CC BY
45
УДК 636.085.54
М.С. Напольских ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЭКСТРУДИРОВАННЫХ ЗЕРНОБОБОВЫХ СЭНДВИЧЕЙ
Посредством эксергетического анализа проведена оценка термодинамической эффективности технологических линий, предусматривающих получение экструдированного продукта, состоящего из мясорастительных компонентов, с учетом степени использования различных видов энергии, затрачиваемых в технологических процессах, исходя из свойств сырья, осуществленной над системой работы и суммарного количества всех видов энергии, привлеченных извне.
Эксергетический анализ, линия, мясорастительное сырье, экструзия
M.S. Napolskikh ENERGY ANALYSIS IN THE PRODUCTION OF EXTRUDED LEGUMINOUS SANDWICHES
Using the exergy analysis, evaluation has been made of the thermodynamic efficiency of the line technology which provides extruded products including meat and vegetable ingredients to the extent that the different types of energy used for the production processes based on the properties of the raw materials, carried out for the system and the total amount of all types of energy, borrowed from outside.
Energy analysis, line, cereal raw materials, extrusion
Достижения теории, техники и технологии экструзии подготовили условия для научного подхода к инновационному развитию технологических процессов, обеспечивающих наименьшие затраты энергетических ресурсов при высоком качестве получаемых продуктов, в частности экструдированных зернобобовых сэндвичей с повышенным содержанием белка - новым продуктом на российском рынке. Важнейшим инструментом оценки термодинамической эффективности технологической системы является эксергетический анализ, который учитывает степень использования различных видов энергии, затрачиваемых в технологических процессах исходя из свойств сырья, осуществленной над системой работы и суммарного количества всех видов энергии, привлеченных извне.
В экструзионной технологии вспомогательные тепловые процессы играют важную роль в энергетических и механических превращениях и определяют термодинамическое равновесие. Эксер-гетический анализ предлагаемой технологии выполнен по методике [1], в соответствии с которой теплотехнологическая система производства зернобобовых сэндвичей (рис. 1) была условно отделена от окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью. Внутри системы с учетом протекающих теплообменных процессов выделено несколько контрольных поверхностей (табл. 1).
Рис. 1. Технологическая схема производства зернобобовых сэндвичей:
1 - валковые дробилки; 2- вибросито; 3- устройства для ГТО сырья; 4 - форсунки; 5- экструдеры; 6 - ленточный транспортер с валками; 7 - камера формирования готовой продукции;
— — — - границы контрольных поверхностей
Таблица 1
Разделение рассматриваемой теплотехнологической системы на контрольные поверхности
№ Наименование технологических операций
I Измельчение + просеивание (1 поток)
II Измельчение + просеивание (2 поток)
III Термовлажностная обработка (1 поток)
IV Термовлажностная обработка (2 поток)
V Экструдирование (1 поток)
VI Экструдирование (2 поток)
VII Подпрессовывание
VIII Окончательная обработка
Схема обмена предлагаемой системы производства зернобобовых сэндвичей материальными, тепловыми и энергетическими потоками с окружающей средой, а также между контрольными поверхностями представлена на рис. 2.
Эксергия в каждой контрольной поверхности изучаемой технологической системы, состоящей из классических необратимых процессов, уменьшается с течением времени, что связано с диссипацией энергии [1, 2]:
Те, = Те, +1,0, №
где ТЕ3 - суммарная эксергия вводимых в систему материальных и энергетических потоков; Т Еэ -
ммарная эксергия выводимых из системы полезных материальных и энергетических потоков; Т О = Т0 - суммарные эксергетические потери (уравнение Гюи-Стодолы).
Рис. 2. Обмен потоками между контрольными поверхностями теплотехнологической
системы: потоки:--------► - продукта; - пара; -——-—- электроэнергия; «=» «■=» ~ -
границы контрольных поверхностей
Соотношение (1) для рассматриваемой теплотехнологической системы производства сэндвичей [3] рассматривалось в следующем виде:
Е” + ЕН + Е" + Е" + Е" + Е" + Т Е, = ЕК + Т О + Т О, (2)
где слагаемые этих уравнений - эксергия (кДж): исходного зернобобового сырья (Е1" - люпин, Е" - чечевица); насыщенного параЕ3н ; воды для увлажнения сырья Е" ; сублимированного мяса Е" ; вкусовых добавок Е" ; готовых сэндвичей Е1 ; сумма потерь эксергии в результате необратимости процессов, происходящих внутри контрольной поверхности Т о ; сумма потерь эксергии во внешнюю среду Т0е.
Уравнение (2) отражает изменение эксергии теплотехнологической системы производства экструдированных сэндвичей за счет ввода исходного сырья, насыщенного пара, воды, необратимых изменений структурно-механических свойств продукта, сопряженных с затратами электроэнергии на
приводы рабочих измельчителя и вибросита, нагрева в результате преобразования механической энергии рабочих органов экструдера в тепловую; покрытия потерь, возникающих вследствие необратимости процессов тепловой обработки сырья и продуктов; изменения их теплофизических свойств; компенсации потерь, обусловленных действием окружающей среды.
Эксергия вводимых в систему внешних материальных потоков Е^ - Е3" , Е" , находящихся в
термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключается из баланса.
В процессе нагрева сырья в технологическом оборудовании его химическая эксергия постоянна, так как его состав в процессе переработки не претерпевает изменений. Поэтому учитывается только его удельная термическая эксергия, определяемая на основании уравнения Гюи-Стодолы:
еэ.к = е - е0 = К - К -Т0($ - ^ (3)
где е, ео, К, К), $, $0 -удельная термическая эксергия, кДж/кг, удельная энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кг-К), продукта при текущих параметрах технологического процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой.
Удельную изобарную теплоемкость зернобобовых культур, используемых в технологии, Дж/(кг • К) определяли по эмпирической формуле [4]:
с = 0,24 (0,27 + 0,01^), (4)
где Wс - влажность сырья в пересчете на сухие вещества, %.
Удельную изобарную теплоемкость сублимированных говядины и свинины определяли по следующим эмпирическим формулам [5]:
сгов = 1,00 +1,74 •10-3Т, ссв = 0,81 +1,22 •10-3Т, (4.1),
где Т - температура сублимированного мяса, К (формулы справедливы в интервале 273.. .320 К).
Полезная эксергия продукта получает наибольшее приращение в экструдере за счет преобразо-
вания механической энергии его рабочих органов в тепловую. Существенное приращение эксергии наблюдалось в устройстве термовлажностной обработки при увлажнении с 10 до 16 %.
Теплофизические свойства веществ, образующих материальные потоки, взяты из справочной литературы [4-6].
В работе рассмотрено влияние на систему внутренних О и внешних 0е эксергетических
потерь.
В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между потоками сырья, электромеханические, возникающие при необратимом изменении структурно-механических свойств продукта (в дробилке и вибросите), и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема насыщенного водяного пара при ее поступлении во внутреннюю полость оборудования.
Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по
формуле
о то = ато т, (5)
где ато - количество теплоты, переданное от одного потока к другому, кДж; Те - среднее значение
фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.
Фактор Карно или эксергетическая температурная функция [1] равна термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и условно принятой окружающей среды:
те =(Ткп - Т0 ) / Ткп , (6)
где Ткп - температура теплоносителя (пара) внутри контрольной поверхности, К.
Эксергетические потери вследствие падения давления пара при его подаче в контрольные поверхности III, IV определяли по формуле
О = в АН г Т-, (7)
1 вх
где Твх - температура, К пара на входе в контрольную поверхность; АН - гидравлические потери, м.
По формуле Дарси-Вейсбаха [7] найдены гидравлические потери при входе пара в контрольную поверхность:
2
ЛНТ -^, (8)
г 2 g
где Увх - средняя скорость прохождения пара по сечению подводящего трубопровода, м/с; % - коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объема оборудования, рассматриваемого в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению входного отверстия.
Электромеханические потери эксергии тождественны мощности приводов оборудования и связаны с его необратимыми структурно-механическими изменениями [8].
Внешние потери Ое связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой и вычисляются по формуле
Ое = , (9)
где ои - суммарные потери тепла в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; те -фактор Карно.
Эксергетические потери готовых зернобобовых сэндвичей на выходе из камеры формирования готовых изделий при достижении ими термодинамического равновесия с окружающей средой были вычислены по следующей формуле
Т
О = ь - Ь° - Т с 1п —пр, (Ю)
Опр ьпр Ппр — 0 С 1П — 0
пр
где Ьпр, —пр - энтальпия, кДж/кг и температура, К, зернобобовых сэндвичей, С - средняя удельная
теплоемкость высушенных зернобобовых сэндвичей между их текущим состоянием в момент выгрузки и в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, кДж/(кг-К).
Оценку термодинамического совершенства предлагаемой теплотехнологической системы проводили по эксергетическому КПД, исходя из значения эксергии готовых зернобобовых сэндвичей:
Пэкс -■
УвЗ - У Б;
у У ; , (12)
Уе у
г-1 г-1
п
где еп - удельная эксергия готовых сэндвичей, кДж/кг; уе3 - суммарная затраченная удельная эксергия
г-1
т
(подведенная в систему извне), кДж/кг; У о, - суммарные эксергетические потери, кДж/кг.
,-1
Эксергия материальных и энергетических потоков, а также внутренние и внешние эксерге-тические потери, рассчитанные по формулам (5)-(10), составили эксергетический баланс рассматриваемой теплотехнологической системы (табл. 2), наглядно представленный диаграммой Грассмана-Шаргута (рис. 3). В качестве эксергетического параметра использована эксергетическая мощность. Обозначение потоков на рис. 3 представлено в табл. 3.
Полученный эксергетический КПД равен 38,7 %, что на 6,4 % выше, чем у прототипа [4]. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании предлагаемой технологии экструдирования при производстве пищевых продуктов.
Тот факт, что наибольший подвод эксергии осуществляется в контрольных поверхностях V и VI, говорит о целесообразности в дальнейших исследованиях рассматривать более детально именно эту часть теплотехнологической системы производства сэндвичей.
е”
Таблица 2
Обозначения потоков на диаграмме Грассмана-Шаргута
№ Наименование потока № Наименование потока
потока потока
1 Люпин 11 Привод экструдера-1
2 Чечевица 12 Привод экструдера-2
3 Приводы дробилок 13 Экструдат-1 (люпин)
4 Приводы вибросит 14 Экструдат-2 (чечевица)
5 Продукт измельчения 15 Привод ленты
6 Насыщенный пар 16 Сублимированное мясо
7 Вода 17 Привод ножа
8 Привод ленты 18 Вкусовые добавки
9 Продукт увлажнения 19 Слоеные сэндвичи
10 Привод шнека 20 Готовая продукция
Рис. 3. Диаграмма Г рассмана-Шаргута для теплотехнологической системы производства экструдированных сэндвичей: I - VIII - номера контрольных поверхностей;
1-20 - обозначения материальных и энергетических потоков
Эксергетический баланс предлагаемой технологии производства экструдированных сэндвичей
Контрольная поверхность Подвод эксергии Отвод и потери эксергии
Наименование Е, 103 кДж/ч % от суммарной эксергии Наименование Обозначение кДж/ч % от суммарной эксергии
і Привод дробилки Привод вибросита 28,8 7,2 2,3 0,6 Внутренние потери О 37,5 3,0
її Привод дробилки Привод вибросита 28,8 7,2 2,3 0,6 Внутренние потери Ом 37,5 3,0
ііі Теплая вода Привод ленты Насыщенный пар т-СО1-, о К 0 0,6 1,5 Внешние потери 0е т 6,0 0,5
IV Теплая вода Привод ленты Насыщенный пар т-СО1-, о К 0 0,6 1,5 Внешние потери ОIV 6,0 0,5
V Привод дозирующего шнека Привод экструдера-1 18 790 1,4 63,3 Внутренние потери Внешние потери ОV О V 137,9 59,3 11,1 4,8
VI Привод дозирующего шнека Привод экструдера-2 18 290 1,4 23,3 Внутренние потери Внешние потери О VI О VI 168,4 29,0 13,5 2,3
VII Привод ленты 3,6 0,3 Внутренние потери Внешние потери О 'VII 0е VII 108,9 42,3 8,7 3,4
VIII Привод ножа 3,6 0,3 Внутренние потери Внешние потери Готовая продукция О1VIII 0%т П гп ЕШ 75,0 55.7 482.7 6,0 4,5 38,7
И Т О Г О: 1246,2 100 И Т О Г О: 1246,2 100
Эксергетический КПД Пэкс = ЕVI / X = = 38,7 %
ЛИТЕРАТУРА
1. Бродянский В.М. Эксергетический анализ и его приложения / В.М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.
2. Сажин Б.С. Эксергетический метод в химической технологии // Б.С. Сажин, А.П. Буле-ков. М.: Химия, 1992. 208 с.
3. Гинзбург А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов / А.С. Гинзбург, М. А. Громов, Г.И. Красовская. М.: Пищевая промышленность, 1980. 290 с.
4. Богословский С.В. Физические свойства газов и жидкостей / С.В. Богословский. СПб.: СПбГУАП, 2001. 73 с.
5. Калашников Г.В. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов / Г.В. Калашников, А.Н. Остриков. Воронеж: Изд. Воронежского университета, 2001. 356 с.
6. Василенко В.Н. Термодинамическая оценка технологической линии по переработке масличного и зернобобового сырья / В.Н. Василенко, Е.А. Татаренков, М.В. Копылов // Вестник ВГТА. 2011. № 1. С. 17-23.
7. Василенко В.Н. Эксергетический анализ технологических линий по производству функциональных продуктов / В.Н. Василенко, Е.А. Татаренков, Л.Н. Фролова, А.В. Пономарев // Вестник ВГТА. 2010. № 1. С. 19-24.
Напольских Максим Сергеевич -
аспирант кафедры «Процессы и аппараты химических и пищевых производств» Воронежского государственного университета инженерных технологий
Maksim S. Napolskikh -
Postgraduate,
Department of Chemical and Food Production Processes and Devices,
Voronezh State University of Engineering Technology
Статья поступила в редакцию 24.07.12, принята к опубликованию 06.09.12
