; (2)

Модель замикається матеріальним балансом [(GB + GY ) w3 = GB wB1 + GY wY1] струменного апарату, функцією коефіцієнта інжекції апарату [u = GY / GB = f(PB, PY)] і відносною втратою кінетичної енергії на удар при змішуванні потоків.

У співвідношеннях (2) під d1 і d2, відповідно, внутрішній і зовнішній діаметри циліндричного струмка, які контактують із потоком вуглекислоти. Таким чином, навіть при спрощенні завдання отримана система нелінійних диференціальних рівнянь у частинних похідних другого порядку.

Аналіз модифікованого рівняння Нав'є - Стокса (1), яке враховує специфіку гідродинаміки розвиненого турбулентного двофазного потоку в струменному апараті, методами теорії подібності показало, що крім традиційних чисел Рейнольдса (Re) і Ейлера (Eu), необхідно використовувати ще й число Вебера (We=(с·w²·l)/у). Це число характеризує вплив сил поверхневого натягу. При дослідженні задач масообміну прийнято вплив теплофізичних властивостей потоку враховувати числом Шмідта (Sc), а із граничних умов (2) одержують число Шервуда (Sh). Тоді рівняння в узагальнених змінних має вид:

Sh = A (Eu)^b (Re)ⁿ (Sc)^m (We)^к (3)

Доцільно використовувати число масообміну Стантона (St_m), що дає:

St_m = A (Re)^a (Eu)^b (We)^k (4)

Моделювання процесу мікробіологічної стабілізації вина грунтується на положенні, що мікроорганізми й харчові рідини мають різні діелектричні характеристики. Використовувати цей чинник намагались в багатьох дослідженнях з мікрохвильової пастеризації харчових продуктів. Але, у промислових пастеризаторах реалізувати цей фактор повною мірою не вдавалося. Пояснити причину можна так. Енергія, яка підводить до об'єму продукту, розсіюється, нагріваючи рідину, а ефективність виборчого енергопідводу різко знижується. Таким чином загальний принцип пастеризації зберігався: енергія витрачалась на нагрівання продукту, а вже від продукту передавалась до мікроорганізму.

Науково-технічна ідея роботи в тому, що, ставиться завдання реалізації паралельного підведення енергії до продукту Q_П і до мікроорганізму Q_М. Енергетичний ККД буде зростати при зниженні частки Q_П і підвищенні частки Q_М. Практична реалізація ідеї низькотемпературної пастеризації базується на такій гіпотезі: чим меншою буде товщина шару продукту, тим простіше можна реалізувати принцип селективного енергопідводу. Таким чином передумовами реалізації такого підходу є певна гідродинамічна ситуація в пастеризаторі. Продукт повинен рухатися у вигляді тонкої плівки. Якщо брати до уваги тільки один фактор, що визначає летальність мікроорганізмів - температурний, то поставлене завдання стає сугубо тепловим. Але розрахувати температуру окремого мікроорганізму за часом в умовах руху потоку завдання поки не розв'язуване. Загальноприйнятим способом одержання структури рівняння в узагальнених змінних для розрахунку сполучених задач гідравліки й теплопереносу є метод аналізу розмірністей. Застосування цих методів у дослідженні задач пастеризації не відомо.

У загальному випадку, вплив на летальність мікроорганізму мають діаметр каналу d, густина і в'язкість потоку , швидкість його руху w. Група цих параметрів характеризує інерційні властивості потоку, гідродинамічну ситуацію в потоці, формування приграничного шару. Величина енергетичних витрат представляється пропорційною енергії випромінювання й тій енергії, яка необхідна для паротворення. Тобто величинам питомої теплоти паротворення r і потужності поля N_е. Усі 10 параметрів виражаються за допомогою тільки 3 розмірних одиниць. Згідно р- теореми зв'язок між цими параметрами може бути встановлено у вигляді 7 безрозмірних комплексів. Виходячи із цих положень, отримано:

(5)

Комплекс р₂ = В є чинником виживання ? технологічним параметром, який визначає якісні характеристики процесу пастеризації. Це безрозмірне число мікроорганізмів, що виражає співвідношення числа загиблих до їхньої загальної кількості. Комплекс р₁ - це число Рейнольдса, р₄ - число Фур'є, а р₅ - число Прандтля. Вплив мікрохвильового поля враховується комбінацією: ₇ (₁₆)^-1 = N ( r w d² )^-1 = Bu. Чим ближче число Bu до 1, тим більше енергії витрачається на нагрівання продукту, тим більше температура пастеризації, тем менше прояв селективного енергопідводу, тим більше наближення до традиційної пастеризації.

Таким чином, одержуємо модель у вигляді зв'язку чисел подібності: В = A (Re)ⁿ(Fo) ^m(Pr) ^k (Bu) ^g( l/d) ^q . Для умов аналізованої задачі можна знехтувати параметричним комплексом (l/d), який є мірою турбулізації гідродинамічного приграничного шару вхідної зони й характерний для коротких каналів. Остаточно, структура рівняння в узагальнених змінних буде:

В = A (Re)ⁿ (Pr) ^k (Fo)^m (Bu) ^g (6)

Константи A, n, k, g визначаються експериментально. Для випадку В = 1 визначення часу летальності може проводиться за спрощеною моделлю:

Fo = A (Re)ⁿ (Pr) ^k (Bu) ^g (7)

Модель (7) відповідає умовам повної пастеризації. Запропонований підхід дозволить узагальнити численні експериментальні дані та побудувати методики розрахунку низькотемпературних пастеризаторів харчових продуктів.

У третьому розділі «Енергетичний моніторинг виробництва» проведена класифікація енергоємного обладнання підприємств вторинного виноробства і запропоновані загальні шляхи скорочення витрат енергії. Показано, що ефективна система енергомоніторингу передбачає після реалізації й впровадженні кожного етапу програми початок нового циклу досліджень. Такий підхід дозволяє оперативно вносити корисні коректування. Ілюструвався підхід на прикладі енергомоніторингу на ЗАТ "Одессавинпром". На першому етапі формуються питомі показники, що показують скільки витрачено відповідного ресурсу на випуск одиниці продукції. Для підприємства виноробства витрати ресурсів нормуються 1л вина. Інтерес представляють 4 показники. Це ефективність використання палива j_Т [(МДж/л) ], електроенергії j_Э [кВт·год/л], пари j_П та води j_В [м³/л].

Ключовим моментом такого підходу є порівняння поточного показника j_П з досягнутим рівнем j_Пд. Якщо різниця позитивна, то система функціонує гірше, ніж вже досягнута практика. Тому слід провести аналіз, виявити причину й прийняти рішення щодо ліквідації перевитрати пари. Якщо різниця негативна, то проводиться аналіз як досягнуто найкращий результат і формується нове значення параметру j_Пд. Основна ідея методики оцінки витрати теплоти на технологічні потреби і на опалення полягає в тому, що на першому етапі проводиться розрахунок питомих витрат енергії на технологічні потреби (j_ТТ) для тих місяців, коли опалення не функціонує. Використовуючи отримані середні значення j_ТТ визначимо витрату теплової енергії на технологічні завдання Q_і^Т. Витрати теплової енергії на опалення визначимо як різницю між сумарними й технологічними витратами. На наступному етапі, проведемо порівняльний аналіз помісячної витрати теплової енергії на технологічні потреби й на опалення підприємства.

Видно, що питомі витрати теплоти на технологічні потреби знижуються на 12…15 % у рік. Для досліджень термічного стану обладнання використана розрахунково-експериментальна методика, алгоритм якої включає етапи: вимір температур поверхні (t_c) і повітря в приміщенні (t_п), вимір відповідної площі поверхні (F), розрахунки з загальноприйнятими методиками коефіцієнтів тепловіддачі (б).

В результаті знаходять від усіх поверхонь обладнання значення величини теплових втрат: Q= б (t_с - t_п)·F. Деякі результати енергетичного аудита представлені на рис. 2. Дані енергетичного аудиту свідчать, що, незважаючи на те, що частка спожитої електроенергії в енергетичному еквіваленті менше, ніж теплової, але обходиться підприємству цей ресурс дорожче. Структура витрат енергоносіїв протягом останніх 3 років відрізняється не більш, ніж на 2 %.

Аналогічний метод використаний для оцінки теплового стану стін будівель цеху. Заходи щодо вдосконалення теплової ізоляції будівель дозволять знизити коефіцієнт теплопередачі до 0,8 Вт/(м²•К), що знизить теплові втрати через стіни будівель в 2,5 рази. Тому, реальним завданням є досягнення рівня витрат теплоти на опалення (360 … 375) МДж/(м² рік). Теплова ізоляція поверхонь обладнання, арматури та паропроводів до нормативних значень дозволить знизити теплові втрати в навколишнє середовище до 2,8 разів.

У четвертому розділі «Експериментальні дослідження процесу пастеризації вина в електромагнітному полі» наведені результати експериментального моделювання процесів мікробіологічної стабілізації вина в МП. Задачами експериментальних досліджень було вивчити вплив режимних та конструктивних факторів на рівень летальності дріжджових кліток у шампанському виноматеріалі. В результаті експериментів слід було підтвердити (або спростувати) запропоноване наукове положення про можливість зниження температури загибелі мікроорганізмів при певній комбінації параметрів мікрохвильового поля, гідродинаміки потоку продукту й конструктивних характеристик модуля пастеризатора. Вперше ставиться задача дати універсальну модель у критериальній формі для розрахунків пастеризатора.

Дослідження процесу пастеризації проводилися на двох стендах (№ 1 та № 2). Перший - містив термостат, усередині якого розміщався продукт. Вимір поточної температури проводився хром-капелевою термопарою в комплекті із цифровим мікровольтметром РТ- 0193. Другий стенд містив камеру, у якій розміщався модуль пастеризатора, блок силової електроніки, блок керування. Витрати продукту визначалися ваговим методом. На виході з камери всередині зливального трубопроводу розміщалася мідь-константанова термопара, показання якої реєструвалося цифровим мікровольтметром Щ-300. Система забезпечувала вимір температури з точністю не нижче 0,2 ⁰С. Середньоквадратична похибка експерименту не перевищувала 7,5 %. Робочі ділянки виготовлялися двох типів - із профільованими каналами й із щілинними каналами (рис. 3). Гідравлічні випробування конструкцій проведені в діапазоні тисків: 0,2 ? ДР ? 2 кПа і витрат продукту 0,1 ? V•10³ ? 10 л/с. Установлено, що конструкції із профільованими каналами мали більший гідравлічний опір. Тому, перевага віддана касетам із щілинними каналами (табл. 1). Стійкі гідравлічні характеристики отримані на касетах із щілинними каналами при проміжку між швами 30…40 мм.

На стенді № 1 встановлено, що летальна температура рівнялась 58…60 ^°С. Ці результати добре узгоджуються з літературними даними.

Для жорсткості умов роботи модулів - пастеризаторів співвідношення дріжджового розчину й виноматеріалу становило 1/4 … 1/2. Діапазон експериментальних досліджень наведений у табл. 2. Під летальною температурою була температура продукту на виході з камери з МП.

На першому етапі поставлені дослідження з впливу напрямку руху потоку. Дослідження проводилися на стенді № 2. Встановлено, що кращий результат досягається при подачі потоку "знизу - вверх". Всі подальші досліди проводилися за цією схемою руху.

Зазор між пластинами формує тонкоплівкову течію продукту в модулі. Щоб чітко виявити вплив величини зазору, у всіх дослідах цієї серії постійними залишалися: витрата продукту, його температура на вході, потужність МП й розташування касети. Змінювалися тільки типи касет (Р1, Р2 і Р5).

Ступінь впливу зазору зростає в міру його зменшення. Так, зменшення зазору в 10 раз (з 2 до 0,2 мм) знизило рівень летальної температури на 10 ⁰С, тобто 5,5 єС/мм, а перехід до зазору від 0,2 мм до 0,1 мм дав значення -60 єС/мм (рис. 4).

Витрати, або швидкість течії рідини в модулі, можуть виявляти неоднозначний вплив на величину летальної температури.

З одного боку, з ростом швидкості руху потоку всередині касети збільшується перемішування шарів рідини, що призводить до відновлення поверхневого шару, до переміщення дріжджових кліток до поверхні, яка інтенсивно обробляється МП. Однак, з іншого боку, ріст швидкості течії обумовлює зниження часу впливу МП на об'єм рідини, і, як наслідок, на ступінь обробки потоку. Зменшується загальна кількість енергії, яка підводиться до продукту. Очевидно, існування наукового протиріччя: що суттєвіше впливає - фактор перемішування потоку, або фактор часу?

Відповідь на це питання було основною задачею досліджень наступної серії. Висновок на всіх випробуваних конструкціях у діапазоні режимних параметрів виявився однозначним. Основний вплив виявляє фактор часу.

Досліджено вплив на мікроорганізми й параметрів МП. При цьому, змінювалась циклічність подачі МП в камеру.

Дослідження проводилися на касеті Р2 при витраті виноматеріалу 0,22 мл/с. Безперервний вплив на потік продукту імпульсним МП дає кращі результати. Проведене порівняння між модулем М1 і касетою КЩ4. Витрати продукту при порівнянні в дослідженнях підтримувалися однаковими (0,3 мл/с). Результати досліджень свідчать, що процес стабілізації в модулі М1 проходить при менших значеннях летальної температури. Пояснити цей факт можна, тільки одним аргументом - у модулі М1 в 3 рази більше час його обробки.

Дослідження показали, що в розроблених конструкціях модулів і діапазоні режимних параметрів, число Рейнольдса не має впливу на характеристики процесів стабілізації. Рівень швидкостей потоку, діапазон швидкостей свідчать, що режими течії обмежуються стійкими ламінарними границями. Очевидно, формування тонко плівкової ламінарної течії між пластинами касети не створює передумов перемішування потоку. Гідродинамічна ситуація в щілинних каналах касет підкоряється принципам мікропереносу. Логічно в таких умовах спробувати спростити завдання й виключити число Рейнольдса з рівняння (7). Наступним кроком спрощення задачі є такі міркування. При безперервному режимі роботи генератора МП число Вu не буде виявляти впливу на режими стабілізації виноматеріалу. При такому підході пошукова модель може бути представлена у вигляді залежності безрозмірної температури (И = Т_Л/Т_Б) від чисел Фур'є та Прандтля. За базову температуру прийняте значення Т_Б = 100 ^°С. У цій формі проведене узагальнення бази експериментальних даних, які відносяться до умов досягнення летальної температури.

Використовуючи відомі прийоми методу найменших квадратів визначаються константи критеріального рівняння.

И = 0,29 Fo^-0,15 Pr^0,43 (8)

Співвідношення (8) має бути використане для проектування та оптимізації мікрохвильових пастеризаторів.

У п'ятому розділі «Оптимізація режимів та впровадження результатів досліджень у виробництво» захищається стратегія формування програми підвищення енергетичної ефективності.

Основна концепція програми - сформувати етапи робіт з підвищення ефективності використання енергетичних ресурсів з максимальним залученням механізмів часткового самофінансування проектів. Реалізація такої стратегії вимагає чіткої класифікації проектів на мало-витратні (роботи 1- го етапу), проекти, що вимагають середніх за обсягом інвестицій (роботи 2 - го етапу). При цьому роботи першого етапу повинні мати мінімальний термін окупності.

Типовим завданням першого етапу є вдосконалювання характеристик теплової ізоляції. Модернізація та посилення теплоізоляційного шару діючого обладнання не тривіальна. Запропонована процедура розрахунково-експериментального методу техніко-економічної оцінки різних проектів з посилення теплової ізоляції (рис. 8). Для паропроводів характерна багатошарова циліндрична ізоляції, а втрати теплоти (Q) визначаються відповідними коефіцієнтами теплопровідності (л), довжиною (L) і температурами (t):

Результати теплотехнічних розрахунків дають можливість обчислити вартість ізоляції (Сі). Загальні витрати за проектом складаються з вартості робіт з реалізації проекту та суми (Ст), яка витрачається на ту кількість палива, що необхідно для компенсації втрат теплоти в навколишнє середовище. Мінімум загальних витрат (Сз) і визначить доцільну товщину шару теплової ізоляції.

Якщо на паропроводах установити теплову ізоляцію типу ПСБС товщиною 0,02 м, то річні витрати на компенсацію теплових втрат в навколишнє середовище будуть мінімальні й менше теперішних майже в 4 рази. При цьому, термін окупності робіт у межах 1 місяця. Результати розрахунків свідчать, що теплова ізоляція товщиною 60 мм окупиться при установці на паропроводах менш, ніж за один рік (рис. 9). Але виконані розрахунки не враховують ріст цін на природний газ. За самими скромними оцінками цей ріст становить 15 % у рік. Проведемо оцінку ефективності проектів з посилення теплової ізоляції ділянки паропроводів з урахуванням 15 % росту вартості палива за рік. У базовому варіанті (№ 1) модернізації не проводиться, наступні варіанти характеризуються збільшенням товщини шару ізоляції (варіант №2-0,02 м, варіант №3 - 0,04 м і варіант №4-0,06 м). Природно, ростуть капітальні витрати на реалізацію проектів у перший рік.

Розрахунки показують, що варіанти № 3 і № 4 на 4 році експлуатації паропроводів дадуть економію гарантовано більш, ніж в 10 раз. Якщо ріст цін на паливо буде рости суттєвіше, ніж на 15 % у рік (що більш ніж імовірно), то ефективність проектів стане ще вище. Так розрахунки товщини шару за алгоритмом виконані для всіх елементів системи.

У виробничих умовах проведені випробування струменного абсорбера. У всіх дослідженнях вино в накопичувачі витримували протягом 6 годин, після чого подавали на фасування і пастеризацію. Пляшка з охолодженим вином встановлювали на стенді для виміру десорбції вуглекислоти. За результатами досліджень розраховували середньоарифметичні значення об'ємів газу й за цими значеннями визначали криві десорбції. Крива 1 отримана при газуванні вина в акротофорі, крива 2 - відповідає технології насичення газом з використанням сатуратора, крива 3 - відноситься до комбінованої схеми насичення газом в сатураторі з наступною обробкою у гомогенізаторі. Порівняння проводиться з кривою 4, яка відповідає традиційній обробці виноматеріалу й одержанню шампанського вина резервуарним способом. Видно, що існує чітка різниця між "грою" зразків газованого вина й шампанського. Висновком є те, що запропоновані схеми дозволили вдвічі знизити інтенсивність десорбційних процесів, а гідродинамічні впливи є потужним фактором зміни якості й тривалості "гри" газованого вина.

У виробничих умовах проведені випробування експериментального модуля мікрохвильового пастеризатора, розрахунок якого проводився по крітеріальному рівнянню (8). Остаточні висновки по ефективності запропонованого способу мікробіологічної стабілізації підтверджене традиційним для виноробства мікробіологічним аналізом (табл. 3) і висновками дегустаційної комісії.

Таблиця 3