Развитие научных основ интенсификации гидродинамических и тепловых процессов при обработке жиросодержащих пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ БОРИС ЛЬВОВИЧ

РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЖИРОСОДЕРЖАЩИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В ЁМКОСТНОМ ОБОРУДОВАНИИ С ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Специальность 05.18.12 – Процессы и аппараты

пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий".

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор

Доманский Игорь Васильевич

Доктор технических наук

профессор

Мачихин Сергей Александрович

Доктор технических наук

профессор

Антипов Сергей Тихонович

Ведущая организация: ГНУ "Всероссийский научно-исследовательский институт жиров" Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится « » __________ 2009г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.234.02 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, тел/факс 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий.

Автореферат разослан « » __________ 2009г.

Учёный секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор /Колодязная В.С./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задачи дальнейшего развития различных отраслей пищевой промышленности могут быть успешно реализованы на основе создания прогрессивных и высокоэффективных технологий. С учётом этого стратегия развития пищевой промышленности тесно связана с оснащением пищевых предприятий высокоэффективной передовой техникой, так как проблема обеспечения населения высококачественными продуктами питания практически не может быть решена без применения совершенного оборудования, в том числе ёмкостного, широко используемого при производстве пищевых продуктов.

Необходимость создания высокоэффективного оборудования для пищевой промышленности отмечают такие известные учёные в области процессов и аппаратов пищевых производств, как Панфилов В.А., Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остриков А.Н., Ураков О.А., Федоткин И.М., Липсман В.С. и другие.

Создание конкурентоспособного ёмкостного оборудования невозможно без всесторонних исследований прогрессивных эффективных способов интенсификации реализуемых гидродинамических и тепловых процессов. Знание закономерностей протекания гидродинамических и тепловых процессов при обработке вязких и аномально-вязких пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании создают теоретическую основу для их интенсификации.

Применение в ёмкостном оборудовании перемешивающих устройств очищающего и шиберного типов открывает большие перспективы интенсификации гидродинамических и тепловых процессов. Такие устройства обеспечивают механическую и гидродинамическую турбулизацию пристенных слоёв обрабатываемых продуктов, имеющих большую вязкость и тем самым оказывающих существенное термическое сопротивление при осуществлении тепловых и гидродинамических процессов.

Изыскание новых способов повышения интенсивности гидродинамических и тепловых процессов на основе научных исследований развития теоретических основ создания прогрессивных и более эффективных видов ёмкостного оборудования составляют весьма важную задачу. В связи с этим проблема установления закономерностей тепловых и гидродинамических процессов, реализуемых в ёмкостном оборудовании и научное обоснование прогрессивных и эффективных способов их интенсификации при обработке вязких жиросодержащих пищевых продуктов, обладающих свойствами неньютоновской псевдопластичной среды, является одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Цель работы – выявление общих закономерностей гидродинамических, тепловых и реологических процессов и разработка на этой базе научно-технических основ их интенсификации при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов, а также разработка единого метода расчёта эффективной вязкости для различных групп жиросодержащих продуктов.

Задачи исследований:

– провести комплексные теоретические и экспериментальные исследования гидравлических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов;

– выполнить методами физико-химической механики исследования реологических характеристик жиросодержащих и других пищевых продуктов;

– получить обобщённые реологические характеристики для различных групп жиросодержащих продуктов с однородными свойствами;

– модифицировать применительно к обобщению реологических характеристик жиросодержащих продуктов при их различном фазовом состоянии метод Вильямса, Лендели, Маслова А.М.;

– разработать способы интенсификации гидродинамических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов;

– усовершенствовать теоретические основы расчётов расходуемой энергии и коэффициентов теплоотдачи в ёмкостном оборудовании с предложенными конструкциями перемешивающих устройств;

– разработать математические модели расходуемой энергии, теплообмена и градиента скорости сдвига в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами;

– получить обобщённые критериальные уравнения расходуемой энергии и теплообмена с учётом конструкций перемешивающих устройств и реологических свойств обрабатываемого продукта;

– предложить новые конструктивные решения перемешивающих устройств в ёмкостном оборудовании, обеспечивающих интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов;

– сформулировать на основе системного анализа и совокупности рабочих гипотез концепцию моделирования ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами для тепловой и гидродинамической обработки жиросодержащих и других пищевых продуктов, обеспечивающую интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов, экономию энергетических ресурсов и сокращение продолжительности обработки продуктов.

Концепция работы: В основу научного решения проблемы создания высокоэффективного ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с аномально-вязкими свойствами положены комплексный метод исследований – теоретический и экспериментальный, базирующийся на эффективных способах интенсификации гидродинамических и тепловых процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– предложены теоретические основы расчётов расходуемой энергии и теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов, базирующиеся на физическом и математическом моделировании гидродинамических и тепловых процессов;

– разработаны способы интенсификации гидродинамических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании, защищённые авторскими свидетельствами;

– разработаны математические модели расходуемой энергии, теплообмена и градиента скорости сдвига в ёмкостном оборудовании, учитывающие конструктивные особенности перемешивающих устройств и реологические свойства обрабатываемого продукта;

– предложены обобщённые критериальные уравнения расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании для ламинарного, переходного и турбулентного течений, учитывающие влияние конструктивных и кинематических параметров перемешивающих устройств очищающего и шиберного типов на потребляемую мощность;

– установлен различный характер движения ньютоновских и неньютоновских сред с псевдопластичными свойствами при перемешивании их в ёмкостном оборудовании в ламинарной и переходной областях;

– выполнены исследования реологических характеристик жиросодержащих и других пищевых продуктов, на основании которых получены обобщённые реологические характеристики для различных групп жиросодержащих продуктов с однородными свойствами;

– модифицирован применительно к обобщению реологических характеристик жиросодержащих продуктов при их различном фазовом состоянии метод Вильямса, Лендели, Маслова А.М.;

– получены на основе теории подобия обобщённые критериальные уравнения теплообмена, что позволило установить степень влияния обобщённых критериев Рейнольдса и Прандтля на теплоотдачу и рекомендовать полученные уравнения для расчёта тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами;

– разработаны теоретические основы расчётов расходуемой энергии и теплообмена в ёмкостном оборудовании на базе физического анализа гидродинамических и тепловых процессов и их математического моделирования с учётом конструкций перемешивающих устройств и свойств обрабатываемого продукта;

– предложены новые конструктивные решения перемешивающих устройств в ёмкостном оборудовании, обеспечивающие интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов;

– сформулирована на основе системного анализа и совокупности рабочих гипотез концепция моделирования ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами для тепловой и гидродинамической обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов, обеспечивающая интенсификацию гидродинамических и тепловых процессов, экономию энергетических ресурсов и сокращение продолжительности обработки продуктов.

Основные положения, выносимые на защиту.

Системный подход к созданию высокоэффективного ёмкостного оборудования для обработки жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами.

Закономерности протекания гидродинамических и тепловых процессов и на их основании разработанные научно-технические положения интенсификации при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа.

Математические модели гидродинамических и тепловых процессов в ёмкостном оборудовании для различных конструкций перемешивающих устройств.

Обобщённые критериальные уравнения мощности и теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами.

Специфика гидродинамических потоков в ёмкостном оборудовании при обработке сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами.

Новые экспериментальные реологические характеристики жиросодержащих продуктов при их различных фазовых состояниях, полученные методами физико-химической механики.

Единые температурные зависимости и единые скоростные температурно-инвариантные характеристики эффективной вязкости для каждой из пяти обобщённых групп жиросодержащих продуктов и математическое описание этих зависимостей.

Математическая модель по определению градиента скорости сдвига в ёмкостном оборудовании при обработке продуктов с псевдопластичными свойствами.

Расчётные формулы для определения эффективной вязкости каждого продукта, входящего в состав соответствующей обобщённой группы жиросодержащих продуктов с однородными физико-химическими свойствами.

Расчёт ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами.

Практическая значимость работы:

– определено влияние геометрических, кинематических и конструктивных параметров перемешивающих устройств очищающего и шиберного типов на расходуемую энергию и теплообмен при обработке в ёмкостном оборудовании жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами;

– для разработки и модернизации ёмкостного оборудования получены новые данные о реологических характеристиках большого числа следующих жиросодержащих пищевых продуктов: маргаринов мягких "Утро", "Росинка", "Домашний", "Лакомка", "Сливочный" и брусковых "Утро", "Сливочный новый", "Домашний", "Росинка", "Волшебница", майонезов "Утро", "Нежко", "Для салатов", "Провансаль новый", "Колибри", "Лёгкий", "Провансаль", сметаны с содержанием жира 10, 15, 20 и 30%, мясных студней "Праздничный", "Куриный", "Домашний", кулинарных жиров "Сало растительное", "Фритюрный", комбинированных жировых продуктов – спредов "Веста", "Домашний", и ряда других продуктов;

– разработаны методы расчёта ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа при обработке жиросодержащих продуктов;

– проданы два авторских свидетельства предприятиям через Роспатент РФ;

– результаты исследований использованы при модернизации ёмкостного оборудования в ОАО "Балтийское молоко", на Смольнинском хлебозаводе, в ООО "Протеин плюс";

– материалы работы используются в научной, технической и учебной работе.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях с 1990 по 2008 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 92 работы, в том числе 15 авторских свидетельств Роспатента РФ, 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и пять отдельных изданий [24, 40, 66, 74, 92].

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, списка литературы и приложений. Объём диссертации – 275 страниц основного машинописного текста, 62 рисунка, 3 таблицы, 375 наименований источников в списке литературы, при этом 70 – на иностранных языках, а также приложений на 187 страницах.

Основное содержание работы

Обоснованы актуальность и сущность научно-технической проблемы развития научных основ интенсификации гидродинамических и тепловых процессов при обработке жиросодержащих пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами, а также обоснованы широкомасштабные исследования реологических характеристик жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами. Определены цель работы и направления по решению поставленной проблемы.

Теоретические основы расчёта и экспериментальные исследования расходуемой энергоёмкости оборудования с перемешивающими устройствами при обработке жиросодержащих пищевых продуктов

Как было показано, создание эффективного оборудования на основе интенсификации гидродинамических процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке в них жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов является актуальной проблемой. Для успешного её решения необходимо располагать системой расчётных зависимостей по определению расходуемой энергии. С целью получения необходимых расчётных соотношений автором разработан исчерпывающий комплекс математических моделей в ёмкостном оборудовании с наиболее перспективными перемешивающими устройствами.

Математическая модель расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при турбулентном режиме и угле установки лопастей менее 90° – первая модель. Одним из перспективных перемешивающих устройств в этом оборудовании при обработке вязких продуктов являются мешалки очищающего типа. Этим обстоятельством обусловлена разработка двух математических моделей для этого типа.

Рядом исследователей – Бегачевым В.И., Глуховым В.П. и другими рассматривался вопрос по определению расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании. Однако он не решался в таком сочетании, как в данной работе, то есть при одновременном учёте лопастей и траверс.

Основными потребителями мощности, расходуемой перемешивающим устройством, являются лопасти и траверсы. В ёмкостном оборудовании диаметр вала много меньше диаметра цилиндра аппарата. Поэтому мощность на преодоление сил трения боковой поверхности вала о продукт и мощность на преодоление сил трения торца вала не учитываются. По этой же причине можно пренебречь мощностью, расходуемой на преодоление сил трения о продукт деталями, связывающими лопасть с траверсами. С учётом изложенного суммарная расходуемая мощность определяется по формуле:

. (1)

Суммарный момент сопротивления на валу перемешивающего устройства является суммой моментов, приложенных к отдельным составляющим перемешивающего устройства. Он рассчитывается следующим образом:

. (2)

В результате решения рассматриваемой задачи получены следующие расчётные зависимости для определения моментов:

+

; (3)

; (4)

. (5)

Из перечисленных параметров линейной зависимости наиболее существенное влияние на расходуемую энергию оказывает эффективная вязкость перемешиваемой среды. Это происходит потому, что значение эффективной вязкости в зависимости от температуры среды и величины градиента скорости сдвига изменяется в десятки и сотни раз, чего нельзя сказать о геометрических размерах перемешивающего устройства, числа лопастей и траверс и плотности перемешиваемой среды.

Математическая модель расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа с центральными отражательными лопастями при турбулентном режиме и угле установки лопастей менее 90°.

В результате разработки данной математической модели получена следующая расчётная формула для расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа, и угле установки лопастей менее 90°, с центральными отражательными лопастями при турбулентном режиме:

, (6)

где – эффективная вязкость, Па·с; ; ; ; .

Расчёты показали, что расхождение мощности, рассчитанной по формуле (6), с экспериментальными данными находится в пределах 814%

Математическая модель расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при ламинарном режиме и угле установки лопастей не более 15°. В работах Регера Э.О., Лацера И. и др. по определению расходуемой энергии с использованием лопастных мешалок не уделялось должного внимания теоретическому нахождению точки приложения результирующей силы сопротивления обрабатываемой среды и распределению давления по длине лопасти для неньютоновских сред. Это создавало определённый пробел в теории данного вопроса. В данной работе предпринята попытка решить данную задачу теоретически, совместно с Аретом В.А.

При решении задачи примем следующие допущения. Угол наклона лопасти к стенке ёмкости будем считать малым, то есть не превышающим 15°. Примем также, что диаметр ёмкости много больше, чем длина лопасти, поэтому стенку ёмкости на участке, равном длине лопасти, приближённо можно считать плоскостью.

В результате разработки данной математической модели получена следующая формула для расчёта расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающим устройством шиберного типа при ламинарном режиме и угле установки лопастей не более 15°:

. (7)

Формула (7) позволяет рассчитывать мощность, расходуемую перемешивающим устройством шиберного типа.

Математическая модель расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при ламинарном режиме при угле установки лопастей не более 15° и центральными отражательными лопастями. При разработке данной математической модели были учтены некоторые зависимости, предложенные Бегачевым В.И., Гурвичем А.Р. и Брагинским Л.Н. Автором получена следующая формула для расчёта расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при угле установки лопастей менее 15°, с центральными отражательными лопастями при ламинарном режиме:

. (8)

Формула (8) представляет зависимость для расчёта мощности на перемешивание продукта в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа и центральными отражательными лопастями.

Математическая модель для градиента скорости сдвига продукта в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа на основании полуэмпирической теории турбулентного переноса. Ряд исследователей: Регер Е.О., Метцнер А.В., Кольдербанк П.Н., Стренк Ф., Павлушенко И.С., Бегачев В.И., Конвисер И.А., Глуз М.Д. и другие предложили зависимости для градиента скорости. Однако теоретические обоснования формул либо отсутствуют, либо содержат спорные допущения. Автор на основании полуэмпирической теории турбулентного переноса предлагает научно обоснованную методику расчёта градиента скорости сдвига продукта в ёмкостных аппаратах с очищающими перемешивающими устройствами. В результате разработки данной математической модели получена следующая формула для расчёта градиента скорости сдвига в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа:

. (9)

Формула (9) позволяет рассчитать градиент скорости сдвига в ёмкостях с очищающим перемешивающим устройством.

Полуэмпирическая модель расчёта расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при турбулентном режиме и угле установки лопастей менее 90° – вторая модель. Ряд авторов – Фройштетер Г.Б., Розанов Л.С., Регер Э.О. и другие выводили теоретические формулы для расчёта мощности лишь для ламинарного режима. Это объясняется сложностью характера движения при турбулентном режиме.

Для турбулентного режима известна полуэмпирическая формула. Недостатком этой формулы является то, что авторами предлагается установленные под углом к радиусу скребки при расчёте их гидравлического сопротивления рассматривать как плоские пластины, размеры которых равны проекции фактических размеров на меридиональную плоскость. Такое допущение весьма проблематично считать корректным. Очевидно, что более узкая лопасть, установленная к радиусу под меньшим углом, будет иметь больший коэффициент лобового сопротивления, чем более широкая лопасть, установленная под большим углом, при условии равенства проекции их площадей на радиус. Автором устранён указанный выше недостаток.

Предлагаемая автором полуэмпирическая модель для расчёта мощности основана на коэффициенте лобового сопротивления лопасти, определение которого, как правило, связано со значительными трудностями. Получена следующая формула:

, (10)

где .

Анализ двух моделей – первой и второй для определения мощности, расходуемой на перемешивание в ёмкостях с перемешивающими устройствами очищающего типа при турбулентном режиме позволяет сделать следующий вывод. Расчётную зависимость, относящуюся к первой модели, целесообразно применять при обработке продуктов, имеющих эффективную вязкость менее 10 Па·с. При обработке же продуктов, имеющих эффективную вязкость более 10 Па·с, расходуемую энергию целесообразно рассчитывать по формуле (10), относящуюся ко второй модели. Объясняется это следующим. При определении расходуемой энергии, полученной на основании второй модели по формуле (10) помимо других параметров учитывается влияние на неё таких величин, как коэффициент трения kтр и коэффициент лобового сопротивления лопасти л, зависящих от эффективной вязкости перемешиваемого продукта, которая для ряда продуктов весьма значительна.

Математическая модель расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при турбулентном режиме и угле установки лопастей 90°. Шиберная лопасть, по своей сути, представляет пластину, расположенную под прямым углом к стенке ёмкости при сравнительно малом зазоре между периферийной кромкой пластины и стенкой ёмкости – 13 мм. В результате разработки математической модели получена следующая формула для определения расходуемой энергии:

. (11)

Полученная формула (11) позволяет рассчитывать мощность, затрачиваемую мешалкой с шиберными лопастями.

Математическая модель расходуемой энергии при турбулентном режиме в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа с эластичной рабочей кромкой при угле установки лопастей 90°. В данном ёмкостном оборудовании рабочие кромки лопастей перемешивающего устройства изготовлены из упругого и эластичного материала. Рабочие кромки лопастей прижимаются к рабочей поверхности цилиндра ёмкости благодаря упругим свойствам материала. Новизна перемешивающего устройства подтверждена авторским свидетельством "Ёмкость с многоконтактным очищающим устройством".

Мощность, расходуемая данным перемешивающим устройством, складывается из двух составляющих: мощность, расходуемая на преодоление сопротивления перемешиваемого продукта N1 и мощность, затрачиваемая на преодоление трения эластичной рабочей кромки о стенку ёмкости N2. В результате разработки математической модели получены расчётные зависимости для определения N1 и N2, на основании которых предложена формула для вычисления расходуемой энергии и имеющая вид:

. (12)

При разработке математической модели были учтены рекомендации Труммелена и Бика о силе прижатия рабочей кромки перемешивающего устройства к поверхности ёмкости.

Моделирование расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами. На основании графоаналитической обработки данных, представленных на рис. 1 и 2, получены следующие критериальные уравнения:

– для ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего типа:

– для ламинарной области: 5,5<Reц.о.<2400

; (13)

– для переходной области: 2400<Reц.о.<9000

Рис. 1. Единая зависимость расходуемой энергии от Reц.о. в ёмкостном оборудовании с очищающим перемешивающим устройством

Рис. 2. Единая зависимость расходуемой энергии от Reц.о. в ёмкостном оборудовании с перемешивающим устройством шиберного типа (штриховая линия – для ньютоновских сред)

; (14)

– для турбулентной области: 9000<Reц.о.<152565

. (15)

– для ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами шиберного типа:

– при ламинарном течении, когда Reц.о.<1800:

; (16)

– в переходной области, когда 1800<Reц.о.<9000:

; (17)

– в турбулентной области, когда Reц.о.>9000:

. (18)

Установлено существенное различие в значениях ламинарной области течения для сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами.

Теоретические основы расчёта и экспериментальные исследования процессов теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами при обработке жиросодержащих продуктов

Условия теплообмена при обработке жиросодержащих пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов оказывают существенное влияние на реодинамику реализуемых процессов и их энергетические характеристики. Поэтому автором разработан комплекс математических моделей процессов теплообмена в этом оборудовании.

Математическая модель процессов теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами. При разработке математической модели в основу теоретических изысканий была положена полуэмпирическая теория турбулентного переноса, изложенная Доманским И.В. и Соколовым В.Н.

В результате разработки математической модели получены расчётные зависимости, с учётом которых определение коэффициента теплоотдачи в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при турбулентном режиме движения обрабатываемого продукта осуществляется в следующей последовательности:

По формуле (19) рассчитывается градиент скорости сдвига:

. (19)

Далее рассчитывается затрачиваемая мощность по формуле (20):

. (20)

Значения Ф1, Ф2, Ф3 и Ф4, входящие в формулу (20), приведены в формуле (6).

Затем по формуле (21) рассчитываем коэффициент.

. (21)

Полученные значения , N и подставляем в формулу (22) и вычисляем т.

. (22)

К несомненным достоинствам разработанной математической модели для определения т можно отнести следующее. В качестве исходных данных для расчёта входят все конструктивные, геометрические и кинематические параметры перемешивающего устройства. Известно, что такие параметры, как ширина скребковой лопасти, её угол наклона, наличие центральных отражательных лопастей и их размеры, и т.д. не могут не оказывать влияния, и притом существенного, на реальное значение коэффициента теплоотдачи. Многие авторы, пытавшиеся вывести теоретическим путём значение т, эти параметры не учитывали. Предлагаемая же математическая модель, с учётом вышесказанного, позволяет более точно произвести вычисление т на основании теоретических постулатов.

Математическая модель процессов теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами. В результате разработки математической модели получены расчётные зависимости, с учётом которых определение коэффициента теплоотдачи в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа осуществляется в следующей последовательности:

; (23)

; (24)

; (25)

; (26)

. (27)

Расчёты, проведённые на компьютере, показали, что для достижения порога погрешности, не превышающего 1%, для шиберных мешалок достаточно двух циклов приближений. Следует отметить, что под погрешностью в этом и в предыдущем разделе следует понимать не погрешность вообще, а именно разность между циклами приближений при математическом решении задачи.

Значение мощности, рассчитанное по формуле (23), подставляем в формулу (24) и вычисляем в первом приближении. Полученное значение подставляем в формулу (22) и при помощи MathCAD вычисляем т в первом приближении. Зная т, по формуле (25) вычисляем значение . Далее, используя полученное значение , проводим второй цикл приближений. То есть подставляем в (26) и вычисляем уточнённое значение, а при помощи формулы (27) вычислим уточнённое значение т.

Моделирование тепловых процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами

Теория подобия к изучению теплового оборудования на моделях была применена в нашей стране в начале двадцатых годов прошлого столетия академиком Киричевым М.В. В последующие годы развитие теории подобия нашло в трудах: Михеева М.А., Гухмана А.А., Эйгенсона Л.С., Дьяконова Г.К., Веникова В.А., Аношина И.М., Аладьева И.Т., Романкова П.Г., Кудряшова Л.И., Петухова Б.С., Седова Л.И., Долежалика В., Краснощекова Е.А., Конакова П.К., Зозули Н.В., Федынского О.С., Дерюгина В.М., Осиповой В.А., Павлушенко И.С., Аладьева И.Т., Вельтищева Н.А., Кондратьева Н.С., Шорина С.Н. и других исследователей.

Благодаря работе отмеченных исследователей метод моделирования стал надёжным средством, с помощью которого можно исследовать работу существующего и вновь создаваемого оборудования.

Специфические условия обработки жиросодержащих продуктов, а также конструктивные особенности перемешивающих устройств нашли отражение в критериальных уравнениях теплообмена, предложенных автором.

При обработке продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа критериальное уравнение теплообмена, с учётом направления теплового потока, имеет вид:

. (28)

При обработке продуктов в таком же оборудовании, но с перемешивающими устройствами шиберного типа, критериальное уравнение теплообмена, с учётом направления теплового потока, имеет вид:

, (29)

где и – соответственно критерий Нуссельта для ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов; и – соответственно критерий Рейнольдса обобщённый для ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов; – критерий Прандтля обобщённый; lс=·D/z – расстояние между периферийными кромками лопастей перемешивающего устройства шиберного типа, м; D – внутренний диаметр ёмкости, м; z – число лопастей перемешивающего устройства; lш=·d/z – расстояние между периферийными кромками лопастей перемешивающего устройства шиберного типа, м; d – диаметр по периферийным кромкам лопастей шиберного типа, м; эф и эф. ст. – эффективная вязкость продукта, соответственно, при средней его температуре и при температуре стенки, Па·с; B1 и B2 – коэффициенты уравнений; a, b и e – показатели степеней.

Широкомасштабные исследования тепловых процессов проводились как на модельных средах, так и на жиросодержащих и других вязких пищевых продуктах с неньютоновскими псевдопластичными свойствами. Графоаналитическая обработка опытных данных для ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего типа, представленных на рис. 3, позволила получить следующую единую обобщённую критериальную зависимость теплоотдачи:

. (30)

Графоаналитическая обработка опытных данных для ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами шиберного типа, представленных на рис. 4, позволила получить следующую единую обобщённую критериальную зависимость теплоотдачи:

. (31)

Расхождение теоретических и экспериментальных значений не превышают 11%, что подтверждает правильность разработанной теоретической модели.

Исследование реологических характеристик жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами

Большинство пищевых масс представляет собой высококонцентрированные микрогетерогенные дисперсные системы, что позволяет рассматривать их как объекты современной физической химии дисперсных систем и её раздела – физико-химической механики. В значительной мере сказанное относится и к жиросодержащим пищевым продуктам.

В процессе производства пищевых продуктов происходит образование или разложение дисперсных систем. При этом структурно-механические свойства продуктов изменяются. Эти изменения могут быть весьма существенными и оказывать заметное влияние, как на закономерности протекания процессов обработки продуктов, так и на режимы работы оборудования, а поэтому требуют углублённого изучения.

Исследованию структурно-механических свойств различных дисперсных материалов посвящён ряд работ отечественных и зарубежных исследователей. Их исследованиями занимались Воларович М.П., Измайлова В.Н., Ребиндер П.А., Каргин В.А., Слонимский Г.Л., Виноградов Г.В., Малкин А.Я., Гуль В.Е., Кулезнев В.Н., Смольский Б.М., Шульман З.П., Гориславец В.М., Торнер Р.В., Леончик Б.И., Павлушенко И.С., Глуз М.Д., Бартенев Г.М., Ермилова Н.В., Горбатов А.В., Мачихин Ю.А.,

Рис. 3. Обобщённая зависимость теплоотдачи от Reо в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа

Рис. 4. Обобщённая зависимость теплоотдачи от Reо в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами шиберного типа

Мачихин С.А., Маслов А.М., Косой В.Д., Азаров Б.М., Арет В.А., Николаев Б.А, Урьев Н.Б., Талейсник М.А., Бернхардт Э.С., Мак-Келви Д.М., Рейнер М., Уилкинсон У. Л., Мидлман С., Тобольский А., Дж. Ферри и другие.

Методами физико-химической механики автором выполнены исследования реологических характеристик большого числа жиросодержащих пищевых продуктов, изготавливаемых в молочной, мясной, масложировой и в других отраслях пищевой промышленности, а также исследованы вязкие пищевые продукты, не содержащие жир.

Получены вязкостно-скоростные характеристики и кривые течения для следующих жиросодержащих продуктов:

– Десяти наименований маргаринов, в том числе пяти мягких маргаринов – "Утро", "Росинка", "Домашний", "Лакомка", "Сливочный", и пяти наименований брусковых маргаринов – "Росинка", "Утро", "Сливочный новый", "Домашний" и "Волшебница" с содержанием жира от 40 до 75%. Данный диапазон содержания жира охватывает по параметру жиросодержания практически все маргарины, выпускаемые промышленностью;

– Семи наименований майонезов – "Утро", "Нежко", "Новый", "Провансаль", "Колибри", "Лёгкий", "Для салатов" с содержанием жира от 25 до 67%;

– Четырёх наименований сметаны с содержанием жира 10, 15, 20 и 30%;

– Пяти наименований кисломолочных продуктов – кефир "Бифидок", "Ряженка" с содержанием жира 2,5%, кефир "Фруктовый", кефир "Детский", "Ряженка" с содержанием жира 4%;

– Двух наименований спредов – "Домашний" и "Веста" с содержанием жира соответственно 72 и 60%;

– Трёх наименований мясных студней: "Куриный", "Домашний" и "Праздничный" с содержанием жира 16,2%;

– Двух наименований кулинарных жиров – "Сало растительное" и "Фритюрный" с содержанием жира 99,7%.

Получены также вязкостно-скоростные характеристики для следующих вязких пищевых продуктов, не содержащих жир: кетчупа "Шашлычный острый", кетчупа "Сладкий", разжиженной ржаной закваски, раствора хлебной мочки, сока "Овощная смесь" и томатного сока.

Анализ экспериментальных данных реологических характеристик жиросодержащих и других исследуемых вязких пищевых продуктов позволил установить, что все исследуемые продукты обладают свойствами неньютоновской псевдопластичной среды.

Метод обобщения реологических характеристик, предложенный Вильямсом, Лендели и Масловым А.М., был модифицирован при обобщении реологических характеристик широкого перечня жиросодержащих пищевых продуктов в той сложной области, которая охватывает изменения их фазовых состояний, то есть когда они находятся в застывшем виде, в стадии плавления, в расплавленном виде.

На основании теоретических положений по обобщению реологических характеристик и экспериментальных исследований вязких жиросодержащих пищевых продуктов предложен метод расчёта их эффективной вязкости – одной из основополагающих реологических характеристик жиросодержащих продуктов, оказывающих существенное влияние на протекание тепловых и гидродинамических процессов. Для большого числа жиросодержащих продуктов представилось возможным для каждой из этих групп получить обобщённые реологические характеристики, а именно: обобщённые температурные зависимости эффективной вязкости и единые скоростные температурно-инвариантные характеристики эффективной вязкости.

Весьма значимо, что обобщённые характеристики для ряда жиросодержащих продуктов построены в результате использования большого числа опытных данных. Например, единая скоростная температурно-инвариантная характеристика для десяти наименований маргаринов получена в результате обработки 801 опыта, а такая же характеристика для семи наименований майонезов – в результате обработки 799 опытов.

Дано математическое описание полученных обобщённых температурных зависимостей эффективной вязкости и единых температурно-инвариантных характеристик эффективной вязкости для каждой исследуемой группы жиросодержащих продуктов с родственными основными признаками. С учётом этих зависимостей получены расчётные формулы для определения эффективной вязкости следующих групп жиросодержащих продуктов с однородными свойствами:

– для кисломолочных напитков:

; (32)

– для сметаны с различным содержанием жира:

; (33)

– для мягких и брусковых маргаринов:

; (34)

– для майонезов:

; (35)

– для мясных студней:

. (36)

При обработке экспериментальных данных установлены температуры приведения и определены значения масштабных вязкостей для продуктов, входящих в группы с однородными свойствами, которые рекомендовано использовать при расчёте эффективной вязкости конкретного продукта.

Основные результаты работы и выводы

Диссертационная работа посвящена выявлению общих закономерностей протекания гидродинамических и тепловых процессов с использованием физического и математического моделирования, и на их основании – разработке научно-технических положений интенсификации этих процессов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типа с учётом выполненных аналитических методов решения задач и экспериментальных исследований по гидродинамике, теплообмену и реологическим характеристикам жиросодержащих пищевых продуктов. Она также посвящена разработке методов гидродинамических и тепловых расчётов конкурентоспособного ёмкостного оборудования на основе теории подобия и единого метода расчёта эффективной вязкости для разных групп жиросодержащих продуктов с однородными свойствами с учётом изменения их агрегатного состояния.

Совокупность отмеченных положений можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы, обеспечивающей экономию энергетических ресурсов, сокращение продолжительности обработки жиросодержащих пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании, и имеющей важное народнохозяйственное значение.

Отмеченное базируется на следующих разработанных основных положениях:

1. Разработан комплекс математических моделей, описывающих гидродинамические процессы в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами, имеющих теоретическое и практическое значение. При разработке математических моделей важнейшим условием являлось уделение существенного внимания как формулированию задач, так и их решению.

2. На основе полуэмпирической теории турбулентного переноса, предложенной Доманским И.В. и Соколовым В.Н., разработана математическая модель определения градиента скорости сдвига продукта в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего типа при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами.

3. С учётом теории подобия установлены общие виды критериальных уравнений для определения критериев мощности в ёмкостном оборудовании с различными перемешивающими устройствами. Осуществлено моделирование гидродинамических процессов в ёмкостном оборудовании. Это позволило получить обобщённые критериальные уравнения мощности в явном виде для каждого вида перемешивающих устройств и различных видов движения продуктов – ламинарном, переходном и турбулентном, при изотермическом и неизотермическом движении жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов.

4. Выявлены закономерности протекания гидродинамических процессов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами при обработке сред с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами. Установлено влияние конструкций перемешивающих устройств на характер движения продуктов в ёмкостях.

5. Предложены аналитические методы тепловых расчётов в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами, базирующиеся на физическом анализе теплообменных процессов и их математическом моделировании. В связи с отмеченным разработаны математические модели теплообмена в ёмкостном оборудовании с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов, позволяющие рассчитывать конструктивно-технологические параметры оборудования.

6. На основании теории подобия установлены общие виды критериальных уравнений теплообмена для ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами очищающего и шиберного типов при обработке пищевых продуктов с ньютоновскими и неньютоновскими псевдопластичными свойствами. С учётом этих уравнений и экспериментальных данных получены единые обобщённые критериальные уравнения теплообмена в явном виде для исследуемого оборудования при различных видах движения продукта в ёмкостях – ламинарном, переходном и турбулентном, при неизотермическом течении как в процессе нагревания, так и охлаждения продуктов, при обработке жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов, а также модельной среды – карбоксилметилцеллюлозы, обладающих неньютоновскими псевдопластичными свойствами.

7. Установлена правомерность введения в критерии подобия в качестве определяющего геометрического размера расстояния между периферийными кромками пластин перемешивающих устройств. Выявлено, что тепло диссипируемой энергии, в результате перехода механической энергии в тепловую, может составлять до 1525% в общем тепловом балансе. В результате этого заметно ускоряется или замедляется продолжительность тепловой обработки продуктов.

8. Методами физико-химической механики получены новые экспериментальные данные по реологическим характеристикам при различных фазовых состояниях многих жиросодержащих, а также других вязких пищевых продуктов с неньютоновскими псевдопластичными свойствами, изготавливаемыми в молочной, мясной, масложировой, плодоовощной, маслосыродельной и в других отраслях пищевой промышленности.

9. Модифицирован метод обобщения реологических характеристик Вильямса, Лендели, Маслова А.М. Данный метод, с учётом выявленных общих закономерностей изменения реологических свойств жиросодержащих пищевых продуктов, распространён на обобщение реологических свойств жиросодержащих продуктов в областях, охватывающих изменение фазовых превращений этих продуктов. При этом обобщённые температурные зависимости эффективной вязкости и единые скоростные температурно-инвариантные характеристики для каждой группы получены на основании большого числа опытов, а именно: 801 опытов – для группы маргаринов, 799 опытов – для группы майонезов.

10. На основании проведённых аналитических и экспериментальных исследований разработаны научно обоснованные методы инженерного расчёта при обработке в ёмкостном оборудовании жиросодержащих и других вязких пищевых продуктов с псевдопластичными свойствами по определению параметров, являющихся основными для расчёта ёмкостного оборудования: расходуемой энергии и коэффициентов теплоотдачи с учётом перемешивания устройствами очищающего и шиберного типов.

11. Осуществлено внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований в различных областях, которое включает: использование данных диссертационной работы на предприятиях пищевой промышленности, покупку предприятиями двух авторских свидетельств Роспатента РФ и использование материалов диссертации в научной, практической и учебной работе.

Ожидаемый экономический эффект от промышленного внедрения патентов и авторских свидетельств только в молочной промышленности в ценах 2008 года составит 9 млн. 75 тыс. рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Николаев Б.Л. Расчётные зависимости для градиента скорости в аппаратах с перемешивающими устройствами [Текст] / Николаев Б.Л. // Тезисы докладов III Всесоюзной НТК "Теоретические и практические аспекты применения методов ИФХМ с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств" – М.: МТИММП, 1990. – С. 170.

2. Николаев Б.Л. Оптимизация математического аппарата полуэмпирической теории турбулентного переноса и некоторые результаты расчёта [Текст] / Николаев Б.Л. // Межвуз. сб. науч. тр. – СПб.: ЛТИХП, 1991. – С. 91-95.

3. Авт. свид. № 892, Роспатент, 6 А23 С 3/04. Аппарат для охлаждения и хранения жидких продуктов [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбТИХП. – № 5003967/13; заявл. 23.09.1991; опубл. 16.10.1995, Бюл. № 10.

4. Авт. свид. № 893, Роспатент, 6 А23 С 3/04. Аппарат для охлаждения вязких структурированных пищевых продуктов [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбТИХП. – № 5004960/13; заявл. 01.10.1991; опубл. 16.10.1995, Бюл. № 10.

5. Авт. свид. № 1139, Роспатент, 6 F28 G 3/14. Скребковое перемешивающее устройство [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбТИХП. – № 5051290/12; заявл. 06.07.1992; опубл. 16.11.1995, Бюл. № 11.

6. Николаев Б.Л. Обработка опытных данных по реологическим характеристикам пищевых продуктов [Текст] / Николаев Б.Л. // Межвуз. сб. науч. тр. "Процессы, управление, машины и аппараты пищевой технологии". – СПб.: СПбГАХиПТ, 1998. – С. 43-46.

7. Николаев Б.Л. Теплообмен при обработке вязких пищевых продуктов и пути его интенсификации [Текст] / Николаев Б.Л. // Межвуз. сб. науч тр. "Процессы, аппараты и машины пищевой технологии". – СПб.: СПбГАХиПТ, 1999. – С. 41-44.

8. Забровский Г.П. Реологические характеристики мягких маргаринов "Утро" и "Росинка" [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Сб. науч. тр. ВНИИЖ. – СПб.: ВНИИЖ. – 1999. – С. 31-34.

9. Забровский Г.П. Исследование касательных напряжений и эффективной вязкости кулинарного жира "Фритюрный" [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Сб. науч. тр. ВНИИЖ. – СПб.: ВНИИЖ. – 1999. – С. 35-37.

10. Николаев Б.Л. Реологические характеристики плавленого сыра [Текст] / Николаев Б.Л. // Процессы, аппараты и машины пищевой технологии: Межвуз. сб. науч. тр. – СПб.: СПбГАХиПТ, 1999. – С. 161–164.

11. Забровский Г.П. Определение вязкостных характеристик и касательных напряжений маргарина для жарения "Волшебница" [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Сб. науч. тр. ВНИИЖ. – СПб.: ВНИИЖ. – 2000. – С. 42-46.

12. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик сметаны жирностью 20 % [Текст] / Николаев Б.Л. // Межвуз. сб. науч тр. "Проблемы процессов и оборудования пищевой технологии". – СПб.: СПбГУНиПТ, 2000. – С. 134-136.

13. Забровский Г.П. Исследование реологических характеристик мягких маргаринов "Лакомка" и "Домашний" [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Известия СПбГУНиПТ. Межвуз. сб. науч. тр. – СПб. – 2001. – № 1(2). – С. 70-72.

14. Забровский Г.П. Исследование реологических характеристик маргарина "Росинка" при различных фазовых состояниях [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Известия СПбГУНиПТ. Межвуз. сб. науч. тр. – СПб. – 2001. – № 2(3). – С. 57-59.

15. Забровский Г.П. Исследование вязкостных характеристик и касательных напряжений маргарина "Утро" [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Известия СПбГУНиПТ. Межвуз. сб. науч. тр. – СПб. – 2001. – № 2(3). – С. 54-56.

16. Забровский Г.П. Влияние температуры продукта и градиента скорости на реологические характеристики маргарина "Сливочный новый" [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Вестник ВНИИЖ. – СПб.: ВНИИЖ. – 2001. – С. 9-11.

17. Забровский Г.П. Зависимость вязкостных характеристик и касательных напряжений маргарина "Домашний" от температуры продукта и градиента скорости сдвига [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Вестник ВНИИЖ. – СПб.: ВНИИЖ. – 2001. – С. 7-9.

18. Забровский Г.П. Определение вязкостных характеристик майонеза "Провансаль" для салатов с содержанием жира 36% [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Вестник ВНИИЖ. – СПб.: ВНИИЖ. – 2001. – С. 5-7.

19. Николаев Б.Л. Исследование эффективной вязкости кисломолочных напитков – кефиров "Фруктовый" и "Детский" [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия СПбГУНиПТ, СПб.: 2002. – № 1 (4) – С. 25–27.

20. Николаев Б.Л. Построение единой температурно-инвариантной характеристики вязкости для смесей мороженого [Текст] / Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Известия СПбГУНиПТ, СПб.: 2002. – № 1 (4) – С. 33-35.

21. Николаев Б.Л. Пилотная установка по исследованию тепловых и гидродинамических процессов в резервуарах с очищаемой поверхностью теплообмена [Текст] / Николаев Б.Л. // Межвуз. сб. науч. тр. "Научно-технические основы и тенденции развития торгово-технологического оборудования". – СПб.: СПбТЭИ, 2002. – С. 30-34.

22. Николаев Л.К. Единая температурно-инвариантная зависимость вязкости свиного жира и мясного студня [Текст] / Николаев Л.К., Николаев Б.Л. // Сборник трудов Международной НТК "Теоретические и практические аспекты применения физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств". – М.: МГУПБ, 2002. – С. 28-32.

23. Николаев Б.Л. Вязкостно-скоростные характеристики кисломолочных напитков "Бифидок" и "Ряженка" [Текст] / Николаев Б.Л. // Научно-технические основы и тенденции развития торгово-технологического оборудования: Межвуз. сб. науч. тр., СПбТЭИ, 2002. – С. 21 – 25.

24. Николаев Б.Л. Оборудование для хранения сырья и полуфабрикатов [Текст] / Николаев Б.Л. // Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-17 "Машины и оборудование пищевой и перерабатывающей промышленности". – М.: Машиностроение, 2003. – С. 269-279.

25. Николаев Б.Л. Теоретическое определение распределения давления на лопасть лопастных мешалок резервуаров с малым наклоном лопасти при перемешивании неньютоновских сред [Текст] / Николаев Б.Л. // Сборник трудов II Международной НТК "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке", СПбГУНиПТ, СПб.: 2003. – Т. 1. – С. 193-200.

26. Николаев Б.Л. Специфика очищающих устройств, теплообмена и расходуемой энергии в оборудовании с очищаемой поверхностью [Текст] / Николаев Б.Л. // Сборник трудов II Международной НТК: СПбГУНиПТ "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2003. – Т. 1. – С. 200-205.

27. Николаев Б.Л. Критериальное уравнение для расчёта расходуемой мощности в резервуарах с очищающими устройствами [Текст] / Николаев Б.Л. // Сборник трудов II Международной НТК: СПбГУНиПТ "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2003. – Т. 1. – С. 205-209.

28. Николаев Б.Л. Тепловая обработка пищевых продуктов с неньютоновскими свойствами в резервуарах с перемешивающими устройствами [Текст] / Николаев Б.Л. // Сборник трудов II Международной НТК: СПбГУНиПТ "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2003. – Т. 1. – С. 217-222.

29. Николаев Б.Л. Обобщённое уравнение теплообмена в резервуарах со скребковыми устройствами [Текст] / Николаев Б.Л. // Сборник трудов II Международной НТК: СПбГУНиПТ "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2003. – Т. 1. – С. 222-225.

30. Николаев Б.Л. Расчётные зависимости для определения градиента скорости в аппаратах с учётом конструктивных, геометрических и кинематических характеристик перемешивающих устройств и свойств обрабатываемого продукта [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия СПбГУНиПТ. Межвуз. сб. науч. тр. – СПб.: 2003. – № 1 (5). – С. 41-44.

31. Николаев Б.Л. Экспериментальные и расчётные зависимости некоторых основных физико-механических характеристик пищевого топлёного свиного жира [Текст] / Николаев Б.Л. // Материалы Международной НТК "Современные технологии переработки животноводческого сырья в обеспечении здорового питания: наука, образование и производство". – ВГТА, Воронеж, 2003. – С. 109-115.

32. Авт. свид. № 29637, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Ёмкость вертикального типа для охлаждения жидких пищевых продуктов [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2002130004/20; заявл. 10.11.2002; опубл. 27.05.2003, Бюл. № 15.

33. Авт. свид. № 30062 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Ёмкость с многоконтактным очищающим устройством [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2002129724/20; заявл. 10.11.2002; опубл. 20.06.2003, Бюл. № 17.

34. Авт. свид. № 30063 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Резервуар с заборным циркуляционным конусом [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2002129726/20; заявл. 10.11.2002; опубл. 20.06.2003, Бюл. № 17.

35. Авт. свид. № 30506 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Резервуар с перемешивающим устройством роликового типа [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2002132407/20; заявл. 05.12.2002; опубл. 10.07.2003, Бюл. № 19.

36. Авт. свид. № 31708 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Ёмкость с теплообменным перемешивающим устройством тарелочного типа [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2002132410/20; заявл. 05.12.2002; опубл. 27.08.2003, Бюл. № 24.

37. Авт. свид. № 31707 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Резервуар с рациональным использованием хладоносителя [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2002132406/20; заявл. 05.12.2002; опубл. 27.08.2003, Бюл. № 24.

38. Патент № 33483 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Ёмкость с гидродинамическими интенсификаторами теплообмена [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2003117159/20; заявл. 09.06.2003; опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30.

39. Патент № 33484 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Резервуар с двумя охлаждающими поверхностями [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2003118238/20; заявл. 21.06.2003; опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30.

40. Арет В.А. Реологические основы расчёта оборудования производства жиросодержащих пищевых продуктов [Текст] / Арет В.А., Николаев Б.Л., Забровский Г.П., Николаев Л.К. // СПб.: СПбГУНиПТ, 2004. – 343 с. (гриф УМО.)

41. Николаев Б.Л. Расчёт потребляемой мощности в резервуарах с перемешивающими устройствами [Текст] / Николаев Б.Л. // Международный сборник научных трудов "Проблемы пищевой инженерии и ресурсосбережения в современных условиях". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2004. – С. 172-179.

42. Николаев Б.Л. Математическая модель потребляемой мощности в резервуаре со скребковой мешалкой [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия вузов. Пищевая технология. – 2004. – № 4. – С. 82-86.

43. Николаев Б.Л. Вязкостно-скоростные характеристики масла "Веста" [Текст] / Николаев Б.Л. // Материалы II Международной НТК "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности". – ВГТА, Воронеж, 2004. – Часть 2. – С. 226-228.

44. Николаев Б.Л. Математическая обработка реологических характеристик смесей мороженого [Текст] / Николаев Б.Л. // Материалы II Международной НТК "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности". – ВГТА, Воронеж, 2004. – Часть 2. – С. 352-354.

45. Николаев Б.Л. Ёмкостное оборудование для охлаждения вязких пищевых продуктов с щадящим воздействием на их структуру [Текст] / Николаев Б.Л. // Вестник Международной академии холода. – СПб. - М.: 2004. – Вып. 3. – С. 40-41.

46. Николаев Б.Л. Исследование вязкостных характеристик и касательных напряжений сметаны с содержанием жира 10% [Текст] / Николаев Б.Л. // Вестник Международной академии холода. – СПб. - М.: 2004. – Вып. 4. – С. 45-46.

47. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик майонеза летнего "Нежко" [Текст] / Николаев Б.Л. // Масложировая промышленность. – 2004. – № 4. – С. 40-41.

48. Николаев Б.Л. Вязкостно-скоростные характеристики кисломолочного продукта "Ряженка" [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия СПбГУНиПТ: Межвуз. сб. науч. тр. – СПб: 2004. – № 1 (6). – С. 88-89.

49. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик маргарина при его различных фазовых состояниях [Текст] / Николаев Б.Л., Забровский Г.П. // 30-я научно-практическая конференция по итогам НИР за 2003 год профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников университета – ИПЦ СПбГУНиПТ. – СПб, 2004. – С. 22-27.

50. Патент № 36070 РФ, Роспатент, 7 А 23С 3/04. Резервуар с удлинённым сроком службы очищающих устройств [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2003127254/20; заявл. 08.09.2003; опубл. 27.02.2004, Бюл. № 6.

51. Патент № 44233 РФ, МПК7 А 23С 3/04. Резервуар с центральными конусовидными направляющими каналами [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2004129112/22; заявл. 04.10.2004; опубл. 10.03.2005, Бюл. № 7.

52. Патент № 43439 РФ, МПК7 А 23С 3/04. Резервуар с механогидродинамическим перемешивающим устройством [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2004131749/22; заявл. 01.11.2004; опубл. 27.01.2005, Бюл. № 3.

53. Патент № 44234 РФ, МПК7 А 23С 3/04. Ёмкость со шнеково-скребковым перемешивающим устройством [Текст] / Николаев Б.Л. // СПбГУНиПТ. – № 2004130172/22; заявл. 18.10.2004; опубл. 10.03.2005, Бюл. № 7.

54. Николаев Б.Л. Полуэмпирическая модель расчёта потребляемой мощности в резервуарах при перемешивании продуктов в турбулентном потоке [Текст] / Николаев Б.Л. // Вестник международной академии холода. – СПб. - М.: 2005. – Вып. 1. – С. 39-41.

55. Николаев Б.Л. Энергозатраты в установке, моделирующей резервуары с перемешивающими устройствами [Текст] / Николаев Б.Л., Батяев А.А., Новотельнова А.В. // Межвуз. сб. науч. тр. "Тенденции развития торгово-технологического оборудования и повышение экономической эффективности предприятий торговли и общественного питания". – СПбТЭИ, СПб.: 2005. – С. 54-56.

56. Николаев Б.Л. Реологические характеристики сметаны с содержанием жира 15% [Текст] / Николаев Б.Л. // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2005. – № 12. – С. 39.

57. Николаев Б.Л. Зависимость реологических характеристик сметаны с содержанием жира 30% от температуры и скорости сдвига продукта [Текст] / Николаев Б.Л. // Молочная промышленность. – 2005. – № 10. – С. 70-71.

58. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик студня "Праздничный с языком" [Текст] / Николаев Б.Л. // Мясная индустрия. – 2005. – № 7. – С. 50-52.

59. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик низкокалорийного майонеза провансаль "Утро" [Текст] / Николаев Б.Л. // Масложировая промышленность. – 2005. – № 4. – С. 36-37.

60. Арет В.А. Кинетика фазовых переходов при тепловой обработке животных жиров [Текст] / Арет В.А., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // Материалы XI Российской конференции по тепловым свойствам веществ. – СПб.: 2005. – Т. 1. – С. 52.

61. Николаев Б.Л. Специфика тепловой обработки вязких пищевых продуктов в ёмкостном оборудовании с очищаемой поверхностью [Текст] / Николаев Б.Л. // Сборник докладов III Юбилейной Международной выставки-конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации". – МГУПП, М.: 2005. – Часть I. – С. 263-265.

62. Николаев Б.Л. Реологические свойства раствора хлебной мочки [Текст] / Николаев Б.Л. // Сборник докладов III Юбилейной международной выставки-конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации". – МГУПП, М.: 2005. – Часть I. – С. 269-271.

63. Николаев Б.Л. Вязкостно-скоростные характеристики разжиженной ржаной закваски [Текст] / Николаев Б.Л., Воробьев С.И., Дидиков А.Е., Николаев Л.К. // Хлебопродукты. – 2005. – № 10. – С. 38-39.

64. Николаев Б.Л. Зависимость реологических характеристик сметаны с содержанием жира 30% от температуры и скорости сдвига продукта [Текст] / Николаев Б.Л. // Молочная промышленность. – 2005. – № 10. – С. 70-71.

65. Николаев Б.Л. Вязкостно-скоростные характеристики разжиженной ржаной закваски [Текст] / Николаев Б.Л., Воробьев С.И, Дидиков А.Е. // Сборник докладов III Юбилейной международной выставки-конференции "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации". – МГУПП, М.: 2005. – Часть I. – 272-274.

66. Арет В.А. Реологические основы расчёта оборудования производства жиросодержащих пищевых продуктов. Второе издание, переработанное и дополненное [Текст] / Арет В.А., Николаев Б.Л., Забровский Г.П., Николаев Л.К. // СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. – 435 с. (гриф УМО.)

67. Забровский Г.П. Влияние температуры и градиента скорости на реологические характеристики майонеза "Провансаль" [Текст] / Забровский Г.П., Николаев Б.Л. // Масложировая промышленность. – 2006. – № 3. – С. 30.

68. Николаев Б.Л. Структурно-механические свойства майонеза "Провансаль новый" [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия вузов. Пищевая технология. – 2006. – № 1. – С. 93-94.

69. Николаев Б.Л. Определение градиента скорости в ёмкостном оборудовании на основе полуэмпирической теории турбулентного переноса [Текст] / Николаев Б.Л. // Вестник Международной академии холода. – СПб. - М.: 2006. – Вып. 1. – С. 17-20.

70. Николаев Б.Л. О значимости реологических исследований вязких пищевых продуктов и их аномально-вязких свойствах при разработке ёмкостного оборудования [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия СПбГУНиПТ. Межвуз. сб. науч. тр. – СПб.: 2006. – № 1. – С. 186 – 188.

71. Николаев Б.Л. Исследование касательных напряжений и эффективной вязкости студня "Куриный" [Текст] / Николаев Б.Л. // Мясная индустрия. – 2006. – № 4. – С. 64-66.

72. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик масла "Домашнее" [Текст] / Николаев Б.Л. // Маслоделие и сыроделие. – 2006. – № 5. – С. 45-46.

73. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик маргарина "Сливочный" при различных фазовых состояниях продукта [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия СПбГУНиПТ. Межвуз. сб. науч. тр. – СПб.: 2006. – № 2. – С. 62 – 64.

74. Николаев Б.Л. Тепловые и гидродинамические процессы при обработке вязких продуктов с ньютоновскими и неньютоновскими свойствами в ёмкостном оборудовании [Текст] / Николаев Б.Л. // Отчёт о госбюджетной НИР "Развитие научных основ и совершенствование оборудования мясных, молочных и других пищевых производств". – СПб.: СПбГУНиПТ, 2007. – гл. 1. – С. 4-26. Деп. в ВИНИТИ, 01.02.2007, рег. № 03504.

75. Николаев Б.Л. Исследование структурно-механических свойств кетчупа шашлычного острого [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия вузов. Пищевая технология. – 2007. – № 1. – С. 70-71.

76. Николаев Б.Л. Реологические характеристики кулинарного жира "Сало растительное" [Текст] / Николаев Б.Л. // Вестник Международной академии холода. – СПб. - М.: 2007. – Вып. 3. – С. 46-48.

77. Николаев Б.Л. Структурно-механические характеристики томатного сока [Текст] / Николаев Б.Л. // Пиво и напитки №5, 2007. – С. 34.

78. Николаев Б.Л. Исследование касательных напряжений и вязкостно-скоростных характеристик маргарина мягкого "Сливочный" [Текст] / Николаев Б.Л. // Масложировая промышленность. – 2007. – № 1. – С. 16 – 17.

79. Николаев Б.Л. Научное обоснование и совершенствование ёмкостного оборудования для вязких пищевых продуктов [Текст] / Николаев Б.Л. // Вестник Международной академии холода. – СПб. - М.: 2007. – № 4. – С. 35-38.

80. Николаев Б.Л. Реологические свойства сока с мякотью "Овощная смесь" [Текст] / Николаев Б.Л. // Пиво и напитки. – 2007. – № 5. – С. 34.

81. Николаев Б.Л. Исследование реологических характеристик майонезов [Текст] / Николаев Б.Л. // Масложировая промышленность. – 2007. – № 2. – С. 22 – 24.

82. Николаев Б.Л. Особенности тепловых и гидродинамических процессов при обработке вязких пищевых продуктов с неньютоновскими свойствами [Текст] / Николаев Б.Л. // Материалы III Международной НТК "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2007. – С. 607-612.

83. Николаев Б.Л. Обобщённые уравнения теплообмена и расходуемой энергии, учитывающие реологические характеристики пищевых продуктов, обрабатываемых в ёмкостном оборудовании [Текст] / Николаев Б.Л. // Материалы III Международной НТК "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2007. – С. 597-603.

84. Николаев Б.Л. Обобщение реологических характеристик групп вязких пищевых продуктов с наиболее родственными характерными признаками [Текст] / Николаев Б.Л. // Материалы III Международной НТК "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2007. – С. 603-607.

85. Николаев Б.Л. Моделирование расходуемой энергии в ёмкостном оборудовании с очищающими перемешивающими устройствами при изотермическом и неизотермическом движении вязких продуктов [Текст] / Николаев Б.Л. // Материалы III Международной НТК "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". – СПбГУНиПТ, СПб.: 2007. – С. 560-565.

86. Николаев Б.Л. Потребляемая мощность в ёмкостном оборудовании при обработке вязких сред [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия СПбГУНиПТ. – 2007. – № 4. – С. 41-43.

87. Николаев Б.Л. Зависимость вязкостных характеристик кисломолочных напитков "Детский" и "Бифидок" от температуры продукта и градиента скорости сдвига [Текст] / Николаев Б.Л. // Молочная промышленность. – 2007. – № 6. – С. 46-47.

88. Николаев Б.Л. Экспериментальные исследования и получение обобщённых уравнений для расчёта расходуемой энергии в модели ёмкостного оборудования с перемешивающими устройствами шиберного типа [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия СПбГУНиПТ, СПб.: 2008. – №2. – С. 36-39.

89. Арет В.А. Влияние фазовых состояний маргаринов брускового типа на их реологические свойства [Текст] / Арет В.А., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // [Электронный ресурс]: Электронный научный журнал "Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем". / ГОУ ВПО "Кубанский Государственный Технологический Университет. – Электрон. журнал. – Краснодар: КубГТУ, 2008. – № 6. – Режим доступа к журн.: http://kubstu.ru/fh/fams/vipusk6.htm

90. Арет В.А. Реологические исследования процессов производства жиросодержащих молочных продуктов и хлебобулочных изделий [Текст] / Арет В.А., Николаев Б.Л., Андреев А.Н., Верболоз Е.И., Николаев Л.К. // Материалы первой научно-практической конференции и выставки с Международным участием "Управление реологическими свойствами пищевых производств". – М.: 2008. – С. 6-10.

91. Николаев Б.Л. Единая температурная зависимость вязкости кисломолочных напитков и сметаны [Текст] / Николаев Б.Л. // Известия вузов. Пищевая технология. – 2008. – № 4. – С. 68-70.

92. Арет В.А. Физико-механические свойства сырья и готовой продукции [Текст] / Арет В.А., Николаев Б.Л., Николаев Л.К. // СПб.: ГИОРД, 2009. – 448 с. (гриф УМО.)

Основные обозначения

KN – критерий мощности; Nu – критерий Нуссельта; Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля; N – мощность, Вт; – коэффициент теплоотдачи, Вт(м2·К); n – частота вращения вала мешалки, с-1; L – длина лопасти, м; b – ширина лопасти, м; z – число лопастей мешалки; zт – число траверс; т – длина траверс, м; aт – толщина траверс, м; vм – местная окружная скорость обтекания лопасти, м/с; F – площадь лопасти, траверсы, м2; л – угол между линией лопасти и касательной к окружности ёмкости; – угол между лопастью и радиусом; r0 – радиус вала мешалки, м; r1 – радиус задней кромки лопасти, м; r2 – радиус передней кромки лопасти, м; r3 – радиус конца траверсы, м; rл – радиус наружной кромки отражательной лопасти, м; D – диаметр ёмкости, м; О – центр вращения вала; H – высота лопасти, м; X – произвольно выбранная точка на поверхности лопасти; – местный угол атаки; Gx – сила лобового сопротивления лопасти, Н; Gy – подъёмная сила, Н; C – точка приложения результирующей силы сопротивления; h – расстояние между краем лопасти и стенкой, м; h0 – расстояние между началом лопасти и стенкой, м; – плотность продукта, кг/м3; c – теплоёмкость продукта, Дж/(кг·К); эф – эффективная вязкость продукта, Па·с; m – показатель неньютоновского поведения; k – коэффициент Оствальда; – градиент скорости сдвига, с-1; kн – коэффициент наклона лопасти; a – температурный коэффициент вязкости.