Инженерные аспекты исследования и производства экспандированных-гранулированных пищевых и кормовых продуктов

Как видно из графика, для каждой величины IV характерен максимум с при начальной криоскопической температуре, связанный с началом перехода жидкой воды в лед. С уменьшением величины 1¥ величина максимума уменьшается. В связи со сложным характером протекания кривых точное математическое описание их выполнено по участкам в разных диапазонах температур при различных величинах IV.

Полученные значения для основных теплофизических характеристик рассматриваемых продуктов использовались в дальнейшем при расчете продолжительности и анализа процесса размораживания в конкретных режимных условиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алямовский И.Г. Теплофизические характеристики пищевых продуктов при замораживании // Холодильная техника. -1968,-№5.-С. 35-36.

2. Подсевалов В.Н. Температуропроводность рыбы // Тр. АтлантНИРО. - 1966. - Вып. 16. - С. 104-105.

3. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. - М.-Л.: Гостех-издат, 1957. - 369 с.

4. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. -М.:ГИТТЛ, Гостехиздат, 1954.-408 с.

5. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 271 с.

Кафедра ТМО

Поступила 05.12.03 г.

664.636.085.002.2

ИНЖЕНЕРНЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЭКСПАНДИРОВАННЫХ-ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПИЩЕВЫХ И КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ

И.Ю. АЛЕКСАНЯН, С.Б. ПОПОВА, С.В. СИНЯК

Астраханский государственный технический университет

В настоящее время уделяется большое внимание производству сухих кусковых, порошковых и гранулированных продуктов. Однако внедрение и надежное экономичное функционирование данных технологий сдерживается отсутствием надежных способов и конструкций для экспандирования, гранулирования и сушки.

Экспандированный структурированный комбикорм является альтернативой традиционным концентратам для сельскохозяйственных животных в виде гранул и кормовым добавкам. Обработанный продукт свободен от патогенных бактерий, имеет улучшенные питательные свойства, в нем повышается доля защищенных протеина и крахмала. Экспандат хорошо смешивается с другими сырыми компонентами и сохраняет стабильность в смесях. При промежуточном хранении не происходит расслоения смеси и у животных нет возможности для селективного поедания корма. Экономия дорогих белковых комбикормов дает преимущество экспандированному комбикорму.

Проведены исследования основных термодинамических закономерностей взаимодействия ряда характерных пищевых и кормовых продуктов с водой [1].

Статика процессов взаимодействия с водой и анализ изотерм сорбции позволяет установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца для изохорно-изобарно-изотермического процесса АР -АЕ-ТА8 (Д8;АЕ - соответственно изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии по влаго-

содержанию ир при Р = сош^ Т= сопз!:), продифферен-

цировав

которое

получим

( \ дАЕ

ди„

V. <Чт.р

зи,

V р Ут.р

, где энтропийная со-

,а

ставляющая свободной энергии Т ~^т~ Для раститель-

ных продуктов играет значительную роль. Получены зависимости свободной, внутренней, связанной энергии и термоградиентного коэффициента 8Р от влагосо-

держания и температуры.

Так, в частности, для измельченной гранулированной тыквы влажность границы первой зоны И/1 =0,3, второй 1¥2 = 0,6, третьей 1У3 = 0,79, четвертой = 0,9.

При Жг>0

—) = Ац=ЯТ1пА„ =

Шр)

^

Л/

(0,136666 Т-17,221667) IVр +л -Я ( Т] +(_0 Ш66 г_1;217833

5 =--------------I------------х

р Г (0,068333 Г-17,221667) х ((0,136666 Т -17,221667) Шр + +(-0,13666 Г-1,217833));

0,3 <W2< 0,6

г л 8AF = RT 4-0,001133 741,599067) Wp +N

dW„ V р J ^+

f \ дАS '

V р )

(-0,002266 Г+1,599067) W„ + = Л(-ГІ р

+(0,028 Г-6,862

1

5„ =-

р Г (-0,001133 Г+1,599067) х((-0,002266 Г+1,599067) Wp +(0,028 Г- 6,862));

0,6 < W2< 0,78

А ц

(-0,0350867 Г + 13,9645933) Wp +

+

'(-0,0701734 Г+13,9645933) +

-R

+(0,0687734 7-14,2857933) 1

5 =—---------—

" Г (-0,0350867 7+13,9645933) х((-0,0701734 Т +13,9645933) Wp + +(0,0687734 Г-14,2857933));

0,79 <W2< 0,9

'(-0,0363633 Г +13,0180567) Wp +' ч+(0,0353933 Г-13,5375467) ,

^

-х

Ац = ЯГ

/ \ 5Д5 V р У

= Д(-П

1

Анализ спектральных терморадиационных и оптических характеристик продуктов с различной влажностью позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-излучателей типа КГТ-220-1000 при варьируемом напряжении и оптически тонкий (А, < 0,002 м) слой.

С помощью дифференциально-разностного метода смоделировано и рассчитано уточненное распределение величины со = f(x, W, Г) по слою с учетом внешнего и внутреннего отражения от границ слоя. Вычислялись оптические интегральные характеристики: L - коэффициент эффективного ослабления, характеризующий ослабление потока по мере его распространения, равный обратной величине глубины слоя, при прохождении которой поток излучения уменьшается в е раз; К, - отражательная способность оптически полубеско-нечного слоя. Так как облучение происходи интегральным потоком при селективных оптических свойствах, рассеивающих ИК-излучение материалов, происходит изменение спектрального состава Е„ падающего потока по мере проникновения в глубь слоя.

Точное решение для функции внутренних источников тепла (распределения объемной плотности поглощенной энергии) для двухстороннего облучения слоя

W

(х, W)=L (х, W) Еп

1 -Ц12

exp

+L (1-х, W) Еп

K

-K

=----------

р Т(-0,0363633 Г + 13,0180567) х((-0,0727266 Г +13,0180567) IVр + +(0,0707866 Г -13,5375467)).

Проведены исследования структурно-механических и теплофизических свойств продуктов как объектов сушки. Изучена истинная и физическая плотность ряда продуктов. Так, в частности, физическая плотность для тыквы

р =(1136+412 с-0,464 *с)/р (с);

(3 (с) = 0,0095 - (1520 - 522 (1 - с)) с,

где |3 - текущая пористость; с - концентрация, кг/кг.

Теплофизические характеристики растворов изучались экспериментально-аналитическим экспресс-методом, основанным на тепловой инерции термопары. Получены зависимости коэффициента теплопроводности и температуропроводности X, а от концентрации сухих веществ и температуры продукта. К примеру, для тыквы

а(с,Т) = (7,02(1-с) + 0,028Г-0,964)-3,77-10-8/(3(3(с));

X (с, Т) = (0,411 (1 - с)2+0,0565 (1 - с) + 0,00217) -0,5289.

1-у

exp

RJW)-K

,1-х)

ЦІ2

K

где Rj(W) =

; v = Rjw) exp (-L (W,x)l); I -

'W-W'

толщина слоя, м; R„ - интегральная отражательная способность подложки; Е„\, Е„г - плотности падающих с одной и с другой сторон потоков, Вт/м .

Для тыквы при напряжении на лампах, например, U= 140 В, лтах = 1,45 мкм

R(l, WO = (5,3125- Ю-6^—5,53125 -10"4)/-4,8325 х

. . 1 ft~З ТІ/ I ft А О АЛО Г

X iu VY t U,46UZZJ,

Til, W} = (-5,04875 • 10~5 W + 6,504875 • 10~3) / -

- 2,2555-lO^4 W + 0,025455;

L(x, c) = (-71,668 с + 57,7090)(x • 103)4 + (503,125 c-

- 398,563)(* • 103)3 + (-1275,2075 с + 1039,47875) x x (x  103)2 + (13 74,68 75c - 1237,46875)(x • 103) + + (451,25 с + 1943,875).

Установлено, что к основным факторам, влияющим на интенсивность процесса сушки, относятся исходная концентрация сухих веществ С (кг/кг), размер гранул d (м), плотность теплового потока Е (кВт/м2), длина волны А.тах (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения, а также температура Т

или ^ (К) и скорость сушильного агента (м/с) при конвективной сушке. Границы варьирования факторов выбраны исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки: С = 0,1 ... 0,6%;£ = 1 ...*11 кВт/м2; V =80 ... 220 В; /с= 333 ... 443°К; с/ = 0,004 ... 0,01 м. Исследования влияния основных факторов на эффективность сушки при комбинированном энергоподводе позволили получить аппроксимирующие зависимости для целевой функции (съем сухого продукта с единицы площади (объема) рабочей поверхности в единицу времени 7, кг/(м2  ч). К примеру, радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000): корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы, атмосферная сушка): £ = 5,7 кВт/м2, с1 = 0,008 м, = 1,16 мкм, 7 = 5,3 кг/(м2 • ч); конвективная сушка: пивная дробина: Т= 443 К, к = 0,0005 м, 7= 23,5 кг/(м2 • ч).

На рисунке представлены кривые скорости сушки: а) пивной барды для Т- 373 К: 1 -ХК= 0,0005 м, 2 -Хк= 0,001 м; 3 —Хк= 0,002 м, 4-Хк= 0,003 м; б) тыквы при 1} = 140 В; 1¥= 76%; й?= 0,004 м; 1 -£п= 1,14 кВт/м2; 2-£„ = 1,6872 кВт/м2; 3 - £л = 2,052 кВт/м2.

Получены адекватные аппроксимирующие уравнения. Для примера: радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000, атмосферное давление): корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы); границы варьирования факторов £п = 2,1 ... 5,7 кВт/м2, й? = 0,004 ... 0,01 м, А^х = 1 ... 1,6 мкм

7 =(«[£ + а2) сі + агЕ +

ал

где а, = 3,626-104^ - 8,146-104 Хтах +4,52-104; а2 = 5,042-ЮЧ2 —1,312-105 А, + 8,478-104;

тах \2 “тах

V2

тах

а3 = -2,198-104 Я.* + 5,246-104 X -3,048-104;

аА =-160,023 +420,174-10 Хтах -280,856;

конвективная сушка: пивная дробина 7 =(261,8685 Г-90,55628-106) А2 +

+(-884,2 Г+ 3,043 9-103)/г+0,8425 Г-283,4365.

В качестве примера приведем уравнения кривых скорости влагоудаления, полученные разработанным многозонным методом, для тыквы и кормов для непродуктивных животных.

Корм для непродуктивных животных гранулированный (атмосферная сушка при ИК-энергоподводе (КГТ-220-1000) на подложке. Общий вид уравнения скорости сушки во всех зонах для всех значений и

Л

где / - порядковый номер зоны.

Кинетические коэффициенты скорости сушки

А, ={г.,Е2 +с,.£ + £,.) (1+у,Е2 + /Е + у,; В=(/,£2 +к>Е + ],'}(1+21Е2 +т1Е+ рг

К примеру, при и = 150 В; А,тах =1,2 мкм границы варьирования факторов £п = 2,1 ... 5,4 кВт/м2, с!:= 0,004 ... 0,01 м. Граница 1-й зоны: 0,7> Ж >0,48; 2-й: 0,48 >Ж >0,36; 3-й: 0,36>1¥ >0,25; 4-й:0,25 >Ж >0,01

Значения кинетических коэффициентов сведены в таблицу.

Таблица

Кинетические коэффициенты Номер зоны

1 2 3 4

Сі -1,70617 -9,472(4) ^1,2467 -53,6128

81 7,23667 24,79287 9,00266 146,4722

ї> 0,012179 0,075189 0,036 0,429816

V/ -0,042883 -0,196229 -0,079 -1,169823

к, 0,50358 15,20717 10,676 202,592592

І, -0,34167 -41,55473 -22,035 -557,66666

ті -7,19-10-3 -0,118715 -0,09 -1,624074

Рі 9,928-10"3 0,324243 0,195 4,456333

Для тыквы при числе оборотов шнекового экстру-дера-гранулятора ю = 266 об/мин, (і = 0,004 м, £п = 0,912 ... 3 кВт/м2. Концентрации границы 1, 2, 3, 4-й

йШ кгеп

кг с

зон: С1к= 0,3; С2Х= 0,46; СЗК= 0,76; С4К= 0,9. В качестве примера приведем уравнение кривых скорости сушки для 1-й зоны

йсЛ \(с,Ер) =

((—2,5151702397022Я? + 6,3168913324056).г V

^-3,9396673030142 ) Р

Г8,76326366540213Х2 - 22,057615626472). +V.

\+13,7712781018764 )”

Г-6,29803972142633).2 + 15,8443871864158).-V

(Д-9,89895670600409 ) ,

((0,00019135928248А.2 - 0,00009452876176Я~Ъ.2

[-0,00031235618687 ) "

, Г-0,00140848136538); + 0,00156648119122?.+^

= -4 + Я. + •

Г-0,002587 8810519Х? + 0,00907591540752Х.-'|

|Д-0,00776271742929 )

ГГГ5,579157304075-ЖиЯ - 1,394789326019 •10“'2Х+'| 2 ^

1^+8,672242113455 10~“ / Р

Г-1,780847012539-10Ч2).2 + 4,452167531348-10-'2).-У + [-2,768179684291-Ю’12 ) Р +

(2,8644945079 -10“13).2 - ^

[ [-7,5954568305 10”13 Х+ 7б] )

^-СО-с)-100)

Данные по коэффициенту влагопроводности и термодиффузии являются отрывочными, не учитывающими зависимость от комплекса свойств продуктов, а для большинства продуктов (особенно нетрадиционных) отсутствуют. Данных по коэффициенту молярного переноса пара в литературе практически нет. Это обусловлено отсутствием быстрых методов расчета, что связано со сложностью комплекса явлений при те-пломассопереносе в реальных процессах. Разработан и апробирован численно-аналитический метод расчета эволюции полей температур и определения коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара с учетом динамики обезвоживания на основе аппроксимации кривых кинетики сушки и свойств продуктов. Получены зависимости массовлагообменных характеристик от варьируемых параметров. Рассчитаны частные поля температур при различных способах сушки продуктов. Отмечена малая величина температурного градиента практически по всему слою продуктов со скачком в пограничном слое у греющей поверхности.

Результаты исследований термодинамических закономерностей взаимодействия пищевых продуктов с водой показали, что энтропийная составляющая свободной энергии для ряда растительных продуктов играет существенную роль, что свидетельствует о значи-

тельной гибкости макромолекул, наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок мицелл) и ориентационном и осмотическом механизме их взаимодействия с водой. Величина Ьр имеет аномальное отрицательное значение при высоких влажностях, что указывает на перемещение влаги против потока тепла. Это явление говорит в пользу поверхностных или объемных способов энергоподвода, диспергирования продукта (кипящий слой, гранулирование и т. п.), увеличения поверхности влагообмена.

Выявлен и обоснован механизм внутреннего тепло-массопереноса на основе феноменологического подхода и кинетики обезвоживания для продуктов растительного происхождения. На кривых скорости сушки продуктов растительного происхождения наблюдается аномальный рост скорости при низкой влажности или периодические пики с участками постоянной скорости в течение всего процесса, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара вследствие периодического разрушения полупроницаемых оболочек клеток или мицелл (парниковый эффект) при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, вследствие чего резко снижается энергия связи влаги с материалом, так как осмотическая влага является по своим свойствам «свободной» влагой, удерживаемой механически осмотическими силами и стенками полупроницаемых оболочек, при разрушении которых и наблюдается рост скорости сушки и участки постоянной скорости сушки. Перемещение влаги к поверхности осуществляется в основном в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости или стенки капилляров при росте градиента давления пара в слое, что приводит к росту скорости диффузии. Диффузия пара происходит в виде последовательных эквимолярных процессов испарения и конденсации пара на жидких менисках, стенках клеток и мицелл при малых градиентах концентрации и температуры, на что указывает отсутствие при интенсивной сушке усадки, неизбежной при существенных градиентах влажности. Все это свидетельствует в пользу осциллирующих режимов сушки продуктов, реализованных нами в разработанных способах и сушилках.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексанян И.Ю., Давидюк В.В., Артемьева Н.Н. Новые технологии сухих продуктов животного и растительного происхождения // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1998. - № 2- 3. - С. 38-40.

Кафедра ТМО

Поступила 05.12.03 г.