СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОБЛУЧЕННОСТИ ДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETERMINING SCALAR ENERGY IRRADIANCE OF DISPERSED FOOD MATERIALS

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к мукомольной, пищеконцентратной, крупяной и зерноперерабатывающей отраслям, и может быть использовано при управлении процессом тепловой обработки плоских изделий и плоских насыпных слоев дисперсных пищевых материалов, а именно зерна, крупы, муки.
2
Известен способ определения пространственной энергетической облученности, заключающийся в том, что берут медную пластину квадратного сечения 10×10 мм, на поверхности которой с одной стороны равномерно наносят зачерненный синтетический лак тонким слоем, с другой стороны в центре поверхности припаивают термопару серебряным припоем. Устанавливают пластину перпендикулярно падающему лучистому потоку, таким образом, что припаянная термопара находится снизу под медной пластиной. Медная пластина, покрытая слоем лака, поглощает падающее на нее инфракрасное (ИК) излучение, нагревается до температуры, при которой мощность, рассеиваемая излучением, теплопроводностью и конвекцией, будет равна поглощенной мощности. Таким образом, выходная величина приемника ИК-излучения (медная пластина + припаянная к ней термопара) пропорциональна интегральной мощности падающего на медную пластину лучистого потока, в результате чего определяется пространственная энергетическая облученность.
Недостатком способа является то, что измерения осуществляются косвенным методом и измеренное температурное поле облучаемого объекта не может дать полного представления об интенсивности ИК-излучения падающего лучистого потока. Недостатком также является то, что степень черноты (коэффициент поглощения зачерненной поверхности пластины) зависит от длины волны в ИК-диапазоне, то есть зависит от спектрального состава ИК-излучения, в результате чего погрешность измерения недопустима велика. Также недостатком является значительная тепловая инерция приемника излучения - стабилизация температуры происходит в течение нескольких минут (А.С.Гинзбург. Инфракрасная техника в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1966 г., с.122).
Наиболее близким по техническому результату является способ определения пространственной энергетической облученности, заключающийся в том, что осуществляется непосредственное измерение падающего лучистого потока специальным прибором - балансомером, в котором под действием ИК-излучения возникает электрический ток, величина которого регистрируется гальванометром. Шкалу гальванометра градуируют путем сравнения с показаниями абсолютного (эталонного) тела.
Недостатком данного способа является невысокая точность измерения, обусловленная тем, что на температуру облучаемого объекта воздействуют конвективные потоки окружающей среды, а также то, что спектральные полусферические и оптические характеристики облучаемого объекта изменяются в результате ИК-нагрева (А.С.Гинзбург. Инфракрасная техника в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1966 г., с.123).
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности регулирования и точности контроля качественных показателей. Техническим результатом данного изобретения является увеличение выхода целевого продукта, повышение качества и равномерности обработки и снижение удельных энергозатрат при осуществлении технологических процессов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения пространственной энергетической облученности дисперсных пищевых материалов осуществляют подготовку дисперсных пищевых материалов путем очистки и увлажнения до достижения равновесной влажности, формирование образца плоского насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость, определение спектральных полусферических и оптических характеристик облучаемой поверхности, облучение поверхности дисперсного пищевого материала ИК-энергией, измерение температуры окружающей среды и облучаемой поверхности, обдувание облучаемой поверхности для удаления паровоздушной среды, измерение и регулирование температуры, скорости и расхода воздуха, обдувающего облучаемую поверхность, измерение параметров распределения температурного поля в центре частиц дисперсного пищевого материала, измерение плотности распределения падающего лучистого потока на облучаемой поверхности и по указанным параметрам осуществление расчета значений пространственной энергетической облученности.
Подготовка дисперсных пищевых материалов необходима для удаления сорных примесей и включений, а также для определения исходной влажности.
Формирование образца плоского насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость необходимо для задания конкретных геометрических условий и создания модели плоской пластины (плоского насыпного слоя).
Определение спектральных полусферических и оптических характеристик облучаемой поверхности необходимо для определения рационального типа ИК-генератора и определения диапазона ИК-спектра, в котором идет максимальное поглощение ИК-энергии конкретным видом дисперсного пищевого материала.
Измерение температуры окружающей среды, дистанционное измерение температуры облучаемой поверхности, измерение параметров распределения температурного поля в центре зерновок необходимо для повышения точности измерения путем сведения к минимуму погрешности измерения температуры, возникающей вследствие ИК-нагрева. Измерение и регулирование температуры, скорости и расхода воздуха, обдувающего облучаемую поверхность, необходимо для удаления паровоздушной среды, препятствующей распространению ИК-излучения, а также для установления оптимальных режимных параметров таким образом, чтобы скорость потока воздуха не превысила критического значения, выше которого произойдет смещение плоских изделий или отрыв от поверхности дисперсных частиц в случае насыпного слоя.
Измерение плотности распределения падающего лучистого потока необходимо для установления степени равномерности ИК-нагрева облучаемой поверхности дисперсного пищевого материала и расчета значений пространственной энергетической облученности.
Способ определения пространственной энергетической облученности дисперсных пищевых материалов осуществляют следующим образом.
Осуществляется подготовка дисперсных пищевых материалов, заключающаяся в удалении сорных примесей и включений. После чего дисперсный пищевой материал взвешивается на электронных аналитических весах для определения массы навески. Далее дисперсный пищевой материал увлажняется до получения требуемой влажности. Воду добавляют с помощью распылителя для обеспечения равномерного увлажнения. После этого увлажненный дисперсный материал помещают в герметичные емкости и выдерживают в течение 72-73 часов при температуре 3-5°С для установления равновесной влажности. После этого с помощью влагомера измеряют действительную влажность дисперсного пищевого материала, вторично взвешивают и распределяют по навескам. Формируют опытный образец насыпного слоя одинаковой высоты по всему объему путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость заданной геометрической формы в виде прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 0,1-0,2:1,0-1,2:2,0-2,2=а:b:с, где а - высота, b·с - площадь основания параллелепипеда. Данное соотношение сторон обусловлено моделью плоской пластины. Определение спектральных полусферических характеристик - пропускательной, отражательной и поглощательной способностей, а также спектральных оптических характеристик - коэффициентов эффективного ослабления, поглощения и рассеяния «назад» дисперсного пищевого материала осуществляют с помощью автоматизированного двухлучевого спектрофотометра СФ-256 УВИ в заданном диапазоне спектра по известной методике.
Температуру окружающей среды измеряют с помощью термопары. Температуру облучаемой поверхности образца дисперсного пищевого материала измеряют дистанционно с помощью неконтактного инфракрасного пирометра.
Измерение и регулирование температуры, скорости и расхода воздуха, обдувающего облучаемую поверхность, осуществляют с помощью автоматизированной термоэлектрической системы, состоящей из вентилятора, электрического нагревателя, расходомера, термопар и управляющей системы, позволяющей регулировать указанные параметры в заданном диапазоне.
Измерение температурного поля в центре зерновок осуществляют с помощью микротермопар, заделываемых в центр зерновок.
Измерение параметров распределения температурного поля в центре частиц дисперсного пищевого материала и падающего лучистого потока на облучаемой поверхности образца дисперсного пищевого материала осуществляют по следующей схеме. На облучаемой поверхности образца дисперсного пищевого материала визуализируют Декартову координатную сетку, состоящую из одинаковых квадратных сегментов. Измерения осуществляют в вершинах квадратных сегментов, покрывающих всю облучаемую поверхность. Длина ребра квадратного сегмента обусловлена конструктивным исполнением датчиков температуры и падающего лучистого потока, а также необходимостью формирования значительных термических сопротивлений между точками измерения с целью обеспечения высокой точности измерения. Осуществляют измерения температуры на облучаемой поверхности, температуры в центре частиц дисперсного пищевого материала и падающего лучистого потока, по указанным параметрам осуществляют расчет значений пространственной энергетической облученности на поверхности образца дисперсного пищевого материала по следующей формуле:
h - расстояние между ИК-генераторами и нагреваемой поверхностью слоя зерна (заданная величина), [м];
λ
А - спектральная поглощательная способность слоя (известная величина), отн. ед.;
2
q - величина падающего лучистого потока на поверхности плоского слоя (известная величина), [Вт/м];
L - расстояние между ИК-генераторами, равное ширине рефлектора х (заданная величина), [м];
c
t - температура окружающей среды (известная величина), [K];
2
α - коэффициент конвективного теплообмена (справочная величина), [Вт/(м·К)];
п
t - температура на поверхности плоского слоя (известная величина), [K];
Р - мощность ИК-генератора (заданная величина), [Вт];
λ - коэффициент теплопроводности окружающего воздуха (справочная величина), [Вт/м·К].
3
λ
λ
λ
λ
λ
Пример 1. Определение пространственной энергетической облученности на плоской поверхности образца зерна рядового ячменя. Осуществляют подготовку зерна. Определяют равновесную влажность - 12,5%, насыпную плотность 650 кг/м, массу навески - 0,475 кг. Зерно рядового ячменя засыпается в емкость в виде прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 15,4:154,0:308,0 мм. Температура окружающей среды 20,0°С. С помощью автоматизированного двухлучевого спектрофотометра СФ-256 УВИ в заданном диапазоне спектра 0,4-5,0 мкм определяют спектральные полусферические характеристики - пропускательную Т, отражательную R и поглощательную A способности, а также спектральные оптические характеристики - коэффициенты эффективного ослабления L, поглощения  и рассеяния «назад» S зерна рядового ячменя методами одновременного измерения в области спектра 0,4-1,4 мкм и зеркальной полусферы в области спектра 1,4-5,0 мкм. После чего образец с зерном рядового ячменя помещают под тепловой блок, состоящий из 2-х ИК-генераторов типа КГТ-1350-1 с индивидуальными параболическими рефлекторами со следующими геометрическими характеристиками: ширина рефлектора х=0,077 м, высота рефлектора у=0,027 м, фокусное расстояние f=0,017 м. Мощность ИК-генератора Р=1350 Вт. Температура окружающей среды 20°С. Плотность падающего лучистого потока измеряется на расстоянии h=0,35 м от ИК-генератора до облучаемой поверхности дисперсного пищевого материала. ИК-генераторы расположены в одной плоскости, шаг между ИК-генераторами 0,090 м.
Образец с рядовым ячменем устанавливается относительно теплового блока с ИК-генераторами таким образом, чтобы направляющая падающего лучистого потока была перпендикулярна облучаемой поверхности образца.
3
Осуществляют измерение и регулирование температуры в диапазоне 20-25°С, скорости 0,8-1,2 м/с, расхода 10,0-16,0 м/ч воздуха, обдувающего облучаемую поверхность.
2
Осуществляют измерение параметров распределения температурного поля в центре зерновок верхнего монослоя образца с помощью микротермопар. Измерение падающего лучистого потока на поверхность образца рядового ячменя площадью 150×300 мм осуществляют с помощью датчиков лучистого потока в вершинах квадрантов визуализированной Декартовой координатной сетки с длиной ребра 30 мм по указанной выше схеме. Определяют пространственную энергетическую облученность на поверхности образца рядового ячменя. Погрешность измерения по данному способу составит 1,5%.
Таблица 1
Спектральные полусферические (A<sub>λ</sub>, R<sub>λ</sub>, Т<sub>λ</sub>) и оптические (L<sub>λ</sub>, <img file="00000003.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />,S<sub>λ</sub>) характеристики рядового ячменя с влажностью W=11,8%, толщина слоя 15,4 мм
λ, мкм
R<sub>λ</sub>, %
Т<sub>λ</sub>, %
L<sub>λ</sub>x10<sup>-3</sup>, м<sup>-1</sup>
S<sub>λ</sub>×10<sup>-3</sup>, м<sup>-1</sup>
<img file="00000003.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />×10<sup>-3</sup>, м<sup>-1</sup>
0,4
8,1
0,7
1,700
0,4143
1,3350
0,5
21,4
1,8
1,370
0,5157
0,9481
0,6
36,8
3,9
1,076
0,6181
0,4787
0,7
46,8
8,1
0,790
0,8139
0,3202
0,8
58,6
10,4
0,649
0,9827
0,1946
0,9
60,2
11,4
0,595
1,0940
0,1506
1,0
58,2
11,0
0,611
1,1620
0,1508
1,1
54,1
11,5
0,601
1,2650
0,1357
1,3
44,9
9,8
0,710
1,0053
0,2254
1,5
42,8
7,0
0,861
0,6797
0,4176
1,7
45,0
6,9
0,857
0,7639
0,3841
1,9
32,6
5,1
0,993
0,7169
0,5622
2,0
35,2
5,4
0,967
0,6478
0,5161
2,1
31,5
5,3
0,983
0,5433
0,5797
2,3
27,4
4,4
1,053
0,5413
0,6426
2,5
21,8
4,1
1,087
0,4020
0,7569
2,7
17,3
4,7
1,046
0,2744
0,8069
2,8
8,2
6,9
0,920
0,1266
0,8142
3,0
10,0
4,6
1,042
0,1107
0,9371
4,0
14,5
4,0
1,100
0,3625
0,8383
4,5
16,6
4,7
1,046
0,3412
0,7590
5,0
16,0
4,1
1,090
0,3136
0,8206
Поглощательная способность А<sub>λ</sub> определяется по закону Кирхгофа A<sub>λ</sub>=1-(T<sub>λ</sub>+R<sub>λ</sub>)
3
λ
λ
λ
λ
λ
Пример 2. Определение пространственной энергетической облученности на плоской поверхности, состоящей из зерна гречневой крупы. Осуществляют подготовку крупы. Определяется равновесная влажность 14,7%, насыпная плотность 720 кг/м, масса навески 0,521 кг. Крупа засыпается в емкость в виде прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 15,4:154,0:308,0 мм. Температура окружающей среды 20°С. С помощью автоматизированного двухлучевого спектрофотометра СФ-256 УВИ в заданном диапазоне спектра 0,4-5,0 мкм определяют спектральные полусферические (T, R, А) и оптические (L, , S) характеристики слоя гречневой крупы методами одновременного измерения в области спектра 0,4-1,4 мкм и методом зеркальной полусферы в области спектра 1,4-5,0 мкм.
2
После чего образец с крупой гречневой помещают под тепловой блок, состоящий из 2-х ИК-генераторов типа КГТ-1350-1 с индивидуальными параболическими рефлекторами со следующими геометрическими характеристиками: ширина рефлектора х=0,077 м, высота рефлектора у=0,027 м, фокусное расстояние f=0,017 м. Мощность ИК-генератора Р=1350 Вт. Температура окружающей среды 20°С. Плотность потока излучения (энергетическая светимость) данного типа ИК-генератора составляет 20 кВт/м. Плотность падающего потока (энергетическая освещенность) измеряется на расстоянии h=0,35 м между ИК-генератором и облучаемой поверхностью. ИК-генераторы в тепловом блоке находятся на одной плоскости, шаг между ИК-генераторами 0,090 м.
Образец с гречневой крупой устанавливается относительно теплового блока с ИК-генераторами таким образом, чтобы направляющая падающего потока ИК-излучения была перпендикулярна облучаемой поверхности образца.
3
Осуществляют измерение и регулирование температуры в диапазоне 20-25°С, скорости 0,8-1,2 м/с, расхода в диапазоне 10,0-16,0 м/ч воздуха, обдувающего облучаемую поверхность образца.
2
Осуществляют измерение параметров распределения температурного поля в центре зерновок верхнего монослоя образца и падающего лучистого потока от теплового блока с ИК-генераторами на облучаемой поверхности образца гречневой крупы на следующей площади 150×300 мм в вершинах квадрантов правильной Декартовой координатной сетки с длиной ребра 30 мм (0,03 м). Погрешность измерения по данному способу составит 1,5%.
Таблица 1Спектральные полусферические (А<sub>λ</sub>, R<sub>λ</sub>, T<sub>λ</sub>) и оптические (L<sub>λ</sub>, <img file="00000005.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />,S<sub>λ</sub>) характеристики гречневой крупы с влажностью W=14,7%, толщина слоя 15,4 мм
λ, мкм
R<sub>λ</sub>, %
Т<sub>λ</sub>, %
L<sub>λ</sub>×10<sup>-3</sup>, м<sup>-1</sup>
S<sub>λ</sub>×10<sup>-3</sup>, м<sup>-1</sup>
<img file="00000005.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />×10<sup>-3</sup>, м<sup>-1</sup>
0,4
7,7
1,2
1,2149
0,2655
0,9780
0,5
11,6
1,0
1,2755
0,2919
1,0165
0,6
25,0
1,5
1,1497
0,5719
0,7121
0,7
38,8
2,2
1,0218
0,7798
0,5055
0,8
53,0
3,4
0,8598
1,0335
0,3107
0,9
59,9
4,7
0,7297
1,2934
0,1916
1,0
61,9
5,5
0,6632
1,4816
0,1516
1,1
62,8
5,3
0,6560
1,7784
0,1171
1,3
62,4
5,8
0,6354
1,6533
0,1178
1,5
46,9
4,9
0,7618
1,2054
0,2205
1,7
46,1
5,4
0,7356
1,0277
0,2361
1,9
40,9
5,2
0,7677
0,8045
0,3075
2,1
34,1
5,2
0,7860
0,6447
0,3793
2,3
32,7
5,2
0,7880
0,6171
0,3837
2,5
24,1
4,8
0,8243
0,4925
0,4677
2,7
23,3
6,4
0,7496
0,3293
0,4894
3,0
9,5
5,9
0,7829
0,1906
0,6151
4,0
16,2
4,0
0,8851
0,3628
0,5937
4,5
20,8
5,4
0,7982
0,3454
0,5189
5,0
18,6
3,8
0,8968
0,4442
0,5631
2
2
Пример 3. Способ определения пространственной энергетической облученности осуществляли по прототипу. В качестве источника инфракрасного излучения был выбран генератор типа КГТ-1350-1 с индивидуальным параболическим рефлектором со следующими геометрическими характеристиками: ширина рефлектора х=0,077 м, высота рефлектора у=0,027 м, фокусное расстояние f=0,017 м. Мощность ИК-генератора: Р=1350 Вт. Длина ИК-генератора 308 мм. Температура окружающей среды 28,5°С. Плотность потока излучения (энергетическая светимость) данного типа ИК-генератора составляет 20 кВт/м. Падающий лучистый поток измеряется балансомером на расстоянии h=0,35 м от ИК-генератора до облучаемой поверхности. Балансомер устанавливается таким образом, чтобы направляющая падающего лучистого потока была перпендикулярна принимающей поверхности балансомера. Под действием падающего лучистого потока в электрической схеме балансомера возникает электрический ток I=0,6 мА, который регистрируется гальванометром. Величина силы тока пропорциональна величине падающего лучистого потока и в данном случае составит q=1,0 кВт/м. Погрешность измерения по данному способу составит 10%.
Пример 4. Были проведены исследования поля энергетического облучения на поверхности плоского образца, состоящей из муки пшеничной. Точность определения составила 1%, что в 10 раз выше, чем в примере 3.
Были получены данные по спектральным полусферическим и оптическим характеристикам зерна рядового ячменя и гречневой крупы, данные по распределению температуры на поверхности плоского слоя зерна в центре зерновок, данные по распределению падающего лучистого потока на поверхности плоского слоя зерна и крупы, которые были использованы при управлении технологическим процессом термообработки зерна, крупы при ИК-энергоподводе.
Мерой эффективности управления технологическим процессом является выход целевого продукта - производительность по зерну и величина удельных энергозатрат, а показатель качества - равномерность распределения температуры в центре зерновки и на поверхности образца, а также равномерность распределения лучистого потока на облучаемой поверхности.
В случае когда пространственная энергетическая облученность была определена по прототипу, показатели технологического процесса следующие: выход целевого продукта 210 кг/ч, удельные энергозатраты 140 кВт·ч/т.
В случае когда поле энергетического облучения было определено по предложенному способу, показатели технологического процесса следующие:
- выход целевого продукта 240 кг/ч (по зерну),
- удельные энергозатраты 115 кВт·ч/т,
- равномерность распределения температуры по поверхности зерна более 85%,
- равномерность распределения температуры в центре зерновок более 90%,
- равномерность распределения лучистого потока на облучаемой поверхности более 90%.
Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность регулирования технологического процесса, мерой которого является выход целевого продукта, и повысить точность контроля качественных показателей за счет более высокой точности и надежности средств измерения температуры, а также улучшить по сравнению с прототипом качественные показатели:
- увеличить выход целевого продукта на 14,3%,
- снизить удельные энергозатраты на 21,7%,
- увеличить равномерность распределения температуры по поверхности зерна на 85%,
- увеличить равномерность распределения температуры в центре зерновок на 90%,
- увеличить равномерность распределения лучистого потока на облучаемой поверхности на 90%, что повысит однородность и качество обработки зерна.