Анализ схем материальных потоков в центробежных смесителях непрерывного действия при получении комбинированных продуктов питания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

рации появившегося продукта ингибитора) и уравнение (33) оказываются выполнимыми. Это уравнение применимо и в случае изначально больших концентраций ферментов, подверженных с течением времени иммобилизационным процессам.

Глобальный подход к оценке качества, предложенный авторами работы [4], сводит качество к потребительским свойствам. Но качество ПП как таковое обладает независимыми от конъюнктуры рынка характеристиками, хотя рынок и влияет на его улучшение. Нами предложен другой, стратегический подход к формулировке глобальной проблемы качества, в которой выделено три постулата: существование абсолютного свойства качества, существование потребительского (относительного) свойства качества и стратегический постулат, определяющий реализацию этих качеств в самых разнообразных формах.

Весьма актуальная проблема физико-математического и биохимического моделирования качества ПП в работе [4] не нашла должного отражения, хотя сделанные авторами попытки достаточно интересны. Согласно названию работы [4], в ее содержательной части должен быть сформулирован рецепт для стандартизации качества пищевой промышленностью. Однако в связи с отмеченными выше причинами эта задача оказалась невыполненной. Успешное ее решёние возможно, если количественным показателям корректно выбранных ферментативных реакций поставить в соответствие количественные показатели качества ПП. Этой цели и посвящено настоящее исследование.

ЛИТЕРАТУРА

1. Актериан С. Способ прогнозирования сроков годности пищевых продуктов с использованием качественных характеристик и факторов окружающей среды / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1997. — № 6. — С. 66-68.

2. Выродов И.П. Способ прогнозирования сроков годности пищевых продуктов // Изв. вузов. Пищевая технология.

— 1998. — № 5-6. — С. 87-88.

3. Мохначев И.Г., Давиденко Л.И., Христюк В.Т., Семенова Н.И. Формализация органолептических оценок и качества пищевых продуктов / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1999. — № 2-3. — С. 82-86.

4. Тийскенс JI., Бикман Е. Моделирование качества пищевых продуктов / / Там же. — С. 86-91.

5. Выродов И.П. Математическое моделирование процессов пищевой технологии / / Изв. вузов. Пищевая технология.

— 1997. — № 6. — С. 10-14.

6. Выродов И.П. Основное уравнение управления маркетингом и его анализ. Катастрофы маркетинга / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1997. — № 4-5. — С. 5-7.

7. Tijskens К.М.М., Sloof М., Wilkinson Е.С. (1994): Quality of perishable produce. A philosophical approach. Proceedings COST 94 Workshop, October, Oosterbeek, The Netherlands (in press).

8. Sloof М., Tijskens Wilkinson E.C. (1996):

Concepts for modelling the quality of perishable products. Trends in Food Science & Technology. 7, 165-171.

9. Ферментация и технология ферментов / Пер. с англ. В.М. Вадимова. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983.

10. Брэй Дж., Уайт К. Кинетика и термодинамика биохимических процессов. — М.: ИЛ, 1959.

11. Яковлев В.А. Кинетика ферментативного катализа. — М.: Наука, 1965.

12. Лейдлер К. Кинетика органических реакций. — М.: Мир, 1966.

Кафедра физики ;

Поступила 14.07.99 г. , . . и . ;

663.032.9

АНАЛИЗ СХЕМ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СМЕСИТЕЛЯХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КОМБИНИРОВАННЫХ

ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ

Г.Е. ИВАНЕЦ, С.А. РАТНИКОВ, Ю.А. КОРШИКОВ

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

При получении композиций из дисперсных материалов в процессе производства комбинированных продуктов питания необходимо решить задачу равномерного распределения отдельных компонентов, содержащихся в небольших количествах (0,1 -1%), по всему объему смеси.

Опыт работы лаборатории смешения и дозирования кафедры процессов и аппаратов показывает, что для решения этой задачи целесообразно использовать смесители непрерывного действия СНД центробежного типа. Однако известные конструкции этих смесителей обладают малой инерционностью и требуют поэтому укомплектования их высокоточными весовыми дозаторами, имеющими высокую стоимость. Между тем, повысив инерционность СНД, можно использовать в составе смесительного агрегата дозаторы объемного типа, которые более просты в эксплуатации и значительно дешевле.

Известно, что использование рециркуляции — мощного средства интенсификации различных

процессов — позволяет увеличить инерционные свойства СНД. Анализ возможности сглаживания погрешностей дозирующих устройств в СНД центробежного типа путем организации направленного движения материальных потоков в нем — цель данной работы.

Одним из методов математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов в рамках стохастического (вероятностного) подхода является корреляционный анализ. В этом методе в качестве параметра случайного стационарного процесса используются корреляционные функции. Корреляционный анализ позволяет установить зависимость между дисперсиями входного и выходного потоков, т.е. дает возможность прогнозировать однородность получаемой смеси при заданных коэффициентах рециркуляции, времени ПрОХОЖ' дения материальных потоков через смеситель, дисперсии потока, входящего в СНД. Известно применение корреляционного анализа при моделировании процесса смешивания в СНД вибрационного и барабанного типов [1-3]. В нашей работе используется аналогичный подход применительно к СНД центробежного типа. В качестве прототипа'

І

і ШХ\

ГЛ~"-ГТИ ;л ■ К. ІГ.'МИІ. 'г№'

І .лІНОГ^ ПГіГ г*гмм.

І., Се-мі-

іЛ:Ю7 І Мншышм

«ь* пн:г.*-

П|ч:і|гчіч"іГі

•ль:.тън

а:і Чмііки

Йзв і* о-Т.

^рГ'.-асй

ІІШІ, і "К

І\Щ):

■■п: іісК.

1

ЕІІГТ ІІ.М,

щ, .

снмкннл-■:.ч. - 7-і : М. МиЭ,

І63.032.9

іііпан'г.'^ «кит ия Щ це«г-аилслии-і — цепь

клтрпРй-ЫГЯ90Я в І ГІІ.ТХП^Я

М мли 2 и унО^І \ І*їО [гякиетгі.

ЬнПТЬ Зй-

и иыдид Ьгазиро-И^анных. ірпяпж.-

'І^в, ДНІ." ІЇНГ? при-пгрлмгк:-

ЇІПГСІННй*

'л 2айог\' \.У. ГЇ.'Л и и

Ы.Ч1'й її

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ГІИШКВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 2-3, 200С

Схема А

(2)

Рис. 1

для сравнения была принята конструкция СНД центробежного типа [4], ротор которого представляет собой каскад из трех распылительных дисков конической или параболической формы с рециклом на каждой ступени (рис. 1; 1 — верхние диски;

2 — нижние диски, жестко связанные с верхними;

3 — корпус; 4 — приводной полый вал). Это обстоятельство позволяет повысить его сглаживающую способность и, как следствие, качество смеси. Процесс движения материальных потоков в смесителе представляется следующей системой уравнений (рис. 1, схема А):

х^х) = х0(т) + /Зж(г);

х2(х) = (1 - /?,)*,(г) + /32й2(т);

*3(г) = (1 - р2)х2(х) + /?3х3(г);

хь(х) = (1 - Р3)х\{т) = *0(т),

(1)

х{{х), хь{г) — количество материала, выходящего с г'-й ступени (диска) и из смесителя;

Д; — коэффициент рециркуляции на г'-й ступени (0</?;<1, I = 1,3); г — интервал времени.

Тогда система уравнений, определяющая корреляционные функции, имеет вид

Кх,{х) = Кх0(х) +^2Кх,{х)-Кх2(г) = (1 - ^)2Кх\(т) + (1;Кх2(г)

Кх3(т) = (1 - р2?Кх2{х) + р2Кх3(х)

Кхь(х) = (1 -р3)2Кх3(т), ■

где Кх.(х),

Кх^х) — корреляционные функции входящих, г = 0,3, и выходящих, г = 1,3, потоков;

КхЛх),

Кхь{х) — корреляционные функции входящего и выходящего из смесителя потоков соответственно;

Кх1х1 = 0 при г ^ / (взаимная корреляция потоков отсутствует).

При движении потока его корреляционная функция уменьшается. В дальнейшем будем рассматривать только влияние рециркуляции потоков материала на однородность смеси во времени (т.е. примем допущение, что процесс усреднения отсутствует и Кх^х) = Кх,{т)).

Тогда система (2) запишется в виде

Ах, (г) = Кх0(х) + /?,2/Ц(г);

Кх2(х) = (1 - /?,)2Ах,(т) + р2Кх2{г);

где х0{х),х^х)—количество материала, поступающего в смеситель и на г-ю ступень;

КхЦг) = (1 -02)2Кх2(т) +/3$2Кх3(х);

КхАх) = (1 -

?3 ?Кхг{х).

Схема С

Схема I)

* 0

І онутре,

. Ъбно

’НН1/Ц

інус

р

\

щ

\ КОН^С

I

(3) і

бнешний р конус I

конус

'нии

0

средний

конце

ч

Анешний

-.юте

•V

а

к

(3)

Ко

А® ■

онтреннии

конус

о(/Хо

$>-

средний

конус

8нешний

конус

Хо

Х£=Хл(/-р)=Хо

Рис. 2

ИЗВЕСТИ

РёШая систему уравнений (3); Получим 1 1-4 1 -/і3

,Лы.КхьЮ.-:Кх0Ю-

(4)

1 '+/?, 1 +Т?2 1 + /?3

Известно, что корреляционная функция при г =г 0.равна дисперсии случайной величины, т.е. Кх(0) = ст/, тогда можно определить дисперсию выходящего из смесителя потока по формуле ^ 2 1 * а*о1+(з11+/з21+р3'\;

Допустим, что рециркуляция отсутствует (= 0), т.е. для схемы организации материальных потоков, соответствующей выбранной нами базовой конструкции смесителя, в упрощенном варианте имеем а^ • Э'го говорит об отсутствии

сглаживающей способности данной схемы при принятых нами ранее допущениях. При в1 = /?2 = = /?3 = 0,1 (10%) имеем (7Й2 ~ 0,548 ахо , а при ^ = 02 = /?з = 0,2 (20%) <^2 = 0,296 с/хо2, т.е. с ростом степени рециркуляции дисперсия выходного потока значительно уменьшается.

Теперь рассмотрим организацию материальных потоков по схеме В (рис; 2, а). Ее суть заключается в разделении входного потока на три части с последующим попарным их сложением. Практическое воплощение этой схемы возможно при условии наличия на боковых поверхностях 1-го и 2-го конусов перепускных окон. Входной поток, поступающий на внутренний конус /, разделяется на две части. Одна из них движется по поверхности конуса, а другая через перепускные окна попадает на средний конус 2, где, в свою очередь, также разделяется на два потока и поступает в последний конус. Таким образом, входной поток распределяется по всем трем конусам. Поток, выходящий с

1-го конуса, соединяется с потоком, идущим по

2-му конусу. Далее этот суммарный поток сходит со 2-го конуса и соединяется с потоком, идущим по 3-му внешнему конусу. Аналогичным образом получим зависимость, определяющую дисперсию потока, выходящего из смесителя:

2 _

0(1

+ (1 -а,):

а

/а - а/

2 2. 21 I' а\

(б)

Если оптимальные значения коэффициентов с, и а2 для этой схемы равны 1/3 и 1/2 соответственно, то получим ох^~0,333 ахо2. Отсюда можно сделать вывод: простое разделение потоков с последующим их соединением дает такой же результат, что и схема А при коэффициенте рециркуляции на каждой ступени/?; = 0,18 (18%). Следует отметить и тот факт, что организация движения материальных потоков по схеме В позволяет (при таких же размерах и режимах работы) значительно повысить производительность смесителя по сравнению с базовой моделью. Это объясняется тем, что через перепускные окна внутреннего конуса / проходит только часть входного потока. Поэтому максимальная пропускная способность конуса / (при заданных режимах работы смесителя) может быть меньше, чем суммарная производительность блока дозаторов, что невозможно при реализации схемы А.

Организация движения материальных потоков по схеме С (в отличие от ранее рассмотренной) предусматривает наличие внешнего рецикла с ко-

эффициентом /? (рис. 2, б). В этом случае в схеме появляется добавочный элемент, соединяющий входной поток с рециркулирующей частью выходного. Для этого случая действительна зависимость

,,ч 2 2 (1-/?)2[(1 -а()2

” і - (1 -«.ГО -«,г (1 - а2)2 + (1 - а,)2^2 + а2] - (1 - а{)гафг - а\р

(7)

Приняв коэффициенты а1 и а2 равными 1 /3 и 1/2 соответственно, а коэффициент рециркуляции /? =0,1, получим о^~ 0,271 а 2 При коэффициенте рецикла /3 = 0,2 0,216 аХ0‘. Анализ

полученных результатов показывает, что они существенно лучше, чем при организации потоков по схеме А.

Таблица

Схема организации движения материальных потоков (уравнение)

Значение

коэффициента

рециркуляции

Л (5)

В (6)

с (7)

-О (81

01 02 03

0.05 0,05 0,05 0,74

0,1 0,1 0.1 0,548

0,15 0,15 0,15 0,4

0,2 0,2 0,2 0,296

«1 «2

0,5 0,5 0,375

0,25 0,333 0,375

0,333 0.5 0,333

«1 «2 0

0,25 0,333 0,05 0,339

0,25 0,333 0,1 0,305

0,25 0,333 0,15 0,273

0,25 0,333 0,2 0,244

0,333 0,5 0,05 0,301

0,333 0,5 0,1 0,271

0,333 0,5 0,15 0,243

0,333 0,5 0,2 0,216,

«1 «2 01 = 02 = 03

0,25 0,333 0,05 0,329

0,25 0,333 0,1 0,288

0,25 . 0,333 0,15 0,253:

0,25 0,333 0,2 0,222

0,333 0,5 0,05 0,284

0,333 0,5 0,1 0,240

0,333 0,5 0,15 0,204

0,333 0,5 0,2 0,176

потока г дой из Ї ние

При

ветствеі

циркул5

При \ Персия образом НЫХ ПО'

значені таты кс ных наї

СНДпІ

Выяв И) орга бежно^

В организации материальных потоков по схеме V (рис. 2, в) сочетаются разделение входного

Г.Е. ИВ

Кемерові

пищевой

Зада1 компон решена шивані 20000 исследс верка с парата колеба^

На р РПА. Е зом. П( подают

СТВИЄМ;

щимся выполи При вр перекр] ных СИ характс штуцер поступі каналаї ванное по раді Во вре! ние вн частота

r3, 2000

схеме

1ЮЩИЙ

выход-

амость

(7)

1/3 и ркуля-коэф-Ьализ [ суще-ков по

Таблица

0,74 : 0,548 0,4 0,296

0,375

0,375

0,333

0,339

0,305

0,273

0,244

0,30li

0,271

0,243

0,216,

0,329

0,288

0,253

0,222

0,284

0,240

0,204

0,176

схеме

эдного

потока по трем ступеням и рециркуляция на каждой из них. Такой схеме потоков отвечает уравнение

1

(1 — <2)2(1 - с2)” +

+

а2( 1 - а,)" +

ilb 1 + /3,

■а.

(8)

При условии, что коэффициенты а1 и а2 соответственно равны 1/3 и 1/2, коэффициенты рециркуляции на каждой ступени /3 = 0,1, получим 0,24 а 2.

При коэффициентах рециркуляции /3 = 0,2 дисперсия выходного потока о*/~ 0,176 ою . Таким образом, при организации движения материальных потоков по схеме /) получаем наименьшее значение дисперсии. В таблице приведены результаты корреляционного анализа всех рассмотренных нами схем движения материальных потоков в СНД центробежного типа.

ВЫВОД

Выявлены наиболее рациональные схемы (Си О) организации материальных потоков в центробежном трехступенчатом СНД. Их использование

позволяет существенно улучшить качество получаемой смеси и при необходимости увеличивать максимальную производительность СНД по сравнению с базовой конструкцией. Выбор той или иной схемы движения потоков зависит также от конструктивных решений (обеспечения возможности регулирования степени рециркуляции) и их практического воплощения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванец В.Н., Коршиков Ю.А., Иванец Г.Е. Прогнозирование качества смеси в вибрационном смесителе с рециклом / / Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов. — Иваново: ИХТИ, 1987. — С. 6-10,

2. Иванец Г.Е., Коршиков Ю.А., Макаров Ю.И. Смешение в вибрационном смесителе с опережающим движением материальных потоков // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1989. — № 5. — С. 94-95.

3. Шушпанников А.Б., Иванец Г.Е. Моделирование процесса смешивания сыпучих материалов в вибрационных смесителях непрерывного действия / / Вест. Междунар. акад. холода. — 1999. — № 2.

4. Бытев Д.О., Зайцев А.Н., Копейкин В.А. // Тез. докл, Всесоюз. конф. ’’Технология сыпучих материалов. Химтех-ника-86”, — Белгород, 1986.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 28.12.99 г.

621.796.63:62-13

РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ СТАДИИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

Г.Е. ИВАНЕЦ, С.Н, АЛЬБРЕХТ, П.В. ПЛОТНИКОВ

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Задача равномерного распределения исходных компонентов по всему объему смеси может быть решена путем интенсификации процесса перемешивания при использовании акустических (20-20000 Гц) упругих колебаний [1, 2]. Цель нашего исследования — разработка и практическая проверка оригинального роторно-пульсационного аппарата РПА, способного генерировать звуковые колебания в указанном диапазоне.

На рисунке представлен разрез головной части РПА. Его работа осуществляется следующим образом. По входному штуцеру 2 в рабочую полость 1 подаются исходные жидкие компоненты. Под действием инерционных сил, создаваемых вращающимся ротором 10, они проходят через прорези, выполненные в венцах статора 8,9 и ротора 10. При вращении вала 12 происходит их постоянное перекрытие, образуется зона действия пульсацион-ных сил и больших градиентов скорости, которая характеризуется высокой турбулентностью. По штуцерам 3 в камеру 7 в случае необходимости поступают другие жидкие компоненты и далее по каналам 15 направляются в пространство, образованное прорезями в венце ротора и ограниченное по радиальной образующей венцами статора 8, 9. Во время вращения ротора происходит перекрывание выходных отверстий каналов с одинаковой частотой, что способствует монодисперсному дис-

пергированию. Отверстия каналов выполнены в средней части зуба, что обусловливает равномерное распределение фазы по всему объему активной зоны. Благодаря этому достигается высокая величина поверхности контакта фаз и, как следствие, интенсификация процесса. Отверстия 14, выполненные в ступице ротора //, обеспечивают многократную внутреннюю циркуляцию смеси в рабочей полости 1. Лопасти 13 предназначены для увеличения радиальных токов жидкой фазы в рабочей полости, рубашка 16 — для подвода теплоносителя, штуцера 5, 6 — для входа и выхода хладоносителя, штуцер 4 — для выхода реакционной массы. Необходимая величина зазора между венцами статора и ротора (в пределах 0,1 — 1,5 мм) устанавливается с помощью регулировочных шайб 17.

Опытно-промышленный образец РПА имел емкость рабочей полости 0,0011 м3, скорость вращения ротора составляла 3000 об/мин. Производительность изменялась в диапазоне 22-66 кг/ч, что соответствовало времени пребывания смеси внутри аппарата от 1 до 3 мин.

Нами проведен ряд опытов с целью проверки возможности применения РПА при производстве майонеза Провансаль на стадии гомогенизации. В состав майонеза, кроме растительного масла и воды, входили яичный и горчичный порошок, сухое молоко, сахар, соль, сода в количестве от 0,05 до 5%. Предварительно проводилось грубое эмульгирование компонентов в отдельной емкости, а