона
гомогенізації (рис. 1.5). Під час роботи гомогенізатора рідина надходить у ротор, що
обертається (40004-6000 об/хв) і через отвори в ньому викидається в зону гомогенізації
між поверхнями ротора і статора. При цьому потік рідини турбулізується та
відбувається її гомогенізація. Ступінь гомогенізації рідини в даному апараті не може
бути досить високою, так як багато енергії витрачається на обертання ротора в рідині
та на тертя її об поверхню статора.
Рисунок 1.5 – Відцентровий гомогенізатор
Описані відцентрові гомогенізатори мають
ряд переваг у порівнянні з клапанними. Вони
простіші по конструкції, менш металоємні, в них
немає деталей, що швидко зношуються. Недолік
їх у тому, що відбувається інтенсивне спінювання продукту і для отримання високого
ефекту гомогенізації необхідно (а це не завжди можливо) створити великий тиск
рідини на виході з сопел або щілинних отворів ротора.
Загалом роботи, що проводяться різними НДІ та вузами, зі створення
гомогенізаторів спрямовані на спрощення конструкції та зниження металоємності [10,
11], підвищення продуктивності [12], зниження енерговитрат [13], підвищення
ефективності гомогенізації та інтенсивності процесу [15] та пошуку нових більш
23
ефективних способів впливу на продукт [7]. Слід зазначити, що вони призначені для
отримання емульсій високої дисперсності при обробці молока та вершків. Маючи таку
вузьку спрямованість, гомогенізатори не здатні переробляти продукти, що
відрізняються своїми структурно-реологічними властивостями від заданих. Тому
розглянуті в даному розділі способи обробки продуктів не дозволяють одночасно
проводити операції зі змішування, диспергування та теплової обробки продуктів. У
свою чергу не можна в подальшій роботі не враховувати загальну тенденцію, що
використовується при вдосконаленні даного типу обладнання, а саме – створення в
зоні інтенсивної обробки впливу кавітації, гідроударів, пульсацій і перепадів тиску, що
дозволяє істотно знижувати енерговитрати і підвищувати якість обробки.
1.2 Конструкції роторно-пульсаційних апаратів.
У технології харчових виробництв найбільш поширеними є процеси отримання
та переробки різних гетерогенних середовищ з рідкою суцільною фазою. Інтенсивність
їх проведення багато в чому визначає ефективність виробництва та якість низки
напівпродуктів та продуктів, одержуваних у вигляді емульсій, суспензій, пюре, паст
тощо. Ще одним резервом інтенсифікації виробництва є поєднання ряду процесів та їх
проведення в одному багатоцільовому апараті як у ламінарному, так і турбулентному
режимах.
Говорячи про механізм ламінарного змішування необхідно розуміти роль
поверхні розділу компонентів та її залежність від деформації зсуву. Збільшення
поверхні розділу визначається як її вихідною орієнтацією щодо напрямку деформації,
так і сумарною деформацією зсуву. На практиці високі значення останніх у змішувачах
періодичної дії досягаються за рахунок великих швидкостей зсуву та багаторазової
обробки. При проведенні безперервного процесу змішування в ламінарному режимі
доцільно використовувати такі апарати, в яких одноразовий прохід матеріалу через
зону обробки компенсувався іншими факторами, що дозволяють збільшити поверхню
розділу [14]. Наприклад, це завдання можна вирішити шляхом безперервної орієнтації
24
поверхні розділу щодо напрямку деформації та перерозподілу елементів середовища в
об’ємі апарату. Саме цим вимогам відповідають роторно-пульсаційні апарати.
Основною конструктивною ознакою РПА є наявність нерухомих, що чергуються,
і обертаються співвісно встановлених тіл з перфорацією у вигляді прорізів або отворів,
в яких вплив на потік рідинної обробки середовища забезпечується шляхом перекриття
каналів його течії в системі «обертовий ротор» і «нерухомий статор». При обробці
різних емульсій та суспензій у РПА на них діє складний комплекс різних впливів:
механічні, гідродинамічні, гідроакустичні.
Під механічним впливом розуміють безпосередній силовий контакт робочих
елементів пристрою з оброблюваним матеріалом (удари об зуби циліндрів,
заклинювання і тертя в зазорах тощо), а також взаємне зіткнення частинок між собою і
стінки робочої камери.
До гідродинамічних впливів, що виникають через неоднорідну структуру потоків
і різних умов обтікання частинок, що рухаються у вузьких звивистих каналах апарату,
слід віднести: статичні та змінні напруги у вузьких циліндричних зазорах між ротором
і статором; градієнти та пульсації швидкості та тиску, викликані періодичним
відкриванням отворів; турбулентні пульсації від велико- і дрібномасштабних вихорів,
що утворюються на поверхнях циліндрів; гідродинамічні сили, спричинені різним
характером обтікання частинок дисперсного середовища; кавітацію.
Гідроакустичні впливи пов'язані з явищами гідроудару і кавітацією, що
спостерігаються при підвищених швидкостях обертання ротора, зазорах не
перевищують 500 мкм і вібрації ротора або статора.
Характер виникнення цих впливів багато в чому визначається геометрією
робочого простору апарату між ротором та статором. Дані апарати – проточного типу і
крім диспергуючого ефекту, додатково мають всмоктувальні якості. Їхнє промислове
застосування передбачає наявність резервуара, який через лінію рециркуляції
з’єднується з РПА. Ємність повинна бути забезпечена посиленою мішалкою та
25
теплообмінною сорочкою. У цьому випадку РПА забезпечує диспергування та
гомогенізацію суміші за рахунок циркуляції по замкнутому циклу, а в резервуарі
продукт піддається необхідної теплової обробки. В даний час підприємствами
молочної галузі використовується безліч різних технологій із застосуванням вказаного
обладнання.
Прототипами РПА вважатимуться, з одного боку, рідинні апарати радіального
типу, з другого – дезінтегратори і дисмембратори. Конструкції РПА класифікують за
низкою ознак: способу підведення навколишнього середовища, конструктивним
особливостям робочих органів, способу обробки та переміщення середовища [19]. В
останньому випадку вони поділяються на два основні типи: радіальні та осьові.
У радіальних апаратах вихідні компоненти надходять по центральному осьовому
патрубку в камеру, утворену ротором і статором, переміщаються в радіальному
напрямку і через прорізи надходять у вузький зазор між ротором і статором, де
піддаються інтенсивній обробці.
В осьових апаратах вихідні компоненти надходять також, але переміщуються в
осьовому напрямку. Тут обробка середовища відбувається у вузькому зазорі між
статорними та роторними плоскими дисками та радіальними прорізами. Ефективність
таких апаратів нижча, ніж радіальних.
РПА радіального типу забезпечують більш рівномірну обробку середовища,
простіше у виготовленні та експлуатації. Тому надалі ми розглядатимемо лише їхні
конструктивні особливості.
Типовий РПА (рис.1.11, а) складається зі статора і ротора, розміщених у корпусі і
виконаних у вигляді коаксіальних циліндрів, що чергуються з прорізами. У внутрішній
зоні ротора можуть бути встановлені лопаті, що забезпечують подрібнення (різання)
великих фракцій дисперсної фази і поліпшують умови перемішування і
транспортування середовища, що видаляється після обробки через вихідний пристрій.
Відомі конструкції апаратів [8], в яких на взаємодіючих поверхнях робочих
26
органів нанесені рифлення, накатка і т.п., що дозволяє збільшити шорсткість і як
наслідок, підвищити турбулентність потоку і знизити прослизання. Енерговитрати при
цьому природно збільшуються.
Відомо пристрій [12], особливістю конструкції якого є те, що отвори на
циліндрах ротора та статора поєднані по висоті один відносно одного. Це дозволяє
збільшити час перебування матеріалу у робочій зоні. Однак при цьому зростають
гідравлічні втрати та енерговитрати.
РПА з величиною, що змінюється, радіального зазору [12] представлений на рис.
1.6 б. У ньому відбувається більш ефективне змішування та диспергування
оброблюваних середовищ, але за рахунок ускладнення конструкції ротора.
Апарат (рис. 1.7) [14] складається з корпусу з вхідним та вихідним патрубками.
Усередині корпусу вміщено ротор із зубами та статор із зубами. Для підвищення
інтенсивності змішування зубів на роторі та на статорі мають додаткові прорізи 8.
Рисунок 1.6. Схема роторно-пульсаційного апарату: а – типовий РПА (1 –
статор, 2 – ротор, 3 – корпус, 4 – лопаті, 5 – вхідний патрубок, 6 – вихідний патрубок),
б – РПА зі змінним зазором (1 – статор, 2 – Ротор). 27
Рисунок 1.7. РПА з додатковими прорізами на роторі: 1 – корпус, 2 – вхідний
патрубок, 3 – статор, 4 – зуби статора, 5 – вихідний патрубок, 6 – зуби ротора, 7 –
ротор, 8 – прорізи в зубах.
РПА (рис. 1.8), призначений для диспергування в гетерогенному середовищі
твердої фази [43], що складається з великих грудок будь-якого матеріалу, які можуть
забити прорізи ротора та статора. Нагнітальні лопатки змонтовані таким чином, що
зазор між їхніми кінцями та внутрішньою поверхнею ближнього циліндра статора
менше за розміром, ніж ширина прорізу в цьому циліндрі. Завдяки цьому великі грудки
у внутрішній камері розбиваються до розмірів, що дозволяють їм проходити
безперешкодно через прорізи циліндрів ротора і статора. Отвори в диску необхідні для
просування оброблюваного матеріалу з іншого боку ротора.
Рисунок 1.8. РПА для диспергування грудок: 1 – корпус, 2 – статор, 3 – зуби, 4 –
ротор, 5 – вихідний патрубок, 6 – вхідний патрубок, 7 – отвори в маточині ротора.
У ряді випадків необхідно забезпечити роздільне введення компонентів [6]. Цей
принцип реалізовано у РПА (рис. 1.9).
28
Рисунок 1.9. РПА з роздільним введенням компонентів, що змішуються і
диспергуються: 1 – корпус, 2 – кришка, 3 – лопаті, 4 – вхідний патрубок, 5 – статор, 6 –
вихідний патрубок, 7 – перфорований диск, 8 – вал, 9 – ротор.
Два диски, що мають перфорацію по діаметру, закріплені на приводному валу і
з'єднані між собою лопатями, що утворюють центральну порожнину ротора робочої
камери. У корпусі апарату і кришці є кільцеві канали «а», через які компоненти, що
подаються, рівномірно розподіляються у внутрішньому обсязі апарату. Подача
компонентів здійснюється через штуцери. Потім через канали «а» і перфорацію «б» на
дисках вони надходять у внутрішній об’єм, а звідти, після диспергування та
змішування у робочій камері, виводяться через штуцер.
Відомо пристрій [17], призначений для тонкого диспергування компонентів та їх
ефективного змішування. Його конструкція передбачає роздільне введення
компонентів (рис. 1.10). У торцевій стінці ротора 6 виконані отвори, сполучені з
прорізами. У торцях статора 4 є отвори, сполучені з каналами і вхідними патрубками 2.
Патрубок 3 служить для подачі одного з компонентів, а патрубок 5 – для виведення
суміші. Періодичне перекриття і поєднання отворів ротора і статора сприяє отриманню
однорідних крапель компонентів, що диспергуються. Подібна конструкція дозволяє
отримувати краплі або бульбашки компонента, що диспергується, з розмірами на
порядок менше, ніж в інших РПА. Проте, вона придатна лише для диспергування
малов'язких середовищ.
29
Рисунок. 1.10. РПА для тонкого диспергування компонентів: 1 – корпус,
2,3 – вхідні патрубки, 4 – статор, 5 – вихідний патрубок, 6 – ротор.
1.3 Досвід застосування РПА у різних галузях промисловості
Технологічне рішення щодо виробництва хліба з використанням висівок.
Завдання ефективного використання висівок у хлібобулочних виробах [15] вирішено
шляхом попередньої спеціальної обробки водної суміші висівок у РПА (рис. 1.10), в
процесі якої: протікає екстракція практично всіх водорозчинних цінних речовин
висівок у водну фазу, далі, до збільшення вмісту цих речовин у хлібобулочних
виробах, у зв'язку з чим покращується харчова цінність виробів; відбувається значне
подрібнення великих частинок висівок, що дозволяє покращити органолептичні
властивості хлібобулочних виробів (зовнішній вигляд, фізикохімічні властивості).
Переробка плодово-овочевої продукції. Застосування диспергатора (рис. 1.11),
що є РПА осьового типу [5], при отриманні однорідних пульп з фруктів, ягід і
винограду в харчовій промисловості сприяє збільшенню виходу клітинного соку,
наприклад при отриманні яблучних або виноградних пульп з соків, а також розмелює,
перемішує, розчиняє мікрокінетичний вплив на оброблювані речовини.
30
Рисунок 1.11. Диспергатор.
Використання РПА для отримання карамельних мас. З метою збільшення
швидкості приготування карамельної маси процес гомогенізації цукру-піску з патокою
поєднаний з нагріванням суміші при її протіканню через ротор-статор в РПА за
рахунок диссипативних сил [2]. У зв'язку з чим значно підвищується якість продукту,
зменшується час обробки і температура маси при обробці.
Результати застосування РПА для отримання мастильно-охолоджувальних рідин
(МОР). Використання РПА для отримання таких рідин сприяє підвищенню якості, а
також знижує енерговитрати в процесі їх виробництва. Дисперсність одержуваних у
роторному апараті МОР досягає 0,8-1,2 мкм, що у разі використання дозволяє
зменшити витрату ріжучого інструменту, підвищує чистоту обробки поверхні
приблизно на два класи, зменшує корозію верстатів [2].
Одержання паливних емульсій. Вивчення та використання водопаливних
емульсій у двигунах внутрішнього згоряння та котлах мають багату історію [11]. Однак
по-справжньому широкого застосування водопаливних емульсій не відбувалося, до
появи РПА. Як показує досвід експлуатації цих машин [14], РПА надійно забезпечує
31
триступеневу обробку палива, а саме змішування, диспергування та гомогенізацію до
розмірів крапель, що не перевищують 5 мкм.
Звичайний спосіб приготування осерненої олії має ряд недоліків: потрібний
тривалий (11-12 год) підігрів і перемішування олії при температурі 150-160 ° С і відстій
протягом 5-7 діб для вивітрювання запаху розчиненої сірки та випадання на дно
смолистих включень. Із застосуванням РПА процес осернення йде при температурі 70-
90 ° С протягом 40-50 хв, і осернена олія відразу готова до використання [14].
Досвід використання РПА у парфумерії. Що стосується парфумерної
промисловості РПА використовують для отримання рідких кремів, основна перевага
яких це стабільність, тобто вони повинні зберігати однорідну структуру та легко
виливатися з флакона протягом усього гарантійного терміну зберігання без відділення
масляної чи водної фази [17].
1.4 Огляд апаратурного оформлення для газонаповнення харчових продуктів.
1.4.1 Аеровані продукти та існуюче серійне обладнання для їхнього виробництва.
У світлі сучасних уявлень про здорове харчування медики та дієтологи у всьому
світі рекомендують низькокалорійні продукти. Однак за смаковими характеристиками
споживач віддає перевагу продукції з ніжною консистенцією та вираженим вершковим
смаком. Задовольнити такі, начебто, суперечливі побажання споживачів можуть
аеровані молочні продукти, які відносяться до класу десертів [7, 9, 12]. Найширша
гамма смакових характеристик та оптимальні дієтичні властивості, а також
привабливий зовнішній вигляд (за рахунок багатошаровості, додавання топінгів тощо)
забезпечують стійкий попит аерованим десертам. Аеровані молочні продукти не
вимагають додаткової підготовки перед вживанням, добре засвоюються організмом. З
введенням різних харчових добавок вони набувають заданих функціональних
властивостей.
Для отримання газонасичених харчових продуктів існують різні типи
32
обладнання, як за принципом дії, так і за призначенням.
Принцип роботи існуючих імпортних піногенераторів таких фірм як HANSA
INDUSTRIE-MIXER і MONDOMIX заснований на інтенсивній обробці газорідинної
суміші в ротор-статорі, де у збиванні беруть участь більше тисячі штифтів. Готова
суміш та газова фаза подається з регульованою витратою, що гарантує якість спіненого
продукту [5].
Дозований обсяг підготовленої маси подається насосом у змішувальну головку,
що складається з ротора та статора з штифтами (рис. 1.12). При вході в змішувальну
головку в масу подається стиснений газ (повітря, азот тощо). Проходячи через штифти
змішувальної головки, насичена повітрям суспензія ретельно перемішується. Для
забезпечення швидкого та рівномірного розподілу газу в потоці суспензії на
змішувальній головці створюється тиск (званий системним тиском у змішувальній
головці).
Рисунок 1.12. Ротор та статор піногенератора MONDOMIX.
Ступінь збитості, або кінцева питома вага продукту, досягається за рахунок
підбору оптимального співвідношення обсягів повітря та суміші, а також емпіричним
регулюванням швидкості обертання головки та величини тиску.
33
1.4.2 РПА, призначені для отримання газорідинних систем.
Дисковий відцентровий змішувач-емульсатор.
Для приготування стійких емульсій і сумішей, насичення їх повітрям при
інтенсифікації процесу змішування в кондитерській промисловості застосовують
швидкісні дискові змішувачі безперервної дії з горизонтальною віссю обертання валу
[3]. Дисковий змішувач-емульсатор (рис. 1.13) застосовується для збивання емульсій.
Рисунок 1.13. Дисковий відцентровий змішувач-емульситатор: 1 – кришка, 2 –
ротор, 3 – статор, 4 – лопаті, 5 – корпус, 6 – вхідний патрубок, 7 – вал, 8,9 – сальникове
ущільнення, 10 – підшипниковий вузол, 11 – рама, 12 – отвір для зливу суміші.
Рецептурна суміш з лійки 6 потрапляє в центральну частину першого диска 4 і
відцентровою силою відкидається на стінки корпусу 5. Потім суміш проходить через
центральний отвір нерухомого диска 3 і підхоплюється другим диском 2, який знову
відкидає її на стінки корпусу. У торець нерухомого диска запресовані пальці, а на
радіальних ребрах диска 2 відповідно є вирізи. При ударі частинок об пальці
відбувається утворення гомогенної газорідинної суміші, яка виходить через
центральний отвір кришки емульситатора 1. Продуктивність емульситатора до 500
кг/год, частота обертання дисків 1400 об/хв.
34
Роторний відцентровий змішувач-емульситатор. Він призначений для
безперервного збивання суміші меланжу, цукру та повітря шляхом інтенсивного
перемішування та застосовується у станції для приготування бісквітного тіста на
потоковій лінії виробництва тортиків (рис. 1.14).
Рисунок 1.14. Роторний відцентровий змішувач: 1 – шків, 2 – вал, 3 – вхідний
патрубок, 4 – корпус, 5,10 – статор, 6,9 – вихід охолоджуючої рідини, 7,8 –
теплообмінна сорочка, 11 – ротор, 12 – вихідний патрубок , 13, 14 – вхід охолоджуючої
рідини.
Рідка суміш і повітря надходять через патрубок в камеру, а потім в простір між
ротором, що обертається, і двома нерухомими статорами, закріпленими на стінках
збивальної камери. На бічних сторонах статора та ротора є зубці, розташовані
концентричними рядами. Розміри зубів обрані такими, що утворюється кільцевий
канал звивистої форми шириною 1 мм. Насичена повітрям суміш виходить через отвір.
На виході зі збивальної камери встановлено регулятор тиску, який підтримує в ній
постійний надлишковий тиск 0,05-0,09 МПа. Для регулювання та стабілізації
температури суміші збивальна камера забезпечена водяною сорочкою. Продуктивність
роторного змішувача 75 кг/год, частота обертання ротора 700 об/хв [14].
РПА з внутрішнім рециклом для здійснення газорідинних процесів. Для
отримання збитих комбінованих сумішей (морозива, кисломолочних десертів тощо)
35
було створено РПА (рис. 1.15) [3] .
Рисунок 1.15. Роторно-пульсаційний апарат із рециклом: 1 – робоча порожнина;
2 – вхідний штуцер; 3 – штуцер для подачі газу; 4 – штуцер для відведення готової
суміші; 5 – штуцер для подачі охолоджуючої рідини; 6 – штуцер для відводу
охолоджуючої рідини; 7 – камера, 8,9 – вінець статора, 10 – вінець ротора, 11 –
маточина ротора, 12 – вал, 13 – лопаті, 14 – отвори, 15 – канали, 16 – теплообмінна
сорочка, 17 – регулюючі шайби.
Апарат працює в такий спосіб [3]. За вхідним штуцером у робочу порожнину
подається рідка фаза. Під дією інерційних сил створюваних ротором, що обертається,
вона проходить через прорізи виконані у вінцях статорів і ротора. При обертанні валу
відбувається їхнє постійне перекриття. По штуцерах у камеру подається газовий
компонент. Через отвори виконані у кришці газ надходить у кільцеву проточку,
зроблену у вінці статора і далі каналами висвердленими у тілі зубів, виходить у
простір, утворений прорізами у вінці ротора і обмежений по радіальному радіусу, що
утворений вінцями статорів. Отвори виконані в маточині ротора забезпечують
внутрішню циркуляцію реакційної маси в робочій порожнині. Лопаті призначені для
збільшення радіальних потоків реакційної маси. Теплообмінна сорочка служить для
відведення тепла, що виділяється при дисипації енергії. За допомогою регулювальних
шайб встановлюється необхідна величина зазору між ротором, що обертається, і
36
нерухомими вінцями статорів в межах 0,1-0,5мм. При невеликому зазорі надмірно
підвищується тиск у його активній зоні та утруднюється рівномірна подача газового
компонента каналами зубів. Після багаторазової обробки реакційної маси газовим
компонентом активної зоні апарату досягалося повне завершення процесу.
Установка для інжектування середовища в рідкі продукти. Відомий спосіб
інжекції [5] оброблюваного середовища в рідину та обладнання для її здійснення (рис.
1.16). Спосіб застосовний для високотемпературної обробки рідких продуктів
(наприклад молока), для попередньої обробки продукту перед розпилювальним
сушінням, для зниження вмісту жирів в масляному або жировому продукті та ін.
Рисунок 1.16. РПА для інжекції продукту.
Як додаткову агент використовують текучу речовину, наприклад пар, гази (СО2
або азот), воду та ін. і подають коаксіально зі статором. Спосіб передбачає наступні
етапи: подачу рідкого продукту у вхідний отвір, що знаходиться на зовнішній стороні
кола ротора; надання потоку рідини радіального напрямку від вхідного отвору через
37
кільцеву інжекційну зону ротора до вихідного отвору у центральну частину статора:
інжектування текучого продукту в інжекційну зону; прискорення потоку рідкого
продукту з його тангенціальним переміщенням із зони до вихідного отвору для
скорочення часу витримування продукту в зоні.
Використання РПА як піногенератора. На більшості гіпсових підприємств
освоєно серійне виробництво піногіпсової суміші з густиною 800-950 кг/м3 [9] де для
насичення матеріалу газом використовується піногенератор ПГ-3 (рис. 1.17).
Рисунок 1.17. Піногенератор ПГ-3.
Пристрій для отримання технічної піни містить: корпус 1 і кришку 2 з
навернутою заслінкою 3. На валу 4 насаджені ротор 5 і 6 крильчатка. Ротор і кришка
мають пальці 7, виконані у вигляді призм. При обертанні валу 4 приводяться в рух
ротор 5 і крильчатка 6. Через штуцер 8 в порожнину 9 подається розчин
піноутворювача, який за рахунок відцентрової сили відкидається на стінки камери і
через отвори 10 потрапляє в кільцеву порожнину 11. Повітря під впливом розрідження
потрапляє у кільцеву щілину 12 і лопатями крильчатки нагнітається в кільцеву
порожнину 11. Суміш повітря та розчину піноутворювача переміщається через ряди
пальців 7 і через суцільні пази 13 перетворюється на тонкодисперсну піну з
дисперсністю бульбашок 50-100 мкм. Технічна характеристика: продуктивність по піні
1÷ 6 м3/год, потужність двигуна 4,5 кВт, число обертів ротора 1500 об/хв [18].
Оцінюючи описане вище обладнання для газонаповнення, слід враховувати, що в
галузі конструювання та вдосконалення РПА є широке поле діяльності [1-14], адже
38
досі залишаються невивченими питання впливу геометрії роторних пристроїв, числа
обертів ротора, інтенсивності введення газової фракції, тривалості обробки на
отримувану ступінь збитості молочних продуктів. Тоді як для піногенераторів
можливості значних змін переважно вичерпані.
Висновки до розділу 1:
Проведений аналіз літератури дозволив ознайомитися з різними типами
обладнання призначеного для гомогенізації, емульгування та аерування продуктів
різної густини та в'язкості. Не можна не відзначити, що РПА знайшли своє
застосування для вирішення різних завдань на переробних підприємствах, це
підкреслює доцільність вивчення та вдосконалення РПА у цій кваліфікаційній роботі.
Вузькоспрямованість відомих конструкцій не дозволяє поєднувати в них ряд
технологічних операцій, необхідних для вироблення сучасних продуктів харчування,
таких як подрібнення, змішування, диспергування, дроблення твердих компонентів,
термічну обробку продуктів (нагрів, витримка та охолодження), деаерування та
аерування. Тому метою роботи було створення та дослідження роторно-пульсаційної
установки (РПУ) з розширеними функціональними можливостями для виробництва
рідких та пастоподібних молочних продуктів.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:
- створити експериментальний стенд для досліджень;
- дослідити та встановити математичну залежність напірної та енергетичної
характеристик РПУ;
- визначити раціональні параметри енерговикористання приводу установки;
- визначити диспергувальну здатність створеної РПУ з урахуванням
оптимальних технічних параметрів;
- розробити математичну статистичну модель процесу газонаповнення;
- надати рекомендації щодо вдосконалення промислових зразків РПУ.
39
РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ РОБІТ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1 Експериментальна роторно-пульсаційна установка
Для проведення стендових випробувань використовувалася розроблена,
виготовлена та змонтована за безпосередньою участю автора експериментальна
роторно-пульсаційна установка (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 - Експериментальний зразок роторно-пульсаційної установки.
Схема експериментальної установки роторного типу показана на рис. 2.2.
Пристрій роторного типу (рис. 2.3) включає корпус з вхідним і вихідним
патрубками, ротор, розміщений на вертикальному валу приводу співвісно з вхідним
патрубком, і коаксіально закріплений в корпусі нерухомий статор, виконані у вигляді
концентричних робочих елементів з наскрізними проточками, а також пристрій для
регулювання зазору між ротором та статором та вузол ущільнення валу.
Над вхідним патрубком встановлена ємність. При цьому кінець вертикального
валу двигуна, що виступає, введений в порожнину ємності і забезпечений додатковими
робочими органами. Це дозволяє здійснювати в ємності крім теплових процесів
40
(пастеризація, стерилізація чи охолодження) ще подрібнення та перемішування. Робочі
органи виконані у вигляді ріжучих насадок (ножів) з кутом атаки 7°, що усуває
можливість забивання вхідного патрубка частинками твердої фази в продукті, що
обробляється, і дозволяє вводити в суміш в якості компонента великі шматки добавок
без попереднього подрібнення.
Рисунок 2.2. Схема створеної РПУ: 1 – накопичувальна ємність із сорочкою; 2 –
пристрій роторного типу; 3 – привід; 4 – лінія рециркуляції; 5 – манометр; 6 –
триходовий кран; 7 – патрубок вивантаження готової продукції; 8 – термопара; 9 –
штуцер для аерування.
Рисунок 2.3 - Пристрій роторного типу: 1 – корпус; 2 – кришка; 3 – вхідний
41
патрубок; 4 – ємність із сорочкою; 5 – штуцер для аерації продукту; 6 – вал двигуна; 7
– двигун; 8 – ущільнення валу; 9 – ротор; 10 – зовнішня крильчатка; 11 – внутрішня
крильчатка; 12 – ножі; 13 – статор; 14 – колосник; 15 – пристрій для регулювання
зазору.
Між фланцями вхідного патрубка і ємності монтується пристрій для підведення
газової фази – пневмоколектор, виходячи з якого бульбашки газу захоплюються
потоком оброблюваного продукту і при проходженні каналів системи «ротор-статор»
піддаються тонкодисперсному дробленню і рівномірному розподілу газової фази. Це
уможливлює паралельно здійснювати такі процеси, як абсорбція, газонаповнення,
спінювання тощо, що надають нові якісні показники кінцевому продукту.
Робочі поверхні ротора і статора виконані з трапецієподібними виступами,
внаслідок чого є можливість змінювати зазор між зубами ротора і статора залежно від
типу рідкого середовища і бажаного ступеня механічного впливу на оброблюваний
продукт. Для створення нагнітального ефекту наскрізні проточки у концентричних
колах на роторі виконані під кутом 30° до радіальної осі з шириною 10 мм (див.
додаток А). На статорі в концентричних колах також зроблені наскрізні радіальні
проточки під кутом 30° до осі, але ширина, з метою збільшення кількості проточок,
зменшена до 3 мм. Крім цього, виконаний нахил кромки зуба до осі обертання для
доповнення до зсувної напруги на продукт ще ефекту зрізу, що важливо при обробці
неоднорідних за структурою та волокнистих продуктів, таких як сир і м'ясо.
Вихідний патрубок з’єднаний з порожниною чаші, що уможливлює (у разі
недостатньої обробки продукту за один прохід) направити його на рециркуляцію до
досягнення однорідної консистенції.
На установці можна працювати в трьох режимах: в режимі «міксера», коли
патрубок виходу закривається і продукт циркулює всередині ємності, перемішуючись і
подрібнюючись на ріжучих насадках і частково в ротор-статорі, в режимі
42
«диспергатора», коли патрубок підключається до рециркуляції і продукт піддається
багаторазовій обробці в ротор-статорі. Третій режим – "на прохід", коли продукт
піддається обробці в ротор-статорі і захоплюється відразу в розвантажувальний
патрубок. Цей режим застосовується, коли достатньо одноразового проходження через
робочі органи за умови, що подається готова суміш або подаються компоненти з
контрольованою витратою в необхідних пропорціях.
У процесі дослідження експериментальний зразок забезпечував виконання
наступних технологічних операцій:
- заповнення чаші вихідними інгредієнтами;
- перемішування і попереднє подрібнення інгредієнтів за допомогою похилих
ножів, що обертаються;
- кавітаційний та пульсаційний вплив на оброблюваний продукт за допомогою
пари ротор-статор, що забезпечує диспергування та гомогенізацію кінцевого
продукту;
- газонаповнення (збивання) продуктів через систему упорскування стиснутих
газів;
- нагрівання вихідного продукту, як за рахунок дисипативних сил опору, так і
за рахунок теплоносія, що подається в сорочку чаші;
- рециркуляцію продукту в установці;
- охолодження продукту водою, що подається в сорочку чаші;
- розвантаження оброблених продуктів;
- санітарну обробку (мийку) поверхонь, що контактують із продуктом.
При цьому напір виходить з розвантажувального патрубка готового продукту,
що забезпечується за рахунок кінетичної енергії, що отримана при обертальному русі
похилих ножів та багатоканального ротора.
Як модельні середовища при виконанні експериментальної частини роботи були
використані харчові компоненти, що входять до складу сирних десертів і мусів:
43
- воду питну;
- сир, вироблений на лінії Я9-ОПТ;
- молоко пастеризоване з масовою часткою жиру 3,2%;
- молоко цільне з масовою часткою жиру 4,0-4,4%;
- сухе знежирене молоко;
- вершки пастеризовані 20% жирності;
- вершкове масло;
- масло рослинне;
- замінник молочного жиру імпортного виробництва;
- сировину сирну, вироблену на лінії Я9-ОПТ; крохмаль кукурудзяний желюючий;
- желатин харчовий П11;
- цукор;
- стабілізатори;
- ароматизатори та смакові наповнювачі.
При проведенні газонаповнення використовували газоподібний азот високої
чистоти, показники якості якого представлені в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1. Показники якості азоту газоподібного згідно з ГОСТ 9293.
№ Компонент Об'ємна частка компонента, ppm
1. Двокис вуглецю (СО2) нбілбільгшбільше 3,0
2. Метан (СН4) 5,0
3. Окис вуглецю (СО) 2,0
4. Кисень (О2) 1,0
2.2 Прилади та методи досліджень.
Струм і напруги по фазах електродвигуна, що підводиться до двигуна, а також
споживана експериментальним зразком потужність на різних етапах досліджень
вимірювалася за допомогою спеціального вимірювального комплекту К-50, фотографія
44
якого представлена на рис. 2.4.
Рисунок 2.4. Вимірювальний комплект К-50.
У ході роботи визначали такі фізико-хімічні показники.
Показання температури оброблюваного продукту знімалися з вбудованого в
ємність термометра мідного технічного ТМТ-1-3 50М С380 пристроєм контролю
температури УКТ1-Н.01 з точністю ±0,1 °С.
Температура води, яка спрямована для охолодження продукту в сорочку чаші,
замірялася ртутним термометром з точністю ±0,5°С.
Матеріальні витрати потоків продукту та охолоджувальної води визначалися за
часом заповнення мірних ємностей.
Стійкість отриманих емульсій визначали згідно з методикою [19] центрифужним
тестом. Для цього чотири центрифужні пробірки, ємністю 10 см3 заповнювали до
верхньої поділки отриманою емульсією, центрифугування проводили при швидкості
обертання 1500 об/хв протягом 5 хв. Стійкість емульсії U характеризувалася кількістю
фази, що відокремилася, в результаті механічного впливу і обчислювалося за
формулою:
U= 100 - 10h, %, (2.1)
45
де, h - кількість фази, що відокремилася, см3.
Показник ефективності гомогенізації визначали за методикою [19], заснованою
на центрифугуванні молока та вимірюванні вмісту жиру в нижній частині спеціальної
пробірки.
Густину отриманих модельних систем та дослідних продуктів визначали із
співвідношення:
m
(2.2)
V
де, m – маса продукту (кг), що визначається на вагах аналітичних марки ПВ-30 з
точністю до 0,005 кг; V – об'єм продукту (м3), що визначається мірним циліндром з
ціною поділки 20 мл і максимальним об'ємом 1000 мл.
Ступінь збитості [19] газорідинних продуктів визначалася із співвідношення:
(2.3)
де ρ0 і ρг відповідно – густина суміші до та після газонаповнення, кг/м3.
Кінетичну стійкість отриманих сумішей розглядали у часі, визначаючи рівень
поверхні поділу фаз.
Подача азоту здійснювалася в пневмоколектор установки відповідно до схеми,
показаної на рис.2.5.
Регулювання витрати азоту під час газонаповнення проводили шляхом створення
в системі упорскування необхідного тиску в залежності від діаметра отвору в
дросельному кільці [19]. Витрата азоту обчислювали за формулою:
(2.4)
де d0 – діаметр пропускного отвору, м; Рг – тиск газу, Па; t – температура газу, що
подається, К.
46
Рисунок. 2.5. Схема здійснення процесу газонаповнення із застосуванням
балонного газу та пневмоколектора: 1 – балон з азотом; 2, 6 – запірний вентиль; 3, 5 –
манометр; 4 – регулювальний вентиль; 7 – дросельне кільце; 8 – пневмоколектор.
Діапазон зміни зазорів (рис. 2.6) визначався за формулою (2.5) та показаний у
таблиці 2.2.
Рисунок 2.6. Роторний пристрій.
d=(b-bo)*sina, мм, (2.5)
де d – зазор між бічними поверхнями статора (міжциліндровий зазор), мм, b –
відстань між фланцями кришки і корпусу, bо – відстань між фланцями при d = 0, а –
47
половина кута конусності.
Таблиця 2.2. Зміна зазорів залежно від відстані між фланцями.
Проміжок між Зазор між Зазор між
Відстань між вершиною зуба та вершиною зуба та бічними
фланцями, западиною, радіальною поверхнями
b, мм с, мм проточкою, z, мм зубів, d, мм
1 0,5 -5 0
1,5 1 -4,5 0,13
2 1,5 -4 0,26
2,5 2 -3,5 0,39
3 2,5 -3 0,52
3,5 3 -2,5 0,65
4 3,5 -2 0,78
4,5 4 -1,5 0,91
5 4,5 -1 1,04
5,5 5 -0,5 1,17
6 5,5 0 1,3
6,5 6 0,5 1,43
7 6,5 1 1,55
7,5 7 1,5 1,68
8 7,5 2 1,81
2.3 Методика планування експерименту та математична обробка результатів
досліджень.
Для зменшення кількості експериментів та визначення оптимальних параметрів
проведення процесу газонаповнення нами було застосовано планування експерименту.
Методика планування включала вибір факторів і показників, що характеризують
ефективність процесу; вибір рівнів зміни факторів; вибір плану проведення
експерименту та математичної моделі процесу [16-18].
Математичну обробку даних проводили в такий спосіб.
Розрахунок коефіцієнта кореляції проводили за такою формулою:
(2.6)
48
Похибки результатів n у паралельних вимірюваннях визначали за формулами:
де, S2 – вибіркова дисперсія; xt – значення вимірювання, отримане в i-й ітерації;
tf,a – значення критерію Стьюдента f=N-l і α=0,95 (аналітичний експеримент); М –
поправка на зсув; S – вибіркове стандартне відхилення; N-кількість експериментів.
Розрахунок коефіцієнтів рівняння описуваних апроксимуючими функціями типу
у = f(x1, х2) зробили за формулами:
(2.10)
де, В – вектор-стовпець коефіцієнтів рівняння; X - матриця кодованих значень
незалежних змінних; X* – транспортована матриця X; Y — вектор стовпець
результатів експерименту.
Похибки коефіцієнтів рівняння регресії знаходили за такою формулою:
(2.11)
де: ε – матриця похибок.
(2.12)
де, R – достовірність апроксимації; N – число рядків матриці X (матриці
планування експерименту); k – число рядків матриці В; tf,a – значення критерію
Стьюдента для f=N-l і α=0,9 (технологічний експеримент); уі – значення відгуку,
отриманого в і-му досліді; уі – значення відгуку, отриманого для і-ого досліду шляхом
розрахунку рівняння регресії.
Для встановлення оптимального впливу геометрії роторного пристрою на рівень
49
збитості системи будували математичну модель [19]. Для цього виконувались
обчислення з використанням положень лінійного програмування пошуку допустимих
базисних рішень за допомогою програми Matlab і апарату моделювання лінійної
системи рівнянь за допомогою програми Mathcad. Система лінійних нерівностей мала
вигляд:
(2.13)
де, М – матриця з n – кількістю членів у стовпці і k – кількістю членів у рядку,
що складається з елементів (dij, τj), добутки яких утворюють її параметри; dij – зазор
між бічними поверхнями зубів і (мм) за j час газонаповнення суміші; τj – час (сек)
газонаповнення суміші в j-му експерименті, n – кількість зазорів між бічними
поверхнями зубів; k – кількість факторів експерименту; X – вектор незалежних змінних
xj.
Відгук у (або Wε – збитість, %) в такий спосіб залежить від вектора незалежних
змінних xj:
у(а, х) = a'f(x), (2.14)
Множина усіх точок проведення експериментів
і=1,2, ..., N, представлялася за допомогою матриці плану:
(2.15)
Вибір зазору між бічними поверхнями зубів ротора та статора та часу
газонаповнення суміші в процесі рециркуляції виконували за формулою (2.5) із умови:
(2.16)
Вектор Х0 – центр плану, є середнім значенням j-x координат усіх точок плану:
50
(2.17)
Обчислювальний експеримент полягав у отриманні рівняння регресії
визначаючого поверхню відгуку моделі при варіюванні значень змінних по всьому
факторному простору.
Висновки до розділу 2:
Рівняння регресії, отримані при плануванні експерименту, досліджували
наступним чином: брали часткові похідні по кожній із змінних, прирівнювали отримані
вирази до нуля і вирішували систему двох рівнянь з двома невідомими. Після цього
отримували координати точки глобального оптимуму. Цю операцію проводили тричі,
обчислюючи координати точки оптимуму за середніми значеннями коефіцієнтів
регресії (найбільш ймовірні координати оптимуму), а також за максимальними та
мінімальними значеннями. В останніх двох випадках отримували координати точок,
які з ймовірністю 90% обмежували область оптимуму.
51
3 РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
3.1 Визначення технічних характеристик для обробки рідин.
3.1.1 Напірно-витратна характеристика.
Вивчення гідродинамічної ситуації, що складається при проходженні рідин через
систему ротор-статор представляє важливий аспект у розумінні закономірностей
роботи РПА. З метою спрощення аналізу розглянемо середнє значення за протяжністю
середовища через роторний пристрій створеної установки без урахування впливу
пульсацій, що виникають при періодичному перекриванні отворів ротора та статора.
Вважатимемо, що роторний пристрій за принципом своєї дії є одним з різновидів
відцентрових насосів.
Як відомо, основними технічними характеристиками відцентрових насосів є
подача Q, напір Н, споживана потужність приводу N і гідравлічний коефіцієнт
корисної дії насоса.
Для отримання зазначених характеристик у процесі експериментів
здійснювалося поступове плавне прикриття засувки на напірному патрубку і при
постійному числі обертів приводу знімалися показники потужності, витрати, напору та
температур. Геометрія роторного пристрою змінювалася таким чином, щоб показання
знімалися для мінімального, середнього та максимального зазору між бічними
поверхнями зубів.
Подача насоса Q замірялася через витрату рідини через вихідний патрубок за
методикою, описаною в розділі 2.
Напір Н визначався з виразу, заснованому на різниці енергій одиниці ваги рідини
в перерізі потоку після роторного пристрою та перед ним:
(3.1)
де, zH і zB – висотні координати перерізів, що розглядаються після роторного
52
пристрою і до нього, м (zH - zB = 0,6 м); рН і рВ – абсолютний тиск рідини в перерізах
після роторного пристрою і до нього, Па; рВ = 105 Па (1 атм), рН – фіксується
манометром встановленим на вихідному (напірному) патрубку; vH і vB – швидкість
потоку в аналізованих перерізах після роторного пристрою і до нього, м/с, vB = 0, vH –
визначається з виразу:
(3.2)
де D – діаметр вихідного патрубка (D=0.05m); ρ – густина рідини, кг/м3 (густина
води ρ = 1000 кг/м3).
Отримані дані подано у таблиці 3.1. З цих даних побудовані напірно-витратні
характеристики роторного пристрою створеної установки (рис. 3.1.).
Таблиця 3.1. Фактичні показники технічної характеристики РПУ залежно від
величини зазору між бічними поверхнями зубів d.
№ Витрата, Q, Напір, Н
дослід Зазор, d мм м3/год Тиск, Рн Па м
у 1 2 3 4 5
1. 0,05 50,40 140000 6,68
2. 0,05 34,28 185000 9,88
3. 0,05 12,00 270000 17,50
4. 0,05 2,46 355000 26,03
5. 0,05 0,00 380000 28,57
6. 0,21 55,80 140000 7,26
7. 0,21 51,00 180000 10,81
8. 0,21 17,17 270000 17,64
9. 0,21 5,60 340000 24,50
10. 0,21 0,00 390000 29,57
11. 0,32 63,16 130000 7,14
53
1 2 3 4 5
12. 0,32 0,00 385000 29,08
13. 0,94 87,12 140000 11,84
14. 0,94 79,02 150000 11,48
15. 0,94 34,20 270000 18,55
16. 0,94 4,36 390000 29,61
17. 0,94 0,00 400000 30,61
18. 1,55 95,76 165000 16,00
19. 1,55 4,00 345000 25,02
20. 1,55 0,00 375000 28,06
21. 1,81 101,88 170000 17,74
22. 1,81 92,52 200000 18,95
23. 1,81 43,64 270000 19,30
24. 1,81 0,87 345000 25,00
25. 1,81 0,00 355000 26,02
Витрата, м3/год
■ d = 0,05 мм ♦ d = 0,21 мм A d = 0,94 мм • d = 1,81 мм
Рисунок. 3.1. Напірно-витратна характеристика роторного пристрою H = f (Q).
Для отриманих даних за напірно-витратною характеристикою підібрано
апроксимуючі функції (рис. 3.1). Виходячи з точності апроксимації, зміну напору від
витрати в рамках досліджуваної ділянки можна описати поліномом другого ступеня:
54
Напір, м
(3.3)
Отримані коефіцієнти а, b, c та величину достовірності апроксимації R2 залежно
від зазору d, при якому працювала установка, відображені в таблиці 3.2.
Таблиця 3.2. Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Коефіцієнти
Зазор, d Достовірність
мм а b c апроксимації R2, %
1. 0.05 0.0091 -0.872 28.005 99.0
2. 0.21 0.0069 -0.7478 28.948 97.9
3. 0.94 0.0027 -0.4574 31.055 99.8
4. 1.81 0.0011 -0.187 25.554 97.1
Як видно з графіка H=f(Q), витрата продукту змінюється за різної величини
міжциліндрового зазору. При повністю відкритому зазорі подача змінюється від 50 до
100 м3 на годину. Пара ротор-статор має істотний додатковий опір, чим можна
пояснити зниження напору при малих показниках витрати для H=f(Q) при d=1.81 мм.
Таким чином, оскільки опір статора як запірного пристрою при малих витратах менше,
то при прикритій засувці повернення рідини через ротор-статор підведення значно
збільшується, у зв'язку з чим реальна витрата і напір зменшуються.
На підставі отриманих характеристик побудовано сімейство апроксимуючих
функцій, що описує зміну напору в залежності від зазору між бічними поверхнями
зубів при різних значеннях подачі роторного пристрою в діапазоні від 0 до 50 м3/год
(рис.3.2).
55
Зазор, мм
Рисунок 3.2. Зміна тиску в залежності від зазору при різних витратах.
Криві, показані рисунку 3.2, на цій ділянці можна математично описати
поліномом другого порядку:
при Q=const, (3.4)
Отримані коефіцієнти а, Ь, з величину достовірності апроксимації R2 залежно
від витрати Q, при якому працювала установка, відображені в таблиці 3.3.
Таблиця 3.3.
Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Коефіцієнти
Витрата, Q
Достовірність
м3/год а b с апроксимації R2, %
1. 0 -4,1058 6,306 28,117 95,7
2. 10 -6,1426 13,46 19,551 100
3. 20 -6,1266 15,909 13,517 99,9
4. 30 -5,4949 16,344 9,343 99,9
5. 40 -4,2505 14,762 7,0291 100
6. 50 -3,3519 13,608 5,2737 99,7
56
На підставі отриманих функцій можна чітко виявити максимальні значення
напору і відповідну їм геометрію роторного пристрою. Після математичного
визначення екстремумів під час диференціювання було визначено ці точки. Характер
зміни максимального натиску в обмеженій ділянці (0<Q<50; 0.05<d<l.81) показаний
рисунку 3.3.
Рисунок 3.3. Оптимальні режими роботи роторного пристрою для створення
максимального напору: а) – графік залежності оптимального зазору від витрати, для
отримання максимального напору, б) – графік залежності максимального напору від
витрат при певних зазорах).
Як видно з рсиунка 3.3 в даному діапазоні подачі роторного пристрою
57
максимальний напір рідини відзначений при нульовому потоці і зазор між боковими
поверхнями зубів рівному 0,8 мм і становить 29.4 м водного стовпа. При подальшому
збільшенні зазору йде спад лінійної залежності створюваного максимального тиску.
З огляду на отримані дані можна рекомендувати ті чи інші режими, включаючи
оптимальні для використання створеної РПУ для транспортування рідких середовищ.
Так, наприклад, при відновленні молока виникає додаткова потреба його подачі в
ємності чи ділянку розливу тощо.
Загалом дослідження напірно-витратних характеристик роторного пристрою
створеної установки показали:
- зміна зазору значною мірою впливає на витрату установки. Якщо при мінімальному
зазорі та відкритій засувці витрата дорівнює 50,4 м3/год, то при максимальному
зазорі він збільшується на 102,1% і становить 101,88 м3/год;
- максимальний напір установки заміряний при повністю закритому крані на зазорі
0,8 мм і становить 29,4 м водного стовпа. При подальшому збільшенні зазору
відбувається падіння напору, пов'язане з поступовим відкриттям наскрізних каналів
через систему ротор-статор;
- отримані залежності напірно-витратних характеристик (рис. 3.2) дозволяють
оцінити гідродинамічну обстановку в роторному пристрої для всього діапазону
проміжків між бічними поверхнями зубів. Дані відображені на рис. 3.3. дозволяють
визначати оптимальні режими обробки продуктів (з огляду подальшого транспорту
продукту за можливими елементами технологічної лінії).
3.1.2 Розподіл енергоспоживання приводу установки.
Енергоспоживання приводу РПА витрачається на створення напору, подолання
механічних, об'ємних і гідравлічних втрат, і навіть на подолання різних опорів у
системі ротор-статор. До цих опорів відносяться: втрати напору на тертя, повернення
потоків, місцеві опори, гідравлічні удари, кавітація і пульсація потоку, дроблення
58
твердих частинок (за їх наявності). Характер розподілу споживаної енергії можна
розглянути у вигляді наступного виразу:
N=Nг+Nд+Nі+Nм+N0+Ny, Вт, (3.5)
де, Nг – гідравлічна потужність, тобто потужність, що передається рідині в
роторі, визначається з виразу:
Nг QgH
, Вт (3.6)
Nд – дисипована потужність, тобто витрати потужності на тертя рідини в
міжциліндрових зазорах – Nдт та дискове тертя у зазорі між ротором та корпусом Nдд.
Дисиповану в зазорі потужність, віднесену до одиничного площини циліндричної
поверхні кільцевого зазору, можна визначити з наступного виразу:
(3.7)
де Vo – кільцева швидкість рідини, м/с; г – поточний радіус, Ro<r<R1, м; Ro –
радіус бічної поверхні статора, м; R1 – радіус бічної поверхні ротора, м; m – константа,
що враховує відхилення реальної рідини від ньютонівської (вода) для якої m=1.
Витрати потужності на дискове тертя в торцевому зазорі між ротором і
корпусом визначаються за аналогією з відцентровими насосами:
(3.8)
де Dp – зовнішній діаметр ротора, м; n – частота обертання ротора, с-1; f –
коефіцієнт тертя для турбулентного режиму, що визначається виразом:
(3.9)
µ – кінематична в'язкість продукту, м/с (для води µ =1-10-6 м/с);
Працюючи РПУ на воді Nдд=170 Вт.
Nu – потужність, що витрачається на деформацію та подрібнення твердих
частинок, що знаходяться в оброблюваному продукті, яку можна визначити на основі
59
енергетичного балансу, де умова подрібнення набуває вигляду:
(3.10)
де, σр – напруга руйнування чи межа міцності, Па; V – об'єм подрібнюваного
тіла, м3; Е – модуль Юнга, Па;
Т – тривалість нагріву, с.
NM – потужність (Вт), що витрачається на тертя в підшипниках, в ущільненнях
валу (механічні втрати) визначається експериментально при обертанні ротора без
рідини (для РПУ NM =650 Вт) .
No – потужність (Вт), що витрачається на об'ємні втрати рідини, пов'язані з її
поверненням через ротор-статор до вхідного патрубка, обумовлені тим, що тиск на
виході з ротора більший ніж на вході. Такі втрати можна визначити лише на підставі
теоретичних досліджень при обробці експериментальних даних.
Ny – втрати потужності пов'язані з витоками рідини через ущільнення (Вт) (у
нашому випадку вони мізерно малі та їх можна прирівняти до нуля).
При роботі на установці можна визначити кількість енергії яка витрачається на
нагрівання продукту, що обробляється. Кількісний показник визначає
енергоспоживання приводу – Nе в процесі нагрівання продукту в результаті
перерозподілу витрат потужностей Nu, Nд, і Nм що безпосередньо характеризує
механічний вплив на продукт при обробці його в установці за виключенням втрат Nм
та Nдд.
Показник Nе можна визначити експериментально ґрунтуючись на тепловому
балансі, показаному в наступному виразі:
(3.11)
де, mn і mM – відповідно, кількість продукту, що нагрівається, і елементів
60
конструкції, кг; Сn і См – теплоємність продукту та металу, до; ���� i ������ �� – початкова
температура продукту та елементів конструкції, Дж*кг/К; ������ i ������ – кінцева
температура продукту та конструкції, К; Т – тривалість нагріву, с.
На підставі отриманих експериментальних та розрахункових даних, показаних у
таблиці 3.4. побудований графік залежності споживаної приводом ротора потужності
від витрати рідини (див. рис. 3.4).
Рисунок 3.4. Діаграма залежності енергоспоживання приводу від витрати при
різних зазорах.
За отриманими даним методом апроксимації побудовано функції, показані на
рисунку 3.4, які на даній ділянці можна математично описати поліномом другого
порядку:
(3.12)
Коефіцієнти а, b, c та величину достовірності апроксимації R2 залежно від зазору
d, при якому працювала установка, відображені в таблиці 3.5.
Як очевидно з рис. 3.4. споживання потужності приводом установки пов'язане як
із витратою, а й із зазором. Приміром, при мінімальному зазорі показання потужності
перебувають у межах 10,34-11,3 кВт, причому мінімальний рівень споживання
61
потужності виникає за середнього рівня подачі установки. При подальшому збільшенні
витрати споживання потужності також зростає. Очевидно, це з збільшенням місцевих
опорів в перфорації статора, рахунок збільшення швидкості закінчення рідини через
ротор-статор. При незначному збільшенні проміжку картина споживання потужності
приводом кардинально не змінюється.
При роботі установки на міжциліндровому проміжку близько 1 мм картина
споживання потужності змінюється і нагадує ідентичні характеристики для
відцентрових насосів. Опір при проходженні рідини через роторстатор при збільшенні
витрати не відіграє важливої ролі.
Таблиця 3.4.
Фактичні показники технічної характеристики РПУ залежно від
величини зазору між бічними поверхнями зубів d.
1. 0,05 10,7 0,92 8,83 0,31 8,58 82,48 2,86
2. 0,05 10,3 0,92 8,44 0,29 8,96 81,96 2,77
3. 0,05 10,5 0,57 8,75 0,53 5,45 83,32 5,04
4. 0,05 11 0,17 8,90 1,27 1,59 80,93 11,57
5. 0,05 11,2 0,00 - - 0,00 - -
6. 0,21 11,65 1,10 9,0 0,90 9,48 77,23 7,71
7. 0,21 11,3 1,50 8,87 0,28 13,30 78,46 2,49
8. 0,21 10,6 0,83 8,53 0,60 7,79 80,46 5,62
9. 0,21 І,1 0,37 9,01 1,07 3,37 81,18 9,60
10. 0,21 11,8 0,00 - - 0,00 - -
І. 0,32 10,4 1,23 7,67 0,85 11,82 73,79 8,14
12. 0,32 12,3 0,00 - - 0,00 - -
13. 0,94 9,3 2,81 5,22 0,62 30,21 56,11 6,68
14. 0,94 9 2,47 5,14 0,74 27,47 57,13 8,17
15. 0,94 І 1,73 7,83 0,79 15,71 71,16 7,22
16. 0,94 12,7 0,35 9,98 1,72 2,77 78,56 13,56
17. 0,94 12,9 0,00 - - 0,00 - -
62
№ досліду
Зазор, d
мм
Потужність, що
споживається, N
кВт
Гідравлічна
потужність, Nr.
кВт
Дисипірована
потужність, N4
кВт
Потужність, що
витрачається на
об'ємні втрати, No
кВт
ККД гідравлічне,
%
ККД теплове,
%
Об'ємні втрати, %
18. 1,55 11,2 4,17 5,76 0,62 37,27 51,39 5,53
19. 1,55 12,4 0,27 - - 2,20 - -
20. 1,55 12,4 0,00 - - 0,00 - -
21. 1,81 12,5 4,93 5,37 1,55 39,40 42,98 12,42
22. 1,81 12,5 4,78 5,37 1,70 38,21 42,98 13,61
23. 1,81 12 2,29 6,91 2,15 19,12 57,56 17,90
24. 1,81 11,7 0,06 7,90 3,09 0,51 67,56 26,38
25. 1,81 11,7 0 - - 0 - -
Таблиця 3.5.
Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Коефіцієнти
зазор, d м3/год Достовірність
а Ъ з апроксимації, R2 %
1. 0,05 0,001 -0,641 11,163 98,8
2. 0,21 0,0017 -0,097 11,716 97,0
3. 0,94 0,0003 -0,07 12,963 99,1
4. 1,81 2x10-5 0,0067 11,694 99,3
Зворотна картина спостерігається під час роботи установки на максимальному
зазорі, де спостерігається падіння потужності при зменшенні витрати (закриття засувки
на вихідному патрубку). Це можна пов'язати з наскрізними протоками, що утворилися
через прорізи ротора і статора, пов'язані з розсуванням зубів, де роль зазору між
бічними поверхнями зубів йде на другий план. Основні потоки рідини при прикритті
засувки починають інтенсивно циркулювати: на вихід через наскрізні проточки в
роторі, та їх повернення через такі ж у статорі, при цьому вплив дисипативних сил
опору значно зменшується.
Для створення загальної картини зміни витрат потужності приводу при різних
проміжках, діаграма на рис 3.4. переглянута в інших координатах в обмеженій області
зміни витрати (0<Q<50) що показано на рисунку 3.5.
Отримані дані шляхом апроксимації можна математично описати поліномом
другого порядку:
при Q = const, N(d) = a*d2 + b*d + c, (3.13)
Отримані коефіцієнти а, b, c та величину достовірності апроксимації R2 залежно
від витрати Q, при якому працювала установка, відображені в таблиці 3.6.
63
Рисунок. 3.5. Споживання потужності залежно від зазору за різних витрат.
Таблиця 3.6. Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Коефіцієнти
Витрата, Q Достовірність
м3/год а b с апроксимації, R2 %
1. 10 -1,5 3,4135 \0,П6 98,8
2. 20 -0,9446 2,5356 10,095 98,2
3. 30 -0,318 1,3617 10,119 99,6
4. 40 0,3799 -0,1081 10,448 97,2
5. 50 1,1491 -1,8738 11,083 73,6
Криві, показані на рисунку 3.5. багато в чому підтверджують висунуті раніше
гіпотези. При малих зазорах (d<0.4 мм) зміна потужності незначна і коливається в
діапазоні 1 кВт. Подальше збільшення зазору наочно показує вплив сил дисипативного
опору і внутрішніх рециркуляційних потоків на загальну картину споживання
потужності. Так, наприклад, при витраті 10 м3/год зворотні потоки, що утворюються,
змушені рухатися через простір між бічними поверхнями зубів, що при зростанні
міжциліндрового зазору викликає зростання дисипативних сил тертя (див. формулу
3.7). При збільшенні витрати роль цих сил зменшується (поворотних потоків стає
менше). Але при відкритті наскрізних проточок та подоланні максимального напору
(див. рисунок 3.3) картина споживання потужності змінюється. Споживання
64
потужності при малих витратах (Q<25 м3/год) зменшується, а за більш високої подачі
продовжує збільшуватися.
Для підтвердження цих гіпотез, виходячи з експериментальних і розрахункових
даних, на рисунку 3.6. показані гістограми розподілу енергоспоживання приводу
створеної установки на гідродинамічну (насосну) та дисипативну потужність, втрати
пов'язані з поверненням рідини через систему ротор-статор та на механічне тертя.
Гідравлічна потужність визначалася з виразу 3.4. Потужність визначали на основі
виразу 3.9, попередньо вимірявши темп нагріву продукту і установки протягом 10
хвилин. Витрати енергії на механічні втрати були однакові протягом всім вимірів і
становили 0,65 кВт. Об'ємні втрати визначалися шляхом віднімання із споживаної
приводом установки потужності всіх споживачів енергії. Інші джерела споживання
енергії під час роботи установки на воді можна прирівняти до нуля.
На гістограмі (рис. 3.6) наочно показано зменшення впливу сил дисипативного
тертя зі збільшенням зазору. На мінімальному зазорі витрати потужності на подолання
цих сил мають переважний характер (87-91% від споживаної потужності) і картина їх
впливу зі збільшенням витрати особливо не змінюється, лише втрати на об'ємні
переміщення всередині роторного пристрою плавно переходять у гідродинамічну
потужність.
При зазорі 0,94 мм спостерігається спад впливу процесу дисипації (з 86,4% до
64,4%) зі збільшенням витрати, що веде до зростання гідродинамічної складової
споживання потужності.
При максимальному зазорі зростає споживання потужності на об'ємні втрати, при
прикритій засувці вони становлять 18,8%, це зростання відбувається завдяки зниженню
дисипативної потужності (80,7%). Гідродинамічна потужність досягає свого
максимуму для створеної установки і становить 40% від споживаної потужності.
65
Рисунок. 3.6. Енерговитрати приводу РПУ в залежності від витрати при
перекачуванні води при різних зазорах між бічними поверхнями зубів d (а – d=0,05 мм,
б – d=0,94 мм, в – d=1,81 мм).
За результатами дослідження енерговитрат установки можна зробити такі
66
висновки:
- зміна зазору між бічними поверхнями зубів і, як наслідок, наявність наскрізних
каналів значною мірою впливає характер витрати енергії, що споживається
приводом установки при обертанні ротора. При роботі установки на воді
споживана потужність змінюється від 92 кВт до 130 кВт;
- основна частка енергії витрачається подолання сил дисипативного опору, вона
становить 43%-83%;
- при роботі на мінімальному зазорі гідравлічна потужність збільшується обернено
пропорційно втрат на об'ємні переміщення всередині роторного пристрою.
У цілому, дані експериментів свідчать, що взаємозв'язок витрат потужності і
конструктивних особливостей установки несе дуже складний характер. Знання цих
закономірностей дозволяє більш обґрунтовано підходити до питань створення такого
обладнання, виявлення сфер раціональних режимів роботи установки залежно від
поставлених технологічних завдань. Але для зручності сприйняття отриманих
результатів необхідно запровадити критерій, що характеризує ефективність роботи
установки.
3.1.3 Критерій ефективності роботи РПА.
Критерієм ефективності роботи відцентрових насосів є коефіцієнт корисної дії
(ККД). Загалом ККД РПА як насоса визначає відношення гідравлічної потужності до
споживаної:
(3.14)
Однак це показник не можна вважати визначальним критерієм ефективності
роботи РПА, т.к. він лише зазначає непрямі можливості цього апарату пов'язані з
продуктивністю.
Найбільш показовим критерієм ефективності роботи РПА доцільно прийняти
відношення:
67
(3.15)
Позначимо ηе – коефіцієнт ефективності енерговитрат споживаної енергії
приводу. За відсутності оброблюваному продукті твердих частинок NH=0, це
ставлення спрощується.
Дані, отримані на підставі виразу 3.14, наведено в таблиці 3.4. На рисунку 3.7
показано залежності зміни гідравлічного коефіцієнта корисної дії від витрати продукту
та від зазору між бічними поверхнями зубів.
Криві, показані рисунку 3.7., у межах досліджуваної ділянки можна
апроксимувати поліномом другого порядку:
Рис. 3.7. а - при d = const, ηr(Q) = aQ2 + bQ; (3.16)
Рис. 3.7. б - при Q = const, ηr(d) = ad2 + bd + c. (3.17)
Отримані коефіцієнти а, b, c і величина достовірності апроксимації R2 для
описуваних апроксимованих функцій, відображені в таблицях 3.7 та 3.8.
Як видно з кривих (рис. 3.7 а) гідравлічний ККД установки для мінімального
зазору не перевищує 9,5% при витраті Q=37,9 м3/год.
Максимального значення ККД досягає на зазорі d=1.81мм при повністю
відкритій засувці і становить 40%, що більш ніж у чотири рази вище ККД при
мінімальному зазорі. На графіку ηг = f(d), значення гідравлічного ККД при малих
витратах (Q<20 м3/год) залежно від зазору практично не змінюється (при Q= 10 м3/год -
ηг=4,5-5,3%, при Q=20 м3/год – ηг=4,5-5,3%). Значення ККД зростають при подальшому
збільшенні витрати, найбільш сильно вона відрізняється при Q = 50 м3/год, якщо при d
= 0,05 мм, ηг = 9%, то при d = 1.81 мм ККД збільшується в 2.4 рази і становить 23%.
Дані, отримані на підставі відношення 3.15, відображені у таблиці 3.4. На
рисунку 3.8. показано залежності зміни коефіцієнта ефективності енерговитрат від
витрати продукту та від зазору між бічними поверхнями зубів.
68
Рисунок. 3.7. Зміна гідравлічного коефіцієнта корисної дії ηГ : а – ηГ =f(Q), б – ηГ
=f(d).
69
|Таблиця 3.7. Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Зазор, d Коефіцієнти Достовірність
м3/год а b апроксимації, R2, %
1. 0,05 -0,0066 0,5005 98,5
2. 0,21 -0,0077 0,623 95,8
3. 0,94 -0,0022 0,5285 99,8
4. 1,81 -0,0009 0,4847 99,9
Таблиця 3.8. Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Витрата, Q Коефіцієнти Достовірність
м3/год а b с апроксимації, R2, %
1. 10 -0,6589 1,2066 4,6911 75,9
2. 20 -1,7171 3,9234 7,7956 65,4
3. 30 -3,1746 8,1505 9,3136 91,5
4. 40 -5,0314 13,888 9,2451 98,6
5. 50 -7,2874 21,135 7,5899 99,9
Зміни показників коефіцієнта ефективності енерговкладання від витрати
продукту відбувається за лінійною залежністю описуваної рівнянням:
при d=const, ; (3.18)
Отримані коефіцієнти b, с і величина достовірності апроксимації R2 для
апроксимуючих функцій, що описуються, відображені в таблиці 3.9.
70
Рисунок 3.8. Зміна коефіцієнта ефективності енергоспоживання приводу
установки ηе, а – ηГ = f(Q), б – ηГ = f(d).
Таблиця 3.9. Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Коефіцієнти
Зазор d, м3/год Достовірність
b с апроксимації, R2 %
1. 0,05 0,0135 81,84 98,5
2. 0,94 -0,281 80,121 99,6
3. 1,81 -0,2557 68,043 99,2
Криві, показані на рисунку 3.8.6, у межах досліджуваної ділянки можна
апроксимувати поліномом другого порядку:
npHQ = const, . (3.19)
Отримані коефіцієнти а, b, с та величина достовірності апроксимації R2 для
описуваних апроксимуючих функцій, відображені в таблиці 3.10.
Коефіцієнт ефективності енергоспоживання приводу має максимальні значення
при зазорі між бічними поверхнями зубів нижче 0,1 мм (див. рис. 3.8). Працюючи на
великих зазорах коефіцієнт ефективності може зменшитися майже вдвічі (до 43%). При
необхідності роботи на зазорах d>0,1мм для досягнення більшої ефективності
диспергування на підставі отриманих кривих доцільно зменшувати подачу роторного
71
пристрою установки шляхом прикриття вихідного патрубка.
Таблиця 3.10. Коефіцієнти апроксимуючих функцій.
№ Коефіцієнти
Витрата, Q Достовірність
м3/год а b с
апроксимації, R2 %
1. 10 -4,8687 -0,1603 81,727 100
2. 20 -2,9827 -5,0497 81,841 100
3. 30 -1,0968 -9,939 81,955 100
4. 40 0,7891 -14,828 82,069 100
5. 50 2,6751 -19,718 82,183 100
На підставі даних можна рекомендувати ефективний режим диспергування, який
спостерігається при мінімальному зазорі (до 83%) незалежно від подачі установки.
Таким чином, проведений цикл досліджень, присвячений визначенню технічних
характеристик установки, дозволив: визначити напірно-витратну характеристику
роторного пристрою для всієї області зміни прохідного перерізу між бічними
поверхнями ротора та статора; визначити фактори, що впливають на напірну та
енергетичну характеристику створюваної установки; диференціювати частки енергії з
їхнього вкладу в ті чи інші процеси; розкрити раціональні режими обробки продукту та
приступити до дослідження диспергуючої здатності роторного пристрою установки.
3.2 Вивчення процесів диспергування та гомогенізації рідких та пастоподібних
продуктів.
3.2.1 Дослідження емульгуючої здатності.
В даний час на ринку харчового обладнання з'явився цілий ряд вітчизняних та
зарубіжних роторно-пульсаційних апаратів, які, за інформацією виробників,
призначені для гомогенізації харчових продуктів. На молочних підприємствах подібні
апарати найчастіше використовують як високоефективні малогабаритні змішувачі-
емульсори, що застосовуються для обробки рідких або в'язких продуктів, які не
потребують високого ступеня диспергування жирової фази [3-11, 14].
72
Таблиця 3.11. Склад модельваної системи №1 жирністю 47,2%.
Найменування сировини Співвідношення, %
Рослинна олія 47,2
Ізольований соєвий білок, SUPRO 5,6
Вода 47,2
Разом: 100
Послідовність операцій та умови їх проведення при виробленні модельного
продукту представлені у таблиці 3.12.
Таблиця 3.12. Послідовність операцій експерименту.
№ Спож.
Найменування Час Відомості про роботу
потужність Сила
операції мін. Тем-ра °С установки кВт струму, А
Завантаження
- -
1. води та олії 3 18,5 Привід вимкнено
Завантаження 11,4
2. 4 →39 21
білка,
3. еЕммууллььггуувваанннняя. та
При роботі приводу
нагрівання до 1 →50
з рециркуляцією - -
50°с потоку продукту
4. Відбір 1 проби 50
Емульгування та
5. 2 →69 15,1 27,5
додавання білка
6. Відбір 2 проби 69 - -
Привід вимкнено
7. Додавання олії 4 →76 - -
Нагрів до 83°С
8. 3 →83,8 11,1 22
та відбір 3 проби При роботі приводу
9. Емульгування та 3 →92,9 з рециркуляцією
нагрівання до потоку продукту
max 6 16
Додавання води,
10. емульгування та 3 91 - -
відбір 4 проби При роботі приводу
з рециркуляцією
Додавання води, потоку продукту
11. емульгування та 3 92,4 5,7 16
відбір 5 проби
Для оцінки емульгуючої здатності роторного пристрою установки проведено
73
тестові випробування на модельній системі №1, рецептура якої представлена таблиці
3.11. Міжциліндровий проміжок – 0,5 мм.
При проведенні диспергування компоненти подавалися послідовно з проміжним
взяттям проб 1 та 2 для порівняльної оцінки з модельною системою №1. У відібраній
пробі співвідношення компонентів 3 відповідало модельній системі №1 (таблиця 3.11).
Для визначення ступеня емульгування водожирової емульсії при підвищених
температурах, а також різних співвідношеннях води, білка і жиру були відібрані проби
4 і 5.
Витрата продукту склала 2.9x10-3 м3/с (176 л/хв), кратність рециркуляції
становила ~6 разів на хвилину. Темп нагрівання продукту за рахунок дисипації енергії
у робочих органах роторного пристрою представлений на рисунку 3.9:
Рисунок 3.9. Темп нагріву модельованої системи дисипативними силами опору.
Під час експерименту було взято 5 проб, див. табл. 3.12. Лабораторний аналіз
отриманих модельних емульсій представлено таблиці 3.13.
Таблиця 3.13. Лабораторний аналіз продукту з урахуванням модельної системи №1.
№
проби Масова частка жиру, Масова частка білка, Кінетична стійкість
% % емульсії, %
1. 45,3 4,3 100
2. 44,3 6,1 100
3. 47,2 5,6 100
4. 34,6 4,3 100
5. 30,5 3,8 100
74
З отриманих даних можна зробити такі висновки:
- експериментальний зразок роторно-пульсаційної установки дозволяє отримувати
кінетично стійкі та термостабільні емульсійні продукти у широкому діапазоні
консистенцій без розшарування жирової та водної фаз.
- максимальне енергоспоживання установки було відзначено на 7-й хвилині роботи
установки, при додаванні білка, при цьому також спостерігалося зростання темпу
нагрівання суміші, що дозволяє вказувати на явну залежність між
енергоспоживанням приводу, темпом нагрівання та в'язкістю системи, що
обробляється.
- створену установку з підведенням до теплообмінної сорочки пари та холодної
води можна вважати придатною для виробничих виробок таких продуктів, як
майонези, спреди, соуси, креми, напої тощо.
3.2.2 Оцінка ступеня гомогенізації.
З метою визначення якості диспергування створеної РПУ були проведені
порівняльні випробування з найбільш часто застосовуваними на молочних
підприємствах марками РПА. Це ЗРПА-1,5 порівняльна технічна характеристика цих
апаратів представлена таблиці 3.14. Якість роботи апаратів оцінювали за критерієм
«ефективність гомогенізації» для незбираного молока залежно від тривалості на
продукт.
Таблиця 3.14. Технічна характеристика.
Найменування показника РПУ ЗРПА-1.5
Подача, м3/год 45-І32 1,5
Напір, м 29 10±2
Потужність двигуна, кВт 14 3,0
Число оборотів ротора, об/хв 1460 2900
Зовнішній діаметр ротора, м 0,3 0,12
Маса, кг 350 30
Випробування проводили на незбираному молоці з масовою часткою жиру 4.2%.
На РПУ було встановлено зазор між бічними поверхнями зубів рівний 0.2 мм. Мета
75
експерименту була поєднати в одному апараті процес гомогенізації та пастеризації.
Тому молоко нагрівалося до температури 75°С протягом 35 хвилин з допомогою сил
диссипативного опору, після чого бралася проба ефективність гомогенізації. Дані з
таких досліджень на ЗРПА-1.5 взяті з літературних джерел.
У таблиці 3.15 представлені результати аналізів показників ефективності
гомогенізації та питомі показники.
Таблиця 3.15. Показники ефективності гомогенізації та питомі показники
Тип апарату Ефективність гомогенізації, % тривалості обробки
2 4 6 8 10 12 15 20 35
РПУ - - 21,2 - - 24,6 - 28,4 30,1
ЗРПА-1.5 12,8 11,5 10,3 10,3 10,3 - 9,6 9,1 -
Експериментальні дані свідчать, що ефективність гомогенізації при різній
тривалості диспергування незбираного молока на експериментальній установці в 2-З
рази перевищує подібні цифри при гомогенізації незбираного молока на ЗРПА-1,5.
В результаті проведеного етапу досліджень показана можливість використання
створюваної установки як високоефективного емульсора, що перевершує за деякими
параметрами відомі зразки роторно-пульсаційних апаратів, що випускаються. Це
дозволяє рекомендувати розроблену установку на підприємства молочної галузі на
заміну менш ефективних машин.
Наступним завданням дослідження параметрів експериментальної установки
було вивчення можливості одержання на ній стійких газорідинних середовищ.
3.3 Проведення дослідних виробок збитих модельних систем.
3.3.1 Вплив тривалості обробки газонаповнення продукту на ступінь збитості
системи.
Для дослідження РПУ при отриманні збитих модельних систем на підставі
аналізу літератури [1-16] та власних напрацювань було розроблено три види сумішей
76
(модельна система 2, 3 та 4), рецептури яких представлені в таблиці 3.16.
Вплив тривалості обробки при газонаповненні продукту на рівень збитості
продукту вивчали на модельній системі №2.
Желатин попередньо замочували у холодній воді у співвідношенні 1:5.
Компоненти розчиняли на цій установці в режимі "диспергатора". Потім додавали
набряклий желатин і крохмаль, після чого суміш диспергували протягом однієї
хвилини і проводили газонаповнення азотом протягом 5 хвилин з витратою газу
1,5х10-3 кг/с, що відповідає 3,7 л/с або 3,7х10-3 м3/с.
У процесі газонаповнення було взято 4 проби: через 6 с, 150 с, 260 с та 300 с.
Оцінку проб на ступінь збитості представлено в таблиці 3.17.
Таблиця 3.16. Рецептура модельних систем газонаповнення.
Кількість компонентів у модельній
Найменування сировини системі, %
№2 №3 №4
Сухе знежирене молоко 8,57 8,5
Крохмаль кукурудзяний желюючий 4,54 5,5
16,98
Желатин 0,19 1,0
Цукор - -
Сир із м.д.ж. 9% - 34,0 -
Кокосова олія - 2,2 -
Стабілізатор - 0,72 -
Вода 86,7 46,1 85,0
Витрата аерованого продукту через лінію рециркуляції була виміряна дослідним
шляхом і склала 3 л/с (3x10-3 м3/с). Температура продукту перед газонаповненням
становила 33 °С після газонаповнення збільшилася незначно (до 35,5°С).
За останніми трьома пробами була проведена оцінка кінетичної стійкості збитої
системи при кімнатній температурі. Дані досліджень представлені у таблиці 3.18.
Границя розділу фаз між нижнім шаром – "рідина" і верхнім – "піна" спостерігалася
чітко, але слід зазначити, що в нижньому шарі все-таки був присутній газ, так як після
заморожування системи бульбашки газу спостерігалися у кожному шарі.
77
Таблиця 3.17. Результати експериментальних досліджень щодо оцінки ступеня
збитості модельної системи №2.
Густина
Проба Ступінь Кількість засвоєного азоту
кг/м3 3 3
збитості, % % м х10
1050 0 0 0
Суміш до диспергування
Суміш після
диспергування до 870 20 17,1 6,84
газонаповнення
Суміш при 6с 790 33 24,8 9,92
газонаповн 150с 700 50 33,3 13,3
енні 260с 645 63 38,6 15,44
протягом: 300с 645 63 38,6 15,44
Таблиця 3.18. Результати експериментальних досліджень щодо оцінки кінетичної
стійкості модельної системи №2.
№пр. Відстій рідини знизу (%), через
0 1 2 години 3:00 4 години
2. 0 годи3н4а 47 49 49
3. 0 28 40,5 42 42
4. 0 22 40 41,5 42
Для проведення порівняльної оцінки процесу газонаповнення були проведені
лабораторні дослідження модельної системи №2 на побутовому міксері.
Максимальний ступінь збитості при цьому становив 130%. Крім цього, підвищення
кінетичної стійкості модельної системи №2 в лабораторних умовах було зроблено
кілька моделей з різним відсотковим вмістом желатину 0.5, 0.7, 1.0 і 1.2 %.
Загалом дослідження модельної системи №2 показали:
- досліджувана установка забезпечує газонасичення системи у робочому режимі
диспергування. При цьому фактична густина продукту знижується приблизно на
39% за період інжектування, а максимальний ступінь збитості продукту досягає
63%;
78
- в режимі інжектування азоту відбувається (практично миттєве) його засвоювання у
продукт, що призводить до подальшого зниження його густини на 10%. Подальше
засвоювання азоту відбувається приблизно протягом 5 хвилин після чого процес
стабілізується;
- враховуючи, що в результаті тривалого газонаповнення ступінь збитості модельної
системи дійшла до певної межі (63%) і, знаючи той факт, що в лабораторних
умовах межа збитості була вищою (130%), можна відзначити негативний вплив
елементів конструкції та їх геометрії при процесі газонаповнення на межу
насичення системи;
- істотний вплив на кінетичну стійкість використовуваної модельної системи дає
вміст желатину. Було встановлено, що при вмісті желатину 0.7% і вище структура
збитої системи залишалася незмінною протягом двох діб незалежно від ступеня
механічного впливу на продукт.
3.3.2 Вплив інтенсивності механічної обробки продукту на дисперсність
газорідинної системи.
Оскільки на українському ринку все більшого поширення знаходять збиті
молочні продукти на основі сиру [14-19], то для проведення цього циклу дослідних
робіт була використана модельна система на основі сиру. Рецептура досліджуваного
продукту показано таблиці 3.16., модельна система №3.
При проведенні дослідних робіт спочатку в режимі роботи «міксера» були
отримані модельні емульсійні системи, стабілізовані білками тваринного походження.
Потім суміш охолоджували до температури 10 °С і проводили її газонаповнення
азотом з витратою 3,7 л/с. Азот вводили в суміш при одноразовому її проходженні
через ротор-статор, так і в режимі рециркуляції. Отримані дані досліджень наведено у
таблиці 3.19.
79
Таблиця 3.19. Результати експериментальних досліджень щодо оцінки ступеня
збитості модельної системи №3.
Кількість засвоєного
Густина, Температур Ступінь
Проба азоту
кг/м3 а суміші, збитості, %
% м3х103
°С
Суміш до
ІЗО 41 0 0 0
диспергування
Суміш після
диспергування до 1050 10 7,6 7,1 2,7
газонаповнення
Суміш при 6 с 890 10,3 27,0 21,2 9,5
газонаповне 50 с 840 12,7 34,5 25,6 12,2
нні в течії: 100 с 850 15,3 32,9 24,7 11,7
150 с 870 18,0 29,9 23,1 10,6
Під час газонаповнення з різними часовими проміжками було відібрано 4 проби.
Відбір проб при циркуляції суміші швидкістю 4x10-3 м3/с (240 л/хв) відповідали
тимчасовим проміжкам у ході одно-, п'яти-, десяти-, п'ятнадцятикратного проходження
модельної системи через ротор-статор. Нагрівання суміші при цьому становило 3,2 °С
на хвилину. Крім оцінок на ступінь збитості було проведено дослідження зразків
методом оптичної мікроскопії (рис. 3.10).
80
Рисунок 3.10. Криві розподілу за розмірами повітряних бульбашок у модельній
емульсійній системі (1, 5, 10, 15 – відповідно: одно-, п'яти-, десяти- і
п'ятнадцятикратний прохід продукту через ротор-статор при постійному
газонаповненні).
Загалом дослідження з модельної системи №3 показали:
Досліджувана установка забезпечує газонасичення системи у робочому режимі
диспергування. При цьому фактична густина продукту знижується приблизно на 256%
за період газонаповнення, а максимальна ступінь збитості продукту досягає 345%;
при газонаповненні відбувається миттєве засвоювання азоту, що призводить до
зниження густини продукту на 21%. При подальшому газонаповненні спостерігається
уповільнення процесу досягнення пікової стадії (зменшення густини на 25.6%), далі
відбувається часткове руйнування пінної структури із втратою збитості та об'єднанням
бульбашок;
розмір бульбашок газу пов'язаний з температурою суміші та тривалістю
газонаповнення (див. табл. 3.13). При цьому температура суміші повинна бути нижчою
від точки плавлення жиру, щоб зберегти його в кристалічному вигляді, так як рідкі олії
мають руйнівну дію на піну. Крім того, на динаміку піноутворення впливає механічна
дія роторного пристрою створеної установки. Для даної модельної системи такою
температурною межею є 14 °С. З графіка на рис. 3.6 видно, що криві розподілу мають
найвищі піки з діаметром до 80 мкм при одно-п'ятикратному проходженні продукту
через ротор-статор. При збільшенні кратності проходження досліджуваної системи
через робочі органи установки до 10-15 разів кількість повітряних бульбашок з
діаметром до 80 мкм значно зменшується, як і рівень збитості системи;
при оцінці модельної системи на кінетичну стійкість, руйнування структури не
спостерігалося понад дві доби;
створена експериментальна установка дозволяє отримувати збиті тонкодисперсні
системи без агломерації бульбашок повітря та жирового компонента. Однак слід
зазначити, що для отримання стійких збитих продуктів необхідно додатково вивчити
81
питання впливу геометрії роторного пристрою на ступінь збитості продукту; провести
дооснащення установки додатковим обладнанням для охолодження суміші перед
газонаповненням; підібрати таку систему стабілізаторів, яка б забезпечила фіксацію
структури при підвищених температурних режимах (20-50°С).
3.3.3 Вивчення залежності впливу геометрії роторного пристрою на рівень
збитості системи.
З метою успішного вирішення задачі оптимізації процесу газонаповнення, на
підставі виконаного аналізу [4-11] та попередніх досліджень запропоновано його
узагальнену параметричну модель (рис. 3.11).
Рисунок 3.11. Узагальнена параметрична модель процесу газонаповнення.
Зміна зазору між бічними поверхнями зубів ротора та статора в установках
роторно-пульсаційного типу впливає на структурні властивості продукту (у нашому
випадку ступінь збитості). Базуючись на цих міркуваннях, для опису впливу геометрії
роторного пристрою та тривалості газонаповнення на ступінь збитості системи
потрібно експериментальним шляхом знайти інтерполяційну формулу:
82
(3.20)
Де: у (або W – збитість, %) – відгук (вихідна величина), а – обчислювані
коефіцієнти, с – середньоквадратичні відхилення шуканих коефіцієнтів.
При постановці експерименту, вибір числа та умов проведення дослідів, які
забезпечують отримання найкращого результату дослідження, здійснювався за
відомою методикою планування експерименту та статистичної обробки даних. Для
побудови моделі було обрано повний факторний план типу 22.
Локальна область планування повного факторного експерименту (ПФЕ) 22
(факторний простір) визначалася з урахуванням можливої (з технічної точки зору)
зміни зазору між зубами ротора та статора та тимчасових параметрів газонаповнення
суміші, при яких не відбувається значного підвищення температури модельної системи
за рахунок впливу сил дисипативного опору. Після переведення кількісних
характеристик параметрів кодовану форму з урахуванням додавання зоряних точок та
визначення центру плану було отримано центральний композиційний план для
квадратичних моделей типу 22. Діапазон варіювання факторів представлений в таблиці
3.20.
Таблиця 3.20. Рівні варіювання факторів.
Кодове Xj = Xj=-1 Xj = 0 Xj = +1 Хj=
позначен -1.414 (нижній (основни (верхній +1.414
Чинники
ня (зіркові рівень) й рівень) рівень) (зіркові
точки) точки)
зазор між бічними X1 0,1 0,35 0,95 1,55 1,8
поверхнями зубів d, мм
час газонаповнення, τ,
Х2 6 49 153 257 300
сек
Як об'єкт дослідження було підібрано модельну систему №3 з оптимальним
співвідношенням компонентів, пошук яких здійснено в окремому циклі досліджень,
83
присвячених створенню структуруючих харчових добавок [19, 20], склад модельної
системи №3 представлений у таблиці 3.1. Як газова фаза використовувався інертний
газ азот. Витрата газової фази підбиралася рівною об'ємному співвідношенню з
витратою рідини при рециркуляції, виходячи з можливості досягнення 100% ступеня
збитості при одноразовому проходженні газорідинної суміші через ротор-статор.
Частота обертання ротора становила 1460 об/хв.
Вміст желатину, порівняно з модельною системою №2, збільшили з 0.2% до 1,0%
за результатами лабораторних досліджень, так як при вмісті желатину, починаючи з
0.7%, не відбувалося розшарування системи протягом доби. Розрахункову кількість
желатину попередньо замочували у 10% холодної води (1:15) згідно з технологічними
рекомендаціями.
Потім в установку заливали 60% води і в режимі рециркуляції при повному
напорі вносили крохмаль, далі суміш нагрівали до 80 °С без подальшої витримки.
Потім суміш охолоджували і вносили в неї воду, що залишилася, температура суміші
при цьому знижувалася в середньому до 40 °С. Далі при цій температурі в умовах
постійного перемішування послідовно вносили розрахункову кількість сухого
знежиреного молока, а потім розчин желатину і диспергували. Після чого суміш
охолоджували до 25 °С, відбирали пробу для визначення початкової густини продукту,
яка становила 1070 кг/м3.
Газонаповнення проводили в режимі рециркуляції протягом п'яти хвилин,
витрата азоту складала 3,7 л/с. Температура під час газонаповнення системи
варіювалася від 18.4 до 33.7 °С, середня температура становила 26 °С.
Результати експериментів, згідно з наведеною матрицею планування,
представлені в таблиці 3.21.
При обробці отриманих даних експерименту виконувались обчислення
коефіцієнтів рівняння регресії (див. розділ 2.5).
84
Таблиця 3.21. План та результати для ПФЕ 22.
№ Матриця плану
X1X2 X 2
1 Х 2
2 W
досліду Х0 X1 Х2
1. 1 +1 -1 -1 +1 +1 59.0
2. 1 +1 +1 +1 +1 +1 97.4
3. 1 -1 +1 -1 +1 +1 73.4
4. 1 -1 -1 +1 +1 +1 70.9
5. 1 0 0 0 0 0 90.7
6. 1 0 0 0 0 0 90.4
7. 1 0 0 0 0 0 91.0
8. 1 -1.414 0 0 2 0 69.6
9. 1 +1.414 0 0 2 0 66.0
10. 1 0 -1.414 0 0 2 61.1
11. 1 0 +1.414 0 0 2 99.3
Рівняння регресії, що відображає залежність ступеня збитості продукту (W) від
зазору між бічними поверхнями зубів (X1) та часу газонаповнення (Х2), виглядає
наступним чином:
(3.21)
Для визначення ступеня достовірності отриманої моделі було розраховано
середньоквадратичні відхилення коефіцієнтів рівняння:
С=0,33; C1 = 0,125; С2 = 0,125; C12 = 0,25; С11 =0,18; С22 =0,18.
Остаточне рівняння регресії після переведення в нормований вигляд має такий
вигляд:
W = (90.7 + 0.33) + (0.88 ± 0.125) X1 + (11.87 + 0.125) Х2 +
(3.22)
(8.97±0.25)X1 Х2 - (11.16±0.18)Х 2
1 - (4.96±0.18)Х 2
2
Загальний вигляд поверхні, описаної цим рівнянням, представлений на рис. 3.13.
Для зручності інтерпретації отриманої поверхні (рис. 3.13) було побудовано
графік ліній рівного відгуку, тобто ліній, відповідних тому самому значенню ступеня
збитості газорідинної суміші (рис. 3.14.).
85
Рисунок. 3.13. Поверхня відгуку.
Рисунок 3.14. Лінії рівного відгуку, що відповідають газорідинним сумішам з
рівним ступенем збитості.
86
Для перевірки адекватності математичної моделі під час проведення
експериментів було взято додаткові зразки у досліджуваній області факторного
простору, ці додаткові дані зведено таблицю 3.22.
Таблиця 3.22. Показники експериментів.
Зазор, мм Час Густина Ступінь
№
газонаповнення, с системи, кг/м3 збитості, %
1 2 3 4 5
1. 0,1 6 701 52,6
2. 0,1 49 678 57,8
3. 0,1 257 664 61,1
4. 0,1 300 682 56,9
5. 0,35 6 664 61,1
6. 0,35 153 603 77,4
7. 0,35 300 589 81,7
8. 0,95 49 626 70,9
9. 0,95 257 542 97,4
10. 1,55 153 551 81,4
11. 1,55 300 537 99,3
12. 1,8 49 734 40,4
13. 1,8 257 570 80,6
14. 1,8 300 556 85,3
За проведеними роботами на модельній системі №3 проведено додаткові
дослідження:
- після п'яти хвилин газонаповнення відбиралися проби у прозорий мірний циліндр
та проводилася візуальна оцінка збитості системи; діаметр всіх бульбашок газу був
менше 0.5 мм і лише в деяких зразках були поодинокі бульбашки до 1 мм;
- після кожного експерименту було відібрано проби, які потім були поміщені в
морозильну камеру при t = -18 °С. Після доби було проведено вертикальний розріз
заморожених проб (геометричні розміри становили 0.06x0.06 м). При цьому
найбільш рівномірний розподіл бульбашок газу спостерігався у зразках відібраних
після експерименту при рівному зазорі 0.95 і 1.55 мм;
- кожен зразок збитої системи оцінили на кінетичну стійкість системи. Проби
87
витримували за кімнатної температури протягом доби. Результати оцінювалися
через 1, 6, 12, 24 та 48 год. Розшарування системи не спостерігалося.
Загалом дослідження з модельної системи №3 показали:
Досліджувана установка забезпечує газонасичення системи у робочому режимі
диспергування. При цьому фактична густина продукту знижується приблизно на
49,8% за період газонаповнення, а максимальна міра збитості продукту досягає
99,3%;
проведені додаткові дослідження (див. таблицю 3.22) у аналізованому факторному
просторі підтверджують достовірність описуваної рівнянням регресії залежності;
в режимі газонаповнення при зазорах менше 1,3 мм відбувається (практично
миттєве) засвоювання азоту у продукт, що призводить до подальшого зниження
його густини на 34-40%. При зазорах більше 1.3 мм спостерігається поступове
зростання ступеня збитості. При подальшому газонаповненні на зазорах менше 0,5
мм практично не спостерігаються зміни насичення системи, але на великих зазорах
відбувається продовження засвоювання азоту, досягнення пікової стадії
(зменшення густини на 50%) відзначено при зазорах 1,15-1,4 мм при часі
газонаповнення 280-300 с;
розмір бульбашок газу, опосередковано пов'язаний з температурою суміші та
ступенем механічного впливу на систему. Найбільш рівномірне дроблення
бульбашок газу спостерігалося у зразках при зазорі, що дорівнює 0.95 і 1.55 мм.
Оцінюючи модельної системи на кінетичну стійкість руйнування структури немає
більше двох діб;
у досліджуваній локальній зоні факторного простору ступінь збитості продукту
перевищує необхідний рівень, рекомендований для молочних збитих продуктів,
щільність яких повинна бути не вище 850 кг/м3 (W>25%). Тому для збільшення
продуктивності одержання збитих продуктів на створеній РПУ газонаповнення
можна проводити за один прохід без рециркуляції. Для отримання продуктів з
максимальним ступенем збитості на цій установці слід дотримуватись наступних
88
параметрів: зазор d=1.3±0.1 мм та час газонаповнення τ=5хв±20сек.
Таким чином, в результаті проведених досліджень та математичного моделювання
з отриманням та обробкою дослідних даних, а також візуальних оцінок, досліджено
можливість газонаповнення та вплив параметрів процесу та геометрії роторного
пристрою на ступінь збитості трьох модельних систем. Це з достатньою точністю
дозволяє прогнозувати результати газонаповнення під час виготовлення збитих
харчових продуктів.
3.4 Огляд споживаної потужності під час обробки молочних продуктів.
Одним із важливих критеріїв, що оцінюють можливість використання створеної
установки при переробці молочних продуктів різної консистенції, є споживання
потужності приводу ротора та перемішуючих насадок. Оскільки молочні та
молоковмісні продукти є неньютонівськими рідинами, і їх реологія постійно
змінюється в залежності від ступеня механічного впливу та температури, то при вимірі
потужності, визначалося максимальне споживання енергії під час виготовлення.
Огляд споживання потужності залежно від типу продукту, що обробляється,
представлений на рис. 3.16. Показання представлені за результатами проведених
технологічних робіт.
89
Рисунок 3.16. Діаграма споживання потужності залежно від типу продукту, що
переробляється.
За даними, що відображені на діаграмі (див. рис. 3.16) слід рекомендувати
потужність приводу ротора не менше 18,5 кВт.
Висновки до розділу 3:
Під час проведення дослідних технологічних розробок були відзначені наступні
закономірності споживання потужності:
- при обробці будь-якого типу продукту на установці в режимі міксера спостерігалося
максимальне споживання потужності;
- при обробці жировмісних продуктів зі збільшенням температури споживана
потужність знижується так, наприклад, при обробці незбираного молока при t = 20 °C
енергоспоживання становило 10,5 кВт, а при t = 70 °C всього 7,8 кВт;
- при обробці більшості продуктів у режимі "диспергатора" при мінімальних зазорах
на насосне переміщення продукту витрачається лише 20-25%. Зі збільшенням зазору до
максимуму на насосне переміщення йде вже 60-70% потужності приводу;
90
- при додаванні до продукту сухих нерозчинних компонентів, споживана потужність
збільшується, але при додаванні масла або вершків, а також при газонаповненні
споживана потужність падає.
Проведений цикл досліджень технологічних можливостей створеної установки
підтверджує можливість переробки та одержання продуктів з різними фізико-
хімічними властивостями у широкому діапазоні в'язкості. Отримані результати
дозволяють дати рекомендації для розробки технічної документації на промислове
серійне обладнання.
91
4 РЕАЛІЗАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ НАУКОВО-ДОСЛІДНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ
4.1 Вдосконалення промислових зразків гідродинамічних установок роторного
типу.
4.1.1 Гідродинамічна установка роторного типу ГУРТ-300.
Проведений цикл досліджень на створеній роторно-пульсаційній установці, а
також випробування функціональності її вузлів дозволив сформулювати вимоги до
основних вузлів конструкції, уточнити технічні характеристики роторного пристрою та
рекомендувати номінальну потужність електродвигуна. Це дозволило модернізувати
серійне обладнання під назвою гідродинамічна установка роторного типу ГУРТ-300.
Під час розробки документації було внесено такі зміни та доповнення:
- для зниження енерговитрат приводу і спрощення конструкції були виключені
внутрішня і зовнішня крильчатки з елементів ротора, що обертаються, а також
колосникові грати та запропонована нова конструкція ротора (Додаток А);
- для усунення застійних зон у ємності, ріжуча насадка була виконана
двоступінчастою з винесенням верхнього ступеня в порожнину ємності;
- для ліквідації застійних зон у чаші установки та позбавлення від відкритого потоку
продукту, що сприяє негативному піноутворенню, вихідний патрубок лінії
рециркуляції був подовжений і доповнений спеціальним відведенням. Це
забезпечило введення закритого потоку продукту чашу по дотичній для
додаткового перемішування в чаші;
- виходячи із показань щодо споживаної потужності (рис. 3.4), і знаючи, що при
обробці високов'язких продуктів енергоспоживання зростає на 20 - 50%, потужність
приводу була збільшена з 14кВт до 18,5кВт;
- для організації випуску продукції малими порціями (до 50 кг) та вироблення
аерованого продукту було передбачено ефективнішу систему охолодження
92
оброблюваного в ГУРТі продукту.
Розрахунок системи охолодження проводився на підставі отриманих даних з
енергоспоживання приводу установки (рис. 3.6).
��
�� = ���� (4.1)
��(������−��в)
де, ηе, – коефіцієнт ефективності тепловкладення, визначається за графіком на
рис. 3.8; N – потужність електродвигуна приводу, Вт, визначається за графіком на рис.
3.5; α – коефіцієнт тепловіддачі від елементів конструкції до охолоджуючої рідини,
значення якого лежить в діапазоні від 700-1500 Вт/м2К; tсм – температура елементів
конструкції, що розділяють потоки продукту та охолоджувальної води, °С; tв – середня
температура охолоджуючої води, °С.
При цьому витрата води GB на охолодження складає:
�� ��
��в =
е (4.2)
��в(��вих−��вх)
де, Св – теплоємність води, що дорівнює 0,24 кДж/кгК; tвих – температура води на
виході із системи охолодження, °С; tвх – температура води на вході в систему
охолодження, °С.
Проведені з використанням виразів 4.1 і 4.2 розрахунки показали, що для
охолодження водою енергії в розмірі 80% від потужності приводу, що витрачається на
нагрівання продукту, що обробляється в ГУРТі, потрібно не менше 0,3 м2 поверхні
теплообмінника і близько 1000 літрів на годину охолоджуючої рідини при нагріванні її
на 10 °С. Забезпечення цих вимог було виконано за рахунок розташування
теплообмінної сорочки на роторному пристрої. Загальна поверхня теплообмінника в
промисловій установці складає 1,13 м2, при обробці порції 50 літрів – 0,45 м2.
Для введення газу в продукт у роторному пристрої на діаметрально протилежних
сторонах кріпляться два запірні клапани, конструкція яких показана на рисунку 4.1.
Відмінною якістю цих дроселів є відсутність проміжних каналів між місцем затвора
газу та оброблюваним продуктом, що позитивно позначається як на якості одержуваної
93
газорідинної суміші, так і на якості миття.
Рисунок 4.1. Пристрій упорскування газу: 1 – чаша; 2 – роторний пристрій; 3 –
штуцер для підведення азоту; 4 – корпус клапана для упорскування газу; 5 – голчастий
затвор; 6 – вентиль для регулювання подачі азоту; 7 – упорний болт; 8 – вентиль
фіксації голчастого затвора.
Промислова установка ГУРТ-300 схематично показано рисунку 4.2. Роторний
пристрій установки зображено рисунку 4.3.
Проведення всебічних випробувань прототипу РПУ дозволило уточнити технічні
параметри установки ГУРТ-300 та розрахувати продуктивність за деякими типами
продуктів (таблиця 4.1).
Внесені зміни до створеної РПУ та здійснена з їх врахуванням коригування
конструкторської документації ГУРТ-300 забезпечили необхідні умови для організації
серійного виробництва що затребуване підприємствами молочної промисловості.
94
Рисунок 4.2. Гідродинамічна установка роторного типу Гурт-300: 1 – привід 2 –
ємність з теплообмінною сорочкою, 3 – роторний пристрій з теплообмінною сорочкою,
4 – додаткові насадки, 5 – вентиль системи впорскування газу, 6 – термоперетворювач,
7 – пристрій для регулювання зазору, 8 – лінія рециркуляції продукту з триходовим
краном, 9 – рама.
95
Рисунок 4.3. Роторний пристрій скоригованої установки: 1 – ємність; 2 –
теплообмінна сорочка; 3 – кришка; 4 – корпус; 5 – ущільнення валу; 6 – відбивач; 7 –
вал двигуна; 8 – ротор; 9 – двигун; 10 – пристрій для регулювання зазору; 11 – статор;
12 – ножі; 13 – термоперетворювач; 14 – фрезерна мішалка.
4.1.2 Установка для обробки пастоподібних продуктів Гурт-300/160.
Промислове застосування установки ГУРТ-300 при переробці високов'язких
важкоплинних продуктів (сир, паштет, соєвий шрот, овочеве пюре) у ряді випадків
викликало труднощі через недостатнє перемішування в робочій ємності, незважаючи
на те, що роторний пристрій призначений для подібного роду продуктів. За
результатами випробувань установки ГУРТ-300, а також з огляду на специфіку
обробки високов'язких харчових продуктів було розроблено її модифікацію –
установки ГУРТ-300/160 (рис. 4.4).
96
Таблиця 4.1. Технічні характеристики установки ГУРТ-300.
Найменування Значення
Місткість чаші, дм3 150
Зовнішній діаметр ротора, мм 300
Напір (на воді), м. вод. ст. 25
Максимальна витрата (на воді), м3/год 100
Продуктивність, кг/год
– по майонезу 150
– по згущеним продуктам 100
– по гелю 800
– по сирним десертам 260
– по плавленим сирам 200
– по збитим продуктам 60
– по емульсіям 1000
Теплоносій – пар тиском 0,2 МПа та температурою 130°С
Холодоагент – вода з температурою 2-15 °С і тиском не більше 0,2 МПа
Витрата холодоагенту, м3/год <1
Тиск стиснутого повітря чи азоту, МПа 0,6
Займана площа, не більше, м2 1
Тип АІР 160М4.
Параметри Швидкість обертання (синхронна),
двигуна с-1 (об/хв) 152,3 (1460)
Потужність, кВт 18,5
Основний конструкторський матеріал Сталь 12Х18Н10Т
маса, кг 350
довжина, мм 1020
габаритні розміри ширина, мм 850
висота, мм 1700
Дана установка застосовна в молочній, м'ясній, кондитерській, харчовій, хімічній,
парфумерно-косметичній та багатьох інших галузях промисловості для процесів
перемішування, подрібнення, емульгування, диспергації, гомогенізації, термізації,
пастеризації, стерилізації (<108°С), охолодження > 15°С, деаерування, газонаповнення.
Основною відмінністю установки ГУРТ-300/160 є наявність у ємності рамної
мішалки зі скребком. Якщо в ГУРТ-300 при отриманні майонезів, десертів, паст цілком
достатньо для перемішування фрезерної насадки на приводі ротора і тангенціального
введення струменя продукту при рециркуляції, то для сиру і подібних за
97
консистенцією продуктів такого перемішування недостатньо, з чим і допомагає
впоратися рамна конструкція. Крім того, вона також забезпечує усунення пригару на
стінках робочої ємності при подачі пари в теплообмінну сорочку.
Робоча ємність установки ГУРТ-300/160 забезпечена камерою для вакуумування,
що дозволяє проводити роботу під вакуумом. При цьому продукт виходить щільніший
(густий), тому що відбувається процес деаерування – видалення всіх великих
(паразитних) бульбашок повітря, підхоплених при завантаженні компонентів продукту.
Крім цього в чаші з метою збільшення термінів зберігання готового продукту
забезпечується можливість виробляти стерилізацію продукту при надмірному тиску до
0,04 МПа, що відповідає температурі 108°С.
а
98
б
Рисунок 4.4. Гідродинамічна установка роторного типу ГУРТ-300/160: а – вид
спереду, б – вид зверху; 1 – чаша; 2 – сорочка теплообмінна; 3 – кришка чаші; 4 –
привід мішалки; 5 – мішалка; 6 – камера вакуумвідсмоктування; 7 – трубопровід
рециркуляції; 8 – термоперетворювач; 9 – люки поворотні; 10 – кришка ротора; 11 –
клапана; 12 – термоперетворювач; 13 – статор; 14 – корпус; 15 – пристрій підйомний;
16 – привід ріжучої насадки з ротором; 17 – ріжуча насадка; 18 – ротор; 19 – рама.
Конструктивно гідродинамічна установка роторного типу ГУРТ-300/160
виконана в такий спосіб (див. рис. 4.4). Чаша 1 виготовлена з корозійностійкої сталі і є
ємністю з фланцями. Зовні чаша має теплообмінну сорочку 2, призначену для
нагрівання парою або охолодження водою продукту, що обробляється. На сорочці у
верхній її частині розташований штуцер із краном для подачі пари та штуцер із краном
для відведення охолоджувальної води, а в нижній – штуцер із краном для подачі
охолоджуючої води та штуцер із краном для відведення конденсату через
конденсатовідвідник.
На верхньому фланці чаші герметично встановлено плоску кришку чаші 3. На
кришці чаші закріплені:
- привід мішалки 4, який є мотор-редуктором, вал якого входить в робочий об'єм
чаші через центральний отвір в кришці з манжетним ущільненням. На кінці валу
закріплена мішалка 5, краї якої при обертанні валу ковзають по внутрішній
поверхні чаші;
99
- камера 6 призначена для підключення вакуумнасоса. Камера з’єднується з
робочим об'ємом чаші та має запобіжний клапан та мановакууметр, що
контролюють тиск усередині чаші;
- трубопровід рециркуляції 7, призначений для повернення продукту, що пройшов
обробку, назад в чашу;
- термоперетворювач 8, встановлений на кришці чаші та призначений для контролю
температури продукту безпосередньо в чаші;
- люки поворотні 9, призначені для завантаження вихідних компонентів чашу, а
також для миття внутрішніх поверхонь установки;
Чаша через нижній фланець встановлена на кришку ротора 10. На кришці ротора
закріплені:
- клапани 11, призначені для подачі стисненого газу при аеруванні продукту;
- термоперетворювач 12, встановлений на рециркуляційному трубопроводі та
призначений для контролю температури продукту;
- статор 13, що являє собою диск, на робочому торці якого є концентричні кільцеві
похилі канавки, а також прямолінійні канавки, що їх перетинають і утворюють
виступи (зуби).
Кришка ротора встановлена на корпусі 14 з можливістю переміщення по
вертикальній осі. Цей рух забезпечується підйомним пристроєм 15, що складається із
чотирьох болтів з гайками. Кришка ротора ущільнена щодо корпусу кільцем,
розташованим у канавці по зовнішньому діаметру корпусу.
На бічній поверхні корпусу є чотири похилі отвори, призначені для виходу
назовні з корпусу продукту або рідини для промивання при протіканні манжет,
минаючи двигун.
Під корпусом встановлений привід ріжучої насадки з ротором 16, що
представляє собою одношвидкісний двигун, на валу якого розташована ріжуча насадка
17, що складається з чотирьох ножів і ротор 18. Ротор виконаний як і статор, і
100
відрізняється тільки кутом розташування прямолінійних канавок, їх розмірами і
кількістю. Корпус спирається на раму 19. Рама має регульовані по висоті опори та
встановлюється на підлозі без спеціального кріплення.
Установка дозволяє виконувати наступні операції з механічної та теплової
обробки продукту:
- змішування необхідних компонентів та їх подрібнення;
- диспергування суміші до гомогенного стану;
- нагрівання продукту за рахунок подачі пари в теплообмінну сорочку, а також сил
дисипативного опору;
- охолодження продукту за рахунок подачі води, що охолоджує, в сорочку;
- вакуумування продукту;
- газонаповнення продукту;
- вивантаження продукту.
Установка може працювати як у періодичному, і у безперервному режимі з
виконанням технологічних операцій, послідовність і тривалість яких визначається
технологічним регламентом виробництва конкретного продукту.
Вироблення продукту проводиться у наступній послідовності.
Встановлюється зазор між статором і ротором за допомогою підйомного
пристрою. Клапан триходовий запірний повертається на рециркуляцію продукту, після
чого відкриваються один або два люки та завантажуються в чашу вихідні компоненти.
Потім люки закриваються і послідовно включається електричне живлення двигунів
мішалки та роторного пристрою для подрібнення та перемішування вихідних
компонентів.
При необхідності проведення процесу вакуумування продукту відкривається
кран вакуумвідсмоктувача і включається двигун вакуумнасоса.
Потім відкривається кран відведення конденсату з теплообмінної сорочки чаші,
після чого кран подачі пари в неї для нагрівання продукту.
101
При досягненні продуктом необхідної температури нагрівання кран подачі пари в
теплообмінну сорочку закривається і продукт витримується при цій температурі. При
цьому кран відведення конденсату теплообмінної сорочки постійно відкритий, а
двигун диспергатора повинен бути вимкнений.
Після часу витримки проводиться охолодження продукту до заданої
температури. Під час витримки та охолодження продукту можливе короткочасне
включення двигуна ріжучої насадки з ротором для перемішування та усереднення
температури продукту по всій його масі.
При необхідності виробництва газонаповненого продукту слід відкрити клапан
подачі стисненого газу при працюючих двигунах мішалки і ріжучої насадки з ротором.
Після процесу газонаповнення клапана подачі стисненого газу закриваються.
Вивантаження готового продукту з чаші проводиться при повороті клапана
триходового запірного з положення на рециркуляцію в положення вивантаження
продукту (вивантаження в'язкого продукту з чаші слід проводити при включеному
двигуні ріжучої насадки з ротором і мішалки).
Технічна характеристика установки наведена у таблиці 4.2.
Таблиця 4.2. Технічна характеристика устанвоки ГУРТ-300/160.
Найменування Значення
Перемішування, диспергування, газонаповнення та
Призначення термообробка рідких, в'язких та пастоподібних
харчових продуктів
Геометрична 160
Місткість чаші, дм3
Робоча 125
Зовнішній діаметр ротора, мм 300
Частота обертання, с-1 Мішалки 1,7(16)
(об/хв) Ротора з ріжучою насадкою 152,3 (1460)
Приводи мішалки 0,55
Потужність двигуна, кВт 18,5
Привід ротора з ріжучою насадкою
Температура нагрівання продукту, °С 108
Тиск у робочому об`ємі чаші, МПа -0,06 * ... +0,04
Параметри гріючої пари Тиск, МПа, не більше 0,3
102
Температура, ° С 142
Витрата, кг/год, не більше 50*
Тиск, МПа, не більше 0,3
Параметри Температура, ° С 1...10
охолоджувальної води Витрата, кг/год, не більше 1000
Довжина 1145
Габаритні розміри, мм Ширина 925
Висота 2010
маса, кг 495
* Розрідження у робочому об’ємі чаші забезпечується при підключенні
установки до системи вакуумування. У табл. 4.2 зазначено надлишковий та
вакуумметричний тиск, що показується манометром і мановакууметром.
4.2 Рекомендації комплектації роторного пристрою установки ГУРТ у
безперервному виробництві
4.2.1 При отриманні сирних паст
На підставі позитивних результатів технологічних випробувань на створеній
РПУ з подрібнення сиру, отриманого кислотно-сичужним методом, цікавить створення
на базі роторного пристрою установки для попереднього подрібнення сиру (рис. 4.6).
Це особливо актуально при виробництві сирних мас із ізюмом або курагою, а також
для ліній виробництва сирних глазурованих сирків на базі кислотносичужних чи
альбумінних сирів.
Рисунок 4.6. Установка подрібнення творогу на основі ГУРТ-300: а –
103
завантаження вручну через бункер, б – завантаження творога творожним насосом
роторно-поршневого типу НРП-150/130, в – завантаження творога підйомником для
каретки через бункер.
Роторний пристрій даної установки (без чаші) пропонується доукомплектувати
приймальною воронкою, насосом або бункером із шнековим нагнітальним елементом.
Сир завантажується у воронку, а потім з воронки він захоплюється в роторний
пристрій, в якому піддається інтенсивному механічному впливу. За рахунок насосного
ефекту (тиск не менше 0,25 МПа) подрібнений сир через вихідний патрубок може
транспортуватися по молочному трубопроводу на наступні технологічні ділянки.
Орієнтовна продуктивність подрібнення сиру за один прохід становить 500-2000
кг/год.
Впровадження установки для подрібнення сиру на базі роторного пристрою
ГУРТ-300 дозволить молочним підприємствам відмовитися від колоїдних млинів,
вальцівок і кутерів, що використовуються для подібних завдань, при виграші у
продуктивності та якості вироготовленої продукції.
4.2.2 При одержанні збитих молочних продуктів.
При вироготовленні збитих молочних продуктів на експериментальній РПУ, в
ході проведеного циклу досліджень було зазначено:
- роторний пристрій установки забезпечує одержання збитих молочних продуктів
(густина яких менше 850 кг/м3) як за один прохід, так і при багаторазовому
проходженні суміші через ротор-статор;
- час одного технологічного циклу при виробництві збитих продуктів з
урахуванням пастеризації та охолодження становить не менше 2 годин (час
охолодження 100 кг продукту до 7 °С не менше 1,5 годин), що відповідає
продуктивності 60 кг/год;
- для підвищення продуктивності газонаповнення процес охолодження продукту
перед газонаповненням рекомендується проводити в спеціальних апаратах або
104
ємностях, з наступним газонаповненням за один прохід через ротор-статор;
- для прогнозування одержуваної щільності збитих продуктів потоки подачі
продукту і газу слід зробити контрольованими, а для впливу на розміри одержуваних
бульбашок газу привід ротора повинен мати змінну (у менший бік) частоту обертання.
Вихідний патрубок для продукту повинен бути оснащений клапаном протитиску для
підпирання газорідинної суміші, що утворюється.
Для проведення процесу безперервного газонаповнення, з прогнозованою
продуктивністю від 2 тон на годину, запропоновано схему установки представлену на
рисунку 4.7.
Рисунок 4.7. Схема установки для безперервного газонаповнення харчових
продуктів: 1 – ємність із продуктом; 2 – регулювальний вентиль; 3 – витратомір
продукту; 4 – клапан затвора для продукту; 5 – роторний пристрій ГУРТ-300; 6 –
клапан затвора для газу; 7 – датчик температури та тиску; 8 – регулятор зворотного
тиску; 9 – патрубок вивантаження газорідинної суміші; 10 – привід ротора; 11 –
масовий витратомір газу; 12 – регулюючий клапан; 13 – редуктор з регулюванням
тиску «після себе»; 14 – балон з газом.
105
Висновки до розділу 4:
Таку установку рекомендується встановлювати на молочних підприємствах, де
пастеризацію, гомогенізацію та охолодження продукту до газонаповнення проводять
на окремих одиницях обладнання. Тоді продукт з ємності 1 самоплином, через насос
або за рахунок всмоктуючого ефекту роторного пристрою з певною витратою за
допомогою регулювального вентиля 2 і витратоміра через відкритий клапан 4
надходить в роторний пристрій 5. Газ через клапани 6 подається в зону інтенсивного
перемішування в роторі-статорі. Подача газу контролюють витратоміром 11 і
регулюють клапаном 12 пропорційно витраті продукту, виходячи з бажаного ступеня
збитості. У роторному пристрої відбувається інтенсивне перемішування газової та
рідкої фази, де більш якісний розподіл газової фази підтримується тиском регулятора
зворотного тиску 8. Збитий продукт вивантажується з патрубка 9 і подається на
фасування. Керування цією установкою має підтримуватися в автоматичному режимі.
Для отримання високоякісної аерованої продукції необхідно під кожен продукт
правильно налаштувати регульовані параметри, зокрема зазор між бічними поверхнями
ротора і статора, швидкість обертання ротора і рівень тиску в системі.
Впровадження установки для безперервного газонаповнення харчових продуктів
на вітчизняних підприємствах дозволить відмовитись від необхідності закупівлі та
експлуатування дорогого імпортного обладнання.
106
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Розроблено дослідну конструкцію РПА багатоцільового призначення, з
вертикальним виконанням осі обертання ротора, що дозволяє переробляти високов'язкі
та високонаповнені молоковмісні продукти, ефективно проводити процеси
диспергування та газонаповнення.
2. Проведено комплексні дослідження гідродинаміки проходження рідин через
систему ротор-статор, на підставі яких визначено фактори, що впливають на напірну та
енергетичну характеристики установки.
3. В результаті теоретичних та експериментальних досліджень енергоспоживання
приводу РПУ при проходженні рідин через багатоканальну систему ротор-статор
запропоновано метод, що дозволяє визначити ефективність енергоспоживання на
основі оцінки дисипативних втрат у міжциліндровому зазорі. Запропонований метод
дає можливість оцінювати ефективність роботи РПА та забезпечувати оперативний
пошук оптимальних режимів роботи РПА.
4. Отримано рівняння регресії та його коефіцієнти у натуральному вираженні, що
визначає залежність ступеня збитості від тривалості газонаповнення та зазору між
бічними поверхнями зубів ротора та статора у досліджуваній локальній області
факторного простору. Визначено раціональні режими для отримання продуктів з
максимальним ступенем збитості (міжциліндровий проміжок d =1.3±0.1 мм і час
газонаповнення т = 5хв±20сек).
5. Отримані результати роботи використані при вдосконаленні технічної
документації на серійне обладнання типу ГУРТ-300.
107
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Савчук, О. В. Автоматизоване управління багатоасортиментним виробництвом
молочної продукції з використанням когнітивного підходу : дис. канд. техн. наук :
05.13.07 / Савчук Ольга Вікторівна ; НУХТ. – К., 2015. – 24 с.
2. Паляничка, Н. О., & Паляничка, Н. А. (2019). Технологічне обладнання для
гомогенізації молока. Праці Таврійського державного агротехнологічного
університету; Вип. 19, т. 1, С. 102–109.
3. Єресько Г.О. Технологія обладнання молочних виробництв / Г.О. Єресько, М.М.
Шинкарик, В.Я. Ворощук - К.: “ІНКОС” центр навчальної літератури, 2007. - 344 с.
4. Обладнання підприємств переробної і харчової промисловості / І.С. Гулий, М.М,
Пушанко, Л.О. Орлов та ін.; за ред. І.С. Гулого. — К.: Нова книга, 2001. — 576 с.
5. Грек О. В. Технологія комбінованих продуктів на молочній основі : підручник / О.
В. Грек, Т. А. Скорченко ; Нац. ун-т харч. технол. – Київ : НУХТ, 2012. – 362 с.
6. Research into usage efficiency of the pulsation machine with a vibrating rotor for milk
homogenization. Samoichuk, K. Kiurchev, S. Oleksiienko, Vadym Palianychka, Nadiia
Verholantseva, V. / EUREKA Life Sciences;№ 6. Food Science and Technology, 2016.
7. Droździel P, Vitenko T, Voroshchuk V, Narizhnyy S, Snizhko O. Discrete-Impulse
Energy Supply in Milk and Dairy Product Processing. Materials. 2021; 14(15):4181.
https://doi.org/10.3390/ma14154181.
8. Design of pulse-jet systems for milk powder baghouses. James
O. Litchwark, James Winchester, Justin J. Nijdam / Powder Technology Volume
284, November 2015, Pages 379-386.
9. Composition of milk fouling deposits in a plate heat exchanger under pulsed flow
conditions. Cristiane Boxler, Wolfgang Augustin, Stephan Scholl / Journal of Food
Engineering, Volume 121, January 2014, Pages 1-8.
10. Energy saving potential of emerging technologies in milk powder production.
S.N. Moejes, A.J.B. van Boxtel / Trends in Food Science & Technology, Volume
60, February 2017, Pages 31-42.
108
11. Вербицький, С. Б. Вдосконалення процесу тонкого подріблення м'ясної сировини та
розроблення емульситаторів роторного типу : дис. канд. техн. наук : 05.18.12 /
Вербицький Сергій Борисович ; НУХТ. - К., 2013. - 22 с.
12. Вібраційні гомогенізатори молока. Самойчук К. О., Паляничка Н. О., Верхоланцева
В. О., Янович В. П. / Вібрації в техніці та технологіях; № 1 (88), 2018, С. 77–82.
13. Пат. 36069, Україна, МКИ5 А 01 І 11/00. Пристрій для гомогенізації / О.В. Гвоздєв,
К.О. Самойчук Ф.Ю. Ялпачик ; заявник и патентоутримувач Таврійська державна
агротехнічна академія. - № 200806589 ; заявл. 15.05.2008; опубл. 10.10.2008. Бюл.
№ 19.
14. Спосіб одержання молочного десерту. Патент України на корисну модель № 44248,
МПК (2009) A23C 23/00. Г. О. Сабадош, А. Б. Горальчук. № u200904090. Заявл.
27.04.2009. Опубл. 25.09.2009, Бюл.№ 18. 4 с.
15. Самойчук Кирило Олегович. Розвиток наукових основ гідродинамічного
диспергування молочних емульсій: дис. … доктора техн. наук: 05.18.12, 2018.
16. Колобашкін, Л., & Семінський, О. (2018). ЗАСТОСУВАННЯ РОТОРНО-
ПУЛЬСАЦІЙНИХ АПАРАТІВ В ІННОВАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЯХ. Молодий
вчений, 3 (55), 216-223. вилучено із
https://molodyivchenyi.ua/index.php/journal/article/view/4930
17. Ободович, О. М. Дослідження ефективності абсорбції кисню в роторно-
пульсаційному апараті / О. М. Ободович, В. В. Сидоренко // Удосконалення
процесів і обладнання харчових і хімічних виробництв : зб. пр. XVII Міжнар. наук.
конф., Одеса, 3–8 верес. 2018 р. / Одес. нац. акад. харч. технологій ; ред. кол.: О. Г.
Бурдо, Ю. О. Левтринська ; Міжнар. наук. ком.: Б. В. Єгоров (голова) та ін. – Одеса,
2018. – С. 41–43 : табл., рис. – Бібліогр.: 3 назв.
18. Dolinskiy, A., Konyk, A., Radchenko, N., Tselen, B., & Gozhenko, L. (2017).
PERSPECTIVENESS AND DEVELOPMENT OF APPARATUS THE PRINCIPLE OF
WORK IS BASED ON THE MECHANISMS OF DISCRETE-PULSE ENERGY
INPUT. Thermophysics and Thermal Power Engineering, 39(5), 7-11.
109
https://doi.org/https://doi.org/10.31472/ihe.5.2017.01
19. Comparison of drinking milk production with conventional and novel inductive heating in
pasteurization in terms of energetic, exergetic, economic and environmental aspects.
Anıl Başaran, Tuncay Yılmaz, Şükrü Taner Azgın, Can Çivi / Journal of Cleaner
Production, Volume 317, 1 October 2021.
20. C.A. Ramírez, M. Patel, K. Blok. From fluid milk to milk powder: Energy use and energy
efficiency in the European dairy industry / Energy Volume 31, Issue 12, September 2006,
Pages 1984-2004.
110
ДОДАТКИ
Додаток А
Конструкція ротора РПУ
111