Экспериментальные исследования процесса распылительной сушки

Ход экспериментальных исследований

В ходе экспериментальных исследований необходимо решить следующие задачи:

• 1 Определение неизвестных величин, входящих в предложенную математическую модель.
• 2 Экспериментальная проверка математической модели.
• 3 Определение оптимальных значений скоростей основного и поперечного потоков, частоты вращения клапана пульсатора, температурных режимов в совокупности с оптимальными параметрами качества.

Экспериментальные исследования проводились в несколько этапов, которые включают в себя следующее:

• - измерение влажности, температуры, скорости воздушной среды при помощи датчика «Testo435» установленного в сушильной установке на высоте 0.1, 1, 2, 3 м от распылителя;
• - исследование изменений параметров высушиваемого продукта: определение влажности продукта на высоте 0,1, 1, 2, 3 м от распылителя согласно ГОСТ 29246-91; определение температуры продукта на высоте 0,1, 1, 2, 3 м от распылителя ГОСТ 26754-85; определение вязкости при исследуемой влажности ГОСТ 27709-88; определение плотности при исследуемой влажности; определение относительной влажности воздуха;
• - исследование процесса получения готового продукта, его самого и воздушной среды: определение влажности готового продукта согласно ГОСТ 29246-91; определение температуры готового продукта согласно ГОСТ 26754-85; определение качественных показателей; опре деление вязкости готового продукта ГОСТ 27709-88; определение плотности готового продукта; определение времени высушивания.

Исследования изменения параметров, входящих в математическую модель

Для изучения влияния влажности и температуры на вязкость, плотность, а также закономерности изменения их в процессе сушки, провели серию экспериментальных исследований. Исследованию подвергались продукты с вязкостью от 0,008 до 1,8 Па*с, плотностью от 1013 до 1220 кг/м³. Вязкость измерялась при помощи калиброванного стеклянного капиллярного вискозиметра и вискозиметра РВ-8. Образцы высушивали при одинаковых условиях и через равные промежутки времени определялась влажность, вязкость, температура образцов.

В эксперименте использовались следующие продукты: молоко «Оренбургское» с вязкостью при температуре 30 °C - 0,0018 Па*с, молоко домашнее с вязкостью при температуре 30 °C - 0,0022 Па*с, молоко «М» с вязкостью при температуре 30 °C - 0,0019 Па*с, концентрированная витаминизированная смесь на молочной основе «Малютка» -

1,5 Па*с, концентрированная витаминизированная смесь на молочной основе «Милковит» - 2 Па*с, концентрированное молоко «Шадрин-ское» - 1,1 Па*с, сливки домашние - 3,2 Па*с, сливки «Давлеканово» -2,9 Па*с, сливки «Оренбургские» - 3,0 Па*с.

При обобщении экспериментальных данных были получены следующие графики. На рисунке 3.3 представлены графики зависимости вязкости от температуры различных молочных продуктов.

а)

• * витаминизированная смесь на молочной основе малютка
• ? Витаминизированная смесь на молочной основе "Милковит"
• ? Концентрированное молоко "Шадринское"
• б) в)

Рисунок 3.3 - Изменение вязкости в зависимости от температуры.

На графиках рисунка 3.3 видно, что независимо от начального значения вязкости при увеличении температуры она снижается.

Расчетные зависимости обработаны путем построения линии тренда.

Для молочных продуктов с вязкостью 0,0018 Па*с, 0,0022 Па*с, 0,0019 Па*с, получили уравнение (3.1) с коэффициентом достоверности аппроксимации R²=0,9909:

у = 0,0009х² - 0,1618х + 7,0578,

Для молочных продуктов с вязкостью 1,5 Па*с , 2 Па*с, 1,1 Па*с получили уравнение (3.2) с коэффициентом достоверности аппроксимации R² =0,9804:

у = 1Е-05х²- 0,0416х + 2,8253,

Для молочных продуктов с вязкостью 3,2 Па*с, 2,9 Па*с, 3,0 Па*с получили уравнение (3.3) с коэффициентом достоверности аппроксимации _{R2 =} о,9876:

у = ЗЕ-07х² - 7Е-05х + 0,0042,

Наиболее близкая зависимость представлена квадратичным уравнением (3.4) вида:

у=ах²-Ьх+с,

Коэффициенты уравнения а, Ь, с зависят от начальной вязкости продукты. В целом видно, что при увеличении температуры вязкость снижается по параболическому закону.

На рисунке 3.4 представлены зависимости вязкости различных молочных продуктов от их влажности.

? витаминизированная смесь на молочной основе «Малютка»

Д витаминизированная смесь на молочной основе «Милковит»

А концентрированное молоко "Шадринское"

б)

Влажность,W

Рисунок 3.4 - Изменение вязкости в зависимости от влажности продукта

Как видно из графика (рисунок 3.4) приведенные линии тренда не достаточно полно описывают зависимости, к тому же появляются отрицательные значения исследуемого параметра. При достижении определенной влажности продукт перестает быть жидкостью и приобретает свойства упруго-вязкого тела. Для большинства исследуемых продуктов при влажности от 11,5 % до 12 % тело теряет свойства текучести, вязкость становится бесконечно большой и определяется из уравнений деформации упругого тела.

Целесообразно разбить данный график на 2 части: 1 участок - изменение вязкости при влажности 0,95

Из рисунка 3.5 видно, что при уменьшении влажности продукта его вязкость увеличивается. Например при влажности 30 % вязкость молока составляет 9 Па*с, витаминизированной смеси на молочной основе - 7 Па*с, сливок - 12 Па*с. В целом можно сделать вывод, что вязкость на данном этапе изменяется по парабалическому закону.

На рисунке 3.6 представлены изменения вязкости при влажности от 12 % до 5 %. Очевидно, резкое возрастание вязкости при уменьшении влажности: при влажности 10 % вязкость составляет молока - 580 Па*с, витаминизированной смеси на молочной основе -600 Па*с, сливок - 780 Па*с, при 5 % вязкость молока - 1200 Па*с, витаминизированной смеси на молочной основе - 1390 Па*с, сливок -1410 Па*с. Резкое возрастание вязкости связано с изменением агрегатного состояния тела: из жидкости в упруго-вязкое тело.

а)

• —?—молоко домашнее
• —в—молоко "М"

А молоко

"Оренбургское”

R2 = 0,9887 у = 39,879х2 - 68,907х + 29,705,

• —?—витаминизированная смесь на молочной основе «Малютка»
• —в—витаминизированная смесь на молочной основе «Милковит»
• —А—концентрированное молоко "Шадринское"

R2 = 0,9679 у = 193,02х2 - 168,46х +42,359,

• (3.5)
• (3.6)

—?? сливки домашние

И сливки

"Давлеканово”

А сливки

"Оренбургские"

R2 = 0,9982 у = 1221,3х2 -580,92х + 84,003,

(3.7)

Рисунок 3.5 - Изменение вязкости молочных продуктов при влажности от 12 % до 95 %

а)

б)

—?—молоко "М”

? молоко домашнее

А молоко

"Оренбургское"

• —?—витаминизированная смесь на молочной основе «Малютка»
• —в—витаминизированная смесь на молочной основе «Милковит»

А концентрированное молоко "Шадринское"

• ? сливки домашние
• ? сливки

"Давлеканово"

А сливки

"Оренбургские"

в) Рисунок 3.6 - Изменение вязкости в зависимости изменения влажности от 5 % до 12 %.

Приведенные на графиках линии тренда в целом описывают процесс по параболическому закону с высоким коэффициентом достоверности аппроксимации. Из графиков видно, что при увеличении температуры и влажности вязкость продукта снижается.

Для изучения влияния температуры и влажности на изменение плотности продукта были проведены эксперименты по методике указанной выше. В эксперименте использовались следующие продукты: молоко «Оренбургское» с плотностью при температуре 20 °C - 1027 кг/м³, молоко домашнее с плотностью при температуре 20 °C - 1030 кг/м³, молоко «М» с плотностью при температуре 20 °C - 1029 кг/м³, концентрированная витаминизированная смесь на молочной основе «Малютка» -1200 кг/м³ , концентрированная витаминизированная смесь на молочной основе «Милковит» - 1234 кг/м³, концентрированное молоко «Шадрин-ское» - 1221 кг/м³, сливки домашние - 1013 кг/м³, сливки «Давлекано-во» - 1017 кг/м³. Расчетные зависимости обработаны путем построения линии тренда. На рисунке 3.7 представлены обобщенные зависимости плотности продуктов от температуры. Как видно из графиков плотность с увеличением температуры уменьшается независимо от начальной плотности материала.

Для определения зависимости изменения плотности от влажности использовали те же продукты. По методикам, указанным выше проводили определение плотности при известной влажности. При достижении влажности 12 % использовали соответствующую методику.

Как видно из рисунка 3.8 не зависимо от начальной плотности при уменьшении влажности плотность возрастает и линии тренда в целом описывают процесс по параболическому закону с высоким коэффициентом достоверности аппроксимации.

Рисунок 3.7 - Влияние температуры на плотность молочных продуктов.

Рисунок 3.8 - Влияние влажности на изменение плотности

Зависимости представлены квадратичными уравнениями вида, с коэффициентом достоверности аппроксимации:

- для молока:

R²=0,9965, у = -7048.2л² + 965.28л+ 1354.6 q ₈)

- для концентрированной витаминизированной смеси:

R²=0.9708 y = -6547.8л² +167.05X +155.78 0 9^

- для сливок:

R²=0.967, у = -1.7666л² - 4.97.3л + 1449.4 (3 1 0)

Таким образом, для нахождения зависимостей вязкости и плотности от влажности и температуры достаточно провести полный факторный эксперимент с обязательным включением квадратичного эффекта.

Для нахождения зависимостей вязкости и плотности продукта от его влажности, температуры и исходного значения плотности и вязкости был проведен трехфакторный эксперимент на основе композиционного ортогонального плана ПФЭ 2³.

Согласно плану эксперимента провели серию экспериментальных исследований, учитывающих все возможные комбинации заданных факторов: W, t, Цнач, рнач. Для каждой точки эксперимента исследования проводились в трех повторностях.

При нахождении уравнения регрессии для определения вязкости при известной начальной вязкости продукта, температуры и влажности исследовали продукты, параметры которых находятся в следующих пределах:

• 0.05 < W < 0,9
• 40°С < / < 80°С
• 0,008/7а*с < д_шч < 2Па*с

По результатам эксперимента получены уравнения регрессии второго порядка, адекватно описывающие изменение ц и р от начального значения плотности и вязкости, влажности материала и его температуры, при их изменениях в заданных пределах.

Так как изменение вязкости в процессе сушки мы разделили на два этапа, то уравнения описывающие эти изменения так же отличаются:

-для 0.12 <0,9