ФБОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ» КАФЕДРА МАШИН И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ЯБЛОЧНОГО СОКА В БАРАБАННОЙ ВЫМОРАЖИВАЮЩЕЙ УСТАНОВКЕ Направление Технологические машины и оборудование Обучающийся студент гр. М-155 Шарова Наталья Игоревна Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Овсянников Виталий Юрьевич ВОРОНЕЖ
Предложение промышленных соковых концентратов, РФ (* – прогноз) Пищевая ценность и химический состав яблочного сока (на 100 г съедобной части продукта)
исследование криоскопических температур и количества вымороженной влаги при концентрировании яблочного сока вымораживанием исследование процессов замораживания и размораживания яблочного сока; определение антиоксидантной активности яблочного сока исследование процесса вымораживания влаги из яблочного сока в барабанном аппарате системное проектирование технологического потока производства плодовых соков разработка технологической линии для концентрирования плодовых соков с использованием вымораживания разработка высокоэффективной барабанной вымораживающей установки эксергетический анализ двухступенчатого процесса концентрирования жидких сред Цель работы: исследование процесса и разработка оборудования барабанного типа для концентрирования яблочного сока. Цель работы: исследование процесса и разработка оборудования барабанного типа для концентрирования яблочного сока.
Бизнес-планирование и обоснование инвестиционного предложения Актуальность и востребованность результатов проекта Бизнес-план проекта Современное состояние теории техники и технологии концентрирования жидких пищевых сред Существующие способы и технологические линии для получения концентрированных плодовых соков Основные закономерности процесса тепло- и массообмена при концентрировании жидких сред Существующие конструкции барабанных морозильных аппаратов и пути их совершенствования Исследование свойств яблочного сока как объекта концентрирования вымораживанием Криоскопические температуры и количество вымороженной влаги Исследование процессов замораживания и размораживания яблочного сока Определение содержания антиоксидантной активности, сухих веществ, показателя преломления, вязкости и рН яблочного сок Исследование процесса вымораживания влаги из яблочного сока в барабанном аппарате Техника и методика экспериментальных исследований Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса вымораживания яблочного сока Исследование процесса концентрирования яблочного сока в барабанной вымораживающей установке Техническая реализация результатов исследований процесса вымораживания яблочного сока Системное проектирование технологического потока производства плодовых соков Разработка технологической линии для концентрирования плодовых соков с использованием вымораживания Разработка высокоэффективной барабанной вымораживающей установки Эксергетический анализ двухступенчатого процесса концентрирования жидких сред Безопасность и экологичность проекта Технико-экономическое решение проекта
Изменение криоскопической температуры яблочного сока от начального содержания сухих веществ Зависимости количества вымороженной влаги в яблочном соке в зависимости от температуры при содержании сухих веществ: 1 – 10,2 %; 2 – 14,8 %; 3 – 20,5 %; 4 – 24,7 %
Термограмма замораживания и плавления яблочного сока торговой марки «Фруктовый сад»: I – период замораживания; II – период плавления; 1 – показания дифференциальной термопары; 2 – показания термопары Термограмма замораживания и плавления свежевыжатого сока из яблок сорта Лиголь»: I – период замораживания; II – период плавления; 1 – показания дифференциальной термопары; 2 – показания термопары
Изменение эффективной вязкости яблочного сока от температуры: 1 – исходный; 2 – выпаренный; 3 – вымороженный Рефрактометр РПЛ-4Вискозиметр SV-10
1 – вымораживающий барабан; 2 – поддон; 3 – внутренняя обечайка; 4 – сальниковое уплотнение; 5 – вал; 6 – опорные шарикоподшипники; 7 – электродвигатель; 8 – хромель-копелевые термопары; 9 – токосъемник; 10 – потенциометр К СП-4; 11,12,13 – ртутные термометры; 14 – нож; 15 – мерная линейка; 16 – расходный бачок; 17 – компрессор; 18 – конденсатор; 19 – ресивер; 20 – фильтр-осушитель; 21 – терморегулирующий вентиль; 22 – чувствительный патрон; 23 – реле давления; 24 – шкальный индикатор; 25, 26 – манометры
Зависимость конечного содержания сухих веществ СВ к, % в яблочном соке, сконцентрированном вымораживанием от температуры стенки барабана t, °С и начального содержания сухих веществ СВ н, % при частоте вращения барабана n=0,08 с -1 Зависимость конечного содержания сухих веществ СВ к, % в яблочном соке, сконцентрированном вымораживанием от температуры стенки барабана t, °С и частоты вращения барабана n при начальном содержании сухих веществ СВ н =11,0 % Зависимость конечного содержания сухих веществ СВ к, % в яблочном соке, сконцентрированном вымораживанием от частоты вращения барабана n и начального содержания сухих веществ СВ н, % при температуре стенки барабана t=-20 °С
Зависимость удельных затрат энергии на концентрирование q уд яблочного сока вымораживанием от температуры стенки барабана t, °С и начального содержания сухих веществ СВ н, % при частоте вращения барабана n=0,08 с -1 Зависимость удельных затрат энергии на концентрирование q уд яблочного сока вымораживанием от температуры стенки барабана t, °С и частоты вращения барабана n, с -1 при начальном содержании сухих веществ СВ н =11,0 % Зависимость удельных затрат энергии на концентрирование q уд яблочного сока вымораживанием от частоты вращения барабана n, с - 1 и начального содержания сухих веществ СВ н, % при температуре стенки барабана t = - 20 °С
Математическая модель взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс концентрирования яблочного сока методом вымораживания влаги в установке барабанного типа имеет вид уравнения регрессии В качестве основных факторов, влияющих на ход процесса концентрирования яблочного сока вымораживанием, были выбраны: t – средняя температура стенки барабана, °С; СВ н – начальное содержание сухих веществ в продукте, %; n – частота вращения барабана, с -1. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие указанный процесс под влиянием исследуемых факторов:
Зависимость конечного содержания сухих веществ СВ к, % от средней температуры t, °С стенки барабана кристаллизатора и начального содержания сухих веществ СВ н, % при частоте вращения барабана кристаллизатора n= 0,11 с -1 Зависимость конечного содержания сухих веществ СВ к, % от средней температуры стенки барабана t, °С и частоте вращения барабана n, с -1 при начальном содержании сухих веществ СВ н = 11,2 % Зависимость конечного содержания сухих веществ СВ к, % от начального содержания сухих веществ СВ н, % и частоты вращения барабана кристаллизатора n, с -1 при средней температуре стенки барабана кристаллизатора t = -18 °С Зависимость удельных энергозатрат q уд от средней температуры t, °С стенки барабана кристаллизатора и начального содержания сухих веществ СВ н, % при частоте вращения барабана кристаллизатора n= 0,11 с -1 Зависимость удельных энергозатрат q уд от средней температуры стенки барабана t, °С и частоте вращения барабана n, с -1 при начальном содержании сухих веществ СВ н = 11,2 % Зависимость удельных энергозатрат q уд от начального содержания сухих веществ СВ н, % и частоты вращения барабана кристаллизатора n, с -1 при средней температуре стенки барабана кристаллизатора t = -18 °С
Задача оптимизации: Результат : -средняя температура стенки барабана кристаллизатора: -21,2 … -19,6 °С -начальное содержание сухих веществ в яблочном соке: 11,35 … 11,52 % -частота вращения барабана: 0,86 … 0,91 с -1 Полученные результаты исследований позволяют выявить практические рекомендации для разработки режимов промышленного концентрирования вымораживанием яблочного сока, а также прогнозировать условия проведения указанного процесса.
1 – основание; 2 – ванна для продукта; 3 – сальниковые узлы; 4 – ось барабана; 5 – приводное устройство; 6 – барабан; 7 – волнистая полиметаллическая лента; 8 – устройство для ввода хладагента; 9 – устройство для отвода хладагента; 10 – специальная гибкая лента; 11 – вспомогательный вал; 12 – скребок для удаления остатков льда; 13 – лоток для отвода льда
1, 9, 12, 19 – насос; 2 – шнековый отделитель; 3, 6 – элеватор; 4 – моечная машина; 5 – инспекционный конвейер; 7, 14, 17, 18, 21, 23, 27, 31 – сборник; 8 – дробилка; 10 – пресс; 11 – пастеризатор-охладитель; 13 – дозатор пектолитических препаратов; 15 – трубчатый статический смеситель; 16 – охладитель; 20, 22 – фильтр; 24 – накопительный бак; 25 – вентиль запорный; 26 – мембранный фильтр предварительного концентрирования; 28 – барабанный кристаллизатор I ступени; 29 – плавитель вымороженного льда; 30 – барабанный кристаллизатор II ступени
Материальные и энергетические ресурсы Трудозатраты и средства на оплату труда Номенклатура приобретаемых технических средств
Экспериментально установлена зависимость криоскопической температуры от содержания сухих растворимых веществ и получено ее математическое описание Определено количество вымороженной влаги при изменении температуры замораживания исследуемого сока Термическим методом установлены температурные зоны фазовых переходов при замораживании, характерные для переохлаждения продукта, образования зародышей кристаллов льда, начала кристаллизации и дальнейшей интенсивной кристаллизации влаги Показано, что процесс плавления яблочного сока в зависимости от содержания сухих веществ, происходит при различной температуре и с различной интенсивностью, а также определена энергия активации процессов кристаллизации и плавления яблочного сока Доказано, что наибольшее влияние на величину конечного содержания сухих веществ оказывает температура стенки барабана и скорость его вращения, а на величину удельных затрат энергии наибольшее влияние оказывает температура стенки барабана кристаллизатора и начальное содержание сухих веществ в исходном соке Экспериментально установлены рациональные технологические параметры концентрирования яблочного сока вымораживанием: средняя температура стенки барабана кристаллизатора от минус 21,2 до минус 19,6 °С; начальное содержание сухих веществ в яблочном соке от 11,35 до 11,52 % и частота вращения барабана от 0,86 до 0,91 с -1 Разработана вымораживающая установка для концентрирования вымораживанием жидких пищевых и биологических сред Представленные технико-экономические расчеты показали эффективность научно-технических разработок, позволяющих получить годовой экономический эффект в размере ,9 р./год при окупаемости 0,98 года