CC BY
30
Как видно из графика, для каждой величины IV характерен максимум с при начальной криоскопической температуре, связанный с началом перехода жидкой воды в лед. С уменьшением величины 1¥ величина максимума уменьшается. В связи со сложным характером протекания кривых точное математическое описание их выполнено по участкам в разных диапазонах температур при различных величинах IV.
Полученные значения для основных теплофизических характеристик рассматриваемых продуктов использовались в дальнейшем при расчете продолжительности и анализа процесса размораживания в конкретных режимных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алямовский И.Г. Теплофизические характеристики пищевых продуктов при замораживании // Холодильная техника. -1968,-№5.-С. 35-36.
2. Подсевалов В.Н. Температуропроводность рыбы // Тр. АтлантНИРО. - 1966. - Вып. 16. - С. 104-105.
3. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. - М.-Л.: Гостех-издат, 1957. - 369 с.
4. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. -М.:ГИТТЛ, Гостехиздат, 1954.-408 с.
5. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 271 с.
Кафедра ТМО
Поступила 05.12.03 г.
664.636.085.002.2
ИНЖЕНЕРНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЭКСПАНДИРОВАННЫХ-ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПИЩЕВЫХ И КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ
И.Ю. АЛЕКСАНЯН, С.Б. ПОПОВА, С.В. СИНЯК
Астраханский государственный технический университет
В настоящее время уделяется большое внимание производству сухих кусковых, порошковых и гранулированных продуктов. Однако внедрение и надежное экономичное функционирование данных технологий сдерживается отсутствием надежных способов и конструкций для экспандирования, гранулирования и сушки.
Экспандированный структурированный комбикорм является альтернативой традиционным концентратам для сельскохозяйственных животных в виде гранул и кормовым добавкам. Обработанный продукт свободен от патогенных бактерий, имеет улучшенные питательные свойства, в нем повышается доля защищенных протеина и крахмала. Экспандат хорошо смешивается с другими сырыми компонентами и сохраняет стабильность в смесях. При промежуточном хранении не происходит расслоения смеси и у животных нет возможности для селективного поедания корма. Экономия дорогих белковых комбикормов дает преимущество экспандированному комбикорму.
Проведены исследования основных термодинамических закономерностей взаимодействия ряда характерных пищевых и кормовых продуктов с водой [1].
Статика процессов взаимодействия с водой и анализ изотерм сорбции позволяет установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца для изохорно-изобарно-изотермического процесса АР -АЕ-ТА8 (Д8;АЕ - соответственно изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии по влаго-
содержанию ир при Р = сош^ Т= сопз!:), продифферен-
цировав
которое
получим
( \ дАЕ
ди„
V. <Чт.р
зи,
V р Ут.р
, где энтропийная со-
,а(Д5)
ставляющая свободной энергии Т ~^т~ Для раститель-
ных продуктов играет значительную роль. Получены зависимости свободной, внутренней, связанной энергии и термоградиентного коэффициента 8Р от влагосо-
держания и температуры.
Так, в частности, для измельченной гранулированной тыквы влажность границы первой зоны И/1 =0,3, второй 1¥2 = 0,6, третьей 1У3 = 0,79, четвертой = 0,9.
При Жг>0
—) = Ац=ЯТ1пА„ =
Шр)
^(0,068333 Г-17,221667; \Ур +' ^+(-0,006833 Т -1,217833)
Л/
(0,136666 Т-17,221667) IVр +л -Я ( Т] +(_0 Ш66 г_1;217833
5 =--------------I------------х
р Г (0,068333 Г-17,221667) х ((0,136666 Т -17,221667) Шр + +(-0,13666 Г-1,217833));
0,3 <W2< 0,6
г л 8AF = RT 4-0,001133 741,599067) Wp +N
dW„ V р J ^+(0,014 Г-6,862)
f \ дАS '
V р )
(-0,002266 Г+1,599067) W„ + = Л(-ГІ р
+(0,028 Г-6,862
1
5„ =-
р Г (-0,001133 Г+1,599067) х((-0,002266 Г+1,599067) Wp +(0,028 Г- 6,862));
0,6 < W2< 0,78
А ц
(-0,0350867 Г + 13,9645933) Wp +
+(0,0343867 Г -14,2857933)
'(-0,0701734 Г+13,9645933) +
-R(-T)
+(0,0687734 7-14,2857933) 1
5 =—---------—
" Г (-0,0350867 7+13,9645933) х((-0,0701734 Т +13,9645933) Wp + +(0,0687734 Г-14,2857933));
0,79 <W2< 0,9
'(-0,0363633 Г +13,0180567) Wp +' ч+(0,0353933 Г-13,5375467) ,
^(-0,0727266 Г+13,0180567) Wp ч+(0,0707866 Г-13,5375467)
-х
Ац = ЯГ
/ \ 5Д5 V р У
= Д(-П
1
Анализ спектральных терморадиационных и оптических характеристик продуктов с различной влажностью позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-излучателей типа КГТ-220-1000 при варьируемом напряжении и оптически тонкий (А, < 0,002 м) слой.
С помощью дифференциально-разностного метода смоделировано и рассчитано уточненное распределение величины со = f(x, W, Г) по слою с учетом внешнего и внутреннего отражения от границ слоя. Вычислялись оптические интегральные характеристики: L - коэффициент эффективного ослабления, характеризующий ослабление потока по мере его распространения, равный обратной величине глубины слоя, при прохождении которой поток излучения уменьшается в е раз; К, - отражательная способность оптически полубеско-нечного слоя. Так как облучение происходи® интегральным потоком при селективных оптических свойствах, рассеивающих ИК-излучение материалов, происходит изменение спектрального состава Е„ падающего потока по мере проникновения в глубь слоя.
Точное решение для функции внутренних источников тепла (распределения объемной плотности поглощенной энергии) для двухстороннего облучения слоя
W
(х, W)=L (х, W) Еп
1 -Ц12(Ж,х)
exp (-Z, (W, х) х) --^-~™ехр (L (W, х) х)
+L (1-х, W) Еп
K(W)
-K(w)
=----------
р Т(-0,0363633 Г + 13,0180567) х((-0,0727266 Г +13,0180567) IVр + +(0,0707866 Г -13,5375467)).
Проведены исследования структурно-механических и теплофизических свойств продуктов как объектов сушки. Изучена истинная и физическая плотность ряда продуктов. Так, в частности, физическая плотность для тыквы
р =(1136+412 с-0,464 *с)/р (с);
(3 (с) = 0,0095 - (1520 - 522 (1 - с)) с,
где |3 - текущая пористость; с - концентрация, кг/кг.
Теплофизические характеристики растворов изучались экспериментально-аналитическим экспресс-методом, основанным на тепловой инерции термопары. Получены зависимости коэффициента теплопроводности и температуропроводности X, а от концентрации сухих веществ и температуры продукта. К примеру, для тыквы
а(с,Т) = (7,02(1-с) + 0,028Г-0,964)-3,77-10-8/(3(3(с));
X (с, Т) = (0,411 (1 - с)2+0,0565 (1 - с) + 0,00217) -0,5289.
1-у
exp (-L (W ,l-x)(l-xf)-хехр (L (Ж,/-х)(/-х))
RJW)-K
,1-х)
ЦІ2 (W, 1-х)
K(w)
где Rj(W) =
; v = Rjw) exp (-L (W,x)l); I -
'W-W'
толщина слоя, м; R„ - интегральная отражательная способность подложки; Е„\, Е„г - плотности падающих с одной и с другой сторон потоков, Вт/м .
Для тыквы при напряжении на лампах, например, U= 140 В, лтах = 1,45 мкм
R(l, WO = (5,3125- Ю-6^—5,53125 -10"4)/-4,8325 х
. . 1 ft~З ТІ/ I ft А О АЛО Г
X iu VY t U,46UZZJ,
Til, W} = (-5,04875 • 10~5 W + 6,504875 • 10~3) / -
- 2,2555-lO^4 W + 0,025455;
L(x, c) = (-71,668 с + 57,7090)(x • 103)4 + (503,125 c-
- 398,563)(* • 103)3 + (-1275,2075 с + 1039,47875) x x (x ■ 103)2 + (13 74,68 75c - 1237,46875)(x • 103) + + (451,25 с + 1943,875).
Установлено, что к основным факторам, влияющим на интенсивность процесса сушки, относятся исходная концентрация сухих веществ С (кг/кг), размер гранул d (м), плотность теплового потока Е (кВт/м2), длина волны А.тах (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения, а также температура Т
или ^ (К) и скорость сушильного агента (м/с) при конвективной сушке. Границы варьирования факторов выбраны исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки: С = 0,1 ... 0,6%;£ = 1 ...*11 кВт/м2; V =80 ... 220 В; /с= 333 ... 443°К; с/ = 0,004 ... 0,01 м. Исследования влияния основных факторов на эффективность сушки при комбинированном энергоподводе позволили получить аппроксимирующие зависимости для целевой функции (съем сухого продукта с единицы площади (объема) рабочей поверхности в единицу времени 7, кг/(м2 ■ ч). К примеру, радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000): корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы, атмосферная сушка): £ = 5,7 кВт/м2, с1 = 0,008 м, = 1,16 мкм, 7 = 5,3 кг/(м2 • ч); конвективная сушка: пивная дробина: Т= 443 К, к = 0,0005 м, 7= 23,5 кг/(м2 • ч).
На рисунке представлены кривые скорости сушки: а) пивной барды для Т- 373 К: 1 -ХК= 0,0005 м, 2 -Хк= 0,001 м; 3 —Хк= 0,002 м, 4-Хк= 0,003 м; б) тыквы при 1} = 140 В; 1¥= 76%; й?= 0,004 м; 1 -£п= 1,14 кВт/м2; 2-£„ = 1,6872 кВт/м2; 3 - £л = 2,052 кВт/м2.
Получены адекватные аппроксимирующие уравнения. Для примера: радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000, атмосферное давление): корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы); границы варьирования факторов £п = 2,1 ... 5,7 кВт/м2, й? = 0,004 ... 0,01 м, А^х = 1 ... 1,6 мкм
7 =(«[£ + а2) сі + агЕ +
ал
где а, = 3,626-104^ - 8,146-104 Хтах +4,52-104; а2 = 5,042-ЮЧ2 —1,312-105 А, + 8,478-104;
тах \2 “тах
V2
тах
а3 = -2,198-104 Я.* + 5,246-104 X -3,048-104;
аА =-160,023 +420,174-10 Хтах -280,856;
конвективная сушка: пивная дробина 7 =(261,8685 Г-90,55628-106) А2 +
+(-884,2 Г+ 3,043 9-103)/г+0,8425 Г-283,4365.
В качестве примера приведем уравнения кривых скорости влагоудаления, полученные разработанным многозонным методом, для тыквы и кормов для непродуктивных животных.
Корм для непродуктивных животных гранулированный (атмосферная сушка при ИК-энергоподводе (КГТ-220-1000) на подложке. Общий вид уравнения скорости сушки во всех зонах для всех значений и
Л
где / - порядковый номер зоны.
Кинетические коэффициенты скорости сушки
А, ={г.,Е2 +с,.£ + £,.) (1+у,Е2 + /Е + у,; В=(/,£2 +к>Е + ],'}(1+21Е2 +т1Е+ рг
К примеру, при и = 150 В; А,тах =1,2 мкм границы варьирования факторов £п = 2,1 ... 5,4 кВт/м2, с!:= 0,004 ... 0,01 м. Граница 1-й зоны: 0,7> Ж >0,48; 2-й: 0,48 >Ж >0,36; 3-й: 0,36>1¥ >0,25; 4-й:0,25 >Ж >0,01
Значения кинетических коэффициентов сведены в таблицу.
Таблица
Кинетические коэффициенты Номер зоны
1 2 3 4
Сі -1,70617 -9,472(4) ^1,2467 -53,6128
81 7,23667 24,79287 9,00266 146,4722
ї> 0,012179 0,075189 0,036 0,429816
V/ -0,042883 -0,196229 -0,079 -1,169823
к, 0,50358 15,20717 10,676 202,592592
І, -0,34167 -41,55473 -22,035 -557,66666
ті -7,19-10-3 -0,118715 -0,09 -1,624074
Рі 9,928-10"3 0,324243 0,195 4,456333
Для тыквы при числе оборотов шнекового экстру-дера-гранулятора ю = 266 об/мин, (і = 0,004 м, £п = 0,912 ... 3 кВт/м2. Концентрации границы 1, 2, 3, 4-й
йШ кгеп
кг с
зон: С1к= 0,3; С2Х= 0,46; СЗК= 0,76; С4К= 0,9. В качестве примера приведем уравнение кривых скорости сушки для 1-й зоны
йсЛ \(с,Ер) =
((—2,5151702397022Я? + 6,3168913324056).г V
^-3,9396673030142 ) Р
Г8,76326366540213Х2 - 22,057615626472). +V.
\+13,7712781018764 )”
Г-6,29803972142633).2 + 15,8443871864158).-V
(Д-9,89895670600409 ) ,
((0,00019135928248А.2 - 0,00009452876176Я~Ъ.2
[-0,00031235618687 ) "
, Г-0,00140848136538); + 0,00156648119122?.+^
= -4 + Я. + •
(+0,00071524434343 )
Г-0,002587 8810519Х? + 0,00907591540752Х.-'|
|Д-0,00776271742929 )
ГГГ5,579157304075-ЖиЯ - 1,394789326019 •10“'2Х+'| 2 ^
1^+8,672242113455 10~“ / Р
Г-1,780847012539-10Ч2).2 + 4,452167531348-10-'2).-У + [-2,768179684291-Ю’12 ) Р +
(2,8644945079 -10“13).2 - ^
[ [-7,5954568305 10”13 Х+ 7б] )
^-СО-с)-100)
Данные по коэффициенту влагопроводности и термодиффузии являются отрывочными, не учитывающими зависимость от комплекса свойств продуктов, а для большинства продуктов (особенно нетрадиционных) отсутствуют. Данных по коэффициенту молярного переноса пара в литературе практически нет. Это обусловлено отсутствием быстрых методов расчета, что связано со сложностью комплекса явлений при те-пломассопереносе в реальных процессах. Разработан и апробирован численно-аналитический метод расчета эволюции полей температур и определения коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара с учетом динамики обезвоживания на основе аппроксимации кривых кинетики сушки и свойств продуктов. Получены зависимости массовлагообменных характеристик от варьируемых параметров. Рассчитаны частные поля температур при различных способах сушки продуктов. Отмечена малая величина температурного градиента практически по всему слою продуктов со скачком в пограничном слое у греющей поверхности.
Результаты исследований термодинамических закономерностей взаимодействия пищевых продуктов с водой показали, что энтропийная составляющая свободной энергии для ряда растительных продуктов играет существенную роль, что свидетельствует о значи-
тельной гибкости макромолекул, наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок мицелл) и ориентационном и осмотическом механизме их взаимодействия с водой. Величина Ьр имеет аномальное отрицательное значение при высоких влажностях, что указывает на перемещение влаги против потока тепла. Это явление говорит в пользу поверхностных или объемных способов энергоподвода, диспергирования продукта (кипящий слой, гранулирование и т. п.), увеличения поверхности влагообмена.
Выявлен и обоснован механизм внутреннего тепло-массопереноса на основе феноменологического подхода и кинетики обезвоживания для продуктов растительного происхождения. На кривых скорости сушки продуктов растительного происхождения наблюдается аномальный рост скорости при низкой влажности или периодические пики с участками постоянной скорости в течение всего процесса, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара вследствие периодического разрушения полупроницаемых оболочек клеток или мицелл (парниковый эффект) при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, вследствие чего резко снижается энергия связи влаги с материалом, так как осмотическая влага является по своим свойствам «свободной» влагой, удерживаемой механически осмотическими силами и стенками полупроницаемых оболочек, при разрушении которых и наблюдается рост скорости сушки и участки постоянной скорости сушки. Перемещение влаги к поверхности осуществляется в основном в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости или стенки капилляров при росте градиента давления пара в слое, что приводит к росту скорости диффузии. Диффузия пара происходит в виде последовательных эквимолярных процессов испарения и конденсации пара на жидких менисках, стенках клеток и мицелл при малых градиентах концентрации и температуры, на что указывает отсутствие при интенсивной сушке усадки, неизбежной при существенных градиентах влажности. Все это свидетельствует в пользу осциллирующих режимов сушки продуктов, реализованных нами в разработанных способах и сушилках.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексанян И.Ю., Давидюк В.В., Артемьева Н.Н. Новые технологии сухих продуктов животного и растительного происхождения // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1998. - № 2- 3. - С. 38-40.
Кафедра ТМО
Поступила 05.12.03 г.
