СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ПОГЛОЩАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
METHOD FOR DEFINITION OF INTEGRAL ABSORPTION CAPACITY OF DISPERSIVE FOOD PRODUCTS

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к мукомольной, пищеконцентратной, крупяной, кондитерской, хлебобулочной, крахмало- и сахароперерабатывающим отраслям, и может быть использовано при управлении процессом тепловой обработки дисперсных пищевых продуктов, а именно зерна, крупы, муки, крахмала, сахара-песка и соли.
Известен способ определения интегральной поглощательной способности дисперсных пищевых продуктов, заключающийся в том, что формируют опытный образец в виде тонкого слоя одинаковой толщины. Верхнюю поверхность образца облучают непрерывным потоком инфракрасной энергии. На нижнюю поверхность образца устанавливают фотодатчик, регистрирующей прошедшую долю инфракрасного излучения через толщу образца, т.е. спектральную полусферическую поглощательную способность. Измеряют спектральную величину потока инфракрасного излучения, падающего на верхнюю поверхность образца. Далее величина спектральной полусферической поглощательной способности и спектральная величина падающего потока инфракрасного излучения усредняются по спектру падающего потока инфракрасного излучения от выбранного излучателя и на основании чего по известной методике определяется величина интегральной поглощательной способности дисперсных пищевых продуктов (Ильясов С.Г., Красников В.В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1978, - с.175-178).
Недостатком данного способа является низкая эффективность регулирования и точности контроля качественных показателей вследствие различия условий освещения светочувствительной поверхности фотодатчика, регистрирующего прошедшее через образец инфракрасное излучение. В результате этого возникают значительные погрешности измерения, вызванные тем, что фототок зависит от угла падения прошедшего через образец потока ИК-излучения на светочувствительную поверхность фотодатчика и интегральная чувствительность фотослоя по светочувствительной поверхности фотодатчика распределяется неравномерно (в некоторых случаях хаотически, а в ряде других случаев - с резко выраженным увеличением чувствительности в приконтактной области площади фотослоя).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения интегральной поглощательной способности, заключающийся в том, что формируют опытный образец исследуемого продукта в виде плоского кольца. Источник инфракрасного излучения начинает равномерно вращаться в плоскости, параллельной верхней поверхности неподвижного образца, вдоль окружности образца. В этом случае величина отражаемого потока ИК-излучения, изменяющаяся в зависимости от различных оптических свойств неоднородных частиц дисперсного пищевого продукта, по-разному расположенных относительно падающего ИК-потока, принимает различные при движении образца «осциллирующие» значения. Такое «осциллирующее» отраженное и пропущенное слоем дисперсного пищевого продукта ИК-излучение, попадая на фотодатчики, вызывает в них пульсирующий по величине ток. Усредненные величины пульсирующего тока будут пропорциональны интегральной отражательной и поглощательной способностям, на основании чего по закону Кирхгофа определяется интегральная поглощательная способность дисперсного пищевого продукта (Ильясов С.Г., Красников В.В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1978, - с.180-182).
Недостатком данного способа является низкая эффективность регулирования и точности контроля качественных показателей, обусловленная наличием теплообмена между образцом, окружающей средой, стоками тепла, а также трудностями обеспечения изотермических условий. Недостатком способа является невозможность прямого определения интегральной отражательной способности, т.к. все измерения осуществляются косвенным способом, вследствие чего возникают погрешности, обусловленные усреднением измеренных величин.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности регулирования и точности определения качественных показателей.
Техническим результатом данного изобретения является увеличение выхода целевого продукта и уменьшение времени осуществления технологических процессов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения интегральной поглощательной способности дисперсных пищевых продуктов осуществляют подготовку дисперсных пищевых продуктов, формируют плоский образец насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость. Измеряют температуру окружающей среды. Измеряют температуру продукта на верхней поверхности насыпного слоя. Поддерживают температуру среды вокруг образца на постоянном уровне. Осуществляют непрерывный ИК-нагрев образца до заданной температуры. Осуществляют ИК-облучение верхней поверхности образца насыпного слоя лучистым потоком в осциллирующем режиме. Определяют температурное поле на верхней поверхности и внутри образца в течение ИК-нагрева. Определяют амплитуду колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме. Измеряют величину лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева. Измеряют амплитуду и частоту колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме. Определяют угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме. Рассчитывают интегральную поглощательную способность дисперсных пищевых продуктов по следующей формуле:
0
Е - среднее значение падающего лучистого потока в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, Вт;
-1
ω - частота колебаний падающего лучистого потока, с;
с - теплоемкость образца пищевого продукта, Дж/К;
φ - угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме, град. (рад.);
а
Т - амплитуда колебаний средней температуры образца при ИК-облучении образца в осциллирующем режиме, К;
0
κ - амплитуда колебаний падающего лучистого потока относительно среднего значения Е.
Данная формула была получена автором на основании известных формул при решении задачи о лучистом теплообмене плоской пластины с окружающей средой при граничных условиях 2-го рода (Филатов В.В., Азизов Р.Р. Аналитические исследования теплообмена излучением в рабочих камерах ИК-установок. Теоретический журнал «Хранение и переработка сельхозсырья», Выпуск №11, М., 2008, с.14-16).
Подготовка дисперсных пищевых продуктов необходима для удаления сорных примесей и включений, а также для определения равновесной влажности.
Формирование образца насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость необходимо для того, чтобы задать геометрическую форму образца и определить граничные условия.
Измерение температуры окружающей среды, а также температуры продукта на верхней поверхности насыпного слоя перед ИК-нагревом обусловлено тем, что в результате этого устанавливается информация о законе взаимодействия окружающей среды и поверхности образца насыпного слоя.
Поддержание температуры среды вокруг образца на постоянном уровне позволяет устранить инерционность нагрева и влияние начальных условий на точность определяемых характеристик.
Непрерывный ИК-нагрев образца до заданной температуры обусловлен тем, что сводится к нулю влияние тепловых контактных сопротивлений между образом, источником и стоками тепла вследствие того, что тепловой поток вводится в образец радиационным (неконтактным) путем.
ИК-облучение верхней поверхности образца насыпного слоя лучистым потоком в осциллирующем режиме составляет суть способа и обусловлено тем, что необходимо создать модель нормального падения плоской электромагнитной волны по гармоническому (синусоидальному) закону на плоский образец и его теплообмена с окружающей средой конвекцией и излучением.
Определение температурного поля на верхней поверхности и внутри образца в течение ИК-нагрева обусловлено тем, что необходимо измерять теплосодержание образца, которое изменяется за счет поглощения падающего лучистого потока, отдачи тепла в окружающую среду длинноволновым (отраженным) излучением и конвекцией, а также путем теплопроводности элементов конструкций, поддерживающих образец.
Определение амплитуды колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, измерение лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева, измерение амплитуды и частоты колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме обусловлено тем, что все вышеперечисленные величины являются основными информативными параметрами, на основании которых определяется угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме, в результате чего рассчитывается интегральная поглощательная способность дисперсных пищевых продуктов.
Способ осуществляется следующим образом.
Подготавливают дисперсный пищевой продукт, удаляя из него сорные примеси и включения, после чего взвешивают на электронных аналитических весах и определяют массу. Формируют опытный образец насыпного слоя одинаковой высоты по всему объему путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость. Температуру окружающей среды измеряют с помощью термопары. Измерение температуры продукта на верхней поверхности насыпного слоя осуществляют с помощью дистанционного пирометра. Поддерживают температуру среды вокруг образца насыпного слоя на постоянном уровне и выдерживают образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, поместив емкость с образцом в термостат. Осуществляют непрерывный ИК-нагрев образца до заданной температуры с помощью теплового блока, состоящего из двух ИК-генераторов типа КГТ-220-1000-1 с индивидуальными параболическими рефлекторами с известными геометрическими характеристиками. После того, как образец дисперсного пищевого продукта равномерно прогрелся и достиг заданной температуры, осуществляют ИК-облучение верхней поверхности образца насыпного слоя лучистым потоком в осциллирующем режиме. Осциллирующий режим ИК-облучения образца осуществляется следующим образом. После ИК-нагрева образца тепловой блок с двумя ИК-генераторами типа КГТ-220-1000-1 продолжает работать в непрерывном режиме, а осцилляции лучистого потока осуществляются с помощью лепесткового затвора - плоской, тонкой, металлической пластины, которая периодически полностью экранирует (затеняет) верхнюю поверхность образца от падающего лучистого потока, таким образом, что величина падающего лучистого потока изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону
0
Е - среднее значение падающего лучистого потока, Вт;
0
κ - амплитуда колебаний падающего лучистого потока относительно среднего значения Е;
-1
ω - частота колебаний падающего лучистого потока, с;
τ - текущее время, с.
Определение температурного поля на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева осуществляют с помощью дистанционного пирометра. Определение температурного поля внутри образца в течение ИК-нагрева определяют с помощью батареи микротермопар по известной методике (Филатов В.В. Совершенствование процесса термообработки зерна при инфракрасном энергоподводе. Дисс. к.т.п. М.: Издательский комплекс МГУПП, 2005, - 312 с.). Определение амплитуды колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме также определяют с помощью батареи микротермопар по известной методике с учетом того, что амплитуда колебаний средней температуры образца изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону (Плаксин Ю.М., Филатов В.В. и др. под общ. ред. Филатова В.В. «Основы теории инфракрасного нагрева» /Монография/ Издательский Комплекс МГУПП, 2007, 182 с.).
Измерение величины лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева, а также измерение амплитуды и частоты колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме осуществляют с помощью дифференциального стержневого радиометра по известной методике (Филатов В.В., Азизов P.P. Экспериментальное исследование плотности распределения лучистого потока в термических камерах ИК-установок. Теоретический журнал «Хранение и переработка сельхозсырья». Выпуск №9, М., 2008, с.19-21).
Далее, установив синусоидальные законы колебания лучистого потока инфракрасной энергии и средней температуры образца, определяется угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме при помощи фазометра.
В результате рассчитывается интегральная поглощательная способность дисперсного пищевого продукта по следующей формуле:
0
Е - среднее значение падающего лучистого потока в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, Вт;
-1
ω - частота колебаний падающего лучистого потока, с;
с - теплоемкость образца пищевого продукта, Дж/К;
φ - угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме, град. (рад.);
а
Т - амплитуда колебаний средней температуры образца при ИК-облучении образца в осциллирующем режиме, К;
0
κ - амплитуда колебаний падающего лучистого потока относительно среднего значения Е.
k
1
2
λ
λ
λ
λ
λ
2
Пример 1. Способ определения интегральной поглощательной способности осуществляли по прототипу. Формируют опытный образец из крахмала влажностью 12,1% при t=20°C в виде плоского кольца, засыпая дисперсный пищевой продукт (крахмал) в специальную емкость (кювету) со следующими геометрическими характеристиками d=30 мм, d=50 мм, h=5 мм. Монохроматический поток ИК-излучения, выходящий из выходной щели спектрофотометра СФ-4А через оптическую систему направляется нормально (под углом 90°) к верхней торцевой поверхности кольцевого образца дисперсного пищевого продукта. После этого спектрофотометр вместе с оптической системой начинает равномерно вращаться в плоскости, параллельной верхней торцевой поверхности кольцевого образца дисперсного пищевого продукта, таким образом, что направленный поток ИК-излучения площадью 6×10 мм сканирует верхнюю торцевую поверхность дисперсного пищевого продукта. Диффузно отраженное ИК-излучение от верхней поверхности кольцевого образца крахмала собирается с помощью зеркального эллипсоида и фокусируется на приемной светочувствительной поверхности фотодатчика. Прошедшее ИК-излучение сквозь толщину кольцевого образца дисперсного пищевого продукта также регистрируется вторым фотодатчиком. Возникающие фототоки от 1-го и 2-го фотодатчиков марки ФЭСС-У10 регистрируются с помощью отсчетного устройства УФ-206, измеряющего токи до 1 мкА. В результате чего определяются спектральные полусферические величины поглощения T и отражения R, из которых по закону Кирхгофа А=1-(Т+R) определяется спектральная полусферическая величина поглощения ИК-излучения дисперсным пищевым продуктом. Далее по известной формуле (3) определяется интегральная поглощательная способность
λ
где А - спектральная полусферическая величина поглощения, осредняемая по спектральному составу падающего потока ИК-излучения;
λ
Е - спектральная величина падающего потока ИК-излучения, зависящая от характеристик ИК-генератора и условий облучения дисперсного пищевого продукта.
Результаты расчета интегральной поглощательной способности для крахмала с оптической толщиной слоя 1-5,0 мм для различных типов ИК-генераторов представлены в табл.1.
Таблица 1
Тип ИК-генератора
Интегральная поглощательная способность, А
2КГТ-220-1000-1 с параболическим рефлектором, Т<sub>изл</sub>=2500 К, коэффициент отражения рефлектора R<sub>и</sub>=0,91
0,3
Нихромовая спираль с параболическим рефлектором, Т<sub>изл</sub>=982 К, R<sub>и</sub>=0,48
0,8
Металлическая плитка с параболическим рефлектором, Т<sub>изл</sub>=598 К, R<sub>и</sub>=0,28
0,9
Точность определения интегральной поглощательной способности в данном случае составила ±10%.
3
-1
0
0
Пример 2. Определяли интегральную поглощательную способность крахмала по предложенному способу. Крахмал подвергали очистке путем удаления сорных примесей и включений. Определяли равновесную влажность, которая составила 13,1%, насыпную плотность 650 кг/м и массу навески 1,02 кг. Крахмал засыпали в емкость в виде прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 50:150:210 мм. Температура окружающей среды 20°С. Температура на верхней поверхности образца насыпного слоя 18°С. Поддерживали температуры среды вокруг образца на постоянном уровне. Выдерживали образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, поместив емкость с крахмалом в термостат. Осуществляли непрерывный ИК-нагрев образца до температуры 170°С с помощью теплового блока, состоящего из двух ИК-генераторов типа КГТ-220-1000-1 с индивидуальными параболическими рефлекторами со следующими геометрическими характеристиками: ширина рефлектора х=0,077 мм, высота рефлектора у=0,027 м, фокусное расстояние f=0,017 м. Мощность одного ИК-генератора 1 кВт. ИК-генераторы в тепловом блоке находятся на одной горизонтальной плоскости, шаг между генераторами составляет 0,090 м. Расстояние до облучаемой поверхности 0,35 м. Образец с крахмалов устанавливается относительно теплового блока с ИК-генераторами таким образом, чтобы направляющая падающего потока ИК-излучения была перпендикулярна облучаемой поверхности образца. Определение температурного поля на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева осуществляется дистанционно с помощью ИК-пирометра. Определение температурного поля внутри образца в течение ИК-нагрева, а также определение амплитуды колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме осуществляется с помощью батареи медь-константовых микротермопар по известной методике. Осциллирующий режим ИК-облучения создается периодическим экранированием теплового блока с ИК-генераторами лепестковым затвором (плоской пластиной) таким образом, что величина падающего лучистого потока изменяется по синусоидальному закону Е=Е·(1+κ·sin(ω·τ)), где Е=(2000÷2500) Вт, κ=(1000÷1500), ω=(5÷15) с. Измерение лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева, а также измерение амплитуды и частоты колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме осуществляется с помощью дифференциального стержневого радиометра по известной методике. Далее, установив с помощью дифференциального стержневого радиометра синусоидальные законы колебания лучистого потока инфракрасной энергии и средней температуры образца, измеряется угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме с помощью фазометра. На основании чего рассчитывается интегральная поглощательная способность дисперсного пищевого продукта, в частности крахмала, по авторской формуле (2), табл.2.
Таблица 2
Тип ИК-генератора
Интегральная поглощательная способность крахмала, А
2КГТ-220-1000-1 с параболическими рефлекторами, Т<sub>изл</sub>=2500 К, R<sub>и</sub>=0,91 (коэффициент отражения рефлектора)
0,365
Нихромовая спираль с параболическим рефлектором, Т<sub>изл</sub>=982 К, R<sub>и</sub>=0,48
0,785
Металлическая плитка с параболическим рефлектором, Т<sub>изл</sub>=598 К, R<sub>и</sub>=0,28
0,907
Точность определения интегральной поглощательной способности в данном случае составила ±1%, что в 10 раз выше, чем в примере 1.
Пример 3. Определяли интегральную поглощательную способность хлебной крошки (батон «Нарезной»). Исходная влажность ω=41,3%, толщина слоя 5,0 мм. Все остальные параметры и методика определения, как в примере 2. Результаты расчетов интегральной поглощательной способности для хлебной крошки при облучении различными типами ИК-генераторов представлены в табл.3.
Таблица 3
Тип ИК-генератора
Интегральная поглощательная способность, А
2КГТ-220-1000-1 с индивидуальными параболическими рефлекторами, R<sub>и</sub>=0,91
Т<sub>изл</sub>=2650 К,
0,467
Т<sub>изл</sub>=2450 К
0,521
Нихромовая спираль с параболическим рефлектором,
0,628
Т<sub>изл</sub>=982 К, R<sub>и</sub>=0,48
Металлическая плитка с параболическим рефлектором, Т<sub>изл</sub>=598 К, R<sub>и</sub>=0,28
0,745
Точность определения интегральной поглощательной способности в данном случае составила ±1%, что в 10 раз выше, чем в примере 1.
Были проведены исследования интегральной поглощательной способности зерна, крупы, муки пшеничной, сахара-песка. Точность определения составила ±1%, что в 10 раз выше, чем в примере 1.
Полученные величины интегральной поглощательной способности дисперсных пищевых продуктов были использованы при управлении технологическим процессом их термообработки при инфракрасном энергоподводе.
Мерой эффективности управления технологическим процессом термообработки, в частности крахмала, является выход целевого продукта - производительность по целевому продукту, динамическая вязкость клейстеров, приготовленных из ИК-модифицированных крахмалов, время термообработки, а показатель качества - точность определения интегральной поглощательной способности.
В случае, когда интегральная поглощательная способность была определена по прототипу, показатели технологического процесса следующие:
- выход целевого продукта - 220 кг/ч;
- динамическая вязкость клейстеров, приготовленных из полученных ИК-модифицированных крахмалов - 600 Па·с;
- время ИК-термообработки - 45 мин;
- точность измерения ±10%.
В случае, когда интегральная поглощательная способность была определена по предложенному способу:
- выход целевого продукта - 275 кг/ч;
- динамическая вязкость клейстеров, приготовленных из полученных ИК-модифицированных крахмалов - 10 Па·с;
- время ИК-термообработки - 15 мин;
- точность измерения ±1%.
Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность регулирования технологическим процессом, мерой которого является выход целевого продукта, время процесса и повысить точность контроля качественных показателей за счет более высокой точности и надежности средств измерения. А также улучшить качественные показатели:
- увеличить выход целевого продукта на 25%;
- снизить динамическую вязкость клейстеров, приготовленных из полученных ИК-модифицированных крахмалов (качественный показатель наличия декстринов высшего сорта) в 60 раз;
- время ИК-термообработки снизить в 3 раз;
- точность измерения повысить в 10 раз.