Совершенствование процессов получения гранулированной клейковины пшеничной тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат наук Фоменко Екатерина Валерьевна

• Фоменко Екатерина Валерьевна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Фоменко Екатерина Валерьевна

СОДЕРЖАНИЕ

5

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния промышленных способов переработки пшеницы и влагоудаления в технологии сухого глютена

1.1. Анализ современных способов извлечения белковой составляющей - клейковины из зерна пшеницы

1.2. Общая характеристика клейковинного продукта в натив-

ном и сухом виде

1.3. Анализ способов получения сухой пшеничной клейковины

1.4. Выбор перспективного способа получения гранулированной клейковины и конструкторских решений для его осуществления

ГЛАВА 2. Определение гигроскопических свойств и рациональных режимных параметров подсушивания и фазового перехода (вода-лед) для минимизации адгезионных характеристик объекта исследования

2.1. Экспериментальное определение гигроскопических свойств клейковины пшеничной

2.2. Экспериментальное исследование характерных влажностей

при переходе от одной стадии технологии к другой

2.3. Экспериментальное определение криоскопической температуры и количества вымерзшей влаги объекта исследования

2.4. Определение удельной теплоты льдообразования для исследуемого объекта

ГЛАВА 3. Определение комплекса свойств и характеристик клейковины пшеничной.

3.1. Экспериментальное определение плотности и коэффициента эффективной динамической вязкости сырой клейковины пшеничной

3.2. Оптические и терморадиационные характеристики объекта исследования

3.3. Определение теплофизических свойств объекта исследования при обычных температурах и ниже нуля

ГЛАВА 4. Изучение гидродинамических и тепломассооб-менных кинетических закономерностей процесса получения гранулированной клейковины

4.1. Численный расчет эволюции полей скоростей при движении охлаждаемых упруго-вязких материалов (клейковины) через фильеры

4.2. Кинетические закономерности процессов самопроизвольного вакуумного замораживания, подсушки клейковинных штрангов и

их гранулирования

4.2.1 Кинетические закономерности процесса самопроизвольного вакуумного замораживания

4.2.2 Кинетические закономерности процесса подсушки объекта исследования

4.2.3 Кинетические закономерности процесса гранулирования объекта исследования

ГЛАВА 5. Моделирование переноса тепловой энергии в процессе вакуумной заморозки и последующей подсушки штранга

5.1. Численный расчет эволюции полей температур в слое штранга при вакуумной заморозке

5.2. Численный расчет эволюции полей температур в слое штранга при вакуумной инфракрасной подсушке

ГЛАВА 6. Примеры внедрения результатов исследования

6.1. Описание предлагаемой установки

6.2. Практические рекомендации по использованию данных, полученных в результате исследований

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. ПРИЛОЖЕНИЯ.

110

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процессов получения гранулированной клейковины пшеничной»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В долгосрочной стратегии развития зернового комплекса Российской Федерации на 2016...2025 годы и на перспективу до 2030 года особое внимание обращено на глубокую переработку зерновых культур в симбиозе с химической, микробиологической и фармацевтической отраслями промышленности. Глубокая переработка зерна является наименее развитым в России сегментом внутреннего потребления зерна и зернобобовых культур. При этом, учитывая необходимость импорто-замещения, глубокая переработка зерна имеет значительный потенциал роста, что будет являться стимулом для дальнейшего развития передовых отечественных биотехнологий.

К 2030 году планируется возрастание объема потребности в продуктах зернопереработки до 10,6 млн. тонн в год, из которых до 5 млн. тонн составит глубокая переработка зерна на производство нативных и модифицированных крахмалов, клейковины, органических кислот, биоэтанола и др.

Рациональная переработка зерна пшеницы для извлечения ее белковой части - клейковины и пшеничного крахмала - одни из актуальных проблем для профильных предприятий АПК. Такая продукция востребована в мукомольной, хлебопекарной, макаронной, спиртовой, крахмалопаточной, бумажной и других отраслях пищевой индустрии. Пшеничный крахмал имеет А и В формы, различающиеся по крупности его зерен, и составляет около 70% от сухого вещества пшеницы. Клейковина, в свою очередь, для разных сортов зерна - от 8 до 12, мезга - 2,5. растворимые вещества - около 11, а пенто-заны - 3,5 %. Методы производства продукции из пшеницы имеют свою специфику, в зависимости от строения зерен. Так, к примеру, «сухие процессы» не подходят для получения клейковины, так как для них необходимо приготовить и механически перевести мучную водную суспензию вязко-эластичное текстурное состояние.

Одними из актуальных задач в технологии клейковины являются снижения объема водопотребления при выделении клейковины и ее сушки, ко-

торую необходимо вести в «мягких» режимах для исключения белковой деструкции и максимального сохранения нативных свойств клейковины, главными из которых являются способность удерживать влагу- не менее 150 % (1,5 г воды, приходящихся на 1 г клейковины) и светлые цвета - от желтого до коричневого.

Цвет клейковины, зависящий от зольности и качества помола пшеницы, важен для ее коммерческой реализации, как функциональный премикс в хлебопекарные и макаронные изделия. Стандартным является помол пшеницы до размеров частиц муки - 250 мкм с зольностью около 1 %.

Более 25 лет назад в США, Австралии и в европейских странах стали вырабатывать крахмал и клейковину из пшеницы при малой производительности около 2^3 тонн в час по муке, вследствие нерешенных проблем в технологии. В настоящее время производительность заводов по муке значительно возросла до нескольких тысяч тонн в сутки, чему способствовало развитие техники центробежной обработки пшеницы, в частности, декантеров. Применение таких центрифуг привело к снижению продолжительности цикла пкребработки пшеницы, и, как следствие, микробиологической порчи, объема водопотребления и образованию в начале технологической цепочки основных материальных потоков: крупнозернистого А- и мелкозернистого В-крахмала; клейковинного; избыточного водного, пентозанного и растворимых компонентов.

Остальные операции и оборудование для их осуществления предназначены для очищения выделенных и разделенных А- и В-крахмала, а также клейковины. Современные подходы к глубокой переработке пшеницы дают возможность широкомасштабно перерабатывать мало востребованные и распространенные в РФ 3, 4 и 5-е зерновые классы пшеницы и, в перспективе, создать безотходные технологии.

Комплексная безотходная переработка зерна, реализуемая рядом американских компаний, в частности, Сш^Ш, позволяет расширить ассортимент вырабатываемой продукции из зернового сырья, такой как клейковина,

обычный и модифицированный крахмал, глюкоза, патока (карамельная и мальтозная), глюкозо-фруктозные сиропы, спирт, корма для животных.

Россия, занимающая лидирующие позиции в выращивании зерновых культур, при реализации способов глубокой эернообработки сможет значительно усилить свою продовольственную независимость, и решить многие проблемы, например, в производстве сахарных заменителей.

При исследовании процессов сушки и разработке технологий концентратов и высушенных материалов и их аппаратурного обеспечения особое внимание акцентируют на аналитический выбор параметров, влияющих на время осуществления операции обезвоживания и ее интенсификацию.

Исследование, изучение и системный анализ взаимосвязанных физических, химических и энергоэффектов при десорбции позволяют промышленно получать сухой глютен с заданными характеристиками при уменьшении энергоемкости технологического потока.

Степень разработанности проблемы

Научным и практическим методам решения исследуемых в работе проблем посвящены исследования отечественных и зарубежных ученых.

Значительный вклад в исследовании физико-химических свойств и структурных особенностей клейковины пшеничной, а также развитие технологии ее получения в сухом виде внесли российские: А.Б. Вакар, В.С. Смирнов, Р.С. Будницкая, И.Ш. Шкловский, И.А. Рогов, В.В. Колпакова; и зарубежные исследователи: Blish, Sandstedt, Соок, Alsberg, El-Gindy, Burell, Lamb и многие другие [20. 22. 23. 24. 52. 53. 86. 100. 105. 106. 114].

Вопросу исследования процесса инфракрасной сушки пищевых материалов посвящено большое количество работ советских и российских ученых, таких как: А.С. Гинзбург, С.Г. Ильясов, А.В. Лыков, Ю.М. Плаксин, И.Ю. Алексанян, А.Н. Остриков, С.Т. Антипов и многих других.

Следует отметить, что различная подготовка материала и очистка отмытой клейковины влияет на ее состав, а значит и на свойства. Даже имея определенную муку в качестве исходного материала, можно получить из нее

клейковину с неодинаковым составом, если варьировать методику ее выделения. Поэтому необходимо иметь информацию о характеристиках и свойствах клейковины, полученной тем или иным технологическим способом, и провести оценку их влияния на свойства конечного продукта, с целью прогнозирования его целевого использования.

Как правило, сырая клейковина предварительно обезвоживается в вакууме или путем прямого высушивания при высокой температуре или же с помощью лиофилизации. Несомненно, способ высушивания и особенно степень нагрева оказывают значительное влияние на потребительские свойства конечного продукта.

Поэтому вопросы, связанные с разработкой эффективной промышленной технологии, и ее конструкторского оформления при производстве сухого клейковинного продукта недостаточно проработаны и требуют дальнейшего изучения.

В этой связи целью работы является совершенствование процессов получения гранулированной клейковины пшеничной, путем снижения ее адгезионных свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ достоинств и недостатков существующих технологий СПК, а также их аппаратурного обеспечения, на базе которого выбрать рациональную технологическую схему производства сухой клейковины;

2. Провести экспериментальные исследования по определению гигроскопических характеристик, параметров фазовых переходов при паро- и льдообразовании, а также характерных влажностей при переходе от одной стадии технологии к другой;

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования структурно-механических, теплофизических и оптических характеристик объекта исследования;

4. Провести исследование и моделирование закономерностей движения

сырой клейковины в узле формования штранга, а также кинетики процессов его самопроизвольного вакуумного замораживания, подсушки и гранулирования;

5. Провести моделирование тепло-массообменных процессов вакуумной заморозки и инфракрасного подсушивания клейковинного штранга;

6. Выработать практические рекомендации для реализации разработанной технологии гранулирования сырой клейковины пшеничной.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Получены аппроксимирующие, адекватные экспериментальным данным, математические выражения зависимости физико-химических характеристик сырой клейковины пшеничной от температуры, параметры фазовых переходов при паро- и льдообразовании и значения критических влажностей при смене технологических стадий;

2. Получены кинетические закономерности протекания процессов самопроизвольного вакуумного замораживания сырой клейковины, подсушки и гранулирования, а также построена и решена математическая модель движения сырой клейковины в узле формования штранга, разработаны режимы проведения этих процессов, при максимальной удельной производительности;

3. Адаптирована к объекту исследования и численно решена математическая модель эволюции температурных полей в слое продукта при его замораживании и инфракрасной подсушке, позволяющая обоснованно использовать или корректировать режимные параметры предлагаемой технологической цепи;

4. Обоснована с научной и практической точек зрения эффективность самопроизвольной заморозки клейковинных жгутов при реализации режимов, определяемых по предложенному алгоритму и программе его реализации, для расчета температурных изменений и варьировании скорости перемещения объекта переработки.

Теоретическая и практическая значимость.

Теоретическая значимость диссертационной работы подтверждается проведенным изучением и комплексным системным анализом гидромеханических, тепловых и массообменных процессов в технологии гранулированных материалов, полученных посредством радиационной подсушки клейко-винных штрангов со сниженной поверхностной адгезией.

Полученные результаты позволили определить режимы формования сырой клейковины при непрерывной подаче исходного материала, обеспечивающие устойчивость процесса течения и ровную поверхность у сформованного штранга, что способствует увеличению производительности, снижению энергоемкости процесса формования и улучшению качества получаемых в итоге гранул.

Обоснована возможность использования самопроизвольного вакуумного замораживания с последующей инфракрасной подсушкой сырой клейковины в технологии производства клейковинных гранул из пшеницы. Сделаны теоретические и практические выводы, позволяющие рациональную реализацию предлагаемой технологии на перерабатывающих предприятиях АПК.

Разработан способ и предложена установка для гранулирования исследуемого материала, который состоит из следующих четырех стадий.

1. Стадия формования включает следующие режимные параметры:

- температура сырой клейковины до попадания в шнековый питатель -10 ± 1°С, а на входе в формующий узел - 0 ± 0,5°С;

- температура хладагента в рубашке питателя должна быть в диапазоне: -18 ± 1°С;

- скорость движения сырой клейковины в канале питателя 0,5 ± 0,01м/с;

- высота формовочного диска - 3 ^ 4мм, диаметр фильеры - 8 ± 0,2мм.

2. Стадия самопроизвольного вакуумного замораживания включает следующие режимные параметры:

- температура клейковинного штранга до попадания в вакуумную камеру -0 ± 0,5°С;

- остаточное давление в рабочей камере - 5 Торр.

3. Стадия инфракрасной подсушки клейковинного штранга включает следующие режимные параметры:

- начальная концентрация штранга - 42кг/кг;

- конечная концентрация штранга - 0,55кг/кг;

- плотность теплового потока, получаемая поверхностью материала - 4,48 кВт/м2;

- расстояние между инфракрасными излучателями - 10 см;

- расстояние между инфракрасными излучателями и материалом - 10 см;

- скорость движения штранга - 0,011м/с.

4. Стадия гранулирования включает следующие режимные параметры:

- задается высота требуемой гранулы, м;

- в зависимости от выбранной высоты задается частота вращения лопастей при заданных габаритных размерах получаемых гранул.

Предложена рациональная конструкция устройства, позволяющего осуществить вакуумное сазамопроизвольное замораживание клейковинных штрангов с последующей их инфракрасной подсушкой и возможного упаковывания гранулированного полуфабриката на выходе из рабочей камеры (подана заявка на получение патента).

Научные и практические рекомендации, приведенные в данной работе, приняты к использованию для совершенствования технологических операций на Астраханских предприятиях (акты использования прилагаются). Методология и методы исследования.

Аналитической и методологической основой исследования явились положения и выводы, сформулированные отечественными и зарубежными учеными, работающих над проблемами в теории и технике процессов формования, вакуумного замораживания и радиационной сушки пищевых материалов, в частности, О.Н. Буяновым, В.А. Аретом, Г.И. Касьяновым, И.Ю. Алек-саняном, С.В. Шаховым.

Базисом для диссертационного исследования и практических рекомен-

даций явились результаты оценки и системного анализа кинетических закономерностей и динамики технологических процессов для повышения интенсивности механических, тепловых и массообменных процессов, а также адаптации моделей гидродинамики и тепломассопереноса к объекту исследования и их численного решения.

Оценка состояния влаги в сырой клейковине осуществлялась на основе теории полимолекулярной адсорбции, ее физическая плотность определялась пикнометрическим способом, а температуропроводность - акалориметриче-ским методом Г.Н. Кондратьева. Для расчета удельной теплоемкости применен разработанный эффективный калориметрический метод (Патент на полезную модель №171974 РФ). Для определения специфических характеристик объекта исследования использовались специализированные для этих целей методики и инструменты.

Экспериментальные исследования, а также адаптация к объекту исследования и решение физико-математических моделей операций формования, вакуумного самозамораживания и подсушки штрангов клейковины осуществлялась посредством современных аналитических и численных методов, компьютерного обеспечения, приборной и оригинальной опытной техники.

Положения, выносимые на защиту:

1. адекватные математические зависимости физико-химических характеристик сырой пшеничной клейковины от температуры, параметры фазовых переходов при паро- и льдообразовании и значения критических влаж-ностей при смене технологических стадий;

2. кинетические закономерности протекания процессов самопроизвольного вакуумного замораживания сырой клейковины, подсушки и гранулирования, а также математическая модель движения сырой клейковины в узле формования штранга;

3. модель температурного распределения в слое объекта исследования при заморозке и радиационном подсушивании для адаптации или корректирования технологических режимов;

4. рациональные режимные параметры процессов формования, вакуумного самопроизвольного замораживания клейковинного штранга, его инфракрасной подсушки и гранулирования;

5. конструкция установки для получения клейковинных гранул с пониженными адгезионными свойствами.

Достоверность полученных результатов подтверждены:

1. сходимостью (в пределах 5^7%) результатов решения математической модели и данными лабораторных экспериментов, а также с результатами натурных испытаний;

2. получением на базе известных научных положений частных, практически значимых научных результатов;

3. опытно-конструкторскими разработками и тестированием для их внедрения;

4. ясной физической трактовкой и отсутствием противоречий с общепринятыми данным в области исследования.

Апробация результатов диссертационного исследования.

Основные результаты исследований докладывались на международных конференциях, к примеру: XXI международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2015 г.); XI международной научно-практической конференции «Технологическая кооперация науки и производства: новые идеи и перспективы развития» (Тюмень, 2018 г.); международной научно-практической конференции «Новая наука: история становления, современное состояние, перспективы развития» (Стерлитамак, 2018 г.); XXIV международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире» (Санкт-Петербург, 2018 г.); IV международной научно-практической конференции «Вопросы науки и практики - 2019» (Москва, 2019 г.).

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния промышленных способов переработки пшеницы и влагоудаления в технологии сухого глюте-на.

Актуальным на сегодняшний день является анализ современных и связанных с сельским хозяйством инновационных проектов по глубокой переработке зерна, затрагивающих, в том числе, и вопросы продовольственной безопасности страны [92]. Переработка зерна является одной из немногих отраслей, имеющих большие перспективы развития.

При огромнейших объемах производимого в России сырья продукты глубокой переработки приходится в полном объеме закупать за рубежом. Развитие данной отрасли не только поможет насытить внутренний рынок высоколиквидной продукцией, но и открывает перспективы экспорта не просто зерна, а продуктов с высокой добавочной стоимостью.

Одним из наиболее значимых продуктов комплексной и глубокой переработки зерна пшеницы является клейковина, применяемая в качестве улучшителя пекарных характеристик пшеничной муки. «Натуральная сухая пшеничная клейковина признана как безопасная (GRAS №21 C.F.R. п. 184.1322) для использования в качестве белкового обогатителя муки, натурального наполнителя, стабилизатора и связующего вещества и полностью соответствует требованиям кодекса FAO/WHO Комитета «Эксперта по продовольственным добавкам» Всемирной организации здравоохранения».

1.1. Анализ современных способов извлечения белковой составляющей - клейковины из зерна пшеницы

Вопросы усовершенствования технологий переработки зерна, главным образом, возникают в двух случаях: это задача повышения экономической эффективности и снижения опасности существующей технологии для окружающей среды или ставится задача по переработке зерна, выращиваемое количество которого превышает внутренние потребности России. Излишки этой категории сельскохозяйственной продукции успешно продаются за ру-

беж, но низкое качество производимого зерна, априори, приводит к меньшей выгоде при реализации по сравнению с выгодой от реализации продуктов, получаемых при его глубокой переработке.

Проведя даже поверхностный анализ [15, 65, 85, 93, 103], нетрудно убедиться, что по технологии глубокой переработки зерна получают либо крахмал, корм и клейковину, либо крахмал, клейковину и биоразлагаемую пленку. При этом в любом из вариантов переработки корм лишается главной компоненты - клейковины (белковой составляющей), а по второму варианту вместо скудного корма получают растворимую в природе пленку.

Вместе с тем известно, что традиционная переработка зерна связана с тремя направлениями. Первое - это переработка высококачественного зерна (содержание клейковины свыше 18%) в муку для выпечки хлеба и выработки макаронных изделий, вермишели и манки. Второе - это переработка зерна с невысоким содержанием клейковины в комбикорма для животноводства. Третье - переработка низкокачественного зерна в спирт, при этом в этом случае, в барде (отходе спиртовой промышленности) клейковина остается практически в неизменном виде, а отруби превращаются из плохо усвояемой в более усвояемую форму. Полученные сведения о технологии глубокой переработки зерна должны быть дополнены знаниями о применении клейковины, что позволит лучше понять предназначение новых технологий глубокой переработки зерна.

Клейковина необходима тем странам, в которых производимое ими зерно пшеницы содержит недостаточное количество этого белкового вещества, к примеру, в европейских странах добавка клейковины в слабую муку обусловлено экономией, вследствие высокой стоимости сильной пшеницы, преимущественно импортируемой из США и Канады [84].

Следует отметить, что в европейских странах естественное плодородие почвы падает из-за нарастающих доз минеральных удобрений, вследствие чего растут издержки по выращиванию пшеницы, в которой, к тому же, снижается содержание клейковины. Следовательно, именно в европейских стра-

нах были вынуждены не только создать и освоить технологии глубокой переработки части собственного зерна для извлечения клейковины, но и закупать сравнительно дешевое зерно за рубежом. Со временем, перевозка дешевого зерна стала обходиться весьма дорого.

Таким образом, возникла проблема импортирования клейковины из других стран, которая с течением времени будет лишь обостряться. Этому способствует и тот факт, что количество производимого зерна на душу населения в мире падает как из-за роста народонаселения, так и из-за потерь плодородных земель и ухудшения естественного почвенного плодородия. Ввиду этого, актуальность вложений существенных инвестиций в виде инноваций по глубокой переработке зерна в Россию представляются весьма логичными.

Приведенные обоснования вызывают необходимость анализа сложившегося положения на инновационном рынке России по реализации технологии глубокой переработки зерна. Здесь необходимо подчеркнуть, что на сегодняшний день состояние хлебного производства в России находится на удовлетворительном уровне и в нынешних условиях, россияне пока не испытывают дефицита в хлебобулочных изделиях. Но, исходя из этих позиций, нельзя утверждать, что в ближайшее время Россия в клейковине не нуждается, т.к. наблюдается рост её применения в качестве натурального наполнителя, стабилизатора и улучшителя в широком ассортименте продуктов питания от кондитерских изделий до мясных.

К тому же на мировом рынке сухая пшеничная клейковина пользуется достаточно высоким спросом. В настоящее время глобальный совокупный спрос на клейковину пшеницы составляет 800000 тонн: 400000т в Европе, около 200000 т в Австралии, Северной Америке и других развитых странах, 120000 т в Китае, Южной Азии и других регионах, около 80000 т в других регионах [84, 107, 108]. Как видно, именно на Европейском континенте спрос на клейковину самый высокий, который возник не из-за склонности европейцев употреблять клейковину, а именно из-за ухудшения качества пшеничного зерна, а, следовательно, и муки, в которую необходимо ее добавлять.

Качество же самого зерна определяется работой всего почвенного комплекса как на поставку растениям десятков минеральных веществ, так и наличия в корнеобитаемом слое и воздушном пространстве около растений разнообразных газов [58, 88, 89]. Это объясняет, что в Европе для поддержания пищевого рациона сограждан и по совету ученых агрохимиков производители зерна были вынуждены применять самые высокие дозы минеральных удобрений, что губительно сказалось на естественном плодородии почв.

Между тем, интерес к российскому зерновому потенциалу, как потенциалу для производства клейковины, начал формироваться задолго до сегодняшнего ажиотажа вокруг технологий глубокой переработки зерна [12]. За последние двадцать лет наблюдается непрерывный рост интереса зарубежных инвесторов к аграрному промышленному комплексу (АПК) России. Благодаря этому, парк машин и основных механизмов российских аграриев практически на 100% обновлен зарубежной высокопроизводительной техникой, а в растениеводстве используются практически исключительно зарубежные высокоэффективные химические препараты для борьбы с вредителями. Не исключено, что именно поэтому Россия получила возможность экспортировать зерно и разработать Доктрину Продовольственной безопасности, принятую в январе 2010г.

Российские аграрии заинтересованы в развитии отрасли и строительстве новых заводов по глубокой переработке зерна. Это позволит сократить импорт лизина и триптофана, треонина и валина, клейковины, глюкозы, естественных подсластителей и биопродуктов. В регионах страны уже работает программа помощи предприятиям и перерабатывающим комбинатам, но ее реализация сопряжена с некоторыми трудностями, в частности, оборудование и подготовка кадров для работы с ним стоит дорого, а окупаемость производства на российском рынке занимает несколько лет, также остаются сложности связанные с отсутствием собственных технологических разработок.

В долгосрочной стратегии развития зернового комплекса Российской

Федерации на 2016...2025 годы и на перспективу до 2030 года особое внимание обращено на глубокую переработку зерновых культур в симбиозе с химической, микробиологической и фармацевтической отраслями промышленности. Как было отмечено, глубокая переработка зерна является наименее развитым в России сегментом внутреннего потребления зерна и зернобобовых культур. При этом, учитывая необходимость импортозамещения, глубокая переработка зерна имеет значительный потенциал роста, что будет являться стимулом для дальнейшего развития передовых отечественных биотехнологий.

Российская Федерация, занимающая лидирующие позиции в выращивании зерновых культур, при реализации способов глубокой зернообработки приведет к усилению ее продовольственной независимости, и решит множество технологических проблем по производству необходимых стране высокотехнологичных продуктов [96].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фоменко Екатерина Валерьевна, 2019 год

и и

и и У Я я

и ¡§3 •шЩ —' шк и и 1, М

О.С 01 О.С 02 О.С 03 О.С 04 О.С 05 О.С 06 О.С 07 О.С 08

Рисунок 3.2.4 Распределение ю(х) в штранге диаметром 8мм

Полученная модель распределения ю(х) по глубине штранга (3.2.4) даст возможность учесть эффективность выбранного ИК-генератора для подсушки клейковинного штранга.

3.3. Определение теплофизических свойств объекта исследования при обычных температурах и ниже нуля.

Теплофизические характеристики (ТФХ) сырой клейковины меняются в процессе обработки и зависят от Т, химического состава и характеристик сырья. Ввиду многообразия видов зернового сырья, а также зависимости их характеристик от места возделывания, применения удобрений и т.д. тепло-физические характеристики по сырой клейковине могут значительно различаться, но информация по ним не была найдена, поэтому задача определения

ТФХ клейковины является актуальной.

Близкими к объекту исследования, согласно классификации, приведенной в работе [113] являются материалы третьей группы, т.е. вязкоупругие или максвелловские жидкости, к которым можно отнести, к примеру, пшеничное тесто. Приведенные в литературе данные по ТФХ пшеничного теста имеют значительную дисперсию и не обобщены, а также представлены не в виде уравнений, а в табличном виде [18, 34].

При Т выше нуля градусов Цельсия теплофизические параметры слабо изменяются в интервале течения процессов и их можно принять постоянными [2, 18, 71] с учетом зависимости от влажности и содержания жиров в материале. Трансформация влаги в лед при заморозке биоматериалов ведет к существенному изменению их теплофизических параметров, ввиду их кардинального отличия у воды и льда.

Для расчета коэффициента температуропроводности а, м/с обоснованным и точным признан акалориметрический метод регулярного режима [2, 56, 57]. Разница между методиками стационарного и регулярного режимов заключается в том, что, что нестационарный теплоперенос организуется при росте и понижении Т в объекте изучения.

В аспекте практического применения для стабильности процесса интересна стадия регулярного упорядоченного режима, на которой изменение Т в произвольной точке в объеме образца происходит по определенной закономерности и характеризуется постоянством скорости переноса в регулярном режиме т:

V = А-и- е~тх, (3.3.1)

где V = Ь — Ьс -температура избыточная; А - константа, обусловленная начальными условиями; и - координатная функция; т - темп регулярного режима; т - начальное время охлаждения. Продифференцировав уравнение (3.3.1) по т, получим:

дУ

— = — т-А ■и-е~тг. (3.3.2)

Из (3.3.1) и (3.3.2) вытекает: ^ = — т • V, или

1 дУ д(1п7)

ш = —Га7;ш = —^^ (3.3.3)

Значение т во всех пространственных точках в объеме образца одинаков и не определяется исходным состоянием системы, т.к. в (3.3.3) не включена константа А, и функция и, величина которой определяется пространственным положением точки.

Из (3.3.3) следует, что в случае представления опытных результатов в координатах 1п V — т то т графически определяется как тангенс угла наклона к оси абсцисс прямой:

1п V, — 1п

т =---1 = Ьдр. (3.3.4)

Чем больше скорость охлаждения, тем больше т. По 1-ой теореме Г.М. Кондратьева при коэффициенте теплоотдачи а стремящемся кот и постоянной а пропорционален т:

а = к • т, (3.3.5)

где k - коэффициент формы. К примеру, для цилиндра:

1

к =-^-, (3.3.6)

/2.405\2 + (п\2

V Я ) + Ы

где к - высота; а R - радиус цилиндра.

Из вышеизложенного следует что, если для образца правильной геометрической формы и заданных размеров экспериментально определить величину т, то по уравнению (3.3.5) можно рассчитать а.

Результаты опытов, проведенных на лабораторном стенде [57] приведены в приложении 9 и на рисунке 3.3.1, где показана зависимость коэффициента температуропроводности а клейковины от средней температуры tср, °С.

а*1 о-7, м2/с

.............................

.....................................а_

15-

1 -4 »

г экспе КО)ф( римен1 фициен пальны та те. е значе чперат ни Я уропро* зодносп пи п <

°С

-3 .5 3 -2 .5 2 -1 .5 1 -с .5 0 5

Рисунок 3.3.1 Зависимость температуропроводности сырой клейковины

от температуры штранга

Из графика (рис. 3.3.1) видно, что температуропроводность пищевой нативной клейковины сильно зависит от Т при ее падении ниже криоскопи-ческого значения, т.е. при образовании в штранге вымороженной влаги. Для удобства расчёта а для объекта исследования от tср штранга, эмпирически полученная кривая разбита на две зоны и для одной из них получено аппроксимированное уравнение, а для другой численное значение а, т.к оно постоянно в этом диапазоне температур. Результаты исследований представлены в таблице 3.3.1.

Таблица 3.3.1

Зона Диапазон Уравнение

1 -3,5 < £ср < -1,5 а • 107 = -1.126СсР - 1.32ССр - 4.74/:ср - 3.189 (3.3.7)

2 -1,5 < £ср < 5 а = 1,38 • 10"7 (3.3.8)

2

Зависимость удельной теплоёмкости с от Т имеет ряд особенностей при фазовых превращениях. Для измерения с применяются калориметрические косвенные методики, в частности смешивания; адиабатного и дифференциального и микрокалориметров регулярного режима; сравнивания.

Наиболее точный метод калориметра адиабатического [30] неприменим для пищевых материалов [78]. В основу приемлемого для пищевых продук-

тов метода положен расчет постоянной калориметра - К, точно определяющей потери подводимого тепла по высокочувствительной измерительной схеме, позволяющей измерение малых (порядка 2 К) изменений Т. Данный метод оперативен и в течение нескольких минут дает возможность получить результат. Опытная установка для осуществления метода содержит тепловую и измерительную составляющие. Тепловая - является теплоизолированной емкостью (термосом), для размещения образцов, а двухсекционная измерительная - включает секции электрического питания, замера напряжения и силы тока, термо ЭДС и ее регистрации термопарой дифференциальной в нагревателе.

Удельную массовую теплоёмкость с (Дж/(кг-К)) получали по выражению:

С = , (3.3.9)

М • М

где Qпол - полезная теплота, подведения к образцу, (Дж); М - масса образца, (кг); Дt -температурное изменение в образце, (К).

Количество тепловой энергии, поведенной к образцу определяется посредством электронагревателя, рассчитывается по закону Джоуля-Ленца:

Q = U•I•Дт, (3.3.10)

где и - подаваемое на нагревательное устройство напряжение, (В); I - сила тока, (А); Дт - отрезок времени пропускания тока через нагревательное устройство, (с). При измерении очень важна минимизация теплопотерь.

Для минимизации тепловых потерь в неадиабатических условиях, экспериментальная установка обеспечена термостатом для обеспечения и поддержания заданной Т в термосе для определения зависимости с от Т в ее рабочем диапазоне посредством чувствительного измерителя. Схема установки представлена на рисунке 3.3.2.

с сырой клейковины при Т от 0,01 до 5°С можно принять неизменной, поэтому можно провести опыты для исследуемого полуфабриката описанным методом [72, 78]. Для Т от -4°С до криоскопической Т с определялась по

правилу аддитивно, т.к. в этом диапазоне в образце происходит образование замороженной воды ш, от доли которой зависит с, а в период от криоскопи-ческой Т до 0°С с воды в полуфабрикате имеет значение 2050 Дж/(кгК).

Рисунок. 3.3.2. Схема установки для определения зависимости с от Т 1 - объект исследования; 2 - нагревательное устройство; 3 - емкость для образцов; 4, 5 - термопара дифференциальная; 6 - термосная оболочка; 7 - электрическое коммутирующее устройство; 8 - источник тока; 9 - переключатель; 10, 11, 12, 14, 15 - измерительные приборы; 13 - потенциометр; 16 -термостат криоскопический.

В таблице 3.3.2 и в приложении 10 приведены опытные значения с для заданных температурных интервалов.

Таблица 3.3.2

Значение с сырой клейковины в интервале температур от 0,01 до 10°С.

Наименование сср, Дж/кг-К

Экспериментальные значения 3185 / 3188 / 3179 / 3175 / 3181

Среднее значение -3181

Для аддитивного расчета сСр при Т в интервале от нулевого значения до криоскопического, нужен учет величины теплоемкости воды при нулевом значении температуры.

При расчете теплоемкости глютена сСр при Т ниже криоскопического значения можно воспользоваться выражением 3.3.11, где содержание замо-

роженной воды ы рассчитывается по данным, приведенным в таблице 2.3.2 с учетом варьирования теплоемкости льда в температурном диапазоне от криоскопического значения Т до -4°С.

Уравнение для вычисления теплоемкости клейковинного штранга сСр при температурах ниже 0°С и до -4°С имеет вид:

Ссм = 1002050 + 100 сл +11 -100 - 1оо) Сс.°., (3-3-п)

где Ш - влажность клейковины, кг/кг; ы - количество вымерзшей влаги в ней, %; сл - теплоемкость льда в интервале температур от 0 до -5°С [83], Дж/(кг К); ссо - теплоемкость сухого остатка, Дж/(кг К).

В таблице 3.3.3 представлены значения средней удельной теплоемкости льда и сухого остатка сырой клейковины для заданного интервала температур, входящие в уравнение 3.3.11.

Таблица 3.3.3

Значения средней удельной теплоемкости льда и сухого остатка сырой клейковины.

Наименование сср, Дж/кг-К

Лед -2027

Сухой остаток сырой клейковины -1652

В таблице 3.3.4 представлены значения средней удельной теплоемкости сырой клейковины для заданного интервала температур.

Таблица 3.3.4

Значения средней удельной теплоемкости сырой клейковины _в заданном интервале температур._

С °С Сср, Дж/(кгК)

от 0,01 до 5°С -3181

0°С -1891

-1.5°С -1882

-2°С -1881

-2.5°С -1880

-3°С -1879

-3.5°С -1878

Для последующего моделирования была получена аппроксимированная кривая сглаживания сСр = /(-3.5 < Ь < -0.1) и поэтому значение средней удельной теплоемкости сырой клейковины пшеничной в интервале температур от -0,1 до -3,5°С определяется из зависимости 3.3.12, а выше -0,1°С

из таблицы 3.3.4.

сср (-3.5 < Ь < -0.1) = 120Ь2 + 809Ь + 3250 (3.3.12)

На рисунке 3.3.3 графически представлена полученная зависимость удельной теплоемкости сСр объекта исследования от tср.

............3250- С'гр>......... Дж/ (кг*К )

С. иУЛШШг Щ0- ► тпые

кривая сглаживания для / моделирования / ные

че теплоемкое ШтШШШШМ

вымороженной влаги * о< 1ср> '

-3 шШШШш^ШШШШ ^/////Л? |||§ 111111 1 5

Рисунок. 3.3.3. Зависимость теплоемкости сср объекта исследования от средней температуры С

Коэффициент теплопроводности Хср, (Вт/(м К)) для определенных тем-

Аср

пературных интервалов рассчитывается из выражения:а = ——, при извест-

^срРср

ных а, сср и рср. В таблице 3.3.5 дано расчетное значение теплопроводности Хср, (Вт/(м К)) исследуемого материала.

Таблица 3.3.5

С °С •-ср, ^ 1ср, Вт/(мК)

-3,5 8,95

-3 5,88

-2,5 3,75

-2 2,26

-1,5 1,19

-1 0,38

-0,1 0,28

0,01 0,48

5 0,48

На рисунке 3.3.4 графически представлена аппроксимированная зави-

симость теплопроводности Хср, (Вт/(м К)) для сырой клейковины из пшеницы от средней температуры 1ср (3.3.13) в интервале от -3,5 до 1°С. Если температура выше 1°С, то значение Хср практически постоянно и определяется из таблицы 3.3.5.

Лср (-3.5 < 1 < 1) = -0.14613 + 0.22212 + 0.1111 + 0.324 (3.3.13)

1 9т/(л л*К\

л еру *

\

°с

тщ 1сру

4 -3 шш! шш ШШ Ум шй 1////////У/У////// Щш^^'/ууУ// « 1 5

Рисунок. 3.3.4. График зависимости теплопроводности Хср объекта исследования от

средней температуры Хср

При технологической переработке объектов исследования изучалось изменение теплофизических характеристик (ТФХ). Результаты исследований согласуются с имеющимися сведениями с продуктами, имеющими подобные физико-химические характеристики, и подтверждают, что основной причиной изменения ТФХ при замораживании является фазовое превращение воды в лед. При этом комплекс физико-химических характеристик сухого вещества при заморозке меняется несущественно, и его ТФХ можно принять постоянными.

ГЛАВА 4. Изучение гидродинамических и тепломассообменных кинетических закономерностей процесса получения гранулированной клейковины.

Работа не с самим объектом (явлением, процессом) исследования, например перемещение сырой клейковины внутри каналов фильеры, а с его моделью позволяет сравнительно быстро т полно без особых затрат изучить его характеристики и механизм поведения в различных технологических условиях

Определение закономерностей механизма внутреннего тепло- и массо-переноса, базирующееся на кинетике процесса, очевидно необходимо для физико-математического моделирования тепломассообменных процессов гранулирования клейковины пшеничной, в частности, анализа механизма влагоудаления в процессе его подсушки при радиационном энергоподводе.

4.1. Численный расчет эволюции полей скоростей при движении охлаждаемых упруго-вязких материалов (клейковины) через фильеры.

Сырая клейковина пшеничная согласно классификации [51] относится к третьей группе вязкоупругих или максвелловских жидких сред, течение которых происходит под влиянием напряжения, после снятия которого они частично восстанавливают свою форму, как упругие тела. К таким веществам относят некоторые смолы и материалы тестообразной консистенции, в частности, и объект исследования. Учитывая структурно-механические и реологические свойства неньютоновских вязкоупругих жидкостей при перемещении внутри каналов с круглым сечением (большая вязкость, малые диаметр штранга и скорость его продвижения, для клейковины по предлагаемой технологии Ие « 0.82 < 2320) можно однозначно утверждать, что их движение происходит в ламинарном режиме.

При движении реальной (вязкой) жидкости в ее потоке кроме напорных и гравитационных сил появляются силы сопротивления, действие которых проявляется в возникновении внутри потока касательных напряжений. В та-

ком случае для определения эволюции профиля скоростей по сечению потока, который можно принять одномерно плоским (рис. 4.1.1), целесообразно тем или иным способом решить систему дифференциальных уравнений На-вье-Стокса. При этом проекция скорости м зависит только от расстояния до плоскости отсчета перпендикулярной направлению оси передвижения.

Тогда уравнение движения штранга в цилиндре фильеры можно представить в виде:

dw

-pg

дР д2ш — + М'

(4.1.1)

Рисунок 4.1.1. Схема профиля скоростей по сечению потока сырой клейковины в канале фильеры

дг г~ дг2 ' где т - время движения, с; г - координата по оси, перпендикулярной направлению оси передвижения, м; g - ускорение свободного па/ 2 / 3 дР

дения, м/с ; р - плотность, кг/м ; — - гради-

ент давления, Па/м; ^ - коэффициент динамической вязкости Пас.

При движении сжимаемой, как в нашем случае, жидкости в ней дополнительно возникают силы сжатия и растяжения, вызванные трением. В таком варианте уравнение движения принимает вид:

dw дР

_ (д2ы 1д0'

а©

(4.1.2)

где частная производная — выражает изменение скорости по оси г, связанное с действием сил тяжести и растяжения, при этом 0 = —, pg - отражает

дР

влияние сил тяжести, — - влияние изменения статического давления, а

дг

(д2ы 1 а©\

^ з ~дг) - сил трения, растяжения и сжатия, причем каждое слагаемое

выражения имеет размерность соответствующего усилия, отнесенного к объема жидкой среды.

Проведя математические преобразования получим:

^ дР у.(д2ы 1а©

+ -

+

dт рдг р\дг2 3 дг

При моделировании допускаем, что влиянием сил тяжести и изменением статического давления, ввиду малых диаметра и длины штранга (от 3-х до 8мм), можно с достаточной для инженерных расчетов точностью, пренебречь, тогда:

Для решения данного уравнения при определении граничных условий полагают [51], что из-за сил трения между слоями они будут перемещаться с различными скоростями, причем центральный цилиндрический слой движется с максимальной скоростью. По мере удаления от него к периферии цилиндра скорость элементарных кольцевых слоев будет снижаться, а непосредственно у стенки фильеры жидкость как бы прилипает к ней и скорость на границе обращается в нуль.

Однако в реальности граничная скорость мгр не равна нулю, вследствие проскальзывания жидкости вдоль стенки. Скорость проскальзывания мпр определялась путем оценки разности модельной скорости при нулевых граничных условиях и определенной экспериментальным путем скорости на выходе из фильеры.

Определение мпр сырой клейковины в канале фильеры осуществлялось на оригинальной опытной установке (рис. 4.1.2) при возможности создания переменной разности давлений, равняющейся напору для формовки в промышленных аппаратах. Расчет скорости проскальзывания мпр в фильере проводился при следующих условиях: температура образца 0°С; давление до фильеры - 2кГс/см2 , а после - атмосферное.

dw цд2ш д2w

(4.1.4)

2

где V - коэффициент кинематической вязкости м/с.

фильеры в процессе формования: 1. - формируемый штранг; 2 - емкость для сбора продукта; 3 - весы; 4 - шиберная заслонка; 5 - рабочая емкость; 6 - секундомер; 7 - исследуемый продукт; 8 - крепежное соединение; 9 - термопара; 10 - компрессор

На основе анализа результатов эксперимента (табл. 4.1.1, приложение 11) была определена средняя мпр клейковины на выходе из канала фильеры.

Таблица 4.1.1

Среднее значение wпр на выходе из канала фильеры.

Наименование ^пр • 103, м/с

Экспериментальные значения 1,1 / 1,4 / 1,2 / 1,3 / 1,5

Среднее значение -1,3

На основе анализа результатов моделирования выяснено, что снижение скорости, как на границе, так и по диаметру фильеры происходит по экспоненциальному закону при ее стремлении к нулю, тогда:

и^гр = 0,002 - 10"4е200(тт-Тн) (4.1.5)

где тт и тн - текущее и начальное время движения соответственно, с.

Вследствие снижения при движении по шнековому питателю температуры клейковины от 293 до 272К (криоскопическая температура для клейковины равна 271,8К), предусмотренного предлагаемой технологией, происходит повышение ее вязкости, зависящей от температуры. Экспериментально определено, что в этом температурном интервале динамическая вязкость изменяется по зависимости 3.1.3. Зная среднюю скорость движения клейковины и высоту питателя можно рассчитать время ее перемещения т, а также зависимость от него вязкости продукта. В нашем случае на входе в фильеру ^кл « 5Па с.

Потери напора на трение для стационарных неньютоновских жидкостей можно рассчитывать по уравнению того же вида, что и для ньютоновских жидкостей [51]. В таком варианте потеря давления в трубопроводе (с учетом того, что АР = где - потеря напора):

лрп=(4+Е^с.)~Ь (4.1.6)

где второе слагаемое в скобке равно нулю, так местные сопротивления %м с в нашем случае при ламинарном движении практически отсутствуют, тогда:

Арп = Ы— (4-1-7)

Коэффициент трения при ламинарном перемещении потока можно рас- 64

считывать по уравнению А = — в случае расчета потери напора на трение у

нестационарных неньютоновских жидкостей, если они уже подвергались

сдвигу, и их течение стало установившимся [51].

Используя для упрощенных расчетов значения средних величин вязко-

ржа

сти и скорости передвижения и принимая во внимание, что Не = получим выражение для расчета потери напора в виде:

АРп = СР . (4.1.8)

Согласно проведенным расчетам снижение давления в фильере не превышает 0,5атм. при наихудших в этом аспекте гидродинамических условиях, поэтому разницы между давлением перед фильерой (1атм. даже без подпрес-совки в экструдере) и в вакуумной камере достаточно для организации процесса прохождения клейковины через канал фильеры. К примеру, если длина фильеры, как в нашем случае, I = 3мм, потеря давления составляет примерно 1000Па, что несущественно, но подпрессовка в шнековом питателе необходима при забивании фильеры, например, в случае попадания в исходный материал посторонних включений или отклонения значений характеристик клейковины при изменении технологии ее получения.

Для достижения поставленной цели, а именно расчета эволюции полей

скоростей в процессе движения вязкоупругих материалов (клейковины) по каналу фильеры, разработанная математическая модель 4.1.4 по описанному выше алгоритму была решена численным методом конечных разностей [5].

Такой подход к решению задачи выбора рациональных гидродинамических режимов применен ввиду сложности экспериментального определения полей скоростей и трудности аналитического решения системы гидродинамических дифференциальных уравнений Навье-Стокса, при переменных коэффициентах пропорциональности.

Модель расчета полей скоростей при движении клейковины по фильерам гранулятора, представленную параболическим уравнением в частных производных решали по неявной схеме методом конечных разностей в среде программного продукта Mathcad Professional (приложение 12) при рациональных режимных параметрах (начальная скорость потока сырой клейковины при входе в канал фильеры wH34 = 0,5м/с, начальная температура сырой клейковины Гнач = 272K и как следствие, коэффициент динамической вязкости « 5Па с). Ниже (рис. 4.1.3) представлен алгоритм программы расчета эволюции полей скоростей, в процессе движения вязкоупругих материалов (клейковины) по каналу фильеры.

Графическая аппроксимация скоростных полей при рациональных режимах показывает, что распределение w по глубине штранга имеет экстремальный характер. Также отмечены значительные скоростные градиенты в начале движения при их сглаживании в процессе перемещения клейковины по фильере, что подтверждает обоснованность сделанных выводов и допущений.

НАЧАЛО

Ввод исходных данных:

1. Толшнна слоя гранулы, и;

2. Продолжительность пронесся формования, с;

3. Длина канала фильеры, мм;

4. Начальная скорость продукта, м/с;

5. Начальная скорость проскальзывания на границе, м/с;

6. Температура клейковины, °С;

7. Шотность продукта, кг/м'\

Предварительный расчет:

1. Коэффициента динамической вязкости, Па с;

2. Экспоненциальный закон убывания скорости на границе канала скорости проскальзывання. = ех.

Решение методом конечных разностей уравнения Навье-Стокса

(1т ' р д%2 ' дг2 Ввод числа узлов сетки по времени н толщине слоя

ПОСТРОЕНИЕ ПОЛЕЙ СКОРОС ТЕЙ ПРИ ЗАДАНЫХ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРАХ И ФОРМИРОВАНИЕ ТАБУЛИРОВАННЫХ ДАННЫХ ПО СКОРОСТИ В УЗЛАХ С ЕТКИ ПО ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ И ТОЛЩИНЕ СЛОЯ

Расчет потери напора при движении клейковины через фильеры:

1. Средняя скорость передвижения клейковины по каналу фильеры, м/с;

2. Потеря давления в канале фильеры, Па;

3. Критерий Рейнольдса,

КОНЕЦ

Рисунок 4.1.3 Блок-схема программы расчета эволюции полей скоростей, в процессе движения вязкоупругих материалов (клейковины) по каналу фильеры.

На рисунке 4.1.4 графически представлена эволюция полей скоростей в процессе движения вязкоупругих материалов (клейковины) по каналу фильеры, изменяющаяся во времени, полученная посредством разработанной математической модели, для формовочного диска шнекового питателя, являю-

щимся составным узлом камеры гранулятора с диаметром 8мм и высотой 3мм.

0 0,0022 0,0066 л 0,0044 0,0088 1

т, с

Рисунок 4.1.4 Эволюция полей скоростей в процессе движения вязкоупругих материалов (клейковины) по каналу фильеры

В таблице 4.1.2 представлены значения скоростей по толщине штранга, изменяющихся в зависимости от продолжительности процесса формования и рассчитанные средние значения скоростей сырой клейковины wCp, м/с (средняя объемная скорость).

Таблица 4.1.2

Полученные при реализации модели (рис. 4.1.3) значения скоростей по толщине продукта w, м/с и рассчитанная средняя объемная скорость прохождения клейковины wcp, м/с

Продолжительность процесса формования , с

0 1,22 2,44 3,66 4,88 6,10 7,32 8,54 9,76 11

Толщина штранга, мм 0 0,002 0,0019 0,0018 0,0018 0,0017 0,0017 0,0016 0,0015 0,0014 0,0013

0,8 0,5 0,0026 0,159 0,021 0,068 0,012 0,031 0,0059 0,015 0,003

1,6 0,5 0,25 0,151 0,136 0,063 0,066 0,028 0,032 0,012 0,015

2,4 0,5 0,37 0,219 0,168 0,105 0,074 0,051 0,033 0,025 0,015

3,2 0,5 0,424 0,276 0,184 0,13 0,085 0,06 0,039 0,028 0,019

4 0,5 0,44 0,297 0,191 0,137 0,089 0,062 0,042 0,029 0,02

4,8 0,5 0,424 0,276 0,184 0,13 0,085 0,06 0,039 0,028 0,019

5,6 0,5 0,37 0,219 0,168 0,105 0,074 0,051 0,033 0,025 0,015

6,4 0,5 0,25 0,151 0,136 0,063 0,066 0,028 0,032 0,012 0,015

7,2 0,5 0,0026 0,159 0,021 0,068 0,012 0,031 0,0059 0,015 0,003

8 0,002 0,0019 0,0018 0,0018 0,0017 0,0017 0,0016 0,0015 0,0014 0,0013

Wcp, м/с 0,5 0,23 0,174 0,11 0,079 0,051 0,037 0,024 0,017 0,011

Для удобства анализа полученной поверхности скоростей (рис. 4.1.4 и табл. 4.1.2) на рисунке 4.1.5 представлена графическая зависимость средней

объемной скорости мср, м/с от продолжительности процесса формования т, с в канале фильеры шнекового питателя.

Т "'ер, А < 1 м/с

о л д

А -1

.....П..ДЖ

О 1

.....Л ...4.«

..........А 7

ПК

А 1

О /Л ?

п п4; 2 : > г 1 < 1 0 1 Ч(Г\ 1 с

1пр

Рисунок 4.1.5 Графическая зависимость средней объемной скорости жср, м/с от продолжительности процесса движения сырой клейковины по каналу фильеры

Как следует из анализа графиков (рис. 4.1.4-5), среднеобъемная скорость сырого глютена в начальный период быстро снижается до половины своего первоначального значения, вследствие имеющего местного сопротивления, связанного с резким переходом толщин клейковинного слоя, соответствующими диаметрами питателя и канала фильеры, а затем плавно понижается, что обусловлено его ламинарным движением в канале.

Следует отметить, что рассчитанное среднеобъемное распределение скорости по толщине клейковинного штранга соответствует пороговой его величине на выходе из смесительного устройства, равного 0,011м/с [98. 99].

Разработанные скоростные режимы прохождения сырой клейковины в канале формования штранга могут быть рекомендованы для внедрения в производственную практику.

4.2. Кинетические закономерности процессов самопроизвольного вакуумного замораживания, подсушки клейковинных штрангов и их гранулирования.

Кинетика исследуемых процессов устанавливает влияние параметрических факторов на изменение влагосодержания продукта в течение времени процесса, в зависимости от его структурно-механических характеристик, формы и размеров, гидродинамическими условиями его протекания и другими факторами. Данные зависимости и значения режимных параметров необходимы для решения математической модели процесса вакуумной заморозки и подсушки клейковинного штранга.

4.2.1 Кинетические закономерности процесса самопроизвольного вакуумного замораживания.

Основной целью исследования кинетики замораживания сформованного материала является определение его продолжительности при обеспечении необходимого температурного режима. Согласно оригинальной технологии гранулирования сырой клейковины, реализуемой в предлагаемой конструкции аппарата, снижение влажности в объекте исследования происходит путем самопроизвольного замораживания сформованного штранга в вакууме.

Ввиду малого диаметра штранга и высокой скорости процесса формования объекта исследования экспериментальное измерение влажности вызывает значительное затруднение, поэтому кинетическую закономерность вакуумной заморозки, целесообразно изучать на основе существующих физических объяснений механизма процесса термовакуумного испарения жидкостей [43, 44, 74].

Испарение с поверхности жидкой фазы достаточно часто используется в технике, и для объяснения механизма этого процесса было предложено несколько моделей. К примеру, в одной из них [74] жидкая фракция представлена системой осцилляторов, а ее молекулы взаимосвязаны с поверхностью сухого скелета вещества с энергией, затрачиваемой на удаления влаги. Паро-

образование происходит при условиях, когда энергия молекулярных колебаний на поверхности сравнивается или становится больше энергию фазового перехода. Кроме того, допускают, что поверхностные молекулы имеют одинаковые энергию связи и вероятность испарения. Вследствие интерференции колебаний осцилляторов становится возможным испарение отдельных молекул.

В усовершенствованной статистической модели [74] изменение энергии поверхностных молекул описывается по максвелловскому закону, а ее распределение в пространстве обусловлено молекулярным смещением и изменением потенциальной энергии до равновесного значения. Удаление молекулы от поверхности материала происходит в момент ее смещения на расстояние до точки, где что потенциальная энергия достигает значения теплоты испарения.

Так как молекулы имеют разные степени свободы в жидких и газообразных системах, то при испарении при поступательном движении меняется внутренняя энергия молекул. Статистически вероятность того, что поверхностная молекула одновременно получает кинетическую, потенциальную в термодинамически равновесном состоянии и внутреннюю энергию, мала. С большей вероятностью можно полагать, что изначально молекула приобретает кинетическую энергию, а потом к моменту парообразования получает квант внутренней энергии.

Считают [74], что из многообразия видов внутренней энергии, наиболее существенно влияет на вероятность парообразования энергия молекулярного вращения. Это обусловлено тем, что продолжительность релаксации для получения степени свободы вращения молекулы в сумме с кинетической энергией, больше при испарении, чем при других молекулярных процессах. То есть можно сделать вывод о том, что возможность испарения ограничивается потерей одной степени свободы, которая снижает число вероятных состояний молекулы в жидкой среде. Такую форму ограниченности фазового превращения называется энтропийным ограничением.

Парообразование с энтропийным ограничением свойственно жидкостям с малыми полярными молекулами, которые переходят из фазы в фазу с невозмущенных поверхностей. В составе молекулы воды - один атом кислорода и два атома водорода, которые имеют ковалентную связь, именно это является причиной, по которой молекула Н2О - полярная.

Испарение с поверхности твердой фазы, называемое сублимацией, объясняется наличием на поверхности материала моноатомных ступенек и различного числа атомов в моноповерхностном и втором слое. Так как силы взаимосвязи между соседними атомами аддитивны, то величина энергии парообразования для атомов в неравнозначных состояниях будет также неравнозначна. В первую очередь испаряются атомы с наименьшим числом связей, что создает благоприятные условия для испарения других атомов.

При испарении материалов сложного состава необходимо учитывать фракционирование вещества и возможность диссоциации. Весьма важно учитывать особенности взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя.

В идеальном случае нахождения вещества в абсолютном вакууме скорость образования пара определялась бы только скоростью удаления молекул от поверхности испарения, т.е. фактически скоростью их теплового движения. Иными словами, при низких парциальных давлениях пара скорость его образования практически не зависит от влияния обратного потока частичек, обусловленного наличием пара над поверхностью испарения. В таком случае, применяя закономерности кинетической газовой теории, можно получить выражения для расчета скорости парообразования воды в вакууме (подобно конденсации пара условиях ниже тройной точки) [47].

Учитывая вышеизложенное, а также анализ информации по этой теме наиболее приемлемым соотношением для вычисления скорости испарения вещества в вакууме является уравнение 4.2.1.1 предложенное в [74]. Полученная таким образом скорость испарения для нашего случая является постоянной в течение всего процесса самопроизвольного замораживания объекта

исследования, вследствие малого диаметра формируемого штранга и высокой скорости процесса его формования.

Щ, = 0.583 • Р

N

М

(4.2.1.1)

2

где Щу - скорость испарения, кг/(м с); М - атомный (молекулярный) вес вещества; Р - давление его насыщенного пара, Торр; Т - температура, К.

В таблице 4.2.1.1 представлены данные, необходимые для расчета Щ, и соответствующие разрабатываемой технологии вакуумной самопроизвольной заморозки клейковинного штранга, и рассчитанная скорость испарения.

Таблица 4.2.1.1

_Данные, необходимые для расчета Щ, и рассчитанная скорость ._

Наименование Данные для расчета

Атомный (молекулярный) вес вещества М 18

Давление его насыщенного пара Р, Торр 5

Температура Т, К 274

Скорость испарения Щ,, кг/(м с) -0,15

Рассчитанная таким образом скорость испарения влаги с поверхности клейковинного штранга при среднеобъемном давлении в вакуумной камере 5Торр не противоречит литературным данным [43, 44, 74], что свидетельствует об адекватности используемой формулы и возможности ее применения в инженерных расчетах.

Теперь, зная необходимые величины (табл. 4.2.1.2), можно рассчитать влажность замороженного клейковинного штранга Щ}ам перед этапом его предварительного инфракрасного подсушивания.

Таблица 4.2.1.2

_Данные, необходимые для расчета Щ1ам._

Наименование Данные для расчета

Высота штранга от выхода из фильеры до зоны сушки, Лштр 0,003м

Толщина штранга, хштр 0,008м

Скорость движения штранга, №ср 0,011м/с

Начальная влажность штранга, Щ1ач 59%

Скорость испарения, , 0,15кг/(м2с)

Плотность штранга, рср (-1.5 < £°С < 5) 1088кг/м3

Плотность штранга, рср (-3.5 < £°С < -1,5) рср = 11.0б£2 + 78.89£ + 1182 кг/м3

Как было уже отмечено, подсушивание замороженного штранга до появления на ее поверхности твердой корочки, является важным этапом технологии, поэтому важно понимать с какого порога влажности Щзам следует проводить подсушку, учитывая технологические ограничения и конструкторские возможности по реализации этого процесса.

Расчет влажности замороженного клейковинного штранга Щзам производится следующим образом:

1. Рассчитываем время движения штранга, равное времени заморажи-

К

вания, используя метод последовательных приближений: тшт = штр/ы ,

ср

Тшт = 0,273с;

К

2. Рассчитываем объем клейковинного штранга: 1Шт = хштр2^ штр/4,

1Шт = 1.5 • 10"7м3;

3. Рассчитываем площадь поверхности теплообмена: 5шт = хштряКштр, 5шт = 7.5 • 10"5 м2;

4. Рассчитываем массу штранга: Мшт = 1Шт Рср при Ь = -2,5°С Мшт = 1,589 • 10"4кг;

5. Рассчитываем массу сухого штранга: М1шт = Мшт(£°)(1 — И4ач), при г = —2,5° М1шт = 6,516 • 10"5кг;

6. Рассчитываем массу удаляемой влаги: Мв = ШР5шттшт, Мв = 3,084 • 10"6кг;

7. Рассчитываем массу обезвоживаемого штранга: М2шт = Мшт(£°) — Мв, при г = —2,5° М2шт = 1,558 • 10"4кг;

М1 (£°с)

8. Рассчитываем конечную влажность штранга: Щзам = 1 — М2шт^С),

при г = —2,5° И/зам = 58%.

Таким образом, можно рассчитать влажность замороженного клейковинного штранга до температуры Ь = —3,5°, ограниченной температурным интервалом нахождения плотности материала, перед этапом его предварительного инфракрасного подсушивания. Расчеты показывают, что при

Ь = -2,5°, И4ам составляет 58%, что всего на 1% меньше влажности сырой клейковины. Такой относительно небольшой процент снижения влажности связан с высокой скоростью заморозки объекта исследования в условиях резкого снижения давления от атмосферного до 0,007атм.

4.2.2 Кинетические закономерности процесса подсушки объекта исследования.

Все известные методы описания кинетических закономерностей процесса удаления влаги [5, 11, 80, 81, 94] формируются на базе дифференциальных уравнений переноса тепловой энергии и вещества, решение которых можно упростить, используя частично эмпирические данные. В полуэкспериментальных методах проводят аппроксимацию изменения содержания влаги по глубине материала или кинетическую кривую обезвоживания.

Так как в штранге малого диаметра (тонкий слой) оценить изменение содержания влаги по глубине эмпирически очень сложно, для описания кинетических закономерностей влагоудаления можно аппроксимировать кривые обезвоживания, т.е. зависимость средней по толщине образца влажности от времени течения процесса.

Экспериментальные данные для построения кривой сушки для объекта исследования, находящегося в подвешенном состоянии, используя проволочный крепеж из нержавеющей стали, при пониженном давлении при равномерном ИК облучении всей поверхности материала, получены с помощью экспериментальной инфракрасной вакуум-сушильной установки, которая подробно описана во 2 главе и представлена на рис. 2.2.1-2.

При проведении лабораторных экспериментов в качестве объекта исследования был использован замороженный в цилиндрической форме из силикона до температуры Ь = -3° клейковинный штранг. Начальная влажность продукта И^ам была предварительно рассчитана и при Ь = -2,5°, составляет 58%, конечная влажность, равная 45%, принята при визуальной оценке образования корочки на поверхности продукта в постановочном экс-

перименте. Также в постановочном эксперименте было определено время подсушки для выявления диапазона влажностей, который был разбит на уровни, и в нем была построена кривая сушки.

Как было уже отмечено в главе 3, наиболее приемлемым для реализации подсушки исследуемого штранга в вакуумной камере является применение ламп КГТ-220-1000, при напряжении и = 220В (Хтах=1,1мкм), и по уравнению 3.2.2 вычислена плотность теплового потока, получаемая поверхностью материала, которая равна Еп = 4,48 кВт/м . На основе полученных опытных данных (приложение 13) построена кривая радиационного влаго-удаления из замороженной сырой клейковины, графическая аппроксимация которой представлена на рисунке 4.2.2.1.

Рисунок 4.2.2.1 Кинетика радиационной сушки пищевого материала при начальной температуре штранга, равной 270К

Сравнивая данные экспериментов с данными литературных источников [5, 11, 70, 64] можно сделать вывод о том, что полученные результаты не противоречат им и могут обосновано применяться при построении и решении математической модели изучаемого процесса радиационной сушки.

Анализ механизма внутреннего массопереноса в процессе влагоудале-ния клейковинного штранга базируется на математическом описании зави-

симостей скорости удаления влаги от влажности образца, то есть кривой сушки (рис. 4.2.2.1). Для удобства аппроксимации кинетической кривой процесса обезвоживания ^ = f(W) была получена обратная зависимость

т = Г(шу.

т = -8418.5^3 + 1.022 • 104^2 - 4385.24^ + 759.23, (4.2.2.1), которая представлена графически на рисунке 4.2.2.2.

Ь:_........... .........

шт |||г.............

шк

00 1(1 «1

........... подсу ||||р щ............................

шт Шк

ш|1|| V, кг/] ЕСГ

0 3 0. 15 0 4 0. (5 0 5 0. >5 0 б 0. 55

Рисунок 4.2.2.2 Обратная зависимость кривой сушки (рис. 4.2.2.1)

В результате дифференцирования 4.2.2.1, получим — = /(^) и далее выражение, описывающее кинетическую кривую подсушки замороженного клейковинного штранга: ~ = 1/(/(^)), которое представлено графически (рис. 4.2.2.3).

Как видно из графика 4.2.2.3, расчетная скорость из зависимости ^ = 1/(/(^)) отрицательна, что связано с уменьшением влажности в процессе подсушки, поэтому кривую скорости подсушки замороженного клейковинного штранга лучше получать в зависимости от концентрации сухих веществ С, которая при уменьшении влажности растет, т.е.:

<М (1(1 - С)

йт

йт

86 а1С

ас

ас

Таким образом, получаем зависимость — =

ас 1

/(1 - С)

1

"/(1-е)'

<Хт 25255(1 - С)2 - 20440(1 - С) + 4385.24'

(4.2.2.2)

Рисунок 4.2.2.3 Кривая скорости сушки ^ = 1/(/(Ж))

На графике 4.2.2.4 представлена интегральная кривая скорости под-

_ ас 1 сушки до образования корочки — = —--- которая не постоянна, т.к. в по-

ах /(1-е)

верхностном слое при интенсивном ИК облучении удаляется и свободная и связанная влага, а по слою перемещается к поверхности испарения только свободная влага. Следует отметить, что диапазон средней по слою влажности находится за гигроскопической областью и соответствует удалению только свободной влаги, поэтому и ввиду небольшого количества удаленной влаги в поверхностном слое энергией на преодоление связи можно пренебречь.

(Ю(И ■