напряму підготовки 6.050502 «Інженерна механіка» (спеціальності «Обладнання переробних і харчових ви- робництв») денної та заочної форм навчання – К.: НУХТ, 2011

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

О.О. СЕРЬОГІН

В.В. ПОНОМАРЕНКО Д.М. ЛЮЛЬКА

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТВ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

ЧАСТИНА 1

для студентів напряму підготовки 6.050502 «Інженерна механіка»

(спеціальності «Обладнання переробних і харчових виробництв») денної та заочної форм навчання

Всі цитати, цифровий та фактичний матеріал, бібліографічні відомості перевірені. Написання одиниць відповідає стандартам

Підпис(и) автора(ів)____________

«_____» ___________ 2011 р.

СХВАЛЕНО

на засіданні кафедри

теоретичної механіки та ресур- соощадних технологій

Протокол № 8 від 28.03.2011 р.

КИЇВ НУХТ 2011

Серьогін О.О., Пономаренко В.В., Люлька Д.М. Технологічне обладнання харчових виробництв: Конспект лекцій для студ. напряму підготовки 6.050502

«Інженерна механіка» (спеціальності «Обладнання переробних і харчових ви-

робництв») денної та заочної форм навчання – К.: НУХТ, 2011. – 160 с.

Рецензент А.В. Башта, канд. техн. наук

О.О. СЕРЬОГІН, доктор техн. наук,

В.В. ПОНОМАРЕНКО, кандидат техн. наук, Д.М. ЛЮЛЬКА

© О.О. Серьогін, 2011

© В.В. Пономаренко, 2011

© Д.М. Люлька, 2011

© НУХТ, 2011

ЗМІСТ

стор.

Вступ 5

1 Сировина для харчових виробництв 6

2 Технологічні середовища харчових виробництв 7 3 Класифікація обладнання харчових виробництв 17 4 Продуктивність машин. Основні техніко-економічні

показники обладнання 21

Запитання для самоперевірки 24

І Обладнання для зберігання сировини 25

І.1 Бункери для зберігання муки 25

І.2 Зберігання ячменю 27

Запитання для самоперевірки до розділу І 28

ІІ Устаткування для миття сільськогосподарської сировини 29

ІІ.1 Класифікація обладнання 29

ІІ.2 Обладнання для миття цукрових буряків 30 ІІ.3 Обладнання для миття плодів і овочів 36

ІІ.4 Машини для миття зерна 40

ІІ.5 Обладнання для миття тваринної сировини 43

ІІ.6 Обладнання для миття тари 45

Запитання для самоперевірки до розділу ІІ 47 ІІІ Устаткування для розбирання рослинної і тваринної сировини 48

ІІІ.1 Підготовка рослинної сировини 49

ІІІ.2 Підготовка тваринної сировини 50

ІІІ.3 Машини для підготовки зернових 51

ІІІ.4 Машини для підготовки винограду 59 ІІІ.5 Машини очищення коренеплодів і ягід 60 ІІІ.6 Машини для протирання рослинної сировини 63 ІІІ.7 Установки для зняття шкір з тварин 64 ІІІ.8 Машини для видалення оперення з тушок птиці 67

ІІІ.9 Машини для обробки риби 70

Запитання для самоперевірки до розділу ІІІ 72 ІV Обладнання для механічного подрібнення харчових мас 74

ІV.1 Основи теорії подрібнення 74

IV.2 Класифікація подрібнюючих машин 77

ІV.3 Подрібнення ударом 78

ІV.4 Інженерні розрахунки дробарок 84

ІV.4.1 Розрахунок молоткових (кулачкових) дробарок 84 ІV.4.2 Розрахунок кулькових дробарок 86 ІV.4.3 Розрахунок пальцевих подрібнювачів 87

ІV.4.4 Розрахунок вальцевих (валкових) подрібнювачів 88

ІV.5 Подрібнення роздавлюванням 90

ІV.6 Подрібнення харчових продуктів різанням 91 ІV.7 Гомогенізація харчових продуктів 95 Запитання для самоперевірки до розділу ІV 99 V Обладнання для перемішування харчових продуктів 100

V.1 Основи теорії перемішування 100

V.2 Класифікація обладнання для перемішування 100 V.3 Обладнання для перемішування рідких харчових продуктів 101 V.4 Перемішування сипких харчових продуктів 106

V.5 Перемішування пластичних мас 107

Запитання для самоперевірки до розділу V 117

VІ Обладнання для розділення грубодисперсних харчових суспензій

та емульсій 118

VІ.1 Розділення неоднорідних систем в гравітаційному полі 118

VІ.2 Розділення рідких неоднорідних систем фільтруванням 122

VІ.2.1 Фільтрування під дією тиску 123

VІ.2.2 Обладнання для фільтрування під тиском 123

VІ.2.3 Фільтрування в полі дії відцентрових сил 129

VІ.2.3.1 Осаджувальні центрифуги 130

VІ.2.3.2 Фільтрувальні центрифуги 131

VІ.3 Розділення газових сумішей 133

VІ.3.1 Розділення газових неоднорідних сумішей осадженням

і фільтруванням 135

VІ.3.2 Розділення газових неоднорідних сумішей в полі

дії відцентрових сил 138

VІ.3.3 Електричні пиловловлювачі 142

VІ.4 Розділення флотацією 144

VІ.5 Мембранне розділення 145

VІ.5.1 Теоретичні основи мембранних процесів 145

VІ.5.2 Класифікація баромембранних процесів 146

VІ.5.3 Зворотний осмос 146

VІ.5.4 Ультрафільтрація 147

VІ.5.5 Мікрофільтрація 148

VІ.5.6 Конструкція мембранних апаратів 148

Запитання для самоперевірки до розділу VІ 151 VІІ Обладнання для пресування та гранулювання 152

VІІ.1 Основи теорії пресування та гранулювання 152

VІІ.2 Обладнання для обробки продуктів пресуванням 153

Запитання для самоперевірки до розділу VІІ 158

Література 159

ВСТУП

Харчова промисловість за обсягом валової продукції займає 2 місце після машинобудування та металообробки, третє за кількістю робітників, п’яте за ва- ртістю основних виробничих фондів. Харчова промисловість об’єднує 22 спе- ціалізовані галузі, що включають більше 40 основних виробництв.

В цілому в Україні вона виробляє понад 10 тис. найменувань продукції.

Особливістю харчової промисловості є високий рівень матеріалоємності. Так, в собівартості харчової продукції витрати на сировину і матеріали складають по- над 85...90 % загальної вартості.

В даний час найбільший економічний ефект дають ті рішення, які направ- лені на раціональне використання сировини і матеріалів, впровадження матері- алозберігаючої техніки і технологій. В якості головного важеля інтенсифікації народного господарства ставиться кардинальне прискорення НТП, широке впровадження новітньої техніки і нових технологій, що забезпечить високу ефективність виробництва.

Харчова промисловість являє собою сукупність послідовних технологіч- них процесів по переробці сировини рослинного та тваринного походження з метою отримання харчових продуктів із заданими властивостями і терміном зберігання.

Важливою особливістю харчових виробництв є необхідність виконання санітарно-технічних вимог, пов’язаних з охороною здоров’я споживачів.

В харчових виробництвах потрібно виділити найбільш характерні етапи технологічного процесу:

1. Зберігання, підготовка сировини (відділення від домішок, миття), тари та обладнання до основних технологічних процесів.

2. Механічні процеси подрібнення продуктів, розділення їх на фракції.

3. Процеси змішування компонентів.

4. Теплова дія на продукти харчування.

5. Масообмінні процеси перетворювання харчових продуктів.

6. Фасування, упаковка.

7. Транспортування.

При теперішній великій кількості харчових виробництв існує така ж різно- манітність технологічного обладнання.

По характеру дії на оброблюваний продукт обладнання харчових вироб- ництв поділяється на три групи:

– апарати для зміни фізико-хімічних властивостей продуктів або їх аг- регатного стану під дією фізико-механічних, біомеханічних, теплових чи елект- ричних процесів;

– машини, в яких на продукт здійснюється механічна дія, що приводить до зміни їх форми і розмірів при збереженні початкових властивостей;

– транспортуючі машини для транспортування сировини, продуктів, на- півфабрикатів.

Характерна особливість машин — існування рухомих робочих органів, які здійснюють відповідну механічну дію на оброблюваний продукт.

Особливістю апаратів є наявність визначеного простору (робочої камери), в якому відбувається дія на продукт з метою зміни його властивостей.

Необхідно відмітити наступні характерні особливості харчових вироб- ництв:

– контакт продукту чи харчового середовища з елементами машини і апаратів;

– часовий фактор, коли технологічний процес має жорсткі часові межі.

Взаємодія системи продукт-матеріал оцінюється і регламентується Мініс- терством охорони здоров’я України з точки зору споживача. При цьому для кожного виду продукту є матеріали, які дозволені чи заборонені до викорис- тання. Наведемо приклад: мідь заборонена до використання в обладнанні моло- чних заводів і дозволена в обладнанні цукрової промисловості. Алюміній до- зволено використовувати в молочній промисловості взагалі, але у виробництві дитячого молочного харчування він заборонений.

1 Сировина для харчових виробництв

Джерелами сировини для виробництва більшості продуктів є продукти сільгосподарського виробництва. Так, сировиною для виробництва цукру є цу- крові буряки та цукрова тростина. У цукровій тростині вміст цукру майже у 2 рази менший, ніж у буряках, але кількість цукру з 1 га тростини в 2 рази біль- ша.

Сировиною для виробництва крохмалю є зерно злакових культур: кукуру- дза, пшениця, рис, сорго, а також картопля та стовбури хлібного дерева.

Сировиною для виробництва пива та квасу є солод, що отримується при проростанні зерна злакових культур. Зерно пророщують з метою накопичення амінолітичних ферментів для розчеплення складних крохмальних молекул на прості цукри, що засвоюються дріжджами. Солод використовується також при виробництві спирту, а також в хлібопеченні для зцукрювання заварок, і у ви- гляді смакових і ароматичних добавок для окремих сортів хліба.

Сировиною для виробництва хліба є також зерно злакових культур. В ос- новному — жито і пшениця.

Кондитерська промисловість виробляє різноманітний асортимент продук- ції, що нараховує багато найменувань. В залежності від технологічного процесу і типу сировини кондвироби ділять на:

– цукрові кондитерські вироби (шоколади, цукерки, мармеладо- пастильні вироби, халва, карамель, ірис, драже та ін. );

– борошняні кондвироби (печиво, крекери, пряники, торти, кекси, вафлі та ін.).

Сировиною для отримання кондитерських виробів є цукор, глюкоза, пато- ка, мед, жири, молоко та молочна продукція, яйця, какао, горіхи, борошно, кро- хмаль та ін.

Масложирова промисловість забезпечує рослинними маслами, маргарина- ми, майонезом. Сировиною є насіння маслинних культур. До яких відносять:

соняшник, бавовна, льон, соя, конопля, гірчиця, рапс, арахіс і т.п.

Основною сировиною для плодоовочевих консервів є овочі і фрукти, які вміщують вуглеводи, органічні кислоти, вітаміни і мінерали. Однак овочі і фру- кти не можуть довго зберігатися. Під дією мікроорганізмів вони швидко псу- ються, тому надійним засобом їх довгого зберігання є сушіння та консервуван- ня.

В харчовій промисловості довгий час застосовувалися технології отриман- ня продукції із зерна злакових культур. Ця форма і зараз є традиційною, але по- ряд з цим виникає можливість отримання продуктів харчування із зелених рос- лин, особливо масляних бобових.

На базі таких технологій отримують цінні харчові продукти, особливо при додаванні різноманітних добавок. Так, при отриманні 1 кг сиру утворюється

≈ 10 кг сироватки, з якої одержують молочний цукор, що є наповнювачем при виробництві дитячого харчування, а також у фармацевтичній промисловості.

Сировиною для молочних виробів є натуральний продукт – молоко корів, кіз, овець і т.д.

Умови нетривалого періоду зберігання молока диктують необхідність йо- го переробки і виготовлення таких продуктів для населення як молоко пастери- зоване, стерилізоване, вершки, кефір, тверді сири і т.п.

При виробництві м’ясних виробів,таких як ковбаси використовують м'ясо переважно сільськогосподарських тварин і великої рогатої худоби, свиней, ко- ней, овець, птиці та ін. Крім основної сировини використовується також допо- міжна сировина — субпродукти, жири.

2 Технологічні середовища харчових виробництв

У харчовій промисловості переробляють сировину і отримують готові продукти в різному агрегатному стані: твердому, рідкому, паро- і газоподібно- му. Для розрахунку процесів і апаратів необхідно знати властивості харчових продуктів і сировини.

Технологічні середовища харчових виробництв по складу і властивостям можна умовно поділити на органічні і неорганічні. До органічних середовищ відносять органічні вуглецевмісні сполуки рослинного та тваринного похо- дження. До неорганічних — хімічно активні водні розчини неорганічних кис- лот, лугів, солей і т.п.

Сильними корозійно-активними середовищами являються середовища хлі- бопекарського виробництва, в яких використовуються розчини, рідкі дріжджі і затори для їх приготування, житнє тісто, опара, тісто з пшеничної муки та деякі напівфабрикати. Продуктами бродіння заквасок, тіста і напівфабрикатів хлібо- пекарського виробництва являються: етиловий спирт, вуглекислий газ, різні ор-

ганічні кислоти, головним чином молочна і оцтова, деякі альдегіди і складні ефіри. Титруєма кислотність може змінюватися в межах 3-4˚Неймана, рН=6,0- 4,2.

Середовище бурякопереробного відділення цукрового виробництва, як правило, нейтральне чи малокисле (рН=6-7, температура 14-45˚С): ставкова і річкова вода з різним вмістом твердих речовин і мікроорганізмів (0,005-30г/л) і розчинених солей, дифузійний сік з вмістом 15% цукру в водному розчині і не- цукрів, в які входить до 5% азотистих і безазотистих з’єднань.

Середовища сокоочисного відділення цукрової промисловості по складу більш різноманітні і мають підвищену лужність (рН=8-14, температура 65- 102˚): вапнякове молоко, дефекований та сатурований соки з вмістом великої кількості гідроксиду кальцію, карбонату кальцію, оксиду кремнію і інших зва- жених часток, які мають достатньо високі абразивні властивості.

Середовища продуктового відділення — малолужні (рН=8 - 9) з вмістом великої кількості цукру (25-65%). Ці середовища можна умовно поділити на дві групи: утфелі (продукти кристалізації) і афінаційні маси, які вміщують до 40- 70% цукру, патоки і велику кількість нецукрів.

Технологічні середовища виноробного виробництва дуже агресивні до ву- глецевих сталей. Агресивність різних сортів вин визначається вмістом в них цукру і спирту, які значно коливаються в залежності від сорту вина. Так столові (сухі) вина не містять цукру, а тільки 9-14об. % спирту, міцні вина вміщують 8- 10% цукру і 16-20 об. % спирту, солодкі десертні вина — 8-20 % цукру і більше 13 об. % спирту, столові напівсолодкі вина — 3-7 % цукру і 7-12 об. % спирту.

Середовища спиртового виробництва — корозійно-активні, так як містять сухі речовини, незброджений цукор, органічні кислоти, складні ефіри, сивушні масла, альдегіди та ін. До цих середовищ можна віднести бражку (зернову, па- токову, тростинну), спирт-ректифікат, спирт-сирець, барду (зернову, тростинну, ацетонобутилову), а також горілку та різні лікери.

До середовищ кондитерської промисловості відносяться: цукрові і караме- льні сиропи з додаванням лимонної та молочної кислот, патоки, фруктово- ягідні відварки, сульфітоване пюре і начинки, а також велика кількість харчо- вих есенцій і барвників, які спричиняють корозію матеріалів.

Деякі види харчових середовищ мають абразивні властивості, наприклад, кетчупи, томатні пасти, майонез, соуси. Абразивні властивості мають також бі- льшість сипких середовищ.

Багато харчових продуктів є однорідними і неоднорідними сумішами.

До однорідних сумішей відносяться розчини, наприклад цукрові, водно- спиртові, соки і т. д. Однорідні суміші характеризуються концентрацією розчи- неної речовини.

До неоднорідних відносяться суміші твердої речовини з рідиною, а також суміші різних нерозчинних одна в іншій рідин. Для характеристики неоднорід- них сумішей вводять поняття об'ємної або масової долі, наприклад долі твердої речовини в рідини.

Загалом в обладнанні харчових виробництв робочим середовищем може бути: рідина, емульсія, піна, суспензія, тверде тіло, сипучий матеріал.

Рідини є тіло без суцільної структури зі значними силами зачеплення між молекулами. Рідини можуть бути ньютонівські і не ньютонівськими .

Ньютонівськими рідинами є такі , в яких в’язкість не залежить від напруги зрушення і підкоряються закону Ньютона

d , dx

  

де - дотична напруга зрушення шарів рідини один відносно іншого;

- коефіцієнт динамічної в’язкості рідини;

dv/dx - градієнт швидкості.

Не ньютонівськими рідинами є такі, в яких в’язкість залежить від напруги зрушення. Всі не ньютонівські рідини в свою чергу діляться на:

- бінгамівські пластичні рідини : мають початкову межу текучості, нижче якої вони не течуть і ведуть себе як тверді тіла (в основному це є концентровані суспензії, масляні фарби, лаки);

- псевдопластичні, зі збільшенням швидкості зсуву ефективна в’язкість рі- дини зменшується (відносяться багато полімерних матеріалів, деякі емульсії);

- дилатантні рідини – зі збільшенням швидкості ефективна в’язкість зрос- тає.

Прикладом дилатантних рідин може бути концентровані суспензії крохма- лю.

Емульсії – дисперсна система , що складається з кількох нерозчинних од- на в іншій рідин. Одна рідина є суцільною фазою інші –дисперсною (у вигляді капель).

Густина і в’язкість емульсії залежить від її складу. Наприклад густину емульсії(ρе) можна розрахувати за формулою:











_е  _д  _с 1 ,

де _д,_с - густина дисперсної фази і середовища, відповідно, φ - об’ємна доля дисперсної фази в емульсії.

Дуже часто зустрічаються газові емульсії – система, що складається з дис- персної фази і бульбашок газу і рідини. Газові емульсії утворюються при бар- батажі газу через рідину. Основним показником ,що характеризує кількість га- зової фази в рідині є газовміст (Г): відношення об’єму газової фази до об’єму суміші при заданих температурі і тиску:

р г

г

V V Г V

  , де V_г - об’єм газової фази,

V_р - об’єм рідини.

До газових емульсій відносяться піни – висококонцентровані дисперсні системи, що складаються з газових бульбашок, розділених такими плівками рі- дини. Стійкість піни залежить в основному від наявності поверхнево-активних речовин, тиску пари та ін..

Суспензії — дисперсна система, що складається з частинок твердої речо- вини (дисперсної фази) розподілених в рідкому суцільному середовищі (диспе- рсній фазі).

Суспензії є грубодисперсними системами з середнім розміром частинок 10^-3 мм. Тому суспензії є нестійкими і можуть бути розділені седиментацією (відстоюванням), в полі дії відцентрових сил (центрифугування), фільтруван- ням.

Сипучий матеріал — дисперсна фаза, що складається з твердих частинок довільної фази, що знаходиться в контакті.

В залежності від діаметру частинок d сипучий матеріал може бути:

- в пилоподібному стані (d<0,05мм) - в порошкоподібному стані (0,05<d<0,5) - в дрібнозернистому стані (0,5<d<2) - в грубозернистому стані (2<d<10) - в грудковому(d>10мм)

Величини, які характеризують стан штучного матеріалу є гранулометрич- ний склад, його фізичні властивості, механічні.

Гранулометричний склад — сипучий матеріал складається з полідисперс- них частинок, що розрізняються як формою так і розміром. Гранулометричний склад є характеристика , що показує , який відсоток (по масі, об’єму, поверхні, тиску частинок) складають дані частинки по відношенню до всієї маси аналізо- ваної проби. Для експериментального визначення гранулометричного складу найчастіше використовують ситовий, седиментаційний, мікроскопічний методи аналізу.

До фізичних властивостей сипучих матеріалів відносяться вологість, гігро- скопічність, густина, насипна густина, температура плавлення, вибухо- пожежобезпечність.

Гігроскопічність — властивість сипучого матеріалу сорбувати вологу з повітря.

Густина сипучого матеріалу — густина речовини, з якої складається час- тинка.

Насипна густина — маса одиниці об’єму, який займає матеріал при його вільному розміщенні.

Вибухо-пожежобезпечність. Вибухо-пожежобезпечними є повітряні су- міші, нижня концентраційна межа запалення якої менша 65 г/м³. Пилоповітряні суміші, концентрація твердих частинок в яких вища 65 г/м³ є пожежобезпечни- ми.

До механічних властивостей сипучих матеріалів відноситься аутогезія – сили взаємодії між частинками сипучих матеріалів.

Крім того між твердою поверхнею і частинками технологічної речовини виникають сили взаємодії – адгезія.

Когезія — зв'язок між молекулами , що приводить до утворення твердого тіла.

Агломерація — укрупнення частинок.

Для оцінки поводження сипучого матеріалу під дією зовнішнього наван- таження використовують такі характеристики як: кут природного укосу, почат- ковий опір зрушенню, коефіцієнт внутрішнього тертя та ін.

Усі властивості речовин можна поділити на фізичні (густина, питома вага, в'язкість, поверхневий натяг та ін.) і теплофізичні (питома теплоємність, тепло- провідність та ін.). Дані про ці властивості для різних речовин і розчинів зале- жно від температури і тиску наводяться в довідниках.

Розглянемо основні властивості речовин.

Густина ρ - це відношення маси тіла М (речовини) до його об'єму V. Опи- сується формулою:

ρ=M/V

і виражається в кілограмах на 1 м³, тоннах на 1 м³ або грамах на 1 см³.

Густина являє собою величину, зворотну питомому об'єму v_пит тобто об'є- му, займаному одиницею маси речовини;

ρ=1/ v_пит, де vпит =V/M.

Густина розчину залежить від його концентрації С.

Відношення густин двох речовин називається відносною густиною. Зазви- чай відносну густину речовин визначають відносно густини дистильованої во- ди:

ρ_від = ρ/ ρ_в , де ρ - густина речовини; ρ_в - густина води.

Густина суспензії ρс (кг/м³) обчислюють за формулою:

ρс= ρтвφ+ ρр(1-φ),

де ρтв - густина твердих часток в суспензії, кг/м³; φ - доля твердої фази в суспензії; ρ_р - густина рідини, кг/м³.

ρ, кг/м³

Рис. 1.1 Залежність густина ρ водно-спиртового розчину від його концент- рації С

Густина цукрових сиропів, фруктових соків, молока з цукром при 20 °С знаходять за формулою:

ρ₂₀=10(1,42x(100-x)), де х - концентрація сухих речовин, %.

При температурах, відмінних від 20 °С, використовується формула ρ1= ρ20-0,5(t-20),

де t - температура продукту, °С.

Густина томатопродуктів розраховують по формулі:

ρ20=1016,76+4,4х-0,53t.

Сипкі продукти (зерно, цукровий пісок, картопляна крупка і т. д.) характе- ризуються насипною густиною.

ρ_н=(1-Е) ρ_тв

де ρ_н - насипна густина сипкого продукту, кг/м³; Е – порозність (пористість) сипкого матеріалу.

Для вільно насипаних матеріалів порозність зазвичай знаходиться в межах Е=0,38..0,42.

Густина газів (кг/м³) обчислюють за формулою Клапейрона:

0 0

0 0

273 22, 4

T p M p

Tp Tp

    ,

де ρ0=М/22,4 - густина газу за нормальних умов (Т0=273 К; р0=1013 кПа), кг/м³;

М - молекулярна маса газу, кг/моль;

Т- абсолютна температура, К.

Густина суміші газів

ρсм=n1ρ1 + n2ρ2+ ….,

де n1 , n2 - об'ємні долі компонентів газової суміші;

ρ1 ,ρ2 - відповідно густини компонентів.

Питома вага  — це відношення ваги тіла (речовини) до його об’єму. На відміну від густини питома вага не є фізико-хімічною характеристикою речо- вини, оскільки залежить від місця виміру. Між питомою вагою і густиною існує співвідношення   g де g - прискорення вільного падіння, м/с² (9,81 м/с²).

В'язкість — це властивість газів і рідин чинити опір дії зовнішніх сил, що викликають їх течію.

Згідно з гіпотезою Ньютона при паралельно-струминній (ламінарній) течії середовища в'язкість проявляється в тому, що при зрушенні сусідніх шарів се- редовища один відносно іншого з’являється сила протидії. Ця сила характери- зується напругою зрушення, або, як його ще називають, напруженням внутріш- нього тертя, або дотичною напругою, яка пропорційна швидкості відносного зрушення шарів рідини. Напруження зрушення є відношенням сили опору се- редовища, що виникає між шарами, що рухаються, до площі поверхні зіткнення шарів середовища.

Напруження зрушення:

) / (dv dl



  ,

де dv/dl - градієнт швидкості (dv- зміна швидкості течії при віддаленні на ві- дстань dl від поверхні шару в перпендикулярному до нього напрямі).

Знак "мінус" вказує на те, що напруга зрушення гальмує шар, що рухається з відносно більшою швидкістю. Це рівняння виражає закон внутрішнього тертя Ньютона.

Коефіцієнт пропорційності  називають динамічним коефіцієнтом в'язкос- ті або динамічною в'язкістю.

Для ньютонівських середовищ динамічна в'язкість характеризує опір ламі- нарної течії. Якщо зміна швидкості течії при віддалені від поверхні шару на ві- дстань 1 м по нормалі дорівнює 1 м/с, то напруга зрушення складає 1 Па.

Динамічна в'язкість  (у Па*с) може бути виражена формулою:

), / )(

/

(P F dv dl



де Р - сила, прикладена ззовні, Н;

F - площа дії сили, м²; (P/F - тиск зрушення, Па);

l- відстань між шарами, м;

v - швидкість зрушення, м/с.

Динамічна в'язкість залежить від температури і визначається по довідни- ках. При 20 °C динамічна в'язкість води складає: 1*10^-3 Па*с

Кінематична в'язкість (чи коефіцієнт кінематичної в'язкості) визначається за формулою:





  /

в квадратних метрах за секунду. Кінематична в'язкість середовища густиною 1 кг/м³, динамічна в'язкість якої дорівнює 1 Па*с, складає 1 м²/с.

Динамічну в'язкість неоднорідної рідкої суміші обчислюють наступним рі- внянням:

при µд> µс; φ≥0,3 6 );

1

1 ( _{с д}

д с

cм  





 

 

 

при µ_д< µ_с; φ≥0,3 1,5 ).

1

1 ( _{с д}

д

cм с  





 

 

 

де µ_д, µ_с - динамічна в'язкість відповідно до дисперсної і суцільної фаз;

φ - доля дисперсної фази.

Багато рідин, які використовуються в харчовій промисловості, нe підкоря- ються закону внутрішнього тертя Ньютона. Такі рідини, а до них відносяться розчини полімерів, дисперсні і пластинчасті системи та ін., є не ньютонівськи- ми.

Для деяких не ньютонівських рідин, таких, як бінгамівські (пасти, концен- тровані суспензії), псевдо пластичні (розчини полімерів), дилатантні, характер- ні різні відхилення властивостей від ньютонівських рідин. Їх опір ламінарній течії характеризується ефективною в'язкістю µеф, під якою розуміють динаміч- ну в'язкість ньютонівської рідини при тому ж градієнті швидкості.

Для ньютонівських рідин залежність між напругою здвигу τ і градієнтом швидкості dv/dl згідно із законом внутрішнього тертя Ньютона виражається прямою, що проходить через початок координат з тангенсом кута нахилу, рів- ним динамічній в’язкості µ.

Динамічна в'язкість не ньютонівських рідин не залишається постійною, а змінюється залежно від швидкості здвигу, його тривалості, а також від конс- трукції трубопроводу або апарата. Залежності τ від dv/dl для не ньютонівських рідин являються криволінійними. Ці залежності називаються кривими течії.

Ефективну в'язкість визначають за рівнянням:

µеф=K(dv/dl)^n-1, де K - показник консистентності;

n - індекс течії.

Ефективна в'язкість пов'язана з плинністю τ наступним співвідношенням:

τ=K(dv/dl)ⁿ= K(dv/dl)^n-1(dv/dl) = µ_еф dv/dl.

На рис. 1.2 показані криві течії різних ньютонівських і не ньютонівських рідин. Як видно, бінгамівська рідина має властивості ньютонівської тільки ви- ще за межу плинності (τ>τ_пр). Крива течії псевдо пластичної рідини на прямолі- нійних ділянках 0а і bс підкоряється закону течії ньютонівської рідини з мак- симальною і мінімальною (на ділянці bс) в'язкістю, а на криволінійній ділянці аb її течія описується рівнянням:

τ= µ_еф dv/dl.

Рис. 1.2 Криві течії: 1 - чиста вода; 2 - концентрована суспензія; 3 - псевдо пластична рідина; 4 - бінгамівська рідина

Таким чином, ефективна в'язкість псевдо пластичної рідини зменшується зі збільшенням градієнта швидкості (n<1). Чим менше n, тим більше відрізня- ється течія псевдо пластичної рідини від ньютонівської.

Ефективна в'язкість концентрованих суспензій, які відносяться до дилатан- тних рідин, зростає зі збільшенням градієнта швидкості (n>1).

В'язкість суспензій незалежно від розміру твердих часток при об'ємній долі твердої фази φ не більше 10% розраховуються як:

µ_с=µ_р (1+2,5φ), а при φ>10% - як

µ_с=µ_р (1+4,5φ).

Динамічну в'язкість (мПа*с) соків, сиропів, згущеного і натурального мо- лока, при температурі t визначають за формулою:

µt=12.9µ/t ^0.85,

де µ - в'язкість при 20 °C. Для натурального молока:

µ=0.7 ехр(0,06+0,08x), де x - концентрація сухих речовин.

Динамічна в'язкість (мПа*с) рослинної олії:

µ=0,175/(10exp(0,31 +0,026t)), а томатопродуктів (Па*с):

µ=0,0199 х^2,94t ^{- 1.17}.

Динамічну в'язкість газових сумішей можна знайти за формулою:

Mсм/µсм=m1M1/µ1+ m2M2/µ2,

де Mсм, М1, М2,.. - молекулярні маси газової суміші і окремих її компо- нентів;

µ1, µ2 - динамічна в'язкість газової суміші і окремих її компонентів;

m₁, m₂ - об'ємні долі компонентів в газовій суміші.

Для перерахунку динамічної в'язкості газів на температури, відмінні від t=273 K, користуються формулою:

µt=µ0 (273+C/T+C)*(T/273)^1.5, де µ0 - динамічна в'язкість при 273 K;

C - коефіцієнт Сатерленда (для азоту C= 114, для кисню C= 131, для повітря C=124);

T - температура газу, K.

Поверхневий натяг σ - це величина, чисельно рівна роботі, яку треба ви- тратити для того, щоб при постійній температурі збільшити на одиницю площі поверхню розділу фаз. Поверхневий натяг рідини визначають так само, як ве- личину, чисельно рівну силі, що діє на одиницю довжини контуру поверхні ро- зділу і прагне скоротити цю поверхню до мінімуму. Завдяки поверхневому на- тягу крапля рідини за відсутності зовнішніх дій набуває форми кулі.

Поверхневий натяг залежить від температури і зменшується з її підвищен- ням. Значення поверхневого натягу для деяких рідин наведено в таблиці. 1.1.

Таблиця 1.1 Поверхневий натяг рідин Рідина Температура.

°К

Поверхневий натяг σ*10³ Н/м

Вода 0 75,6

20 72,8

Масло оливкове 20 32,0

Спирт:

етиловий 20 24,1

метиловий 20 22,6

Кислота оцтова 20 27,8

Теплоємність — це відношення кількості теплоти, яка підводиться, до ві- дповідної зміни його температури. Теплоємність одиниці кількості речовини називають питомою теплоємністю. У розрахунках використовують масову, об'ємну і молярну питомі теплоємності.

Питома теплоємність залежить від того, при якому процесі (ізобарному, ізохорному, адіабатному, політропному, ізотермічному) відбувається обмін енергією між речовиною і навколишнім середовищем.

Найчастіше в розрахунковій практиці використовуються ізобарна теплоє- мність сp та ізохорна теплоємність cv, які пов'язані між собою рівнянням:

с_p – с_v =R,

де R - універсальна газова стала, Дж/(моль*К); Дж/(кг*К).

Відношення с_p / с =К називається показником адіабати.

Масова питома теплоємність показує, яку кількість теплоти потрібно нада- ти речовині масою 1 кг, щоб підвищити його температуру на один градус.

Теплоємність рідин і газів залежить від температури та збільшується з її підвищенням. Експериментальні значення питомих теплоємностей харчових продуктів наведені в довідниках у вигляді таблиць та емпіричних формул.

Питомі теплоємності рідин змінюються в діапазоні від 0,8 до 4,19, газів - від 0,5 до 2,2, твердих речовин - від 0,13 до 1,8 кДж/(кг*К).

Питома теплоємність неоднорідних систем визначається рівнянням:

сp= саµа+ сbµb+ сcµc+…,

де са, сb, сc - масові питомі теплоємності компонентів;

µ_а, µ_b, µ_c - масові долі відповідних речовин в суміші.

Питому теплоємність томатопродуктів (Дж/(кг*К)) розраховують за фор- мулою:

с=4228,7-20,9х-10,85t , для рослинної сировини:

с=сc(1-0,01w)+41,87w, де сc - питома теплоємність сухих речовин;

w – вологість, %.

Питома теплоємність сахарози:

c=4190-0,01x* 2510-7,54t+4,61 (100-Ч), де х - концентрація сухих речовин; Ч – чистота продукту, %.

тіста:

c=1675(l+0,015w), зерна:

с=1550+26,4w

Теплопровідність — це перенесення енергії від більш нагрітих ділянок ті- ла до менш нагрітих в результаті теплового руху і взаємодії мікрочасток, що призводить до вирівнювання температури тіла.

Інтенсивність теплопровідності в твердих матеріалах, рідинах і газах хара- ктеризується коефіцієнтом теплопровідності λ, який є теплофізичним парамет- ром речовини і показує, яка кількість теплоти проходить через 1 м² поверхні впродовж 1 години при градієнті зміни температур в напрямку, перпендикуля- рному до ізотермічної поверхні, рівному 1.

Коефіцієнт теплопровідності рідини при температурі близько 30 °С може бути розрахований за формулою:

1 3

30 Ac /M

  ,

де А1 – коефіцієнт, залежний від ступіня асоціації рідини: для асоційо-

ваних рідин, наприклад води: А1=3,58*10^-8, для неасоційованих рідин, напри- клад бензолу, А₁=4,22-10^-8,

с - питома теплоємність рідини, Дж/(кГ'К);

ρ - густина рідини, кг/м³; М - молекулярна маса.

Коефіцієнт теплопровідності рідини при температурі t:

λ_i= λ₃₀(1-ε(t-30)),

де ε - температурний коефіцієнт, що набуває наступних значень: для мети- лового спирту і оцтової кислоти ε=1,2; для пропилового і етилового спиртів ε=1,4.

Теплопровідність фруктових соків, сиропів, молока з цукром (Вт/(м*К)) визначають за формулою:

λ_i = λ₂₀ +0,00068(t-20);

при 20 °С λ₂₀=0,593-0,025x^0,53, де x - концентрація сухих речовин.

Теплопровідність томат-продуктів:

λ =(528-404x+2,05t)*10^-3;

розчинів сахарози при температурах до 80 °C при 0≤x≤65%:

λ =(1-5,479*10^-3x)(0,5686+1,514*10^-3 t-2,2*10^-6 t²).

3 Класифікація обладнання харчових виробництв

Виробничий процес (від латин. processus - просування) — це сукупність послідовних дій для досягнення певного результату.

Технологія — це ряд прийомів, що проводяться напрямлено з метою отримання з початкової сировини продукту з заданими властивостями. Завдан- ня технології як науки полягає у виявленні фізичних, хімічних, механічних та інших закономірностей з метою визначення і використання на практиці най- більш ефективних і економічних виробничих процесів.

Все технологічне устаткування поділяється на машини і апарати.

Технологічні процеси ,що засновані на механічній роботі зі зміною форми, положення, розміру або інших властивостей оброблюємих об’єктів є механіч- ними і якщо вони відбуваються за допомогою машин - машинними. Технологі- чна машина являю собою сукупність органічно зв’язаних між собою робочих органів, джерела механічної енергії (двигуна) і допоміжних пристроїв.

Робочі органи – органи, які безперервно або за допомогою інструментів впливають на оброблюваний об’єкт.

Допоміжні пристрої – перетворювачі одного виду енергії в інший, або пе- ретворювачі механічного руху (зміна траєкторії або швидкості, зміна силових моментів).

Розрізняють три основні класи машин:

– машини - двигуни перетворення одного виду енергії в іншу (приклад:

електродвигуни, турбіни...);

– машини знаряддя - технологічні машини для перетворення енергії в кон- кретну роботу (приклад: для обробки продукту зміни його форми, властивос- тей...);

– обчислювальні машини ( для перетворення інформації).

Технологічний апарат (від латин. apparatus - устаткування) — цей при- стрій, пристосування, устаткування, призначене для проведення технологічних процесів.

В апаратах здійснюються процеси, що проходять за рахунок хімічних, бі- охімічних або других подібних реакцій або зв’язані з впливом на оброблюваний об’єкт силового поля (теплового, електричного, гравітаційного).

Характерною ознакою апаратів є наявність реакційного простору або ро- бочої камери.

Усе різноманіття основних процесів харчових технологій залежно від за- кономірностей їх протікання можна звести до п'яти основних груп: гідромеха- нічні, теплообмінні, масообмінні, механічні, біохімічні.

Гідромеханічні процеси — це процеси, швидкість яких визначається за- конами механіки і гідродинаміки. До них відносяться процеси переміщення рі- дин і газів по трубопроводах і апаратах, перемішування в рідких середовищах, розподіл суспензії і емульсії шляхом відстоювання, фільтрування, центрифугу- вання, псевдозрідження зернистого матеріалу.

Теплообмінні процеси — це процеси, пов'язані з перенесенням теплоти від більш нагрітих тіл (чи середовищ) до менш нагрітих. До них відносяться процеси нагрівання, пастеризації, стерилізації охолодження, конденсації, випа- рювання і т. п. Швидкість теплових процесів визначається законами теплопере- дачі.

Масообмінні, або дифузійні, процеси — процеси, пов'язані з перенесен- ням речовини в різних агрегатних станах з однієї фази в іншу. До них відно- сяться абсорбція і десорбція, перегонка і ректифікація, адсорбція, екстракція, розчинення, кристалізація, зволоження, сушка, сублімація, діаліз та ін. Швид- кість масообмінних процесів визначається законами масообміну.

Механічні процеси - це процеси чисто механічної взаємодії тіл. До них ві- дносяться процеси подрібнення, класифікації (фракціонування) сипких матері- алів, пресування та ін.

Хімічні і біохімічні процеси — процеси, пов'язані зі зміною хімічного складу і властивостей речовини, швидкість протікання яких визначається зако- нами хімічної кінетики

По ступені автоматизації обладнання харчових виробництв може бути поділене на: автоматичне, напівавтоматичне (всі технологічні операції і в біль- шій степені допоміжні виконуються без втручання людей).

Період, необхідний для обробки продукції визначається тривалістю циклу.

За період циклу процес обробки продукції відбувається по стадіях. Перехід з однієї стадії до іншої може проходити ступенево (з розривами) або безперерв- но. При безперервній обробці продукції технологічний процес проходить в по- тоці. При цьому швидкість потоку і довжину шляху необхідно вибирати так, щоб час проходження потоку був рівний або менший тривалості циклу.

Технологічний процес є завжди циклічний, але може бути по різному ор- ганізованим у часі та просторі. У відповідності до цього його апаратурне офор- млення може бути різним.