CC BY
56
комплекс для которого составлен на ЭВМ при следующих начальных условиях:
Рзп(Т д)|т=о =РЗп„ >
9(Т Я) Ъ=о =0н,
Т- 3 (Т Я)\ х = о =Т_3н
(11)
(12)
(13)
Параметр Условное обозначение Размерность Значение
Начальная температура ЗП 0Зп Зпн К 293
Температура сушильного агента:
в периоде цикла нагрева Тс.а К 353
в периоде цикла охлаж -дения Тс.а К 293
Начальная влажность ЗП % 17
Скорость сушильного агента V м/с 1,2
Объемный коэффициент теплообмена ау Вт/(м3*К) 20
Насыпная плотность ЗП Р кг/м3 350-400
Удельная теплоемкость ЗП СЗп кДж/(кг-К) 1,6-1,9
Коэффициент температу -ропроводности ЗП а ■ 10-4 м2/ч 2,61-3,35
Коэффициент теплопро -водности ЗП 1 Вт/(м-К) 0,04-0,13
Данные, необходимые для расчетов, представлены в таблице.
Таблица
\Л/ ,%
10
^3
5 \\ \ ^ /І Xу! \\ \\ \ \\
у ✓ Су
...
03ПІ К
373
353
333
313
293
273
Для рационального температурного режима с учетом данных таблицы получены кривые сушки и нагрева ЗП (рис. 3). Результаты сравнения расчетных (кривая 1) и экспериментальных (кривая 2) данных по кинетике сушки ЗП в осциллирующих режимах при их
0 20 40 60 80 т, мин
Рис. 3
начальной влажности Wн = 11,7% свидетельствуют, что максимальное отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышает 12%.
Таким образом, полученные уравнения позволяют определять температуру продукта на интервалах нагрева и охлаждения в процессе сушки зародышей пшеницы при осциллирующих режимах в допустимой области термовлажностных условий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке № 2002133774/13 (035646). Способ стабилизации зародышевых хлопьев пшеницы / А.А. Шевцов, Т.Н. Попова, Т.В. Зяблова, А.С. Шамшин, В.С. Капранчиков.
2. Гинзбург А.С., Резчиков В.А. Сушка пищевых продук -тов в кипящем слое. - М.: Пищевая пром-сть, 1966. - 200 с.
3. Любошиц И.Л., Пикус И.Ф. Исследование процесса сушки овощей в псевдоожиженном слое при осциллирующем режи -ме // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1965. - № 3. - С. 124.
Кафедра технологии хранения и переработки зерна
Поступила 14.12.04 г.
664.144
ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСПАНДИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ
С.В. СИНЯК, Р.А. ХАЙБУЛОВ
Астраханский государственный технический университет
Экспандированный структурированный комбикорм, прошедший гидротермическую обработку в экспандере, является альтернативой традиционным концентратам для сельскохозяйственных животных в виде гранул или кормовым добавкам. Экономия дорогих белковых комбикормов дает преимущество экспанди-рованному комбикорму.
Параметры обработки - влажность, температура, давление - и электромеханическое внесение энергии в экспандер, а также характеристики объекта обработки
влияют на физические качества и питательную ценность корма. Обработанный продукт свободен от патогенных бактерий, улучшаются его питательные свойства, повышается доля защищенных протеина и крахмала.
Предлагаемая технология включает, кроме экспан-дирования и других вспомогательных операций, дегазацию (вакуумирование пор и капилляров) продукта с высокоразвитой капиллярно-пористой (пористость как относительный объем пустот больше 0,5) поверхностью. Для повышения скорости усадки устанавливается дегазатор - паросорбер с целью уменьшения по-
1 2 % \ 1 1 ^т:
1
2 j/V
In л ц
1
if 1
1 - т
Рис. 1
ристости и повышения плотности предварительно диспергированных (экспандированных) продуктов, а также варьирования (уменьшения) размеров гранул и сглаживания их поверхности. Для подсушки увлажненных при паросорбции гранул разработана сушилка с кипящим слоем. Для выбора рационального способа гранулирования и сушки изучены структурно-механические характеристики (плотность, пористость), статика процесса сушки и теплофизические характеристики (ТФХ) объекта обработки.
Статика процессов сушки является одним из первых этапов при разработке и исследовании различных способов обезвоживания, базой для научно обоснованного анализа кинетики процессов влагоудаления.
Исследования термодинамических закономерностей взаимодействия экспандантов на основе риса, кукурузы, гречки проводились тензиметрическим методом [1].
На рис. 1 приведены изотермы сорбции экспанди-рованной кукурузы при различных температурах. Учитывая, что растительные продукты являются сложными биополимерными системами, к ним можно применить основные положения физической химии полимерных и белковых веществ. Изотермы экспандиро-ванной кукурузы можно отнести к типу изотерм со значительным влиянием на сорбционную активность различных полярных групп
Анализ изотерм сорбции позволил установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца
AF = AE - TAS,
На изотерме сорбции экспандированой кукурузы (рис. 1) можно выделить пять характерных участков (зон), разделенных точками перегиба [2].
Характерные участки, как и точки перегиба, особенно наглядно видны при построении зависимости = / (ир) в полулогарифмических координатах. В этом случае изотерма 1пЛш = /(ир) предстает в виде ломаной линии.
Продифференцировав (1), имеем
dAF
дУп
ЭАЕ
дУп
-T
dAS
дУп
(2)
На основании (2) получены полуэмпирические зависимости свободной (Э(АК)/дир), внутренней
(Э(АЕ)/дир), связанной Т(Э(А5)/Эир) энергии и термоградиентного коэффициента 5Р от влагосодержания (концентрации сухих веществ с) и температуры Т, позволившие сделать ряд обобщений и технологических рекомендаций для пищевых продуктов. Так, для экс-пандированной кукурузы влажность границы первой зоны и1к = 0,099; второй - П2к = 0,119; третьей -и3к = 0,14; четвертой - и4к = 0,187. Тогда при и < и 1к:
(F
dU„
= Am = RT In Лщ =R
-003930464 T2 ) ) 3549209282 T 001285262 T2 -- 705571516 T
(1)
(AS
dU„
-TR
где AS", AE - соответственно изменения энтропии и внутренней энергии по влагосодержанию Up при Р, T = const.
-0,03930464 T 2 ) 3549209282 0012825262 T■2 -- 705571516
(-0039304647 ■ 2 ) 3549209282) и
5„ = —------------------------------— )
(-003930464 72 ) 3549209282 7)
(0,012825262 7 ■ 2 - 7, 05571516) _
(-003930464 72 ) 35,49209282 7)’
при и\к < и < и2к:
( Р
дип
= Ац = Я71п Лщ = Я
077531695 72 -- 21601086635 7 -006957051 72 ) ) 1836332643 7
(АБ
= -7Я
077531695 7 2 -- 21601086635 -006957051 7 ■ 2 +' ) 1836332643
8 =(0 77531695 7■ 2 - 21601086635) и
(077531695 72 - 21601086635 7) (-0,06957051 7 ■ 2 ) 1836332643) _ (077531695 72 -21601086635 7)’
при и2к < и < и3к:
(Р
дип
= Ац = Я71п Лщ = Я
-051686636 7 )
) 16746470058 7
007453213 72 -- 2443778409 7
( АБ
( и
= -7Я
-051686636 7 2 ) 16746470058 007453213 7■2 -- 2443778409
(-0 51686636 72 ) 167, 46470058 7) (0,07453213 7 ■ 2 - 2443778409) (-051686636 72 ) 16746470058 7)’
при и3к < и < и4к:
(Р
дип
= Ац = Я71п Лщ = Я
0,06365501 72 -- 1330389663 7
- 771499 ■ 10-372 ) ) Ц5523907 7
т (АБ
и ) 7 {(иР
= -7Я
006365501 7 2 -- 1330389663
-771499 ■ 10-3 7 ■ 2 ) ) 1 15523907
(006365501 7 ■ 2 - 1330389663) и (006365501 72 - 133038966 3 7) (-7, 71499 10 37 ■ 2 ) 1 15523907)
(006365501 72 - 1330389663 7) ’
при и4к < и:
5„ =
(Р
(ЦТ
= Ац = Я71п Лщ =Я
00817448276 72 -- 221346827628 7
-00134424828 72 ) ) 34935922884 7
(АБ
(и„
= -7Я
0,0817448276 7 2 -- 221346827628
-00134424828 7■2 ) ) 3,4935922884
(00817448276 7 ■ 2 - 22 1346827628) и
;------------------г- +
(00817448276 72 - 221346827628 7)
(-0,0134424828 7 ■ 2 ) 34935922884)
(0,0817448276 72 - 221346827628 7)
С СУ
1Ж
1-Т=2^°К 5 Т=
1 г/1 ^ ^ ^/'1 ; У
г: %,кгчг
Рис. 2
Зависимость термоградиентного коэффициента 5Р от влажности для продукта «Экспандированная кукуруза» представлена на рис. 2.
Полученная зависимость энтропийной составляющей внутренней энергии для кукурузы, как и для других продуктов, свидетельствует о значительной гибкости макромолекул и наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок мицелл), а также структурном и осмотическом механизме их взаимодействия с водой. Установлено, что для интенсификации процесса сушки подобных продуктов целесообразно диспергирование (измельчение, кипящий слой, увеличение пористости путем экспандиро-вания и т. п.), применение поверхностных (со стороны отвода влаги) или объемных способов энергоподвода.
Результаты проведенных исследований и полученные зависимости позволяют точно реализовать математические модели тепломассопереноса при расчетах и оптимизации процесса сушки.
Для решения дифференциального уравнения переноса тепла и научного анализа процесса сушки необходимы изучение и расчет зависимости ТФХ - коэффициентов температуропроводности а, теплопроводности 1 и теплоемкости с от температуры T и влажности продукта W.
Определение теплофизических параметров объектов проводилось методом регулярного режима [3]. Расчет полной удельной теплоемкости выполнялся по закону аддитивности при изменении температуры и влажности продукта.
В результате получены аппроксимирующие уравнения функций cm> 1, a = f (Р, W, V) (массовая концентрация сухих веществ с = 1 - Щ) в интервале Т 293-353К и W 0,9-0,1 кг/кг.
Для примера, коэффициент удельной массовой теплоемкости кукурузного экспанданта
ст = (-055833 Т2 ) 36206667 Т- 569812) ) ) (003983333 Т2 - 2554066667 Т ) ) 41066635) Щ(1-Щ);
коэффициент теплопроводности
1 = 026Щ) 0773 ■ 10-4(Т -273) ) 00635;
а(с, 0 = 1(с, Ї) / [ст(с, /)р(с)].
Для определения плотности продукта при различных влажностях получено уравнение по формуле аддитивности
р = рмрв / [рв(1 - Щ + РмП
где p м - истинная плотность вещества, кг/м3; pu - плотность воды.
Процесс сушки протекает практически без измене -ния объема структуры из-за высокой интенсивности. Это приводит к снижению ее плотности. Для получения зависимости с от W в процессе сушки необходимо определиться в значении исходной плотности продукта. Для определения текущей pn при V = const воспользуемся формулой аддитивности
p- = pH(1-Wh )/(1- w ) .
При экспандировании объем системы увеличивается в P раз. Кратность вычисляли экспериментально по формуле P = ^прод / Vc.,j, где Vc.,j - объем монолита веще -ства.
Тогда плотность гранул pHp14 = p^x/P. Кратность (аналог пористости - относительный объем пустот) определяли методом вытеснения при различных режимах экпандирования Pn = 5,8 ... 10,2. В оптимальном режиме после экспандера Pn = 8,95 (без стеклования поверхности гранулы). После дегазации и обработки паром Pn = 2,546.
Математическая аппроксимация зависимости кратности от текущей влажности W в процессе сушки при отсутствии усадки и известной начальной влажности WK представлена ниже.
Обозначим кратность как функцию P(W). Текущая кратность P(c) = Pnp(c)c / p^Cm при отсутствии усадки.
Текущая плотность p(c) = p^c^ / c, где p нач, снач -начальная плотность и содержание сухих веществ.
Текущая кратность P(c) = PHp(c )с / p^c^ при отсутствии усадки. Так, в частности, для экспанданта зависимость плотности гранулы от влажности имеет линейный характер. Статистическая обработка экспериментальных данных (20 повторностей) при рациональных параметрах экспандирования позволила получить оптимальные значения pHp14 до и после паросорбции. До паросорбции pHPa4 = 52,1 кг/м3, после паросорбции pHPa4 = 187,9 кг/м3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гинзбург А.С., Савина И .М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982. - 280 с.
2. Алексанян И.Ю. Совершенствование процессов суш -ки сухих рыбных гидролизатов в технологии белковых концентратов: Автореф. дис. ... кавд. техн. наук. - М.: МТИММП, 1988.
3. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. - М.:
ГИТТЛ, Гостехиздат, 1954. - 408 с.
Кафедра технологических машин и оборудования
Поступила 22.11.04 г.
