СВЧ установка для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйствах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Александрова, Галина Александровна

• Александрова, Галина Александровна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Александрова, Галина Александровна

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ ресурсов и требования к качеству топленого масла

1.2. Физико-механические свойства сливочного и топленого масла

1.3. Анализ способов и оборудования, предназначенного для выработки топленого масла

1.4. Выводы по главе. Цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ МАСЛО-СЫРЬЯ

2.1. Схема процесса термообработки сливочного масла

2.2. Элементы теории взаимодействия отдельных рабочих узлов с сырьем

2.3. Распределение электрического поля в перфорированной резона-торной камере

2.4. Теоретические исследования динамики нагрева продукта

2.5. Согласование добротности объемного резонатора с напряженностью электрического поля

2.6. Методика согласования конструктивно-технологических параметров узлов СВЧ установки для термообработки сливочного масла

2.8. Выводы по главе

3. МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа экспериментальных исследований

3.2. Частные методики исследований и измерительная аппаратура

3.3. Машинно-аппаратная схема производства топленого масла

3.4. Разработанная СВЧ установка для термообработки сливочного 81 масла

3.5. Выводы по главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ МАСЛО-СЫРЬЯ

4.1. Результаты экспериментальных исследований динамики эндогенного нагрева сливочного масла

4.2. Определение эффективных технологических параметров СВЧ установки для термообработки сливочного масла

4.3. Согласование продолжительности термообработки сливочного масла со скоростью перекачивания сырья через резонаторные камеры

4.4. Оценка качества сливочного и топленого масла

4.5. Микробиологические исследования сырья и продукта

4.6. Исследование мощности потока СВЧ энергии установки

4.7. Выводы по главе

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВНИЙ

5.1. Технико-экономическая оценка применения СВЧ установки для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйств

5.2. Требования по технике безопасности при работе с СВЧ установкой для термообработки сливочного масла 138 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 139 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 141 ПРИЛОЖЕНИЯ 150 Приложение А. Акты (справки) об использовании (внедрении) результатов научно-исследовательской работы в учебном процессе 151 Приложение Б. Акты испытаний научно-исследовательской работы в производственных условиях 154 Приложение В. Протокол измерений электромагнитных излучений около СВЧ установки для термообработки сливочного масла 157 Приложение Г. Протокол экспертной оценки качества топленого масла 159 Приложение Д. Документы о регистрации заявки на изобретения 161 Приложение Е. Расчетные коэффициенты для построения поверхностей отклика и двумерных сечений моделей 165 Приложение Ж. Глубина проникновения ЭМП СВЧ 167 Приложение 3. Дипломы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «СВЧ установка для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйствах»

Актуальность. В настоящее время производство сливочного масла в РФ осуществляют 700 предприятий. Среднегодовая мощность крупных и малых предприятий в 2009 г. составила 644,4 тыс. тонн, использование производственных мощностей - 27,2%. Собственного производства сливочного масла недостаточно для покрытия внутреннего спроса, поэтому Россия вынуждена импортировать данную продукцию в больших объемах.

Отраслевая целевая программа «Развитие маслоделия России на 2011.2013 годы» (приказ Минсельхоза РФ от 12 октября 2010 г. №349) предусматривает: увеличение объема производства сливочного масла; сокращение импорта; обеспечение к 2013 году прироста объемов производства сливочного масла на 14,0% к уровню 2009 г.

Для достижения данной программы на региональном уровне необходимо: осуществить техническую модернизацию цехов по производству сливочного масла; обеспечить вовлечение в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, получаемых при производстве сливочного масла; снизить энергопотребление за счет внедрения современных технологий переработки, повышающих пищевую и биологическую ценность продуктов, в том числе топленого масла.

Объем производства сливочного масла в 2009 году в мире достиг - 6,02 млн. т., в РФ - 231 тыс. т., а в Чувашской Республике (ЧР) - 14,5 тыс. т. (6,3 % от общероссийского объема производства). Темпы роста производства топленого масла за последние годы резко снизились, в РФ объем производства составил 11,5 тыс.т., а в ЧР - 0,73 тыс.т.

В результате реализации программы будет обеспечено к 2013 году увеличение использования среднегодовой производственной мощности предприятий по производству сливочного и топленого масла с 27,2% до 41,2%, за счет проведения модернизации на инновационной основе. Поэтому разработка энергосберегающей технологии выработки топленого масла, в том числе с использованием энергии электромагнитных излучений СВЧ диапазона, актуальна.

Причем СВЧ термообработка сливочного масла обладает рядом преимуществ: обеспечивает стерильность процесса и безинерционность регулирования нагревом, равномерность нагрева по всей массе продукта и его избирательность в случае неравенства диэлектрических параметров отдельных частей, бесконтактный подвод энергии, высокая концентрация СВЧ энергии в малых объемах, регулируемость скорости нагрева за счет напряженности и частоты ЭМП [29, 68, 69, 70, 96].

Для удешевления СВЧ источника предлагается использовать бытовые микроволновые печи с частотой 2450 МГц и потребляемой мощностью 1,2 кВт, у которых магнетрон является генератором с самовозбуждением. Препятствием к его применению может стать невозможность получения требуемого срока службы 250 тыс. часов.

Стратегией научно-технического прогресса АПК России на период до 2015 г. основные научные исследования по электрификации и автоматизации животноводства сосредотачиваются на повышении технико-экономической эффективности при производстве, переработке и хранении высококачественной продукции. Огромные перспективы использования электронанотехнологий открываются в области переработки сельскохозяйственного сырья, получении высококачественной продукции заданного качества при минимуме ресурсо-энергетических затратах. Например, установлено 3 вида действия ЭМП СВЧ: диэлектрический нагрев, изменение проводимости мембран клеток электрической напряженностью и проявление резонансных информационных взаимодействий внешнего ЭМП с биополем объекта [132].

Целью настоящей работы является разработка и обоснование режимов работы установки для термообработки сливочного масла с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, позволяющей улучшить качество топленого масла при сниженных энергетических затратах.

Основные научные задачи: - разработать методику термообработки сливочного масла многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере;

- обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установки на основе системно-комплексного решения задачи повышения качества продукции и исследований процесса термообработки сливочного масла, физико-химических, микробиологических изменений, происходящих в продукции;

- получить регрессионные зависимости, связывающие энергетические затраты на термообработку сырья с СВЧ энергоподводом и снижение бактериальной обсемененности продукта с ключевыми факторами, влияющими на технологический процесс;

- разработать и испытать в производственных условиях СВЧ установку для термообработки сливочного масла, оценить технико-экономическую эффективность его применения в фермерских хозяйствах

Объекты исследования: технологическое оборудование и процесс термообработки сливочного масла в перфорированной резонаторной камере с СВЧ энергоподводом; продукция.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса термообработки масло-сырья многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с разработанными частными методиками, базируются на разработке эффективных технологических процессов и установки для термообработки масло-сырья. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- математические выражения, позволяющие обосновать параметры электромагнитного поля СВЧ диапазона, обеспечивающие процесс термообработки масло-сырья в перфорированной резонаторной камере при многократном циклическом воздействии ЭМИ;

- закономерности влияния режимных параметров СВЧ установки на динамику эндогенного нагрева масло-сырья и на качество продукта;

- разработанная СВЧ установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде цилиндрических перфорированных резонаторных камер, расположенных в экранном корпусе, обеспечивающая термообработку масло-сырья в процессе многократной циркуляции через резонаторные камеры с помощью центробежного насоса (заявка на изобретение № 2011128533/10 от 08.07.2011 г., положительное решение от 04.07.2012 г.);

- рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров, обеспечивающие термообработку сливочного масла в ЭМПСВЧ при сниженных энергетических затратах с улучшением качества топленого масла, оцененного по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям.

Практическую значимость представляет изготовленная и испытанная в производственных условиях СВЧ установка для термообработки масло-сырья, позволяющая улучшить качество продукции при сниженных энергетических затратах.

Реализация результатов исследований. Разработка СВЧ установки для термообработки масло-сырья проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА, в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био-нанотехнологии». Исследование процесса термообработки сливочного масла в электромагнитном поле сверхвысокой частоты осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, производственное испытание СВЧ установки - в ООО «Вурнары Завод СОМ». Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (г. Уфа, ФГОУ ВПО БГАУ, 29.04.2011 г.); на XIII межрегиональной конференции-фестивале научного творчества учащейся молодежи «Юность Большой Волги» (г. Чебоксары, 14.05.2011 г.); на VII и VIII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (г.Чебоксары, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 30.03.2011 г. и 4.04.2012 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (г. Казань, ФГБОУ ВПО КГАУ, 25.04.2012 г.); на республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, 08.06.2012 г.).

Установка демонстрировалась на: республиканском конкурсе проектов среди молодежи «Эффективные пути развития АПК в Чувашской Республике» (Чебоксары, 2010 г.); XVIII выставке «Регионы - сотрудничество без границ» (Чебоксары, 23.26.06.2011 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационных исследований удостоены следующих наград:

- дипломы за активное участие: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2011 г.); на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012 г.); на XIV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2012 г.); на VII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», 2012 г.);

- благодарственное письмо за активное участие и плодотворную работу на XVIII выставке «Регионы - сотрудничество без границ», за подписью директора казенного унитарного предприятия ЧР «Агро-инновации» Васильева Н.И. (г. Чебоксары, 28.06.2011 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 10 научных работах, в том числе 3 из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК РФ и в монографии «СВЧ маслоплавитель», объемом 9,5 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 175 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, приложений. В диссертационной работе содержится 80 рисунков и 26 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Александрова, Галина Александровна

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика термообработки сливочного масла многократным циклическим воздействием электромагнитного излучения для получения топленого масла, реализованная в СВЧ установке с перфорированными цилиндрическими резонаторными камерами, расположенными в экранном корпусе, и центробежным насосом.

2. Согласованы добротность (6000) и объем перфорированной резонатор-ной камеры (1.2 л), обеспечивающие эффективную величину напряженности электрического поля (2.1 кВ/см) в масло-сырье при термообработке до 90.100°С для снижения бактериальной обсемененности в продукте с 50000 КОЕ/г до 600 КОЕ/г, что ниже предельно-допустимого уровня (1000 КОЕ/г).

3. Установлено, что эффективными режимами термообработки масло-сырья в СВЧ установке производительностью 25.30 кг/ч являются: удельная мощность 2.4 Вт/г, продолжительность воздействия 160. 180 с, скорость нагрева 0,5.0,6 °С/с, количество циркуляций масло-сырья через перфорированные резонаторные камеры 27.30. Результаты оценки органолептическш показателей топленого масла опытного и контрольного образцов по 17-ти балльной шкале свидетельствуют, что консистенция и внешний вид опытного образца на 2 балла выше контрольного, вкус и запах - на 3 балла, расхождение по цвету не наблюдалось. Выявлено, что центробежный насос производительностью 0,51 л/с позволяет циркулировать сырье вязкостью менее 17 Па-с через резонаторные камеры за счет перфорации, размеры (радиус перфорации 0,25.0,35 см) и плотность которых согласованы с краевым потоком мощности электромагнитных излучений, а также гомогенизировать сырье, снижая неравномерность эндогенного нагрева в 5 раз.

4. Установлено, что корпус СВЧ установки, выполненный из неферромагнитного материала толщиной 2.3 мм, предназначенный для приемки масло-сырья, при содержании четырех перфорированных резонаторных камер, обеспечивает экранизацию потока мощности электромагнитных излучений до 0,427.0,571 мВт/см на расстоянии 1,5.2 м. В результате производственных испытаний СВЧ установки выявлено снижение удельных энергетических затрат на термообработку сливочного масла - с 0,24 до 0,18 кВт-ч/кг, улучшение качества топленого масла и увеличение срока хранения его в потребительской таре из полимерного материала с 30 до 40 суток при температуре не выше 3.5°С. Экономический эффект от применения СВЧ установки производительностью 30 кг/ч составляет 119387 руб./ год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Александрова, Галина Александровна, 2012 год

1. Азаров, Б.М. Технологическое оборудование пищевых производств / Б.М. Азаров и др. Под ред. Б.М. Азарова. М.: Агропромиздат, 1988. -463 с.

2. Акаева, Т.К., Основы химии и технологии получения и переработки жиров. 4.1. Технология получения растительных масел: Учеб. пособие / Т.К. Акаева, С.Н. Петрова. Иваново, 2007. - 124 с.

3. Агропромышленный комплекс Чувашии. 2009: Статистический сборник. Чебоксары: Чувашстат, 2009. - 136 с.

4. Алабовский, А.Н. Техническая термодинамика и теплопередача / А.Н. Алабовский, И.А. Недужий. Киев: Высшая школа, 1990. - 255 с.

5. Алекушин, А.Э. Как выбрать оборудование для производства масла / Алекушин, В.М. Кузнецов // Пищевая промышленность. 2005. - № 8. -С. 62.63.

6. Алёшичев, С.Е. Аппаратурно-технологический анализ процесса производства сливочного масла применительно к задачам стабилизации влажности / С.Е. Алёшичев // Деп. в ВИНИТИ. «Проблемы техники и технологии пищевых производств. СПбГУНиПТ 2005. - С. 156. 159.

7. Алёшичев, С.Е. Влажностные характеристики сливочного масла / Е. Алёшичев, В.А. Балюбаш, В.А. Добряков // Тез. докл. XI Российской конф. по теплофизическим свойствам веществ. 2005. - С. 131.

8. Алёшичев, С.Е. / Фактор температуры сбивания сливок в структуре стабилизации влажности сливочного масла / Е. Алёшичев, В.А. Балюбаш, И.Б. Лаврищев // Известия СПбГУНиПТ. Межвузовский сборник научных трудов / Гл. ред. A.B. Бараненко. -2006. С. 118. 119.

9. Александрова, Г.А. Повышение эффективности производства сливочного масла / Г.А. Александрова, О.В. Михайлова // Теоретический и научно-практический журнал «Механизация и Электрификация сельского хозяйства», №12, 2011.-С. 23.24.

10. Александрова, Г.А. Сверхвысокочастотный маслоизготовитель / Г.А. Александрова, О.В. Михайлова // Материалы XIII межрегиональной конференции-фестиваля научного творчества учащейся молодежи «Юность Большой Волги». Чебоксары, 2011. - С. 19. .21.13,14