Лекция 1,2

Лекція 1,2

Тема. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТА НАУКОВІ ОСНОВИ КУРСУ

Мета. Ознайомитись з основними поняттями про процеси, що выдбуваються в апаратах харчовихвиробництв.

План.

1. Поняття про процеси, апарати і класифікація основних процесів.

2. Основні фізико-технічні властивості харчовиїх продуктів.

3. Загальні закономірності технологічних процесів.

4. Методи досліджень і розрахунків.

5. Основи раціональної побудови апаратів.

1. ПОНЯТТЯ ПРО ПРОЦЕСИ, АПАРАТИ Й КЛАСИФІКАЦІЯ ОСНОВНИХ ПРОЦЕСІВ ХАРЧОВОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

Процес - це послідовні закономірні зміни стану будь-якого тіла або явища, які відбуваються в природі. У курсі "Процеси та апарати харчових виробництв" розглядаються технологічні процеси, які пов'язані з переробкою продуктів природи (сировини) на засоби виробництва і засоби споживання. Технологічні проце- си переробки різноманітної сільськогосподарської сировини на харчові продукти здійснюються в апаратах та машинах.

В апаратах відбуваються теплообмінні, масообмінні, фізико-хімічні, біохімічні й інші процеси, що зумовлюють зміни хімічних чи фізичних властивостей або агрегатного стану оброблюваного продукту. Характерною ознакою апарата є наявність реакційного простору або робочої камери.

У машинах здійснюється механічний вплив на продукт, властивості якого, як правило, при цьому незмінюються, а змінюється лише форма, розміри й інші фізичні параметри. Особливістю машин є наявність робочих органів, що рухаються та безпосередньо впливають на продукт.

Таке розділення технологічного обладнання на машини й апарати умовне, тому що їхній устрій може мати одночасно ті й інші ознаки. Тому для спрощення термінології в курсі "Процеси та апарати" умовно прийнято машини відносити до апаратів.

Виділяють три основні класифікації процесів харчових виробництв:

1) за основними закономірностями перебігу та рушійною силою;

2) за способом організації процесу або структурою робочого циклу;

3) за зміною параметрів процесу в часі.

За першою ознакою виділяють 7 груп процесів: гідромеханічні, механічні, теплові, масообмінні (дифузійні), хімічні та біохімічні, мікробіологічні, електрофізичні.

Необхідна умова протікання процесу — наявність рушійної сили. В загальному випадку рушійна сила - це різниця потенціалів у двох точках розглядуваної системи

Процеси характеризуються загальною залежністю: швидкість процесу прямо пропорційна рушійній силі та обернено пропорційна опору. Це положення може бути представлено у вигляді загального кінетичного рівняння:

I =X/R =XK                                                         (1.1)

де I - швидкість процесу; R - опір; К - проводимість (величина, зворотна опору); X- рушійна сила процесу.

До гідромеханічних процесів відносять ті процеси, які відбуваються в рідинних (або газових) системах під зовнішнім впливом. Швидкість цих процесів визначається законами гідро- та аеродинаміки. Рушійною силою гідромеханічних процесів є перепад тиску.ΔР

Гідромеханічні процеси поділяються на процеси утворення неоднорідних рідинних та газових систем (перемішування, диспергування, піноутворення, псевдозрідження, емульгування, гомогенізація) та їх розділення (осадження, фільтрування, центрифугування, мембранні методи, електроосаджування).

Механічні процеси описуються і підпорядковуються законам механіки твердих тіл. Рушійною силою механічних процесів є різниця зусиль у різних точках оброблюваного об'єкту. ΔF Сюди відносять процеси подрібнювання, пресування, сортування, перемішування сипких матеріалів.

До теплових процесів відносяться процеси, які підпорядковані законам теплопереносу (термодинаміки). Рушійною силою цих процесів є різниця температур. Теплові процеси, в свою чергу, поділяються на процеси без зміни агрегатного стану (нагрівання, охолодження); зі зміною агрегатного стану (кипіння, конденсація, випарю- вання, заморожування, плавлення) та специфічні (стерилізація, пастеризація, варіння, смаження).

Масообмінні процеси характеризуються перенесенням (переходом) одного або декількох компонентів вихідної речовини з однієї фази в іншу. Рушійною силою масообмінних процесів є різниця концентрацій ΔС.

Виділяють такі масообмінні процеси: адсорбція, абсорбція, перегонка, екстрагування, кристалізація, сушіння.

Хімічні та біохімічні процеси - це процеси, пов'язані зі зміною хімічного складу і властивостей речовин; швидкість їхнього протікання визначається законами хімічної кінетики.

Мікробіологічні процеси підпорядковуються біологічним законам життєдіяльності мікроорганізмів. Приклади таких процесів - сквашування молока, виготовлення дріжджів тощо.

Електрофізичні процеси здійснюються під впливом електричного струму. Рушійною силою цих процесів є різниця електричних потенціалів Хел..

У курсі "Процеси та апарати харчових виробництв" вивчаються перші чотири групи процесів. Серед них розглядаються і електрофізичні методи оброблення харчових продуктів. Хімічні, біохімічні та мікробіологічні процеси розглядаються в спеціальних курсах.

Якщо процес характеризується ознаками двох основ (наприклад, масообміну і термодинаміки), то належність до того чи іншого класу визначається його цілеспрямованістю. Наприклад, при сушінні одночасно можуть відбуватися масообмін і теплообмін, однак головна мета процесу полягає в дифузійному видаленні вологи, тому його відносять до класу масообмінних процесів.

За способом організації всі процеси поділяють на періодичні, безперервні та комбіновані.

Періодичні процеси проводяться в апаратах, які працюють у циклічному режимі. Цикл починається із завантаження апарата вихідними речовинами. В апараті ведеться процес перероблення, і через визначений проміжок часу, достатній для закінчення процесу, готовий продукт вивантажується з апарата. Для періодичних процесів характерно те, що всі їхні стадії протікають в одному мі сці, в різний час; при цьому стан матеріалу, що обробляється, і параметри процесу зміняються за часом.

Безперервні або поточні процеси відбуваються в проточних апаратах, у яких надходження вихідної сировини та вивантаження готової продукції відбувається безперервно. Усі стадії безперервного процесу відбуваються одночасно, але вони роз'єднані в просторі.

Комбіновані процеси - це процеси, які на окремих стадіях відбуваються безперервно, а на інших стадіях - періодично.

Організація виробництва за безперервною схемою має переваги: стабільність якості готового продукту, відсутність витрат часу на завантаження та вивантаження апаратів, компактність обладнання, зниження енергетичних витрат. Крім цього, безперервні процеси легше піддаються автоматичному контролю та управлінню. З цієї причини всі виробництва організуються як безперервно діючі. Періодичні процеси використовуються на малих переробних виробництвах, під час створення нових і модернізованих видів продукції, одержання окремих дослідних партій.

За третьою ознакою — змінами параметрів процесу (температури, швидкості, концентрації, консистенції) в часі всі процеси поділяються на усталені (стаціонарні) та неусталені (нестаціонарні).

В усталених процесах значення кожного з параметрів, що їх характеризують, постійні в часі й залежать лише від положення даної точки системи в просторі. У загальному вигляді це уявляється так:

П = f(x, y, z)                                                                  (1-2)

де П - будь-який параметр системи, який є значущий для процесу; х, у, z. - координати системи.

У неусталених процесах параметри, що їх характеризують, залежать не тільки від положення точки системи в просторі, а й від часу:

П = f(x, y, z,τ)                                                      (1.3) )

де τ - час процесу.

Більшість періодичних процесів відноситься до неусталених. Як правило, безперервні процеси є стаціонарними, тому що в кожну мить часу в кожній конкретній точці системи параметри процесу залишаються постійними.

2. ОСНОВНІ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

Для технічних розрахунків апаратів, у яких відбуваються технологічні процеси, необхідно знати і враховувати фізичні властивості харчових продуктів. Фізичні властивості продукту значною мірою визначають вимоги до розміру й конструкції апарата, а також режиму роботи, продуктивності та матеріалу для його виготовлення.

Для характеристики властивостей тіл, речовин, матеріалів, продуктів використовують фізичні величини. Фізична величина — це властивість, якісно загальна для багатьох фізичних об'єктів, але кількісно індивідуальна для кожного з них. Значення (розмір) фізичної величини визначається оцінкою фізичної величини у вигляді деякої кількості прийнятих для неї одиниць.

Існують основні та похідні фізичні величини. Для всіх галузей науки й техніки прийнято міжнародну систему одиниць СІ, основними одиницями якої є: довжини - метр (м), маси - кілограм (кг), часу - секунда (с), температури - кельвін (К), сили електричного струму -ампер (А), сили світла - кандела (кд), кількості речовини - моль. Крім того передбачено дві допоміжні одиниці: плоского кута - радіан (рад) і об'ємного кута - стерадіан (ср).

До технічних властивостей харчових продуктів в основному відносять такі параметри: фізичні (густина, питома вага, поверхневий натяг тощо), теплофізичні (питома теплоємність, теплопровідність, температуропровідність та ін.) та структурно- механічні. Дані про ці властивості для різних речовин і розчинів залежно від температури, тиску та інших факторів наведено в довідниках.

Розглянемо коротко деякі, досить важливі в практиці, основні властивості робочих тіл.

2.1. Основні фізичні властивості

Густина. Густиною ρ (кг/м³) називається маса одиниці об'єму речовини. Для однорідної системи

ρ = т/V,                                                      (1.4)

де т - маса, кг; V- об'єм, м³.

Густина газів і пари дуже мала порівняно з густиною твердих тіл та рідин. Тому для них часто користуються такою характеристикою, як питомий об'єм - величиною, зворотною густині:

п = 1/ρ =V/т.                                                       (1.5)

Густина розчинів залежить від концентрації розчиненої речовини і температури розчину; в довідникових таблицях наводять густину залежно від цих параметрів. Густина неоднорідної системи ρс (кг/м³), яка складається з декількох компонентів, визначається за рівнянням

ρс = 1/(х₁+…+хₙ)                                                 (1.6)

де х - масові частки (концентрації) компонентів системи в суміші, кг/кг; - густини відповідних компонентів, кг/м3. Густина більшої частини харчових продуктів близька до 1000 кг/м3. 

Для характеристики сипких матеріалів (зерна, цукру-піску, картопляної крупки тощо) введено поняття насипної густини

Питомою вагою (Н/м3) називають вагу одиниці об'єму речовини. Для однорідної системи

В'язкість. В'язкістю називається властивість рідин (або газів) чинити опір взаємному переміщенню їх частинок під впливом застосованої до них сили. Вона впливає на режим руху рідин або газів у процесах: фільтрації, осадження, перемішування, тепло- і масообміну.

У курсі "Процеси та апарати харчових виробництв" для характеристики в'язкості рідин частіше користуються не динамічним коефіцієнтом в'язкості, а кінематичним коефіцієнтом в'язкості (у м2/с), який виражається відношенням динамічного коефіцієнта в'язкості до густини продукту.

Рідини, які підпорядковані закону Ньютона про тертя всередині рідини, називаються нормальними або ньютонівськими. До них належать усі гази, вода, спирти й багато інших рідин, які трапляються в практиці і розглядаються в гідравліці. В'язкість цих рідин - це функція температури й тиску, вона залежить від градієнта швидкості зсуву.

Деякі рідини та більшість харчових продуктів (густі суспензії, пасти, патоки, продукти кондитерського та хлібопекарного виробництв, борошняне тісто, м'ясний і ковбасний фарші, сир, сметана та ін.), які більш-менш відхиляються від закону Ньютона, називаються неньютонівськими або пластичними чи псевдопластичними. На відміну від звичайних рідин, ці матеріали мають високу в'язкість і не течуть, а тільки змінюють свою форму.

2.2. Теплофізичні властивості

Теплофізичні властивості харчових середовищ в основному характеризуються теплоємністю, теплопровідністю і температуропровідністю.

Питома теплоємність - кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання одиниці маси речовини на один градус у будь-якому процесі.

Питома теплоємність харчових продуктів залежить від багатьох факторів, найважливіші з яких - температура та концентрація сухих речовин (або вологи). Теплоємність харчових продуктів (з невеликим вмістом жиру) можна визначити, знаючи кількість у них води і сухих речовин.

Теплопровідність. Усередині різних тіл теплота поширюється з різною інтенсивністю. Цю особливість матеріалів характеризує коефіцієнт теплопровідності , одиниця виміру якого Вт/(м-К). Відомо, що найбільша теплопровідність у металів. Для них = 15-380 Вт/(м-К). Краплинні рідини мають низьку теплопровідність, для них = 0,06- 0,7 Вт/(м-К).

Теплопровідність харчових середовищ залежить від їхнього фізичного стану, складу, густини, тиску, вологості та температури.

Температуропровідність визначає здатність матеріалу сприймати і віддавати теплоту й характеризується коефіцієнтом температуропровідності:

Чим вищий коефіцієнт температуропровідності, тим швидше може бути нагрітий або охолоджений продукт.

2.3. Структурно-механічні властивості

Ці властивості зумовлюють зберігання форми й розмірів. Від них залежить зовнішній вигляд виробів, які виготовлені з харчової сировини. До структурно- механічних, або реологічних, властивостей належать: пружність, пластичність, міцність, пористість тощо.

Пружність - це властивість матеріалу швидко відновлювати початкові розміри після припинення дії сил, які спричинюють деформацію матеріалу.

Пружність тіл характеризується модулем пружності при стиску -розтягненні. Величина деформації визначається за законом Гука.

Властивість матеріалу, що характеризує швидкість (час) переходу пружних деформацій у пластичні при постійному навантаженні, називають релаксацією. Кожне тіло має свій період релаксації, що визначається як відношення в'язкості тіла до його модуля пружності на зрушення.

Стан тіла, що піддається впливові якої-небудь сили, визначається співвідношенням часу дії напруги, спричиненої цією силою, до періоду релаксації. Якщо час впливу деформуючої сили значно менший від періоду релаксації, то за цей час не встигає розвинутися залишкова деформація, і тіло поводиться як тверде пружне. Для твердих тіл період релаксації досить значний, для звичайних легко текучих рідин -дуже малий (наприклад, для води він дорівнює 10 с).

Пластичність ~ властивість матеріалу зберігати залишкову деформацію й збільшувати її з часом після припинення дії зовнішньої сили. Пластичність визначає здатність матеріалу розтікатись і є важливою характеристикою тістоподібних харчових продуктів.

Сукупність властивостей - в'язкість, густина, пружність визначають консистенцію продукту.

3. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

Технологічні процеси харчових виробництв відбуваються відповідно до загальних фізичних, хімічних та фізико-хімічних законів. Застосування цих законів до того чи іншого процесу дає змогу створити теорію цього процесу і методи проектування апаратів для його проведення.

Під час розгляду процесів харчової технології можна виділити такі основні узагальнення, закони та принципи:

- закон збереження маси;

- закон збереження енергії;

- закони перенесення маси та енергії й принцип рушійної сили;

- закони масштабного переходу й моделювання;

- принцип оптимізації проведення процесу.

Закон збереження маси в науці про процеси та апарати набуває форми матеріального балансу: кількість матеріалів, що надходить в апарат, повинна дорівнювати кількості кінцевих продуктів, отриманих в результаті проведення процесу. Якщо в апарат надходять компоненти А, В, С, а виходять із нього - Д і Е, то матеріальний баланс можна записати в такому вигляді:

На основі матеріального балансу визначають вихід продукту Z, тобто відношення маси готового продукту до маси вихідних продуктів, виражений у відсотках.

Матеріальний баланс можна обчислити сумарно для всіх сировинних компонентів або окремо для будь-якого з них. Матеріальний баланс можна скласти як для одного апарата, так і для групи їх.

Закон збереження енергії. Енергетичний баланс складають на основі закону збереження енергії: кількість енергії, введеної в процес (прихід енергії) дорівнює кількості виділеної енергії (витрата). При цьому мається на увазі теплова, механічна, електрична та інші види енергії. Найчастіше в практиці складають енергетичний баланс на прикладі теплового

Якщо позначити кількість теплоти, введеної в процес із вихідними продуктами А, В і С у вигляді фізичної теплоти ; теплоту, яка вводиться в процес з теплоносієм через Q; тепловий ефект фізичних або хімічних перетворень через Q; фізичну теплоту, виведену з процесу з компонентами Д і Е ; витрати теплоти (в основному - у навколишнє середовище).

Закони перенесення маси та енергії й принцип рушійної сили. Під час різних технологічних операцій головна роль належить процесам перенесення. У гідромеханічних процесах об'єктом перенесення є рухома маса речовин, у теплових - теплова енергія, у масообмінних - той чи інший компонент, що переходить з однієї фази в іншу. Ефективність перенесення маси та енергії в цих процесах залежить від їх швидкості. Швидкість процесу - це об'єм рідини або газу, кількість теплоти або речовини, що передається в апараті через одиницю площі за одиницю часу.

Усі процеси можуть протікати тільки під дією певної рушійної сили, яка завжди є різницею потенціалів, характерних для даного виду процесів.

Розглядаючи процеси різного характеру (гідромеханічні, теплові, дифузійні), неважко помітити, що їх кінетичні закономірності характеризуються загальною залежністю (1.1): швидкість процесу прямо пропорційна рушійній силі та обернено пропорційна опору.

Якщо в одному й тому самому апараті декілька процесів протікають одночасно (наприклад, нагрівання продукту під час сушіння), то швидкість кожного з процесів прямо пропорційна відповідній рушійній силі, але залежить також і від інших сил. Із цих процесів виділяють головний, від інтенсифікації якого залежать кінцеві результати процесу.

Закони рівноваги. Сукупність тіл, що взаємодіють, називають системою. Якщо система знаходиться в рівновазі, то ніяких процесів у ній не відбувається. Процес виникає тоді, коли система виходить зі стану рівноваги. Якщо в апараті знаходиться рідина, температура якої дорівнює температурі навколишнього повітря, то теплообміну між стінкою апарата, рідиною й повітрям не буде, поки по обидва боки стінок апарата температура буде однаковою. Теплообмін виникне тоді, коли в апарат налити рідину, температура якої вища за температуру навколишнього повітря. Причиною виникнення процесу теплообміну є різниця температур рідини і стінок апарата. У цьому випадку система виходить зі стану рівноваги і з'являється рушійна сила, яка прагне повернути цю систему до рівноваги. Коли-система наближається до рівноваги, рушійна сила зменшується. У стані рівноваги вона дорівнює нулю і процес припиняється.

Закони масштабного переходу й моделювання. Під час проектування та експлуатації апаратури суттєву роль відіграє одне з основних положень науки про процеси та апарати — положення про вплив розмірів апарата на процес, який у ньому відбувається. Дослідження процесів та апаратів з економічних міркувань проводяться звичайно на лабораторних стендах та апаратах невеликих розмірів. Результати цих досліджень можна переносити на великорозмірні апарати тільки з урахуванням вимогів теорії подібності та моделювання. При цьому результати повинні бути узагальнені у вигляді залежності між критеріями подібності, що характеризують процес із різних сторін. При кожному критеріальному рівнянні повинно бути зазначено, в яких межах зміни критеріїв ним можна користуватись.

Принцип оптимізації проведення процесу. Для проведення будь-якого процесу в його апаратурному оформленні завжди виникає можливість вибрати декілька варіантів вирішення. Один із них найбільш раціональний. Вибір найдоцільнішого варіанта набув назву оптимізації. Для оцінювання оптимуму процесу необхідно обрати критерій оптимізації. Найчастіше за критерій оптимізації приймають мінімум часу і затрат на виробництво продукції. Цього мінімуму досягають доцільним напрямом процесу і його апаратурним оформленням. Кожний технологічний процес потребує індивідуального підходу, але є загальні, універсальні рішення оптимізації для багатьох процесів, які можуть бути сформульовані так.

1. Безперервність процесу. Процеси технології харчових продуктів поділяють на періодичні та безперервні. Як уже було зазначено, безперервні процеси порівняно з періодичними забезпечують

вищу продуктивність апарата, одержання однорідного продукту високої якості, рівномірність споживання теплоти, води та електроенергії, безпечніші умови праці та можливість автоматизації процесу. Оптимально організований процес - це, як правило, безперервний, автоматично керований процес.

2. Протитечійність потоків обміну. На практиці в безперервних теплових та масообмінних процесах трапляються такі схеми руху вза- ємодіючих середовищ: протитечія, прямотечія, перехресна течія і змішана течія. Аналіз процесів обміну теплотою і масою показує, що найсприятливішим є протитечійний процес. Тому можна сформулю- вати таке твердження: під час проведення обмінних процесів у безпе- рервному потоці оптимальним є процес, що відбувається в протитечії.

3. Оновлення поверхні контакту фаз. В апаратах для перенесення теплоти або маси оптимальним є варіант, який передбачає турбулен тний режим і забезпечує максимальне зіткнення контактуючих сере довищ при безперервному поновленні контакту фаз.

4. Використання відхідної теплоти. Найпоширенішим тепло- носієм у харчових виробництвах є водяна пара. В ряді процесів при їх проведенні виникає вторинна пара меншого тиску. Так, у багато- корпусних випарних установках пара, яка використовується для обігріву, надходить тільки на обігрівання першого корпусу, інші корпуси обігріваються вторинною парою попередніх. Значну еко- номію теплової енергії дає утилізація теплоти продуктів згорання па- лива, що відходять у процесах сушіння.

4. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ І РОЗРАХУНКІВ ПРОЦЕСІВ ТА АПАРАТІВ

Відомо три методи дослідження та аналізу процесу й одержання кількісних взаємозв'язків між істотними для нього фізичними та геометричними величинами: аналітичний (теоретичний), експериментальний та синтетичний.

Найперспективніший метод вирішення завдань дослідження та розрахунку технологічних процесів - теоретичний метод, що грунтується на складанні та розв'язанні диференційних рівнянь, які повністю описують процес (наприклад, рівняння перенесення маси, енергії). Оскільки диференційні рівняння описують цілий клас за своєю сутністю явищ, то під час розгляду конкретного явища їх не- обхідно обмежувати додатковими умовами - умовами однозначності. Для технологічних процесів такі умови включають:

1) геометричну форму й розміри системи (апаратури);

2) фізичні властивості речовин, що беруть участь у процесі;

3) початкові умови (початкову швидкість, початкову температуру, початкову концентрацію тощо);

4) граничні умови (наприклад, швидкість рідини біля стінок труби дорівнює нулю).

Таким чином, диференційні рівняння необхідно розв'язувати в сукупності з умовами однозначності у встановлених межах. Як бачимо, теоретичні знання про рівноприскорений рух дали нам можливість виконати аналітичний розрахунок процесу руху тіла.

На жаль, для більшості технологічних процесів харчових виробництв, особливо для процесів, що супроводять тепло- і масоперенесення, подібних розрахункових формул відомо на сьогодні мало, що пояснюється складністю самих процесів, а ще більше складністю рівнянь, які їх описують. У таких випадках для знаходження зв'язку між величинами, що характеризують процес, вдаються до експериментального методу досліджень, тобто до проведення дослідів. При цьому проводять експериментальні дослідження і на основі дослідних даних одержують емпіричні рівняння. Ці рівняння використовуються в інженерній практиці.

Однак отримані емпіричні рівняння є частковими і не можуть бути поширені на умови, відмінні від тих, для яких вони отримані. У зв'язку з цим виникає необхідність мати велику кількість таких емпіричних рівнянь для різних умов. Крім цього, метод прямого експерименту має недолік, який полягає в тому, що встановлення взаємо- зв'язку між окремими, як правило, чисельними фізичними та геометричними величинами в досліді виявляється настільки громіздким і трудомістким, що це може загальмувати розвиток техніки, тому що до моменту одержання результатів виникнуть нові завдання та проблеми і стануть необхідними нові рішення.

Під час дослідження процесів та апаратів найбільше користуються синтетичним методом, що поєднує аналітичний і експериментальний. Це досягається шляхом використання для оброблення дослідних даних методів теорії подібності. Теорія подібності дає змогу узагальнити результати досліджень і поширити їх на широке коло явищ, які подібні вивченому, але відрізняються числовим значенням характерних параметрів. Цей метод передбачає побудову невеликої моделі апарата для проведення серії дослідів з метою одержання оптимального режиму перероблення продуктів. Результати дослідів обробляють таким чином, щоб їх поширити на всі подібні процеси й апарати більшого розміру. Щоб відтворити процес на великому апараті з тим самим ефектом, як і на малій моделі, необхідно, щоб геометричні розміри великого й малого апаратів були пропорційні, тобто повинна бути дотримана геометрична подібність. При проведенні дослідів варто дотримуватися також часової подібнос ті.

На невеликій моделі апарата відпрацьовують процес і знаходять його оптимальні параметри, тобто оптимальну швидкість руху продукту, час, температуру й тиск. Результати дослідів на цій моделі обробляють математично, тобто отримані оптимальні параметри процесу разом з характеристикою сировини й розмірами апарата (моделі) зводять у математичні безрозмірні комплекси, які називаються критеріями подібності.

Критерії подібності прийнято позначати першими двома латинськими буквами прізвищ дослідників, які запропонували даний критерій або відомі своїми роботами у відповідних галузях науки.

Відповідно до теорії подібності, чисельні величини критеріїв подібності в малій дослідній моделі і промисловій конструкції апарата повинні бути рівні. Визначивши на моделі числову величину критерію, наприклад Рейнольдса (припустимо Rе = 2000), проводять інженерний розрахунок промислового апарата. Однак тепер габаритами апарата, зокрема його діаметром d і швидкістю руху продукту через апарат w, не задаються довільно і не беруть ці дані з довідників і нормативів. Ці значення підбирають таким чином, щоб відповідні критерії подібності, розраховані для малої моделі і для великої, подібної їй конструкції апарата, були рівні (тобто для великого промислового апарата Rе = 2000).

5. ОСНОВИ РАЦІОНАЛЬНОЇ ПОБУДОВИ АПАРАТІВ

5.1 Основні вимоги до апаратів

До апаратів, що розробляються і використовуються в харчо вій промисловості та ресторанному господарстві, висувають такі загальні вимоги: технологічні, експлуатаційні, конструктивні, енергетичні, економічні, охорони праці та техніки безпеки, санітарно-гігієнічні, технічної естетики та захисту навколишнього середовища. Усі ці вимоги між собою пов'язані та взаємозумовлені: одна група вимог визначається іншою.

Під технологічними вимогами розуміють насамперед те, що конструкція апарата повинна забезпечити оптимальні умови проведення технологічного процесу та одержання продукту високої якості. Під технологічними умовами розуміють температуру й тиск в апараті, швидкість руху продукту через апарат, а також нагрівання, охолодження, подрібнювання і перемішування продуктів, які обробляються в апараті, та ін. Апарат не повинен мати застійних зон, у яких міг би накопичуватися продукт.

Експлуатаційні вимоги до апарата визначаються зручністю й простотою складання, розбирання, ремонту та обслуговування, надійністю в роботі, а також невеликим штатом обслуговуючого персоналу. До експлуатаційних вимог відносять також стійкість матеріалів, з яких побудований апарат, до корозії, яка може виникнути під дією мийних засобів, навколишнього середовища й продукту, що переробляється. Апаратура повинна забезпечувати задану продуктивність, задані витратні коефіцієнти по сировині, мінімальні експлуатаційні витрати, безпеку в роботі. До експлуатаційних показників апарата відноситься і енергоємність - витрата енергії на одиницю сировини, що переробляється, або готової продукції. Зрозуміло, що чим ця величина менша, тим апарат вважається досконалішим.

Конструктивні вимоги до апаратів пов'язані з їх проектуванням, виготовленням, транспортуванням і монтажем. Основні з них: стандартність і замінність деталей апарата; найменша трудоємкість під час складання; зручність транспортування, розбирання і ремонту; мінімальна маса апарата та його окремих частин. Конструктивна досконалість характеризується простотою будови, малою масою та габаритами, невеликими затратами дорогих і дефіцитних матеріалів, технологічністю виготовлення.

Вимоги техніки безпеки й промсанітарії. Безпека роботи апаратів і зручність їх експлуатації є важливими вимогами, які висуваються до апаратів. Тому апарати розраховують і виготовляють з необхідним запасом міцності, обладнують тепловою ізоляцією, захисними та запобіжними пристроями. У цьому відношенні найбільш безпечні герметичне закриті апарати безперервної дії, в яких контроль і керування процесом автоматизовані. Автоматизація забезпечує сталість заданого технологічного режиму в апараті, спрощує його обслуговування і веде до зменшення чисельності обслуговуючого персоналу. Апарати харчових виробництв повинні відповідати й санітарно-гігієнічним вимогам, невиконання яких зумовлює бактеріальне, механічне або хімічне забруднення продуктів харчування. При цьому апарати повинні бути герметичні, легкодоступні для миття та стерилізації.

Економічні вимоги зводяться до того, що вартість проектування, виготовлення, монтажу та експлуатації апарата повинна бути, за можливістю, мінімальною. Апарат повинен мати високі техніко-економічні показники, його перевагою є й невисока вартість.

Вимоги, що пов'язані із захистом навколишнього середовища, можна коротко сформулювати так: відходи (рідинні, газообразні, тверді), які одержують під час проведення процесів і викидають у навколишнє середовище, не повинні його забруднювати. При розробці нових, досконалих апаратів усі названі вимоги необхідно розглядати в єдиному комплексі.

5.2. Основні конструкційні матеріали для виготовлення апаратів

Під час вибору матеріалів для виготовлення апаратів ураховуються такі характеристики, як міцність, теплофізичні властивості, вартість, корозійна стійкість, легкість оброблення. До характеристик міцності входять допустимі напруження на стискання і розтягання, ударна в'язкість, жаростійкість. Важливою характеристикою матеріалів, котрі використовуються для виготовлення теплообмінної апаратури, є теплопровідність; у деяких випадках вона є вирішальним показником під час вибору матеріалу. Вибір того чи іншого матеріалу залежить також від його вартості й доступності. Однією з основних вимог, що висуваються до матеріалів апаратів харчових виробництв, є хімічна (корозійна) стійкість, тому що від неї залежить якість харчового продукту. Основні матеріали, що використовуються для виготовлення харчової апаратури, - різноманітні метали і сплави (вуглецеві та нержавіючі сталі, титан, чавун, мідь та її сплави, алюміній і його сплави та ін.), неметалеві матеріали (пластмаси, скло, дерево та ін.) та захисні покриття.

Сталь - сплав заліза з вуглецем ( вміст вуглецю 0,2-1,5%), основна й найважливіша група конструкційних матеріалів на основі заліза. Таке виняткове значення сталі здобули завдяки міцності, в'язкості, здатності витримувати динамічні навантаження, зварюватися, добре оброблятися різанням і прокатуванням. Вони також дешеві й доступні. Найширше застосування для виготовлення апаратів і машин знайшли вуглецеві сталі марок Ст.3 (для відкритих апаратів), Ст.2 (для теплообмінних апаратів), Ст.З (для апаратів з підвищеним тиском), Ст.4 (вали мішалок, барабанів центрифуг). З точки зору корозійної стійкості особливе значення в харчовому машинобудуванні мають нержавіючі високолеговані хромонікелеві сталі. Вони немагнітні, добре штампуються, зварюються, мають високу корозійну стійкість до агресивних середовищ, жаротривкість та високу міцність.

Чавун - широко використовується в харчовому апаратобудуванні для відливання фільтропресових рам, деталей насосів, компресорів, поршневих кілець, труб, зубчастих коліс. Чавун добре витримує навантаження, стиск, погано-згинання і розривання, а також розколювання. Вибираючи чавун, необхідно знати, що сірка, котра є в його складі, може переходити в продукт і надавати йому неприємного запаху.

Кольорові метали: алюміній, мідь, нікель, титан, свинець, а також сплави на їх основі широко використовуються в харчовому машинобудуванні.

Алюміній - досить міцний, має низьку густину, високу теплопровідність (у 4,5 разу більшу ніж сталь), легко штампується і прокатується. Однак погана зварюваність і погані ливарні властивості обмежують його застосування. Чистий алюміній має високу електрохімічну активність, але в умовах роботи апаратів поверхня його швидко покривається окисною захисною плівкою, котра запобігає його руйнуванню. Алюміній широко використовується для виготовлення апаратів харчових виробництв, особливо пивоварного і молочного. Крім алюмінію, використовується також його сплав з міддю - дюралюміній. Антикорозійні властивості цього сплаву нижчі, ніж чистого алюмінію.

Мідь та її сплави (бронза і латунь) мають високу корозійну стійкість, теплопровідність, добре прокатуються, тягнуться, штампуються, але мають невисокі механічні властивості та погано обробляються різанням через велику в'язкість. Мідь широко використовується для виготовлення ректифікаційних апаратів для спиртового виробництва, випарних апаратів для кондитерського і рафінадного виробництв, ви-парних і перегонних апаратів для лікеро-горілчаного виробництва.

З неметалевих матеріалів для виготовлення апаратів харчових виробництв та їх вузлів використовують залізобетон, скло та різноманітні пластмаси (вініпласт, поліетилен, фторопласти, текстоліт тощо). Зупинимось на використанні фторопластів, які стійкі до агресивних середовищ і в цьому відношенні переважають благородні метали та їхні сплави. Особливо широко використовується фторопласт-4, який стійкий до жирів, олій, вологи, кислот; не має запаху, не має адгезійних властивостей. Його використовують для покриття розкату-вальних і формуючих пристроїв у хлібопекарному, макаронному та кондитерському виробництвах. З нього роблять мембрани, сільфони, ,4 тонкостінні втулки, різноманітні прокладки та гранули, що використовуються як інертний матеріал розпилювальних сушарок.

Як захисне покриття від корозії найчастіше застосовують емалі (емалювання) та олово (лудження). Так, луджена листова сталь використовується для виготовлення тари в консервному, молочному і рибному виробництвах. Як покриття використовують також пластмаси, лаки та смоли.

Питання для самоперевірки

1. Завдання курсу „Процеси та апарати харчових виробництв".

2. Що таке процес? Класифікація процесів.

3. Рушійна сила процесу.

4. На які групи поділяються процеси залежно від закономірностей, які характеризують їх перебіг? Назвіть ці групи й процеси, які входять до них.

5. Класифікація процесів харчових виробництв за основними закономірностями перебігу та рушійною силою.

6. Як пишеться загальний вираз швидкості протікання процесу?

7. Характеристика періодичних і безперервних процесів.

8. Вимоги, які пред'являють до апаратів. Сформулюйте їх.

9. Класифікація процесів за змінами параметрів у часі.

10. Що є рушійною силою теплових та масообмінних процесів?

11. Що називають фізичною величиною (параметром)?

12. Які параметри стану ви знаєте?

13. Що таке густина, якими одиницями вона вимірюється?

14. Що таке в'язкість, якими одиницями вона вимірюється?

15. Які Ви знаєте ньютонівські рідини?

16. Де виявляється поверхневий натяг?

17. Якими одиницями вимірюється теплопровідність?

18. Як визначити коефіцієнт температуропровідності?

19. Чим відрізняються питомі теплоємністі рідин і газів?

20. Як розрахувати питому теплоємність суміші?

21. Яку форму набуває закон збереження маси?

22. На основі якого закону складають енергетичний баланс?

23. Що таке рушійна сила процесу?

24. Як виражається рушійна сила процесу?

25. Що називають системою?

26. Закони масштабного переходу й моделювання.

27. Сутність принципу оптимізації проведення процесу.

28. Загальні, універсальні рішення оптимізації процесів.

29. У чому полягають конструктивні вимоги до апарата?

30. Що розуміють під технологічністю виготовлення апаратів?

31. Які показники апаратів відносяться до експлуатаційних?

32. Які вимоги до апаратів пов'язані з їх проектуванням?

33. Вимоги техніки безпеки і промсанітарії.

34. Які характеристики враховуються під час вибору матеріалів для виготовлення апаратів?

35. Які позитивні властивості зумовлюють широке застосування нержавіючих сталей у харчовій промисловості?

36. Основні властивості фторопласта.

37. Які кольорові метали і сплави на їх основі використовують у харчовому машинобудуванні?

Використана література.

1. Процеси і апарати харчових виробництв / За редакцією А.М.Поперечного.- К.:Центр учбової літератури, 2007, - 301 с.

2. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.-М.:Пищ.пром-сть, 1984, -349 с.

3. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. –М.: Агропромиздат, 1999, - 430 с