CC BY
71
663.938.5
ГИДРОДИНАМИКА ПРОЦЕССА ОБЖАРКИ КОРНЕИ ЦИКОРИЯ
ПЕРЕГРЕТЫМ ПАРОМ
А.А. ШЕВЦОВ, Е.А. ОСТРИКОВА
Воронежская государственная технологическая академия,
394036, г. Воронеж, пр-т Революции, 19; факс: (4732) 55-35-54, электронная почта:power-of-inspiration@yandex.ru
Выявлены основные гидродинамические закономерности процесса обжарки корней цикория перегретым паром в псев-доожиженном слое. Установлена экспоненциальная зависимость гидравлического сопротивления слоя цикория от времени при различных температурах перегретого пара и получено критериальное уравнение, связывающее коэффициент гидравлического сопротивления и число Рейнольдса.
Ключевые слова: гидродинамические закономерности, цикорий, обжарка, перегретый пар, псевдоожиженный слой.
Цикорий - высокополисахаридное инулинсодержащее сырье. Корни цикория используются для выработки кофейных напитков, для получения инулина и фруктозы, как лечебно-профилактическое средство, обладающее антидиабетическими, радиопротекторными свойствами.
Важным этапом в технологии производства напитков из цикория является обжаривание, в ходе которого протекает целый комплекс пиролитических и физико-химических процессов.
Современные тенденции в развитии теории обжарки кофепродуктов подготовили условия для научного подхода к созданию инновационных технологий обжарки кофейного сырья перегретым паром в псевдо-ожиженном (кипящем) слое [1]. Однако недостаточное изучение гидродинамических закономерностей этого процесса не позволяет добиться равномерного распределения теплоносителя по объему слоя, что сдерживает использование новых способов и разработку на их основе эффективных обжарочных аппаратов.
Цель настоящей работы - исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя корней цикория при обжарке перегретым паром.
Показано, что обжарка цикория перегретым паром в кипящем слое позволяет значительно ускорить процесс, повысить технико-экономические показатели, обеспечить высокое качество обжаренного продукта. Однако ограничение скорости перегретого пара величиной «верхней границы существования кипящего слоя» и возможность перегрева цикория у поверхности газораспределительной решетки требует детального изучения основных гидродинамических характеристик процесса обжарки, прежде всего, таких как критическая скорость перегретого пара укр, при которой плотный слой цикория переходит в псевдоожиженное состояние; скорость витания увиг, при которой происходит унос частиц цикория; порозность слоя б; гидравлическое сопротивление слоя Дрсл.
Процесс обжарки частиц цикория в кипящем слое перегретым паром атмосферного давления изучали на экспериментальной установке при различных гидро-
динамических режимах. В качестве объекта исследований использовали цикорий сорта Ярославский с высоким содержанием экстрактивных веществ, углеводов и особенно инулина. Свежий цикорий после предварительной подготовки (удаления остатков ботвы, корешков, мойки) нарезали на кубики 6 х 6 х 6-8 х 8 х 8 мм, которые предварительно отсортировывали с целью выравнивания гранулометрического состава. Поэтому слой частиц цикория рассматривали в среднем как однородную изотропную среду, основными обобщенными характеристиками которой являлись порозность б и удельная поверхность зернистого слоя а [2, 3].
Порозность стационарного слоя цикория определяли по формуле [2, 3]:
Б = 1~(Рнас/ Рт ).
где рт - плотность частиц цикория, определяли пикнометрическим методом [2]; рнас - насыпная плотность слоя, значение было взято из
[4].
В начале обжаривания б = 0,442.
Удельную поверхность слоя а для частиц кубической формы получили из уравнений [2, 3]:
\нсп v к 1(1-б )2
Так как интервал дисперсности частиц (^ШахМ^) < 2, т. е. структура их слоя не отличалась от структуры слоя монодисперсной засыпки, то было принято к1 = 4 [2, 3]. Вводя соответствующий коэффициент экранировки кп = 0,93 [2], учитывающий исключение из активного тепло- и массообмена какой-то части поверхности частиц вследствие контакта с окружающими его кубиками, определили эффективную удельную поверхность частиц цикория
а' = а кп.
Отклонение конечной удельной поверхности а'к от начальной удельной поверхности а0 частиц цикория было существенным, что указывает на значительную усадку продукта при обжарке перегретым паром.
160 АР, Па 120
80
40
0 500 1000 1500 2000 т,с 2500
Рис. 1
Анализ изменения гидравлического сопротивления слоя цикория в процессе обжарки при температуре перегретого пара 413 К указывает на экспоненциальное уменьшение АР, которое обусловлено снижением влажности продукта (рис. 1). Экспериментальные данные подтвердили, что зависимость сохраняется и при значениях температуры 423 и 433 К.
Установлено также, что коэффициент гидравлического сопротивления слоя частиц продукта X зависит в основном от скорости перегретого пара и практически не зависит от величины удельной нагрузки слоя цикория на решетку (рис. 2).
Определяя коэффициент гидравлического сопротивления по формуле [3]
х=^б!_ ,
Нсл ^ 2
установили, что для инженерных расчетов удобна наиболее простая функция X =/(Кеэ). Обработка экспериментальных данных позволила определить эту зависимость в виде
X = А/Кеп,
где для цикория А = 1,047 и п = 3,66.
В области движения перегретого пара с преобладанием сил инерции (Кеэ < 2000) X зависит от скорости пара, удельной поверхности слоя продукта, которая является функцией влагосодержания.
2,0 1,0
0,5
Рис. 2
При движении перегретого пара сквозь слой высушиваемого цикория его температура и насыщение влагой снижаются. Это меняет вязкость пара.
Одним из факторов, ухудшающих качество цикория при обжарке перегретым паром атмосферного давления, является растрескивание. Оно происходит вследствие развития объемно-напряженного состояния выше предельно допустимого. Это напряженное состояние обусловлено недопустимой усадкой, которая возникает в результате неравномерного распределения полей влагосодержания и температуры внутри продукта [5, 6]. После обжарки частицы продукта должны сохранить свой объем и пористую структуру. В связи с этим необходимо количественно оценить величину усадки.
Если относительную усадку обозначить через 5:
8 = V -Кк)/Ув, то коэффициент объемной усадки = 5
" Он - ик)-5 ин
Установлены зависимости коэффициента объемной усадки от влагосодержания и времени (рис. 3, 4).
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 и,юУкг 1,6 0 10 20 30 х, мин 40
Рис. 3 Рис. 4
Рис. 5
Для определения vKp использовали формулу [7]
Re.
Ar
150(1-s) 1,75
температуры меняются свойства продукта. Из рис. 5, на котором приведены зависимости температуры продукта от влагосодержания при различных значениях температуры перегретого пара, видно, что за кратковременный период прогрева продукта его температура быстро повышается, достигая постоянного значения. В периоде постоянной скорости сушки вся теплота, подводимая к продукту, затрачивается на интенсивное поверхностное испарение влаги и температура материала остается постоянной. В периоде убывающей скорости сушки испарение влаги с поверхности продукта замедляется и его температура начинает повышаться.
Таким образом, установлены зависимости гидравлического сопротивления слоя цикория при обжарке перегретым паром от времени при различных значениях температуры и скорости теплоносителя и зависимость коэффициента объемной усадки от температуры пара для производства кофейных напитков с добавлением растительного сырья.
где Аг = Р--------— - критерий Архимеда, характеризует гидроди-
Рп
намику процесса (й - диаметр частиц цикория, м; V - кинематическая вязкость пара, м2/с; Рц и Рп - плотности цикория и перегретого пара соответственно, кг/м3).
Формула для описания всего диапазона существования взвешенного слоя имеет вид [7]
Re
Ar Б
18+ 0,6^Ar б 4
Считая б неизменной по величине слоя в рабочем состоянии, получим [7]:
Арсл = (Рц - Рп) g (1 - б) к.
В процессе обжарки происходит удаление влаги и угара из продукта. Для анализа процесса обжарки цикория важно знать характер изменения температуры продукта от влагосодержания, так как с изменением
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2328140 РФ, МКИ7 А 23 L 1/10. Способ управления процессом получения обжаренных зернопродуктов / А.А. Шевцов, А.Г. Ткачев, Е.А. Острикова; Воронеж. гос. технол. акад. // БИПМ. -2008. - № 19.
2. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов: (подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). - М.: Машиностроение, 1983. - 351 с.
3. Процессы и аппараты пищевыгх производств / А.Н. Ост-риков, Ю.В. Красовицкий, А.А. Шевцов и др.; Под ред. А.Н. Острикова. - СПб.: ГИОРД, 2006.
4. Справочник технолога пищеконцентратного и овощесушильного производства / В.Н. Гуляев, Н.В. Дремина, З.А. Кац; Под ред. В.Н. Гуляева. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 488 с.
5. Калашников Г.В., Остриков А.Н. Ресурсосберегающие технологии пищевыгх концентратов. - Воронеж: ВГУ, 2001. -355 с.
6. Кац З.А. Производство сушеных овощей, картофеля и фруктов. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 216 с.
7. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильныгх установок пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат, 1985. -336 с.
Поступила 16.03.2010 г.
3
HYDRODYNAMICS OF CHICORY ROOTS ROASTING PROCESS BY SUPERHEATED STEAM
A.A. SHEVTSOV, E.A. OSTRIKOVA
Voronezh State Technological Academy,
19, Revolution av., Voronezh, 394036; fax: (4732) 55-35-54, e-mail:power-of-inspiration@yandex.ru
Basic hydrodynamic regularities of chicory roots roasting process by superheated steam in fluidizated layer were disclosed. Exponential relationship between flow resistance of chicory layer and time at different temperatures of superheated steam was ascertained and criterion equation which connects flow resistance coefficient and Reynolds number was obtained.
Key words: hydrodynamic regularities, chicory, roasting, superheated steam, fluidizated layer.
