Совершенствование процесса увлажнения зерна в технологии его размола тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Перекрест, Фёдор Олегович

• Перекрест, Фёдор Олегович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Перекрест, Фёдор Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ существующих методов и технических средств увлажнения зерна. Цель и задачи исследования.

1.1. Обзор существующих методов и технологий для увлажнения зерна перед помолом.

1.2. Анализ конструкций и режимов работ увлажнителей зерна.

1.3. Классификация машин для гидротермической обработки зерновых материалов.

1.4. Анализ научных публикаций по исследованию процесса гидротермической обработки зерновых материалов.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. Теоретические исследования процесса увлажнения зерна перед помолом.

2.1. Обоснование способа увлажнения зерна.

2.2. Функциональная схема усовершенствованной установки для гидротермической обработки зерна перед помолом.

2.3. Расход воды на увлажнение.

2.4. Взаимодействие струй распылительно-увлажнительного устройства с потоком зерновой массы.

2.5. Анализ движения влаги в материале зерновки.

2.6. Расход воздуха установкой для увлажнения зерна.

2.7. Интенсификация процесса увлажнения зерна разностью давлений вне и внутри зерновки.

2.8. Анализ процесса отволаживания зерна. Объем бункеров, скважистость влажного зернового материала.

Выводы по главе.

3. Программа и методика экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна.

3.1. Общая программа экспериментальных исследований работы увлажнительной установки.

3.2. Методика определения физико-механических свойств зерна.

3.3. Методика определения показателей смачиваемости зерна и конструкционных материалов исследуемой увлажнительной установки водой.

3.4. Методика определения коэффициента скважистости.

3.5. Описание экспериментальной установки для исследования процесса увлажнения зерна пшеницы.

3.6. Методика определения гидродинамических показателей увлажнения зерна.

3.7. Методика определения пропускной способности оболочки материала зерновки.

3.8. Методика определения показателей влагопроводимости слоев, термовлагопроводимости и баровлагопроводимости зерна.

4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

4.1. Изменение физико-механических свойств зерна пшеницы при увлажнении в исследуемой увлажнительной установке.

4.2. Теплофизические свойства увлажнённого зерна пшеницы.

4.3. Перенос влаги в зёрнах пшеницы при её увлажнении.

4.4. Интенсификация процесса увлажнения зерна перед помолом

4.5. Результаты исследований процесса орошения зерна водой в увлажнительной установке.

4.6. Определение набора, последовательности и продолжительности операций процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом.

4.7. Длительность отволаживания зерна после обработки в исследуемой увлажнительной установке.

Выводы по главе.

5. Экономическая эффективность внедрения результатов исследования

5.1. Исходные данные и методика расчета экономической эффективности использования усовершенствованной установки для увлажнения зерна.

5.2. Результаты расчета экономической эффективности внедрения усовершенствованной технологии увлажнения зерна.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса увлажнения зерна в технологии его размола»

В настоящее время остро стоит проблема обеспечения населения качественными продуктами питания, решение которой возложено на перерабатывающую отрасль, том числе в малых хозяйственных образованиях страны.

Важной задачей, стоящей перед работниками мукомольной промышленности, является повышение выхода и качества готовой продукции. Решение ее невозможно без применения новых и совершенствования известных способов увлажнения и отволаживания зерна перед помолом.

Значение новых способов увлажнения зерна с последующим его отво-лаживанием приобрело особую важность в сегодняшних условиях, так как количество производителей возросло, а размер партий зерна, поставляемых от каждого производителя в отдельности уменьшился. Появилось и большое количество мелких предприятий по переработке зерна, которым промышленные методы обработки зерна перед помолом не доступны по экономическим показателям.

В связи с этим разработка новых и дальнейшее совершенствование существующих способов увлажнения зерна, как и машин для их выполнения, является достаточно актуальным научным вопросом общей проблемы первичной обработки и переработки зерна.

Гидротермическая обработка зерна (ГТО) - это совокупность мероприятий при подготовке зерновой смеси к переработке, которые целью своей имеют улучшение технологических свойств зерна, для получения наибольшего выхода продукта с лучшими качествами [111,119], в том числе и применительно к малым предприятиям.

Применение современных методов гидротермической обработки связано с использованием специальных машин и аппаратов, осуществляющих воздействие на зерно в заданном режиме.

В нашей стране гидротермическая обработка зерна при подготовке его к помолу начала применяться более 100 лет назад. Большой вклад в становление и развитие ее внесли знаменитые русские ученые Д. Менделеев, А. Курбатов, В. Левшин и другие [72].

В мукомольной промышленности давно используют способ гидротермической обработки как средство улучшения технологических свойств зерна. Недавние исследования в этой области показали, что современные методы гидротермической обработки повышают выход и качество готовой продукции при одновременном снижении удельного расхода энергии на размол. Поэтому применение данного метода обработки в условиях крупных мельниц экономически целесообразно. В настоящее время аппаратами для «горячего» и скоростного кондиционирования зерна оснащено множество мукомольных предприятий. Несмотря на все это научные вопросы увлажнения зерна при подготовке его к дальнейшей стадии переработки остаются актуальными особенно сейчас, в период всемирного экономического кризиса и тенденции переработки его непосредственно у производителя.

Цель гидротермической обработки зерна - изменение его исходных технологических свойств в направлении стабилизации и поддержании их на оптимальном уровне для дальнейшего процесса переработки его в конечную продукцию - муку или крупу.

Поступающее на предприятия зерно обычно имеет невысокую влажность, различие в технологических свойствах оболочек и эндосперма незначительны, следовательно, разделить их весьма проблематично, переработать такое зерно трудно. При проведении гидротермической обработки стараются усилить данные различия, согласно направленности перерабатывающих предприятий. Например, на мукомольных предприятиях пытаются снизить прочность эндосперма и повысить прочность оболочек, а на крупяных наоборот, повысить прочность эндосперма и соответственно снизить прочность оболочек. На комбикормовых заводах применяется гидротермическая обработка с целью повышения питательности комбикормов. Степень различия технологических свойств определяется конкретным способом обработки и прежде всего, особенностями взаимодействия зерна с водой [85].

Согласно проведенным исследованиям профессора Г.А. Егорова, В.Я. Гришсона, Я.Н. Куприца и других отечественных ученых выявлено, что зерно является сложным по структуре и свойствам объектом природы и живым организмом. При этом вода является неотъемлемым компонентом зерна на всех стадиях своего существования [35, 70]. Такое тесное взаимодействие воды с зерном обусловлено морфологическими особенностями последнего.

Как было отмечено выше, зерно представляет сложное тело, состоящее из естественных высокополимеров (биополимеров), основными из которых являются белки и углеводы (крахмал, клетчатка и др.)

Зерно обладает сильной изменчивостью, свойства его определяются не только сортом и типом, но и в большей степени, условиями района, в котором выращен тот или иной сорт пшеницы. Технологам известно, насколько различаются свойства зерна пшеницы одного и того же сорта выращенного, к примеру, в Поволжье и восточных районах нашей страны.

Несмотря на имеющееся разнообразие зерна в процессе его переработки на мельнице необходимо обеспечить высокое качество получаемой продукции. Это частично решается созданием помольных партий, другой вариант - это гидротермическая обработка.

В связи с этим одним из направлений исследования процесса гидротермической обработки является поиск способов интенсивного увлажнения зерна [112]. Для этого необходимо более полно раскрыть механизм взаимодействия зерна с водой.

В результате обработки зерна ослабляются связи между оболочками и эндоспермом; структура оболочек становится пластично-вязкой. При этом действии вода создает напряженное состояние капилляров набухших оболочек, которому сопутствует концентрация местных напряжений на отдельных участках. Все это в совокупности облегчает отделение оболочек с минимальными потерями эндосперма.

В мукомольной промышленности применяют два вида обработки зерна водой:

• увлажнение, при котором стремятся к тому, чтобы вода через поры проникала в определенном количестве в оболочки для изменения структуры зерна;

• мойку для очистки наружных покровов зерна и особенно бороздок от приставшей пыли и микроорганизмов, а также для выделения из массы зерна легких и тяжелых примесей.

Опытным путем установлено, что при выдержке зерна в воде в пределах 12 секунд вода удерживается только на поверхности и им не поглощается. Последующее центрифугирование приводит к тому, что количество воды на поверхности зерна не превышает 1. .2%.

Теплая вода более прочно удерживается на поверхности зерна, поэтому зерно увлажняется быстрее. Проведение многочисленных экспериментов показало, что с повышением температуры количество пленочной воды на зерне уменьшается, однако ее остаток на поверхности зерна после центрифугирования несколько увеличивается благодаря лучшей связи смачивания.

Так, например, если после погружения на 5 секунд в воду с температурой 20°С на нем остается 20% воды (от массы зерна), то при температуре воды в 40°С на зерне остается 11% воды. Соответственно после 5 секунд отво-лаживания с последующим обезвоживанием поверхности зерна фильтрованной бумагой на поверхности остается 1,7 и 2% воды.

Актуальность решения вопроса интенсификации процесса увлажнения зерна в технологии его размола связана с необходимостью повышения выхода продукции более высокого качества и уменьшения временных затрат.

Объектом исследования выступает технология увлажнения зерна и процесс работы увлажнительной установки.

При этом предполагается, что процесс увлажнения зерна может быть интенсифицирован путем предварительного вакуумирования его до увлажнения и последующего воздействия воздухом избыточного давления, что может ускорить проникновение влаги в зерновку через её поры и сократить длительность отволаживания.

Цель исследования - интенсификация технологического процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом.

Работа содержит введение и пять глав. Во введении сформулирована актуальность исследуемого вопроса, даны характеристики объекта, предмета и методики исследования, определена значимость результатов работы для науки и практики и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ существующих методов и технических средств увлажнения зерна. Цель и задачи исследования» дан обзор и анализ существующих методов и технологий, конструкций и режимов работы увлажнителей зерна, а также научных публикаций по вопросу исследования процесса гидротермообработки зерновых материалов перед помолом. Представлена классификация как методов проведения ГТО, так и машин и аппаратов для их осуществления, рассмотрены их основные параметры и характеристики. Определены цель и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса увлажнения зерна перед помолом» представлено обоснование усовершенствованного способа увлажнения зерна, описана функциональная схема усовершенствованной установки для гидротермической обработки зерна перед помолом, проведены теоретические исследования по определению параметров воздействия струй распылительно-увлажнительного устройства на поток зерновой массы. На основании проведенных теоретических разработок предложен процесс работы установки, состав и длительность технологических операций в нем по увлажнению зерна пшеницы перед помолом.

В третьей главе дана методика проведения экспериментальных исследований операций вакуумирования зерна, орошения его водой, перемешивания и воздействия на него воздухом избыточного давления, а также методика определения физико-механических свойств зерна по мере его увлажнения.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна пшеницы перед помолом» представлены обработанные известными методами статистики данные лабораторных наблюдений и измерений.

В пятой главе приведены результаты расчетов экономической эффективности использования усовершенствованной установки для увлажнения зерна.

Научная новизна работы заключается в разработке математической модели процесса увлажнения зерна, которая показала возможность дальнейшей его интенсификации путем воздействия разряжения до орошения водой с последующей обработкой воздухом избыточного давления. Уточнены и описаны процессы проникновения влаги в зерновку, получены значения коэффициентов баровлагопроводности, термоградиентного коэффициента и коэффициента потенциалопроводности увлажненного зерна.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Конструкция усовершенствованной увлажнительной установки, методика расчета продолжительности и последовательности технологических операций процесса увлажнения зерна.

2. Теоретические модели процессов проникновения и движения влаги в зерновке.

3. Методы интенсификации процесса увлажнения зерна.

4. Результаты экспериментальных исследований процесса увлажнения зерна пшеницы перед его помолом.

Автор выражает признательность доктору технических наук Краснову И. Н. и кандидату технических наук Кравченко И.А. за помощь, оказанную при выполнении настоящей работы, а также всему коллективу кафедры МТП и ГТСХП ФГБОУ ВПО АЧГАА, способствующему успешному завершению исследований по теме диссертации.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Перекрест, Фёдор Олегович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Разработана классификационная схема способов и средств увлажнения зерна перед помолом. Наибольшее распространение получил способ «холодного» кондиционирования зерна, который сопровождается большими затратами времени (14 - 16 часов) на последующее отвола-живание его и затратами средств на бункера и площади цехов для технологических операций отволаживания.

2. Первичный этап проникновения влаги в зерновку при орошении её водой в существующей технологии увлажнения зерна перед помолом ограничивается наличием воздуха в макро- и микропорах зерновки. Предварительное вакуумирование их перед орошением водой повышает их влагоемкость. Длительность вакуумирования зерновки определяется выражениями (2.71, 2.72), составляет при вакууме 55 кПа для зерновки с условным диаметром 4 мм не менее 0,26 с и зависит от её пропускной способности, которая в основном ограничена площадью «живого» сечения микрокапиллярами оболочек и в среднем равна

0,02-10"9 м3.

3. По мере насыщения зерна пшеницы водой коэффициенты трения его по основным конструкционным материалам технологической линии увлажнения снижаются. Это снижение в пределах нормативного увлажнения зерна перед помолом составляет от 8 до 10%, что существенно не влияет на затраты энергии в системе его транспортировки по мере обработки увлажнением. С повышением влажности зерна снижается и краевой угол смачивания его, изменяясь в среднем на 1° на каждый процент повышения влажности. Повышение влажности зерна пшеницы от 10 до 16% практически не влияет на пористость зерновой массы, но ведет к увеличению условного диаметра зерновки на 6.7%, что необходимо учитывать при расчете вместимости бункеров для отволаживания.

4. Операции орошения вакуумированного зерна водой целесообразно осуществлять струей из распылителя в зоне капельного её распыления с насадками цилиндрической формы с коническим входом, имеющими коэффициент расхода 0,6.0,62 и угол расширения факела от 33 до 40°. Диаметр капель воды при этом должен составлять 0,3. .1 мм, что обеспечивает формирование поверхностной пленки жидкости на каждой зерновке и поглощения около 5% воды операцией последующего перемешивания зерна в вакуумированном смесителе в течение 70.90 с.

5. Обезвоживание поверхности зерна после перемешивания рекомендуется производить воздействием воздуха избыточного давления величиной 30 кПа в течение 70.90 с. Процесс переноса поверхностной влаги в зерновку при этом носит не диффузионный, а в большей мере механический характер вдавливания воды в вакуумированные ранее полости зерновки. Коэффициент баропереноса при этом аналогичен коэффициенту диффузии и составляет порядка 0,0011-Ю"19 м2/с.

6. Получены математические модели движения влаги в зерновке (2.40, 2.25, 2.46), интенсификации этого процесса путем вакуумирования зерновки до разряжения 55 кПа и последующего воздействия на неё воздухом избыточного давления 30 кПа (2.49), а также модели взаимодействия капель орошаемой воды с зерновкой (2.27), положенны в основу разработки усовершенствованной увлажнительной установки.

7. Продолжительность отволаживания зерна после обработки в усовершенствованной увлажнительной установке сокращается до 6.7 часов или в 2 раза по сравнению с серийной технологией на базе увлажнительной установки ЗУМ-2 при равных показателях зольности муки 0,60.0,65.

8. Обоснован набор, последовательность и продолжительность операций усовершенствованной технологии увлажнения зерна перед помолом, включающий:

• загрузку зерна в бункер увлажнительной установки шлюзовым затвором;

• вакуумирование зерна при разряжении 40. .55 кПа в течение 0,4 с;

• орошение зерна водой разбрызгиванием под вакуумом в течение 0,06 с;

• перемешивание зерна в условиях вакуума в течение 90 с;

• обработку во влагоснимателе при давлении воздуха 30 кПа в течение 90 с;

• выгрузку зерна в потоке шлюзовым затвором;

• отволаживание зерна в течение 6. .7 часов.

Внедрение её на основе усовершенствованной увлажнительной установки в сравнении с серийной технологией на базе увлажнительной установки ЗУМ-2 может обеспечить сокращение удельных эксплуатационных затрат на 27,87%, трудоемкости процесса на 33,3% и получение годовой экономии около 430 тыс. руб. при сроке окупаемости капвложений 1,15 года.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Перекрест, Фёдор Олегович, 2012 год

1. Агропром за рубежом, том 3. Экономика и связи с Россией. - М.: Агентство «Бизнес-Пресс» - 2004. - 92с.

2. Айзикович JI. Е., Хорцев Б. Н. Технология производства муки. Колос, М., 1968.

3. Айзикович JI.E. Технологический процесс на пневматической мельнице

4. Алимкулов Ж. С. Исследование технологических свойств и гидротермической обработки шелушенного зерна при многосортном помоле пшеницы: Ав-тореф. дис. канд. техн. наук. -М.: 1979. -30 с.

5. Анисимова JI. В. Исследование особенностей взаимодействия анатомических частей зерна пшеницы при гидротермической обработке: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: 1977. - 21 с.

6. Беркутова Н. С. Изменение технологических свойств пшеницы Целинного края при гидротермической обработке. «Вестник технической информации», № 1, 1964.

7. Богомягкий В.А., Пепчук A.JI. Интенсификация разгрузки бункерных устройств в условиях сводообразования зерновых материалов. Зер-ноград, 1995. - 162 с.

8. Братухин А. М. О расширении ассортимента и улучшения качества муки. «Вестник технической информации», № 7, 1961.

9. Бугрова H.A. и др. Хлеб со смесью круп и его товароведная оценка/ Секция «Технология и оборудование пищевых производств». Барнаул.-2003.

10. Бутковский В.А. Мукомольное производство / В.А. Бутковский. М.: Колос, 1983. - 2-е изд. доп. и перераб.

11. Власов, Н.С. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники / Н.С. Власов. М.: Колос, 1968. - 222 с.

12. Войтюк Д.Г. «Исследование технологического процесса распыла и транспортировки капель жидких ядохимикатов воздушным потоком». Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Киев: 1961 - 24 с.

13. Гидротермическая обработка пшеницы в СССР и за рубежом. Егоров Г.А. Обзорная информация Серия «Мукомольно-крупяная промышленность». М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР, 1966. 84с.

14. Гинзбург A.C. Теплофизические характеристики пищевых продуктов

15. Гиршсон В. Я. Экспериментальное исследование процессов техноло1617,18