CC BY
6
Ключевые слова: продовольственная безопасность; продовольственный рынок; уровень потребления продовольствия.
Новый век внес коррективы в теоретические и практические аспекты переработки пищевых продуктов с учетом демографических изменений в обществе, наличия продовольственных ресурсов, особенностей трудовой деятельности, резкого ухудшения экологической ситуации, новой информации о значении различных компонентов пищи в питании человека. Фрукты, ягоды, овощи - основной и практически единственный источник таких биологически активных веществ, как каро-тиноиды, фенольные соединения (в том числе антоцианы, флавонолы, бе-танин), 1_-аскорбиновая кислота, микроэлементы. Эти вещества обладают иммуномоделирующими, радиопротекторными, антиокислительными свойствами и придают окраску сырью и продуктам его переработки. Биологически активные соединения плодов и овощей относят к разряду незаменимых, которые должны поступать в организм человека регулярно вне зависимости от сезона. Поэтому особенно важен вопрос сохранения биологически активных веществ плодов и овощей при их хранении и переработке [1-4].
Тепло- и массообменные аппараты, установки и процессы занимают особое место в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса. При этом тепло- и массообменные процессы - это сложные технологические процессы, которые должны обеспечить не только сохранение качественных показателей материала, но в ряде случаев и улучшение этих показателей. Поэтому выбор метода и рациональных режимов должен базироваться на научных основах технологии: от изучения свойства продукта как объекта обработки к выбору метода и обоснованию режимов процесса и на этой основе к созданию рациональных конструкций аппаратов, агрегатов и установок.
Эффективная разработка и применение новых технологических линий по
УДК 641.1: 541.13
Оптимизация теплообмена
в аппаратах для пищевой индустрии
М. А. Магеррамов, канд. техн. наук, доц. Азербайджанский государственный экономический университет, г. Баку
производству и переработки пищевых продуктов тесно связаны с наличием информации о физико-химических и теплофизических свойствах исходных веществ. Возрастающие потребности пищевой промышленности в достоверных данных обусловливают необходимость проведения комплексных иссле-
дований этих свойств в широком диапазоне параметров состояния.
Теплофизические свойства пищевых продуктов оказывают большое влияние на тепло- и массообмен, в особенности такие, как плотность, вязкость, теплопроводность, теплоемкость продукта и др., зависящие от вида продукта, его
Рис. 1. Экспериментальная установка для измерения теплопроводности плодоовощных соков при нестационарном режиме: 1 - кожух термостата с теплоизоляционным слоем; 2 - нагреватель термостата; 3 - термостат; 4 - платиновый термометр сопротивления; 5 - установочная шайба; 6 - крышка термостата; 7 - потенциометр; 8 - термопара внутреннего цилиндра; 9 - сосуд для жидкостей; 10 - трубопроводная система с вентилями; 11 - регулировочный нагреватель; 12 - термопара; 13 - источник постоянного тока; 14 - тефлоновая шайба; 15 - укрепляющие винты; 16 - крышка внутреннего цилиндра; 17 - защитная крышка внешнего цилиндра; 18 - фарфоровая трубка; 19 - микронагреватель; 20 - термопара внешнего цилиндра; 21 - внутренний цилиндр; 22 - фиксатор для цилиндра; 23 - исследуемая жидкость; 24 - внешний цилиндр; 25 - вал для вращения внешнего цилиндра; 26 - двигатель с устройством для фиксации скоростей; 27 - опорные втулки; 28 - двигатель; 29 - вентиляционная установка
ТЕПЛО И ХОЛОД В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ
ITEMA НОМЕРАМ
температуры, концентрации и давления над продуктом [5, 6].
Одна из важных задач современного этапа развития пищевой индустрии -совершенствование технологии производства продуктов с разработкой новых методов обработки исходного сырья и материалов, обеспечивающих высокие качественные и технико-экономические показатели. При этом предполагается создание новых высокопроизводительных и высокотехнологичных машин и аппаратов с учетом использования данных по ряду физико-химических и теплофизических свойств пищевых продуктов, ценность которых во многом зависит от способов хранения и переработки сырья. Теплофизические свойства продуктов, в том числе теплопроводность, на каждом этапе их производства могут служить индикатором их качества. Данные о различных термических, диффузионных и электрофизических свойствах продукта используют при создании новых высокопроизводительных и высокотехнологичных машин и аппаратов.
X, Вт/(мК) 0,63
0 50 100 150 200 п, 1/с
Рис. 2. Зависимость теплопроводности апельсинового сока от частоты вращения
X, Вт/(мК)
0 50 100 150 200 n, 1/c
Рис. 3. Зависимость теплопроводности виноградного сока от частоты вращения
Их разработка невозможна без точного теплового расчета основных элементов с учетом знания целого ряда теплофизических свойств пищевых продуктов. Надежные данные о теплопроводности фруктовых соков при различных температурах и концентрациях необходимы для ряда научных и технических приложений (развитие процессов обработки пищевых продуктов, совершенствование оборудования, контроль качества продуктов, понимание структуры пищевых продуктов и материалов) во многих отраслях пищевой индустрии.
Величина теплопроводности существенно меняется при изменении концентрации и температуры. В литературе имеются лишь весьма ограниченные сведения об этих изменениях. Поэтому выявление влияния различных параметров состояния на теплопроводность имеет важное значение. В аппаратах, используемых на различных технологических линиях в промышленности, и в частности, при производстве и переработке жидких пищевых продуктов, как правило, основное вещество находится в состоянии движения. Поскольку в литературе отсутствуют какие-либо данные для таких жидкостей на практике приходится пользоваться данными для стационарной жидкости. Это приводит к существенным отклонениям расчетов тепломассообменных процессов от действительных цифр [7].
Хорошо известны методы измерения теплопроводности жидкостей [5, 8]. К основным следует отнести метод плоского слоя, метод коаксиальных цилиндров и др. Однако все известные нам экспериментальные установки измеряют теплопроводность жидкостей, находящихся в стационарном состоянии. Нами предложен метод измерения теплопроводности жидкости в нестационарном состоянии и разработана конструкция установки. С помощью этой установки впервые получены данные о теплопроводности сока в нестационарном состоянии, которые позволяют точнее проводить тепловой расчет аппаратов, что обеспечивает сокращение энергозатрат на производство готовой продукции.
Действие экспериментальной установки [7, 9] основано на методе коаксиальных цилиндров (рис. 1). Измерительный прибор состоит из двух коаксиальных цилиндров - внутреннего 21 и внешнего 24. Внутренний цилиндр
неподвижный. Наружный цилиндр вращается вокруг внутреннего. Вращение осуществляется специальным мотором 26 с регулировкой частоты вращения. Зазор между цилиндрами заполняется исследуемой жидкостью. Ячейка заполняется посредством сосуда 9 и трубопроводной системы 10 исследуемой жидкостью 23.
Система цилиндров помещена в воздушный термостат 3, защищенный кожухом 1, снабженный мешалкой 29, боковыми и донным нагревателем 2 большой мощности и регулировочным нагревателем 31, помещенным внутри термостата. Термостат закрыт крышкой 6, закрепленный с помощью болтов к приваренной к кожуху термостата шайбе 5. Термостат поддерживает постоянство температуры при измерении теплопроводности с точностью ±0,05 °С.
Внутренний цилиндр имеет диаметр 35,1 мм, наружный цилиндр - 38,1 мм. Длина внутреннего цилиндра 220 мм. Внутренний цилиндр содержит нагреватель 19, выполненный из нихромовой проволоки малого диаметра.
Температура внутреннего цилиндра задается с помощью микронагревателя 19, подключенного к источнику постоянного тока 13, измеряется тремя хро-мельалюмелевыми термопарами 8, подключенными к потенциометру 7, расположенными по высоте цилиндра, для контроля равномерности температурного поля. Цилиндры фиксируются при помощи фиксаторов 22. Перепад температур измеряется также дифференциальной термопарой.
Измерения проводят следующим образом. С помощью нагревателей в термостате устанавливается заданная температура. Выдерживается определенное время для установления температурного равновесия. Затем включается нагреватель, расположенный во внутреннем цилиндре. Измеряется напряжение и сила тока с помощью потенциометра. Напряжение подается с помощью источника постоянного тока 13. Измеряется перепад температуры в слое исследуемой жидкости при помощи термопар 8 и 20.
В работе проведены экспериментальные измерения X для соков апельсина, винограда, граната (двух сортов) и вишни. Опыты проведены при частотах от 50, 100, 150 и 200 с-1, для соков вишни и граната (Иридана) при 30 и 60 с-1.
Для апельсинового сока получено 40 опытных значений коэффициента теп-
X, Вт/(мК) 0,59 т-
0,45 J-■-.-■-■-
0 50 100 150 200 n, 1/c
Рис. 4. Зависимость теплопроводности гранатового сока от частоты вращения
-—.--
' 1 - ^
X, Вт/(мК i ! ."Т i X "r^Z
0,52 Т 0,51 Т 0,5 4 0,49 -| 0,48 -0,47 -0,46 - р> i .А 1 у / f ^^ - - -
/ S У i /7 \jtp r f i T^Z. /
у s fêtâfj Il У ' -"4 V °r
0,45 0,44 0,43 У' 1 lу - yc " "/ 70 ' "-/50 ¿40
0,42 Я С-1 У ""^--/20
Рис. 5. Диаграмма зависимости теплопроводности гранатового сока от температуры и частоты вращения
T, K A B T, K A B
Апельсиновый сок,14% Виноградный сок, 12.7%
278 0,520 0.000092 293 0.537 0.000114
293 0,542 0.000094 333 0.580 0.00010
333 0,579 0.00018 363 0.607 0.00015
353 0,578 0.00011 Виноградный сок, 20%
Апельсиновый сок,25% 293 0.515 0.000090
278 0.0.485 0.000088 333 0.550 0.000114
293 0.503 0.000098 363 0.575 0.00015
333 0.539 0.00011 Виноградный сок, 40%
353 0.557 0.00015 293 333 363 0.445 0.474 0.497 0.000086 0.000102 0.000146
лопроводности при температурах 278, 293, 333 и 353 °К. Для опытов использовали натуральный сок при концентрации 14 %, а также концентрированный при 25 %.
Изучали виноградный сок при концентрации 12,7, 20 и 40 %. Исследования проводили при температурах 293, 333 и 363 °К; получено 45 величин X.
Гранатовый сок при концентрациях 16, 26 и 4 % изучали при температурах 278, 293, 333 и 353 °К; получено 60 опытных значений.
Вишневый сок исследовали при концентрации 15, 20,5, 31 и 42 % и температурах 283, 293, 313, 323, 343 и 363 °К. При этих же температурах изучали сок граната сорта Иридана при концентрациях 14,5, 21,5, 29 и 40 %.
На рис. 2-4 показан характер изменения коэффициента теплопроводности фруктовых соков с увеличением частоты вращения цилиндров. Анализ полученных значений X показывает, что теплопроводность существенно зависит от скорости вращения цилиндра. С увеличением этого параметра X повышается, причем эта зависимость более ярко проявляется при комнатных температурах.
Диаграмма зависимости теплопроводности от температуры и частоты вращения показана на рис. 5.
По мере роста температуры наклон кривых X (п) уменьшается. Представляет интерес установление корреляции изменения теплопроводности от температуры с ростом содержания сухих веществ. Анализ показывает, что в более концентрированном соке влияние 5 сказывается в большей мере.
Для практических целей необходимо располагать уравнением, описывающим экспериментальные данные в зависимости от параметров состояния. Анализ полученных данных позволил определить в аналитическом виде зависимость теплопроводности соков, находящихся в нестационарном состоянии, от частоты вращения.
Предлагаемая модель имеет вид: X = А + Вп. (1)
Значения коэффициентов А и В приведены в таблице.
Обобщенное описание зависимости теплопроводности от температуры, концентрации сухих веществ и частоты вращения позволило разработать модель, математическое выражение которой имеет вид:
для гранатового сока - X =0,572 + + 9,4Ч0-4 Т- 3,37Ч0-3 С + 3,5Ч0-4 п; (2)
для вишневого сока - X=0,548 + +1,0Н0"3 Т- 3,24Ч0-3 С + 3,5Ч0-4 п. (3)
Уравнения описывают экспериментальные данные с погрешностью 1,5-2 %.
Таким образом, рассмотренная методика и разработанная экспериментальная установка для измерения теплопроводности жидких пищевых продуктов, в том числе плодоовощных соков, находящейся в нестационарном состоянии, позволили разработать математическую модель, описывающую зависимость теплопроводности от температуры, содержания сухих веществ и частоты вращения цилиндров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уголев А. М. Теория адекватного питания и трофология. - Л.: Наука, 1991.
2. Воробьев Р.И. Питание: мифы и реальность. - М.: Грэгори, 1996.
3. Магеррамов М.А. Теплофизичес-кие свойства плодоовощных соков. -Баку: Элм, 2006.
4. Пища и пищевые добавки. Роль БАД в профилактике заболеваний/ Пер. с англ., под ред. Дж. Режли, Дж. Донелли, Н. Рида. - М.: Мир, 2004.
5. Гинзбург А.С., Громов М.А., Кра-совскаяГ.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1980.
6. Магеррамов М.А. Математическое описание расчетов теплофизичес-ких величин жидких пищевых продуктов. Производство и ремонт машин/ Сб. материалов международной научно-технической конференции. - Ставрополь: Изд-во Ст ГАУ«АГРУС», 2005.
7. Магеррамов М.А. Теплопроводность фруктовых соков при вынужденном движении//Известия вузов. Пищевая технология. Краснодар. 2006. № 5. С. 46-50.
8. Исаев С.И., Кожинов И.А. Кофа-нов В.И. Теория тепломассообмена: Учеб. для технических университетов/ Под ред. А.И. Леонтьева: 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.
9. Магеррамов М. А. Метод решения задачи оптимизации теплообмена в аппаратах пищевой индустрии^! Минский международный форум по тепло- и массообмену. - Минск, 2008, т. I, с. 277-278.
