СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DEFINITION OF THERMAL CHARACTERISTICS 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 дисперсных пищевых материалов, а именно зерна, крупы, муки.
Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что предварительно нагревают металлическую пластину, пропуская через нее электрический ток. Погружают пластину в исследуемый материал. Измеряют ее температуру при поддержании расхода электрической энергии на постоянном уровне. Измеряют расход энергии и мощность, затраченную на нагрев металлической пластины. Осуществляют ввод термометра в исследуемый материал параллельно к пластине на некотором расстоянии, где температура остается на постоянном уровне. Измеряют перепад температуры в слое исследуемого материала, между пластиной и точкой ввода термометра. Установив перепад температуры, рассчитывают теплофизические характеристики (ТФХ) - коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости (Справочник «Теплофизические характеристики пищевых продуктов и материалов» под. ред. А.С.Гинзбурга, М., Пищевая промышленность, 1975 г., с.62).
Недостатком способа является низкая эффективность регулирования и точности измеренных величин, что обусловлено необходимостью ввода пластины и термометра в исследуемый материал, а также тем, что расчетные уравнения для определения теплофизических характеристик получены на основании решения уравнения теплопроводности для однородной среды без учета теплофизических свойств металлической пластины и погрешность способа недопустимо велика. Также недостатком является то, что пластина разогревается электрическим током и при высокой влажности дисперсного пищевого материала есть опасность поражения электрическим током.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения теплофизических характеристик, заключающийся в том, что формируют опытный образец исследуемого материала в виде пластины. Обеспечивают двухсторонний контакт пластины опытного образца: с одной стороны с нагревателем - источником тепла постоянной температуры, с другой стороны с эталоном - пластиной, неограниченной в направлении распространения теплового потока и обладающей известными термическими характеристиками. Измеряют температуру нагревателя, измеряют температуру пластины-эталона и измеряют перепад температуры через пластину исследуемого материала, измеряют время и скорость нагрева пластины (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.
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 материалов осуществляют подготовку дисперсных пищевых материалов, формируют образец насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость, измеряют температуру окружающей среды, измеряют температуру на верхней и нижней поверхностях образца насыпного слоя, определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя перед нагревом, поддерживают температуру среды вокруг образца на постоянном уровне, выдерживают образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, осуществляют нагрев нижней поверхности образца насыпного слоя, измеряют перепад температуры между верхней и нижней поверхностями насыпного слоя, определяют число Фурье, регулируют скорость нагрева образца насыпного слоя до получения стационарного режима, устанавливают коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости.
Подготовка дисперсных пищевых материалов, например зерна, крупы, муки, необходима для удаления сорных примесей и включений, а также для определения равновесной влажности.
Формирование образца насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого материала в емкость необходимо для того, чтобы задать геометрическую форму образца и определить граничные условия.
Измерение температуры материала на верхней и нижней поверхности образца насыпного слоя и определение температурного поля внутри образца насыпного слоя перед нагревом обусловлено тем, что в результате этого устанавливается информация о законе взаимодействия окружающей среды и поверхностей образца насыпного слоя материала.
Поддержание температуры среды вокруг образца на постоянном уровне и выдерживание образца до достижения им однородного распределения температуры позволяют устранить инерционность нагрева и влияние начальных условий на точность определяемых характеристик.
Осуществление нагрева нижней поверхности образца насыпного слоя, измерение перепада температуры между верхней и нижней поверхностями насыпного слоя, рассчитывание числа Фурье (теплового критерия гомохронности) обусловлено тем, что устанавливается взаимосвязь между скоростью изменения температурного поля, физическими свойствами и геометрическими размерами образца насыпного слоя.
Способ осуществляется следующим образом.
0
Подготавливают дисперсный пищевой материал, 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 материала в емкость. Температуру окружающей среды измеряют с помощью термопары. Также измеряют температуру на верхней и нижней поверхностях образца насыпного слоя с помощью неконтактного инфракрасного термометра. Определяют температурное поле внутри образца насыпного слоя перед нагревом 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. Нагревают нижнюю поверхность образца насыпного слоя, измеряют перепад температуры между верхней и нижней поверхностями образца насыпного слоя в точках по указанной выше схеме. По известной формуле определяют число Фурье, устанавливают взаимосвязь между скоростью изменения температурного поля, физическими свойствами и геометрическими размерами образца насыпного слоя. Регулируют скорость нагрева образца насыпного слоя до получения стационарного режима. Стационарный режим наступает, когда число Фурье F≥1. Контролируя температуру в слое дисперсного пищевого материала в любой момент времени в стационарном состоянии, строится полулогарифмическая зависимость перепада температуры в слое от времени нагрева. В графическом представлении эта зависимость - прямая линия, тангенс угла наклона которой определяется коэффициентом температуропроводности. Установив тепловой поток через образец насыпного слоя и перепад температур в стационарном состоянии, определяется коэффициент теплопроводности. Коэффициент объемной теплоемкости определяется по формуле на основании установленных коэффициентов температуропроводности и теплопроводности.
Пример 1. Способ определения теплофизических характеристик зерна рядового ячменя осуществляли по прототипу. Предварительно нагревали металлическую пластину, пропуская через нее электрический ток 0,5 А. Погружали пластину в исследуемый материал (зерно рядового ячменя). Ввод пластины осуществляли вертикально, таким образом, чтобы плоскость пластины была перпендикулярна плоскости поверхностного слоя материала. Измеряли температуру пластины при поддержании расхода электрической энергии на постоянном уровне 0,5 кВт·ч. Измеряли расход энергии и мощность, затраченную на нагрев металлической пластины. Осуществляли ввод термометра в исследуемый материал параллельно к пластине на расстояние 200 мм, где температура остается на постоянном уровне в течение всего эксперимента. Изменяя расход электрической энергии от 0,5 до 2,0 кВт·ч, изменяли температуру металлической пластины от 35 до 90°С. Измерения перепада температуры в слое исследуемого материала между пластиной и точкой ввода термометра осуществляли в дискретном диапазоне температур: 36,0; 41,6; 52,0; 67,6; 78,4; 82,8; 92,4°С. Установив перепад температуры в слое материала, 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, Дж/(м·К)
1
36,0
0,076
5,43·10<sup>-8</sup>
109451,25
2
41,6
0,071
6,42·10<sup>-8</sup>
103481,28
3
52,0
0,691
5,91·10<sup>-8</sup>
106345,01
4
67,6
0,651
6,54·10<sup>-8</sup>
98145,31
5
78,4
0,681
6,95·10<sup>-8</sup>
96848,05
6
82,8
0,599
5,85·10<sup>-8</sup>
93211,91
7
92,4
0,647
6,10·10<sup>-8</sup>
94773,42
На основании данных, представленных в табл.1, были получены температурные зависимости теплофизических характеристик зерна рядового ячменя, точность определения теплофизических характеристик +5°С.
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 12,5%, насыпную плотность - 650 кг/м и массу навески - 0,62 кг. Зерно засыпали в емкость. 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, в следующем дискретном диапазоне температур: 13,2; 26,8; 28,8; 36,0; 41,6; 52,0; 67,6; 78,4; 82,8; 92,4°С. И для указанных температур 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, Дж/(м<sup>3</sup>·К)
1
13,2
0,083
8,79·10<sup>-8</sup>
954884,36
2
26,8
0,070
6,78·10<sup>-8</sup>
1045001,02
3
28,8
0,068
6,79·10<sup>-8</sup>
1008056,01
4
36,0
0,069
9,09·10<sup>-8</sup>
1038402,10
5
41,6
0,064
8,68·10<sup>-8</sup>
739402,20
6
52,0
0,055
7,70·10<sup>-8</sup>
717379,01
7
67,6
0,051
7,47·10<sup>-8</sup>
746239,72
8
78,4
0,060
8,26·10<sup>-8</sup>
749759,17
9
82,8
0,059
7,93·10<sup>-8</sup>
749759,11
10
92,4
0,058
7,76·10<sup>-8</sup>
748631,23
На основании данных, представленных в табл.2, были получены температурные зависимости теплофизических характеристик зерна рядового ячменя. Точность определения теплофизических характеристик +1°С, что в 5 раз выше, чем в примере 1.
3
Пример 3. Определяли теплофизические характеристики зерна мучнистой пшеницы «Сибирская - Ульяновская» по предложенному способу. Зерно подвергали очистке путем удаления сорных примесей и включений. Определяли равновесную влажность зерна, которая составила 13,2%, насыпную плотность - 760 кг/м и массу навески - 0,72 кг. Зерно засыпали в емкость. 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, в следующем дискретном диапазоне температур: 13,6; 17,2; 26,8; 30,8; 34,8; 47,2; 54,0; 59,6; 71,2; 81,2; 93,2°С. И для указанных температур определяли коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости, табл.3.
Таблица 3
№ п/п
Температура образца, °С
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
Коэффициент температуропроводности, м<sup>2</sup>/с
Объемная теплоемкость, Дж/(м<sup>3</sup>·К)
1
13,6
0,101
1,06·10<sup>-7</sup>
956057,53
2
17,2
0,083
7,14·10<sup>-8</sup>
1169550,84
3
26,8
0,103
1,01·10<sup>-7</sup>
1017398,00
4
30,8
0,087
1,11·10<sup>-7</sup>
776658,93
5
34,8
0,092
9,99·10<sup>-8</sup>
922554,25
6
47,2
0,078
7,79·10<sup>-8</sup>
983010,88
7
54,0
0,093
1,01·10<sup>-7</sup>
935488,73
8
59,6
0,070
8,49·10<sup>-8</sup>
827863,45
9
71,2
0,071
8,01·10<sup>-8</sup>
893181,59
10
81,2
0,073
9,39·10<sup>-8</sup>
785296,34
11
93,2
0,074
8,50·10<sup>-8</sup>
818018,20
На основании данных, представленных в табл.3, были получены температурные зависимости теплофизических характеристик зерна мучнистой пшеницы «Сибирская - Ульяновская». Точность определения теплофизических характеристик составила +1°С, что в 5 раз выше, чем в примере 1.
Были проведены исследования теплофизических характеристик крупы гречневой, ячменной и муки пшеничной. Точность определения теплофизических характеристик составила +0,5°С, что в 2 раз выше, чем в примерах 1, 3.
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 - перепад температуры между центром и поверхностью зерновки.
В случае, когда температурные зависимости теплофизических характеристик были определены по прототипу показатели технологического процесса следующие: выход целевого продукта 220 кг/ч, удельные энергозатраты - 130 кВт·ч/т, перепад температуры между центром и поверхностью зерновки составил 10°С.
В случае, когда температурные зависимости теплофизических характеристик были определены по предложенному способу, показатели технологического процесса следующие: выход целевого продукта составил 240 кг/ч (по зерну), удельные энергозатраты 110 кВт·ч/т, перепад температуры между центром и поверхностью зерновки составил 4°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:
- снизить перепад температуры между центром и поверхностью зерновки на 40%, что повысит однородность и качество обрабатываемого зерна,
- увеличить выход целевого продукта - производительность по зерну возрастет на 9,1%,
- снизить удельные энергозатраты на 15,4%.