Науково-технічні основи процесів низькотемпературного розділення рідких систем харчових виробництв

-

-

2,29

1,38

0,93

-

-

-

5000

-

-

-

3,46

2,31

1,66

-

-

10000

-

-

-

-

-

3,31

2,49

1,94

Оптимізація режимних та конструктивних параметрів виморожуючої установки проводилась за допомогою інструментарію Optimization Toolbox в системі Matlab. При цьому використовувався метод послідовного квадратичного програмування (SQP), а пошук максимуму функції здійснювався за допомогою стандартної функції fmincon, яка реалізує квазі-ньютоновський метод лінійного пошуку. Оптимізація конструктивних і режимних параметрів установки здійснювалася за комплексним показником якості виморожуючої установки. У якості параметрів оптимізації були прийняті: тривалість процесу, температурний режим роботи установки та геометричні розміри кристалізатора, а саме його висота.

На першому етапі оптимізації визначалися оптимальні значення висоти кристалізатора. Встановлено, що максимум функції відповідає найбільшим значенням висот із параметричного ряду для кожної потужності виморожуючої установки.

На другому етапі оптимізації при обґрунтованій на попередньому етапі висоті кристалізатора визначалися оптимальні значення тривалості процесу та температурного режиму виморожуючої установки для заданих значень масових часток розчинних речовин у розчині. В процесі оптимізації масова частка розчинних речовин у розчині змінювалася від 8 до 40 %, температурний режим роботи установки - від мінус 10 ^оС до мінус 20 ^оС, а тривалість процесу - від 3600 с до 14400 с.

З урахуванням результатів оптимізації розраховані техніко-економічні параметри виморожуючих установок з потужністю за вихідною сировиною від 200 до 10000 кг за цикл (табл. 4).

Результати виконаних досліджень також використані при розробці технічного завдання на виробництво блочних виморожувачів БЛС-П і нормативної документації на виробництво дослідної партії “Напою алкогольного “Глінтвейн” з кріоекстрактами пряно-ароматичної сировини” (ТУ У 15.9-26303655-30:2005).

Виконаним порівняльним техніко-економічним аналізом технологій, що використовують різні способи розділення рідких систем харчових виробництв, а також порівняльним аналізом фізико-хімічних показників якості продукції, отриманої за допомогою різних технологій, підтверджено доцільність застосування виморожуючих установок на вітчизняних харчових виробництвах. Крім того, ефективність застосування виморожуючих установок для розділення рідких систем харчових виробництв підтверджено результатами досліджень фізико-хімічних, мікробіологічних та санітарно-гігієнічних показників зразків розчинів до та після виморожуваня.

Зразки продукції, отриманої в результаті низькотемпературного розділення та виморожуючі установки були апробовані у виробничих умовах на ТОВ “Ланжерон і К” (Одеська обл., Роздільнянський р-н), базі відпочинку “Парус” (м. Білгород-Дністровський, Одеська обл.), ТОВ агрофірмі “Эврика” (м. Одесса), АТ Миколаївському пивзаводі “Янтар” (м. Миколаїв). Розраховані можливі економічні ефекти від використання виморожуючих установок в умовах вище названих підприємств. Так, економічний ефект від використання виморожуючої установки на базі відпочинку “Парус” для опріснення питної води протягом курортного сезону складатиме - 9000 грн. Економічний ефект від впровадження виморожуючої установки в схему водопідготовки на підприємстві АТ Миколаївський пивзавод “Янтар” становитиме 169 тис. грн. Економічна ефективність від використання концентрованих виморожуванням екстрактів пряно-ароматичної сировини при виробництві “Глінтвейну” на підприємстві “Ланжерон і К” становитиме від 5000 до 10000 грн. за зимовий сезон в залежності від закупівельної вартості вина. Соціальний ефект практичного впро вадження результатів роботи визначається розширенням асортименту якісних продуктів та питної води

Таблиця 4. Техніко-економічні характеристики виморожуючих установок

Характеристики	БЛС-П 0.2	БЛС-П 0.5	БЛС-П 1	БЛС- П 2	БЛС- П 5	БЛС- П 10
Потужність за вихідною сировиною, кг/цикл	200	500	1000	2000	5000	10000
Кількість кристалізаторів, шт	7	19	19	37	91	169
Площа поверхні одного кристалізатора, м2	0,15	0,14	0,28	0,28	0,28	0,31
Внутрішній діаметр ємності для розчину, м	0,45	0,76	0,76	1,06	1,66	2,27
Питома продуктивність за вимороженою водою, кг/м2	64-90
Холодопродуктивність, кВт	2,73	6,65	13,3	26,37	65,58	130,91
Маса установки (без компресорно-конденсаторного агрегату), кг	91,7	153,1	306,1	483,3	917,1	1563,7
Споживана потужність, кВт	1,03	2,02	3,8	6,5	20	40
Вартість установки, тис. грн	45,2	58,2	117	199	462	793

Висновки

1. На основі теоретичних узагальнень, аналітичних і експериментальних досліджень розроблені науково-технічні основи процесів низькотемпературного розділення рідких систем харчових виробництв, які дозволяють підвищувати ефективність роботи виморожуючих установок та сприяють розвитку в Україні їх виробництва і використанню в галузях харчової промисловості.

2. Розроблено структуру комплексного показника якості виморожуючих установок.

3. Визначені принципові напрямки та схеми застосування виморожуючих установок в харчових виробництвах. Показано, що такими напрямками є концентрування і фракціювання харчових розчинів, а також опріснення та доочистка природних і промислових вод.

4. Вдосконалено структуру рівняння для розрахунку рівноважної температури розчину при фазовому перетворенні “розчин>лід + розчин”. Визначенні значення коефіцієнтів, які враховують вплив розчинних речовин на питому молярну теплоємкість переохолодженого розчину: А₁=-1,8^.10^-3; В₁=-0,014; С₁=-5,2^.10^-3; С₂=-0,049. З використанням отриманого рівняння і коефіцієнтів А₁, В₁, С₁, С₂, а також відомостей про хімічний склад фруктово-ягідної та цитрусової сировини розраховано 15 кріоскопічних кривих соків, які можуть бути отримані з вище вказаної сировини.

5. Вдосконалено математичну модель процесів тепло- і масопереносу у виморожуючій установці з формуванням твердої фази у вигляді блоку льоду. При цьому отримані рівняння для розрахунку:

- поточної температури на фронті кристалізації, яке враховує зміну в процесі теплофізичних властивостей розчину і вимороженої фази, а також умови теплообміну із навколишнім середовищем;

- поточної масової частки розчинних речовин в ядрі розчину в залежності від різниці температур між температурою на фронті кристалізації та температурою в ядрі розчину;

- коефіцієнту теплопровідності вимороженої фази в залежності від масової частки розчинних в ній речовин.

6. Отримані графічні залежності та рівняння для розрахунку густини чорносмородинового, апельсинового і шовковичного соків, а також промислових стоків виноробного підприємства

7. Встановлено нові характерні закономірності процесу виморожування води із розчину в умовах природної конвекції:

- протягом періоду процесу виморожування, коли різниця температур між температурою на фронті кристалізації і температурою в розчині знаходиться в межах від 5 до 30 ^оС, зміна масової частки розчинних речовин відбувається тільки в прошарку розчину, що межує з фронтом кристалізації. При цьому значення масової частки розчинних речовин у вимороженій фазі перевищує значення масової частки розчинних речовин у розчині в 2,5-3 рази (для соків, екстрактів) та 1,6-1,7 рази (для природних і промислових вод);

- протягом періоду процесу, коли різниця температур між температурою на фронті кристалізації і температурою в розчині знаходиться в межах від 2 до 5 ^оС, зміна масової частки розчинних речовин відбувається по всьому об'єму розчину і її значення незначно відрізняється від значення масової частки розчинних речовин у розчині біля фронту кристалізації;

- в процесі охолодження (після кристалізації) вимороженої фази масова частка розчинних речовин у розчині, що знаходиться у міжкристалічній структурі змінюється внаслідок подальшого виморожування з нього води. При цьому у вимороженій фазі на відстані до 15 мм від поверхні кристалізатора її значення в 2-4 рази перевищує значення масової частки розчинних речовин у основній масі розчину.

8. Показано, що інтенсифікація процесів переносу теплоти і маси у виморожуючій установці здійснюється під впливом акустичних та механічних коливань, механічного перемішування розчину, при виморожуванні води на нижній поверхні горизонтального пластинчастого кристалізатора та при механічному видаленні розчину із міжкристалічної структури вимороженої фази. Встановлені наступні закономірності процесів тепло- і масообміну в умовах їх інтенсифікації:

- при механічному перемішуванні розчину в діапазоні 100 n_міш 660 об/хв ступінь концентрування розчину зростає в 1,4 рази, масова частка розчинних речовин у вимороженій фазі зменшується в 1,5 рази, а інтенсивність виморожування води із розчину підвищується в 1,4 рази. При подальшому збільшені n_міш інтенсивність процесу теплообміну зростає, а масообміну зменшується;

- найбільший вплив на процеси тепло- і масообміну у виморожуючій установці чинять акустичні коливання з частотою від 15 до 50 кГц. В цих умовах інтенсивність росту вимороженої фази збільшується на (15 - 27) % в порівнянні з процесом виморожування без акустичних коливань. При підвищенні f_а до 100 кГц зростає крихкість вимороженої фази і процес виморожування не відбувається;

- перпендикулярно спрямовані до фронту кристалізації акустичні хвилі найбільшим чином впливають на прошарок розчину біля фронту кристалізації. При цьому масова частка розчинних речовин у розчині біля фронту кристалізації зменшується на15 - 17 %, а масова частка розчинних речовин у ядрі розчину збільшується на 14-15 % в порівнянні з процесом без акустичних коливань. Акустичні хвилі, спрямовані вздовж фронту кристалізації, більшим чином інтенсифікують процес кристалізації води. При цьому у виморожену фазу захоплюється більша кількість розчину і масова частка розчинних речовин у розчині змінюється не значно;

- виморожування води із розчину на нижній поверхні горизонтального кристалізатора інтенсифікує процеси тепло- і масообміну в розчині на 20 - 30 %;

- застосування механічного відбору розчину із міжкристалічної структури твердої фази в процесі виморожування підвищує вихід концентрованого продукту на 13 - 15 % і скорочує тривалість процесу гравітаційного сепарування в 2 рази.

9. Отримані та уточненні критеріальні рівняння для розрахунку процесів тепло- і масовіддачі при виморожуванні води із природних і промислових вод, соків та екстрактів в умовах природної конвекції та при механічному перемішуванні розчину.

10. Розроблені інженерні методики та програми для розрахунку виморожуючих установок та процесів, які в них відбуваються. З використанням цих методик і програм розрахований параметричний ряд виморожуючих установок, оптимізовані режимні і конструктивні параметри, визначені техніко-економічні характеристики установок з потужністю по вихідній сировині від 200 до 10000 кг за цикл.

11. Розроблено технічне завдання на виробництво виморожуючих установок типу БЛС-П та технічну документацію на виробництво дослідної партії “Напою алкогольного “Глінтвейн” з кріоекстрактами пряно-ароматичної сировини” (ТУ У 15.9-26303655-30:2005).

12. Техніко-економічним обґрунтуванням, фізико-хімічними, санітарно-гігієнічними та мікробіологічними дослідженнями зразків рідких систем харчових виробництв, а також апробацією зразків виморожуючих установок та нової продукції підтверджена ефективність застосування виморожуючих установок в харчовій промисловості.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах

1. Коваленко О.О. Крiоконцентрування соків / О.О. Коваленко, А.Т. Безусов, О.Г. Бурдо // Харчова i переробна промисловість. - 1997. - № 7. - С. 20 - 21.

2. Бурдо О.Г. Кинетика процессов блочного вымораживания из растворов / О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко, С.И. Милинчук // Вестник международной академии холода. - 2003. - № 3. - С. 38 - 41.

3. Коваленко Е.А.Энергетические аспекты низкотемпературной технологии получения вкусоароматических добавок / Е.А. Коваленко, С.И. Милинчук, Д.А. Харенко // Інтегровані технології енергозбереження.- 2003. - № 2. - С. 13 - 17.

4. Коваленко О.О. Формування показників якості смакоароматичних добавок / О.О. Коваленко, Д.О. Харенко, О.Г. Бурдо // Вісник ДонДУЕТ. - 2003. - №1 (17). - С. 36 - 41.

5. Коваленко Е.А. Кинетика процессов блочного блочного вымораживания воды из раствора в условиях воздействия на него акустических и механических колебаний // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2007. - Вип. 30, Т. 1. - С. 137 - 142.

6. Коваленко Е.А. Тепло- и массоперенос при низкотемпературном разделении жидких систем пищевых производств // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2006. - Вип. 28, Т. 2. - С. 164 - 174.

7. Коваленко О.О. Аналітичні дослідження умов низькотемпературної кристалізації харчових розчинів // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2004. - Вип. 27. - С. 210 - 213.

8. Коваленко О.О. Формування комплексного показника якості кріоконцентратів // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2003. - Вип. 26. - С. 196 - 200.

9. Коваленко О.О. Шляхи вдосконалення конструкції блочних виморожувачів // Обладнання та технології харчових виробництв. - Д.: ДонДУЕТ, 2006. - Вип. 15. - С. 105 - 113.

10. Коваленко Е.А. Математическая модель процессов переноса в блочном вымораживателе / Е.А. Коваленко, О.Б. Васылив // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2007. - Вип. 30, Т. 1. - С. 41 - 48.

11. Евдокимова О.А. Обобщение экспериментальных исследований процессов блочного вымораживания воды из солевых растворов в условия механического перемешивания раствора / О.А.Евдокимова , Е.А. Коваленко // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2007. - Вип. 30, Т. 1. - С. 157 - 163.

12. Реминная Л.П. Исследование кинетики блочного вымораживания воды из экстрактов на горизонтальном кристаллизаторе / Л.П. Реминная, О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2007. - Вип. 30, Т. 1. - С. 164 - 169.

13. Харенко Д.А. Моделирование комбинированных процессов низкотемпературного разделения пищевых растворов / Д.А. Харенко, Е.А. Коваленко // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2006. - Вип. 29, Т. 1. - С. 9 - 14.

14. Евдокимова О.А. Применение метода вымораживания для водоподготовки в пищевых производствах / О.А. Евдокимова, Е.А. Коваленко // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2006. - Вип. 28, Т. 1. - С. 110 - 115.

15. Криоконцентрирование соков и экстрактов / Е.А. Коваленко, О.Б. Васылив, Л.Н. Токарева, Л.П. Реминная // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2006. - Вип.28, Т. 2. - С. 130 - 135.

16. Евдокимова О.А. Экспериментальные исследования кинетики процессов опреснения морской воды и обезвоживания сточных вод методом блочного вымораживания / О.А. Евдокимова, Е.А. Коваленко // Наук. пр. / ОНАХТ. - О., 2006. - Вип. 28, Т. 2. - С. 16 - 21.

17. Харенко Д.А. Кинетика блочного вымораживания воды из раствора, в обьеме которого пульсирует мембрана / Д.А. Харенко, Е.А. Коваленко, О.Г. Бурдо // Наук. пр. / ОДАХТ. - О., 2006. - Вип. 28, Т. 2. - С. 103 - 111.

18. Коваленко О.О. Експериментальні дослідження кріоскопічних умов харчових розчинів / О.О. Коваленко, Л.М. Токарєва, С.А. Малашевич // Наук. пр. /ОНАХТ. - О., 2004. - Вип. 27. - С. 205 - 210.

19. Расчет и проектирование оборудования для криоконцентрирования виноматериалов / О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко, С.И. Милинчук, В.П.Мордынский // Наук. пр. / ОДАХТ. - О., 2002.- Вип. 23.- С. 211 - 214.

20. Повышение эффективности процесса концентрирования пищевых жидкостей / О.Г. Бурдо, С.И. Милинчук, Е.А. Коваленко, Аль-згул Басам // Наук. пр. / ОДАХТ. - О., 2002. - Вип. 23. - С. 240 - 243.

21. Бурдо О.Г. Моделювання процесів тепломасопереносу при блочному виморожуванні / О.Г. Бурдо, С.І. Мілінчук, О.О. Коваленко // Наук. пр. / ОДАХТ. - О., 1999. - Вип. 20. - С. 214 - 218.

22. Бурдо О.Г. Енергозбереження в холодильних технологіях / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко, С.І. Мілінчук // Наук. пр. / ОДАХТ . - О., 1999. - Вип. 19. - С. 258 - 263.

23. Інтенсифікація тепломасопереносу та зниження енерговитрат при обезвожуваннi харчових продуктів / О.Г. Бурдо, С. Гайда, О.I. Книш, О.О.Коваленко // Наук. пр. / ОДАХТ. - О., 1997. - Вип. 17. - С. 248 - 258.

24. Бурдо О.Г. Кінетика формування блока льоду при крiоконцентруваннi харчових рідин / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко // Наук. пр. / ОДАХТ. - О., 1996. - Вип. 16. - С. 248 - 252.

25. Коваленко О.О. Технології виморожування води із розчинів та їх роль у вирішенні актуальних проблем харчових виробництв / О.О. Коваленко, О.О. Євдокимова, Л.П. Ремінна // Аграрний вісник Причорноморя. - О.:Імідж-Прес, 2007. - Вип. 37. - С. 134 - 137.

26. Енергоефективна технологія концентрування рідких систем харчових виробництв / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко, Д.О. Харенко, О.Б. Василів // Обладнання та технології харчових виробництв - Д.: ДонДУЕТ, 2006. - Вип. 15. - С. 125 - 131.

27. Бурдо О.Г. Дослідження комбінованих процесів блочного виморожування води з харчових розчинів / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко, Д.О. Харенко //Обладнання та технології харчових виробництв. - Д.: ДонДУЕТ, 2005. - Вип. 13, Т. 2. - С. 126 - 132.

28. Бурдо О. Г. Моделювання умов фазової рівноваги при блочному виморожуванні з харчових розчинів / Бурдо О.Г., Коваленко О.О., Л.М. Токарєва//Обладнання та технології харчових виробництв. - Д.: ДонДУЕТ, 2005. - Вип. 13, Т. 2. - С. 274 - 282.

29. Коваленко Е.А. Теплофизические свойства экстрактов на основе растительного сырья / Е.А. Коваленко, О.Б. Васылив, Л.П. Реминная // Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. - Х., 2006. - Вип. 45. - С. 86 - 90.

30. Бурдо О.Г. Процессы низкотемпературного опреснения природных вод и обезвоживания промышленных стоков / О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко, О.А. Евдокимова // Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. - Х., 2006. - Вип.45. - С. 108 - 114.

31. Коваленко Е.А. Расчет процессов блочного вымораживания пищевых жидкостей / Е.А. Коваленко, О.Г. Бурдо // Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх економічна обґрунтованість у підприємствах харчування. Економічні проблеми торгівлі / ХДАТ та ОГ. -Х., 1998. - Ч.1. - С. 67 - 70.

32. Низкотемпературная технология переработки сельскохозяйственного сырья / Е.А. Коваленко, А.К. Бурдо, В.П. Мордынский, С.И. Милинчук // Пути повышения эффективности хранения и переработки сельскохозяйственной продукции / ОЦНТИ. - О., 1999. - С. 84 - 88.

33. ПАТ. 18607 Україна, МПК А 23 L 2/08. Спосіб отримання шляхом виморожування концентрованих рідких продуктів / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко, С.І. Мілінчук, Д.О. Харенко, О.Б. Василів. - № u 2006 05318; Заявл.15. 05. 2006; Опубл.15. 11. 2006, Бюл. № 11.

34. ПАТ. 23162 Україна, МПК А 23 L 2/08. Пристрій для отримання шляхом виморожування концентрованих рідких продуктів / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко, С.І. Мілінчук . - № u 2006 13409; Заявл. 18. 12. 2006; Опубл. 10. 05. 2007, Бюл. № 6.

35. ПАТ. 23132 Україна, МПК А 23 L 2/08. Спосіб отримання шляхом виморожування концентрованих рідких продуктів / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко, С.І. Мілінчук, Л.П. Ремінна. - № u 2006 13021; Заявл.11. 12. 2006; Опубл.10. 05. 2007, Бюл. № 6.

36. Коваленко Е.А. Моделирование криоскопических температур пищевых растворов // ІV семинар “Информационные системы и технологии”: Сб. науч. тр. / ОГАХ. - О., 2006 - С. 186 - 192.

37. Коваленко О.О. Енергетична ефективність низькотемпературних технологій розділення харчових розчинів // Енергоефективність 2004: Зб. наук. пр. Міжн. наук.-техн. конф. /ОДАХ - О., 2004. - С. 182 - 187.

38. Burdo O.G. Sumulation des processus de concentration des liquides alimentaires par refrodissement en bloc / O.G. Burdo, E.A. Коvalenko, S.I. Milinchuk //ACTES du seminaire d'animation regionale (Region Europe Centrale et Occidentale), SAR - 2004. - Chisinau: Tehnica-Info, 2004. - Р. 305 - 309.

39. Бурдо О.Г. Энергоэффективная технология концентрирования пищевых растворов /О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко, С.И. Милинчук // Управління енерговикористанням: Зб. мат. 5-ої Міжнар. наук-практ. конф. - О., 2003. - С. 47-51.

40. Modeling of processеs of concentration of food solution by method of block freezing-out / O.G. Burdo, E.A. Коvalenko, S.I. Milinchuk, Basam Al-Zegoul // I Simp. Int. “Biochimie si biotehnologii in Industria Alimentara”: Mat. -Chisinau: Tehnica-Info, 2002. - Р. 160 - 165.

41. Burdo O.G. Processing of food products with using of heat pipes / O.G. Burdo, S.G. Therziev, E.A. Коvalenko // I Simp. Int. “Biochimie si biotehnologii in Industria Alimentara”: Mat. - Chisinau: Tehnica-Info, 2002. - Р. 166 - 169.

42. Бурдо О.Г. Сопряженный тепломассоперенос при кристаллизации из пище вых растворов /О.Г. Бурдо, С.И. Милинчук, Е.А. Коваленко //IV Межд. Форум “Тепломассобмен ММФ - 2000”: Тр. - Минск, 2000. -Т.5. - С. 399 - 407.

43. Heat Pipes in the Process and Apparatuses of Food Productions / O. Burdo, S. Gayda, E. Kovalenko, O. Stanevsky // 3th Int. Sem. "Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators". - Minsк, 1997. - Р. 130 - 134.

44. Коваленко Е.А. Технология концентрирования вишневого и абрикосового соков метом вымораживания / Е.А. Коваленко, А.Т. Безусов // Экология человека и проблемы воспитания молодых ученых: Тр. Межд. науч. - практ. конф. - О.: Астропринт, 1997. - Ч. II. - С. 21 - 25.

45. The new ways of organization heat transfer in food industry apparatuses /O. Burdo, S. Therziev, A. Knuish , E. Kovalenko // 5-th International Heat Pipe Symposium. - Melbourne, 1999. - Ref. No.: 4-7.

46. Burdo O. G. Kinetics formation of ice block in the process of concentration by freezing / O. G. Burdo, E.A. Kovalenko // 12-th International Congress of Chemical and Process Engineering. - Praha, 1996. - Ref. No.: 0882.

47. Коваленко О.О. Математична модель процесів виморожування води із харчових розчинів в апаратах з рухомою границею розділу фаз / О.О. Коваленко, О.Б. Василів // Математическое моделирование и информационные технологии : Сб. тез. науч. сем. - О.: ОГАХ, 2007. - С. 21 - 22.

48. Євдокимова О.О. Розробка блочного виморожувача для знесолення високомінералізованих природних вод та обезвожування промислових стоків / О.О. Євдокимова, О.О. Коваленко // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: Зб. доп. VI Міжн. наук. конф. асп. і студ. - Д.: ДонНТУ, ДонНУ, 2007. - Т. 1. - С.116 - 117.

49. Коваленко О.О. Модель процесів тепло- і масопереносу при виморожуванні води із харчових розчинів в апаратах з обмеженим фронтом кристалізації /О.О. Коваленко, О.Б. Василів // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті: Мат. 73-ї наук. практ. конф. молод. вч., асп. і студ. - К.: НУХТ, 2007. - Ч. ІІ. - С. 149.

50. Евдокимова О.А.Проблема дефицита пресной воды и пути ее решения с помощью холодильних технологий / О.А. Евдокимова, Е.А. Коваленко // Наукові дослідження - теорія та експеримент 2007: Мат. 3-ї Міжн. наук. практ. конф. - П.: Изд-во “ІнтерГрафіка”, 2007. - Т. 7. - С. 22 - 26.

51. Євдокимова О.О. Інтенсифікація процесів виморожування води із сольових розчинів / О.О. Євдокимова, О.О. Коваленко // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті: Мат. 73-ї наук. практ. конф. молод. вч., асп. і студ. - К.: НУХТ, 2007. - Ч. ІІ. - С. 147.

52. Ремінна Л.П. Вплив виду поверхні кристалізатора на процеси блочного виморожування води із харчових розчинів / Л.П. Ремінна, О.О. Коваленко // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті: Мат. 73-ї наук. практ. конф. молод. вч., асп. і студ. - К.: НУХТ, 2007. - Ч. ІІ. - С. 149.

53. Коваленко Е.А. Концентрирование вымораживанием экстрактов на основе растительного сырья / Е.А. Коваленко, Л.П. Реминная // Харчові технології - 2006: Тез. доп. II Міжн. наук.-практ. конф. - О., 2006. - С. 70.

54. Коваленко Е.А. Доочистка, обессоливание и обезвоживание солевых растворов пищевых производств методом блочного вымораживания / Е.А. Коваленко, О.А. Евдокимова, С.А. Малашевич // Харчові технології - 2006: Тез. доп. II Міжн. наук.- практ. конф. - О., 2006. - С. 75.

55. Коваленко Е.А. Опреснение и очистка природных вод и промышленных стоков методом блочного вымораживания / Е.А. Коваленко, О.А Евдокимова. // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті: Мат. 71-ї наук. конф. молод. вч., асп. і студ. - К.: НУХТ, 2005. - Ч. ІІ. - С. 128.

56. Токарева Л.Н. Кинетика кристаллизации при блочном вымораживании воды из пищевых растворов / Л.Н. Токарева, О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті: Мат. 71-ї наук. конф. молод. вч., асп. і студ. - К.: НУХТ, 2005. - Ч. ІІ. - С. 127.

57. Харенко Д.А. Интенсификация процессов блочного вымораживания воды из растворов / Д.А. Харенко, Е.А. Коваленко, О.Г. Бурдо // Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті: Мат. 71-ї наук. конф. молод. вч., асп. і студ. - К.: НУХТ, 2005. - Ч. ІІ. - С. 129.

58. Коваленко О.О. Комбіновані процеси низькотемпературного розділення харчових розчинів / О.О. Коваленко, О.Г. Бурдо, Д.О. Харенко // Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: Тез. доп. Міжн. наук.-техн. конф. - Д.: Дон ДУЕТ, 2005. - С. 89 - 90.

59. Коваленко О.О. Моделювання кріоскопічних умов харчових розчинів / О.О. Коваленко, О.Б. Василів, Л.М. Токарєва // Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: Тез. доп. Міжн. наук.-техн. конф. - Д.: Дон ДУЕТ, 2005.- С. 91 - 92.

60. Євдокимова О.О. Блочні виморожувачі для опріснення природних вод і обезвоження промислових стоків / О.О. Євдокимова, О.О. Коваленко, О.Г. Бурдо //Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: Тез. доп. Міжн. наук.-техн. конф. - Д.: Дон ДУЕТ, 2005. - С. 62 - 63.

61. Коваленко О.О. Формування методики розрахунку кріоскопічних умов харчових розчинів / О.О. Коваленко, О.Б. Василів // Харчові технології - 2005: Тез. доп. Міжн. наук.-практ. конф. - О., 2005. - С. 27.

62. Коваленко Е.А. Вымораживающие установки для водоподготовки в пищевых производствах / Е.А. Коваленко, О.А. Евдокимова // Харчові технології - 2005: Тез. доп. Міжн. наук.-практ. конф. - О., 2005. - С.25.

63. Токарєва Л.М. Кінетика кріоконцентрування соків і екстрактів / Л.М. Токарєва, О.О. Коваленко, С.А. Малашевіч // Харчові технології - 2005: Тез. доп. Міжн. наук.-практ. конф. - О., 2005. - С. 35.

64. Харенко Д.О. Моделювання комбінованих процесів низькотемпературного розділення харчових розчинів / Д.О. Харенко, О.О. Коваленко, Бурдо О.Г. // Харчові технології - 2005: Тез. доп. Міжн. наук.-практ. конф. - О., 2005. - С. 26.

65. Бурдо О.Г. Теория сопряженных процессов тепломассообмена и гидродинамики в криоразделительных аппаратах / О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко // ІV Межд. конф. “Проблемы промышленной теплотехники”: Мат. - К., 2005. - С. 53 - 54.

66. Бурдо О.Г. Энергоэффективная технология концентрирования пищевых растворов / О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко, С.И. Милинчук // ІІІ Межд. выст. “Электроника и энергетика 2003” и ІІ спец. выст. “Станкомаш ЭКСПО 2003”: Тр. - О.: Моряк, 2003. - С. 279 - 280.

67. Коваленко О.О. Оцінка якості смакоароматичних добавок / О.О. Коваленко, Д.О. Харенко, О.Г. Бурдо // Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: Тез. доп. Міжн. наук.-практ. конф. -Д.: ДонДУЕТ, 2003. - С. 187-189.

68. Коваленко О.О. Технологія та обладання для виробництва рідких харчових кріоконцентратів / О.О. Коваленко, А.К. Бурдо, С.І. Мілінчук // VI Міжн. наук.-техн. конф. “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”. - К.: УДУХТ, 2000 - С. 71 - 72.

69. Кріоконцентрування в харчових технологіях / О. Бурдо, О. Коваленко, С. Мілінчук, А. Бурдо //Х Міжн. конф. “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв”: Тез. доп. - Л.: ДУЛП, 1999. - С. 102.

70. Безусов А. Т. Концентрирование соков методом блочного вымораживания и производство продуктов на основе криоконцентратов / А. Т. Безусов, О.Г. Бурдо, Е.А. Коваленко // Людина та навколишнє середовище - проблеми безперервної екологічної освіти в вузах: Зб. наук. пр. - О.: ОДАХ, 1996. - С. 89.

71. Бурдо О.Г. Кінетика формування блоку льоду при кріоконцентруванні виморожуванням / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко // 56 Научная конференция: Тез. докл. - О.: ОГАПТ, 1996. - Ч. І. - С. 189.

72. Бурдо О.Г. Отримання прісної води з морської методом блочного виморожування / О.Г. Бурдо, О.О. Коваленко // Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод: Тез. доп. - Л., 1996. - С. 341 - 342.

73. Коваленко Е.А. Теплофизические и технологические аспекты концентрирования соков методом блочного вымораживания / Е.А. Коваленко, А.Т. Безусов, О.Г. Бурдо // IX Міжн. конф. “Удосконалення процесів та апаратів хiмiчних, харчових та нафтохiмiчних виробництв”: Тез.доп. - О., 1996. - С. 77.

74. Коваленко Е. А. Экспериментальные исследования процесса концентрирования фруктово-овощных соков вымораживанием / Е.А. Коваленко, Е.Ф. Терземан, А.К. Бурдо // 55 Научная конференция: Тез. докл. - О.: ОГАПТ, 1995. - Ч. І. - С. 85.

75. Шиянов А.И. Сравнительный анализ различных методов концентрирования фруктово-овощных соков / А.И. Шиянов, Е.А. Коваленко // 55 Научная конференция: Тез. докл. - О.: ОГАПТ, 1995. - С. 243.

Анотація

Коваленко О.О. “Науково-технічні основи процесів низькотемпературного розділення рідких систем харчових виробництв”.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв, Одеська національна академія харчових технологій, Одеса, 2007.

Дисертаційна робота присвячена розробці теоретичних і практичних основ, спрямованих на розвиток в Україні низькотемпературних технологій та підвищення ефективності роботи виморожуючих установок. Розроблена структура комплексного показника якості виморожуючих установок, який враховує вплив температурного режиму роботи установки на її техніко-економічні параметри та якість розчину і дозволяє оптимізувати режимні та конструктивні параметри. Вдосконалена математична модель процесу виморожування води із розчинів шляхом доповнення її рівняннями для розрахунку: температури на границі розділу фаз для умов змінної температури і масової частки розчинних речовин у розчині; масової частки розчинних речовин у розчині в залежності від різниці температур між температурою на фронті кристалізації і температурою розчину; критеріальних рівнянь для розрахунку тепло- і масовіддачі в розчині; рівноважної температури розчину при фазовому перетворенні “розчин>лід+розчин” в залежності від хімічного складу розчину та активності води у рідкій і вимороженій фазі; коефіцієнту теплопровідності вимороженої фази в залежності від масової частки розчинних в ній речовин. З використанням отриманої математичної моделі виконаний розрахунок кінетики процесів тепло- і масопереносу та розрахований параметричний ряд виморожуючих установок. В результаті проведеної оптимізації по комплексному показнику якості отримані оптимальні конструктивні та режимні параметри виморожуючої установки. Для оптимальних умов розраховані техніко-економічні характеристики виморожуючих установок з потужністю по вихідній сировині від 0,2 до 10 т за цикл. Техніко-економічним обґрунтуванням та промисловою апробацією зразків обладнання та продукції підтверджена ефективність застосування виморожуючих установок в харчових виробництвах.

Ключові слова: низькотемпературне розділення, рідкі системи харчових виробництв, виморожуючі установки, комплексний показник якості, математичне й експериментальне моделювання, методики розрахунку, оптимізація, апробація.

Аннотация

Коваленко Е.А. "Научно-технические основы процессов низкотемпературного разделения жидких систем пищевых производств".

Диссертация на получение научной степени доктора технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых, микробиологических и фармацевтических производств, Одесская национальная академия пищевых технологий, Одесса, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке теоретических и практических основ, направленных на развитие в Украине низкотемпературных технологий и повышение эффективности работы вымораживающих установок. Разработана структура комплексного показателя качества вымораживающих установок, которая учитывает влияние температурного режима работы установки на ее технико-экономические параметры и качество раствора. Такой показатель позволяет оптимизировать режимные и конструктивные параметры установки, а также позволяет оценивать эффективность технологий, использующих различные способы разделения раствора на условно чистую воду и концентрированный остаток. Усовершенствованна математическая модель процесса вымораживания воды из растворов на поверхности вертикальных труб и с формированием твердой фазы виде блоков льда.

Характерным для предложенной модели является разделение твердой фазы на ряд прослоек (внутренних и фронтальную), которые отличаются теплофизическими свойствами из-за разной температуры прослоек и разного содержания растворенных веществ. Кроме этого, для фронтальной прослойки характерным является то, что в ней кристаллизация воды осуществляется по всему объему и при температуре, которая равна температуре фазового превращения раствора. Представлены, полученные аналитическим путем, уравнения для расчета температуры на границе раздела фаз для условий изменяющихся температуры и массовой доли растворенных веществ в растворе, а также для расчета коэффициента теплопроводности вымороженной фазы. Разработаны структуры критериальных уравнений для обобщения экспериментальных данных по тепло- и массоотдаче в растворе. Представлены принципиальные схемы использования вымораживающих установок в пищевых производствах. Определенны способы и обоснованны механизмы интенсификации процессов тепло- и массообмена в вымораживающей установке. Согласно задачам, сформулированным при математическом моделировании, выполнен комплекс экспериментальных исследований: криоскопических; теплофизических свойств растворов и вымороженной из них твердой фазы; кинетических закономерностей процессов в вымораживающей установке для условий естественной и вынужденной конвекции в растворе. Результаты экспериментальных исследований обобщенны в виде уравнений для расчета: равновесной температуры раствора при фазовом превращении "раствор>лед+раствор" в зависимости от химического состава раствора и активности воды в вымороженной фазе; коэффициента теплопроводности вымороженной фазы в зависимости от массовой доли растворенных в ней веществ; плотности ряда жидких систем пищевых производств в зависимости от массовой доли растворенных веществ и температуры; массовой доли растворенных веществ в растворе в зависимости от разницы температур между температурой на фронте кристаллизации и температурой раствора; тепло- и массоотдачи в различных растворах при вымораживании из них воды. На основе результатов аналитических и экспериментальных исследований разработана структура расчета вымораживающей установки, которая включает этапы расчета криоскопической кривой раствора, теплофизических свойств раствора и вымороженной фазы, кинетики процессов тепло- и массообмена, конструктивных, технико-экономических и оптимальных параметров вымораживающей установки. Каждый этап расчета представлен в виде методик, алгоритмов и компьютерных программ. С использованием разработанных методик и программ рассчитан параметрический ряд вымораживающих установок и проведена оптимизация режимных и конструктивных параметров. Для оптимизации использовался метод последовательного квадратичного программирования, в котором поиск максимума осуществлялся с помощью стандартной функции, реализующей квази-ньютоновский метод линейного поиска. Оптимизация осуществлялась по разработанному комплексному показателю качества вымораживающей установки, а в качестве параметров оптимизации были приняты длительность процесса, температурный режим работы установки и геометрические размеры кристаллизатора. Для определенных оптимальных условий рассчитаны технико-экономические характеристики вымораживающих установок с мощностью по исходному сырью от 0,2 до 10 т за цикл. Выполненным сравнительным технико-экономическим анализом технологий, которые используют различные способы разделения жидких систем пищевых производств, а также сравнительным анализом физико-химических показателей качества продукции, полученной с помощью разных технологий, обоснованно целесообразность использования вымораживающих установок в пищевой промышленности. Представлены результаты апробации образцов вымораживающих установок и продукции на предприятиях отрасли, рассчитаны экономические эффекты от их внедрения и определенна социально-практическая значимость результатов выполненных диссертационных исследований.

Ключевые слова: низкотемпературное разделение, жидкие системы пищевых производств, вымораживающие установки, комплексный показатель качества, математическое и экспериментальное моделирование, методики расчета, оптимизация, апробация.

The summary

Kovalenko O.O. “Scientific and technical basis of the processes of low-temperature separation of food productions liquid system”.

Dissertation for scientific degree of Doctor of technical science on speciality 05.18.12 - processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical productions, Odessa National Academy of Food Technologies, Odessa, 2007.

The dissertation is devoted to working out of the theoretical and practical bases, designed for development of low-temperature technologies and increase of efficiency of freezing installations operations in Ukraine.

The structure of the complex index of the freezing installations quality, which takes into account influence of temperature conditions of the installation operation on its technical and economical parameters and the solution quality and allows to optimize mode and construction parameters, has been worked out. The improved mathematical model of the process of water freezing from solutions by addition to it the equations has been given for calculation: temperature on the movable boundary of phase division for conditions of changing temperature and mass share of soluble substances in the solution; mass share of soluble substances in the solution depending on temperature gradient between temperature on crystallization front and solution temperature; criterion equations for calculation heat- and mass output in the solution; equilibrium temperature of the solution during phase transition “solution - ice” depending on the solution chemical composition and water activity in the freezing out phase; coefficient of thermal conductivity of the freezing out phase depending on mass share of the soluble substances in its melt.

The calculation of kinetics of heat- and mass transfer processes with application of the obtained mathematical model has been carried out; parametric series of the freezing installations has been calculated. As s results of the carried out optimization, according to the quality complex index, the optimum construction and mode parameters of the freezing installation have been obtained. Technical and economical characteristics of the freezing installation with power on initial raw material from 0.2 to 10 t per cycle have been calculated for optimum conditions. The efficiency of freezing installations has been corroborated by technical and economic grounds and industrial approbation of equipment and production samples.

Key words: low-temperature separation, liquid system of food productions, freezing installations complex index of quality, mathematical and experimental modelling, methods of calculations, optimization.

Размещено на Allbest.ru

...