Energetyczne aspekty procesów technologicznych - Wybrane zagadnienia aplikacyjne
rok wydania: 2022
ilość stron: 212
format: B5
ISBN: 978-83-66741-68-3
oprawa: miękka
Z recenzji prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Gaski, Politechnika Śląska w Gliwicach:
"Monografia reprezentuje bardzo wysoki poziom naukowy. […] Stanowi cenny wkład w rozwój zaawansowanych metod badawczych w zakresie opracowania modeli matematycznych opisujących wybrane zjawiska fizykochemiczne i ich utylitarnego zastosowania, co jednoznacznie potwierdza wybitne osiągnięcie naukowe podsumowujące wieloletnie badania Autora. Praca jest efektem trudnych i złożonych analiz wykorzystujących wiedzę z zakresu reologii, przemian fazowych oraz zagadnień związanych z optymalizacją procesów technologicznych pod kątem minimalizacji nakładów energetycznych oraz ograniczenia ubytków masy przetwarzanego surowca."
Z recenzji prof. dr. hab. inż. Pawła Ocłonia, Politechnika Krakowska:
"Praca stanowi rzetelne opracowanie przedstawiające zagadnienia związane z optymalizacją technologii w aspektach możliwości odzysku i wykorzystania energii w wybranych zakładach przetwórczych. […] Opisane prace badawcze i proponowane rozwiązania mogą stanowić podstawę do wprowadzenia zmian w przedsiębiorstwach produkcyjnych. Nowatorskim zagadnieniem […] jest opisanie wykorzystania symulacji komputerowych oraz modeli, [których] zastosowanie umożliwi […] nowoczesne zarządzanie przedsiębiorstwem pod kątem minimalizacji strat energii i przetwarzanego surowca, a maksymalizacji zysku – co nawiązuje bezpośrednio do jednego z obszarów (ekonomicznego) zrównoważonego rozwoju."
Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń / 5
Wstęp / 6
1. Zagadnienia optymalizacyjne w zakładach przetwórczych / 8
1.1. Wprowadzenie / 8
1.1.1. Arkusz przebiegu procesu / 9
1.1.2. Rodzaje procesów projektowania / 9
1.1.3. Bilans energii i surowców / 10
1.1.4. Projektowanie aparatów i urządzeń / 11
1.1.5. Wspomagane komputerowo projektowanie procesów/instalacji / 12
1.2. Projektowanie procesów spożywczych / 13
1.3. Operacje jednostkowe w przetwórstwie spożywczym / 15
1.4. Bilans masy i energii / 18
1.5. Media zakładów spożywczych / 19
1.6. Wspomagane komputerowo projektowanie procesów / 22
1.7. Poprawa efektywności działania zakładu / 23
2. Systemy wspomagania zmian technologicznych w przemyśle / 24
2.1. Wprowadzenie / 24
2.2. Taksonomia wspomagająca podejmowanie decyzji / 25
2.3. Ramy inżynierii systemów wspomagania decyzji / 27
2.3.1. Modele i modelowanie / 28
2.3.2. Problemy z budową modeli / 29
3. Podejście systemowe do procesów energetycznych w przetwórstwie żywności / 30
4. Zagadnienia energetyczne w procesach przetwórstwa żywności / 37
4.1. Zmiany fazowe i przejścia między stanami / 39
4.1.1. Żywność o niskiej zawartości wilgoci / 39
4.1.2. Żywność mrożona / 40
4.1.3. Diagramy stanów / 42
4.2. Czynniki wpływające na szybkość reakcji w żywności / 43
4.2.1. Temperatura / 43
4.2.2. Ciśnienie / 43
4.2.3. Zawartość wody / 44
4.3. Przemiany fazowe / 44
4.4. Podsumowanie / 48
5. Zagadnienia reologiczne w inżynierii procesów spożywczych / 49
5.1. Operacje przenoszenia pędu / 51
5.2. Operacje transportu energii / 54
5.3. Operacje transportu masy / 57
5.4. Charakterystyka strukturalna i zmiany fizyczne / 58
5.5. Reologia w warunkach wysokich temperatur i ciśnień / 59
6. Efekty termiczne w warunkach ogrzewania mikrofalowego / 63
6.1. Termiczne, nietermiczne i wzmocnione efekty mikrofalowe / 63
6.1.1. Termiczny wpływ mikrofal na niszczenie drobnoustrojów / 65
6.1.2. Mikrofalowe efekty nietermiczne i efekty specyficzne / 66
6.2. Kinetyka niszczenia drobnoustrojów / 68
6.3. Mikrofalowe efekty nietermiczne i efekty specyficzne 70
6.3.1. Ogrzewanie wsadowe (proces standardowy) / 70
6.3.2. Ogrzewanie mikrofalowe o ciągłym przepływie medium / 71
6.4. Kinetyka inaktywacji mikrofalowej PME w soku pomarańczowym / 72
6.5. Modele predykcyjne profili temperaturowych / 74
6.6. Wnioski / 77
7. Symulacje procesów przetwórczych / 78
7.1. Wprowadzenie / 78
7.2. Symulacja procesu / 78
7.3. Symulacja w warunkach niepewności / 83
7.3.1. Elastyczna strategia projektowania / 83
7.3.2. Strategie wieloscenariuszowe / 86
7.4. Etapy projektowania w inżynierii wspomaganej komputerowo / 87
7.4.1. Równania opisujące proces i warunki brzegowe / 87
7.4.2. Tworzenie siatki i właściwości opisujące surowiec / 87
8. Aparat matematyczny użyty w symulacjach komputerowych 89
8.1. Opis transportu masy dla separacji układów dwufazowych / 89
8.2. Modele przepływów wielofazowych / 92
9. Analiza wybranych rozwiązań aplikacyjnych zwiększających efektywność energetyczną procesu / 96
9.1. Pompa do tłoczenia cieczy o właściwościach pianotwórczych 96
9.1.1. Opis problemu technologicznego / 96
9.1.2. Plan badań / 100
9.1.3. Badania stanowiskowe / 105
9.1.4. Model matematyczny dla symulacji CFD / 107
9.1.5. Wyniki symulacji dla wody109
9.1.6. Wyniki symulacji i badań stanowiskowych dla medium – mieszanina dwufazowa (woda/powietrze) / 114
9.1.7. Podsumowanie i wnioski / 116
9.2. Technologia produkcji suszonych przekąsek z wołowiny / 119
9.2.1. Opis problemu technologicznego / 119
9.2.2. Plan badań i stanowisko badawcze 122
9.2.3. Model matematyczny dla symulacji CFD / 127
9.2.4. Wyniki symulacji / 128
9.2.5. Badania stanowiskowe / 132
9.2.6. Omówienie wyników stanowiskowych 138
9.2.7. Wnioski / 145
9.3. Transport surowców delikatnych / 146
9.3.1. Opis problemu technologicznego / 146
9.3.2. Modelowanie oddziaływań surowca podczas transportu / 149
9.3.3. Model obliczeniowy / 152
9.3.4. Wyniki symulacji oddziaływań cząstek podczas transportu na rynnie przenośnika / 157
9.3.5. Omówienie wyników uzyskanych podczas symulacji / 171
9.3.6. Wyniki badań stanowiskowych / 173
9.3.7. Wnioski końcowe z badań stanowiskowych / 181
9.3.8. Wnioski końcowe / 183
10. Podsumowanie / 184
Literatura / 186
Spis rysunków / 204
Spis tabel / 209
Streszczenie / 211
Summary / 212
Wstęp
Utylitarne wykorzystanie badań w obszarze zmian technologii wytwórczych dotyczy między innymi zwiększenia sprawności procesu lub uzyskania produktu akceptowalnego przez konsumenta oraz spełniającego rygorystyczne normy bezpieczeństwa. Zmiany postaw społecznych oraz rosnąca świadomość konsumentów zmuszają producentów do zmiany filozofii organizacji produkcji.
Inkluzywny i zrównoważony rozwój przemysłu powinien być podstawowym źródłem generowania dochodu i drogą do szybkiego podwyższania standardów życia. Ma on także dostarczać rozwiązań technologicznych zapewniających przyjazne dla środowiska uprzemysłowienie.
U podstaw wysiłków zmierzających do realizacji celów środowiskowych, określonych przez ONZ, leży postęp technologiczny, w tym zwiększenie efektywności materiałowej i energetycznej. Bez innowacji technologicznych, wrażliwych na aspekty środowiskowe nie będzie industrializacji, która w sposób zrównoważony mogłaby rozwiązać problemy rozwoju społeczeństw w XXI wieku.
Ambitne plany Unii Europejskiej w zakresie zmian paradygmatów technologicznych zmuszają inżynierów i technologów produkcji do większej efektywności w wykorzystaniu zasobów surowcowych oraz stosowania przyjaznych dla środowiskowa technologii i procesów produkcji. Takie poczynania skłaniają do poszukiwania oszczędności w nakładach energetycznych niezbędnych do wytworzenia nowoczesnych produktów.
Skala procesów gospodarczych, w których znaczący wkład mają technologie przetwórstwa surowców, determinuje działania zmierzające do maksymalizacji zysku, przy możliwie najniższych kosztach produkcji. Wymagania środowiskowe związane z ograniczaniem emisji gazów, wymuszają optymalizację procesów
przetwórczych realizowanych w produkowanych urządzeniach. Aspekt ekonomiczny procesu jest równie istotny jak jakość uzyskanego produktu końcowego.
Nawet organizacje, których zyski sięgają wielu milionów dolarów, starają się utrzymywać na najniższym poziomie relację kosztów operacyjnych do kosztów stałych. Sukces ekonomiczny przedsięwzięcia zależy niejednokrotnie od poprawnej oceny procesu technologicznego, którą uzyskuje się w wyniku analiz ograniczonej liczby prób. Jest to podyktowane wysokością kosztów, które należy ponieść podczas doboru parametrów pracy ciągu technologicznego. W związku z tym poprawność wniosków, które można uzyskać z ograniczonej liczby prób, prowadzonych w skali przemysłowej oraz półprzemysłowej, znacząco ogranicza koszty funkcjonowania organizacji.
Celem monografii jest opracowanie modeli bilansujących masę i energię wybranych procesów jednostkowych, pozwalających na ich zoptymalizowanie w oparciu o zdefiniowane funkcje celu. Technologie przeanalizowano pod kątem ograniczenia strat surowca oraz minimalizacji nakładów energetycznych, przyjmując jako cel
nadrzędny jakość produktu.
W rozdziale pierwszym opisano zagadnienia optymalizacyjne w zakładach przetwórczych, decydujących o wyborze technologii oraz procesach jednostkowych niezbędnych do jej wdrożenia.
Rozdział drugi i trzeci opisują narzędzia wspomagające proces decyzyjnyw przedsiębiorstwie produkcyjnym oraz podejście systemowe do zagadnień energetycznych.
Rozdział czwarty poświęcony jest opisowi wpływu przemian fazowych w procesach obróbki żywności na fizykochemiczne właściwości surowca.
W rozdziale piątym odniesiono się do zjawisk reologicznych towarzyszącym tym przemianom. Kolejny rozdział opisuje efekty termiczne podczas ogrzewania mikrofalowego.
Część eksperymentalną (rozdział siódmy) rozpoczynają opisy narzędzi wykorzystywanych do symulacji procesów przetwórczych zachodzących podczas przetwórstwa żywności. Uzupełnieniem treści rozdziału siódmego jest rozdział
ósmy, opisujący użycie modelu matematycznego wykorzystywanego do symulacji
komputerowych.
Rozdział dziewiąty opisuje utylitarne rozwiązania prowadzące do osiągnięcia efektywności energetycznej w oparciu o wybrane funkcje celu. Badania dotyczą trzech wybranych procesów/technologii obejmujących: (I) transport cieczy
wysokodyspersyjnych, (II) wydatki energii podczas dehydratyzacji mięsa oraz(III) ograniczenie strat surowca podczas transportu.
Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie