ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПШЕНИЧНЫХ ЗАРОДЫШЕЙ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Энергетика

УДК 621.5:664.7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПШЕНИЧНЫХ ЗАРОДЫШЕЙ

О.А. Орловцева2, В.В. Портнов1, Л.И. Назина2, Н.Л. Клейменова2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Воронежский государственный университет инженерных технологий, г. Воронеж, Россия

Аннотация: работа посвящена определению оптимальных режимов теплоносителя для стабилизации качества зародышей пшеницы при хранении. Выбор исследуемого продукта обусловлен ценным биохимическим составом и широтой его применения. Источником горячего и холодного потоков выбрана вихревая труба, работа которой основана на эффекте Ранка-Хилша. Для определения значений параметров пшеничных зародышей, которые позволят обеспечить неизменность качества продукта при хранении, применили ортогональное композиционное планирование. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс стабилизации пшеничных зародышей под влиянием нагрева, введения ингибитора и охлаждения. В результате решения задачи оптимизации были получены значения оптимальных режимов исследуемых факторов: температура нагретых пшеничных зародышей 57 °С, концентрация аскорбиновой кислоты 9,5 %, значение температуры охлажденного продукта 4°С. На основании полученных данных установлены значения горячего и холодного потоков, необходимые для управления качеством продукта. Проанализированы методики расчета параметров вихревой трубы

Ключевые слова: вихревая труба, теплоноситель, планирование, оптимизация, пшеничные зародыши, управление качеством

Введение

В пищевой промышленности важным процессом любого производства является термическая обработка продукции: кипячение, нагрев, обработка паром, охлаждение, замерзание и т.д. В связи с этим важным аспектом разработки технологии является расчет оптимальных режимов теплоносителей и выбор теплообменного аппарата или установки. В связи с важностью возложенных на данное оборудование функций, оно должно отвечать следующим основным требованиям:

- обеспечить подачу на требуемый этап производства передачу теплоносителя в необходимом количестве для получения заданной технологической документацией температуры;

- обладать пропускной способностью, соответствующей уровню гидравлических сопротивлений для каждой из рабочих сред;

- поверхность теплообмена и элементы конструкции должны обладать достаточной химической стойкостью к воздействию агрессивных сред;

- конструкция должна быть таковой, чтобы предусматривалась возможность осмотра поверхности теплообмена и доступность для её периодической очистки и ремонта;

© Орловцева О.А., Портнов В.В., Назина Л.И., Клейменова Н.Л., 2018

- обладать достаточным запасом прочности от напряжений, возникающих в результате воздействия давления рабочих сред и температурных деформаций;

- быть надёжными в эксплуатации, эргономичным, иметь возможно меньшие габариты и металлоёмкость.

Технологическая линия производства пищевых продуктов часто предусматривает последовательный нагрев и охлаждение. В этом случае существует возможность выбора для производства теплоносителей вихревой трубы, в основу работы которой заложен эффект Ранка-Хилша (рис. 1). Его суть состоит в разделении подаваемого в нее воздуха на два потока - с температурой выше и ниже исходной. Помимо этого данный источник обладает рядом преимуществ: простота конструкции, небольшие размер и масса, а отсутствие подвижных частей в устройстве обуславливает стремление значений показателей надежности и ресурса к 100 %; устройство действует при высоких температурах среды (газа), показатель расхода воздуха может варьироваться в пределах, необходимых для применения.

4

3&

СгггГ

Вход газа

Рис. 1. Принцип действия вихревой трубы

Постановка задачи

Одним из продуктов, качество которого зависит от своевременной тепловой обработки, является побочный продукт мукомольного производства - пшеничные зародыши. Они широко применяются в пищевой промышленности, косметической индустрии и медицине. Входящие в состав аминокислоты (в том числе незаменимые), витамины, микроэлементы, а также белковая и жировая составляющие обуславливают высокую ценность зародышевого продукта. Однако происходящие в пшеничных зародышах биохимические процессы, особенно действие ферментов липазы, липоксигеназы и каталазы, приводят к тому, что данный продукт быстро теряет свои качественные характеристики. Комплексное действие данных ферментов с течением времени приводит к интенсивному росту перекисного и кислотного чисел, которые являются важнейшими показателями безопасности, регламентированными Техническими регламентами. Первоначально под действием липазы происходит углубленный гидролиз липидов, при этом происходит формирование свободных жирных кислот, которые в дальнейшем интенсивно окисляются. На втором этапе действие липоксигеназы приводит к усилению разложения гидроперекисей жирных кислот на продукты кислой природы. При этом каталаза, находящаяся в продукте, обеспечивает наличие в составе молекулярного кислорода, который, в свою очередь, играет роль катализатора во всех окислительных реакциях. Согласно исследованиям [1, 2, 3], основными параметрами, влияющими на ферментативную активность, являются температура и рН среды.

Для расчета режимов теплоносителя необходимо установить значения температуры, достижение которых приведет к инактивации липазы, липоксигеназы и каталазы, что позволит стабилизировать качество пшеничных зародышей. Для этого применили математические методы планирования эксперимента [4]. Математическое описание процесса основано на данных, полученных при проведении серии опытов. Статистическая обработка результатов позволила сформулировать математическую модель - уравнение регрессии в виде полинома второй степени (1):

N N 2 N

у = ьо + X bixi + X biixi + X '(1) i=1 i=1 i< j

где Ь0 - коэффициент, значение которого равно средней величине отклика, если влияющие

факторы принимают значения основного («нулевого») уровня; х - масштабированные варьирующиеся значения факторов, определяющие функцию отклика; ^ j - индексы факторов; Ь -коэффициенты при линейных членах; Ь -коэффициенты двухфакторных взаимодействий, значения которых отражают взаимосвязь между ними; Ьи - коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие степень нелинейности выходного параметра в зависимости от рассматриваемых факторов; N - число факторов в матрице планирования.

Для решения поставленной задачи на основе проведенных литературных исследований в качестве факторов, оказывающих влияние на процесс управления качеством пшеничных зародышей, были выбраны температура пшеничных зародышей при нагреве (хь °С); концентрация ингибитора - в наших исследованиях аскорбиновой кислоты (х2, %); температура охлаждённого продукта (хз, °С).

Выбранные факторы являются между собой совместимыми и невзаимосвязанными (корреляция отсутствует). Пределы изменения исследуемых факторов приведены в табл. 1. Выбор интервалов изменения факторов (табл. 1) обусловлен проведенными исследованиями влияния температуры и рН среды на активность липазы липоксигеназы (У"2) и каталазы

^3), а также технологическими режимами процесса инактивации ферментативной активности пшеничных зародышей.

Таблица 1

Интервалы варьирования факторов

Условия планирования Пределы измерения ( »акторов

Температура нагрева, °С Концентрация аскорбиновой кислоты, % Температура охлаждения, °С

Основной уровень 52 8 10

Верхний уровень 56 11 13

Нижний уровень 48 5 7

Верхняя «звездная точка» 59 13 15

Нижняя «звездная точка» 45 3 5

Решение задачи

Для исследования было применено ортогональное композиционное планирование и был выбран полный факторный эксперимент ПФЭ23 [4] z = Х1 • Х2 • хз. Порядок опытов ран-домизировали посредством таблицы случайных

чисел, что исключало влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии (2), (3), (4), адекватно описывающие процесс стабилизации пшеничных зародышей под влиянием исследуемых факторов:

У1 = 3,968 - 0,694x1 - 0,337x2 + 0,338хз + + 0,188x1x2 + 0,102X1X3 - 0,082x2x3 + 0,067х12 (2)

У2 = 4,187 - 0,532 Xl - 0,234 X2 + 0,196 Xз +

+ 0,157 XlXз (3)

У3 = 3,409 - 0,553 X! - 0,280 X2 + 0,209 Xз

(4)

Анализ полученных уравнений (2)-(4), характеризующих активность липазы, липоксиге-назы и каталазы от температуры нагретого и охлажденного продукта, а также от концентрации аскорбиновой кислоты, позволяет сделать вывод о значимости факторов для изучаемого процесса. На активность ферментов наибольшее влияние оказывает температура нагрева, при этом значение коэффициентов перед х2 и х3 меньше, но их величина говорит о существенном воздействии температуры охлаждения и концентрации ингибитора на процесс.

Задача оптимизации была определена таким образом: активность липазы, липоксигена-зы и каталазы пшеничных зародышей должна стремиться к минимально возможному значению, для чего должны быть определены значения температуры нагретого продукта, концентрации аскорбиновой кислоты в качестве антиокислителя и температуры охлажденных зародышей. Модель постановки задачи оптимизации в математической форме (5) выглядит следующим образом:

Ч=4Уъ У2, У3>

ХеО

-юpt

О: у1(х1, Х2, х3)

У2(Х1, Х2, Хз) ■ Уз(Х1, Х2, Хз) ■

-► тгп тт тт

(5)

у; > 0,1 = 1,3; Х] < [-2;2],] = 1,5

Обобщенный критерий оптимизации представим в виде свертки критериев

, , ^ (Я1(Х) - Ч.шт)2 я(х) = ;-2--(6)

ы я2.

где а! - вес 1-го критерия (0 < а < 1, = 1);

г=1

тт - минимальное значение критериев (х).

Будем считать, что степени важности всех

1

критериев равны, тогда аг = а = — .

В результате проведенных вычислений путем решения данного уравнения и вычисления частных производных по каждому фактору определили, что оптимальное значение обобщенный критерий принимает при входных параметрах в заданной области в точке (1,032, 0,502, -1,785). Натуральные значения факторов, соответственно, температура нагретых пшеничных зародышей 57 °С, концентрация аскорбиновой кислоты 9,5 %, значение температуры охлажденного продукта 4 °С.

В табл. 2 сведены выбранные интервалы изменения оптимальных значений параметров Хг для всех исследуемых выходных факторов.

Таблица 2 Интервалы оптимальных значений параметров

У Х1, °С Х2, % Хз, °С

тгп таХ тт таХ тт таХ

У 56 58 9 10 3 5

Полученные на основе математического планирования эксперимента и решенной задачи оптимизации оптимальные значения влияющих факторов позволили разработать способ стабилизации качества пшеничных зародышей (рис. 2), основанной на инактивации их ферментов [5]. Данная технология включает следующие этапы:

1) предварительную очистку от металло-магнитных примесей;

2) нагрев зародышей пшеницы до температуры 56-58 °С, что приведет к значительному снижению значения ферментативной активности;

3) смешивание пшеничных зародышей с аскорбиновой кислотой, взятой в качестве ингибитора в количестве 9-10 % от массы продукта;

4) охлаждение полученной смеси до температуры 3-5 °С для снижения значения активности ферментов до минимально возможного значения и доведения до температуры, рациональной для хранения продукта.

Для подготовки воздуха для нагрева пшеничных зародышей и охлаждения смеси с аскорбиновой кислотой используют

энергоэффективную вихревую трубу [6]. Сжатый нагнетателем 9 всасываемый воздух тангенциально подается в вихревую трубу. При

вращении закрученного потока и перемещении его в направлении диафрагмы и сопла наблюдается расслоение температурных потоков. Осевые слои с температурой до (-7) -(-5) °С истекают через сопло, а периферийные с нагревом до 70-75 °С выводятся через своеобразный дроссель в виде кольцевого зазора между управляющим конусом и стенкой трубы. Изменяя этот зазор можно управлять температурой потоков, следствием чего является изменение давления и расхода каждого из потоков. Отработанный воздух сбрасывается в атмосферу.

У

Рис. 2. Технологическая линия инактивации ферментативной активности пшеничных зародышей: 1 - рассев 4 размольной системы, 2 - магнитная защита, 3 - оперативный бункер, 4 - камера нагрева, 5 - клапан подачи ингибитора, 6 - смеситель, 7 - камера охлаждения,

8 - вихревая труба, 9 - компрессор. ПЗ - пшеничные зародыши, В - воздух, АВ - атмосферный воздух, СВ - сжатый воздух, ГВ - горячий воздух, ХВ - холодный воздух, АК - аскорбиновая кислота

Выводы

Для обеспечения нагрева и охлаждения продукта до требуемых значений необходимо определить параметры вихревой трубы. Входными факторами при этом являются температуры горячего и холодного потоков, вырабаты-

ваемых устройством, температура окружающей среды, производительность линии.

Любая методика вихревых энергоразделителей сводится к расчету определяющего размера - диаметра трубы и требуемого значения давления на входе [7, 8]. В зависимости от выбранного типа вихревой трубы, к другим важным параметрам могут относиться относительная длина камеры энергоразделения и угол конусности камеры.

Литература

1. Капранчиков В.С. Липаза зародышей семян пшеницы: препаративное получение, свойства, регуляция активности: дис. ...канд. биол. наук. Воронеж, 2003. 185 с.

2. Зяблова Т.В. Разработка и научное обоснование рационального режима хранения пшеничных зародышей: дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2000. 138 с.

3. Бондаренко О.А. Разработка и научное обоснование технологии стабилизации пшеничных зародышей: дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2006. 199 с.

4. Реброва И.А. Планирование эксперимента: учеб. пособие. Омск: СибАДИ, 2010. 105 с.

5. Разработка способа инактивации ферментативной активности пшеничных зародышей / О.А. Орловцева, Н.Л. Клейменова, В.В. Портнов, С.В. Ершов // Успехи современной науки. 2016. Т. 4. № 11. С. 133-137.

6. Тарасенко Ф.Н. Энергоэффективная вихревая труба Ранка на основе новой физической модели вихревого процесса. Адрес доступа: http://docplayer.ru/34213917-Energoeffektivnaya-vihrevaya-truba-ranka-na-osnove-novoy-fizicheskoy-modeli-vihrevogo-processa.html.

7. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Т. 1. Физическое явление, эксперимент, теоретическое моделирование. Адрес доступа:

http://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_1916797#3.

8. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Т. 2. Технические приложения. Адрес доступа: http://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_1921248#9.

9. Kumar A., Vivekanand, Subudhi S. Cooling and de-humidification using vortex tube // Applied Thermal Engineering. 2017. Т. 122. С. 181-193.

10. The experimental investigation and thermodynamic analysis of vortex tube / M. Kaya, A. Celik, M. Yilmaz, S. Karagoz // Heat and Mass Transfer. 2017. Т. 53. № 2. С. 395-405.

11. Numerical investigation on flow behavior and energy separation in a micro-scale ortex tube / N. Rahbar, M. Taheri-an, M. Shateri, M.S. Valipour // Thermal Science. 2015. Т. 9. № 2. С. 619-630.

Поступила 04.05.2018; принята к публикации 20.07.2018 Информация об авторах

Орловцева Ольга Александровна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный университет инженерных технологий (394036, Россия, г. Воронеж, проспект Революции, 19), e-mail: Starosta1981@inbox.ru

Портнов Владимир Васильевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: g_beard@mail.ru

Назина Людмила Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный университет инженерных технологий (394036, Россия, г. Воронеж, проспект Революции, 19), e-mail: nazina_lyudmila@mail.ru

Клейменова Наталья Леонидовна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный университет инженерных технологий (394036, Россия, г. Воронеж, проспект Революции, 19), e-mail: klesha78@list.ru

DETERMINATION OF THE OPTIMUM PARAMETERS OF THE HEAT-TRANSFER AGENT IN THE TECHNOLOGY OF QUALITY MANAGEMENT OF WHEAT GERMS

OA. Orlovtseva2, V.V. Portnov1, L.I. Nazina2, N.L. Kleimenova2

'Voronezh State Technical University 2Voronezh State University of Engineering Technologies

Abstract: the work is devoted to the determination of the optimum heat-transfer agent regimes for stabilizing the quality of wheat germs during storage. The choice of the investigated product is due to the valuable biochemical composition and the variety of its application. The source of the hot and cold flows is a vortex tube, the work of which is based on the Rank-Hilsch effect. To determine the parameters of wheat germs, which will ensure the invariability of the quality of the product during storage, orthogonal compositional planning was used. As a result of the processing of experimental data, regression equations were obtained adequately describing the process of stabilization of wheat germs under the influence of heating, inhibitor introduction, and cooling. As a result of the solution of the optimization problem, the values of the optimal regimes of the investigated factors were obtained: the temperature of the heated wheat germs was 57 °C, the concentration of ascorbic acid was 9.5%, and the temperature of the cooled product was 4 °C. Based on the received data, the values of the hot and cold flows were established necessary for controlling the quality of the product. The methods for calculating the parameters of the vortex tube were analyzed

Key words: vortex tube, heat-transfer agent, planning, optimization, wheat germs, quality management

References

1. Kapranchikov V.S. "Lipaza of wheat seeds: preparative preparation, properties, regulation of activity. Cand. biol. sci. diss." ("Lipaza zarodyshey semyan pshenitsy: preparativnoe poluchenie, svoystva, regulyatsiya aktivnosti: dis. kand. biol. nauk"), Voronezh, 2003, 185 p.

2. Zyablova T.V. "Development and scientific substantiation of rational storage regime for wheat germs: Cand. tech. sci. diss." ("Razrabotka i nauchnoe obosnovanie ratsional'nogo rezhima khraneniya pshenichnykh zarodyshey: dis. kand. tekhn. nauk"), Voronezh, 2000, 138 p.

3. Bondarenko O.A. "Development and scientific substantiation of stabilization technology of wheat germs: Cand. tech. sci. diss." ("Razrabotka i nauchnoe obosnovaniye tekhnologii stabilizatsii pshenichnykh zarodyshey: dis. kand. tekhn. nauk"), Voronezh, 2006, 199 p.

4. Rebrova I.A. "Planning of the experiment: manual" ("Planirovanie eksperimenta: ucheb. posobie"), Omsk, SibADI, 2010, 105 p.

5. Orlovtseva O.A., Kleimenova N.L., Portnov V.V., Ershov S.V. "Development of the method for inactivating the enzymatic activity of wheat gems", Advances in Modern Science (Uspekhi sovremennoy nauki), 2016, vol. 4, no. 11, pp. 133-137.

6. Tarasenko F.N. "Energy-efficient vortex Rank tube based on the new physical model of the vortex process", available at: http://docplayer.ru/34213917-Energoeffektivnaya-vihrevaya-truba-ranka-na-osnove-novoy-fizicheskoy-modeli-vihrevogo-processa.html.

7. Piralishvili Sh.A. "The vortex effect. Volume 1. Physical phenomenon, experiment, theoretical modeling", available at: http://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_1916797#3.

8. Piralishvili Sh.A. "The vortex effect. Volume 2. Technical applications", available at: http://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_1921248#9.

9. Kumar A., Vivekanand, Subudhi S. "Cooling and dehumidification using vortex tube", Applied Thermal Engineering, 2017. vol. 122, pp. 181-193.

10. Kaya M., Celik A., Yilmaz M., Karagoz S. "The experimental investigation and thermodynamic analysis of vortex tube", Heat and Mass Transfer, 2017, vol. 53, no. 2, pp. 395-405.

11. Rahbar N., Taherian M., Shateri M., Valipour M.S. "Numerical investigation on flow behavior and energy separation in a micro-scale ortex tube", Thermal Science, 2015, vol. 9, no. 2, pp. 619-630.

Submitted 04.05.2018; revised 20.07.2018

Information about the authors

Ol'ga A. Orlovtseva, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State University of Engineering Technologies (19 prospekt Revolyutsii, Voronezh, 394036, Russia), e-mail: Starosta1981@inbox.ru

Vladimir V. Portnov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospect, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: g_beard@mail.ru

Ludmila I Nazina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State University of Engineering Technologies (19 Revolution Avenu, Voronezh, 394036, Russia), e-mail: nazina_lyudmila@mail.ru

Natalia L. Kleimenova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State University of Engineering Technologies (19 Revolution Avenu, Voronezh, 394036, Russia), e-mail: klesha78@list.ru