Обґрунтування параметрів та режимів роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора молока
Аналіз досліджень процесу і закономірностей руйнування жирових кульок при гомогенізації молока. Математичні залежності процесу протитечійно-струменевої гомогенізації молока. Конструкція промислового зразка протитечійно-струменевого гомогенізатора молока.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 14.09.2015 |
| Размер файла | 104,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЕКОНОМІКИ І ТОРГІВЛІ ІМЕНІ МИХАЙЛА ТУГАН-БАРАНОВСЬКОГО
УДК 637.134
ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ТА РЕЖИМІВ РОБОТИ ПРОТИТЕЧІЙНО-СТРУМЕНЕВОГО ГОМОГЕНІЗАТОРА МОЛОКА
Спеціальність 05.18.12 - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв
АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
САМОЙЧУК КИРИЛО ОЛЕГОВИЧ
Донецьк 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Таврійському державному агротехнологічному університеті Міністерства аграрної політики України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Гвоздєв Олександр Вікторович, Таврійський державний агротехнологічний університет, доцент кафедри обладнання переробних і харчових виробництв.
Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Некоз Олександр Іванович, Національний університет харчових технологій, професор кафедри матеріалознавство та технологія машинобудування;
- кандидат технічних наук, доцент Нужин Євген Валентинович, Одеська національна академія харчових технологій, доцент кафедри технологічного обладнання харчових виробництв.
Захист відбудеться "31" жовтня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.055.02 Національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського за адресою: 83055, м. Донецьк, пр. Театральний, 28, аудиторія 3231.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського за адресою: 83017, м. Донецьк, бул. Шевченка, 30.
Автореферат розісланий "30" вересня 2008 року.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Антропова Л.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Процес приготування однорідних за складом композицій з дисперсних матеріалів шляхом їх гомогенізації в апаратах різних типів широко використовується у молочній промисловості. Гомогенізоване молоко має низку переваг перед незбираним: поліпшені сенсорні та смакові якості, краще засвоєння та менші втрати молочного жиру тощо. Тому гомогенізація молока стала нормативним процесом у більшості сучасних технологічних схем виробництва молочних продуктів: питного стерилізованого та пастеризованого молока, кисломолочних продуктів, морозива, молочних консервів, сиру.
З середини ХХ століття у виробництві для гомогенізації переважно використовувались клапанні гомогенізатори. Незважаючи на їх очевидні недоліки (велике питоме споживання енергії - 6,5…7,6 кВт/т, значна вартість, інтенсивне спрацювання деталей), такі машини є найбільш розповсюдженими і на сучасних підприємствах. Подальше вдосконалення конструкції клапанних гомогенізаторів вичерпало себе і не призводить до суттєвого зменшення енерговитрат. Тому актуальним і важливим є необхідність ґрунтовного дослідження механізмів подрібнення жирової фази молока для розробки нових, більш ефективних способів гомогенізації з метою зменшення енергоємності процесу гомогенізації та збільшення ступеня диспергування молочного жиру. Найбільш перспективною в цьому сенсі є протитечійно-струменева гомогенізація, яка дає змогу отримати ступінь диспергування таку ж, як і в клапанних гомогенізаторах, при істотно менших енерговитратах.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота містить результати досліджень, виконаних автором у межах науково-дослідної роботи кафедри Обладнання переробних і харчових виробництв Таврійської державної агротехнічної академії відповідно до програми №1 науково-дослідних робіт на 2004 - 2008 роки "Розробка наукових основ систем технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки Південного регіону України" (підпрограма 1.6 "Розробка наукових систем технологій і технічних засобів для переробки сільськогосподарської продукції" державний реєстраційний номер 0102U000687) і спрямована на часткове вирішення науково-технічної проблеми з впровадження нової техніки в межах цільової комплексної програми "Національна програма розробки і виробництва технологічних комплексів машин і обладнання сільського господарства, харчової та переробної промисловості", затвердженої Кабінетом Міністрів України від 07.03.1996 р.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є зниження енергоємності процесу гомогенізації молока на основі дослідження процесу протитечійно-струменевої гомогенізації молока і створення пристрою для його реалізації та обґрунтування параметрів і режимів його роботи. Відповідно до поставленої мети були поставлені та вирішені такі задачі дослідження:
– провести аналіз досліджень процесу і закономірностей руйнування жирових кульок при гомогенізації молока;
– розробити математичні залежності процесу протитечійно-струменевої гомогенізації молока і виконати експериментальну перевірку їхньої достовірності;
– обґрунтувати вибір методу визначення якості гомогенізації молока;
– розробити рекомендації для розрахунку і обґрунтувати конструктивне рішення промислового зразка протитечійно-струменевого гомогенізатора молока;
– здійснити заходи щодо впровадження результатів дослідів у виробництво і оцінити техніко-економічну ефективність використання протитечійно-струменевої гомогенізації молока.
Об'єктом дослідження є процес протитечійно-струменевої гомогенізації молока. гомогенізатор молоко струменевий протитечійний
Предметом дослідження є технологічні, конструктивні та гідравлічні параметри протитечійно-струменевого гомогенізатора молока у взаємозв'язку з енергетичними та якісними показниками.
Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувались з використанням теоретичних та експериментальних методів дослідження із застосуванням сучасних вимірювальних приладів та обладнання. Аналітичні дослідження базувались на теорії процесів переносу у зустрічних струменях. Теоретичні залежності базувалися на класичних залежностях гідродинаміки. Експериментальні дані оброблювались за допомогою методів математичної статистики при використанні спеціально розробленого пристрою та персонального комп'ютера.
Наукова новизна одержаних результатів. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень протитечійно-струменевої гомогенізації молока вперше:
- досліджено процес диспергування жирової фази молока при протитечійно-струменевій гомогенізації та запропоновано визначати ступінь гомогенізації в залежності від модифікованого критерію Вебера;
- одержані математичні залежності процесу гомогенізації, які пов'язують модифікований критерій Вебера з основними технологічними, конструктивними і енергетичними параметрами протитечійно-струменевого гомогенізатора молока;
- запропоновано визначати якість гомогенізації молока одночасно за показниками дисперсності і стабільності жирової емульсії, для чого знайдені емпіричні коефіцієнти для коригування існуючих методів.
Практичне значення одержаних результатів:
- встановлені раціональні технологічні та конструктивні параметри і режими роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора молока;
- розроблено методику розрахунку протитечійно-струменевого гомогенізатора молока;
- розроблено промисловий зразок протитечійно-струменевого гомогенізатора молока, документацію на який передано до товариства з обмеженою відповідальністю "Продмаш" (м. Мелітополь Запорізької області) для впровадження у виробництво;
- проведені економічні розрахунки і здійснено впровадження у виробництво протитечійно-струменевого гомогенізатора на приватному підприємстві "Молокозавод-ОЛКОМ" (м. Мелітополь Запорізької області), що дозволило отримати прибуток 15 грн. на тону обробленого молока, досягти зниження питомих енерговитрат до 63% і експлуатаційних витрат до 50%;
- результати наукового дослідження та лабораторну установку використано в навчальному процесі Таврійського державного агротехнологічного університету (м. Мелітополь Запорізької обл.) при викладанні дисциплін "Технологічне обладнання переробних і харчових виробництв", "Механізація переробки та зберігання сільськогосподарської продукції".
На наукову розробку "Пристрій для гомогенізації" (заявка № 200806589 від 12.08.08) отримано висновок про видачу деклараційного патенту України на корисну модель.
Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто здійснено аналіз досліджень процесу і встановлені закономірності руйнування жирових кульок молока; удосконалений метод проведення і обробки результатів експериментальних досліджень; запропонована схема та конструктивне рішення пристрою для протитечійно-струменевої гомогенізації, проведено узагальнення та математична обробка отриманих результатів і здійснені заходи щодо їх впровадження у виробництво.
Разом з науковим керівником було здійснено постановку задач, виконані теоретичні дослідження та узагальнено їх результати, запропоновано уточнення методів визначення якості гомогенізації. У наукових працях, що виконані у співавторстві, здобувачеві належить огляд літературних джерел, підготовка та планування експериментів, обробка результатів. Основні положення дисертації та висновки сформульовані дисертантом особисто.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на міжнародній науково-практичній конференції "Стан і перспективи розвитку переробної галузі АПК" (Мелітополь-Кирилівка, 2005), V міжнародній науково-технічній конференції "Техника и технология пищевых производств" (Бєларусь, Могилев, 2005), І міжнародній науково-практичній конференції "Екотрофологія. Сучасні проблеми" (Біла Церква, 2005), ювілейній науково-практичній конференції ФГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия" (Росія, Зерноград, 2005), міжнародному науково-практичному форумі "Теорія і практика розвитку АПК" (Львів, 2006), науковій конференції викладачів і аспірантів Донецького державного університету економіки і торгівлі (Донецьк, 2007), а також на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ТДАТУ 2002 - 2008 рр.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 наукових статей у фахових виданнях, 4 тезиси доповідей на Міжнародних наукових конференціях, 1 деклараційний патент України на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та 6 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 169 сторінок. З них основна частина дисертації займає 123 сторінки друкованого тексту, де розміщено 25 рисунків та 15 таблиць. Бібліографічний список складається з 179 найменувань літературних джерел.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність вибраної теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про їх практичне впровадження.
У першому розділі "Стан питання і задачі дослідження" здійснено аналіз наукових робіт щодо механізмів диспергування жирової фази молока вчених Барановського Н.В., Вайткуса В.В., Грановського В.Я., Дітякіна Ю.Ф., Ліпатова М.Н., Нужина Є.В., Орешиної М.М., Фіалкової Є.О. та інш. Відмічена відсутність єдиної визначеної теорії гомогенізації, що пояснюється труднощами безпосереднього спостереження цього процесу через малі розміри жирових часток та високі швидкості їх руху і відсутності стандартної нормативної документації щодо визначення якості гомогенізації. Зроблено висновок, що на сучасному етапі є необхідним подальше дослідження механізмів подрібнення жирової фази молока для розробки нових, більш ефективних способів гомогенізації, з метою зменшення енергоємності процесу гомогенізації та збільшення ступеня диспергування молочного жиру. Узагальнення результатів досліджень гомогенізаторів з найвищим ступенем подрібнення жирової фази - клапанних і імпульсних, дало підставу стверджувати, що визначальна роль в цьому процесі належить різниці швидкості між жировою кулькою та оточуючою плазмою. З точки зору потенціалу збільшення цих швидкостей проаналізовано існуючі конструктивні рішення апаратів для гомогенізації і виділено як найбільш перспективні пристрої для протитечійно-струменевої гомогенізації. Відмічена відсутність теоретичного та експериментального обґрунтування параметрів таких пристроїв, через що необхідним і важливим є розробка й обґрунтування параметрів і режимів роботи пристрою для протитечійно-струменевої гомогенізації молока з метою зниження енергоємності процесу гомогенізації.
У другому розділі "Теоретичні дослідження протитечійно-струменевої гомогенізації молока" проведені аналітичні дослідження процесу протитечійно-струменевої гомогенізації і встановлені залежності між параметрами процесу та його якісними і енергетичними характеристиками.
Визначені сили, що діють на жирову кульку в потоці плазми. Їх докладний аналіз показав, що силами, здатними привести до руйнування часток жиру є сила інерції і сила опору з урахуванням сили, потрібної для розгону приєднаної до частки маси. При зіткненні двох потоків молока, які виходять з двох форсунок, жирові кульки, що рухаються у потоці молока у струмені дисперсійного середовища, продовжують рухатися у дисперсійній фазі зустрічного струменя (рис. 1). Протягом цього руху утворюється різниця швидкості між дисперсною та дисперсійною фазами, що є основним чинником руйнування жирової кульки. В результаті аналітичних досліджень для протитечійно-струменевої гомогенізації молока визнано доцільним характеризувати процес подрібнення жирової фази модифікованим критерієм Вебера,
, (1)
де - густина плазми молока, кг/м3;
- максимальний діаметр краплі, стійкої у даному потоці, м;
- поверхневий натяг на границі жир-плазма, Н/м.
При досягненні критичного значення критерію відбувається повне руйнування жирових кульок. Встановлена залежність для визначення ступеня гомогенізації протитечійно-струменевого гомогенізатора молока
, (2)
де - надлишковий тиск у форсунках гомогенізатора, Па;
- коефіцієнт швидкості форсунки;
- густина молочного жиру, кг/м3.
При перевищенні критерієм Вебера його критичного значення відбувається подальше подрібнення жирових кульок
, (3)
де k1 - коефіцієнт, що визначається експериментально.
Значення густини молока та плазми і поверхневого натягу на границі жир-плазма коливається у невеликих межах, тому останній вираз доцільно представити у вигляді
, (4)
де - коефіцієнт, що показує площу жирових кульок молока, яку спроможна зруйнувати прикладена до неї сила м2/Н.
Аналітично визначене значення коефіцієнта м2/Н.
Питомі енерговитрати на протитечійно-струменеву гомогенізацію , Дж/кг, визначаються з виразу
. (5)
Продуктивність гомогенізатора, що досліджується, при відстані між соплами форсунок визначається з формули
, (6)
а при буде зменшуватись за залежністю
, (7)
де - коефіцієнт витрат форсунки;
- діаметр сопел форсунок, м.
При розташуванні форсунок на відстані зменшується швидкість струменів у момент зіткнення, і модифікований критерій Вебера (і ступінь гомогенізації) дорівнює
, (8)
а при збільшенні відстані швидкість струменів у момент зіткнення також зменшується, тому відстань між соплами повинна обиратися з умови
. (9)
На рис. 2 графічно представлені основні залежності між параметрами протитечійно-струменевого гомогенізатора молока при умові .
Для забезпечення найбільшої ефективності (ступеня гомогенізації, не менше за максимальну для клапанних, =3…4) при найменших енерговитратах є необхідним виконання умови
. (10)
Рішення отриманого співвідношення дало змогу визначити, що оптимальними є форсунки () з конічними звужуючими насадками, з кутом конусності =45…500.
Аналітично визначено, що зменшення поверхневого натягу молочного жиру, , відбувається при підвищенні температури
. (11)
Отримано рівняння для визначення при розташуванні форсунок під кутом одна до одної
. (12)
Тобто найвищу ступінь гомогенізації має гомогенізатор зі співвісно розташованими форсунками, причому припустимим є відхилення на кут 3…50, адже ступінь гомогенізації зменшується при цьому незначно (до 1,0%).
Рис. 2. Залежності продуктивності протитечійно-струменевого гомогенізатора Q від модифікованого критерію Вебера Weп-с, надлишкового тиску Дp, питомих енерговитрат Eпит, ступеня гомогенізації Нm і діаметрів сопел форсунок dc.
Вплив основних факторів узагальнимо у виразах: якщо , то
, (13)
а при
. (14)
У третьому розділі "Програма та методика експериментальних досліджень" для експериментальної перевірки аналітичних досліджень описані методи дослідження, вимірювальні пристрої та обладнання. Розроблена програма експериментальних досліджень. Для вивчення процесу протитечійно-струменевої гомогенізації молока розроблено установку, представлену на рис. 3.
Визначені межі варіювання факторів протитечійно-струменевого гомогенізатора. Для дослідів використовували молоко за ГОСТ 2661-94. Вміст жиру визначався за ГОСТ 5867-90. Проаналізовано існуючі та обґрунтовано вибір методу визначення якості гомогенізації - метод прямого вимірювання під мікроскопом. Для збільшення ефективності вимірювання використовувалась цифрова камера, приєднана до оптичного мікроскопа. Це дозволило отримати зображення мікрофотографій жирових кульок на персональному комп'ютері для спрощення їх подальшого аналізу.
Стабільність жирової емульсії після гомогенізації визначали за показником відстоювання молочного жиру ч. Методами математичної статистики із застосуванням комп'ютерної програми Microsoft Office Excel 2003 здійснювався статистичний аналіз характеристик жирових кульок, перевірка на грубі промахи вимірювання, перевірка достовірності теоретичних залежностей. Результати вважались достовірними при значенні коефіцієнта детермінації більше 0,95. З метою визначення впливу надлишкового тиску молока, відстані між соплами форсунок, температури продукту на ступінь гомогенізації, а також взаємного впливу цих факторів використовувалось ротатабельне центральне композиційне планування повнофакторного експерименту, результати якого оброблялись за допомогою комп'ютерної програми Mathcad.
У четвертому розділі "Результати теоретичних та експериментальних досліджень" шляхом проведення повнофакторного експерименту встановлена залежність між ступенем гомогенізації та надлишковим тиском, відстанню між соплами форсунок і температурою молока. Всі три фактори діють незалежно один від одного. Математична модель у параметричному виді
Нт=-8,499+15,955а-14,125а2+0,028Т+1,948Др•10-6-0,125Др2 •10-12 (15)
Критичними значеннями факторів при умові найбільшого значення функції відгуку є: а=0,56 мм, Т=700С, Др=6,5 МПа. Графічно результати представлені на рис. 4, 5 та 6.
Дістало підтвердження існування оптимального значення відстані між соплами форсунок, вище та нижче якого ступінь гомогенізації зменшується (див. рис. 4). Для перевірки залежності оптимальної відстані a від діаметра сопла проведені дослідження (рис. 7), що доводять справедливість співвідношення (9).
З економічної точки зору доцільно збільшувати температуру молока при гомогенізації, адже при цьому збільшується ступінь гомогенізації (див. рис. 5). Підтверджено достовірність аналітичного рівняння (11) у діапазоні температур 40…700С, і лінійну залежність модифікованого критерію Вебера від температури. Температура більша за 650С є небажаною за технологічними вимогами. При її збільшенні з 65 до 700С ступінь диспергування жиру збільшується лише на 3%. Тому оптимальною температурою гомогенізації приймаємо 60…650С.
При збільшенні надлишкового тиску ступінь гомогенізації збільшується за параболічною залежністю (див. рис.6). При більших значеннях надлишкового тиску зростання функції відгуку сповільнюється. Прогнозування, виконане засобами комп'ютерної програми Microsoft Office Excel 2003, показує максимально досяжну ступінь гомогенізації 5,6 при значенні надлишкового тиску 7,4…7,5 МПа.
Порівняння експериментальної кривої залежності ступеня гомогенізації від надлишкового тиску з теоретичною залежністю (4), (рис. 8), дало змогу уточнити значення коефіцієнта (0,9·10-6 м2/Н) і довести лінійну залежність (4) у діапазоні тиску 2,5…6,0 МПа з достовірністю 95%. Даному діапазону надлишкового тиску відповідає ступінь гомогенізації 2,0…5,0, у якому на практиці працюють всі існуючі гомогенізатори, тому залежність (4) є зручною для практичних розрахунків протитечійно-струменевого гомогенізатора. Визначено критичне значення критерію Вебера для протитечійно-струменевої гомогенізації, що дорівнює 500…600.
Результати експериментального визначення продуктивності гомогенізатора при діаметрах сопел форсунок 1,0; 1,5 та 2,0 мм, в залежності від відстані між соплами форсунок та порівняння з теоретичними значеннями доводять достовірність формул (6) і (7). Тому для отримання найбільшої продуктивності гомогенізатора при сталих енерговитратах є необхідним забезпечення вимоги .
На рис. 9 представлена експериментальна залежність ступеня гомогенізації від кута конусності форсунок та порівняння її з теоретично визначеною. Коефіцієнт детермінації дорівнює 0,95, тобто теоретичні залежності є дійсними. При використанні циліндричної насадки (00 на рисунку), ступінь гомогенізації зменшується на 31% у порівнянні з максимальним. Отже, раціональним є використання конічних насадок з кутом конусності 45…500.
Результати експериментальних досліджень залежності ступеня гомогенізації молока від кута між форсунками та порівняння їх з теоретичними (12) представлені на рис. 10. Коефіцієнт детермінації складає 95%, тобто результати теоретичних викладок є дійсними у діапазоні 140…1800. Оптимальним є кут між форсунками 1800. Причому головна вимога до встановлення форсунок - це зіткнення струменів, що легко проконтролювати на практиці по утворенню візуально симетричного кола молока, що відводиться після зіткнення. При дотриманні цієї вимоги цілком можливе відхилення форсунок на кут до 3…50, що незначно впливає на ступінь подрібнення жиру (зменшення ступеня гомогенізації при відхиленні форсунок на 50 дорівнює лише 1%).
При експериментальному визначенні залежності показника відстоювання молочного жиру від температури молока звертає на себе увагу різке зменшення стабільності жирової фази у діапазоні температур 30…400С. З цього приводу була висунута гіпотеза, що зменшення стабільності жирової фази при зменшенні температури гомогенізації викликане не лише зменшенням ступеня гомогенізації, але і агломерацією та коалесценцією жирових кульок після гомогенізації. Для перевірки гіпотези порівнювали ступінь гомогенізації молока одразу після гомогенізації та протягом 24 та 48 год. після неї. Результати представлені на рис. 11.
Отримані дані доводять, що середні розміри жирових кульок протягом часу після гомогенізації збільшуються. І цей процес інтенсифікується при зменшенні температури. При Т= 50…700С ступінь подрібнення жирової фази практично залишається постійною. При 400С середній розмір жирових кульок після вистоювання 24…48 год. збільшується на 11…14%, при Т= 300С - на 17…24%. Це пояснюється злипанням жирових кульок, викликаним іммуноглобулінами, які починають руйнуватися при температурах, вищих за 400С. Саме тому зменшення розмірів жирових кульок не спостерігається у пастеризованому молоці. Злипання жирових кульок найінтенсивніше відбувається у перші 24 год. після вистоювання, про що свідчить невеликий розбіг даних у порівнянні з вистоюванням 48 год. (3 та 7% відповідно при 40 та 300С). В результаті досліджень для отримання комплексного показника якості гомогенізації молочної емульсії, що включає в себе ступінь подрібнення жирових кульок молока та стабільність отриманої після подрібнення жирової фази молока, пропонується ввести коефіцієнт
, (16)
де , - відповідно ступінь гомогенізації одразу після подрібнення та після 24 год. після гомогенізації.
Значення коефіцієнту визначається вмістом та станом іммуноглобулінів, що у свою чергу залежить від ступеня нагрівання молока до або в процесі гомогенізації. Тоді уточнене значення якості гомогенізації за будь-яким способом (стабільність жирової фази, ефективність гомогенізації або відношення оптичних щільностей) знаходиться за формулою
, (17)
де , - показники якості гомогенізації відповідно уточнене та загальноприйняте.
Визначене значення для молока у діапазоні температур 30…70 0С, і отримано висновок, що для молока, яке не пройшло термообробку, не доцільно зменшувати температуру гомогенізації менше за 50…550С для запобігання дестабілізації жирової фази молока і утворення агрегатів жирових кульок протягом декількох годин і більше після обробки.
Зміни у фракційному складі жирових кульок після протитечійно-струменевої гомогенізації (при Т=650С, Др=3,5 МПа) та порівняння їх з клапанної гомогенізацією (при тиску 16 МПа та Т=650С) графічно представлені на рис. 12.
Молоко до гомогенізації характеризується такими параметрами: середній діаметр жирових кульок =2,49 мм, дисперсія =1,66, коефіцієнт варіації (частка розсіювання признаку відносно середнього) =67%. Відповідно для молока після клапанної та протитечійно-струменевої гомогенізації: =0,99 мм та 0,83 мм, =0,51 ті 0,47, =51 та 56%. Середній діаметр жирових кульок при обробці протитечійно-струменевою гомогенізацією зменшився на 19% у порівнянні з клапанною, зменшилося значення дисперсії, що свідчить про перевагу протитечійно-струменевої гомогенізації.
У п'ятому розділі "Практична реалізація результатів досліджень" на основі теоретичних та експериментальних досліджень запропонована методика розрахунку протитечійно-струменевого гомогенізатора молока. Розроблений промисловий зразок протитечійно-струменевого гомогенізатора молока продуктивністю 2000 кг/год зі встановленою потужністю електродвигуна 5,5 кВт, що дозволяє отримати ступінь гомогенізації 4 і має питомі енерговитрати 2,8 кДж/кг. Технічна документація передана до товариства з обмеженою відповідальністю "Продмаш" (м. Мелітополь Запорізької обл.). Порівняльна характеристика найбільш перспективних видів гомогенізаторів показує, що розроблена машина має найвищий ступінь гомогенізації та в 1,3…4,7 рази менші енерговитрати. Спроектований гомогенізаційний вузол був впроваджений на приватному підприємстві "Молокозавод-ОЛКОМ" (м. Мелітополь Запорізької обл.) замість гомогенізуючої головки клапанного гомогенізатора А1-ОГ2М-2,5 у 2005-2006 рр. Об'єм переробленого молока за цей період склав 3000 тон. При цьому отриманий прибуток 45000 грн., або 15 грн/т. Результати виробничих випробувань збігаються з результатами, отриманими на експериментальному пристрої. Для боротьби з піноутворенням використовували піногасник на виході з машини і додавали в молоко дезодороване пальмове масло і емульгатор "Альгінат натрію". Економічний ефект від заміни клапанного гомогенізатора А1-ОГ2М-2,5 на протитечійно-струменевий становить 27873 грн. за рік, термін окупності капітальних вкладень 0,23 роки, досягається зниження питомих енерговитрат до 63% і експлуатаційних витрат до 50%. При цьому вартість протитечійно-струменевого гомогенізатора не перевищує 5,0…5,5 тис. грн.
ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі викладене нове вирішення науково-прикладного завдання, яке полягає в зниженні енерговитрат на гомогенізацію молока шляхом оптимізації технологічних і конструктивних параметрів та режимів роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора.
За результатами досліджень зроблено такі висновки:
1. На основі аналізу механізмів руйнування жирових кульок доведена доцільність використання модифікованого критерію Вебера як базової залежності для розрахунку параметрів протитечійно-струменевої гомогенізації молока у діапазоні тиску 2,5…6,0 МПа і температури 40…700С, що відповідає достатньому ступеню гомогенізації 2,0…5,0.
2. Одержані та експериментально підтверджені залежності, що пов'язують конструктивні, технологічні та енергетичні параметри і режими роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора молока з модифікованим критерієм Вебера. Встановлено, що раціональними параметрами та режимами роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора є:
- надлишковий тиск 2,5…6,0 МПа;
- температура 60…650С;
- кут конусності конічних звужуючих насадок форсунок повинен становити 45…500;
- відхилення від співвісності розташування форсунок не повинно перевищувати 3…50;
- відстань між соплами форсунок, повинна дорівнює 1/2 їхнього діаметра.
3. Запропоновано комплексний показник якості гомогенізації молочної емульсії без термообробки, що включає в себе ступінь подрібнення жирових кульок молока та стабільність отриманої після подрібнення жирової фази молока, з новими уточнюючими коефіцієнтами у формулах для визначення якості гомогенізації.
4. Розроблено рекомендації для розрахунку технологічних та конструктивних параметрів і запропоновано промисловий зразок протитечійно-струменевого гомогенізатора молока, технічна документація на який передана до товариства з обмеженою відповідальністю "Продмаш" (м. Мелітополь, Запорізької області) для впровадження у виробництво. Порівняльна характеристика найбільш перспективних видів гомогенізаторів показує, що розроблена машина має найвищий ступінь гомогенізації та в 1,3…4,7 рази менші енерговитрати.
5. Спроектований гомогенізуючий вузол протитечійно-струменевого гомогенізатора був впроваджений на приватному підприємстві "Молокозавод-ОЛКОМ" (м. Мелітополь, Запорізької області) у 2005 - 2006 рр. Об'єм переробленого молока за цей період склав 3000 тон. При цьому отриманий прибуток 45000 грн або 15 грн/т. Розрахунок економічної ефективності підтверджує необхідність впровадження протитечійно-струменевих гомогенізаторів замість клапанних, оскільки річний прибуток на переробному підприємстві становить 27873 грн., а термін окупності капіталовкладень 0,23 р.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Гвоздев О.В. Теоретическое обоснование противоточно-струйного гомогенизатора молока / О.В. Гвоздев, К.О. Самойчук // Труды Таврической государственной агротехнической академии: Тематич. науч.-техн. сборник. Мелитополь: ТГАТА, 1999. Вып. 2, т.12. С. 61 - 65.
Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто здійснив пошук та аналіз літературних джерел, брав участь у обґрунтуванні теоретичних залежностей і підготовці матеріалів до публікації.
2. Самойчук К.О. Визначення основних параметрів протитечійно-струменевого гомогенізатора молока / К.О. Самойчук //Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Мелітополь: ТДАТА, 2004. Вип. 18. С. 101-105.
3. Самойчук К.О. Обґрунтування параметрів форсунок протитечійно-струменевого гомогенізатора молока / К.О. Самойчук // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Мелітополь: ТДАТА. 2004. Вип. 20. С. 32 - 35.
4. Гвоздєв О.В. До методики визначення якості гомогенізації молока / О. В. Гвоздєв, К. О. Самойчук, Е. П. Кокоулін // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Мелітополь: ТДАТА. 2005. Вип. 25. С. 38 - 42.
Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто здійснено аналіз методів отримання зображень цифровими пристроями, брав участь у розробці пристрою для отримання мікрофотографій жирових кульок за допомогою офісного комп'ютера, веб-камери та оптичного мікроскопу.
5. Гвоздєв О.В. Дослідження механізму руйнування жирових кульок молока при гомогенізації / О. В. Гвоздєв, К. О. Самойчук // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Мелітополь: ТДАТА. 2005. Вип. 34. С. 57 - 61.
Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто проаналізовані існуючі теорії подрібнення жирової фази молока під час гомогенізації, здійснено аналіз та узагальнення відомих теорій подрібнення, виконана підготовка матеріалів до публікації.
6. Гвоздев А.В. Малоэнергоёмкие способы гомогенизации молока / А.В. Гвоздев, К.О. Самойчук, Э.П. Кокоулин // Технология и механизация животноводства: Межвуз. сб. науч. трудов. 2005. Вып. 3. С. 102 - 107.
Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто обґрунтовані переваги протитечійно-струменевого гомогенізатора з боку енерговитрат процесу, здійснено узагальнення результатів і підготовку матеріалів до публікації.
7. Самойчук К.О. Вплив відстані між соплами форсунок на параметри протитечійно-струменевого гомогенізатора молока. / К.О. Самойчук // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Мелітополь: ТДАТА. 2006. Вип. 44. С. 49-53.
8. Самойчук К.О. Дослідження впливу надлишкового тиску та температури молока на якість протитечійно-струменевої гомогенізації / К. О.Самойчук, О.В. Гвоздєв // Обладнання та технології харчових виробництв: Тем. зб. наук. праць. Донецьк: ДонНУЕТ, 2007. Вип.16. С. 121 - 126.
Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто здійснив планування експериментальних досліджень, брав участь у експериментальних дослідженнях та обробці отриманих даних, здійснив підготовку матеріалів до публікації.
9. Самойчук К.О. Результати експериментальних досліджень протитечійно-струменевого гомогенізатора молока / К.О. Самойчук // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. Мелітополь: ТДАТА. 2007. Вип. 7, т.5. С. 34 - 40.
10. Пат. 11058, Україна, МКИ5 А 01 J 11/16. Пристрій для гомогенізації молока / К.О. Самойчук, О.В. Гвоздєв, Ф.Ю. Ялпачик; заявник і патентовласник Таврійська державна агротехнічна академія. № 20041008860; заявл. 29.10.2004 ; опубл. 15.12.2005. Бюл. № 12. Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто здійснено літературний огляд, запропонований спосіб протитечійно-струменевої гомогенізації молока, брав участь у проведенні експериментальних досліджень і підготовці заявки на видачу патенту.
11. Гвоздев. А.В. Новые способы гомогенизации молока / А.В. Гвоздев, К.О. Самойчук, Э.П. Кокоулин. // Техника и технология пищевых производств: междунар. науч.-техн. конф., 18-20 мая 2005 г.: тезисы докл. Могилёв, 2005. С. 190 - 191. Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто сформульовані переваги способу протитечійно-струменевої гомогенізації, виконана підготовка матеріалів до публікації.
12. Гвоздєв О.В. Метод визначення якості гомогенізації молока / О. В. Гвоздєв, К. О. Самойчук // Екотрофологія. Сучасні проблеми: міжнар. наук.-практ. конф., 30 трав.-1 червня 2005 р.:тези доп. Біла Церква, 2005. С. 213-214. Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто здійснював підбір та аналіз цифрових пристроїв для установки, брав участь у проведенні експериментальних досліджень і обробці отриманих даних, здійснив підготовку матеріалів до публікації.
13. Гвоздєв О.В. Результати попередніх експериментальних досліджень протитечійно-струменевого гомогенізатора молока / О. В. Гвоздєв, К. О. Самойчук // Теорія і практика розвитку АПК: Міжнар. науково-практичний форум, 19-20 вересня 2006 р. Львів: Львів. держ. агроуніверситет. Т.2. С. 261 - 262. Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто брав участь у розробці експериментального пристрою, плануванні та проведенні експериментальних досліджень і обробці отриманих даних, здійснив узагальнення отриманих даних і підготовку матеріалів до публікації.
АНОТАЦІЯ
Самойчук К.О. Обґрунтування параметрів та режимів роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора молока. - 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, 2008.
Дисертацію присвячено вирішенню наукової задачі зниження витрат енергії на процес гомогенізації молока шляхом оптимізації технологічних і конструктивних параметрів і режимів роботи малодослідженого протитечійно-струменевого гомогенізатора молока.
В результаті теоретичних та експериментальних досліджень отримані залежності, що пов'язують основні геометричні та режимні параметри роботи протитечійно-струменевого гомогенізатора. Отримані значення характеристичних чисел Вебера, як базового критерію, що пов'язує тиск і температуру молока перед форсунками, тип форсунок, діаметр їх сопел, відстань та кут між ними. Знайдені залежності між продуктивністю гомогенізатора, питомими витратами енергії і ступенем гомогенізації молока.
Доповнені уточнюючим коефіцієнтом методи визначення якості гомогенізації молока.
Розроблено методику розрахунку параметрів протитечійно-струменевого гомогенізатора молока. Запропоновано промисловий зразок протитечійно-струменевого гомогенізатора молока. Результати досліджень впроваджені у виробництво.
Ключові слова: молоко, протитечійно-струменева гомогенізація, диспергування жирової фази, руйнування жирових кульок, оптимальні параметри гомогенізації.
АННОТАЦИЯ
Самойчук К.О. Обоснование параметров и режимов работы противоточно-струйного гомогенизатора молока. - Рукопись.
Диссертация на соискание учёной 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, 2008.
Работа посвящена решению научной задачи снижения энергозатрат на гомогенизацию молока путём оптимизации технологических и конструктивных параметров и режимов работы противоточно-струйного гомогенизатора молока.
Обоснована актуальность темы. На основе изучения механизмов дробления жировой фазы молока выделены способы, позволяющие достичь наиболее высокой степени гомогенизации и выделить основной фактор гомогенизации - разницу скоростей между жировым шариком и дисперсионной средой. Анализ конструкций существующих гомогенизаторов позволил выделить малоисследованный способ противоточно-струйной гомогенизации как перспективный для получения высокой скорости обтекания жирового шарика дисперсионной средой при сниженных по сравнению с существующими гомогенизаторами энергозатратах. Выполнена постановка задач, сформулированы основные положения, которые составляют научную новизну и практическое значение работы.
Аналитические исследования базировались на критерии Вебера. В результате получены зависимости, связывающие основные параметры и режимы работы противоточно-струйного гомогенизатора молока: давление молока в форсунках, производительность гомогенизатора, удельные затраты энергии, температура, расстояние между форсунками и угол между ними, тип форсунок и диаметр их сопла с модифицированным критерием Вебера и степенью гомогенизации молока.
Для проверки и дополнения теоретической модели разработана экспериментальная установка для экспериментального исследования процесса противоточно-струйной гомогенизации молока. Проанализированы существующие методы определения качества гомогенизации и выбран метод измерения размеров под микроскопом с использованием цифровой камеры, что позволило повысить эффективность и точность измерений.
В результате исследований доказана целесообразность использования модифицированного критерия Вебера для расчёта противоточно-струйного гомогенизатора молока в диапазоне давлений 2,5…6,0 МПа, что соответствует степени гомогенизации 2,0…5,0. Установлено, что оптимальными для противоточно-струйного гомогенизатора являются форсунки с коническими сходящимися насадками с углом конусности 45…500 при их соосном расположении. Для повышения эффективности гомогенизации и получения максимальной производительности гомогенизатора, форсунки необходимо располагать на расстоянии равным радиусу сопла. Установлено, что с повышением температуры молока значение критерия Вебера и степень дисперсности жировой фазы повышаются линейно в диапазоне температур 40…700С. С учётом температурной чувствительности молока рекомендуемый диапазон температур противоточно-струйной гомогенизации 60…650С.
Установлено, что при гомогенизации сырого молока при температурах меньше 50…550С после выстаивания в течение 24…48 часов степень дисперсности уменьшается до 14…24%. Поэтому, для получения комплексного показателя качества гомогенизации молочной эмульсии без термообработки предлагается ввести уточняющий коэффициент в формулы для определения качества гомогенизации.
Разработан промышленный образец противоточно-струйного гомогенизатора молока и рекомендации для расчета его технологических и конструктивных параметров и осуществлено внедрение разработок в производство. Сравнительная характеристика наиболее перспективных видов гомогенизаторов показывает, что разработанная машина имеет наивысшую степень гомогенизации и в 1,3 - 4,7 разы меньшие энергозатраты. Расчет экономической эффективности подтверждает необходимость внедрения противоточно-струйных гомогенизаторов вместо клапанных, поскольку годовая прибыль при этом составляет 27873 грн., а срок окупаемости капиталовложений - 0,23 г.
Ключевые слова: молоко, противоточно-струйная гомогенизация, диспергирование жировой фазы, разрушение жировых шариков, оптимальные параметры гомогенизации.
ANNOTATION
Samoichuk K.O. Grounding of parameters and modes of work of opposite-flow stream homogenizator of milk. - Manuscript.
Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences on the speciality 05.18.12 - Processes and equipping of food, microbiological and pharmaceutical productions. The Donetsk National University of Economy and Trade named after Mihaylo Tugan-Baranovskiy, Donetsk, 2008.
Dissertation is devoted to the accomplishment of the scientific task of energy costs reduction for the process of milk homogenization by means of optimization of technological and structural parameters and modes of operations of scantily explored opposite-flow stream homogenizator of milk.
As a result of theoretical and experimental researches the dependences are obtained that connect main geometrical and regime parameters of work of the opposite-flow stream homogenizator. Characteristic values of Veber's figures are obtained as a basic criterion which interconnects the pressure and temperature of milk before sprayers, sprayers' type, diameter of their nozzles, distance and angle between them. Dependences between homogenizator productivity, specific energy consumption and degree of homogenization of milk are figured out.
The methods of determination of quality of homogenization of milk are complemented with a specifying coefficient.
The method of calculation of parameters of opposite-flow stream homogenizator of milk is developed. The industrial prototype of opposite-flow stream homogenizator of milk is offered. The results of researches are applied in industry.
Keywords: milk, the opposite-flow stream homogenization, crushing of fatty phase, destruction of fatty globules, optimal parameters of homogenization.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Пищевая ценность, состав, свойства коровьего молока. Вода и сухое вещество, ферменты и гормоны, микрофлора сырого молока. Переработке молока предприятиями молочной промышленности. Приемка и первичная обработка молока. Технология получения молока и сливок.
курсовая работа [41,6 K], добавлен 18.09.2010Первичная обработка, транспортирование и хранение молока, приемка и оценка его качества. Способы очистки молока и режимы его охлаждения. Сепарирование и нормализация, гомогенизация молока. Тепловая обработка молока. Подбор технологического оборудования.
курсовая работа [451,9 K], добавлен 14.11.2010Качество молока, поступающего для промышленной переработки на предприятия молочной промышленности. Органолептические показатели молока-сырья. Характеристика ассортимента и переработка молока. Продуктовый расчет молока цельного сгущенного с сахаром.
курсовая работа [358,0 K], добавлен 15.04.2012Химический состав, пищевая и биологическая ценность топленого молока. Требования к качеству сырья, используемого при производстве топленого молока. Выбор и обоснование методов, режимов и оборудования технологических процессов выработки топленого молока.
курсовая работа [146,0 K], добавлен 19.12.2022Характеристика процесса ультразвуковой стерилизации молока. Действие тепловой стерилизации на питательную ценность молока. Оборудование для стерилизации молока в таре и в потоке. Производственный расчет стерилизаторов П8-ОСО-5, СОУ-10 и ПМР-02-ВТ.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 14.06.2014Вимоги до вихідної сировини - молока коров’ячого незбираного. Опис технологічного процесу з обґрунтуванням режимів виробництва кисломолочних продуктів. Принципова схема виробництва сметани, ряжанки, біокефіру. Вимоги нормативної документації на продукти.
курсовая работа [158,9 K], добавлен 24.11.2014Специфіка технологій переробки молочної продукції. Опис і характеристика устаткування для переробки молока і виготовлення продуктів з нього. Опис обладнання для виготовлення молока, масла, твердого сиру, пристрої для охолодження і теплової обробки молока.
реферат [219,6 K], добавлен 24.09.2010Методы очистки молока от механических и микробиологических примесей. Химическая фильтрация. Продолжительность безостановочной работы молокоочистителя. Процесс разделения молока на фракции. Увеличение угловой скорости вращения барабана сепаратора.
курсовая работа [370,2 K], добавлен 03.03.2016Характеристика технології виробництва твердих сирів. Підготовка молока до вироблення сиру. Підготовка молока до згортання. Розрізання згустку і постановка зерна. Визначення вимог якості до готового продукту. Шляхи удосконалення технологічного процесу.
курсовая работа [337,0 K], добавлен 27.11.2014Частное предприятие "Молокозавод Струговский". Основная производственно-техническая деятельность: переработка молока от поставщиков и производство пастеризованного молока, сметаны, творога и кефира. Пункты сбыта продукции. Расчет и подбор оборудования.
курсовая работа [48,0 K], добавлен 23.08.2009Физико-химические, микробиологические, органолептические показатели молока пастеризованного, его пищевая ценность. Характеристика сливок питьевых. Описание и состав сырья, вспомогательных материалов и тары. Технологический процесс производства молока.
курсовая работа [128,4 K], добавлен 25.11.2014Физико-химические показатели молока. Подбор оборудования в приемный цех. Устройство и монтаж резервуара Г6-ОМГ. Центробежный самовсасывающий электронасос 50-3Ц7.1-20. Схема подключения к резервуару трубопроводов для молока. Расчет диаметра молокопровода.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 17.11.2014Расчет устойчивости одноконтурной системы регулирования. Технологический процесс восстановления молока. Выбор средств его автоматического контроля и регулирования. Описание установки для растворения сухих молочных продуктов и емкости для хранения молока.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 14.01.2015Особенности состава молока различных сельскохозяйственных животных. Органолептические и физико-химические свойства коровьего молока. Технические регламенты Кыргызской Республики на питьевое молоко и молочные продукты, вопросы обеспечения их безопасности.
курсовая работа [122,8 K], добавлен 09.04.2019Классификация процесса очистки молока, механизм его протекания. Очистка молока от микробиологических и механических примесей. Сравнение и выбор оптимального аппарата. Удельная энергоемкость и материалоемкость. Техническая производительность, габаритность.
курсовая работа [603,4 K], добавлен 02.06.2015Теоретические основы методики анализа производства молока. Организационно-экономическая характеристика ОАО "Агрофирма "Гордино". Анализ выполнения плана производства молока, динамики поголовья коров, уровня продуктивности, условий содержания животных.
курсовая работа [86,3 K], добавлен 18.09.2012Обзор возможных материалов для упаковки молока. Характеристика и подбор оборудования для производства упаковки и розлива молока, для дополнительного оформления упаковки. Принципиальная схема картонной упаковки, её дизайн и расчет расходного материала.
курсовая работа [4,6 M], добавлен 19.11.2013Схема производства молока пастеризованного. Очистка, нормализация, гомогенизация, пастеризация, розлив цельного молока. Техническая характеристика сепаратора и пастеризационно-охладительной установки. Контроль качества основного сырья и готового продукта.
курсовая работа [631,6 K], добавлен 26.07.2009Сущность и режимы пастеризации молока на производстве. Технологический процесс обработки молока. Характеристика мехатронной системы пастеризации. Выбор средств автоматического контроля параметров. Инструменты регулирования давления в пастеризаторе.
курсовая работа [231,2 K], добавлен 08.02.2016Технологічна схема сушильної установки. Сировинна база для виробництва сухого знежиреного молока. Обґрунтування проектної потужності установки. Будова та принцип дії скрубера Вентурі. Розрахунок насоса для подачі знежиреного молока в трубу Вентурі.
курсовая работа [458,4 K], добавлен 20.11.2014
