Науково-технічні передумови раціонального використання електроенергії в технологічних процесах виробництва молочних продуктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 637.1: 621.3

Смірнов Вадим Семенович

Науково-технічні передумови раціонального використання електроенергії в технологічних процесах виробництва молочних продуктів

05.20.02 - застосування електротехнологій у сільськогосподарському виробництві

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконувалась в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Мазуренко Олександр Григорович, Український державний університет харчових технологій, завідувач кафедри електротехніки

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Іноземцев Георгій Борисович, Національний аграрний університет, професор кафедри застосування електричної енергії у сільському господарстві доктор технічних наук, професор,

Мурзін Володимир Констянтинович, Полтавський державний сільськогосподарський інститут, завідувач кафедри механізації і електрифікації тваринництва доктор технічних наук

Гуцалюк Валерій Михайлович, Український державний університет харчових технологій, професор кафедри технологічного обладнання харчових виробництв

Провідна установа: Інститут механізації та електрифікації сільського господарства Української академії аграрних наук.

Захист відбудеться 10 жовтня 2000 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, Київ - 41, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус 3, аудиторія 65.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, Київ - 41, вул. Героїв оборони, 11, навчальний корпус 10, читальний зал.

Автореферат розісланий 8 вересня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лут М.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні розроблена державна концепція енергозаощадження, у якій відзначено, що найважливішим напрямком є зниження енерго і матеріаломісткості продукції, скорочення і ліквідація різних видів втрат, підвищення виходу готової продукції і покращання її якості.

Затрати електричної енергії являють собою функцію різних показників технологічних процесів, у тому числі якості сировини та готового продукту, ефективності техніко-економічних характеристик технологічного обладнання. Тому проблема раціональних затрат електричної енергії є комплексною, яку необхідно вирішувати з урахуванням якісних властивостей сировини та готового продукту.

Із великої кількості відомих методів визначення якості молочних продуктів (реологічних, теплофізичних, оптичних, радіоізотопних, хімічних, біологічних) особливе місце належить електрофізичним методам, відмінною особливістю яких є можливість використання їх як для окремих проб, так і в технологічному потоці, висока чутливість, вони не потребують спец-приміщення, хімреактивів, спецобслуговування тощо.

Вагомий вклад в теорію електрометрії внесли роботи, виконані в Московському технологічному інституті мўясомолочної промисловості, Тимирязівській СГА, Ленінградському технологічному інституті холодильної промисловості. Значний внесок у теорію та практику підвищення ефективності використання електричної енергії на підприємствах Україні внесли вчені ІЕД АН України (А. Шидловський, В. Резцов та ін.), КПУ (А. Праховников та ін.). Фундаментальним методам раціонального використання електричної енергії технологічним обладнанням молочної та переробної промисловості присвячені роботи вчених ТІММ (Г.А. Єрєсько, С.С. Гуляєва-Зайцева), Укрндіпродмаша (В.Г. Бєліка ) та ін.

Відомі методи енергозаощадження не враховують особливостей використання електричної енергії технологічними процесами виробництва молочних продуктів, що не дозволяє визначити оцінку ефективності використання енергоресурсів та оптимізувати технологічні процеси виробництва молочних продуктів за умовою максимізації продуктивності для заданої якості готового продукту.

Недостатньо розроблено методи роз-рахунку енергозаощаджувальних режимів функціонування технологічного обладнання на виробництві. Відомі теоретичні та практичні підходи до енергозаощадження технологічним обладнання молочної промисловості є окремими локальними розробками і не обумовлюють можливість створення єдиної теорії енергозаощадження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувались у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт УДУХТ, згідно:

- наказу Державного комітету України з питань науки і технологій від 03.08.1993р. п.3.13. ``Створення нових енерго- і ресурсозберігаючих технологій, переробки і збереження сільськогосподарської сировини``;

- пріоритетного наукового напрямку ``Розробка нових технологічних процесів та високоефективного обладнання харчових виробництв``, ``Удосконалення існуючих і створення нових ресурсозаощаджуючих технологій для переробних галузей АПК``.

Мета і задачі досліджень. На основі досліджень електрофізичних властивостей молочних продуктів та енергозаощаджувальних характеристик технологічного обладнання розробити науково-технічні передумови раціонального використання електричної енергії в технологічних процесах молочної промисловості, які забезпечують зниження енергозатрат, підвищення обсягів виробництва та якості кінцевого продукту.

Досягнення мети базується на положеннях механізму електропровідності в об'єктах з матричною структурою та динаміки процесів, які відображають їх інтегральні характеристики у процесі функціонування на виробництві, і вирішується шляхом теоретико-експериментальних досліджень, що грунтуються на закономірностях якісних характеристик молочних продуктів, динаміки та ресурсоощадних можливостях технологічних процесів і обладнання.

Відповідно з поставленою метою досліджень були сформульовані такі задачі:

дослідити електрофізичні характеристики молочних продуктів з урахуванням неоднорідності їх фізико-хімічних показників;

розробити методи електрометрії визначення якості молочних виробів;

розробити оптимізаційні моделі для визначення рецептур молочних продуктів;

визначити вплив фізико-хімічних показників сировини на енергомісткість технологічних процесів виробництва молочних продуктів;

удосконалити та розробити методи оцінки ефективності техніко-економічних характеристик технологічних процесів;

дослідити та визначити енергоефективні властивості технологічного обладнання.

розробити оптимізаційні моделі визначення раціональних характеристик виконавчих органів технологічного обладнання.

Розробити методи:

розрахунку енергоефективних режимів роботи технологічних процесів;

вибору техніко-економічних характеристик технологічних процесів за умовами: мінімальних питомих затрат енергії і металоємності технологічного обладнання; обмежень на енергоресурси та сировину, враховуючи її якісні показники; наявності суперечливих вимог.

Наукова новизна одержаних результатів.

На основі представлених досліджень сформульовані наукові концепції:

теоретично обгрунтовано та експериментально доведено, що молочні продукти як багатопараметричні системи є об'єктами з матричною структурою електропровідності. На основі теорії електропровідності су-цільних середовищ для оцінки результатів контролю якості продуктів запропоновано математичну модель механізму електропровідності молочних продуктів;

експериментально виявлено аномальний вплив масових часток жиру на електропровідність заготівельного молока. На основі запропонованого механізму електропровідності доведено, що на аномальну зміну ефективної електропровідності продукту впливає діелектрична проникність жирових включень та частотний спектр вимірювального сигналу, який визначає тенденцію зміни електропровідності від параметрів частоти вимірювання;

запропоновано показник якості - коефіцієнт розведення молока водою (к_в), що характеризує кількісну оцінку фальсифікації і визначається на основі кореляційної залежності к_в і вмісту води у молоці;

враховуючи, що вміст пектину в його розчинах є одним із основних фізико-хімічних показників, який визначає якісні характеристики концентратів, одержано експериментальний доказ впливу його концентрації на електрофізичні характеристики, що відображається кореляцією електропровідності і концентрації, яка забезпечує можливість визначення якісних характеристик продуктів шляхом вимірювання електропровідності;

установлено закономірності складових частин молочних продуктів та їх концентрантів, що зумовлює можливості розробки та створення способів експрес-контролю;

основними параметрами, які впливають на електропровідність молочних продуктів, є їх складові (білок, солі та ін.). Установлено, що серед основних факторів (кислотність, густина, рН та ін.) головний вплив на величину електропровідності має його температура;

одержано експериментальний доказ та теоретично обгрунтовано, що ефективність процесу електротермооброблення молока зумовлена наявністю позитивного зворотного зв'язку в полідисперсній структурі між електропровідністю та температурою продукту;

Основними критеріями, які визначають ефективність технологічних процесів виробництва молочних продуктів, є: якість продукту, продуктивність, енергозатрати та металоємність обладнання;

запропоновано вибір ефективної продуктивності технологічного процесу здійснювати за мінімальними затратами електроенергії на множині інтегрованих залежностей шляхом оптимізації Парето;

доведено, що диференціювання питомих затрат енергії шляхом визначення їх як функції у просторі параметрів продуктивності та відносної якості сировини забезпечує можливість оцінки ефективності затрат енергії існуючими технологічними процесами;

розроблено моделі розрахунку раціональних режимів роботи технологічних процесів, які в умовах заданого графіка споживання електричної енергії на підприємстві зумовлюють максимізацію обсягів виробництва продукції при наявних енергоресурсах;

запропоновано рейтингову оцінку технологічного обладнання, яка являє собою систему рівнянь, побудованих на основі прийнятої схеми оцінок: для загальної - за максимальною величиною, а для питомих показників - за мінімальною, що дає можливість визначити оцінку ефективності техніко-економічних характеристик існуючого обладнання;

доведено, що на стадії прийняття проектних рішень, вибір ефективної продуктивності обладнання за умови раціонального споживання електричної енергії необхідно здійснювати на множині залежностей техніко-економічних характеристик від його продуктивності з використанням методу Парето;

запропоновано математичну модель, яка на основі рівноваги мінімальних втрат за критеріями мінімуму металоємності та енергоємності дає можливість визначити оптимальну продуктивність обладнання при наявності суперечливих вимог;

доведено, що вибір геометричних розмірів та швидкості руху виконавчих органів машин необхідно здійснювати на множині характери-стик динаміки за умови, що корені характеристичного рівняння - комплексні. Це забезпечує можливість визначення оптимальних затрат енергії і навантажень на виріб;

на основі теорії чутливості та дослідження динаміки процесу запропоновано метод визначення раціональних конструктивних параметрів транспортно орієнтуючих систем, який задовольняє критерію ефективності їх функціонування.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень вказують нові напрямки здійснення розробок електрометричних методів контролю якості молочних продуктів та використовуються при вирішенні питань практичного застосування існуючих на виробництві кондуктометрів.

Розроблено та впроваджено нові способи та засоби експрес-оцінки якості заготівельного молока, використання яких не потребує високо-кваліфікованого персоналу, спеціального приміщення та додаткових хімреактивів. Метод оперативного контролю вмісту білку в заготівельному молоці впроваджено на підприємстві ВАТ ММЗ-3.

Розроблені моделі та програми комп'ютерного розрахунку конструктивних параметрів технологічного обладнання впроваджено в інституті Укрндіпродмаш і використані при створенні та впровадженні технологічного обладнання на підприємствах харчової та переробної промисловості, а також галузевого стандарту для проектування дослідних зразків обладнання.

Розроблено моделі та програми комп'ютерного розрахунку енергоефективних режимів роботи технологічного обладнання при економічно доцільному асортименті продукції і обсягах виробництва в умовах обмежень на сировину та енергоресурси. Вони використані при оптимізації енергоспоживання на ЗАТ Кондитерська фабрика К. Маркса, Д.П. Вікторія, а також на підприємствах молочної промисловості. У результаті впровадження методики розрахунку очікується зменшення витрат електричної енергії на здійснення технологічних процесів у межах 7-15%.

Достовірність роботи. Достовірність отриманих результатів наукових досліджень, методик розрахунків, висновків та рекомендацій забезпечена використанням сучасних вимірювальних приладів, методів досліджень, математичних методів оброблення експериментальних даних, засобів обчислювальної техніки і підтверджується адекватністю результатів розрахунків та математичних моделей, даними лабораторних досліджень і промислових випробувань розроблених методів раціонального використання електричної енергії в технологічних процесах виробництва молочних продуктів.

Особистий внесок автора. Автором особисто розроблено теоретичні положення підвищення ефективності використання електричної енергії при виробництві молочних продуктів; удосконалено енергетичні критерії, розроблено методи аналізу енергозаощаджувальних характеристик технологічного обладнання та математичного моделювання енергоефективних виробничих процесів; удосконалено відомі та розроблені нові положення теорії електропровідності молока та молочних продуктів; удосконалено метод моделювання та оптимізації конструктивних характеристик виконавчих органів машин кінцевих операцій; оброблено та узагальнено результати чисельних біохімічних, електрофізичних, мікробіологічних досліджень сировини та електротехнічних - технологічного обладнання для визначення раціональних витрат енергії при виробництві продукції. Дослідження електрофізичних властивостей молока та молочних продуктів проведено у співавторстві з науковцями Технологічного інституту молока і мўяса та кафедри Технології молока та молочних продуктів УДУХТ, аналіз та узагальнення результатів досліджень - з науковим консультантом д.т.н. О.Г. Мазуренко.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були предметом доповідей та обговорень на наукових конференціях УДУХТ (Київ1973-1999), ДКНТ СМ СРСР "Разработка методов сублимационного и криогенного консервирования пищевых продуктов и биологических материалов"(Москва 1976; Калининград 1977), конференціях АН УРСР з електротермічного устаткування (Днепропетровск 1970,1971), всесоюзних конференціях "Технология и техника пищевой и микробиологической промышленности и системы заготовок на основе современных технических методов и средств" (Москва 1980), "Проблемы экономии энергоресурсов при создании и эксплуатации торгово-технологического оборудования" (Самарканд 1983), "Современные проблемы энергетики" (Київ 1984), "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов" (Москва 1985), "Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсо-сберегающих технологий, оборудований и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающую отрасли АПК" (Київ 1991), міжнародних конференціях "Розробка та впровадження нових технологій i обладнання у харчову та переробну галузі АПК" (Київ 1993),"Проблеми автоматизації виробничих процесів України"(Київ 1995),"Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість" (Київ - 1997, 1999).

Публікації результатів досліджень. За матеріалами дисертації опубліковано 58 робіт, у яких висвітлені основні положення виконаних досліджень, у тому числі 27 статей у наукових журналах та збірниках наукових праць, 1 галузевий стандарт, 18 тез конференцій. Одержано 6 авторських свідоцтв і патентів України та 6 позитивних рішень на заявки.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку бібліографічних джерел з 208 найменувань, додатків. Основний зміст роботи викладено на 269 сторінках машинописного тексту, має 48 рисунків та 25 таблиць.

електрометрія якість молочні вироби

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ВСТУП. Обгрунтовано актуальність теми досліджень, визначено наукову та практичну цінність роботи.

У першому розділі вивчені питання проблеми підвищення енергоефективності технологічних процесів виробництва молочних продуктів. Досліджено затрати електричної енергії основними технологічними процесами переробки молока. Виявлено особливості споживання електричної енергії на окремих ділянках технологічних процесів. На основі аналізу ефективності використання електричної енергії технологічними процесами розглянуто теоретичні основи моделювання їх затрат при переробці молока. Запропоновано додатковий критерій ефективності використання електричної енергії. Одержано дані впливу якісних властивостей заготівельного молока та молочних продуктів на питомі затрати електричної енергії. Показано, що проблема раціональних затрат енергії є комплексною і повинна вирішуватись шляхом узагальнення досліджень електрофізичних властивостей молочних продуктів, а також енергозаощаджувальних можливостей технологічного обладнання. Сформульовані напрямки раціонального використання електричної енергії. Запропоновано оцінку енергоефективності технологічних процесів здійснювати за сукупністю критеріїв, які характеризують якісні властивості заготівельного молока та готового продукту, питомі затрати електричної енергії та металоємність обладнання.

Одним із можливих напрямків визначення та досягнення раціональних затрат електричної енергії є оптимізація технологічних процесів на основі моделі

р(О,х1, х2,З) = а0 + а1 (х1, х2) +а2(g)+а3(W/О) - З, (1)

де р енергомісткість готового продукту; О обсяги виробництва відносно затрат енергії W; З заходи з енергозаощадження; х1, х2 - відповідно відносні якості сировини та готового продукту; а0, а1, а2, а3 статистичні коефіцієнти. Функція р(О,х1,х2,З) визначена в області рmin Ј р Ј pmax. Її діюче значення залежить від якості сировини та готового продукту, ефективності техніко-економічних характеристик обладнання та заходів енергозаощадження на виробництві.

Аналіз затрат енергії при виробництві молочних продуктів показав, що оцінку їх ефективності доцільно здійснити шляхом адаптації питомих затрат енергії до зміни якості сировини та фактичної продуктивності наявного технологічного обладнання. Енергомісткість продукту доцільно представити у вигляді функції

р(х1, g) = b0 + b1(х1) + b2 (g), (2)

де b0, b1, b2 статистичні коефіцієнти; х, g відповідно характеристики якості сировини та продуктивність технологічного процесу.

Для вирішення поставленої задачі потрібно мінімізувати функції b1(х1) та b2(g) відповідно шляхом оперативного контролю якості сировини (з метою ефективного використання її якісних властивостей) та визначення раціональних техніко-економічних характеристик обладнання на стадії прийняття проектних рішень.

Досліджено енергетичні режими роботи основних видів технологічних процесів. Для оцінки раціональних затрат енергії обрано показники:

локальні, які характеризують особливості споживання енергії на ділянках процесу час технологічного циклу, електричні потужності та коефіцієнт їх завантаження, питомі затрати енергії;

загальні для всього процесу максимальна електрична потужність та час її дії, питомі (р_з) та загальні затрати енергії

р_з (G, х)= (3)

, (4)

де n кількість ділянок технологічного процесу; e часова частка в загальному технологічному циклі обладнання;

системні

, , (5)

де a, b коефіцієнти участі відповідно в заявленій потужності Р_з та енергоспоживанні підприємства, які потрібні для визначення пріоритету (за продуктивністю, якістю та енергоспоживанням) даного технологічного процесу на підприємстві.

На основі досліджень зміни фізико-хімічних показників заготівельного молока як фактора впливу на енергомісткість молочної продукції показано, що зменшення вмісту жиру в сировині на 1% призводить до підвищення енергомісткості кінцевого продукту (при виробництві сметани, вершків, вершкового масла) на 25...50%, а при зменшенні білку на 1% (при виробництві кисломолочного сиру) на 40...45%.

У результаті аналізу затрат електричної енергії технологічними процесами доведено, що визначення їх ефективних характеристик можливо тільки у сукупності з особливостями технологічних режимів і характеристиками виготовлення готового продукту. Це обумовлює необхідність поєднувати етапи виготовлення продукту з їх часовими циклами та відповідними затратами енергії. Вирішення цієї задачі здійснено шляхом створення математичної моделі, яка враховує основні техніко-економічні параметри процесу і можливість розрахунку раціональних енергетичних режимів роботи обладнання в рамках директивного графіка споживання електричної енергії, який задається енергопостачальною організацією.

Враховуючи, що основними споживачами електричної енергії на ділянках технологічного процесу є апарати термічної, механічної обробки сировини та насосні установки, запропоновано розглянути процес переробки молока та виготовлення кінцевого продукту у вигляді сукупності модулів окремих ділянок, які характеризуються часом роботи (t), продуктивністю (G) та затратами електричної потужності (P).

Враховуючи, що вид продукції, часові цикли роботи технологічного обладнання, обсяги виробництва, якість сировини не однакові, запропоновано додатковий (до питомих затрат енергії) коефіцієнт, який враховує неоднорідність цих показників (кількісних, якісних тощо) і характеризує відносну енергомісткість конкретного апарату (установки) затрати електричної потужності на одиницю продукції К = P/G (Квт/т) або для насосних установок (Квт/м³), (G продуктивність апарата, P - його електрична потужність). Модель часового графіку затрат електричних потужностей має вигляд

P = (6)

.

У межах ділянки загальне значення -К- визначають як суму її складових, а для всього процесу як середньозважене

k_сз= . (7)

Енергозаощаджувальні властивості технологічних процесів характеризували ефективністю використання енергії як на окремих ділянках, так і за середньозваженою величиною для всіх ділянок у сукупності. Різниця параметрів k_сз та -р- полягає в тому, що параметр k_сз статична характеристика, а р інтегрована функція за час роботи обладнання. Принцип порівняння ефективності затрат електричної енергії конкуруючими технологічними процесами за параметром k_сз той кращій, який має менше середньозважене значення. Запропоновано вважати: для k_сз < 0,5 ефективність використання електричної енергії відноситься до 1 категорії, для 0,5 Ј k_сз Ј 2 до другої, якщо k_сз > 2 до третьої. Визначення параметру k_сз дає можливість дати оцінку ефективності затрат електричної енергії технологічними процесами як на стадії прийняття проектних рішень, так і в процесі їх порівняння. Одним із можливих підходів до оптимізації затрат енергії є мінімізація параметру k_сз.

У другому розділі на основі теорії об'єктів з матричною структурою, яка характеризує молочні продукти, розглянуто методику аналізу механізму електропровідності заготівельного молока. Доведено, що визначення якості молочних продуктів та пектинових концентрантів повинно здійснюватись за їхніми електрофізичними властивостями. На базі експериментальних досліджень одержано дані впливу складових частин заготівельного молока на його електропровідність. Виявлено особливості механізму електропровідності заготівельного молока. Розроблено новий підхід до аналізу ефективної електричної провідності та діелектричної проникності гетерогенних середовищ, які в наближенні є неідеальними діелектриками. Установлено, що суттєвим фактором є ємнісна провідність матриці і неоднорідностей. Одержано електрофізичні характеристики пектинових концентрантів, які використані при розробці методу та пристрою для визначення вмісту пектину в його екстрактах.

Досліджено процес електротермооброблення молока. Виявлено особливості, які характеризують молоко як об'єкт з тепловою нестійкістю, а також вплив електротермооброблення на його бактерицидну чистоту. Запропоновано підхід до аналізу електротеплової нестійкості в середовищах, електрична провідність яких залежить від температури. Показано, що умови реалізації того чи іншого типу нестійкості залежать від структури розподілу електричних полів і температур та характеру залежності фізичних характеристик від температури. Цей підхід обумовив створення способу підвищення енергоефективності електротермооброблення молока у потоці.

Однією з основних труднощів при розрахунку ефективних електродинамічних характеристик гетерогенних середовищ у змінному полі є необхідність застосування для аналізу повної системи рівнянь Максвела

С ґ H = d, d = s E + e

С ґ E = - m (8)

С · D = r

С · B = 0

B = m H, D = e E

для кожної зі складових фаз.

Тут e, m, s - відповідно діелектрична проникність, магнітна проникність і провідність; r - густина електричного заряду; H, E - вектори напруженості магнітного та електричного поля; B, D - вектори електричної та магнітної індукції; d - вектор густини струму.

Навіть при розгляданні гетерогенних середовищ порівняно простої структури розрахунок електричних полів та їх усереднення на основі системи (8) викликає суттєві математичні труднощі, які можуть бути виключені шляхом використання наближених неідеальних провідникових середовищ (або неідеальних діелектриків). Суть цього наближення полягає в тому, що в другому рівнянні Максвела (8) вважається, що умова ЅЅ<<ЅСґEЅ добре виконується, (це еквівалентно потенціальності електричного поля С ґ E = 0). У підсумку, застосувавши операцію взяття дивергенції для першого рівняння у (8) спільно з умовою потенціальності електричного поля Е, приходимо до замкненої системи рівнянь для розрахунку густини струму d та напруженості електричного поля E

С · d = 0, С ґ E = 0, (9)

d = s E + e .

Для середовищ з малою об'ємною концентрацією сферичних включень v (v Ј 0.2ё0.3) одержано вирази для комплексної ефективної провідності

_eff. = s_eff + iwe_eff = ₁[1 +3v]. (10)

Із (10) приходимо до виразу s_eff, який визначає вклад неоднорідностей

_eff = _eff - ₁ = s_eff + ie_eff =

= 3v. (11)

Аналіз залежностей для ефективних провідності і діелектричної проникності неоднорідних середовищ у наближенні неідеальних діелектриків показує, що важливим параметром є ємнісна складова провідності матриці і неоднорідностей. Як показують граничні співвідношення, значення ефективної провідності і діелектричної проникності при змінному струмі можуть суттєво відрізнятися від даних, які випливають із теорії стаціонарного поля.

На основі проведеного аналізу модель механізму електропровідності заготівельного молока представлено у вигляді

s_eff =s₁[1 + а₁ + а₂ + а₃], (12)

а₁ = 3v_л (s_2л - s₁)_/ (s_2л+2s₁)

а₂ = 3v_б (s_2б - s₁)_/ (s_2б+2s₁)

а_з = 3v_ж (s_2ж - s₁)_/ (s_2ж+2s₁),

де v - концентрація відповідної складової частини; s₁, s₂ - відповідно комплексні електропровідності матричної структури та додаткові фазові включення жиру (Ж), білку (Б) та лактози (Л).

Одним з напрямків визначення фізико-хімічних характеристик заготівельного молока є їх побічна оцінка за даними питомої електропровідності.

Досліджено електропровідність заготівельного молока як функцію його складових частин СЗМЗ, Ж, Б, Л. Електропровідність вимірювали за допомогою розроблених пристроїв та спеціалізованого вимірювального приладу і моста змінного струму Р - 5016. Складові частини заготівельного молока вимірювали стандартними методами (Гербера, Кўєльдаля та ін.) в хімлабораторії підприємств та УДУХТ.

Дослідження впливу температури та концентрації складових частин на електропровідність дослідного зразка виконували різними методами. В окремих випадках створювали модельні розчини з заданими за планом експерименту концентраціями відповідної складової частин, а в інших добирали заготівельне молоко, яке надходило на підприємство, з потрібним вмістом складових частин. З урахуванням специфіки виробництва молочних виробів та фізико-хімічних особливостей заготівельного молока вибрали діапазон зміни температурних досліджень 10...30^оС та концентрацій складових частин: для жиру 2,5...4%; для СЗМЗ 2...20%; лактози 2...10%. У результаті експериментів одержували залежність електропровідності дослідної проби від відповідної складової частини (В). На основі експериментальних даних будували графік. За розташуванням точок робили висновок про лінійність залежності х(В) = а + кВ. Для одержання функції х = f(В₁, В₂) визначали х_i = f(B_1i, В_2і), і = 1, 2 ,..., n. Будували відповідні графіки та досліджували рівняння

х = а₀ + а₁В₁ + а₂В₂, (13)

де а, к, а₀, а₁, а₂ невідомі параметри, які розраховували методом МНК.

Значимість коефіцієнтів рівняння регресії визначали за допомогою критерію Стьюдента, а перевірку достовірності - за коефіцієнтом Фішера. Перелічені процедури побудови графіків та їх статистичну обробку виконували за допомогою стандартних програм Korelexe.

Досліджено модельні розчини лактози у воді з концентраціями 1...10%. Обробка експериментальних даних залежностей впливу температури та концентрації лактози на електропровідність його розчинів у вибраному діапазоні температур показали, що їх електропровідність представляє експоненціальну залежність у функції часу, її початкова величина збільшується з підвищенням температури та концентрації розчину.

Для визначення впливу СЗМЗ на електропровідність заготівельного молока були створені модельні суміші з концентраціями СЗМЗ 2, 4, 6, 8, 10, 15%, у яких вимірювали електропровідність при температурах 5...80^оС. Одержані результати показали, що в загальному механізмі електропровідності молока вплив концентрації СЗМЗ на електропровідність прямо пропорційний.

Досліджено вплив концентрації жиру в заготівельному молоці (як окремо, так і з урахуванням вмісту білку) на його електропровідність. Досліди проводили на підприємствах ІВАТ ГалактонІ та ІВАТ ММЗ-3І. Жирність заготівельного молока (в основному з Київської області) знаходилась у межах 2,5...4%, а концентрація білку 2,5...3,6%. Вимірювали електропровідність заготівельного молока за допомогою розроблених пристроїв, а вміст жиру, СЗМЗ, білку, кислотність, густину стандартними методами. Існуюча теорія електропровідності характеризує молоко як структуру, в якій при збільшенні концентрації жиру зменшується електропровідність продукту. Це, зокрема, підтверджується для вершків, але для заготівельного молока спостерігається аномальна зміна цього звўязку на пропорційну.

На основі розробленого механізму електропровідності в обўєктах з матричною структурою досліджено вплив масових часток жиру на електропровідність заготівельного молока. Модель механізму електропровідності розглянули у вигляді

s_eff =s₁[1 + а₃], (14)

а_з = 3v_ж (s_2ж - s₁)_/ (s_2ж+2s₁),

де s₁, s_2ж - відповідно комплексні електропровідності матриці та включень часток жиру.

Після підстановки комплексних значень відповідних електропровідностей до рівняння (14) та нескладних перетворень одержали

а_з = 3v_ж s₁ (w²e²₂ -2 s₁² )_/ ((2s₁)²+w²e²₂ ), (15)

звідки

w² = 2s₁² / e²₂ . (16)

Для низькочастотної границі we₂ << s₁ з підвищенням концентрації жиру спостерігається тенденція до зменшення ефективної електропровідності, але для високочастотної границі we₂ >> s₁ електропровідність дослідної проби підвищується. При проведенні дослідів визначення електропровідності здійснювали на частотах 10...50кГц, що відповідає високочастотному діапазону вимірювань. Одержані теоретичні та практичні результати цілком узгоджуються.

Установлено, що одним з визначальних факторів одержання достовірних результатів є температура досліджуваних зразків. Одержані результати показали, що залежність х(t) є лінійною.

Практично в усіх технологічних процесах використовують термооброблення сировини. Для нагріву та пастеризації молока переважно застосовують паронагрівники. Але, не зважаючи на всі технічні переваги електротермічного оброблення, воно має обмежене застосування. Однією з причин цього є недостатня енергоефективність відомих конструкцій електротермічних установок. З метою підвищення енергоефективності електротермооброблення молока досліджено процес його електронагріву в потоці. Виявлено наявність позитивного зворотного зв'язку між температурою та електричною потужністю, що споживається (відповідно функціями виходу та входу). Показано, що у корпусі нагрівника молоко являє собою еквівалентний розподілений опір, який змінюється від більших значень на початку і до менших - на виході. За наявності напруги на одній загальній парі електродів, які є еквіпотенціальними поверхнями, електрична потужність нагрівання молока у потоці розподіляється відповідно до законів Ома та Джоуля-Ленца, що пояснює невисоку ефективність відомих нагрівників і є однією з причин того, що вони не набули застосування на практиці. Для того, щоб вирівняти розподіл електричної потужності на ділянках нагріву, доцільно загальні електроди поділити на відокремлені частини, тобто створити групу нез`єднаних між собою поверхонь вхідних, проміжних та вихідних електродів.

Для аналізу дії позитивного зворотного зв'язку при термообробленні розглянуто кілька моделей розвитку електротеплової нестійкості, простіша з яких описується системою рівнянь

rс_{р =} q_v, q_v = d ·Е, (17)

С ·d = 0, Сґ Е = 0, d = s Е,

де Т - температура середовища; d , Е - вектори густини струму та напруженості електричного поля; q_v - густина об'ємного тепловиділення; r, с_р , s - відповідно густина, питома теплоємність і електрична провідність.

Основні обмеження, які накладає модель, що розглядається, очевидні зі структури рівнянь (17). Запропоновано підхід до аналізу електротеплової нестійкості, суть якої полягає у наступному. За Резцовим параметри Т, d, Е, які змінюються у просторі та часі, знаходимо у вигляді

Т =Т₀ +d Т, d Т = d Т_а ехр (i k· r - iwt),

d = d₀ +d d, d d = dd_а ехр(i k· r - iwt), (18)

Е =Е₀ +d Е, d Е = d Е_а ехр (i k· r - iwt),

де Т₀, d₀, Е₀ - розподілення змінних, відносно яких аналізується стійкість; dТ, dd, dЕ - збурення відповідних змінних (їх амплітуди передбачаються слабозмінними у порівнянні з просторо-часовою зміною компонентів збурень, які задаються функцією ехр (i k· r - iwt)). Аналогічне передбачення справедливе для компонент хвильового вектору k і частоти збурень w. У результаті досліджень одержано дисперсійне рівняння w(k) = 0 та вираз для комплексної, у загальному випадку, частоти збурень w = C + D. Найбільш характерними є режими:

C № 0, D = 0 - режим синусоїдальної зміни збурень у часі (режим автоколивальний);

2.С=0, D № 0; D > 0 (експоненціально нестійкий режим), D < 0 (експоненціально стійкий режим);

С№ 0, D № 0 ; D > 0 (режим експоненціально-коливального росту збурень), D < 0 (режим експоненціально-коливального зменшення збурень).

Перелічені вище можливості реалізації тієї чи іншої зміни збурень у часі визначаються взаємною орієнтацією хвильового вектору k, вектору швидкості середовища V, напруженості електричного поля E₀, а також залежать від розподілу температури T₀ у просторі, яка визначає величину .

Досліджено вплив електромагнітного оброблення на бактерицидну чистоту молока. При оцінці його електрофізичних властивостей розглянуто особливості розповсюдження силових ліній електричного струму в полідисперсному середовищі. Тенденцію впливу температури молока (в елементарному об'ємі V за час t) на параметри d, s представили у вигляді

dQ = 0,24 d²(s) s^-1(Q) V t. (19)

У процесі електротермічного оброблення молока в потоці електрична потужність, що споживається, збільшується одночасно з нагріванням. Оскільки молоко характеризується різним ступенем дисперсності, то густина силових ліній струму для цього об`єму молока залежить від концентрації його компонентів. Згідно з (19) на тих ділянках, де s = s_max перехідний процес нагрівання відбуватиметься з більшими швидкістю і ступенем нагрівання порівняно з іншими ділянками. Тому за наявності сторонніх включень з більшими розмірами можна зробити припущення, що за один і той самий час термооброблення вони матимуть вищі швидкість та ступінь нагріву, ніж оточуюче середовище. Це в певній мірі пояснює специфічний ефект зниження загальної температури електротермооброблення цього середовища.

Досліджено вплив електричного струму та електромагнітного поля промислової частоти на бактерицидну чистоту молока при t 60⁰C. Результати опромінювання молока електромагнітним полем (Ф = 20...35мТл) показали, що кількість мікроорганізмів зменшувалась на 15...25% незалежно від тривалості експозиції. Під час нагрівання молока у змінному магнітному полі спостерігали зменшення колоній живих мікроорганізмів, кількість яких апроксимовано залежністю

N ( t ) = N₀ e ^{- (к t)}, (20)

де N₀ - статистична кількість колоній мікроорганізмів у зразках молока, яке не оброблене електромагнітним полем; к - статистичний коефіцієнт.

Досліджено електрофізичні характеристики пектинових концентрантів. З метою створення електрофізичного методу визначення вмісту пектину в його екстрактах спочатку досліджували розчини із заданим вмістом чистого пектину. За наведеною вище методикою виявляли характер впливу на електропровідність (х) вологи (В), температури (t), концентрації пектину (П), рH. Створювали модельні розчини пектинових екстрактів (яблучного, цитрусового, бурякового, морквяного) із заданими за планом експерименту концентраціями від 0,1 до 3,1% з кроком 0,2%. Досліджено залежність електропровідності дослідних зразків від температури (10...80^оС) та концентрації пектину (0,2...5%). Експерименти повторювали для різних рH (1..7). Оцінку прийнятності залежності х(П) для визначення вмісту пектину в розчині здійснювали за характером відгуку електропровідності на зміну концентрації пектину: наявністю лінійних ділянок вимірювання та за кутовим коефіцієнтом R = tgg, g = arctg(x/П). Чим більше R, тим більший поріг чутливості. Одержані результати показали, що за властивостями електропровідних характеристик чисті розчини пектинів доцільно поділити на дві групи. Одну групу утворюють низько-електропровідні розчини цитрусового та яблучного пектинів, а другу - високоелектропровідні - буряковий та морквяний.

Основні характеристики першої групи розчинів: температурний ко-ефіцієнт 0,1...0,15 См / ^оС, R = 2 ... 6; зміна температури з 10 до 30 ^оС збільшує електропровідність розчину з 6...9 до 11...12 См (для концентрації 1,5%), а збільшення концентрації з 0,2 до 2% при температурі 20 ⁰С підвищує електропровідність з 2...9 до 11...12 См.

У другій групі температурний коефіцієнт складає 0,1...0,4 См / ^оС, R = 6...9. Зміна концентрації з 0,25 до 1,5% підвищує електропровідність з 4 до 18 См, а зміна температури з 10 до 30 ^оС збільшує електропровідність розчину з 10 до 22 См.

Одержані результати показали, що розчини з пектином є провідниками другого роду, які відносяться до групи слабких електролітів. Провідниками електричного струму в пектинових екстрактах є іони, які утворюються в результаті дисоціації солей різного роду.

Виявлена можливість одержання математичних моделей пектинових екстрактів як обўєктів вимірювання вмісту пектину. Один з вагомих факторів, який впливає на точність результатів вимірювання, температура досліджуваних зразків та величина рН. Досі вплив цих факторів врахоували недостатньо.

Одержані дані дозволили зробити висновок про можливість використати електропровідність помірних концентрацій розчинів (при певних температурах та рH ) як функцію відгуку на зміну концентрації пектину.

У третьому розділі об'єктом досліджень були: молоко, кефір, сметана, вершки, згущене та відновлене молоко, кисломолочний сир. Визначено раціональні конструктивні характеристики пристроїв для вимірювання електропровідності. Одержано експериментальні дані впливу на електропровідність молока розведення його водою. Розроблено методи електрометрії складових частин молочних продуктів та моделі оптимізації якості рецептур молочних сумішей.

Об'єкти досліджень, як і заготівельне молоко, характеризуються однаковими складовими частинами - Б, Ж, СЗМЗ та факторами впливу на електропровідність: температури (t), рН, кислотності (К), густини (Г), але різний кількісний склад компонентів обумовлює власні особливості електрофізичних характеристик та відповідно різний вплив на загальну електропровідність.

У проведених експериментах за аргумент використовували В, Ср, Ж, СЗМЗ, Б, функції - х, К, Г. Створювали модельні суміші, у яких діапазон зміни концентрації вологи (В,%) та сухих речовин (Ср,%) були такі: для сметани відповідно 55...90 та 10...45; кефіру 85...95 та 5...15; кисломолочного сиру 68...75 та 25...32; відновленого молока 90...98 та 2...10; для вершків 55...90 та 10...45. У створених сумішах визначали х, К, рН та Г. Електропровідність вимірювали за допомогою спеціально розроблених пристрою та вимірювального приладатестера в інтервалі температур від 5 до 45^оС. Аналізи складових частин та якості продуктів здійснювали стандартними методами (Гербера, Кўєльдаля та ін.) як на підприємстві, так і в лабораторних умовах УДУХТ та ТІММ. На основі результатів експериментів будували залежності впливу складових частин об'єктів на їх електропровідність. За допомогою стандартної програми Korelexe визначали, а потім обгрунтовували рівняння регресії у вигляді

, (21)

де a параметри, які вимірюються; К₁, К₂ - концентрації компонентів, які необхідно знайти; С_о, С₁, С₂ - статистичні коефіцієнти. Деякі значення цих параметрів наведені у таблиці 1.

Для знаходження масової частки компонентів молока чи молочних продуктів складають систему з двох рівнянь, де замість a підставляють експериментально одержане значення х, К, рН чи Г. Розв'язуючи цю систему, знаходять К1 та К2, тобто Ж та СЗМЗ або масові частки В та Ср. Для визначення температурного режиму вимірювання дослідження одержаних рівнянь регресії було спрямовано на виявлення на залежностях a(t) таких робочих ділянок, для яких розрахункове та фактичне значення аргументу (отримане за допомогою стандартних методик), не відрізнялися б більше як на 5%.

Досліджено залежності х(Ж, t) у вершках. Для зразків заготівельного молока київського регіону одержано модель визначення вмісту жиру (%) у вершках

Ж = , (22)

де х - фактична електропровідність дослідного зразка.

Максимальна похибка при визначенні вмісту жиру за формулою (22) складає ± 5%.

Встановлювали залежність електропровідності молока від ступеню розведення його водою. Контрольні партії молока одержували на фермі безпосередньо після доїння та аналізували його на вміст Ж, СЗМЗ, Б, Л, питому вагу, К, рН, Г. Визначення електропровідності здійснювали при різному вмісті води (5, 10, 15, 20, 25, 30%) та температурах. (5, 10, 15, 20, 25^оС), що дозволило для кожної групи розведеного молока розрахувати коефіцієнт пропорційності

Таблиця 1. Вплив масових часток об'єктів досліджень на їх електропровідність за рівнянням (21)

Об'єкт досліджень	Тем-ра, оС	Коефіцієнти С0 С1 С2	Концентрація компонентів, % .К1 К2
Молочні продукти
Сметана 14 Ж 24	20	-2.8	7.16	0.49	1.7 Ср 7.6 64 В 80
	10	49	1.4	0.76
Кефір	20	53	2.26	0.9	0 Ж 3.5 5 СЗМЗ 8
	30	65	1.65	0.48
Кисломо	10	51	0.93	- 0.25
лочний	20	74	3.88	- 0.3	15 СЗМЗ 28 0 Ж 14
сир	30	144	1.66	- 0.12
Молоко	15	-104	8.6	1.06	2 Б 8 82 В 98
відновлене.	20	- 87	8.9	0.93
Молоко	20	240	- 1.6	4.39	7.8 Ж 9 40 Сах 45
згущене
Концентранти
	10	4	2.18	- 0.01
Яблучний	20	4.6	2.6	- 0.03	0.2 П 1.5 98.5 В 99.8
	30	5.1	2.75	- 0.05
	10	6.4	5	- 0.06
Цитрусовий	20	6.45	5.1	- 0.06	0.2 П 1.5 98.5 В 99.8
	30	6.5	5.15	- 0.58
	10	8.7	8.55	- 0.06
Буряковий	20	9.1	8.8	- 0.05	0.2 П 1.5 98.5 В 99.8
	30	11	14.5	- 0.04
	10	10.1	4.9	- 006
Морквяний	20	11	6.1	- 0.08	0.5 П 5 98.5 В 95
	30	12.5	7.8	- 0.09

к = , (23)

де Р3 - відомий вміст води; %; y1, y2 - відповідно електропровідність до і після розведення водою.

...