РАЗДЕЛ 2
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
ПРОЦЕССОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКИХ
СИСТЕМ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
В разделе приведена программа исследований, представлена характеристика и
обоснован выбор методов (квалиметрии, моделирования процессов тепло- и
массоотдачи в растворе при блочном вымораживании из него воды, равновесной
температуры при фазовом превращении «раствор>лед +раствор», теплофизических
свойств раствора и вымороженной фазы, обобщения результатов экспериментальных
исследований, оценки ошибок исследований и оптимизации), использование которых
необходимо для решения диссертационных задач. Приведена характеристика
разработанных экспериментальных стендов и методик исследований.
Программа исследований
Анализ литературных источников позволил разработать программу диссертационных
исследований (рис. 2.1). Программа иллюстрирует связь основных этапов работы, а
также постановку экспериментов и методы исследований на каждом этапе работы.
В качестве направлений повышения эффективности вымораживающих установок выбраны
следующие: формирование структуры показателя эффективности вымораживающих
установок, усовершенствование методов их расчета, а также обоснование режимных
и конструктивных параметров установки.
Основными этапами достижения поставленной в диссертационной работе цели
являются:
- разработка (или обоснование выбора) методик и стендов для экспериментальных
исследований;
- выбор растворов для исследований и определение цели их обработки;
- создание научно-технических основ процессов низкотемпературного разделения
жидких систем;
- выполнение экспериментальных исследований, направленных на подтверждение
сформулированных научных положений и установление закономерностей изменения
свойств раствора и вымороженной фазы, а также кинетических закономерностей
процессов переноса массы и теплоты, происходящих в блочном вымораживателе;
- разработка инженерных методик и программ для расчета вымораживающих
установок;
- оптимизация режимных и конструктивных характеристик вымораживающей установки
по комплексному показателю качества;
-разработка практических рекомендаций по проектированию вымораживающих
установок и их использованию в пищевой промышленности;
- проведение опытно-промышленной апробации и определение
социально-экономической эффективности от использования вымораживающих
установок.
В качестве вымораживающей установки при решении представленных направлений и
задач исследований принято использовать блочный вымораживатель как
перспективный способ для низкотемпературного разделения растворов (п. 1.5.3).
Обоснование выбора метода оценки уровня качества вымораживающих установок
Анализ ранее проводившихся исследований процессов блочного вымораживания воды
из пищевых растворов [8-11, 101-124, 151-156, 174-206, 232, 294-297] показал,
что температурный режим процесса наиболее существенно влияет на кинетику
процесса.
Ниже приведены результаты сравнения значений кинетических параметров (или
единичных показателей качества) процессов блочного вымораживания воды из водных
растворов сахарозы, полученные при температурных режимах работы установки минус
10 оС и минус 20 оС и при условиях: массовая доля растворимых веществ в
исходном растворе 7 %, начальная масса раствора 1,5 кг, вымораживание раствора
осуществлялось на кристаллизаторе с диаметром 0,05 м (табл. 2.1). В качестве
базового выбран режим вымораживания при температуре минус 10 оС.
Таблица 2.1
Влияние температурного режима на кинетические параметры процесса блочного
вымораживания
Параметр процесса
Физический смысл, единица измерения
Температурный режим, , оС
Характер влияния температурного режима и
- 10
- 20
Степень концентрирования раствора
1,68
1,46
ухудшение,
=0,86
Выход концентрированного раствора
, %
58, 6
35,2
ухудшение, =0,60
Массовая доля растворимых веществ в блоке льда
, %
0,2
4,4
ухудшение, =22
Толщина вымороженного слоя
, мм
35
47
улучшение,
=1,34
Длительность процесса
, с
14400
10800
улучшение,
=0,75
В табл. 2.1 использованы следующие обозначения: - массовая доля растворимых
веществ в исходном растворе, %; - массовая доля растворимых веществ в конечном
продукте, %; - конечная и начальная масса раствора, кг; - масса вымороженной
твердой фазы (блока льда), кг.
Из табл. 2.1 видно, что характер влияния температурного режима на кинетические
параметры рассматриваемого процесса не является однотипным. В одних случаях
понижение температурного режима приводит к уменьшению значений показателей, а в
других - к их повышению. Это в свою отображается на ухудшении или улучшении
эффективности процесса блочного вымораживания.
Расчет относительных показателей качества показал, что в одних случаях значение
больше единицы, а в других – меньше (табл.2.1). Согласно проведенному анализу
существующих методов квалиметрии (п.1.7), для таких условий в качестве метода
оценки уровня качества вымораживающей установки целесообразно выбрать
комплексный метод. При этом уровень качества (или эффективности) вымораживающей
установки будем выражать через интегральный показатель, структуру которого еще
необходимо разработать.
Методология исследований равновесных температур растворов при фазовом
превращении «раствор>лед +раствор»
Расчет процессов тепло- и массообмена в вымораживающей не возможен без данных о
криоскопических кривых растворов, так как разность температур между
температурой замерзания раствора и температурой замерзания чистого растворителя
является движущей силой процесса вымораживания [246, 290]. Зависимость
равновесной температуры раствора при фазовом превращении «раствор>лед +раствор»
от массовой доли
- Київ+380960830922