Процес ізотермічного формування дріжджового пшеничного тіста методом екструзії. Розробка математичної моделі процесу екструзії, що враховує контактну взаємодію матеріалу і обладнання, зміну станів газової фази і в’язкості тіста в умовах навантаження.
Аннотация к работе
Екструзія - досить поширений спосіб виробництва харчової продукції, однак в науковій літературі недостатньо відомостей про процеси, що відбуваються при формуванні вибродженого тіста. Це пояснюється насамперед складністю урахування факторів, що впливають на виробництво, а також розбіжностями значень структурно-механічних характеристик тістових напівфабрикатів, наведених у літературі. Таким чином, розробка нових видів продукції і вдосконалення екструзійного устаткування вимагає поглибленого теоретичного дослідження процесів, що відбуваються при екструзійній обробці природних біополімерів. Розроблення і обґрунтування економічно ефективної екструзійної технології для виготовлення хлібопекарської продукції і потреба у створенні математичної моделі процесу формування як інструменту для визначення оптимальної геометрії формуючого каналу і необхідних режимів екструдування обумовлюють актуальність представленої роботи. створена математична модель процесу екструзії, яка дозволяє реалізувати процедуру зміни граничних умов для рухомого дискретного обєму досліджуваного середовища і врахувати контактну взаємодію між продуктом і обладнанням та зміну станів газової фази і вязкості тіста під впливом зовнішнього навантаження;Серед перерахованих методів особливий інтерес представляють застосування тиску при виготовленні тістових напівфабрикатів, що призводить до скорочення витрати сухих речовин під час бродіння і дозволяє прискорити сам процес, а також використання при формуванні матриць, профіль формуючих каналів яких дозволяє уникнути застійних зон, забезпечити правильну форму виробів та їх якісну поверхню. Однією із суттєвих проблем, які ускладнюють дослідження процесу екструзії і конструювання обладнання, є залежність реологічних характеристик неньютонівських матеріалів, до яких належить тісто, від умов зовнішнього навантаження. Для застосування рівняння (1) до розгляду деформування конкретного матеріалу, в даному випадку пружно-вязко-пластичного вибродженого тіста, воно доповнюється визначальним співвідношенням: (2) де - швидкості повної, зворотної (пружної) і незворотної деформацій відповідно; n, Е - коефіцієнт Пуассона і модуль Юнга твердої фази; - напруження; dik - дельта Кронекера; j та y - скалярні коефіцієнти, які залежать від обємного вмісту твердо-рідкої (a1) і газової (a2) фаз: j = a1; y = a1/(2a2); h - коефіцієнт вязкості матеріалу; е, g - перший і другий інваріанти девіатора швидкостей деформації; Р - рівень гідростатичного тиску в середовищі. Для математичного моделювання і обґрунтування режимів екструдування важливо враховувати зміну обєму тіста під дією зовнішнього навантаження - його стискуваність, яка залежить від кількості газової фази, накопиченої в тісті при замісі і бродінні, та величини прикладеного зусилля. Оскільки поведінка газової фази тіста під час формування екструзією - заключній стадії процесу формування тістових заготовок - визначає структуру і пористість готових виробів, ігнорування її при створенні математичної моделі процесу неприпустиме.Наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення задачі інтенсифікації процесів хлібопекарського виробництва і створення високоефективного обладнання, а саме: запропоновано новий, економічно ефективніший спосіб виробництва виробів з пшеничного дріжджового тіста методом екструзії і визначено необхідні параметри роботи обладнання. Дослідження накопичення кислотності за різних умов бродіння показало, що бродіння у закритій ємності під надлишковим тиском призводить до інтенсифікації процесу: час, протягом якого досягається її задане значення 3°Н, при тиску 50 КПА скорочується в 2.2 рази. Як наслідок, зменшуються втрати сухих речовин при бродінні та загальна тривалість виробництва продукції з дріжджового тіста. Збільшення надлишкового тиску при бродінні від 50 до 150 КПА викликає зниження вмісту газоподібного СО2 в тісті у 6 разів. Реалізація процедури зміни граничних умов для рухомого дискретного обєму, а також урахування контактної взаємодії між продуктом та обладнанням, особливостей поведінки газової фази тіста і зміни ефективної вязкості тіста в залежності від зовнішнього навантаження дозволило створити математичну модель процесу екструзії вибродженого тіста.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
Наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення задачі інтенсифікації процесів хлібопекарського виробництва і створення високоефективного обладнання, а саме: запропоновано новий, економічно ефективніший спосіб виробництва виробів з пшеничного дріжджового тіста методом екструзії і визначено необхідні параметри роботи обладнання. Аналіз отриманих в роботі результатів дозволив зробити такі висновки: 1. Для опису течії пшеничного дріжджового тіста в діапазоні швидкостей зсуву 0.046 - 1.77 с-1 доцільно використовувати ступеневий закон Гершеля - Балклі. Це обумовлено існуванням граничного напруження зсуву тіста (149 Па) і нелінійною залежністю його вязкості h (Па?с) від напруження t (Па) і швидкості зсуву (с-1): і . Отримані дані використані при математичному моделюванні для опису неньютонівської поведінки тіста.
2. Дослідження накопичення кислотності за різних умов бродіння показало, що бродіння у закритій ємності під надлишковим тиском призводить до інтенсифікації процесу: час, протягом якого досягається її задане значення 3°Н, при тиску 50 КПА скорочується в 2.2 рази. Як наслідок, зменшуються втрати сухих речовин при бродінні та загальна тривалість виробництва продукції з дріжджового тіста.
3. Збільшення надлишкового тиску при бродінні від 50 до 150 КПА викликає зниження вмісту газоподібного СО2 в тісті у 6 разів. У розчиненому стані перебуває до 80% СО2. За умови поєднання в одному агрегаті двох технологічних операцій - бродіння і формування - таке співвідношення між газоподібним і розчиненим в тісті СО2 є однією з причин спучування виробів на виході з формуючого каналу. В результаті усувається необхідність подальшого вистоювання тістових заготовок, які можна формувати безпосередньо на під печі.
4. При тиску більше 200 КПА відбувається повний перехід газової фази тіста в розчинений стан і надалі воно поводить себе як однофазне нестискуване середовище. Перевищення цієї межі під час формування виробів з тіста недоцільне.
5. Реалізація процедури зміни граничних умов для рухомого дискретного обєму, а також урахування контактної взаємодії між продуктом та обладнанням, особливостей поведінки газової фази тіста і зміни ефективної вязкості тіста в залежності від зовнішнього навантаження дозволило створити математичну модель процесу екструзії вибродженого тіста. Вона є інструментом, що дає можливість з мінімальними витратами часу і матеріальних ресурсів розраховувати конструктивні варіанти обладнання і досліджувати поведінку сировини з найрізноманітнішими структурно-механічними характеристиками.
6. При екструдуванні тіста доцільно застосовувати матрицю радіусом 6.78 мм і довжиною 27.67 мм. Ці розміри, отримані при вирішенні задачі оптимізації з використанням аналізу напружено-деформованого стану досліджуваного матеріалу, забезпечують максимальну продуктивність екструдера при заданих діаметрі екструдату, швидкості випресовування, контактних напруженнях і розподілі пористості.
7. На експериментальній установці досліджено вплив робочого тиску і геометрії формуючих органів на процес екструдування. Для забезпечення якісної, без розривів і кратерів, поверхні виробів, тиск пресування слід обмежувати 150 КПА.
Тиск пресування Рн (КПА) і швидкість екструдату на виході з формуючого каналу v (мм/с) звязані залежністю: . Отримані дані можуть бути використані для створення промислової установки.
Шляхом порівняння даних чисельних експериментів і відповідних їм фізичних зясовано, що відмінність між цими залежностями для зазначених експериментів становить 6.7%. Розроблена математична модель є адекватною реальному процесу екструдування.
8. Застосування процесу екструзії при виробництві хлібобулочних виробів є перспективним, про що свідчать розрахунки економічної ефективності (річний прибуток підприємства становитиме 1027,62 тис. грн., термін окупності лінії 3 роки) і позитивні відгуки хлібокомбінату №10 м. Києва і малого підприємства “Інжтехсервіс” щодо показників якості виробів, отриманих запропонованим способом у виробничих умовах.
ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Сандул О.О., Штефан Є.В., Теличкун Ю.С., Теличкун В.І. Математичне моделювання процесу формування тіста екструзією // Харчова промисловість. - 2001. - №1. - С. 95 - 98.
Особистий внесок: Постановка задачі, розробка схеми моделювання процесу екструзії, опис обєкту дослідження.
2. Сандул О.О., Штефан Є.В., Теличкун В.І. Побудова моделей оптимізації у розрахунках процесу екструдування тіста // Наукові праці УДУХТ. - 2001. - №10. - С.110 - 111.
Особистий внесок: постановка задачі оптимізації.
3. Сандул О.О., Штефан Є.В., Теличкун В.І. Розроблення чисельних методів розрахунку процесу формування пшеничного дріжджового тіста екструзією// Наукові праці НУХТ. - 2002. - №11. - С.47-49.
Особистий внесок: розробка алгоритмічного і програмного забезпечення для врахування особливостей процесу екструзії; проведення чисельних експериментів і аналіз їх результатів.
4. Сандул О.О., Штефан Є.В., Теличкун В.І. Розроблення математичної моделі процесу екструдування тістових заготовок для виробництва сухарів // 65-а студентська наукова конференція: Тези доп. - К.: УДУХТ. - 1999. - С.64.
Особистий внесок: визначення реологічних характеристик вибродженого тіста і вдосконалення на основі отриманої залежності математичної моделі.
5. Сандул О.О., Штефан Є.В., Теличкун Ю.С., Теличкун В.І. Розроблення методики дослідження контактної взаємодії “продукт - екструдер” в процесах пресування тіста // Шоста міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”: Тези доп. - К.: УДУХТ. - 2000. - С.64-65.
Особистий внесок: обґрунтована необхідність урахування контактної взаємодії між продуктом і обладнанням, запропонована методика її дослідження.
6. Загладько В.М., Теличкун В.І., Сандул О.О. Розроблення поршньового нагнітача для формування тіста екструзією // 66-а студентська наукова конференція: Тези доп. - К.: УДУХТ. - 2000. - С.101.
Особистий внесок: участь у розробці конструкції нагнітача.
7. Сандул О.О., Теличкун В.І. Розроблення математичної моделі процесу формозмінення тістової заготовки при виході з екструдера // 67-а наукова конференція студентів, аспірантів і молодих вчених: Тези доп. - К.: УДУХТ. - 2001. - С.52 - 53.
Особистий внесок: розробка математичної моделі процесу формозмінення тістових заготовок на виході з екструдера.
8. Сандул О.О., Штефан Є.В. Розроблення алгоритмічної моделі відносного руху в системі “тісто - обладнання” в технологіях екструдування // 67-а наукова конференція студентів, аспірантів і молодих вчених: Тези доп. - К.: УДУХТ. - 2001. - С.113 - 114.
Особистий внесок: розробка алгоритму і програми автоматизованої зміни граничних умов при русі тіста.
9. Сандул О.О., Теличкун В.І., Штефан Є.В. Особливості поведінки газової фази тіста під тиском // Міжнародна наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів: Тези доп. - К.: НУХТ. - 2002. - С.49.
Особистий внесок: виконання експериментального дослідження стискуваності тіста, аналіз результатів.
10. Сандул О.О., Теличкун В.І. Використання екструзії при формуванні вибродженого тіста // 69-а наукова конференція молодих вчених, аспірантів і студентів: Тези доп. - К.: НУХТ. - 2003. - С.52.
Особистий внесок: проведення експериментів, аналіз і узагальнення отриманих даних.