СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
METHOD OF DETERMINING THERMAL AND PHYSICAL CHARACTERISTICS OF DISPERSED FOOD PRODUCTS

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к мукомольной, пищеконцентратной, крупяной, 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 теплофизических характеристик (ТФХ) продуктов, заключающийся в том, что формируют опытный образец исследуемого продукта. Обеспечивают двухсторонний контакт пластины опытного образца - с одной стороны с нагревателем - источником тепла постоянной температуры, с другой стороны с эталоном - пластиной, обладающей известными термическими характеристиками. Измеряют температуру нагревателя, измеряют температуру пластины-эталона и измеряют перепад температуры через пластину исследуемого продукта, измеряют время и скорость нагрева пластины, в результате чего определяют теплофизические характеристики, а именно коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости (Справочник «Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов». Под ред. А.С.Гинзбурга. М.: Пищевая промышленность, 1975 г., с. 50-51).
Недостатком данного способа является низкая эффективность регулирования и точности контроля качественных показателей вследствие инерционности нагрева пластины и влияния начальных условий на точность определяемых характеристик. Недостатком способа является также невозможность определения температуры внутри пластины перед нагреванием, а также определения взаимодействия окружающей среды и поверхности пластины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплофизических характеристик, заключающийся в том, что формируют опытный образец исследуемого продукта. Верхнюю поверхность пластины облучают периодически изменяющимся потоком радиационной энергии в инфракрасном спектре, который вызывает колебания температуры на облучаемой поверхности. Возникающие температурные колебания распространяются по толщине опытного образца, сформированного от верхней к нижней поверхности, где измеряются датчиками температуры. По температурным осциллограммам определяют сдвиг фазы между колебаниями плоских тепловых волн на верхней облучаемой и нижней необлучаемой поверхностях пластины. Зная толщину пластины и сдвиг фазы плоских тепловых волн, определяются теплофизические характеристики («Исследования материалов в условиях лучистого нагрева». Под ред. И.Н.Францевича, Киев, Наукова думка, 1975 г., с.97-98).
Недостатком данного способа является низкая эффективность регулирования и точности контроля качественных показателей, обусловленная наличием теплообмена между пластиной и окружающей средой, стоками тепла, а также трудностями обеспечения адиабатических условий. Данный способ пригоден в основном для определения ТФХ в области высоких температур, так как распространение его на область средних и низких температур наталкивается на трудности, связанные с большим временем установления квазистационарного состояния.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности регулирования и точности определения качественных показателей.
Техническим результатом данного изобретения является увеличение выхода целевого продукта и снижение удельных энергозатрат при осуществлении технологических процессов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения теплофизических характеристик дисперсных пищевых продуктов осуществляют подготовку дисперсных пищевых продуктов, формируют образец насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость, измеряют температуру окружающей среды, измеряют температуру продукта на верхней и нижней поверхностях насыпного слоя, определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя перед облучением, поддерживают температуру среды вокруг образца на постоянном уровне, облучают верхнюю поверхность насыпного слоя коротким импульсом радиационной энергии в инфракрасном (ИК) диапазоне, измеряют плотность лучистого потока радиационной энергии на облучаемой поверхности, определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя после облучения, измеряют время, за которое температура на нижней поверхности насыпного слоя опытного образца достигает максимального значения, и рассчитывают коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости по следующим формулам:
2
где а - коэффициент температуропроводности продукта, м/с;
L - толщина насыпного слоя образца продукта, м;
0,5
τ - время, за которое температура на нижней поверхности насыпного слоя достигнет половины своего максимального значения после облучения, с
3
с·ρ - коэффициент объемной теплоемкости, Дж/(м·К);
mах
2
q - величина лучистого потока в фокальном пятне на облучаемой верхней поверхности образца пищевого продукта, Вт/м;
L - толщина насыпного слоя образца продукта, м;
max
T - максимальная температура на нижней поверхности насыпного слоя после облучения, К;
3
ρ - плотность продукта, кг/м.
Данные формулы были получены авторами на основании известных формул при решении задачи о лучистом теплообмене плоской пластины с окружающей средой при граничных условиях 2-го рода.
Коэффициент теплопроводности (λ) определяется из известного соотношения:
λ=а·с·ρ [Вт/(м·К)]
с - коэффициент удельной теплоемкости, Дж/(кг·К).
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 продукта на верхней и нижней поверхностях образца насыпного слоя и определение температурного поля внутри образца насыпного слоя перед нагревом обусловлены тем, что в результате этого устанавливается информация о законе взаимодействия окружающей среды и поверхностях образца насыпного слоя продукта.
Поддержание температуры среды вокруг образца на постоянном уровне позволяет устранить инерционность нагрева и влияние начальных условий на точность определяемых характеристик,
Облучение верхней поверхности насыпного слоя коротким импульсом радиационной энергии в инфракрасном (ИК) диапазоне с известными характеристиками обусловлено тем, что сводится к нулю влияние тепловых контактных сопротивлений между образцом, источником и стоками тепла. А также тем, что устраняются тепловые потери, обусловленные тем, что тепловой поток вводится в образец радиационным путем и время распространения теплового возмущения в образце, вызванного импульсом радиационной энергии, исчисляется в миллисекундах.
Измерение плотности лучистого потока радиационной энергии на облучаемой поверхности обусловлено тем, что устраняется погрешность, связанная с неравномерностью распределения плотности лучистого потока в фокальном пятне на облучаемой поверхности.
Определение температурного поля внутри образца насыпного слоя после облучения обусловлено тем, что устанавливается температурная динамическая зависимость нарастания температуры по толщине образца во времени, на основании которой определяется коэффициент температуропроводности.
Измерение времени, за которое температура на нижней поверхности образца насыпного слоя достигает максимального значения, а также измерение плотности лучистого потока радиационной энергии на облучаемой поверхности необходимы для определения коэффициента удельной теплоемкости.
Определение коэффициентов температуропроводности и удельной теплоемкости необходимо для расчета коэффициента теплопроводности, который определяется на основании двух последних по известной формуле.
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 образец насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость. Температуру окружающей среды измеряют с помощью термопары. Также измеряют температуру продукта на верхней и нижней поверхностях образца насыпного слоя с помощью неконтактного инфракрасного термометра. Определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя перед облучением с помощью термопар. 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. Облучают верхнюю поверхность насыпного слоя мощным коротким импульсом радиационной лучистой энергии в инфракрасном (ИК) диапазоне с известными характеристиками. Измеряют плотность лучистого потока радиационной энергии в фокальном пятне на облучаемой поверхности с помощью дифференциального стержневого радиометра по известной методике. Определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя после облучения с помощью микротермопар по указанной выше схеме. На основании этого устанавливается температурная динамическая зависимость нарастания температуры по толщине образца во времени. Коэффициент температуропроводности (а) определяется по следующей формуле:
2
где а - коэффициент температуропроводности продукта, м/с;
L - толщина насыпного слоя образца продукта, м;
0,5
τ - время, за которое температура на нижней поверхности насыпного слоя достигнет половины своего максимального значения после облучения, с.
Измеряют время, за которое температура на нижней поверхности насыпного слоя достигнет половины своего максимального значения в результате поглощения образцом импульса радиационной энергии. На основании этого определяется коэффициент объемной теплоемкости (с·ρ) по следующей формуле:
mах
2
q - величина лучистого потока в фокальном пятне на облучаемой верхней поверхности образца пищевого продукта, Вт/м;
L - толщина насыпного слоя образца продукта, м;
max
T - максимальная температура на нижней поверхности насыпного слоя после облучения, К;
3
ρ - плотность продукта, кг/м.
Коэффициент теплопроводности (λ) определяется из известного соотношения: λ=а·с·ρ [Вт/(м·К)]
3
c·ρ - коэффициент объемной теплоемкости, Дж/(м·К);
с - коэффициент удельной теплоемкости, Дж/(кг·К).
Пример 1. Способ определения теплофизических характеристик зерна рядового ячменя осуществляли по прототипу. Формируют опытный образец из зерна рядового ячменя толщиной 15 мм. Верхнюю поверхность опытного образца зерна облучают периодически изменяющимся (осциллирующим) потоком радиационной энергии в инфракрасном (ИК) диапазоне. Для этих целей используют инфракрасный генератор типа КГТ-1000-1 с индивидуальным параболическим рефлектором со следующими геометрическими характеристиками: ширина рефлектора х=0,08 м, высота рефлектора у=0,03 м, фокусное расстояние f=0,02 м. Расстояние от ИК-генератора до поверхности зерна 7 см. Температура на облучаемой поверхности измеряется ИК-пирометром, на нижней поверхности - термопарой. По температурным осциллограммам определяется сдвиг фазы между колебаниями температуры на верхней облучаемой и нижней необлучаемой поверхностях опытного образца.
Коэффициент температуропроводности определяется следующим образом:
L - толщина слоя, м;
φ - сдвиг фаз между колебаниями плоских тепловых волн на верхней и нижней поверхностях образца зерна, отн. ед.;
τ - время, за которое температура на необлучаемой нижней поверхности достигнет своего максимального значения, с.
Коэффициент теплопроводности определяется следующим образом:
2
q - плотность теплового потока на облучаемой поверхности, Вт/м;
mах
ΔТ - максимальный перепад температуры между верхней и нижней поверхностями при ИК-облучении, К;
φ - сдвиг (разность) фаз между колебаниями плоских тепловых волн на верхней и нижней поверхностях образца, отн. ед. Сдвиг фаз φ зависит от толщины слоя и длины волны ИК-излучения.
Коэффициент объемной теплоемкости определяется по известной формуле: c·ρ=λ/а
Измерения ТФХ для зерна рядового ячменя осуществляли в дискретном диапазоне температур: 35, 55, 75, 95°С. Установив перепад температур по толщине слоя и определив сдвиг фаз между колебаниями плоских тепловых волн на верхней и нижней поверхностях образца, рассчитывали коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости, табл.1.
Таблица 1
№ п/п
Температура образца, °С
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
Коэффициент температуропроводности, м<sup>2</sup>/с
Объемная теплоемкость, кДж/(м<sup>3</sup>·К)
1
35
0,074
6,0*10<sup>-8</sup>
1127,4
2
55
0,070
6,2*10<sup>-8</sup>
1059,5
3
75
0,067
6,5*10<sup>-8</sup>
993,8
4
95
0,063
6,8*10<sup>-8</sup>
957,2
На основании данных, представленных в табл.1, были получены температурные зависимости теплофизических характеристик (ТФХ) зерна рядового ячменя, точность определения теплофизических характеристик ±7°С.
3
-3
Пример 2. Определяли теплофизические характеристики зерна рядового ячменя по предложенному способу. Зерно подвергали очистке путем удаления сорных примесей и включений. Определяли равновесную влажность, которая составила 13,1%, насыпную плотность - 650 кг/м и массу навески - 0,62 кг. Зерно засыпали в емкость в виде прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 30:150:210 мм. Температура окружающей среды 20°С. Температура на верхней поверхности образца насыпного слоя 18°С. Поддерживали температуру среды вокруг образца на постоянном уровне. Выдерживали образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, поместив емкость с зерном в термостат. Облучают верхнюю поверхность насыпного слоя мощным коротким импульсом радиационной энергии в ИК-диапазоне. В качестве источника ИК-излучения использовали лабораторный газовый лазер марки ЛГ-78 (ГОСТ 23202-78), который работает в режиме одиночных импульсов, длительность которых составляет 5·10 с. Излучение данного типа лазеров (ЛГ-78) отличается высокой степенью монохроматичности и поляризованности, длина волны излучения составляет λ=0,6328 мкм, что соответствует ближнему ИК-спектру. Измеряли плотность лучистого потока радиационной энергии в фокальном пятне на облучаемой поверхности с помощью дифференциального стержневого радиометра по известной методике. Определяли температурное поле внутри образца насыпного слоя после ИК-облучения с помощью микротермопар по указанной выше схеме. Измеряли время, за которое температура на нижней поверхности насыпного слоя достигает максимального значения после ИК-облучения. И по приведенным выше формулам определяли коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости, табл.2.
Таблица 2
№ п/п
Температура образца, °С
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
Коэффициент температуропроводности, м<sup>2</sup>/с
Объемная теплоемкость, кДж/(м<sup>3</sup>·К)
1
35
0,078
9,01*10<sup>-8</sup>
1012,45
2
55
0,071
8,91*10<sup>-8</sup>
920,38
3
75
0,064
8,17*10<sup>-8</sup>
813,71
4
95
0,056
7,83 *10"<sup>8</sup>
758,19
На основании данных, представленных в табл.2, были получены температурные зависимости теплофизических характеристик зерна рядового ячменя. Точность определения теплофизических характеристик ±1°С, что в 7 раз выше, чем в примере 1.
Были проведены исследования теплофизических характеристик крупы гречневой, муки пшеничной, крахмала. Точность определения теплофизических характеристик составила ±0,5°С, что в 14 раз выше, чем в примере 1.
Полученные температурные зависимости теплофизических характеристик были использованы при управлении технологическим процессом термообработки зерна при инфракрасном энергоподводе.
Мерой эффективности управления технологическим процессом является выход целевого продукта - производительность по зерну и величина удельных энергозатрат, а показатель качества - точность измерения ТФХ.
В случае, когда температурные зависимости теплофизических характеристик были определены по прототипу, показатели технологического процесса следующие: выход целевого продукта 210 кг/ч, удельные энергозатраты - 125 кВт·ч/т, точность измерения ±7°С.
В случае, когда температурные зависимости теплофизических характеристик были определены по предложенному способу, показатели технологического процесса следующие: выход целевого продукта составил 245 кг/ч (по зерну), удельные энергозатраты 103 кВт·ч/т, точность измерения ТФХ±1°С.
Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность регулирования технологическим процессом, 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 качественные показатели:
- увеличить выход целевого продукта на 14,3%;
- снизить удельные энергозатраты на 17,6%;
- повысить точность измерения теплофизических характеристик в 7 раз.