ФГБОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ» КАФЕДРА МАШИН И АППАРАТОВ ПИЩЕВЫХ ПРОИВОДСТВ Автор работы ст. гр. М-155 Краминова Юлия Сергеевна «Исследование процесса и разработка конструкции кристаллизатора для концентрирования творожной сыворотки вымораживанием» Направление – «Технологические машины и оборудование» Научный руководитель доцент Овсянников Виталий Юрьевич Воронеж 2017
Актуальность работы Объем производства сырьевой натуральной сыворотки по ФО в 2015 г. Структура использования молочной сыворотки в России Импорт молочных продуктов в РФ в 2015 г. 1
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование процесса холодильного концентрирования творожной сыворотки методом вымораживания влаги и разработка оборудования для его осуществления - исследование рынка переработки творожной сыворотки; - исследование свойств и характеристик творожной сыворотки как объекта концентрирования вымораживанием; - изучение характера влияния основных факторов на процесс концентрирования методом вымораживания влаги; - определение оптимальных режимов работы вымораживающей установки; - разработка технологической линии высокоэффективного кристаллизатора для концентрирования жидких сред; - оценка точности и устойчивости линии концентрирования творожной сыворотки вымораживанием ЗАДАЧИ РАБОТЫ: 2
Схема теоретических и экспериментальных исследований Теоретические исследования Анализ современных установок для концентрирования вымораживанием жидких сред Общая характеристика творожной сыворотки, как объекта концентрирования вымораживанием влаги Общая характеристика творожной сыворотки, как объекта концентрирования вымораживанием влаги Классификация и анализ существующих способов концентрирования жидких сред вымораживанием Классификация и анализ существующих способов концентрирования жидких сред вымораживанием Разработка технологической линии производства ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Экспериментальные исследования Определение оптимальных характеристик и исследование процесса концентрирования вымораживанием Исследование кинетических закономерностей процесса вымораживания влаги Исследование кинетических закономерностей процесса вымораживания влаги Исследование криоскопических характеристик и величины вымороженной влаги Разработка конструкции вымораживающей установки Оценка точности и устойчивости линии концентрирования 3
Криоскопические характеристики творожной сыворотки Изменение криоскопической температуры от начального содержания сухих веществ Изменение количества вымороженной влаги от температуры Содержание сухих веществ: 1 – 6,3 %; 2 – 11,3 %; 3 – 18,5 %. % К К 4
Термограммы охлаждения творожной сыворотки С св =6,3 % 1 – кривая охлаждения Т(τ); 2 – дифференциальная кривая ΔТ(τ). 5
Экспериментальная установка 6 1 – цилиндрический корпус; 2 – охлаждающая рубашка; 3,4 – патрубки подачи жидкого хладагента в рубашку и отвода газообразного хладагента; 5 – навивка стальная; 6 – опора; 7 – изоляция; 8 – фторопластовая втулка; 9 – крышка; 10 – шнек; 11 – воронка для подачи продукта; 12 – патрубок для выхода суспензии лед - концентрат; 13 – электродвигатель привода шнека; 14–редуктор; 15 –цепная передача; 16,17, 18 – термопары; 19 – универсальный измеритель-регулятор ТРМ138; 20 – компрессор; 21 – конденсатор; 22 – электродвигатель холодильного агрегата; 23 – ресивер; 24 – фильтр-осушитель; 25 –реле давления; 26 – терморегулирующий вентиль
Кинетические закономерности процесса концентрирования творожной сыворотки Величина объема льда V л, м 3, вымороженного из творожной сыворотки, от средней температуры стенки испарителя t, °, при частоте вращения шнека n=0,12 с -1 и начальном содержании сухих веществ С СВ1,%: 1 – С СВ1 =6,3 %; 2 – С СВ1 =11,3 %; 3 – С СВ1 =16,3 % Величина объема льда V л, м 3, вымороженного из творожной сыворотки, от начального содержания сухих веществ С СВ1, %, при средней температуре стенки испарителя t= – 15 °C и частоте вращения шнека n, с -1 : 1 – 0,06 с -1 ; 2 – 0,12 с -1 ; 3 – 0,18 с -1 7
Кинетические закономерности процесса концентрирования творожной сыворотки Изменение содержания сухих веществ в растворе расплавленного льда С СВ.Л,%, от частоты вращения шнека n, с -1, при начальном содержании сухих веществ С СВ1, % и средней температуре стенки испарителя t, °C: 1 – t = -20 °C; 2 – t = -15 °C; 3 – t = -10 °C Изменение содержания сухих веществ в растворе расплавленного льда С СВ.Л,%, от частоты вращения шнека n, с -1, при средней температуре стенки испарителя t = -20 °C, начальном содержании сухих веществ С СВ1 =6,3 % и шаге шнека, мм: 1 – 12 мм; 2 – 18 мм; 3 – 24 мм 8
Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса вымораживания влаги Входные факторы и пределы их изменения: x 1 – температура стенки испарителя кристаллизатора, С°; x 2 – содержание сухих веществ в исходном продукте, %; x 3 – частота вращения шнека кристаллизатора, с -1. Выходные факторы: y 1 – кратность концентрирования; y 2 – удельные энергозатраты на килограмм вымороженного льда, к Вт·ч/кг. Уравнения регрессии: Y 1 = 1, ,106 х 1 - 0,126 х 2 - 0,036 х 1 х 2 - 0,044 х 1 х 3 - 0,04 х 3 2 ; Y 2 = 0,59 – 0,05 х 1 + 0,07 х 2 - 0,08 х 3 + 0,0014 х 2 2. Модель оптимизации: q = q(y 1, y 2 ) xЄD opt D: y 1 (x 1,х 2,x 3 ) xЄD max y2(x 1,х 2,x 3 ) xЄD min Рациональные интервалы изменения параметров = x 1 =15,92…14,88 К ; x 2 =5,72…13,79%; x 3 = 0,096…0,147 с -1 9
Зависимости кратности концентрирования творожной сыворотки При начальном содержании сухих веществ СВн=7,3 % от частоты вращения шнека кристаллизатора n, с -1 и температуры кипения хладагента t, °С в рубашке кристаллизатора При частоте вращения шнека кристаллизатора n =0,152 с -1 от начального содержания сухих веществ в творожной сыворотке СВн, % и температуры стенки кристаллизатора t, °C 10
Зависимости удельных затрат энергии на проведение холодильного концентрирования При начальном содержании сухих веществ в творожной сыворотке СВн=7,3 % от температуре стенки кристаллизатора t, °C и частоты вращения шнека n, с -1 кристаллизатора При частоте вращения шнека кристаллизатора n=0,152 с -1 от начального содержания сухих веществ в творожной сыворотке СВн, % и температуры стенки кристаллизатора t, °С 11
Линия концентрирования творожной сыворотки 1 - центробежный насос, 2 - счетчик, 3 – охладитель, 4 – резервуар, 5 – насос, 6 - саморазгружающийся сепаратор, 7 - пастеризационно-охладительная установка, 8 – резервуар, 9 - фильтр для грубой очистки, 10 - емкость, 11 – насос, 12 - электродиализная установка, 13 - резервуар, 14 – насос, 15 - кристаллизатор, 16 - холодильный агрегат, 17 - центрифуга, 18 - емкость, 19 - резервуар. 12
Устройство для концентрирования растворов методом вымораживания влаги и получения льда 1 - камера образования и роста кристаллов льда, 2 - камера отделения сконцентрированного раствора от вымороженного льда, 3 - камера для промывки льда, 4 – привод, 5 – вал, 6 - наружный цилиндрический корпус, 7 - внутренний цилиндрический корпус, 8 - змеевик для хладагента, 9 - теплоизоляция, 10 - патрубок для исходного раствора, 11 - патрубок для подвода хладагента, 12 - патрубок для отвода хладагента, 13 - пустотелый барабан, 14 - наклонный скребок, 15 – опорный элемент, 16 - упорный элемент, 17 - цилиндрический перфорированный корпус, 18 - цилиндрической рубашкой, 19 –патрубок, 20 - конический корпус, 20 для сбора вымороженного льда, 21 - патрубок подачи воды для промывки, 22 - патрубок для отвода вымороженного льда, промытого от остатков сконцентрированного раствора. 13
Оценка точности и устойчивости линии концентрирования творожной сыворотки вымораживанием Операторная модель производства концентрированной творожной сыворотки Графики зависимостей E=f(τ), T=f(τ), P=f(τ) Точностная диаграмма функционирования подсистемы В при рекуперации теплового потенциала вымороженного льда Технологическая схема производства сконцентрированной творожной сыворотки 14
Технико -экономические расчеты бизнес-плана Наименование показателей Величина показателя До внедрения проекта После внедрения проекта Результат (+,-) Объем производства и продаж, т/год Цена реализации единицы продукции, тыс.р./т.60 - Выручка от реализации, тыс.р./год Себестоимость единицы продукции, тыс.р./т ,0 Прибыль, тыс. р Удельный вес бракованной продукции 0,030,01-0,02 Количество внезапных внеплановых остановок Срок окупаемости капиталовложений, год-0,35- Эффективность капиталовложений, %-284,81- Рентабильность продукции, %25,033,3+8,3 15
Результаты экспонирования работы 16 VIII Международная студенческая электронная научная конференция Студенческий научный форум 2016 г» Методика определения оптимального температурного режима в кристаллизаторах- криоконцентраторах Международн ая научная конференция Screw the mold for the refrigeration of food concentration and body fluids Международ ная научная конференция Features concentrating cheese whey freeze Международная выставка изобретений и инноваций
Основные выводы и результаты: 1. Экспериментально установлена зависимость криоскопической температуры от начального содержания сухих веществ. 1. Экспериментально установлена зависимость криоскопической температуры от начального содержания сухих веществ. 2. Определено количество вымороженной влаги при изменении температуры замораживания исследуемого продукта. 2. Определено количество вымороженной влаги при изменении температуры замораживания исследуемого продукта. 3. Термическим методом установлены температурные зоны фазовых переходов при замораживании, характерные для переохлаждения продукта, образование зародышей кристаллов льда, начала кристаллизации и дальнейшей интенсивной кристаллизации влаги. 3. Термическим методом установлены температурные зоны фазовых переходов при замораживании, характерные для переохлаждения продукта, образование зародышей кристаллов льда, начала кристаллизации и дальнейшей интенсивной кристаллизации влаги. 4. Исследована кинетика вымораживания льда из творожной сыворотки за цикл вымораживания в зависимости от температуры стенки испарителя и начального содержания сухих веществ. 4. Исследована кинетика вымораживания льда из творожной сыворотки за цикл вымораживания в зависимости от температуры стенки испарителя и начального содержания сухих веществ. 5. Исследована зависимость кратности концентрирования творожной сыворотки и удельных затрат энергии на проведение холодильного концентрирования от температуры кипения хладагента, частоты вращения шнека и начального содержания сухих веществ. 5. Исследована зависимость кратности концентрирования творожной сыворотки и удельных затрат энергии на проведение холодильного концентрирования от температуры кипения хладагента, частоты вращения шнека и начального содержания сухих веществ. 6. Разработана линия концентрирования творожной сыворотки. 6. Разработана линия концентрирования творожной сыворотки. 7. Разработана установка для концентрирования растворов методом вымораживания влаги и получения льда. 7. Разработана установка для концентрирования растворов методом вымораживания влаги и получения льда. 8. Произведена оценка точности и устойчивости функционирования технологической системы концентрирования творожной сыворотки методом вымораживания влаги. 8. Произведена оценка точности и устойчивости функционирования технологической системы концентрирования творожной сыворотки методом вымораживания влаги. 9. Составлен бизнес-план и выполнен технико-экономический расчет. 9. Составлен бизнес-план и выполнен технико-экономический расчет. 17
Спасибо за Внимание!