Моделювання та вдосконалення процесу пластифікації кондитерських мас

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ нАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ ІМЕНІ МИХАЙЛА ТУГАН-БАРАНОВСЬКОГО

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОДЕЛЮВАННЯ ТА ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ПЛАСТИФІКАЦІЇ КОНДИТЕРСЬКИХ МАС

05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Бескровний Олексій Іванович

Донецьк - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному університеті економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор фізико-математичних наук, професор Лавріненко Наталя Михайлівна, Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, завідувач кафедри вищої і прикладної математики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Погожих Микола Іванович, Харківський державний університет харчування і торгівлі, завідувач кафедри енергетики та фізики кандидат технічних наук, доцент Литовченко Ігор Миколайович, Національний університет харчових технологій, доцент кафедри "Машини і апарати харчових виробництв" (м. Київ)

Захист відбудеться 16 червня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.055.02 в Донецькому національному університеті економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України за адресою : 83055, м. Донецьк, пр. Театральний, 28, аудиторія 3231.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського Міністерства освіти і науки України за адресою: 83017, м. Донецьк. бул. Шевченка, 30.

Автореферат розісланий 7 травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцентАнтропова Л.М.

масло пластифікатор різка кондитерська маса

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основні сучасні вимоги до кондитерських виробів полягають у необхідності забезпечення стабільності їх якісних характеристик. Одним з найбільш перспективних напрямів вирішення цієї проблеми є математичне моделювання технологічних процесів для визначення фізико-хімічних і реологічних показників напівфабрикатів на всіх стадіях виробництва.

Напівфабрикатами у виробництві масових видів кондитерських виробів є жировмісні конфетні і начиночні маси дисперсної природи, які мають в'язко-пластичну консистенцію. Дані про реологічні та фізико-хімічні властивості таких кондитерських мас та їх зміни у технологічному процесі можуть бути використані для управління якісними характеристиками готового продукту.

З цією метою нами досліджувались особливості підготовчої стадії виробництва - процесу пластифікації кондитерських мас, який здійснюється у пластифікаторі ВВ-ПМЛ. Отримані результати дозволяють розробити і обґрунтувати раціональну технологію для виготовлення жировмісних напівфабрикатів при максимальному збереженні початкової структури кондитерських мас та визначити оптимальну конструкцію основних механічних вузлів - маслорізки і змішувача пластифікатора.

Отже, розроблення математичних моделей процесу пластифікації кондитерських мас і обґрунтування на їх основі ефективного технологічного процесу та конструктивних характеристик обладнання є актуальним та своєчасним завданням.

Математичне моделювання передбачає як складовий елемент чисельний експеримент для ідентифікації параметрів моделей і визначення їх адекватності, тому у якості модельних мас нами використовувались фізико-хімічні і реологічні дані основних сировинних складових борошняних кондитерських виробів, а саме маргарину «Молочного особливого» і «Жиру кондитерського для вафельних і прохолоджувальних начинок», виробництва Запорізького масложиркомбінату.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота була виконана у рамках творчого співробітництва кафедри вищої і прикладної математики Донецького національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського з підприємством ТОВ «Фірма ВІВА-ЛТД» і кондитерськими підприємствами України. Дисертаційна робота є частиною досліджень за госпрозрахунковими темами: № 374/08 «Експлуатаційні випробування пластифікатора ВВ-ПМЛ з метою визначення оптимальних характеристик продукту» ( № ДР 0108U006514 - відповідальний виконавець), № 476/09 «Дослідження якості жирової маси в пластифікаторі ВВ-ПМЛ» (№ ДР 0109U004685 - відповідальний виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є створення моделей процесу пластифікації кондитерських мас, обґрунтування раціональних параметрів проведення процесу пластифікації та вимог до модернізації конструкцій маслорізки і змішувача пластифікатора ВВ-ПМЛ. У відповідності з поставленою метою у роботі вирішувались такі задачі:

розроблення математичної моделі подрібнення блоків кондитерських напівфабрикатів у маслорізці пластифікатора ВВ-ПМЛ;

чисельне моделювання процесу прогрівання брусків жиру зі змінними реологічними та геометричними параметрами;

розроблення математичних моделей процесу аерування кондитерських мас у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ;

комп'ютерне моделювання течії кондитерських мас у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ в залежності від конструктивних властивостей шнеколопатевих мішалок;

визначення науково обґрунтованих пропозицій щодо раціональних параметрів роботи пластифікатора ВВ-ПМЛ та конструкції його мішалок;

розроблення і затвердження нормативної документації на пластифікатор ВВ-ПМЛ;

впровадження результатів наукових досліджень в практику роботи кондитерських підприємств і оцінювання їх ефективності.

Об'єкт дослідження - процес пластифікації кондитерських мас.

Предмет дослідження - режими процесу пластифікації кондитерських мас і технологічне обладнання як складова частина цього процесу.

Методи дослідження. У роботі використано теоретичні і розрахунково - експериментальні методи дослідження, математичне моделювання механічних процесів подрібнення харчових мас (дослідження процесів подрібнення блоків кондитерських напівфабрикатів під дією динамічного навантаження), математичне моделювання теплофізичних процесів (дослідження процесів прогрівання брусків жиру зі змінними реологічними характеристиками), математичне моделювання процесів перемішування і аерування кондитерської маси (дослідження розбивання повітряної бульбашки, затянутої у кондитерську масу шнеколопатевою мішалкою, а також визначення якості перемішування і аерування за допомогою статистичних методів), комп'ютерне моделювання гідромеханічних процесів течії кондитерських мас (чисельне моделювання течії кондитерської маси у змішувачі пластифікатора в залежності від конструктивних особливостей лопатей мішалок), математичне програмування (розв'язування оптимізаційних задач для визначення оптимальних розмірів отворів та їх геометричної форми у лопатях).

Наукова новизна одержаних результатів.

Наукову новизну дисертаційного дослідження визначають такі теоретичні та практичні результати.

Уперше проведено комплексні дослідження процесів пластифікації кондитерських мас у пластифікаторі ВВ-ПМЛ з використанням математичного моделювання, а саме:

· запропоновано модель процесу подрібнення блоків кондитерських напівфабрикатів у маслорізці, яка дозволяє визначити швидкість отримання подрібнених брусків кондитерської маси;

· розроблено модель прогрівання брусків жиру зі змінними реологічними та геометричними характеристиками у маслорізці пластифікатора для визначення часу нагрівання;

· розроблено статистичну модель процесу аерування кондитерської маси у мішалці пластифікатора, за допомогою якої визначено раціональні показники процесу: час перемішування та температуру води у оболонці для даного кондитерського напівфабрикату.

· одержано розподіл ліній течії кондитерської маси у різних областях змішувача та при різних конструктивних параметрах лопатей мішалок, визначено, що лопаті повинні бути розгорнуті відносно осі валу на кут 60;

· визначено оптимальні конструктивні параметри лопатей мішалок пластифікатора - вони повинні мати отвори площею близько 30% від загальної площі лопаті.

· за допомогою програмного комплексу ANSYS проведено розрахунок раціональних параметрів і показано, що з погляду зниження матеріалоємності при збереженні необхідної інтенсивності перемішування більш доцільним є використання у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ лопатей з отворами прямокутної форми.

Удосконалено

раціональні параметри режимів технологічних процесів пластифікації кондитерських мас;

визначення інтенсивності перемішування та аерування кондитерської маси шляхом застосування статистичних методів.

Дістали подальший розвиток:

застосування методів математичного моделювання для вивчення тепломеханічних процесів у жирових кондитерських масах;

підхід щодо вивчення течії кондитерської маси у шнеколопатевій мішалці за допомогою програмного комплексу ANSYS.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що положення дисертаційної роботи доведені до конкретних рекомендацій щодо вдосконалення процесу пластифікації кондитерських мас. До результатів, які мають найбільше практичне значення, належать такі:

розроблено підходи, які дозволяють обґрунтовано обирати раціональні режими пластифікації кондитерських мас;

розроблено та затверджено ТУ У 29.5 - 2340124 - 003 - 2004 «Пластифікатор марки ВВ-ПМЛ» та за станом на листопад 2009 року розроблено Змінення №1 до вказаного ТУ, де внесено зміни, які отримано в результаті досліджень і спостережень за експлуатацією 20 випущених пластифікаторів;

результати дослідження, які отримано в дисертаційній роботі, впроваджено у практичну діяльність ТОВ «Фірма ВІ-ВА-ЛТД», АТ «Кондитерська фабрика «АВК», ТОВ НВП «УкрПромСоя».

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і результатів дисертаційної роботи обумовлюється: використанням сучасних методик фізичного і математичного моделювання; використанням сучасних експериментальних методів дослідження та обробки їх результатів; впровадженням результатів роботи і промисловою перевіркою при задовільній збіжності результатів теоретичних та експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача полягає в пошуку і аналізі інформації за темою дисертації, проведенні теоретичних і практичних досліджень, обробці отриманих даних. Автор розробив методику проведення наукових досліджень і сформулював моделі подрібнення кондитерських блоків у маслорізці, прогрівання брусків жиру зі змінними реологічними та геометричними характеристиками; брав участь в експериментальних дослідженнях із визначення оптимальних параметрів аерування кондитерської маси; брав участь у написанні програми для чисельного моделювання (комплекс ANSYS) течії кондитерської маси у змішувачі пластифікатора та розробці конструктивного рішення установки пластифікатора ВВ-ПМЛ з використанням її у промислових масштабах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень доповідалися, обговорювались і були схвалені на щорічних наукових конференціях за підсумками науково-дослідної роботи професорсько-викладацького складу ДонНУЕТ імені Михайла Туган-Барановського в 2007-2010 роках; «International conference on new research in food and tourism» (4-7 June 2008, Brasov, Romania); ІV Міжнародній НПК «Харчові технології - 2008» (ОНАХТ, 9-10 жовтня 2008 р., м. Одеса); «15th GBU-IC on Control, Development and Applied Informatics in Business and Economics» (10-12 November 2008, Brasov, Romania); І Міжнародній НПК «Прогресивні технології харчових виробництв, ресторанного та готельного господарства» (ПУСКУ, 23-24 квітня 2009 р., м. Полтава); VII Міжнародній НТК «Техніка й технологія харчових виробництв» (МДУП, 21-22 травня 2009 р., м. Могильов, Білорусь); «Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація й економіка» (ДонНУЕТ, 11-13 вересня 2009 р., м. Святогірськ).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей у спеціалізованих виданнях, 4 з яких є фаховими виданнями ВАК України; 9 тез доповідей і матеріалів конференцій; 1 технічні умови.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, основної частини з 5 розділів, висновків, списку використаної літератури і 4 додатків з технічними умовами, документами про впровадження і програмами комп'ютерного моделювання у програмному комплексі ANSYS. Загальний обсяг роботи 150 стор., рисунків 43, таблиць 11, список використаної літератури складається з 164 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено мету і задачі роботи, обґрунтовано її актуальність, охарактеризовано новизну і практичне значення отриманих результатів, відзначено зв'язок роботи з науковими програмами, зазначено особистий внесок автора та апробацію результатів роботи, наведено дані про публікації, структуру і обсяг роботи.

У першому розділі «Сучасний стан моделювання процесів пластифікації кондитерських мас» аналізуються питання дослідження процесів пластифікації кондитерських мас за допомогою методів математичного моделювання та науково-технічної інформації із особливостей сучасного обладнання кондитерських підприємств, на якому здійснюються ці процеси.

Проведено детальний аналіз робіт російських та українських (Аксьонова Л.М., Талейснік, М.А.Арет В.А., Носенко С.М., Чувахін С.В., Рогов Б.А., Корячкін В.П., Мачихин С.А., Мачихин Ю.А., Ніколаєв Б.Л., Остриков А.Н., Гуць В.С. і ін.) і закордонних (Marangoni A., Gunstone F., Dogan I.S., Widlak N., Johnston K.A., Braga A.L.) дослідників, присвячених процесам пластифікації кондитерських мас та визначення параметрів обладнання для здійснення цих процесів у кондитерському виробництві.

Розглянуто механізми процесів подрібнення, теплопереносу, перемішування і аерування, які відбуваються в процесі пластифікації кондитерських мас для їх підготовки у подальшому використанні в технологічному процесі та методи оцінювання якості напівфабрикату, що отримується.

Розглянуто переваги і недоліки сучасного обладнання, яке використовується для пластифікації кондитерських мас та відзначено, що пластифікатор ВВ-ПМЛ є одним з кращих серед них за параметрами «ціна-якість». Показано, що математичне моделювання є одним з найбільш надійних та ефективних шляхів вивчення процесу пластифікації кондитерських мас з метою його інтенсифікації та удосконалення обладнання, поставлено мету та завдання досліджень.

Розроблено структурно-логічну схему етапів досліджень для досягнення поставленої мети (рис. 1).

У другому розділі «Дослідження процесів пластифікації кондитерських мас на основі моделювання механічних і теплофізичних процесів у пластифікаторі ВВ-ПМЛ» дано математичний опис процесу, який відбувається у пластифікаторі ВВ-ПМЛ (рис.2) та визначено основні його параметри.

Завантаження блоків кондитерських напівфабрикатів починається зі столу 5 завантажувального пристрою 3 через хобот 4 у завантажувальний бункер маслорізки 1. Блок піднімається кареткою і скидається в завантажувальний бункер маслорізки, де розрізається на дрібніші бруски. Завантаження здійснюється порційно (спершу 4 блоки, тобто 80 кг, повторно 2-3 блоки, тобто 40-60 кг за кожен цикл). Подрібнена суміш потрапляє у змішувач 2, який представляє собою горизонтальну ємність з водяною сорочкою і двома паралельними шнеко-лопатевими мішалками, які обертаються одна назустріч одній. Всередині сорочки у нижній частині розміщено два ТЕНи, які забезпечують нагрівання в ній води. Температура води в сорочці за допомогою пристрою контролю температури підтримується постійною від 37 до 45 С. Вивантаження пластифікованої маси здійснюється через вивантажувальний патрубок.

У відповідності до описаного технологічного процесу на першому етапі побудовано модель руйнування кондитерських блоків у маслорізці.

Модель руйнування кондитерських блоків під дією динамічного навантаження у маслорізці пластифікатора ВВ-ПМЛ описується реологічною моделлю (рис.3), якій відповідає диференціальне рівняння

(1),

де - коефіцієнт інтенсивності релаксації; b, c- коефіцієнти жорсткості;

 - довжина блоку; S - площа перерізу блоку; - маса леза ножа маслорізки; з початковими умовами:

(2)

де - початкова швидкість маслорізки. Руйнування блоку жиру відбудеться, якщо виконується одна із умов (3):

(3)

де - коефіцієнт інтенсивності післядії; - корені характеристичного рівняння.

Із залежностей, графіки яких наведено на рис. 4, випливає, що напруження в продукті, яке відповідає внутрішній руйнації, значно менше за напруження , яке відповідає зовнішній руйнації, тому руйнування блоку жиру відбудеться приблизно через за рахунок внутрішньої руйнації.

Для розрахунку швидкості прогрівання окремого бруска жиру розв'язано нестаціонарну задачу теплопровідності, яка описується рівнянням (4)

,(4)

де а - коефіцієнт температуропровідності, ;

з умовою однозначності у вигляді початкової і граничної умов:

1) у початковий момент часу тіло має температуру

;(5)

2) прогрівання відбувається за конвективних граничних умов

,(6)

де - температура у бункері [K], - коефіцієнт тепловіддачі [Вт/м²К],  - коефіцієнт теплопровідності [Вт/(мК)].

Враховуючи залежність реологічних характеристик від температури (рис. 5), проведено чисельне моделювання процесу прогрівання бруска маргарину за допомогою програмного комплексу ANSYS. Розрахунки за цією моделлю та отримані результати дають можливість стверджувати, що при значеннях критерія Біо процес нагрівання бруска маргарину розмірами від 0,02 до 0,03 м дійсно визначається як внутрішнім, так і зовнішнім термічними опорами і не залежить від кута скошування паралелепіпеда.

У результаті проведення нестаціонарного аналізу отримано залежність розподілу температурного поля в тілі паралелепіпеда від часу. На рис. 6 наведено графік залежності зміни температури за часом у кутовій точці point. Графік залежності виходять на плато, що свідчить про перехід процесу прогрівання у стаціонарний процес через приблизно 3 хвилини, що добре узгоджується з експериментальними даними інших авторів.

Одержано ізолінії температурного поля у паралелепіпеді у будь-який момент часу прогрівання. Їх аналіз при кутах скошування паралелепіпеда ( показав, що процес нагрівання при заданих теплофізичних характеристиках не залежить від значення . Програмний комплекс ANSYS дає можливість отримати розподіл температури у тілі паралелепіпеду в будь-який момент часу, наприклад при 100 с (рис. 7).

У третьому розділі «Моделі процесів аерування кондитерських мас» було проведено математичне моделювання процесу аерування кондитерських мас. Показано, що потік маси пробиває великі бульбашки повітря, затянуті у кондитерську масу шнеколопатевою мішалкою (рис. 8), за умови , де - коефіцієнт поверхневого натягу повітря на границі з кондитерською масою; - густина маси, ; - швидкість потоку, ; - коефіцієнт, значення якого для кулі приблизно дорівнює 0,1.

Оскільки максимальна швидкість потоку перевищує критичну, то потік розбиває початкову бульбашку радіуса на бульбашок, при цьому виконується умова (7).

. (7)

Показано, що при температурі водяної сорочки 42 С повітря рівномірно розподіляється у жировій масі і відбувається аерування кондитерського жиру. При температурі води у сорочці до 37С не забезпечується необхідна рухомість жирової маси і знижується рівномірність розподілу повітря у жирі.

Для визначення якості перемішування знаходили відносні концентрації повітряної компоненти в довільно вибраних точках змішувача при паралельних випробуваннях ( - номер точки, у якій досліджується процес, , - номер випробування, ). Диференціальне рівняння для вибірки із проб, взятих в довільно вибраних точках змішувача при паралельних випробуваннях у кожній точці має вигляд:

(8)

Здійснивши перехід від концентрації повітряної компоненти до її вибіркової дисперсії, яка характеризує якість аерування кондитерської маси, записали відповідне диференціальне рівняння

,(9)

де - дисперсія сегрегації.

При достатньо великих значеннях часу досягається гранична якість суміші , коли процес аерування знаходиться у динамічній рівновазі.

Припустили, що між дисперсією процесу розподілення і сегрегації існує лінійний зв'язок, в результаті отримали залежність вибіркової дисперсії концентрації повітряної компоненти кондитерської маси від часу (10).

Для ідентифікації і перевірки математичної моделі було поставлено серію паралельних дослідів з перемішування жирових мас у двовалковому шнеколопатевому змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ. Експериментальні і розраховані за моделлю (10) криві наведено на рис. 9 і 10.

.(10)

Як слідує з рисунків 9 і 10, результати математичного моделювання задовільно узгоджуються з експериментальними даними.

Провівши аналіз параметрів процесу аерування кондитерської маси, визначили основні фактори, що найсуттєвіше впливають на неї, тобто температура водяної сорочки і час вимішування.

Побудували регресійну модель процесу аерування на основі статистичного аналізу експериментальних даних, яка дає змогу прогнозувати вихідні показники якості за різних значень керуючих факторів:

(11)

де u і v - кодовані значення факторів часу вимішування і температури водяної сорочки відповідно (- концентрація повітряної компоненти, ).

На основі аналізу отриманого рівняння регресії (рис. 11) з'ясовано, що концентрація повітряної компоненти у жировій масі більш суттєво залежить від часу, ніж від температури, оптимальними характеристиками процесу аерування досліджуваного кондитерського жиру є: час вимішування - від 570 до 600 с; температура води у сорочці - від 39С до 40 С. У четвертому розділі «Комп'ютерне моделювання течії кондитерських мас у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ» наведено результати досліджень впливу конструкції змішувача на характер течії кондитерських мас.

На цьому етапі досліджень спочатку було вивчено частоти та форми власних коливань лопаті пластифікатора ВВ-ПМЛ, яка жорстко закріплена на валу.

Чисельне моделювання за допомогою програмного комплексу ANSYS показало, що рух лопаті пластифікатора ВВ-ПМЛ є динамічно стійким. Перші власні частоти коливань лопаті 19,11 Гц, 118.01 Гц, 123,68 Гц, 177,32 Гц значно відрізняються від частоти обертання вала 2,92 Гц.

Власні коливання лопаті пластифікатора є згинально-повздовжніми коливаннями, при яких одночасно відбуваються деформації згинання та стискання-розтягання. Але оскільки максимальні абсолютні значення переміщень UX, UZ значно менші UY, то в головному наближенні їх можна вважати поперечними коливаннями, які визначаються згинною жорсткістю лопаті.

Тобто можна вважати, що у головному наближенні власні коливання лопаті пластифікатора визначаються деформаціями згинання і описуються функцією (12)

,(12)

де довільні сталі визначаються з крайових умов, тобто з умов закріплення кінців стрижня.

За допомогою програмного комплексу ANSYS виконано чисельне моделювання процесу течії кондитерських мас у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ, лопаті мішалок якого розгорнуті відносно осі валу на кути 30, 45 та 60.

Отримано візуальні траєкторії руху частинок кондитерської маси у змішувачі та їх швидкості (рис. 12). Перемішування відбувається значно інтенсивніше при куті нахилу лопаті до осі валу 60.

Отримано візуальний розподіл швидкостей при відсутності та наявності отворів у лопаті змішувача. З аналізу результатів випливає, що наявність отворів значно підсилює завихрювання течії кондитерської маси і підвищує інтенсивність перемішування. Визначено загальну оптимальну площу отворів у лопатях змішувача, яка становить близько 30 % від площі.

Розв'язано задачу визначення оптимальних розмірів отворів та їх геометричної форми за допомогою методів математичного програмування. При збереженні необхідної інтенсивності перемішування більш доцільним є використання у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ лопатей з отворами прямокутної форми.

У п'ятому розділі «Практична реалізація результатів досліджень» розроблено вимоги з модернізації обладнання і запропоновано конструктивні і технологічні рішення щодо вдосконалення пластифікатора ВВ-ПМЛ на основі розроблених математичних моделей.

Визначено очікувану економічну ефективність від впровадження результатів досліджень. Впровадження результатів досліджень процесів пластифікації у пластифікаторі ВВ-ПМЛ на кондитерських підприємствах АТ «Кондитерська фабрика «АВК», ТОВ НВП «УкрПромСоя» дозволить одержати економічний ефект 329,4 тис. грн., і на машинобудівному підприємстві ТОВ «Фірма ВІВА-ЛТД» - 44,7 тис. грн. за перший рік.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз стану питання пластифікації кондитерських мас, огляд існуючих конструкцій обладнання для пластифікації і огляд науково-технічної інформації за темою досліджень підтвердили актуальність теми та довели необхідність у зв'язку зі складністю експериментального дослідження процесів, що проходять у маслорізці і змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ, у якості методу дослідження використати метод математичного моделювання.

2. Запропоновано реологічну модель руйнування блоків кондитерських напівфабрикатів під дією динамічного навантаження у маслорізці пластифікатора ВВ-ПМЛ у вигляді диференціального рівняння За цією моделлю одержано розрахункові залежності для напружень і деформацій та умови руйнування

,

які дозволяють визначити конструктивні характеристики механічного обладнання та параметри процесу руйнуванням кондитерських блоків.

3. Запропоновано нестаціонарну модель механізму прогрівання кондитерських мас з реологічними параметрами, залежними від температури, та показано, що при значеннях критерія Біо процес прогрівання бруска маргарину розмірами від 0,02 до 0,03 м визначається як внутрішнім, так і зовнішнім термічними опорами.

4. Аналіз чисельних результатів розв'язування нестаціонарної задачі теплопровідності зі змінними теплофізичними параметрами для різних кутів скошування бруска маргарину ( показав, що процес прогрівання бруска розмірами не залежить від кута скошування. Установлено, що процес прогрівання маргарину через 180 секунд наближається до стаціонарного.

5. Побудовано модель процесу аерування кондитерських мас. На основі статистичної моделі установлено, що найбільш інтенсивно відбувається процес аерування протягом перших двох хвилин, коли дисперсія концентрації повітряної компоненти зменшується на 75 - 82 %. Починаючи з п'ятої хвилини для маргарину і з восьмої для кондитерського жиру ефективність аерування значно зменшується і становить 1,1 - 0,5 % та 1,3 - 3,4 % відповідно.

6. Побудовано регресійну модель процесу аерування на основі статистичного аналізу експериментальних даних, яка дає змогу прогнозувати вихідні показники за різних значень керуючих факторів. Із отриманого рівняння регресії з'ясовано, що концентрація повітряної компоненти у кондитерській масі більш суттєво залежить від часу, ніж від температури, оптимальними характеристиками процесу аерування для даного кондитерського жиру є: час вимішування - від 570 до 600 с; температура води у сорочці - від 39 до 40 С.

7. За допомогою чисельного моделювання показано, що рух лопаті пластифікатора ВВ-ПМЛ є динамічно стійким, так як власні частоти коливань лопаті 19,11 Гц, 118,01 Гц, 123,68 Гц, 177,32 Гц значно відрізняються від частоти обертання вала 2,92 Гц. Власні коливання лопаті пластифікатора є згинально-повздовжніми коливаннями. В головному наближенні їх можна вважати поперечними коливаннями, які визначаються згинною жорсткістю лопаті, так як компоненти переміщення перпендикулярні площині лопаті UY значно перевищують компоненти переміщень у площині лопаті UX, UZ.

8. Виконано чисельне моделювання процесу течії кондитерських мас у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ, лопаті мішалок якого розгорнуті відносно осі валу на кути 30, 45 та 60. Отримано траєкторії руху частинок кондитерської маси у змішувачі та їх швидкості. Чисельний аналіз показує, що перемішування відбувається значно інтенсивніше при куті нахилу лопатей змішувача до осі валу 60.

9. Отримано розподіл швидкостей при відсутності та наявності отворів у лопаті змішувача. З чисельного аналізу результатів слідує, що наявність отворів значно підсилює завихрювання течії кондитерської маси і підвищує інтенсивність перемішування.

10. За допомогою розв'язання оптимізаційної задачі визначено, що оптимальною є прямокутна форма отворів у лопатях змішувача, а площа отворів повинна становити близько 30% від загальної площі лопаті.

11. Розроблено та затверджено ТУ У 29.5 - 2340124 - 003 - 2004 «Пластифікатор марки ВВ-ПМЛ» та за станом на листопад 2009 року розроблено Змінення №1 до вказаного ТУ, де внесено зміни, які отримано в результаті спостережень за експлуатацією 20 випущених і експлуатованих пластифікаторів. Запропоновані технологічні та конструктивні параметри змішувача ВВ-ПМЛ пройшли апробацію та впровадження у виробництво на підприємствах харчової промисловості ТОВ «Фірма ВІ-ВА-ЛТД», АТ «Кондитерська фабрика «АВК», ТОВ НВП «УкрПромСоя», на які є акти впровадження.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Лавріненко, Н.М. Моделювання процесів нагрівання маргарину при його пластифікації / Н.М. Лавріненко, В.О Сукманов, В.А Хомічук, О.І. Бескровний // Обладнання та технології харчових виробництв: темат. зб. наук. пр.-Донецьк: ДонНУЕТ, 2008. - Вип. 18. - С. 44-54.

2. Лавріненко, Н.М. Моделювання процесу аерування жирової маси у пластифікаторі ВВ-ПМЛ / Н.М. Лавріненко, О.І. Бескровний // Наукові праці Одеської національної академії харчових технологій. Міністерство освіти і науки України. - Одеса: 2008. - Вип. 33 .- С. 109-114.

3. Lavrinenko, N. Simulation of the transient heat transfer process in margarine under its plastification / N. Lavrinenko, О. Beskrovnyy // New Research in Food and Tourism, 2008.-vol. 1, J. of Agritourism. Bulletin of Agri-ecology, Agri-food, Bioengineering and Agritourism. - Transilvania University of Brashov, Romania, 2008. - P. 444 - 449.

4. Lavrinenko, N. Mathematical Modelling of Fat Blocks' Breakdown under Dynamic Load in the Plasticizer's Oil-Cutting Machine VV-PML. / N. Lavrinenko, О. Beskrovnyy // Economic Debates, 2008. - 8 Ani, nr.11 - Editura Ecran Magazin, Brasov, Romania. - P. 1-7.

5. Лавріненко, Н.М. Обгрунтування раціональних режимів аерування жирової маси у пластифікаторі ВВ-ПМЛ / Н.М. Лавріненко, В.А. Хомічук, О.І. Бескровний, О.М. Горін // Обладнання та технології харчових виробництв: темат. зб. наук. пр.. -Донецьк: ДонНУЕТ, 2009. - Вип. 20. - С. 118-125.

6. Лавріненко, Н.М. Комп'ютерне моделювання течії жирової маси у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ / Н.М. Лавріненко, О.І. Бескровний // Обладнання та технології харчових виробництв: темат. зб. наук. пр. - Донецьк: ДонНУЕТ, 2009. - Вип. 22. - С. 254-262.

7. Lavrinenko, N. Optimization procedure for determination of the fat consistency quality in the VV-PML plasticizer / N. Lavrinenko, O. Beskrovnyi // Journal of EcoAgroTourism. - 2009. - Vol 5. - no. 3. - Transilvania University of Brashov, Romania, 2009. - P. 66-73.

Тези і матеріали наукових конференцій

8. Лавріненко, Н.М. Експериментальні дослідження з визначення техніко-експлуатаційних характеристик пластифікатора ВВ-ПМЛ / Н.М. Лавріненко, В.О.Сукманов, В.А. Хомічук, О.І.Бескровний // Наукові дослідження - теорія та експеримент 2008: Четв. міжн. наук.-пр. конф., м. Полтава, 19-21 травня 2008 р.: - Полтава: «ІнтерГрафіка», 2008. - Т.8. - С31-35.

9. Лавріненко, Н.М. Математичне моделювання руйнування блоків жиру у маслорізці / Н.М. Лавріненко, О.І. Бескровний // Научно пространство на Европа: 4-а междунар. научна практ. конф. 15-30 Април 2008. - София: «Бял ГРАД - БГ» ООД,.2008. - Том 28. - С. 77 - 81.

10. Lavrinenko, N. Mathematical Modelling of Fat Blocks' Breakdown under Dynamic Load in the Plasticizer's Oil-Cutting Machine VV-PML / N. Lavrinenko, О. Beskrovnyy // Proceedings of the 15th GBU-IC on Control, Development and Applied Informatics in Business and Economics, Brasov, Romania, November 10-12, 2008 - “Editura Didactica si Pedagogica“ Publishing House, Bucharest, Romania - P. 371-375.

11. Лавріненко, Н.М. Комп'ютерне моделювання процесу прогрівання маргарину при його пластифікації / Н.М. Лавріненко, В.О.Сукманов, В.А. Хомічук, О.І. Бескровний // Klicove aspekty vedeske cinnosti: IV Mezinarodni vedesko-praktika conf.. -Praha: Publ. House “Education and Science”, 15-31 ledna 2008. - s. 29-37.

12. Лавріненко, Н.М. Статистична модель процесу аерування жирової маси у пластифікаторі ВВ-ПМЛ / Н.М. Лавріненко, В.А. Хомічук, О.І. Бескровний // Vedesky prumysl evropskeho kontinentu-2008: IV Mezinarodni vedesko-praktika conf. - Praha: Publ. House “Education and Science”, 2008. - s. 65-73.

13. Лавріненко, Н.М. Оптимізаційні дослідження якості пластифікованої жирової маси / Н.М. Лавріненко, О.І. Бескровний // Прогресивні технології харчових виробництв, ресторанного та готельного господарства: І Міжнар. наук.-практ. конф., присвяч. 35-річчю технолог. факультету , 23 - 24 квітня 2009 р. м. Полтава.- ПУСКУ, 2009.- С. 74-76.

14. Лавриненко, Н.М. Исследование качества пластифицированной жировой массы / Н.М. Лавриненко, В.А. Хомичук, А.И. Бескровный // Техника и технология пищевых производств: VІІ междунар. научно-техн. конф., 21-22 мая 2009г., Республика Беларусь, г. Могилев. - 2009. - С. 98-99.

15. Лавріненко, Н.М. Досліджування розподілу швидкості жирової маси у змішувачі пластифікатора ВВ-ПМЛ / Н.М. Лавріненко, В.А. Хомічук, О.І. Бескровний // Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка: Міжнар. наук.-техн. конф.: [тези доп]. - Донецьк: ДонНУЕТ, 2009. - С. 32-34.

16. Лавріненко, Н.М. Дослідження власних коливань лопаті на обертовому валу пластифікатора ВВ-ПМЛ / Н.М. Лавріненко, В.А. Хомічук, О.І. Бескровний // “Wyksztalcenie i nauka bez granic - 2009”. Vol 18. Matematyka: V Miezinarodowej nakowi-praktycznej conf.-Przmysl. Nauka i studia, 2009.- S. 27-39.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві:

У роботах [1, 3, 11] - автором особисто сформульовано моделі прогрівання блоків жиру зі змінними реологічними та геометричними характеристиками; автор брав у написанні програми для чисельного моделювання (комплекс ANSYS).

У роботі [2] - автор брав участь у обґрунтуванні теоретичних залежностей, підготовці матеріалів до публікації.

У роботах [4, 9, 10] - здобувачем особисто сформульовано моделі подрібнення блоків жиру у маслорізці, узагальнено результати досліджень.

У роботах [5, 12, 13, 14, 16] - особисто виконано математичне моделювання експериментальних даних та отримано теоретичну залежність впливу температури і часу вимішування на якість кондитерської маси, визначено їх оптимальні значення.

У роботах [6, 7, 15] - автор брав особисту участь у написанні програми для чисельного моделювання (комплекс ANSYS) течії кондитерської маси у змішувачі пластифікатора та розробці конструктивного рішення установки пластифікатора ВВ-ПМЛ з використанням її у промислових масштабах.

У роботі [8] - автором особисто розроблено методику проведення експериментальних досліджень, виконано обробку та аналіз отриманих результатів.

АНОТАЦІЯ

Бескровний О.І. Моделювання та вдосконалення процесу пластифікації кондитерських мас. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. - Донецький національний університет економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, Донецьк, 2010.

Дисертація присвячена вивченню процесу пластифікації кондитерських мас у пластифікаторі ВВ-ПМЛ шляхом математичного моделювання з використанням сучасних комп'ютерних технологій.

Запропоновано реологічну модель руйнування кондитерських блоків під дією динамічного навантаження у маслорізці пластифікатора ВВ-ПМЛ у вигляді диференціального рівняння. За цією моделлю одержано розрахункові залежності напружень від швидкості ударяючої маси, які дозволяють визначити конструктивні характеристики механічного обладнання та параметри процесів.

Запропоновано нестаціонарну модель механізму прогрівання кондитерських мас з реологічними параметрами, залежними від температури та показано, що процес прогрівання визначається як внутрішнім, так і зовнішнім термічними опорами.

Побудовано статистичну модель процесу аерування кондитерської маси, на основі якої установлено, що оптимальними характеристиками процесу аерування даного кондитерського жиру є: час вимішування - від 570 до 600 с; температура води у сорочці - від 39 до 40 С.

Методами чисельного моделювання показано: рух лопаті пластифікатора ВВ-ПМЛ є динамічно стійким; перемішування відбувається значно інтенсивніше при куті нахилу лопатей змішувача до осі валу 60 та наявності отворів. Визначено оптимальну форму отворів та їх площу у лопатях змішувача.

Розроблено та затверджено ТУ У 29.5 - 2340124 - 003 - 2004 «Пластифікатор марки ВВ-ПМЛ». Запропоновані технологічні та конструктивні параметри змішувача ВВ-ПМЛ пройшли апробацію та впровадження у виробництво на підприємствах харчової промисловості та машинобудування.

Ключові слова: математичне і чисельне моделювання, пластифікація, кондитерська маса, пластифікатор ВВ-ПМЛ, параметри процесу.

АННОТАЦИЯ

Бескровний А.И. Моделирование и усовершенствование процесса пластификации кондитерских масс. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. - Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского, Донецк, 2010.

Диссертация посвящена изучению процессов пластификации кондитерских масс в пластификаторе ВВ-ПМЛ путем математического моделирования с использованием современных компьютерных технологий.

Предложена реологическая модель разрушения кондитерских блоков под действием динамической нагрузки в маслорезке пластификатора ВВ-ПМЛ в виде дифференциального уравнения. По этой модели получены расчетные зависимости напряжений от скорости ударяющей массы, которые позволяют определить конструктивные характеристики механического оборудования и параметры процессов.

Предложенаа математическая модель механизма прогревания кондитерских масс с реологическими характеристиками, зависящими от температуры, в маслорезке пластификатора ВВ-ПМЛ и проведены компьютерные расчеты по этой модели. Анализ численных результатов решения нестационарной задачи теплопроводности при заданных геометрических и теплофизических параметрах, но разных углах скашивания параллелепипеда показал, что процесс нагревания бруска маргарина при заданных теплофизических характеристиках не зависит от угла скашивания. Установлено, что процесс прогревания маргарина через 180 секунд приближается к стационарному.

Построена статистическая модель процесса аэрирования кондитерских масс, на основе которой установлено, что более интенсивно происходит процесс аэрирования в течение первых двух минут, когда дисперсия концентрации воздушной компоненты уменьшается на 75 - 82 %, что хорошо согласовывается с экспериментальными данными. Посредством регрессионной модели выяснено, что оптимальными характеристиками процесса пластификации данного кондитерского жира является: время вымешивания - от 570 до 600 с; температура воды в рубашке - от 39 до 40С.

Методами численного моделирования показано: движение лопасти пластификатора ВВ-ПМЛ является динамически устойчивым; перемешивание происходит значительно интенсивнее при угле наклона лопастей смесителя к оси вала 60; наличие отверстий значительно усиливает завихривание течения жировой массы и повышает интенсивность перемешивания. Определена оптимальная форма отверстий в лопастях смесителя и их площадь, которая составляет около 30% от общей площади лопасти.

Разработано и утверждено ТУ В 29.5 - 2340124 - 003 - 2004 «Пластификатор марки ВВ-ПМЛ. Предложенные технологические и конструктивные параметры» смесителя ВВ-ПМЛ прошли апробацию и внедрение в производство на предприятиях пищевой промышленности и машиностроения.

Общий ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследований предположительно составит 374,1 тыс. грн. в год.

Ключевые слова: математическое и численное моделирование, пластификация, кондитерская масса, пластификатор ВВ-ПМЛ, параметры процесса.

ANNOTATION

Beskrovnyi O.I. Simulation and improvement of confectionery mass plastification processes.- Manuscript.

Dissertation for a scientific degree of Cand. Tech. Sci. on speciality 05.18.12 - Processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical productions. - Donetsk National University of Economics and Trade named after M. Tugan-Baranovsky, Donetsk, 2010.

This dissertation deals with an investigation of confectionery mass plastification processes in a VV-PML plasticizer through mathematical modelling and with the use of advanced computer technologies.

A rheological model of fat blocks' ruptuke under dynamic load in the butter cutter of the VV-PML plasticizer in the form of differential equation has been proposed. Under this model design parameters of stress dependence from the speed of the striking mass have been calculated, which allow to determine design charectiristics of mechanical equipment and process parameters.

A mathematical model for the mechanism of fat heating with rheological charecteristics that depend on the temperature has been developed. The analysis of numerical results obtained from solution of a transient heat transfer problem has shown that the heating-up process dependі on internal as well external thermal resistance.

A statistical model for the aeration process of the confectionery mass has been built. On the basis of this model it has been found that the aeration process occurrs most intensively during the first two minutes when the dispersion of air component concentration drops by 75 - 82 %., that complies well with experimental data. With the aid of the built regression model it has been discovered that the most optimal characteristics of plasticization process of this confectionery fat are the following: mixing time - from 570 to 600 seconds; water temperature in the jacket - from 39 to 40С.

By the method of numerical modelling using the ANSYS program it has been shown that the motion of VV-PML plasticizer blade is dynamically stable; that the agitation occurrs more intensively at the inclination angle of mixer blades to the axis shaft of 60 and the presence of holes (30 % from the blade area).

Technical specifications У 29.5 - 2340124 - 003 - 2004 «VV-PML branded plasticizer» have been developed and approved. The proposed processing and design parameters of the VV-PML mixer have been successfully tested and implemented into production in food and machine-building industry.

Keywords: mathematical and numerical modelling (simulation), plasticization, confectionery mass, VV-PML plasticizer, process parameters.

Размещено на Allbest.ru

...