Влияние инфракрасной термообработки на физико-механические свойства ячменя Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-6, 1993

)_я

I (11)

елен в 1ИИ, поли чис-

► (12)

я Р (х) ся:

Р(х)<0.

I при х= ) моно-зеделах тов расхоти во-эльшой, отноше-

МЬНЫМ.

[■ (13)

\ (14)

травле-:ния (7) ше, чем рах теп-

Г

664.727.085.1:664.734

ВЛИЯНИЕ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЯЧМЕНЯ

С.В. ЗВЕРЕВ, В.В. КРАСНИКОВ, Е.П. ТЮРЕВ

Московский технологический институт пищевой промышленности

При переработке зерно иногда подвергается механическому воздействию с целью его деформирования и разрушения. Среди таких операций широко распространены плющение (при получении хлопьев) и дробление (в производстве комбикормов). В первом случае зерно деформируют пропусканием между вращающимися валками, что в соответствии с классификацией схем нагружения относится к процессу раздавливания [1]. Дробление зерна в молотковых дробилках, применяемых в комбикормовой промышленности, ближе всего к схеме свободного удара. Характер нагрузок в этих операциях различен: при плющении скорость деформаций достигает 5 м/с, при свободном ударе эта величина на порядок выше и нагрузка носит явно динамический характер.

В последнее время в пищевой и комбикормовой промышленности получает распространение термообработка зерна инфракрасным ИК-облучением [2).

Различная степень воздействия на зерно ИК-облучения определяет и различные внешние изменения при прямом наблюдении. Таковым может быть увеличение зерна в объеме. В процессе облучения в некоторый момент слышен характерный звук (щелчок), свидетельствующий о том, что в оболочках зерна образуется трещина, из которой эндосперм в виде пористой массы выходит за пределы объема зерна. Учитывая кратковременность этого процесса и сопутствующие ему внешние эффекты, назовем его «взрывом» зерна. Момент «взрыва» легко фиксируется во времени.

Анатомически зерно разделяется на три главные части: эндосперм, зародыш и окружающие их оболочки [3]. Основную массу составляет эндосперм (50—85%), который состоит из крахмальных гра^ нул диаметром порядка 20 мкм (существенно зависит от вида зерна). Промежуток между ними полностью или частично заполнен белковыми веществами, образующими матрицу (каркас) для гранул.

Оболочки зерна (плодовая и семенная), выполняя функции защиты зародыша и эндосперма от внешних, в том числе и механических воздействий, имеют толщину порядка 10—120 мкм, относительно плотную структуру и обладают упругостью и прочностью.

Оболочка является основным источником пищевых волокон — клетчатки, важное значение кото-

рой в пищеварительной деятельности человека особо отмечается в последнее время.

Учитывая проникающий характер ИК-излучения и слоистую структуру зерна, включающую компоненты с различными теплофизическими и терморадиационными характеристиками (в том числе влагу), можно утверждать, что при ИК-нагреве, вследствие его неравномерности и линейного расширения компонент, а также внутреннего испарения влаги в капиллярно-пористой системе зерна, возникают термические напряжения, которые стремятся релаксироваться.

Кинетика изменения геометрических параметров зерна, характер разрушения и выброс паровоздушной смеси, наблюдаемый при разрыве оболочек, позволяют предположить, что основным механизмом «взрыва» является формирование избыточного давления парогазовой смеси, которое быстро возрастает при нагреве зерна. При достижении напряжений разрушающей величины возникают макротрещины и происходит «взрыв», т.е. давление релаксируется до атмосферного. Эндосперм разрыхляется за счет расширения и образования новых микропор, наблюдается упругопластическая деформация оболочек и их разрыв, что приводит к снижению плотности зерна.

Вместе с тем под влиянием температуры, высокого давления, паров воды и кислорода происходят изменения на микро- и субмикроуровне — разрушение крахмальных гранул и молекул крахмала. Деструктивные (механические) явления и повышенная температура способствуют изменению биохимических свойств крахмала путем гидролиза, клейстеризации, декстринизации, а также инактивации ферментов и денатурации белков.

Таким образом, воздействие ИК-излучения приводит к изменениям биохимических, физико-механических свойств и бактериологических параметров зерна, что существенно для его последующей обработки и вторичного разрушения.

Сравнительную оценку геометрических параметров и механических свойств зерна проводили на примере ячменя — одной из самых распространенных зерновых культур. Время Я/С-облуче»ия г представлено относительной безразмерной величиной т0:

«-£•

где хв — среднее (по 7—15 зернам) время облучения до «взрыва».

Изменение механических свойств зерна в квази-статическом режиме нагружения в процессе раз-

давливания оценивали относительной жесткостью зерна Со, рассчитываемой по соотношению:

С - ^

Со~ Сі

где

средняя жесткость зерен до ИК-обработки и после определенного времени облучения.

Жесткость конкретного зерна определяли методом средних по эмпирической кривой нагружения как отношение среднего приращения усилия при сжатии к среднему приращению абсолютной де-

^ормации (на интервал деформаций I = 0,1 — ,0 мм).

С- —

‘ \ ” Д/ ’ ’ " где А Я, А/ — среднее приращение усилия и абсолютной деформации.

Ограничение по интервалу деформации вызвано нелинейностью деформационной кривой. На указанном интервале зависимость близка к линейной.

Значение жесткости оценивалось как среднее по 5—7 образцам.

Помимо безразмерного времени облучения в качестве варьируемого параметра была принята

[4]. Эксперименты проводили с ячменем исходной влажности 10—12% до и после Я/С-обработки до «взрыва». Установка позволяла варьировать скорость абсолютной деформации в диапазоне I' = = 5—40 м/с.

При различных скоростях деформации осциллограф (с запоминающей трубкой) фиксировал осциллограммы усилий на зерне Р ( т ), измеряемые во времени. Сброс усилия в некоторой точке А объяснялся образованием первой трещины в зерне, нарушающей его несущую способность. Значение нагрузки принималось за характеристику прочности зерна.

Рис. 1

влажность необработанного зерна, задаваемая в диапазоне 5,9%^ 31.0% .

Н‘а рис. 1 представлено влияние безразмерного времени облучения на относительную жесткость ячменя при влажности, %:®(5,9); + (12); А(21,9); х (29,6) (плотность потока излучения 26 кВт/м ). Очевидно, что эффект воздействия излучения начинает существенно проявляться только при т0 > 0,5. Результат воздействия ИК-излучения на жесткость тем значительнее, чем меньше влажность. Отклонение от единой кривой наблюдается при V? > 21,9%, аналогично данным для толщины зерна. При № > 20% влияние ///(-обработки на жесткость следует признать незначительным.

Оценку свойств зерна при динамическом нагружении проводили на установке ИД-10, модернизированной для реализации схемы раздавливания

Г.9.П

мак^

СІК.Н

На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости Ра от скорости абсолютной деформации /’для необработанного (в: й7 = 10—12%) и «взорванного» (х) ячменя. Видно, что усилие Ра, соответствующее образованию первой трещины, у обработанного зерна всегда меньше, чем у необработанного. С ростом скорости деформации Ра возрастает по величине.

Полученные данные позволяют определить параметры несложной реологической модели, например, Кельвина—Фойга. В переменных «усилие— абсолютная деформация» модель имеет вид:

• Р - С1 + ц1',

где С — коэффициент упругости (жестко-

сти),

ц — коэффициент вязкости.

Оценку параметров реологической модели зерна проводили по методу средних (таблица).

С

единой оіни до Ль СК&-15 .г' —

кикл/ю* )иал ос-(ряимыс Течке А

Ы З ЗЄр-

і Зиачс' ;тсі ику

Н ЦЄ :іЗ-фМДЦНЙ Н *ЬЗЛр-

Іі, сяот-Ь. У об-іїсбіабо-

.1 ЙГ.ірЯ-ШЬ Г.3-

Іі-іпри-іилке—

;«т.7 ки ' н зерна

Таблица

Остаточное

Зерно 4 С, Ч/м (і. (Н сум среднеквад- ратичное отклонение °р.И

Необработанное 7,6-105 5,2 20

Обработанное ИК-изл учением 8.6-101 3.9 7.6

Рассмотренные характеристики в какой-то мере отражают свойства зерна в начальной стадии разрушения при деформации сжатия и дают представление о его возможном поведении при измельчении. Однако более полные сведения можно получить только прямым экспериментом.

Такие данные были получены на экспериментальной установке типа пневмопушки, реализующей нагружение по типу свободного удара. Варьируя скорость и число ударов, можно имитировать процессы, характерные для молотковых дробилок

[5). Отношение массы остатка на сите заданного диаметра к исходной массе после рассева измельченного продукта (сход) характеризует свойства зерна в процессе измельчения. Зависимость Т7 от времени ИК-облучения для исходной влажности ячменя № = 13% и скорости удара 40 м/с (при различных диаметрах сит О, числе ударов N м плотности потока излучения Е = 14—32 кВт/м ) представлена на рис. 3 (/ — О = 2 мм, N = 3,2 — 0 = 2 мм, Лг = 4; 3 — О = 3 мм, N = 4).

Разупрочняющий эффект Я/С-обработки прояв-

Рис. 3

ляется при т0 > 0,5. При т0 = 0,3 Р достигает максимума. Видимо, в начальной стадии облучения влага в зерне перераспределяется. Происходит

обогащение внутренних слоев за счет оболочек и алейронового слоя. Эндосперм приобретает дополнительную пластичность, а оболочки — прочность и жесткость [6]. В результате в целом конструкция зерновки становится более трудноизмельчаемой.

Влияние ЯА'-термообработки на энергозатраты в процессе измельчения в зависимости от скорости удара показано на рис. 4.

Удельный расход энергии на измельчение поло-

вины навески рассчитан по формуле:

£у= 0.5Л'„2, где V — скорость удара.

Приведены зависимости для необработанного ячменя различной влажности ( кривые /, 2: О — 3 мм; № — 13 и 9% соответственно), а также Я/(-термообработанного — без и с послед^чощим увлажнением (кривые 3, 4: £> = 2,5 мм; Ш — 6 и 14% соответственно). Как видно, энергозатраты на измельчение после ///(-обработки снижаются более чем в 10 раз. Однако искусственное или естественное (в результате хранения) увлажнение обработанного зерна практически сводит этот эффект на нет. Более того, при неоптимальном выборе скорости эффект может получиться отрицательным.

ВЫВОДЫ

При деформировании зерна ячменя раздавливанием при различных скоростях абсолютной деформации I' = 0—40 м/с прочностные свойства, оцениваемые по усилиям абсолютной деформации, соответствующим появлению трещин, возрастают с ростом скорости деформации.

Влияние Я/С-термообработки на разупрочнение зерна в диапазоне плотностей потока излучения 14—28 кВт/м2 становится существенным при относительном времени облучения ТО > 0,5.

В результате Я/С-термообработкн жесткость и вязкость зерна снижаются. Уменьшается в 2—4 раза усилие, наблюдаемое в момент появления первой трещины. Обработанное зерно легче подда-

ется измельчению свободным ударом, что на оптимальных режимах позволяет снизить энергозатраты в 10 раз.

ЛЙТЕРАТУРА

1. Болдырев В. В. Экспериментальные методы в

механике твердых неорганических вешеств. — Новосибирск: Науки. 1983. — 65 с.

2. Глебов В. А.. К и р а к о с я н Ю. Р., Зверев

С. В.. К и р д я ш к и н В. В., Т ю р е в Е. Г1. Применение /^-излучения для обработки зерновых компонентов ком бнкормов: Информ. сб. Науч.-техн. достижения и пере довой опыт в отрасли хлебопродуктов. — М.: ЦНИИТЭ-

Ихлебопродуктов. — 1990. — Вып. 1. — С. 17—24

3. Егоров Г. А. Влияние тепла и влаги на процессы переработки и хранения зерна. — М.: Колос, .1973. — 264 с.

4. А с т а х о в М. М.. Голенченко А. Н . Логинов А. В., Л а ш м а н о в Л. Н. Магнитно-импульсная установка для скоростных испытаний материалов // Заводская лаборатория. — 1990. — .V? 12. — С. 98—100.

5. Глебов Л. А., 3 в е р е в С. В.. Г л е б о в В. А. Совершенствование процесса измельчения компонентов комбикормов: Обзорн. информ.. Сер. Комбикорм, пром-

-- М.: ЦНИИТ.ЭИхлебопродуктов. — 1988. — об с.

ь Наумов А. И. Совершенствование кондиционирования и и'.мельчения пшеницы и риса. — М.: Колос. 1975. — I 76 с.

Кафедра физики

Поступила 0! .02.93

664.655.041

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛОТЕРМИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ПЕЧЕЙ

С.Д ДУДКО

Киевский технологическии институт пищевой промышленности

Одной из актуальных задач при совершенствовании энергоемких агрегатов, к которым относятся и хлебопекарные печи, является повышение их экономичности путем оптимизации конструкции нагревательной системы и режима ее работы Ранее с помощью вычислительного эксперимента исследованы некоторые особенности работы нагревательной системы с рециркуляцией продуктов сгорания, показана адекватность разработанной математической модели [1].

Задача настоящей работы — на модели элементарного циклотермического контура канальной печи изучить зависимость расхода топлива от ряда параметров, которые в наибольшей мере доступны контролю и регулированию при эксплуатации печи, а также могут быть учтены в конструкции печи на стадии ее создания Полученные зависимости расхода топлива в циклотермическом контуре от температуры газов в камере смешения, высоты греющего канала и содержания водяного пара в продуктах сгорания представлены на рисунке. Необходимые исходные данные, как количество теплоты, передаваемое в пекарную камеру, геометрические параметры греющего канала, коэффициенты расхода воздуха в топке и уходящих газах и другие, взяты из опыта эксплуатации реальных печей. Для лучшей сопоставимости на рисунке изображены кривые, полученные при одинаковом значении исходных данных и одном виде топлива — природном газе

Известно, что смешение газов с различной температурой, имеющее место при рециркуляции, — необратимо и сопровождается ростом энтропии,

т.е. потерей качества тепловой энергии. Частично эту потерю компенсирует рециркуляционный вентилятор, сообщающий газовому потоку дополнительную механическую энергию Количественное выражение их соотношения иллюстрирует кри-

3 З І і * Чьо/пія*

вая I. Ее характер дает основание предположить, что при повышении температуры в камере смешения до температуры в топке и соответствующем уменьшении коэффициента рециркуляции до нуля расход топлива будет минимальным. Максимальный расход топлива наблюдается при температуре газов на входе в греющий канал порядка 500°С. Из