Процессы и аппараты пищевых производств. Рубрика в журнале - Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий
Математическое моделирование процесса сушки снеков из фарша бычка азовского в псевдоожиженном слое
Статья научная
Предложена математическая модель процесса сушки снеков из фарша бычка азовского в псевдоожиженном слое с распределенными параметрами процесса теплообмена между поверхностью анизотропного тела и окружающей средой. Рассмотрено решение задачи нестационарной теплопередачи путем теплопроводности с использованием метода Галёркина. Пробные и поверочные функции используемого метода, реализованные в среде инженерных расчетов PTC MathCAD линейно независимы, представляют собой первые элементы полной системы полиномиальных функций и удовлетворяют граничным и начальным условиям. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, которые позволяют рассмотреть процесс сушки снеков из фарша бычка азовского в псевдоожиженном слое и научно обосновать варианты его совершенствования. По результатам экспериментальных исследований показана адекватность полученной математической модели. Доказано, что при равномерном начальном распределении температуры в процессе предварительного прогрева температурная неоднородность возрастает вплоть до момента фазового перехода на поверхности высушиваемого объекта. Установлена важность учета фазы предварительного прогрева влажного материала, так как на этой стадии формируется температурный профиль, отличающийся значительной неоднородностью. Это особо важно, так как температурная неоднородность непосредственно влияет на качество пищевого продукта. Подтверждена возможность учета анизотропии в процессах теплообмена при использовании объемной математической модели переноса с распределенными параметрами. Разработанная методика позволяет значительно увеличить точность решения анизотропной краевой задачи, путем замены операции интегрирования элементов матриц жесткости системой дифференциальных уравнений алгебраическими формулами.
Бесплатно
Математическое моделирование теплои массообменных процессов в реакторе анаэробного сбраживания
Статья научная
Разработанная программа позволяет смоделировать температурный режим реактора и разработать рекомендации по оптимальным величинам основных параметров процесса. Математическая модель тепло- и массообменных процессов в реакторе анаэробного сбраживания строится с учетом трехслойной структуры среды в реакторе.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты моделирования – некой математической функции, которая описывает поведение объекта исследования, абстрагируясь от внутренней структуры вещественного субстрата. Рассматриваемое построение моделей экспериментальныx зависимостей экструдирования аномально-вязкиx сред включает в себя следующие этапы: уточнение в зависимости от конкретной задачи оптимизируемыx параметров (удельные энергозатраты на процесс экструзии, давление в предматричной зоне, комплексный органолептический показатель качества и др.); выбор факторов, определяющиx изменчивость оптимизируемыx параметров (начальная влажность продукта, частота вращения шнека, живое сечение матрицы и др.); подбор интервалов изменения факторов; подбор плана и условий проведения эксперимента; анализ данныx эксперимента и построение математической модели зависимостей оптимизируемыx параметров от выбранныx факторов. При планировании эксперимента найдены условия для проведения опытов, получения достоверной и точной информации об объекте, с затратами минимальныx усилий, подачей информации в удобной форме и количественной оценкой точности...
Бесплатно
Математическое описание процесса сушки зерна проса в аппарате с активным гидромеханическим режимом
Статья научная
В основу создания новых конструкций сушильных установок закладывается математическое описание исследуемого процесса с учетом способа загрузки и перемещения продукта в аппарате, способах подвода теплоносителя или иного вида энергоподвода, теоретическая производительность, а также конструктивная (геометрическая) составляющая аппарата. Для моделирования процесса в нашей работе был рассмотрен цилиндроконический сушильный аппарат с активным гидродинамическим режимом и СВЧ-энергоподводом, одной из особенностей которого является загрузка продукта в потоке тангенциального потока теплоносителя. Объектом исследования было выбрано зерно проса по причине высокой биологической ценности и высокого распространения в южных регионах Российской Федерации. На основе проведенного теоретического анализа было принято решение о разделении математической модели на две условные составляющие: изучение тепло-массообмена и изучение аэродинамической составляющей процесса сушки. В данной работе нами была подробно раскрыта именно вторая составляющая процесса. Базисом данной модели послужили уравнения движения зерен проса на основе второго закона Ньютона. Теплоноситель в рамках предлагаемой модели считается сплошной средой, сильно сжимаемой, и обладающей внутренней вязкостью, описываемой уравнением Навье-Стокса. Начальными условиями данной математической модели послужили следующие допущения: скорости механического движения элементов равны нулю, начальная плотность воздушной среды во всех узлах равна равновесной плотности воздуха, начальная скорость движения воздушной среды во всех узлах равна нулю. Граничные условия можно охарактеризовать как постоянство влажности и температуры теплоносителя, а его перемещение напрямую ограниченно конструкцией сушильной камеры. Данная модель будет полезна специалистам, занимающимися проблемами расчетов и проектирования сушильного оборудования.
Бесплатно
Метод конечных элементов в решении задач теплопроводности
Статья научная
В работе предлагается использовать конечные элементы с функцией Хэвисайда, которые позволяют упрощать и формализовать создание кусочно-непрерывной пробной функции, используемой для решения континуальных задач методом Галеркина.
Бесплатно
Статья научная
На кафедре технологий пищевых производств МГТУ разработан способ получения коптильного дыма с использованием ИК-энергоподвода. Способ устойчиво обеспечивает температуру пиролиза древесного топлива меньше 400 ºС. На кинетику нагрева слоя топлива - древесных опилок - влияет их насыпная плотность и влагосодержание. Ранее предложена методика расчета оптимальных режимов получения дыма, которая основана на системе дифференциальных уравнений тепло- и массообмена в ИК-дымогенераторе. В систему уравнений входят теплофизические характеристики (ТФХ) слоя топлива - объемная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности. Точное определение этих характеристик экспериментом влияет на точность расчета оптимальных режимов процесса с использованием разработанного программного обеспечения. Предложено определение ТФХ слоя древесных опилок по способу, в основе которого определение температурного перепада от поверхности, облучаемой ИК-импульсом, в глубину слоя и определение динамической зависимости нарастания температуры по толщине слоя во времени. Для измерения температуры облученной пористой поверхности слоя опилок предлагается использовать тепловизор.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрена и обоснована методика расчета листоканальных теплообменников рубашечного типа, применяемых в тепловом технологическом оборудовании на предприятиях общественного питания. На сегодняшний день, большинство паровых рубашек технологических аппаратов пищевой промышленности представляют собой открытое щелевое пространство и работают под давлением, что влечет утолщение стенок теплообменников, а значит, повышает металлоемкость. Листоканальные же теплообменники, в отличие от обычных рубашек, изготовлены из тонких металлических листов. Панели листоканальных теплообменников представляют собой конструкцию, составленную из двух металлических листов, которые соединены между собой контактной сваркой. Между листами сформированы греющие паровые каналы. Конструкция листоканальных теплообменников позволяет значительно снизить толщину стенки, а значит уменьшить металлоемкость и снизить тепловую инерцию аппаратов. В данной статье описаны методы, позволяющие рассчитать площадь паровых каналов и получить оптимальные размеры межканальных участков для листоканальных теплообменников тепловых аппаратов предприятий питания...
Бесплатно
Методика расчёта двухступенчатой системы сепарации установки для производства биотоплива
Статья научная
В настоящее время переработка растительных отходов является перспективным направлением развития в современной энергетике. Существует множество методов переработки отходов, но не все из них являются экономически обоснованными и безвредными для экологии. Одним из самых распространенных методов переработки является быстрый абляционный пиролиз, предназначенный для термической переработки отходов без доступа кислорода. В результате такой переработки образуется: углеродистый остаток и пиролизный газ. Количество получаемых пиролизных газов составляет 60 % и более от массы перерабатываемого сырья. Чтобы пиролизные газы стали высококачественным топливом их необходимо подвергнуть процессу сепарации, который протекает в устройствах, называемых - конденсатор паров. При сепарации пиролизных газов лучше не использовать обычные нефтегазовые конденсаторы так как конденсируемые пиролизные газы обладают высокой смольностью из-за чего происходит более быстрый износ устройства. Для установки по производству пиролизного топлива предлагается двухступенчатая система сепарации, предназначенная для разделения пиролизных газов на фракционные составляющие: пиролизного дистиллята, неконденсирующегося горючего газа и воды. В статье представлена конструкция двухступенчатой системы сепарации. Описан принцип работы двухступенчатой системы сепарации, дана схема её устройства. Представлена методика расчета двухступенчатой системы сепарации, позволяющая определить геометрические параметры конденсаторов скруберного и эжекторного типов.
Бесплатно
Механизм массообмена в процессе посола рыбы
Статья научная
Процесс посола рыбы основан на закономерностях, связанных с диффузионным переходом соли в рыбу и диффузионно-осмотическим переносом воды из тканей рыбы в тузлук или наоборот. Объектом исследования является сельдь атлантическая, для которой устанавливался характер пространственно-временного распределения соли внутри продукта. В качестве метода экспериментального исследования использован современный метод неразрушающего контроля - фотонной корреляционной спектроскопии. Теоретическая модель процесса получена на основании второго закона Фика в виде решения дифференциального уравнения методом разделения переменных. Качественный характер математической модели трактуется как экспоненциальный подход к равновесному значению концентрации соли в процессе посола рыбы. Получены экспериментальные зависимости коэффициента диффузии от глубины проникновения соли в мышечную ткань рыбы. Показано, что скорость массопереноса соли на первом этапе процесса посола составляет примерно 3·10-4мм/с...
Бесплатно
Механизмы передачи теплоты в градирнях (теория и методы расчёта)
Статья научная
Градирни - высокоинтенсивные смесительные теплообменные аппараты. В них теплообмен происходит при непосредственном контакте (соприкосновении) теплоносителей, то есть в теплообменниках отсутствует термическое сопротивление стенки. При охлаждении оборотной воды воздухом часть теплоты передается за счет поверхностного испарения воды - превращения воды в пар с последующим переносом пара путем диффузии в поток воздуха. Другая часть - за счет разницы в температурах между водой и воздухом, то есть теплопередачей соприкосновением (теплопроводность и конвекция). Теплопередача при непосредственном контакте воздуха и вводы всегда сопровождается процессом переноса массы из одной фазы в другую. Это типичный процесс сопряженного тепломассопереноса. В нашем случае под испарением подразумевается процесс перехода воды из жидкого состояния в парообразное при температуре меньшей, чем температура кипения воды при заданном давлении. Поскольку в процессе испарения вода охлаждается, то источником энергии является сама вода. Имеет место процесс адиабатного испарения, при этом вода охлаждается до температуры мокрого термометра. В градирне всегда имеет место испарение. Установлено, что отвод теплоты испарением преобладает над теплоотдачей соприкосновением. Записано уравнение теплового баланса, позволяющее определить расход воздуха на охлаждение воды. Приведено уравнение для расчета температуры мокрого термометра. Приведен метод расчета средней разности энтальпий воздуха в градирне. Аэродинамический расчет вентиляторных градирен заключается в установлении соответствия полного аэродинамического сопротивления градирни напору, развиваемому вентилятором. Полное аэродинамическое сопротивление представляет собой сумму сопротивлений ее элементов. Записаны формулы для расчета коэффициентов сопротивлений. Рассмотрены потери воды вследствие испарения, уноса в виде капель, на фильтрацию, продувку.
Бесплатно
Статья научная
Научная и инновационная деятельность по созданию энергоэффективных процессов при переработке дыни, является актуальной задачей. Одной из трудоёмких операций в данной технологии является отделение коркиотмякоти с их последующим целевым применением в создании новых продуктов питания. Недостаточная научно-экспериментальная база этой операции сдерживает разработку высокоэффективных машин для её реализации. В связи с этим предлагается методика проведения эксперимента по отделению корки от дыни на опытной установке и поиск оптимальных режимов её работы методами статистического моделирования. Вкачестве объектов исследования были взяты дыни позднеспелых сортов: Калайсан, Торлами, Гуляби-сары. Для исследования взаимодействия факторов, влияющих на процесс отделения корки от мякоти дыни, применяли центральное композиционное ротатабельное униформпланирование идробный факторный эксперимент. Использование метода планирования эксперимента с обработкой матрицы планирования в программном модуле Design Expert v.10, позволило получить уравнения регрессии, адекватно описывающие реальный процесс. Установлены рациональные интервалы значений отношения частоты вращения истирающего барабана к частоте вращения подающего барабана; величины зазора между подающим барабаном и срезающим ножом; угла заточки срезающего ножа; количества шипов подающего барабана; диаметра отверстий истирающего барабана. Среднеквадратичная ошибка непревышала 12,4%. Графическая интерпретация уравнений регрессии представлена кривыми равных значений и инженерными номограммами, которые позволяют прогнозировать выбор рациональных значений входных факторов по трём критериям: минимальным значениям удельных энергозатрат на процесс срезания, максимальным значениям удельной производительности по мякоти и коэффициенту извлечения мякоти. Полученные данные могут быть использованы при оперативном управлении технологическими параметрами процесса с учётом геометрических размеров дыни, и её неоднородного состава.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время на сахарных заводах актуально использование передовых технологий, базирующихся на использовании сочетания физического и энергетического воздействия на исходное сырье и обеспечивающих сокращение потерь сахарозы на этапе получения диффузионного сока. Предлагается способ прессово-диффузионного получения сока из сахарной свеклы, позволяющий обеспечить сокращение производственных затрат, повысить выход сахарозы из свекловичной стружки и снизить потери на этапе получения диффузионного сока. В работе исследован прессово-диффузионный способ добычи сока из сахарной свеклы с применением методов математического планирования и статистической обработки результатов опытов. На экспериментальных установках под воздействием технологических параметров, в качестве которых выступали давление, прикладываемое к свекловичной массе на стадии прессования, температура на стадии диффузии, температура предварительной обработки свекловичной стружки перед прессованием и частота ультразвуковых колебаний излучателя в диффузионной установке, получены уравнения регрессии и субоптимальные параметры, обеспечивающие максимальный выход свекловичного сока при минимальных затратах энергии на его реализацию. Такими режимными параметрами явились следующие: давление прессования 0,27-0,33 МПа, температура предварительной обработки свекловичной стружки 334,2-337,3 К, температура диффузии 342,5-345,0 К и частота ультразвукового излучения 21,25-23,36 кГц. Представленные инженерные номограммы, позволяют быстро и качественно определить величину удельных затрат энергии и величину выхода жидкой фазы от технологических параметров прессово-диффузионного способа получения свекловичного сока.
Бесплатно
Статья научная
Фруктовая продукция является важным источником эссенциальных пищевых веществ. В настоящее время потребители все больше сознают значение здорового питания и потребления фруктов с высокой пищевой ценностью. В связи с этим технологии переработки фруктового сырья должны быть направлены на сохранение его вкуса, цвета, аромата и пищевой ценности. Тепловая обработка является наиболее распространенным способом консервирования пищевых продуктов и осуществляется при соблюдении особых температурно-временных режимов, которые можно классифицировать по интенсивности теплового воздействия на продукт. В связи с этим предлагается изучить вопросы влияния термической обработки яблочного сока прямого отжима на свойства продукта: антирадикальную, антиоксилительную активности, восстанавливающую силу. В качестве объектов исследования был взят яблочный сок прямого отжима из яблок сорта «Жигулевское», произрастающего в Самарской области. Использован метод планирования эксперимента с обработкой матрицы планирования. Установлено, что режим термической обработки сока при температуре 115–120 °С при 120 секундах является наиболее оптимальным. Построена математическая модель, описывающая влияние указанных параметров на свойства продукта. В настоящей работе предлагается специальный метод обработки баз данных в форме таблиц, который использует методы интерполяции и апроксимации, подбирая соответствующие алгебраические многочлены, а также другие аналитические зависимости, широко применяемые в инженерно-технологической исследовательской практике. Этот метод аналитического расширения табличных данных позволяет трансформировать исходную (начальную) таблицу экспериментальных данных в сводную (конечную) таблицу данных, которая дает возможность решать определенные задачи статистического и экстремального держания. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания № 2014/ 199 ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» код 974.
Бесплатно
Статья научная
Свекловичный жом - это главный побочный продукт сахарной промышленности, получаемый при традиционной технологии сахарного производства. Жом используют на корм скоту в свежем, кислом и сухом виде. Меласса является вторым побочным продуктом и представляет собой вязкую жидкость темно-коричневого цвета. При низких температурах (ниже 10 °С) она густеет и теряет текучесть. В значительной мере ее вязкость зависит от температуры нагрева. С повышением температуры в мелассе происходит карамелизация сахаров, т. е. превращение их в твердую кристаллическую массу. Меласса используется в комбикормовой промышленности при гранулировании и брикетировании кормов как связывающий ингредиент. При вводе мелассы в сушеный свекловичный жом смесь становится очень вязкой, что осложняет смешивание. Высокие требования предъявляются к смешиванию составляющих кормовых брикетов, поскольку при получении такой продукции данный процесс должен обеспечить ее высокую однородность и стабильность. В технологических процессах по изготовлению кормовых смесей первоначальной задачей является операция по смешиванию компонентов, результаты которой влияют на поедаемости и усвояемости кормов...
Бесплатно
Модели технологических систем с гидродинамикой идеального вытеснения и смешивания в Simulink
Статья научная
Основной трудностью при использовании динамических моделей элементов технологических систем с гидродинамикой идеального перемешивания и вытеснения в системах компьютерного моделирования MathWorks Simulink™ является представление обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) и дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП), описывающих динамику процесса, в набор блоков MathWorks Simulink™. Цель работы - разработка подхода к синтезу матричных динамических моделей элементов технологических систем с гидродинамикой идеального перемешивания и вытеснения, позволяющего осуществлять переход от ДУЧП к системе ОДУ на основе матричного представления дискретизации производных по координате. Процесс синтеза динамической матричной математической модели рассматривался на примере охладителя сахарного сиропа. Показателями качества готового продукта выбраны размеры кристаллов сахарозы и их доля в общем объеме помадной массы. Учет зависимости вязкости сиропа от температуры, тепловых эффектов в результате процесса кристаллизации сахарозы из сиропа, конструктивных особенностей типовой помадосбивальной машины позволил уточнить динамику процесса охлаждения сиропа...
Бесплатно
Статья научная
Экстрагирование сахарозы является ключевым процессом свеклосахарного производства, определяющим его эффективность. Этот процесс существенно ускоряется при комплексном тепловом, электрическом и химическом воздействии на свекловичную ткань в процессе ее подготовки и осуществляется в ошпаривателях различных конструкций. Конструктивные параметры ошпаривателя можно оценить с использованием методов математического моделирования. При разработке модели применили конечно-элементный подход путем представления сложных тел в виде большого количества отдельных однотипных элементов и метод динамики частиц. При моделировании введен ряд коэффициентов, связанных с разбиением стружки на отдельные шарообразные элементы: mЭ, cС, dЭС, cИС. Для их расчета использовали справочные и экспериментальные данные. Математическая модель реализована в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений, для обработки которых разработана компьютерная программа на языке Object Pascal. Разработанная модель позволяет варьировать большое число конструктивных и технологических параметров ошпаривателя и механико-геометрических параметров свекловичной стружки, и определять показатели, характеризующие эффективность термохимической обработки стружки. В качестве конструктивных параметров выбраны угол наклона форсунки в вертикальной плоскости, длина и диаметр форсунки. Эффективность конструкции ошпаривателя оценивали массой свекловичной стружки, накопившейся на форсунке, и временем контакта свекловичной стружки с внутренними поверхностями ошпаривателя. В ходе компьютерного эксперимента установлено, что увеличение угла наклона форсунок при различных их длине и диаметре существенно снижает массу накапливающейся стружки и время контакта стружки с поверхностью ошпаривателя. Полученная модель предназначена для конструирования опытных образцов ошпаривателя.
Бесплатно
Моделирование облика пищевых технологий в шестом технологическом укладе
Статья научная
Статья посвящена некоторым аспектам создания технологий будущего АПК России. В центре внимания находится диалектический подход к разработке сложных технологий АПК как синергетического комплекса процессов преобразования сельхоз сырья в продукты питания. Круг обсуждаемых вопросов включает: возможный облик технологий АПК в Шестом технологическом укладе с позиций прикладной философии; диалектическую неизбежность усложнения технологии АПК; развитие систем автоматического проектирования и систем автоматизации научных исследований; производительный труд учёного и инженера АПК в Пятом, Шестом и Седьмом технологических укладах; условие технологического прорыва в будущее АПК России; диалектику революционных и эволюционных подходов в развитии пищевых технологий. В период скачка в развитии пищевой технологии происходит как радикальное изменение ее структуры, так и всплеск функциональных возможностей, в результате чего ослабляются внутренние противоречия. Поэтому с достижением нового, более высокого уровня организации технологии становится меньше противоречий с резко выраженными тормозящими факторами. Однако противоречия не исчезают вовсе, вместо одних появляются другие, но, как правило, менее острые, т. е. характерные для более высокого уровня организации. Дальнейшее развитие технологии идет в виде эволюционных изменений: совершенствование процессов и модернизация оборудования. Для создания инновационных технологий необходимо: проанализировать современные технологии АПК России и их техническое сопровождение с точки зрения возможности и целесообразности создания в перспективе системных технологических комплексов индустриального производства и переработки продукции сельского хозяйства в продукты питания; разработать перспективные про-граммы поисковых, фундаментальных, прикладных и опытно-конструкторских работ с государственным бюджетным финансированием по сквозным технологиям системного комплекса на период до второй половины XXI века и далее; организовать подготовку научных и инженерных кадров путем объединения вузов сельскохозяйственного и пищевого профилей.
Бесплатно
Моделирование пневматического привода мехатронного комплекса для порционирования пищевых продуктов
Статья научная
Рассмотрен пневматический привод режущего рабочего органа мехатронного комплекса для порционирования пищевых продуктов. Проанализированы уравнения динамики пневмодвигателя. Приведена принципиальная схема пневматического привода. Изложена математическая модель для силы полезного сопротивления при движении пневмодвигателя с режущим инструментом. Приведена математическая модель для сил сопротивления резанию пластинчатым ножом.
Бесплатно
Моделирование процесса вакуум- сублимационной сушки гранулированных продуктов
Статья научная
В работе рассмотрен и промоделирован процесс вакуум-сублимационной сушки гранулированных продуктов с деструкцией высохшего слоя. Развитием этого направления служит метод, основанный на удалении высохшего слоя продукта с поверхности гранул, образованных в виде сферических тел и помещенных в перфорированный барабан. После процесса предварительного замораживания гранулы попадают в расположенный в вакуумной сушильной камере перфорированный барабан. При постоянном перемешивании гранул продукта за счет трения их между собой и о стенки барабана сухая часть продукта претерпевает деструкцию и равномерно отделяется от замороженного остатка. Процесс заканчивается тогда, когда весь продукт в грануле превращается в сухой порошок. Для построения адекватной модели процесса сушки, целесообразно рассматривать отдельную гранулу, а не слой гранул в целом, но с учетом влияния гранул друг на друга в процессе сушки. Для этой цели приведена схема и математическое описание облучения тепловым потоком отдельной гранулы продукта. Для учета прерывистого характера облучения гранулы предложен коэффициент и два альтернативных подхода к его определению. А также дан алгоритм определения коэффициента, учитывающего односторонность облучения гранулы. Сформулирована математическая модель процесса вакуум-сублимационной сушки гранулированных продуктов, которая представляет собой одномерную параболическую краевую задачу с подвижной границей. Она включает в себя нестационарные уравнения теплопроводности, начальное условие, граничные условия и определяющие подвижную границу условия. Искомыми величинами здесь являются температурные поля и свободная граница. Пояснено происхождение функций внутренних тепловых источников, присутствующих в уравнениях теплопроводности.
Бесплатно
Статья научная
Использование термодинамических соотношений и уравнения состояния Редлиха-Квонга, получение аппроксимационных зависимостей мольного объема от температуры и давления и теплоемкости идеального газа от температуры для моделирования процесса компримирования паров ректификованного спирта. Эксергетический анализ схемы спиртовой колонны с тепловым насосом и ее сравнение с типовой брагоректификационной установкой.
Бесплатно
