ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6772| Title: | Підвищення ефективності процесу обсмажування солоду |
| Authors: | Осипенко, Василь Іванович Макодзеба, Олександр Сергійович |
| Keywords: | апарат для смаження;карамельний солод;ефективність процесу;процес термообробки солоду |
| Issue Date: | 2025 |
| Abstract: | Магістерська кваліфікаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. МКР виконана на 98 сторінках, має 25 рисунка, 28 таблиць, 43 формули, 16 літературних джерел та 1 додатку. Мета магістерської кваліфікаційної роботи полягає в підвищенні ефективності процесу обсмажування солоду. Наукова новизна одержаних результатів: - розроблена математична модель, яка описує зміни теплопровідності при стаціонарному режимі через циліндричні стінки барабану для обсмажування; - отримано критерій рівнянням для визначення кількісті тепла, що передається за одиницю часу від стіни барабану для обсмажування до твердих частинок продукту; - отримані емпіричні залежності, які описують процес термообробки солоду в барабанні апарату, що дозволяє оцінити вплив частоти обертання барабана, коефіцієнта заповнення робочої камери, температура всередині камери і часу обсмажування на кількість карамельних зерен, масову частку екстракту і колір (величину Лінтера-Лі). Практичне значення одержаних результатів: - визначені оптимальні технологічні параметри для смаження солоду розробленого апарату з точки зору забезпечення якості продукції та мінімізації питомих енергозатрат; - розроблено апарат для смаження нової конструкції для виробництва карамельного солоду з кількістю одночасно завантаженого продукту до 300 кг; - розроблений експериментальний стенд може використовуватися для навчальних цілей при підготовці інженерів-механіків спеціальності 133 – галузеве машинобудування спеціалізації обладнання переробних і харчових виробництв. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6772 |
| Appears in Collections: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Макодзеба.pdf Restricted Access | 4.43 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
Другий (магістерський)
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
ЧДТУ. 133025. 000. РПЗ
на тему: «Підвищення ефективності процесу обсмажування солоду»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мПВ-43
спеціальності 133 – Галузеве машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(освітня програма)
Олександр МАКОДЗЕБА
(ім’я та прізвище)
Керівник Василь ОСИПЕНКО
(ім’я та прізвище)
Рецензент Олег ГРИГОР’ЄВ
(ім’я та прізвище)
Черкаси 2025
2
3
4
РЕФЕРАТ
Магістерська кваліфікаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів,
висновків, списку використаних джерел і додатків.
МКР виконана на 98 сторінках, має 25 рисунка, 28 таблиць, 43 формули, 16
літературних джерел та 1 додатку.
Мета магістерської кваліфікаційної роботи полягає в підвищенні ефективності
процесу обсмажування солоду.
Наукова новизна одержаних результатів:
- розроблена математична модель, яка описує зміни теплопровідності при
стаціонарному режимі через циліндричні стінки барабану для обсмажування;
- отримано критерій рівнянням для визначення кількісті тепла, що передається
за одиницю часу від стіни барабану для обсмажування до твердих частинок продукту;
- отримані емпіричні залежності, які описують процес термообробки солоду в
барабанні апарату, що дозволяє оцінити вплив частоти обертання барабана,
коефіцієнта заповнення робочої камери, температура всередині камери і часу
обсмажування на кількість карамельних зерен, масову частку екстракту і колір
(величину Лінтера-Лі).
Практичне значення одержаних результатів:
- визначені оптимальні технологічні параметри для смаження солоду
розробленого апарату з точки зору забезпечення якості продукції та мінімізації
питомих енергозатрат;
- розроблено апарат для смаження нової конструкції для виробництва
карамельного солоду з кількістю одночасно завантаженого продукту до 300 кг;
- розроблений експериментальний стенд може використовуватися для
навчальних цілей при підготовці інженерів-механіків спеціальності 133 – галузеве
машинобудування спеціалізації обладнання переробних і харчових виробництв.
5
ABSTRACT
The master’s thesis consists of an abstract, a list of symbols, an introduction, four
chapters, conclusions, a list of sources used and appendices. The thesis is made on 98 pages,
includes 76 formulas, 33 figures, 14 tables, 12 literary sources and three appendices. The
graphic part consists of three drawings and three posters of A1 format.
GoalMKRis to increase the efficiency of the dough dividing process of the bread
production line.
Object of work.The process of dividing the dough.
Subject of work.Solving practical problems aimed at substantiating the technological
process of dividing dough in bread production.
The design section considers: feasibility study of the project; description of the dough
production line; structure and principle of operation of dough dividing machines; functional
diagrams of dough dividing machines with paddle injection; dough dividing machine A2-
KhTN; lubrication of the dough dividing machine; adjustment of the dough dividing
machine A2-KhTN; procedure for operating the dough dividing machine; maintenance of
the dough dividing machine A2-KhTN; calculation of the productivity and working cycle
of the dough dividing machine A2-KhTN.
The calculation section calculates the productivity and operating cycle of the A2-
KHTN dough dividing machine.
The research section has developed a physical model of the working chamber of the
dough dividing machine; mmathematical modeling of dough injection; energy losses when
dividing dough into blanks; mathematical approach to determining the design parameters
of the injection blade; justification of technological and design parameters of A2-KHTN;
influence of the level of dough compression on its quality and accuracy of division.
In tThe technological section considers the gear wheel part.
Keywords: DOUGH DIVIDING MACHINE, DOUGH, DESIGN, INSTALLATION,
MAINTENANCE, PRODUCTIVITY, REPAIR, TECHNICAL DOCUMENTATION,
GEAR.
6
ЗМІСТ
Перелік умовних позначень і скорочень………………………………………….7
Вступ………………………………………………………………………………...8
РОЗДІЛ 1 Аналіз процесу обсмажування та постановка завдачі
дослідженя……………………………………………………………………………….12
1.1 Сировина для виробництва пива. Технологічні особливості
виробництво карамельного солоду..................................................................................12
1.2 Аналіз сучасних тенденцій в конструюванні апаратів
для обсмажування для виробництва карамельного солоду...........................................18
1.3 Ввибір основних концептуальних напрямків
та об’єктів дослідження.....................................................................................................25
1.4 Загальний план теоретичних та експериментальних досліджень
1.5 Цілі та завдання досліджень………………………………………………….30
Висновки до розділу 1…………………………………………………………….30
РОЗДІЛ 2 Теоретичні основи процесу теплової обробки солоду..................32
2.1 Основні закономірності високотемпературної обробки солоду
для виробництва темних сортів пива...............................................................................32
2.2 Математичне моделювання теплових процесів в барабані
для обсмажування..............................................................................................................37
2.3 Моделювання процесів теплопередачі в апараті для обсмажування
з барабанним робочим органом........................................................................................44
Висновки до розділу 2.............................................................................................51
РОЗДІЛ 3 Моделювання процесів теплообміну в в апаратах для
обсмажування з барабанним робочим органом……………………………………..52
3.1 Методи математичного планування експериментів….……………………..52
3.2 Розробка експериментального стенда для дослідження
процесу обжарювання солоду...........................................................................................53
3.3 Методики визначення характеристик солоду для обсмажування…….…….58
3.3.1 Методика визначення вологості солоду……….…………………….58
3.3.2 Вимірювання температури солоду в процесі обсмажування…....…59
7
3.3.3 Методика визначення однорідності суміші.......................................59
3.3.4 Методика визначення кольору солоду після обсмажування............60
3.3.5 Методика визначення кількостікарамельних зернин………….…...62
3.4 Аналіз серії експериментів по дослідженню процесу
виробництва карамельного та паленого солоду……………………………………….63
3.4.1 Дослідження параметрів виробництва карамельного солоду.…….63
3.4.1 Дослідження параметрів виробництва паленого солоду……….….74
Висновки до розділу 3…………………………………………………………….84
РОЗДІЛ 4 Підвищення ефективності процесу обсмажування
солоду в апаратах барабанного типу…………………………………………………86
4.1 Дослідження питомі енерговитрат на процес обсмажування………………86
4.2 Оптимізація процесу обсмажування солоду…………………………………88
4.3 Промислове впровадження результатів досліджень………………………...90
Висновки до розділу 4…………………………………………………………….92
Загальні висновки……………………………………………………………..…..94
Список використаних джерел………………………………………………..…..96
Додатки………………………………………………………………………..…...98
8
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ
МКР – магістерська кваліфікаційна робота
ЧДТУ Черкаський державний технологічний університет –
РПЗ – розрахунково-пояснювальна записка
ЄС – Європейський союз
САПР – система автоматичного проектування
ТЕН – трубчастий електричний нагрівник
ОД – об’єкт дослідження
ЕУ – експериментальна установка
СР – суха речовина
ХПК – хімічна потреба кисню
ЗР – зважені речовини
ПАР – поверхнево-активні речовини
РР – радіоактивні речовини
ЗІС – засоби індивідуального захисту
АЕС – атомна електростанція
США – Сполучені Штати Америки
9
ВСТУП
В даний час у багатьох розвинутих країнах, а також Україні, пиву, як
слабоалкогольному напою належить перше місце. На думку ряду експертів це третій
найбільш популярний напій в світі (після води і чаю). Свідченням цього є високий
рівень споживання пива в Європейському Союзі (ЄС). Провідні броварні сьогодні це
сучасні підприємства, які працюють на обладнанні та по технологіях провідних
світових компаній. Крім того, на пивоварних підприємствах розроблені та
випускається велика кількість місцевих» сортів пива по технічним умовам. Потреби
населення України в пиві задовольняється за рахунок власного виробництва від 80 %
до 85 %, і від 15 % до 20 % за рахунок пива, що імпортується.
Поява на українському ринку пива преміум-класу темних сортів орієнтує
провідні підприємства пивної галузі активно працювати над покращенням якості
продукції і розширення асортименту. Для цього для пивоварної промисловості
необхідно наладити роботу по виробництву карамельного солоду на спеціальних
апаратах для обсмажування. Існуюче технологічне обладнання не дозволяє одержати
високу якість карамельного солоду для виробництва темного пива. Тому більша
частина темних сортів солоду, що використовується, закуповуються за кордоном.
Аналіз літературних даних і досвіду іноземних компаній, що виробляють темне
пиво показує, що поліпшити якість карамельного солоду у виробництві темного пива
можливе при використанні барабанних машин для обсмажування. Це обладнання в
Україні виробляється не достатньо, а доступні іноземні зразки не завжди
відповідають сучасним вимогам рівномірністі обсмажування і забезпечення
необхідної продуктивністі.
Значний внесок у розвиток теорії і практики пивоварної промисловості зробили
вчені України [2]. Велику кількість передових наукових досліджень розробили вчені
наукових шкіл під керівництвом професорів Домарецького В.А. [1]. Аністратенка
В.О., Тарана В.М., Соколенка А.І. [2], Удодова [8, 9, 10]. Удосконалення технології
виробництва пива являє собою науковий інтерес не тільки в Україні, але й в усьому
світі.
10
Великий внесок в систематизації технологій і устаткування для виробництва
пива та солоду, зробив німецький вчений Вольфганг Кунце [12]. Його монографії,
підручники, енциклопедії користуються великим авторитетом серед студентів і
вчених в області харчової науки.
Актуальність теми магістерської випускної роботи. В даний час в світі
достатньо успішно розвиваються малі приватні броварні, чия продукція
користуються великим попитом як місцевого населення, так і туристів. Розвитку
перешкоджає відсутність обладнання, придатного для запуску технологічних
процесів підготовки сировини і пивоваріння малими підприємствами. Зокрема,
існуючі апарати для смаження солоду характеризується високою витратою енергії і
великою продуктивністю, що не дозволяє їх використання в пивоварнях при
ресторанах, барах і пабах. Тому розробка апарату для обжарювання карамельного і
смаженого солоду в умовах невеликих пивоварних підприємств, є важливим науково-
практичним завданням, що дозволить розширити асортимент і сприятиме розвитку
сфери дозвілля, туризму та громадського харчування.
Мета дослідження. Мета магістерської кваліфікаційної роботи полягає в
підвищенні ефективності процесу обсмажування солоду.
Завдання дослідження. Згідно з поставленою ціллю вирішувались наступні
задачі:
- аналіз особливостей обсмажування солоду для виробництва темного пива;
- огляд існуючого обладнання для виробництва карамельного і смаженого
солоду;
- розробка теоретичних основ теплових процесів у барабанних апаратах;
- отримання математичних залежностей, що описують процес термічної
обробки солоду в барабанних апаратах для смаження солоду;
- створення експериментального стенду для дослідження процесу термічного
дослідження солоду в барабанних апаратах, розробка програми і методики
експериментальних досліджень;
- наукове обґрунтування геометричних, технологічних та теплотехнічних
параметрів удосконаленої конструкції апарату для смаження солоду барабанного
11
типу;
- розробка конструкції промислового зразка апарату для обсмажування солоду
барабанного типу і подачі додаткового теплоносія з принципово новими
інноваційними технічними рішеннями;
- визначення оптимальних експлуатаційних і технологічних параметрів роботи
апарату для обсмажування для забезпечення необхідної якості карамельного солоду;
Об'єкт і предметом дослідження. Об'єкт дослідження – технологічний процес
термічної обробки солоду в апаратах барабанного типу.
Предмет дослідження – взаємодія зернової маси з конструктивними елементами
апарату для обсмажування і вплив експлуатаційних та технологічних параметрів
роботи на якісні показники карамельного солоду і питомі енерговитрати для його
виробництва.
Методи дослідження. Дослідження виконані методами математичного і
фізичного моделювання. Для вивчення процесів теплової обробки розроблено
експериментальний стенд обладнаний контрольно-вимірювальними приладами.
Аналіз експериментальних даних проводився на комп'ютері з використанням
статистичних даних STATISTICA і STATGRAPHICS Centurion XVI.I. Якісні
характеристики солоду визначалися стандартними методиками, що
використовуються в пивоварній промисловості. Проектування апарату для
обсмажування виконано за допомогою програмного комплексу САПР Solid Works
2009 SP0.
Наукова новизна отриманих результатів. Отримано наукову новизну:
- розроблена математична модель, яка описує зміни теплопровідності при
стаціонарному режимі через циліндричні стінки барабану для обсмажування;
- отримано критерій рівнянням для визначення кількісті тепла, що передається
за одиницю часу від стіни барабану для обсмажування до твердих частинок продукту;
- отримані емпіричні залежності, які описують процес термообробки солоду в
барабанні апарату, що дозволяє оцінити вплив частоти обертання барабана,
коефіцієнта заповнення робочої камери, температура всередині камери і часу
обсмажування на кількість карамельних зерен, масову частку екстракту і колір
12
(величину Лінтера-Лі).
Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення:
- визначені оптимальні технологічні параметри для смаження солоду
розробленого апарату з точки зору забезпечення якості продукції та мінімізації
питомих енергозатрат;
- розроблено апарат для смаження нової конструкції для виробництва
карамельного солоду з кількістю одночасно завантаженого продукту до 300 кг;
- розроблений експериментальний стенд може використовуватися для
навчальних цілей при підготовці інженерів-механіків спеціальності 133 – галузеве
машинобудування спеціалізації обладнання переробних і харчових виробництв.
13
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ ОБСМАЖУВАННЯ СОЛОДУ ТА ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ
1.1 Сировина для виробництва пива. Технологічні особливості
виробництва карамельного солоду.
Для приготування пива потрібен ячмінь, необхідний для переробки в
пивоварний солод, а також хміль, вода та дріжджі. Ячмінь повинен пройти процес
переробки його в солод. Серед розмаїття сортів ячменю для виробництва пива
перевага надається яровим. Для виробництва солоду використовуються спеціальні
сорти ячменю. Ячмінь містить значну кількість крохмалю, який в процесі
приготування пивного сусла в цеху для варіння перетворюється екстракт, що
збродить.
Якість пивоварного ячменю характеризуються такими показниками:
- висока здатність для поглинання води і низькою чутливістю до води;
- низький вміст білків;
- висока здатність до проростання;
- висока здатність до утворення ферментів;
- висока розчинність;
- високий вихід екстракту при вирощуванні солоду.
Хімічний склад ячменю представлений в таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 – Хімічний склад ячменю
Показник Зміст в абсолютно сухій речовині, %
Вода –
Крохмаль 63,2
Екстрактні речовини.що не містять азот 14,0
Білок 11,5
Сира клітковина 5,9
Жири 2,9
Мінеральні речовини 2,9
14
Солод пивоварний ячмінний – це зерно пивоварного ячменю, що проросло за
спеціальною технологією вирощування солоду а потім висушене [11]. Мета
вирощування солоду – накопичення в зерні ферментів і забезпечити їх вплив на різні
групи речовин зерна, перетворюючи високомолекулярні речовини в
низькомолекулярні продукти розщеплення.
Особливого значення мають амілолітичні ферменти, під дією яких крохмаль
зерна піддається гідролізу, перетворюючись цукри, що зброджують. Найбільш
важливі процеси, що виникають при вирощуванні солоду: розчинення зерна,
розщеплення крохмалю, розщеплення білка речовин. Змінювання параметрів під час
вирощування солоду з зерна та режимів сушіння свіжепророщеного солоду дозволяє
отримувати різні типи солоду: світлий, темний, напівтемний, карамельний і т. д. [5].
Аромат, смак, колір, довговічність і спінювання пива, в значній мірі залежать від
властивості солоду, що використовуються.
Фізико-хімічні характеристики пивоварних солодів представлені в табл. 1.2.
Солод пшеничний застосовують для виготовлення пшеничного пива. Солод
пшеничний виготовлений з пшениці з низьким вмістом білка – не більше ніж 11,5 %.
Спеціальні сорти солоду використовуються для створення сортів пива з
специфічним смаком і ароматом. Спеціальні сорти солоду коригують колір,
забезпечують повноту смаку, покращують спінювання, впливають на рН пива.
Для виробництва темного пива використовувати карамельний і палений солод.
Карамельний солод – сильно забарвлений ароматичний продукт, що отриманий з
свіжоприготовленого світло солоду шляхом оцукрювання та обсмажування. Це
робиться за наступною схемою: свіжоприготовлений світлий солод ополіскуванням
водою зволожують від 50 % до 60 % і завантажують в барабан для смаження на 2/3
від його місткості. При частоті обертання барабану 30 хв-1 солод нагрівають до 70° С,
витримують від 40 хв до 50 хв, нагрівають від 130° С до 180° С. За цей час солод
висихає і його смажать до отримання необхідного кольору від 2,5 годин до 4,0 годин.
Палений солод – це дуже сильно забарвлений продукт, отриманий з сухого
світлого солоду попередньо зволоженого дві 50 % до 60 % змочуванням водою і
швидким обсмажуванням при 260° С.
15
Солод пшеничний застосовують для виготовлення пшеничного пива. Солод
пшеничний виготовлений з пшениці з низьким вмістом білка – не більше ніж 11,5 %.
Спеціальні сорти (карамельний і палений) солоду використовуються для
створення сортів пива з специфічним смаком і ароматом. Спеціальні сорти солоду
коригують колір, забезпечують повноту смаку, покращують спінювання, впливають
на рН пива.
Для виробництва темного пива використовувати карамельний і палений солод.
Таблиця 1.2 – Фізико хімічні характеристики пивоварних солодів
Вимоги до світлого солоду
Згідно з ДСТУ Солод Для типу
Найменування показників 4282:2004 гарної солоду
Висока якості по Pilsener
І Клас
якість В. Кунце Л. Нарцису
1 2 3 4 5
Прохід через сито
(2,2 х 20 мм), %, не більше 3,0 5,0 – –
Масова доля не допус-
0,3 – –
домішок, %, не більше кається
Кількість борошняних зерен, %,
85,0 80,0 80 – 86 –
не менше
Кількість скловидних зерен, %,
3,0 5,0 2,0 –
не більше
Кількість темних зерен, %, не не допус- не допус-
– –
більше кається кається
Масова частка вологи
(вологість), %, не більше 4,5 5,0 5,0 4,5
Масова частка екстракту в сухій
речовині солоду тонкого помелу, 79,0 48,5 80,0 81,5
%, не менше
Різниця масової частки екстракту
в сухій речовині солоду тонкого і не більше,
1,6 – 2,5 1,2 – 1,8 1,6
грубого помелу, % ніж 1,5
Масова частка білкових речовин
в сухій речовині солоду, %, не 11,5 11,5 10,8 10,2
більше
16
Продовження таблиці 1.2
1 2 3 4 5
Співвідношення масової
частки розчинного білка
до масової долі білкових
39 – 41 – 38 – 42 40,0
речовин в сухій речовині
солоду (число Кольбаха)
,%
Співвідношення масової
частки розчинного білка
до масової долі білкових 39 – 41 – 38 – 42 40,0
речовин в сухій речовині
солоду (число Кольбаха) ,
Тривалість оцукрення, 10 –
15 20 15
хв, не більше 15
Розчинний азот,
– – 650 653
мг/100 мг с.р.
Формольний азот,
– – 180 – 220 220
мг/100 мг с.р.
Вільний амінний азот у
– – 120 – 160 145
мг/100 мг с.р.
Лабораторне сусло: – – – –
0,18 см3 розчину йоду 0,20 см3 розчину
концентрацією 0,1 йоду онцентрацією 2,8
Колір 3,4 ЕВС*
моль/дм3 на 100 см3 0,1 моль/дм3 на 100 ЕВС*
води, не більше см3 води, небільше
Кислотність, см3
розчину гідроксиду
0,9 – 1,1 0,9 – 1.2 – –
натрію концентрацією 1
моль/дм3 на 100 см3 сусла
В’язкість МПа/с, нижче – – 1,55 1,54
Колір після закипання, 4,8
– – 5,0 EВС*
нижче * EВС*
рН – – 5,6 – 5,9 5,93
Число Хартонга,
– – 37 – 41** 38,5**
VZ 45° C, %
Діасатична сила, од.
Віндеша-Кольбаха – – 240 – 260 240,0
Примітки:
* – Колір (од. EBC) = колір (см3): 0,0625;
** – Показник екстрактивності по методу Hartong-Kretschmer при температурі
45° C
17
Карамельний солод – сильно забарвлений ароматичний продукт, що отриманий
з свіжоприготовленого світло солоду шляхом оцукрювання та обсмажування. Це
робиться за наступною схемою: свіжоприготовлений світлий солод ополіскуванням
водою зволожують від 50 % до 60 % і завантажують в барабан для смаження на 2/3
від його місткості.
При частоті обертання барабану 30 хв-1 солод нагрівають до 70 0С, витримують
від 40 хв до 50 хв, нагрівають від 130° C до 180° C. За цей час солод висихає і його
смажать до отримання необхідного кольору від 2,5 год до 4,0 год.
Палений солод – це дуже сильно забарвлений продукт, отриманий з сухого
світлого солоду попередньо зволоженого від 50 % до 60 % змочуванням водою і
швидким обсмажуванням при 260° С.
Між карамельним і паленим солодом є істотна різниця. У карамельного солоду
міститься підвищена кількість цукру, значна частина якого карамелізується при
обжарюванні, з’єднуючись з амінокислотами і утворює велику кількість барвників.
Частина цукру, яка не увійшла в реакцію надає солоду солодкуватий смак.
Карамельний солод виробляти трьох сортів, що відрізняються кольором:
Світлий карамельний солод обсмажують від 110° С до 120° С на протязі 3 год.
Він має колір від 0,8 од до 2,0 од. Лінтнера (яка вимірює питому вагу цукрового
розчину. За цією шкалою 1 одиниця Лінтнера дорівнює 0,5 % цукру за вагою);
Середній карамельний солод обсмажують 2,5 год. від 130° С до 150° С. Він має
колір від 10 од до 15 од. Лінтнера;
Темний карамельний солод обсмажують від 150° С до 170° С на протязі від 3,5
год до 4 год. Він має колір від 20 од до 25 од. Лінтнера.
Вологість повітря карамельного солоду від 5 % до 8 % і вміст екстрактивних
речовин від 60 % до 70 %.
В процесі виробництва солоду паростки видалити на машині для відбивання
ростків відразу після висихання, коли вони ламкі і легко відламуються. Очищений від
паростків солод зважують і передають на склад для зберігання та відлежування. Для
пивоваріння використовують тільки солод який відлежався на протязі від 3 тижнів до
4 тижнів. Під час відлежування повільно проходять фізико-хімічні процеси, в
18
результаті яких солод врешті-решт стає готовим для виробництва пива.
Невідлежаний солод є дуже крихким, через це оболонка при дробленні сильно
подрібнюється, а ендосперм дає багато крупки і трохи борошна. Солод погано
оцукрюється при затиранні, а затор також погано фільтрується. Такий солод дуже
гігроскопічний (швидко поглинає вологу) і стає некрихким. Під час відлежування
вологість солоду піднімається від 5 % до 6 %. На невеликих підприємствах солод
повинен зберігатися в засіках шаром від 3 метрів до 4 метрів. За даними зарубіжних
дослідників найбільш доцільним для зберігання солоду є залізобетонні силоси, в яких
всі шари солоду в різну пору року будуть знаходитися в однакових умовах.
Вимоги щодо якості карамельного солоду представлені в таблиці 1.3.
Таблиця 1.3 – Вимоги щодо якості карамельного солоду
Стандарт для солоду
Назва показника Карамельного
Паленого
І класу ІІ класу
Масова частка вологи, %, не більше 6 6 6
Частка екстракту в сухій речовині солоду, %, не
75 70 70
менше
Сторонніх домішок, %, не більше 0,5 0,5 0,5
Кількість карамельних зерен, %, не менше 93 25 –
Колір (величина Лінтера-Лі), не менше 20 20 100
До якості готового солоду на сучасних підприємствах надають велике значення.
Залежно від якості кожний тип солоду повинен бути розділена на два класи (гатунки)
– I і II. Якість готового солоду оцінюють по органолептичних характеристиках, а
також механічних та хімічних аналізах в лабораторії підприємства [3].
По зовнішньому вигляду солод повинен бути чистим, зернові домішки не
повинні перевищувати 3 % для класу І та 5 % відсотків для класу II, без паростків,
пліснявого зерна, зернових шкідників. Солодовий колір повиннен бути рівномірний,
від світло жовтого до жовтого. Не допускається зеленуваті й темні тони викликані
цвіллю. Запах солодовий, ясно виражений, чистий, більш сильніший в темного
солоду. Не допускається затхлий, пліснявий запах і інші запахи. Смак солоду повинен
19
бути характерним, солодкуватим, не допускається кислий або гіркий присмак.
У добре розчиненому світлому солоді сума борошняних і напівборошняних
зерен не повинна бути менше ніж 95 %.
Мета цих досліджень полягає в розробці конструкції апарату для обсмажування
солоду. Вивчаючи стан справ в цій галузі, було встановлено, що на пивоварних
підприємствах малої потужності обладнання практично відсутнє. Тому пивоварна
промисловость використовує темні сорти солоду, придбані за кордоном. Таким
чином, існує необхідність у розробці установок, що дозволять виробляти
карамельний та палений солод високої якості.
1.2 Аналіз сучасних тенденцій в конструюванні апаратів для обсмажування
для виробництва карамельного солоду
Конструювання технологічного обладнання для смаження, а також наукове
обґрунтування робочих органів присвячені роботи багатьох дослідників.
На рис. 1.1 зображено циліндричний апарат для смаження.
1 – вал; 2 – конічна передача; 3 – шків; 4 – цегляна кладка; 5 – газовідвід;
6 – барабан; 7 – спіральні напрямні; 8 – трубка; 9 – завантажувальна воронка;
10 – дверца; 11 – топка
Рисунок 1.1 – Цилиндрический обжарочный аппарат
20
Він складається з зварного барабану 6, що обертається на валу 1. Крутний
момент валу передається від шківа 3 через 2. Під барабаном піч є 11. Топочні гази,
що омивають зовнішню поверхню барабану, виводяться в газовідвід 5. Продукт
завантажується в воронку 9, прикріплену до дверей 10, звідки вони потрапляють у
внутрішню порожнину барабану, на поверхні якого закріплені спіральні напрямні 7
для перемішування.
Утворені під час обжарювання гази і пари по трубі 8 всмоктується
вентилятором 8. Барабан обмурований цегляною кладкою 4. По закінченні
обжарювання дверця 10 відкривається і продукт вивантажується в візок, яким солод
подається в витяжку для відводу газів і охолодження. Процес обжарювання в таких
апаратах довготривалий. Регулювання температурного режиму відбувається зміною
кількості подачі палива. Ємність циліндричних апаратів 100 і 300 кг.
Для обжарювання сипких харчових продуктів, в тому числі солоду,
використовують апарат «Пробат» (рис. 1.2). Цей апарат випускається, як правило з
газовим обігрівом. Пальники монтуються в нижній частині апарату, а продукти
згоряння рухаються знизу в верх.
1 – обжарювальний барабан; 2 – завантажувальний бункер для солоду;
3 – відвідна труба; 4 – шибер; 5 – вентилятор; 6 – топка; 7 – люк для вивантаження
солоду після обсмажування на тарілку; 8 – тарілка, що охолоджує; 9 – мішалка
охолоджуючої тарілки; 10 – люк для вивантаження охолодженого солоду;
11 – піддувало; 12 – вентилятор; 13 – гвинтові лопаті
Рисунок 1.2 – Обжарювальний апарат фірми «Пробат»
21
Цей апарат випускається, як правило з газовим обігрівом. Пальники
монтуються в нижній частині апарату, а продукти згоряння рухаються знизу в верх.
Вентилятор, встановлений у верхній частині апарату, розподіляє потік
теплоносія по трьох каналах: потік гарячого повітря направляється через зону
термообробки з одночасною дією зовнішнього обігріву; гаряче повітря проходить
тільки через зону зовнішнього обігріву; гаряче повітря надсилається тільки через
камеру для обжарювання.
апарату для термообробки сипких продуктів рослинного походження:
- апарати з вертикальним розташуванням робочої камери;
- апарати з горизонтальним розташуванням робочої камери.
Незалежно від розташування робочої камери апарати мають спеціальні
пристрої для інтенсивного і рівномірного перемішування оброблюваної сировини.
З метою вибору основних конструктивних напрямів розглянемо найбільш
перспективний варіант теплового апарату барабанного типу з горизонтальним
розташуванням робочої камери. На рис 1.3 представлено принципово-конструктивну
схему барабанного апарату з горизонтальним розташуванням робочої камери.
Апарат для обсмажування містить перфорований барабан 2 розміщений в
корпусі 1, з гвинтовими напрямними 3 на внутрішній поверхні. Всередині барабана
проходить вал 4, виконаний у формі шнека з витками 5, направленими протилежно
гвинтовим напрямним 3, при цьому площа нормального поперечного перерізу
канавок шнека дорівнює площі нормального перетину канавки напрямних. На валу 4
встановлена зірочка 6. Вал і закріплений на валу барабан для обсмажування
встановлений на опорах 7. Барабан обігрівається ТЕНи 8, під якими встановлюється
екрані 9 для відбивання тепла. Зменшення втрат тепла у навколишнє середовище
забезпечує теплоізоляція кожуха 10. Суцільний виток 11 призначений для
запобігання висипання продукту 12 з робочої зони барабана при завантаженні
продукту вище канавки гвинтових напрямних 3. Вал виконаний порожнистим і
перфорованим отворами 13. Для регулювання подачі свіжого пророщеного солоду
забезпечує заслінка 14. Обертання валу з перфорованим барабаном передається
зірочкою 6 від реверсивного мотор-редуктора (не показаний) через ланцюгову
22
передачу 15. Внутрішня порожнина валу паропроводом 16 через клапан 17 з'єднано з
паровим генератором 18 з розміщеними всередині нагрівачами (ТЕНами) 8 і 19, які
підключені до силової мережі. Вода подається краном 20. Для видалення води з
парогенератора забезпечує зливний кран 21. Безпечну експлуатацію забезпечують
запобіжний клапан 22 і манометр 23. Апарат оснащений завантажувальним
пристроєм 24. Паровий генератор виробляє вологий насичений пар низького тиску
(до 150 кПа). Корпус апарату оснащений витяжним зондом 25. Для вивантажування
обсмаженого солоду установлено патрубок 26.
1 – корпус; 2 – перфорований барабан для обсмажування; 3 – гвинтові напрямні; 4 –
шнековий вал; 5 – витки шнека; 6 – зірочка; 7 – опори; 8 – ТЕНи;
9 – екран для відбивання; 10 – ізоляція корпусу; 11 – суцільний виток;12 – продукт;
13 – отвори перфорації; 14 – заслінка; 15 – ланцюгово передача;16 – паропровід;
17 – запірний кран; 18 – парогенератор; 19 – ТЕНи; 20 – кран для подачі пара;
21 – зливний кран; 22 – манометр; 23 – запобіжний клапан;
24 – завантажувальний пристрій 25 – зонд витяжний; 26 – вихідний патрубок
Рисунок 1.3 – Принципово-конструктивна схема барабанного апарату
Апарат для обсмажування працює наступним чином.
Завантаження продукту здійснюється через завантажувальний пристрій 24 з
23
заслінкою 14 до 2/3 робочого об’єму барабану 2. Потім продукт потрапляє в зону
гвинтових напрямних 3 барабану для обсмажування, що обертається і подається в
зону обсмажування, де витками шнека 5 розміщеного на валу 4, активно
перемішується і переміщується рухаючись уздовж осі обертання барабана 2.
З метою інтенсифікації процесу термічної обробки продукту в робочу камеру
барабана подається волога насичена пара, що виробляється в парогенераторі 18 і по
паропроводу 16 при відкритому крані 17 подається у внутрішню порожнину валу 4 і
через отвори 13 потрапляє в робочу зону з утворенням пароповітряного середовища.
Пароповітряне середовище в порівнянні з повітряним має більш високий коефіцієнт
тепловіддачі, а водяна пара в перегрітому стані (180° C до 200° C) інтенсивно
поглинає і перевипромінює променеву енергію, що, в цілому сприяє підвищенню
теплової ефективності процесу обсмажування продукту. Цьому сприяє і перфорована
поверхня барабану 2: через отвори перфорації повітря, підігріте ТЕНами 8,
інтенсивно циркулює в зоні робочої камери. Екран для відбивання 9 частково
перерозподіляє променеву енергію від нагрівальних елементів 8 в сторону барабану
2, чкий обертається, що також сприяє інтенсифікації теплообміну всередині робочої
камери. Отримані в ході термообробки пари і гази скидаються в навколишнє
середовище через зонд 25, а готовий продукт при реверсивному обертанню барабану
вивантажується через патрубок 26. За допомогою крана 17 регулюється подача пара
в робочу камеру барабана, а спеціальні отвори в порожнистому валу 4 забезпечує
рівномірну подачу пару по всій довжині циліндричної робочої камери. Відповідно до
теорії теплопередачі в умовах природньої конвекції коефіцієнт тепловіддачі в чисто
повітряному середовищі не перевищує 12 – 15 Вт/м·° С, у той час як в середовищі
перегрітої пари коефіцієнт тепловіддачі може бути 40 – 50 Вт/м·° С. Слід зазначити,
що водяна пара на відміну від повітря має здатність поглинати і перевипромінювати
променеву енергію. З цієї причини присутність в повітряному середовищі водяної
перегрітої пари підсилює процес теплової обробки свіжопророщеного ячменю.
Безпеку роботи парогенератора 18 забезпечується запобіжним клапаном 23,
який скидає пар при тиску більше 150 кПа. Обробка свіжопрощеного ячменю в
пароповітряному середовищі не тільки посилює тепловий процес, але в той же час
24
підвищує якість готового (обсмаженого) продукту за рахунок отримання належного
кольору, що так важливо при виробництві темного пива.
Конструкція апарату з горизонтальним розміщенням робочої камери і
шнековим перемішуванням зображено на рис. 1.4 де показано принципово-
конструктивну схему пристрою для обсмажування зерна та перерізу А – А.
1 – корпус; 2 – завантажувальний бункер; 3 –елементи для нагрівання;
4 – пара горизонтальних валів; 5 – гвинтові лопаті; 6 – перфоровані отвори;
7 – поздовжні пластини; 8 – перфоровані отвори; 9 – циліндрична поверхня;
10 – стінка; 11 – вихідний патрубок; 12 – поздовжні щілинні вікна;
13 – електродвигун; 14 – ланцюгова передача; 15 – відбивач
Рисунок 1.4 – Принципово-конструктивна схема апарату с горизонтальним
розміщенням робочої камери з шнековим перемішуванням
Пристрій для обсмажування зерна складається з корпусу 1; завантажувального
бункеру 2; інфрачервоного елементи для нагрівання 3; пари горизонтальних валів 4,
на які встановлені гвинтові лопаті 5 з перфорованими отворами 6 і поздовжні
пластини 7 з перфорованими отворами 8. Корпус зварений з двох неповних профілю
циліндричних поверхонь 9 і стінок 10. Корпус має вварений вихідний патрубок 11;
поздовжні щілинні вікна для аспірації.12. Пристрій обладнаний електродвигуном 13,
25
з'єднаним через ланцюгову передачу 14 з парою валів 4. Нагрівальні елементи 3
обладнані відбивачами 15 параболічного профілю і змонтованими на кришці корпусу.
Перфоровані отвори 8 поздовжніх пластин 7 більше максимального розміру
зерен, що обсмажуються. Це необхідно для проходження продукту через пластини в
момент його піднімання, що істотно підвищує розвернуту поверхню матеріалу при
його опроміненні. Одночасно підвищується циркуляція повітряних потоків, які
зрівнюють температуру в об’ємі робочої камери і підвищує конвективну складову
теплообміну. Цей позитивний ефект підсилюється додатково за рахунок
перфорованих отворів 6 на гвинтових лопатях 5, при цьому розмір діаметру отворів
перфорації 6 особливого значення не має.
Апарат працює таким чином.
Харчовий продукт (зерно) подається в бункер 2 і перші дозуючі виткилопатей
для змішування і далі транспортується до зони обсмажування. Пара горизонтальних
валів 4 з перфорованими лопатями 5 і поздовжніми пластинами 7 являються
транспортуючим і перемішуючим органом і обертається електродвигуном 13 через
ланцюгову передачу 14. В зоні з’єднання лопатей 5 і пластин 7 матеріал
захоплюється, піднімається і потрапляє в нижню частину корпусу, створюючи тим
самим розвернуту поверхню матеріалу для опромінення. Такий рух матеріалу в
апараті періодично повторюються. Завдяки такому конструктивному виконанню
забезпечується поздовжній рух матеріалу, а в зонах розташування інфрачервоних для
нагрівних елементів 3 – додатково поперечне з допомогою поздовжніх пластин 6.
Обсмажений продукт через вихідний патрубок 11 транспортується на подальшу
технологічну операцію. Утворений при обсмажуванні зерна пар видаляється із
апарату через щілинні вікна 12.
Загальний позитивний ефект від перфорованих лопатей і пластин складається з
наступних складових:
-.теплове поле вирівнюються в першу чергу по всій довжині робочої камери:
локальне розміщення нагрівальних елементів призводить до значного перепаду
температур – в зоні дії нагрівачів температура найвища, між нагрівачами найнижча;
- підвищується конвективна складова теплообміну за рахунок більш активної
26
циркуляції повітряних потоків і опалюваного середовища;
- покращується якість обсмажування зерна за рахунок збільшення розвернутої
поверхні опромінення під час просипання зерна при його підйомі перфорованими
лопатями: теплова обробка здійснюється під час руху зерна при одночасній
активізації повітряних потоків.
В запропонованому апараті поздовжні перфоровані пластини можуть
зніматися, і мінятися на пластини з іншими діаметрами отворів в залежності від виду
продукту, що переробляється.
Проведений аналіз дозволяє сформулювати основні напрямки вдосконалення
обладнання для обсмажування сипких харчових продуктів:
- вирівнювання температурного поля по довжині робочої камери;
- скорочення часу теплової обробки продукту;
- підвищення конвекивної складової теплообміну в робочій камері апарату для
обсмажування за рахунок більш активної циркуляції повітряних потоків і
нагрівального середовища;
- зниження споживання енергії в процесі обсмажування.
1.3 Опис процесів, що відбуваються в апаратах для обсмажування
барабанного типу
Обсмажування солоду в апаратах барабанного типу заснована на основі
паралельної роботи декількох процесів: теплових процесів, процесів масообміну,
процесу змішування.
Розглянемо детальніше процеси, що представляють найбільший інтерес при
розробці нового апарата для обсмажування: процесів змішування та передачі теплоти.
Розглянемо процес перемішування, який полягає в рівномірному перерозподілі
в просторі елементів сипучого середовища з метою вирівнювання складу суміші в
дедалі більш невеликих кількостях. Процес направлений на утворення однорідного
по якості і складу солоду, а також на інтексифікацію процесів тепло- і масообміну.
Повноту і завершення процесу перемішування оцінюють величиною ��, що
називається коефіцієнтом неоднорідності суміші:
27
��
1
�� = ∑|���� + ������|, (1.1)
�� · ����
��=��
де: ���� – поточна концентрація інгредієнта в і точці суміші, %;
������ – середня концентрація інгредієнта суміші, %;
�� – число точок виміру поточної концентрації;
�� = 1, 2,…, ��
Перемішування ідеальне, якщо �� = 0.
Відповідно характеристику однорідності суміші виражають;
�� = 1 − ��, (1.2)
де �� – характеристика однорідності суміші;
�� – характеристика неоднорідності суміші
Слід зазначити, що однорідність змішування продукту і його інтенсивність
пов'язано багато в чому з геометричними параметрами робочої камери барабанного
апарату, кінематичними параметрами його руху і параметрами продукту, що
обсмажується. Максимальну однорідність змішування (�� = 1) при механічному
перемішуванні солоду в апаратах барабанного типу майже не можливо досягти, т.я. в
сипучих середовищах не спостерігається дифузійне змішування силами молекулярної
взаємодії, якими супроводжується перемішування в емульсіях та суспензіях.
Розглянемо теплові процеси. Фундаментальною концепцією під час розгляду
теплових процесів є теплообмін. Теплообмін – передача енергії у вигляді тепла від
більш нагрітого тіла (теплоносія) до менш нагрітого. Рушійною силою теплообміну є
різниці температур між температурами різних тіл. Передача теплоти може
здійснюватися теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням.
Теплопровідність – передача теплоти (внутрішньої енергії), при
безпосередньому контакті тіл з різними температурами. Енергія безладних
(випадкових) теплових коливань молекул, що передається від одного тіла до іншого
28
або від однієї частини тіла до іншої частини шляхом безпосереднього зіткнення
молекул подібно передачі руху під час зіткнення куль. Хоча це поняття про взаємодії
молекул значно спрощено.
Конвекція – це процес переносу тепла в просторі разом з газом або рідини.
Кожний рухомий об’м середовища в цьому процесі нікуди свою енергію не передає,
тепловий потік рухається разом з ним. Штучна або примусова конвекція
прирівнюється з течією середовища, створеного вентилятором, насосом або
мішалкою. Природня або теплова конвекція зумовлена силами архімеда, що
виникають в результаті різниці щільності об’ємів середовища які підігріваються.
Теплове випромінювання (теплова радіація) являє собою явище теплообміну з
допомогою електромагнітних хвиль. При цьому відбувається подвійне перетворення
енергії: спочатку енергія теплового руху молекул перетворюється в енергію
електромагнітного випромінювання, а потім відбувається поглинання
електромагнітного випромінювання іншим тілом і перетворення енергію теплового
руху молекул. Повітря, через яке передається теплове випромінювання, практично не
нагрівається, тобто воно діелектричне.
На практиці описані процеси передачі тепла у чистому вигляді зустрічаються
дуже рідко і супроводжують один одного.
В апаратах для обсмажування з електричним обігрівом основними видами
переносу теплоти є: теплове випромінювання, яке переважає при передачі тепла від
ТЕНів до поверхні барабана і теплопровідністю, що переважає при передачі тепла від
зовнішньої поверхні стінки барабана до сипкої суміші (солоду).
Основним рівнянням, що описує процеси переносу теплоти в апараті для
обсмажування є рівняння теплового балансу, основне рівняння тепловіддачі, основне
рівняння теплопровідності, та закон Стефана-Больцмана.
Основне рівняння тепловіддачі описує перенос теплоти від поверхні стінки до
теплоносія (або навпаки):
�� = �� · ��(��ст − ��), (1.3)
де: �� – тепловий потік, Вт;
�� – коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія, Вт/м2·К;
29
�� – поверхня теплообміну, м2;
�� о
ст – температура стінки, С;
�� – температура теплоносія (продукту), оС.
Основне рівняння теплопровідності, описує перенос теплоти через стінку
барабана:
��
�� = ��(��ст − ��ст ), (1.4)
�� 1 2
де �� – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Вт/м2·К;
�� – товщина стінки, м;
Закон Стефана-Больцмана описує перенос теплоти (від ТЕНів до стінки
барабана для обсмажування) тепловим випромінюванням:
�� 4
1 �� 4
2
�� = ��1−2 · �� (( ) − ( ) ), (1.5)
100 100
де ��1−2 – коефіцієнт взаємного випромінювання, Вт/(м2·К);
��1, ��2 – температура поверхонь теплообміну, К;
�� – середній кутовий коефіцієнт, що враховує взаємне розміщення поверхонь
теплообміну.
Необхідно відмітити, що коефіцієнти в рівняннях (1.3) – (1.5) є індивідуальними
характеристиками апаратів і залежать великої кількості факторів та визначаються
емпіричним по критеріальним рівнянням.
Аналіз проведених раніше теоретичних досліджень на процеси, що
відбуваються в барабанних апаратах для обсмажування, говорить про те, що ці
дослідження не носять системний характер. Існуючі математичні моделі зазвичай
базуються на емпіричних даних.
До цих пір не розроблена математична модель, яка описує зміни
теплопровідності при стаціонарному режимі через циліндричну стінку барабана для
30
обсмажування. Також потребує уточнення математична модель теплопровідності при
стаціонарному режимі через шар продукту апаратів для обсмажування.
Відсутність теоретичних передумов математичного опису технологічного
процесу термічної обробки солоду в апаратах барабанного типу не дозволяє створити
передумови для розвитку високоефективних апаратів для виробництва карамельного
солоду.
1.4 Загальний план теоретичних та експериментальних досліджень
Основу теоретичних досліджень склав системний аналіз технологічних
особливостей процесу термообробки солоду в апаратах для обсмажування з
інтенсивним змішуванням. Передбачається створити розрахункову модель, яка
описує зміни теплопровідності при стаціонарному режимі через циліндричну стінку
барабана для обсмажування.
На основі проведених комплексних досліджень планується розробити
математичну модель теплопровідності при стаціонарному режимі через шар
продукту, що обробляється з уточненими коефіцієнтами.
На основі даної моделі, а також аналізу експериментальних даних процесу
термообробки солоду в апаратах з інтенсивним його перемішуванням планується
розробити науково обгрунтовані рекомендації щодо вибору оптимальних режимних і
технологічних параметрів роботи апарату для обсмажування, що розробляється,
забезпечуючи кращі органолептичні характеристики карамельного солоду при
мінімальних енерговитратах на одиницю продукції.
Експериментальні дослідження планується провести комплексно з
застосуванням планів проведення експериментів з використанням сучасних
комп'ютерних програм статистичної обробки отриманих експериментальних даних.
На основі експериментальних даних передбачається створення регресивних
залежностей, що адекватно описують процес обсмажування солоду і дозволяють
прогнозувати даний процес в залежності від зміни вхідних параметрів роботи. В
результаті проведених досліджень очікується розробити науково обґрунтовані
рекомендації по впровадженню та обслуговуванні розробленого апарату для
31
обсмажування при виробництві карамельного та паленого солоду на підприємстві.
Вибір параметрів визначається цілями та завданнями досліджень.
1.5 Цілі та завдання досліджень
Ціллю роботи є підвищення ефективності процесу термічної обробки солоду за
рахунок оптимизації процесу теплопередачі та його реалізація на апаратах
барабанного типу з інтенсивним перемішуванням і додатковою подачею теплоносія.
Згідно з поставленою ціллю вирішувались наступні задачі:
- аналіз технологічних особливостей обсмажування солоду для приготування
темних сортів пива;
- аналіз існуючих конструкцій обладнання для виробництва карамельного і
паленого солоду;
- аналіз теоретичних основ теплових процесів в апаратах для обсмажування
солоду інфрачервоним випромінюванням;
- отримання математичної моделі, яка описує зміну теплопередачі апараті;
- створення експериментального стенду для дослідження процесу теплової
обробки солоду в апаратах з інтенсивним перемішуванням;
- отримання аналітичних залежностей, що адекватно описувати процес
термообробки солоду;
- розробка конструкції промислового зразка апарата для обсмажування з
інтенсивним перемішуванням з принципово новими технічними рішеннями;
- визначення оптимальних експлуатаційних і технологічних параметрів роботи
апарата для обсмажування, що забезпечує підвищення органолептичних показників
карамельного солоду і зниження питомих витрат на одиницю продукції.
Висновки до розділу 1
На основі проведеного аналізу технологічного обладнання розроблені
класифікаційні схеми технологічного обладнання для обсмажування продуктів.
В результаті огляд існуючих зразків технологічного обладнання установлено,
що в даний час на вітчизняних підприємствах не існує ефективного обладнання для
32
виробництва карамельного і паленого солоду.
На основі аналізу існуючих зразків обладнання для обсмажування сипких
продуктів, а також фізико-хімічні властивостей солоду, найбільш перспективним з
точки зору забезпечення найкращих органолептичних параметрів з мінімальним
питомими енерговитратами було прийнято проведення технологічного процесу на
апаратах для обсмажування барабанного типу і додатковим підведенням теплоносія.
Для підвищення ефективності теплової обробки солоду варто розробити
конструкцію апарату для обсмажування з принципово новими дизайнерськими
рішеннями.
33
РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОВОЇ ОБРОБКИ СОЛОДУ
2.1 Основні закономірності високотемпературної обробки солоду для
виробництва темних сортів пива
Теплова (термічна) обробка солоду в апаратах з гвинтом змішуванням
здійснюють теплопровідністю, конвективним і променевим теплообміном. Фізична
сутність явища теплопровідності пояснюється на основі молекулярно-кінетичних
уявлень: перенос енергії при цьому відбувається за рахунок теплового руху та
енергетичної взаємодії між частинками, з яких складається сировина (молекул,
атомів, електронів). Термообробка солоду нерозривно пов'язана з розподілом
температури всередині тіла. Таким чином необхідно установити поняття:
температурне поле; градієнт температури; тепловий потік та теплопередачу.
Поєднання значень температури для усіх точок барабана для обсмажування
називається температурним полем, при чому температура повинна бути рівномірною
в напрямку координат x, y та z і постійною на протязі технологічного процесу.
Загалом температура t є функцією координат x, y, і z і часу τ: t=f(x, y, z, τ).
Градієнт температур завжди має місце в реальному тепловому процесі.
Температурний градієнт є вектором спрямованим по нормалі до ізотермічної
поверхні в сторону підвищення температури, °С/м.
Тепловий потік. В барабані для обсмажування теплота самовільно переноситься
від зовнішнього джерела тепла в напрямку зменшення температури – в напрямку
солоду. Кількість тепла, що переноситься через циліндричну стінку барабана за
одиницю часу називається тепловим потоком Q. Тепловий потік, віднесений до
одиниці площі стінки циліндра називається щільністю теплового потоку q.
Відмітимо, що щільність теплового потоку – вектор, напрям якого співпадає з
напрямом розповсюдження теплоти в даній точці и протилежно напряму вектору
температурного градієнту.
34
Процес переносу теплоти від джерела енергії (ТЕНів) до середовища, що
нагрівається (солоду) через розподільну циліндричну стінку барабана називається
теплопередачою. При цьому теплота переноситься всіма трьома способами
одночасно: теплопровідністю, конвекцією и випромінюванням.
В конкретному випадку необхідно виділити головний спосіб, на який
приходиться більша частина перенесеної теплоти – теплопровідність, що суттєво
спрощують метод визначення її кількості і дозволяє використовувати закон Фурьє,
який експериментально установив, що кількість переданої теплоти пропорційному
падінню температури, часу і площі перетину перпендикулярно направленню
розповсюдження теплоти:
(2.1)
Рівняння (2.1) є математичним вираженням основного закону теплопровідності
– закону Фурьє. Цей закон покладений в основу теоретичних и експериментальних
досліджень процесів теплопровідності в барабане для обсмажування з метою
побудови математичних моделей.
Для опису процесу переносу теплоти в барабані для обсмажування
використовуються наступні диференційні рівняння: суцільності; руху; енергії.
На рис. 2.1 зображена схема розміщення елемента обєму продукту (а) в просторі
х, у, z і напрям швидкостей Wx, Wy, Wz (б).
Рисунок 2.1 – Схема расположения розміщення елемента об’єму продукту (а)
в просторі х, у, z і напрям швидкостей Wx, Wy, Wz (б).
Приймаємо, що елемент об’єму продукту (dx, dy, dz) розміщується в довільній
точці х, у, z об'єму барабана. Стан продукту и свойства переносу в точці (х, у, z)
35
gозначимj через Т, р, ��, μ. Швидкість перемішування продукту W в координатах х, у,
z виразимо через її проекції Wx, Wy, Wz на вісі х, у, z (рис. 2.1).
При p = const маса продукту в об'ємі dx, dy, dz повинна зберігатися постійною
як при стаціонарному режимі, так і в період виходу апарату на стаціонарний режим.
Дані на рис. 2.1 в використовуємо при складанні рівнянь суцільності і енергії.
В основі рівняння суцільності лежить закон збереження маси і для об'єму
продукту при �� = const має вид:
(2.2)
де: W – швидкість перемішування продукту в координатах x, y, z
При перемінній щільності �� = const рівняння (2.1) набирає вид:
(2.3)
Рівняння (2.3) установлює, що зменшення щільності продукту в елементах
об'єму дорівнює відношенню швидкості її витікання з елемента до об'єму цього
елемента [36].
Для виведення рівняння руху використовується закон збереження кількості
руху. Результуючі рівняння, які називаються рівняннями руху Навьє-Стокса для
рідини, яка не стискається, представимо наступним чином:
(2.4)
36
В процесі теплової обробки солоду в барабані для обсмажування має місто
зміна щільності і температури продукту і в цьому випадку до системи рівнянь
суцільності і руху необхідно врахувати рівняння стану в формі F (��,Т) = 0.
В основі рівняння енергії лежить закон збереження енергії, при цьому
швидкість приходу енергії за рахунок теплопровідності в напрямку вісей х, у, z (рис.
2.1) визначається по закону Фурьє:
(2.5)
Приймаючи Wx = 0, Wy = 0, Wz = 0, а також λ = const і вводячи позначення α =
λ/(c·p), де α – температуропровідність (м2/с), отримаємо рівняння нестаціонарної
теплопровідності в ізотропному твердому тілі:
(2.6)
Рівняння (2.6) є рівнянням теплопровідності Фур'є. Рішенням цього рівняння є
розподіл температури в об'ємі барабану для обсмажування і часу тобто
температурного поля:
Якщо температура тіла не змінюється в часі дТ/дт = 0, то рівняння (2,6)
приймає вигляд:
де ��2 · �� оператор Лапласа.
При сталому процесі передачі теплоти теплопровідність дТ/дт = 0 і рівняння
прийме вигляд:
37
Так як величина α не дорівнює 0 то:
і тоді рівняння:
(2.7)
Рівняння (2.7) називається рівнянням Лапласа. Рівняння (2.7) описує розподіл
температури при передачі теплоти теплопровідністю у загальному виді, за винятком,
наприклад, форми продукту. Для конкретного барабана для обсмажування ці
рівняння повинні бути доповнені граничними умовами, що характеризують
геометричні фактори. Відзначимо також, що процес теплопровідності супроводжує
також конвекція і випромінювання.
Основні диференціальні рівняння суцільності, руху та енергії виражають собою
фундаментальні закони збереження маси імпульсу (кількості руху) та енергії і
підтверджує закон в’язкого тертя Ньютона і закону Фур’є.
Для вивчення конкретного процесу теплообміну в барабані для обсмажування
варто сформулювати і вирішити граничну проблему, яка повинна містити рівняння
суцільності, руху і енергії та граничних умов або умов неоднозначності.
Встановити граничні умови означає:
- сформулювати вихідні умови;
- сформулювати граничні умови на поверхні, що обмежує об'єм продукту, під
початковими умовами слідує зрозуміли значення невідомих функцій у
диференціальних рівняннях в початковий момент часу τ = 0.
Наприклад, до рівняння енергії невідомої функції – температури – можна задати
наступні граничні умови:
- граничні умови першого роду, коли задають значення температури на
обмежуючих об'єм продукту поверхнях, коли температура на межі може залежати від
координат точок межі і часу;
- граничні умови другого роду, коли на поверхні задана щільність теплового
потоку, похідна від температури по нормалі поверхні;
38
- граничні умови третього роду, коли тепловий потік вважається пропорційним
різниці температур стінки і продукту. Для, цієї умови повинні бути вказані
коефіцієнти тепловіддачі та температури навколишнього середовища;
- граничні умови четвертого роду, які зводяться до одночасного задання
рівності температур і теплових потоків на межі розподілу, коли вирішується задача
теплообміну двох середовищ (у нашому апараті тверде тіло – тіло, тобто стінка
циліндра – продукт).
Можливі інші важливі граничні умови. Наприклад, якщо врахувати теплообмін
випромінюванням між ТЕНами і стінкою барабану для обсмажування, то в цьому
випадку тепловий потік пропорційний різниці четвертих степеней джерела
температури (нагрівачів) і приймача температур (барабана).
Для рівнянь суцільності і руху граничні умови визначаються для кожної задачі,
але в цілому є:
- нормальна складова швидкості нагрівального середовища, рівному нулю на
поверхні розділу середовищ;
- поверхні розділу середовищ також приймаються нулю (продукт як би
прилипає до стiнки барабану При русі суцільного середовища (продукту) відповідна
швидкість, спрямована по дотичній до).
2.2 Математичне моделювання теплових процесів в барабані для
обсмажування
При виборі конструкції апарату для обсмажування слід спочатку і перш за все
враховувати процес передачі тепла від нагрівального середовища до середовища, що
нагрівається, при цьому повинен бути вибраний оптимальний тепловий режим.
Складний процес переносу теплоти складається з теплопровідності, конвекції і
випромінювання. Беручи до уваги конструктивні особливості апарату для
обсмажування, ми можемо припустити, що в робочій камері апарату – барабані для
обсмажування, має місце в основному процес передачі тепла теплопровідністю, а
барабан з продуктом є багатошаровою циліндричною стінкою. У цьому випадку
39
термічний опір багатошарової циліндричної стінки дорівнює сумі опорів окремих
шарів: перший шар – стінка барабана; наступний шар – продукт (солод), який можна
розділити на кілька шарів. На рис 2.2 представлена схема поперечного перерізу
барабана для обсмажування заповненого частково продуктом, що обробляється. Тут
також показана схема розподілу температури по радіусу барабана.
З рис. 2.2 випливає, що загальний теплообмін в апараті складається з процесу
теплопровідності через циліндричну стінку барабана для обсмажування і процесу
теплопровідності через шари продукту, що обробляється (розглянемо два шари).
Рисунок 2.2 – Схема розподілу температури по радіусу багатошарової циліндричної
стінки барабана для обсмажування
1 – циліндрична стінка барабана для обсмажування; 2 – перший шар продукту, що
обсмажується; 3 – другий шар продукту, що обсмажується; шар продукту, що
обсмажується r1 і r4 – радіуси шарів; T1 - T4 – температура шарів; 4 – ТЕНи (джерело
теплоти); 5 – відбивний екран; W – напрям обертання барабана; q – щільність
теплового потоку
У цьому випадку побудова математичної моделі проведена роздільно:
- для циліндричної стінки барабана для обсмажування;
- для шару сировини, що обробляється в барабані для обсмажування.
Розглянемо теплопровідність при стаціонарному режимі через циліндричну
стінку барабана для обсмажування. Диференційне рівняння теплопровідності при
стаціонарному режимі має вигляд (оператор Лапласа):
40
(2.8)
де ∇2 – оператор Лапласа
Для вирішення конкретної задачі до рівняння (2.8) необхідно застосувати
відповідні граничні умови.
Розглянемо випадок визначення стаціонарного одномірного поля температур.
Представимо рівняння Фур'є в циліндричній системі координат. Для цього
використовуємо відомі співвідношення, які зв'язують прямокутну і циліндричну
систему координат:
Рисунок 2.3 – Схема переходу от прямокутної до циліндричної
системи координат
Після заміни перемінних рівняння (2.8) в циліндричній системі координат
прийме вигляд:
(2.9)
Розглянемо одномірний процес теплопровідності в циліндричній стінці
барабана для обсмажування (рис. 2.4). Якщо граничні умови на внутрішній (r = r1) і
зовнішній (r = r2) поверхні стінки не залежать від кута 0, то и температурне поле не
буде залежати від цих перемінних, и в рівнянні (2.9) зберігаються тільки два перших
члена, а третій и четвертий рівні нулю.
41
Тоді, для визначення температурного поля в циліндричній стінці сформулюємо
граничну задачу. Рівняння теплопровідності за умовами задачі набуде вигляду:
1 – стінка барабана для обсмажування; 2 – нагрівальні елементи (ТЕЭНи);
3 – екран відбиваючий; q - напрям теплового потоку; Т1 – температура зовнішньої
поверхні стінки; Т2 – температура на внутрішній поверхні стінки; r – радіус шару
стінки; r1 – радіус внутрішньої стінки; r2 – радіус зовнішньої стінки;
l – довжина барабана; W – напрям обертання барабана
Рисунок 2.4 – Схема одномірний процес теплопровідності
в циліндричній стінці барабана для обсмажування
Якщо граничні умови при r = r1, Т = Т1 а при r = r2, Т = Т2 то рівняння (2.10)
набуде вигляду:
(2.11)
і після першого інтегрування отримаємо:
звідки після другого інтегрування отримаємо загальне рішення рівняння (2.10):
(2.12)
42
Постійні інтегрування C1 і C2 визначимо, використовуючи рівняння (2.11) і
(2.12). Обєднуючи їх отримаємо:
або:
(2.14)
звідки:
Найдемо C2 з (2.13) і використовуючи (2.14) отримуємо:
При відомих значеннях C1 і C2 отримаємо загальне рішення рівняння (2.12):
(2.15)
Таким чином, розподілення температури по товщині циліндричної стінки, яке
визначаємо, логарифмічно залежить від координати r , при цьому щільність теплового
потоку q визначається з закону Фур’є:
(2.16)
Кількість теплоти, що проходить крізь циліндричну стінку, віднесене до
довжини циліндра, визначається по формулі:
де при цьому Q залежить від r, так як теплота акумулюється в сировині, що
обробляється.
43
Розглянемо теплопровідність при стаціонарному режимі через шар продукту,
що обробляється.
Припущення: циліндричний шар продукту однорідний і розповсюдження
теплоти в одиницю часу відбувається радіально. Згідно закону Фур’є щільність
теплового потоку пропорціональна градієнту температури, часу і площі перетину,
перпендикулярного напряму розповсюдження теплоти:
де q – щільність теплового потока, Вт;
λ – коефіцієнт теплопровідності, Вт/м·град;
s – площа перетину, перпендикулярного тепловому потоку, м2;
r – радіус циліндра, м;
t – температура стінки циліндра, град
де l – довжина шару продукту, рівна довжині циліндра, м
Для побудови математичної моделі зобразимо схему розміщення продукту в
барабані для обсмажування (рис. 2.5).
Відтак, згідно закону Фур’є:
Прирівнюючи праві частини і скорочуючи їх на 2пλlΔг отримуємо:
або
44
1 –продукт, що обробляється; 2 – внутрішній шар продукту; 3 – зовнішній шар
продукту; 4 – шнек робочий. q – напрям теплового потоку; l – довжина шару
продукту; r – радіус барабана; t0 – температура внутрішнього шару продукту;
t1 – температура навколишнього середовища; w – напрям обертання продукту
Рисунок 2.5 – Схема розміщення продукту в барабане для обсмажування
Якщо відома температура внутрішнього шару продукту, то можна отримати
аналітичний вираз для знаходження температури в різних по глибині частинах
продукту. Загальний розв’язок рівняння (2.18) має вигляд:
де r ≠ 0
Так як функція l0(r) → +∞, то (r) → + ∞, і при великих r вона не може
представляти температуру. Тому при вирішенні рівняння приймаємо С1 = 0. Довільну
постійну С2 визначаємо з умови t(r) = t0, тоді:
і
В цілому, процес переносу теплоти в барабані для обсмажування представляє
собою теплопередачу через багатошарову циліндричну стінку, термічний опір, який
дорівнює сумі опорів окремих шарів. Тоді можна написати рівняння для визначення
кількості теплоти, що проходить через багатошарову циліндричну стінку:
45
де ql – відноситься до одиниці довжини стінки барабана для обсмажування;
п – число шарів
2.3 Моделювання процесів теплопередачі в апараті для обжарювання з
барабаним робочим органом
Загальний процес теплообміну від нагрівального середовища до середовища,
що нагрівається в барабані для обсмажування можна розділити на декілька частин
(рис. 2.6).
1. Тепловий потік від нагрівального середовища до циліндричної стінки
барабана визначається по рівнянню [36]:
(2.20)
де: α1 – загальний коефіцієнт тепловіддачі, що враховує променеву і конвективну
складові теплообміну, Вт/м2·град;
rн – зовнішній радіус барабана, м;
L – довжина барабана, м;
t1 – температура нагрівального середовища, °С;
tст – температура стінки циліндра зі сторони нагрівального середовища, °С.
2. Тепловий потік, що проходить крізь циліндричну стінку барабана шляхом
теплопровідності, визначається по формулі:
(2.21)
46
де: rв – внутрішній радіус барабана, м;
λ – коефіцієнт теплопровідності стінки барабана, Вт/м2·град
1 –барабан для обсмажування; 2 – продукт, що обробляється (солод – нагрівальне
середовище); 3 – стінка барабана; 4 – ТЕНи (нагрівальне середовище); 5 – відбивний
екран; 6 – шнек робочий; 7 – шнек допоміжний; L – довжина барабанам;
rн – зовнішній радіус барабана, м; rв – внутрішній радіус барабана, м;
t1 – температура нагрівального середовища, °С; t2 – температура середовища, що
нагрівається, °С; tст1 – температура стінки барабана зі сторони нагрівального
середовища, °С; tст2 – температура стінки зі сторони середовища, що нагрівається °C;
α1 – загальний коефіцієнт тепловіддачі від ТЕНів до стінок барабана, Вт/м2·град;
α2 – коефіцієнт теплопередачі від стiнки барабана до середовища, що нагрівається,
Вт/м2·град; Q – тепловий потік; ω – кутова швидкість обертання барабан, рад/с
Рисунок 2.6 – Схема теплообмена в обжарочном барабане:
3. Тепловий потік, що передається від стінки барабана визначається по формулі:
(2.22)
Рівняння (2.20), (2.21),і (2.22) можна представити в вигляді:
47
або
Приймаючи L=1,отримаємо формулу:
де величина KR визначається фромулою:
де KR – лінійний коефіцієнт тепловіддачі, віднесений до одиниці довжини
барабана для обсмажування.
Стосовно до конструкції барабану для обсмажування (L ≠ 1):
де K – коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2·град;
τ – час процесу, с;
t1, t2 – температура нагрівального середовища, і температура середовища, що
нагрівається, °C
48
Теплове і світлове випромінювання має однакову природу і характеризується
загальними законами: променева енергія розповсюджується в однорідному і
ізотропному середовищі прямолінійно і підпорядковується закону Стефана –
Больцмана. Тепловий потік передається за допомогою випромінювання від ТЕНів до
стінки апарату для обсмажування і визначається по формулі:
де: F – поверхня випромінювання, м2;
τ – час, с;
C1-2 – коефіцієнт взаємного випромінювання:
φ – середній кутовий коефіцієнт, що враховує взаємне розміщення
теплообмінних поверхонь.
Для даного випадку приймаємо φ = 1. При цьому має місце тепловіддача
одночасно конвенцією і опроміненням. Тому коефіцієнт теплопередачі α1буде
визначатися з рівняння:
де: ак – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, Вт/м2·град;
аЛ – коефіцієнт тепловіддачі променевим опроміненням, Вт/м2·град.
Коефіцієнт тепловіддачі опроміненням аЛ може бути визначений по формулі:
де: Скр – приведений коефіцієнт променевого випромінення системи ТЕНи –
барабан, Вт/( м2·К4);
Т1 – абсолютна температура поверхні, що віддає теплову енергію, К;
Т2 – абсолютна температура поверхні, що приймає променеву енергію, К
Остаточно приймаємо Qл = Q.
49
Узагальнимо теплотехнічні параметри. По закону Фур’є кількість теплоти, що
проходить в пограничному шарі товщиною δ через площу перетину барабана dF за
час dt складає:
(2.23)
С другої сторони, кількість теплоти, Що проходить від стінки барабана в ядро
продукту визначається по рівнянню тепловіддачі:
(2.24)
Прирівнюючи вирази (2.23) и (2.24) отримаємо:
(2.25)
Замінимо величину δ на деякий геометричний розмір l. Тоді получимо
безрозмірний комплекс величин:
де: Nи – число Нусельта, що є мірою співвідношення товщини пограничного шару
δ і визначаючого геометричного розміру: для барабана – его діаметр
Необхідною умовою подібності процесів переносу теплоти є дотримання
гідродинамічної і геометричної подібності: постійність числа Re і відношення
основних геометричних розмірів стінки L1, L2...Ln к деякого характерного розміру.
Для барабана для обсмажування характерним розміром є його діаметр, а в якості L0
можна прийняти його довжину. Таким чином, узагальнене (критеріальне) рівняння
конвективного теплообміну виражається функцією в вигляді:
(2.26)
50
або з урахуванням того, що число Нусельта є величиною, що визначається, так як в
нього входить величина коефіцієнта тепловіддачі:
де: число Рr виражає фізичні властивості продукту і характеризує подібність
фізичних властивостей теплоносіїв в процесах конвективного теплообміну.
Для сталого процесу теплообміну при механічному перемішуванні сировини,
що обробляється, числами F0 (Фур’є), Но (гомохронності) и Fr (Фруда) можна
знехтувати. Тоді для виду теплообміну, що розглядається рівняння при русі продукту
в барабані може бути представлено в вигляді:
(2.27)
де: D – діаметр барабана для обсмажування, м;
L – довжина барабана для обсмажування, м;
С, т, п, р – величини, що визначаються дослідним шляхом
Число Рейнольдса, що відображає режим руху продукту:
Число Прандтля, яке відображає здатність середовища, що нагрівається
(продукту) передавати рух тертям і передавати теплоту (тепловий критерій фізичних
властивостей продукту):
Необхідно відмітити, що:
де: Pe – числом Пекле
51
Числом Пекле це середня міра відношення інтенсивності передачі тепла
конвекцією до інтенсивності передачі тепла теплопровідністю (міра відношення
молекулярної і конвективної теплопередачі).
Завдяки великій поверхні твердих частинок солоду, передача тепла в шарі
продукту протікає з великою інтенсивністю, при цьому має місце передача тепла
конвекцією і шляхом теплопровідності в середині самих частинок, що відображається в
числах Re і Рr.
Кількість тепла Q переданого в одиницю часу від стінки барабану (нагрівальне
середовище) до твердих частинок продукту може бути визначено з рівняння переносу
тепла:
(2.28)
де FТВЧ – поверхня теплообміну, що приймається в даному випадку рівною
поверхні твердих частинок в шарі;
Δt – різниця температур стінки барабана і твердих частинок в шарі продукту;
α2 – коефіцієнт тепловіддачі від стінки барабана до частинок, що. нагріваються
Значення а2 визначається на основі дослідних даних, для чого необхідно
розробити, змонтувати і запустити в роботу спеціальний лабораторний стенд.
Якщо:
Тоді:
(2.29)
Таким образом, знаючи значення С, т, п, р, отримаєм нове узагальнене
критеріальне рівняння (2.27), з якого визначається значення а2 і, як наслідок, величина
Q з рівняння (2.28).
Отримані критеріальні рівняння (2.27) дозволяють проаналізувати фактори, що
впливають на процес теплової обробки солоду в апараті, для обсмажування, а також
52
визначити шляхи інтенсифікації процесу.
З рівнянь (2.27) – (2.29) випливає, що інтенсифікації процесу обсмажування
можна досягти наступним чином:
- підвищивши різницю температур стінки барабана и твердих частинок в шарі;
- збільшивши поверхню теплообміну;
- виготовивши барабан з матеріалу з максимальною теплопровідністю;
- підвищивши інтенсивність перемішування матеріалу в середині барабана;
- інтенсифікувавши процес тепловіддачі від стінки барабана до продукту;
- знизивши теплові втрати в навколишнє середовище
Дані методи інтенсифікації процесу обсмажування необхідно брати до уваги при
розробці удосконаленої конструкції апарату для обсмажування.
Висновки до розділу 2
Проаналізовано основні закономірності високотемпературної переробки
солоду в установках барабанного типу.
На основі проведених досліджень розроблено математичну модель, яка описує
зміну теплопровідності при стаціонарному режимі через циліндричну стінку барабана
апарату для обсмажування.
На основі проведених комплексних досліджень вперше розроблено
математичну модель теплопровідності при стаціонарному режимі через шар
продукту, що обсмажується з уточненими коефіцієнтами.
Проведено моделювання процесів теплопередачі в апараті для обсмажування з
барабанним робочим органом, що дозволило, знаючи значення С, т, п, р отримати
нові узагальнені критеріальні рівняння (2,27), з якого визначається значення α2 і як
наслідок величина Q з рівняння (2,28). Аналіз отриманих критеріальних рівнянь (2.27)
– (2.29) показав шлях інтенсифікації процесу обсмажування в апараті, на основі якого
запропонованого технічні рішення по удосконаленню апарату для обсмажування.
Проведено наукове обґрунтування геометричних, технологічних і
теплотехнічних параметрів удосконаленню конструкції апарату для обсмажування
барабанного типу.
53
РОЗДІЛ 3
Моделювання процесів теплообміну в апаратах для обсмажування
з барабанним робочим органом
3.1 Методи математичного планування експериментів
Математичне планування експериментів, які передують постановці фізичних,
математичних та аналогових експериментів і супроводжує їх реалізацію, є засобом
скорочення кількості експериментів і підвищення достовірності виявлених при
дослідженні залежностей. Метою математичного планування експериментів може
бути також пошук екстремальних значень залежностей, які дослідують або
уточнюють з найменшою затратою засобів і часу коефіцієнти в рівняннях, що їх
виражають.
Під плануванням експерименту мається в виду постановка дослідів по
заздалегідь спланованій схемі, що володіє деякими оптимальними властивостями.
В даний час є два основних напрямки теорії планування експерименту:
планування експерименту по виявленню механізму явищ і планування екстремальних
експериментів. Перший тип планування застосовується знаходження рівнянь регресії.
У другому випадку експериментатора цікавлять умови, при яких процес, що
вивчається, відповідає деякому критерію оптимальності.
Методи планування експерименту можуть бути застосовані до будь-яких
простих або складних систем, які мають властивість керованості (значення факторів
можна змінювати за бажанням експериментатора) і необхідний рівень відтворювання
результату. Слід зазначити, що планування експерименту пред'являє високі вимоги
до ретельності експерименту.
Раціональне планування експерименту дозволяє при мінімальній кількості
дослідів найбільш рівномірно покривають всю площу можливих поєднань впливових
факторів. При цьому експеримент планується так, щоб не було повторення
комбінацій.
Планування експерименту походить з статистичного характеру залежностей,
тому отримані рівняння зв'язку піддаються ретельному статистичному аналізу з
54
метою отримання з результатів експерименту максимуму інформації і підтвердити
достовірність отриманих залежностей і їх точність.
Значним етапом крок в експериментальному визначенні аналітичних
залежностей, що описують процес, є вибір значень незалежних змінних, з якими
проводили експерименти. Набір цих значень представляє собою план експерименту.
Застосування оптимального плану експерименту дозволяє скоротити кількість
необхідних дослідів та підвищити точність обробки даних.
3.2 Розробка експериментального стенда для дослідження процесу
обсмажування солоду
Для проведення досліджень процесу обсмажування солоду розроблено і
виготовлено стенд. Експериментальний стенд дозволяє визначити питомі
енерговитрати і технологічні параметри солоду в процесі обсмажування. При
проектуванні апарату для обсмажування була розроблена комп'ютерна 3D-модель
представлена на рис 3.1.
1 – захисний кожухом; 2 – корпуси підшипників; 3 – гвинт валу; 4 – привід;
5 – завантажувальний бункер; 6 – парогенератор; 7 – стенд;
8 – вивантажувальний бункер
Рисунок 3.1 – Комп’ютерна 3D-модель лабораторного апарату для обсмажування
55
Створення 3D-моделі дозволило провести на комп’ютері ранню діагностику
проблем, таких як неправильні розміри, перетину деталей, не доступні для
обслуговування вузли. Все це в значній мірі зменшило час проектування лабораторної
установки і скорочення його вартості. Принципово-конструктивні схема
експериментального стенду представлена на рис 3.2.
Розроблений експериментальний стенд призначений для дослідження процесів
термообробки харчових сипких продуктів в пароповітряному середовищі в апаратах
з інтенсивним перемішуванням, визначення впливу режимних параметрів роботи на
якість кінцевого продукту, питомі енерговитрати даного устаткування.
Рисунок 3.2 – Принципово-конструктивна схема експериментального стенду:
1 – апарат для обсмажування; 2 – паровий генератор; 3 – частотний перетворювач
Е2-8300-007Н; 4 – манометр; 5 – ваги електронні SС 4010; 6 – секундомір;
7 – пірометр оптичний АКИП 9303; 8 – мілівольтметр; 9 – пакетний перемикач;
10 – тахометр; 11 – вольтметр; 12 – амперметр; 13 – ватметр; 14 – ТЕНи; 15 –- шнек;
16 – вал перфорований; 17 – паропровід; 18 – барабан для обсмажування з
гвинтовими напрямними; 19 – привод; 20 – контактна група; 21 – термопари
56
На рис. 3.3 показаний загальний вигляд експериментального стенду.
1 – апарат для обсмажування; 2 – парогенератор; 3 – контрольно-вимірювальне
обладнання; 4 – персональний переносний комп’ютер ASUS 1005 PX.
Рисунок 3.3 – Загальний вигляд експериментального стенда
Технічні характеристики лабораторного апарата для обсмажування, що
використовується в експериментальному стенді, представлені в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 – Технічна характеристика лабораторного аппарата
Показник Значення
Частота обертання барабана, хв-1 0 – 100
Температура всередині робочої камери, 0С 30 – 260
Час обсмажування (не менше), хв 1
Об’єм барабана апарата, м3 0,06
Потужність парогенератора, кВт 12,2
Установлена потужність ТЕНів, кВт 2
Маса, кг не більше 75
Принципово-конструктивна схема апарата для обсмажування представлена на
рис. 3.4.
Апарат для обсмажування складається з перфорованого барабана 2, з
гвинтовими напрямними 3 на внутрішній поверхні, поміщеного в корпус 1. Всередині
барабана 3 проходить вал 4 виконаний в вигляді гвинта з витками 5. направленими в
57
протилежну сторону гвинтовим напрямних 3, при цьому площа нормального
поперечного перерізу канавки гвинта дорівнює площа нормального поперечного
перерізу канавки напрямних. На валу 4 встановлена зірочка 6. Вал 4 і закріплений на
валу барабана 2, встановлений на опорах 7. Барабан для обсмажування підігріваються
ТЕНами 8, під якими установлено екран для відбивання 9. Зменшення втрат теплоти
в навколишнє середовище забезпечує ізоляція корпусу 10. Суцільний виток 11
призначений для запобігання висипу продукту 12 з робочої зони барабана для
обсмажування 2 при завантаженні продукту вище канавки гвинтових напрямних 3.
Вал 4 виконаний порожнистим і перфорованим, при цьому отвори перфорації 13
розміщені з рівномірним кроком по всій довжині робочої камери барабана.
1 – корпус; 2 – перфорований барабан; 3 – гвинтові напрямні; 4 – вал; 5 – шнек з
витками; 6 – зірочка; 7 – опори; 8 – ТЕНи; 9 – відбивний екран; 10 – ізоляція
корпусу; 11 – суцільний виток; 12 – продукт, що обсмажується; 13 – отвори
перфорації; 14 – заслінка регулююча; 15 – ланцюгова передача; 16 – паропроводом;
17 – запірний кран; 18 – парогенератор; 19 – ТЕНи парогенератора; 20 – вентиль
подачі води; 21 – кран для зливання води; 22 – манометр; 23 – запобіжний клапан;
24 – завантажувальний пристрій; 25 – витяжний зонт; 26 – вихідний патрубок
Рисунок 3.4 – Принципово-конструктивна схема апарата для обсмажування
Регулювання подачі свіжого пророщеного ячменю забезпечується заслінкою
14. Обертальний рух барабану 2 з валом 4 до зірочки 6 передається від реверсивного
58
мотор-редуктора (не показаний) через ланцюгову передачу 15. Внутрішня порожнина
валу 4 паропроводом 16 через клапан 17 з’єднана з парогенератором 18 з
розміщеними всередині його електронагрівальними елементами (ТЕНами) 19. Подача
вода в парогенератор регулюється вентилем подачі 20. Зливання води з
парогенератора проводиться краном 21. Безпечна експлуатація парогенератора 18
забезпечується манометром 22 і запобіжним клапаном 23. Барабана 2 для
обсмажування обладнано завантажувальним пристроєм 24.
Апарат для обсмажування працює наступним чином:
Завантаження продукту здійснюється через завантажувальний пристрій 24
заслінкою 14 на 2/3 барабана 2 апарата для обсмажування. Потім продукт потрапляє
в зону гвинтових напрямних 3 барабану і при його обертанні потрапляє в зону
обсмажування, де зустрічно направленими витками 5, встановленими на валу 4,
відбувається його активне перемішування і переміщення уздовж осі обертання
барабана для обсмажування 2.
З метою інтенсифікації процесу термічної обробки продукту в робочій камері
барабана 2 подається вологий насичений пар, що виробляється в парогенераторі 18 і
по паропроводу 16 при відкритому крані 17 подається у внутрішню порожнину валу
4 і через отвори 13 потрапляє до робочої зони з утворенням пароповітряного
середовища. Пароповітряне середовище в порівнянні з повітрям має більш високий
коефіцієнт теплопередачі, а водяна пара вже в перегрітому стані (180 – 200 °C)
інтенсивніше поглинає і перерозподіляє випромінювану променеву енергію, що, в
цілому і зумовлює підвищення теплової ефективності процесу обсмажування
продукту. Цьому сприяє і перфорована поверхня барабана для обсмажування 2: через
отвори перфорації повітря підігріте ТЕНами 8, інтенсивно циркулює в зоні робочої
камери. Відбивний екран 9 частково перерозподіляє енергію від нагрівальних
елементів 8 сторону барабана, обертається 2, яка також сприяє інтенсифікації
теплообміну всередині камери. Отримані в процесі теплової обробки пари і газ
скидаються в навколишнє середовище через витяжний зонд 25 а готовий продукт при
реверсивному обертанні барабана видаляється через вихідний патрубок 26. Краном
17 регулюється кількість пару. що подається в робочу камеру барабана 2 а спеціальні
59
отвори в порожнистому валу 4 забезпечують рівномірну його подачу по всій довжині
циліндричної робочої камери. Відповідно до теорії теплообміну в умовах природньої
конвекції коефіцієнт тепловіддачі αв в чисто повітряному середовищі не перевищує
12 – 15 Вт/м2·°С, у той час як в середовищі перегрітої пари коефіцієнт тепловіддачі
αп можуть досягати 40 – 50 Вт/м2·°С. Слід зазначити, що водяна пара на відміну від
повітря має здатність поглинати і перерозподіляє випромінювану променеву енергію.
З цієї причини присутність в повітряному середовищі водяної перегрітої пари
значно інтенсифікує процес термічної обробки свіжепророщеного ячменю (у тому
числі і за рахунок променевої складової процесу теплопередачі).
Парогенератор 18 виробляє чистий вологий насичений пар низького тиску, (110
– 140 кПА). Запобіжний клапан 23 забезпечує безпечну роботу парогенератора 18,
який скидає пар при тиску 150 кПа.
Обробка свіжепророщеного ячменю в пароповітряному середовищі не тільки
інтенсифікує процес термічної обробки, але в той же час підвищує якість готової
(обсмаженої) продукції за рахунок отримання належного кольору, що так важливо,
при виробництві темного пива.
Конструкція лабораторного апарата для обсмажування дозволяє регулювати
наступні основні параметри: частоту обертів барабану; споживання пару; тиск пару
на виході і виході з парогенератора; коефіцієнт заповнення робочої камери;
температуру всередині робочої камери; часу обсмажування.
3.3 Методики визначення характеристик обжарюваного солоду
3.3.1 Методика визначення вологості солоду
Для аналізу використовувалась бюкса (скляний тонкостінний стаканчик з
притертою кришкою), висушений в сушильній шафі при температурі 105 °С до
постійної маси. В попередньо зважену бюксу поміщують навіску подрібненої
речовини масою 5 г, взяту с погрішністю ± 0,0002 г і висушували в сушильній шафі
при 100 – 105 °С до тих пір, поки не установиться постійна маса остатку, тобто поки
два наступних зважування навіски не покажуть практично однакову масу. Результати
60
зважування округляють до тисячних доль грама. Різниця в масі між двома
наступними зважуваннями повинні бути не більше 0,001 г. Перше зважування навіски
проводили через 3 – 4 години від начала сушки, кожне наступне – через 1 годину, а в
кінці аналізу – через кожні 20 – 30 хв. Перед зважуванням бюксу з закритою кришкою
охолоджували на протязі 20 – 30 хв. в ексікаторі (скляній посудині). Середню
величину з двох повторних аналізів приймають за масову долю вологи
досліджуваного об'єкта.
Розрахунок вологості Х %, проводимо по формулі:
(3.1)
де а – маса бюкси с навіскою до висушування, г;
b – маса бюкси с навіскою після висушування, г;
с – маса навіски продукту, г.
3.3.2 Вимірювання температури солоду в процесі обсмажування
Температура солоду в барабані для обсмажування вимірюється с допомогою
хромель-алюмелевих термопар, підключених через пакетний перемикач до
мілівольтметру. Отримані дані с допомогою таблиць для градуювання переводились
в значення температури.
3.3.3 Методика визначення однорідності суміші
Ефективність змішування залежить як від фізичних властивостей компонентів
(гранулометричний склад, форма и характер поверхні частинок, вологість, щільність),
так і від параметрів змішувача (час змішування, швидкість робочих органів
змішувача, степінь заповнення і других показників).
Неможливо визначити настільки рівномірно розподілені всі компоненти в
суміші. Прослідити ж за рівномірністю розподілення 1 – 2 компонентів можливо.
Експериментально установлено, що якщо якийсь компонент розподілений в солоді
рівномірно, то и другі також рівномірно розподілені. Визначити рівномірність
розподілення цих компонентів можна лиш в тих випадках, коли методи їх кількісного
61
визначення порівняно прості і наявність других компонентів не мішає аналізу.
Такими компонентами може бути поварена сіль або крейда, які називаються
ключовими компонентами.
Ефективність змішування, яке розглядують як стохастичний (випадковий)
процес, визначають на основі статистичних характеристик суміші. Такою
характеристикою звичайно служить коефіцієнт варіації розподілення ключового
компонента в суміші.
Коефіцієнт варіації визначають по формулі:
(3.2)
де X – середній вміст ключового компонента в суміші, %;
Хi – вміст ключового компонента а кожній з проб, %;
n – число проаналізованих проб
Чим нижче значення коефіцієнт варіації, тим більш рівномірно розподілений
компонент в суміші. При ідеальному розподіленні компонента в суміші коефіцієнт
варіації наближається до нуля. Встановлені показники коефіцієнта варіації для солоду
в стандарте не передбачені, тому будемо приймати якість суміші задовільним, якщо
коефіцієнт варіації менше 15 %, и незадовільним, якщо більше 15 %.
У роботі однорідність змішування визначається наступним чином. З числа солоду
вибираємо кілька навісок, кожна з яких встановлює кількість ключового компоненту.
Чим більше взято проб, тим більш точніше можна визначити однорідність суміші.
Кількість вибраних навісок залежить від багатьох факторів, враховувати які досить
складно. Практично потрібно відібрати принаймні 10 – 15 навісок по 100 г. У нашому
випадку для спрощення обмежимося 5 – 8 навісками.
3.3.4 Методика визначення кольору солоду після обсмажування
Колір солоду після обсмажування визначається згідно ГОСТ 29294. Для цього, від
середньої проби обсмаженого солоду відбираємо навіску вагою 15 г..
Для проведення аналізу використовуються такі апарати, матеріали і реагенти:
62
- ваги лабораторні з допустимою похибкою вагою ± 75 мг по ДСТУ EN 45501;2007;
- ваги лабораторні з допустимою похибкою вагою ± 10 мг по ДСТУ EN 45501;2007;
- лабораторний млин;
- папір фільтрувальний по ДСТУ 7770:2015;
- склянка В-1-400, Н-1-1-600;
- циліндр 1-100;
- колба 1-500-2;
- бюретка 1-1-0,01;
- мішалка скляна;
- дистильована вода по ДСТУ ISO 3696:2003;
- залізоамонійні квасці по ДСТУ 7260:2012;
- сірчана кислота концентрацією 0,1 моль/дм3 по ДСТУ:2015;
- кислота оцтова с масовою долею 96% и питомою вагою 1,064 г/см3;
- електроплитка побутова;
- сітка азбестова;
- часи механічні з сигнальним пристроєм.
Для визначення кольору навіску карамельного солоду розмелювали в муку.
Розчин для визначення кольору готувався наступним образом: в мірну колбу
об'ємом 100 см3 поміщали навіску залізоамонійних квасців (дубильний реактив)
масою 4,0 г, добавляли 20 см3 сірчаної кислоти і дистильованої води до мітки колби.
Навіску розмеленого солоду масою 10 г. поміщали в стакан, добавляли
дистильована вода об'ємом 200 см3, доводили до кипіння и кип’ятили на протязі 10 хв.
Потім вміст стакана охолоджували до кімнатної температури и перекладали в мірну
колбу місткістю 500 см3. Вміст колби доводили дистильованою водою до мітки колби,
отриманий розчин перемішували и фільтрували через фільтр в суху колбу.
В один стакан компаратора поміщали розчин для порівняння, в другий
(послідовно) отриманий фільтрат в об’ємі 5, 10, 20 и т. д. см3 в залежності від окраски
фільтрату). З бюретки в стакан з фільтратом доливають при помішуванні скляною
паличкою дистильовану воду до зрівняння окраски в обох стаканах компаратора.
Якщо фільтрат закрашений слабіше, чим розчин для порівняння, то
63
дистильовану воду доливають не до фільтрату, а до розчину для порівняння, взятому
в цьому випадку в об'ємі 5, 10, 20 и т. д. см3
Колір по Лінтеру при розбавлянні фільтрату розраховували по формулі:
(3.3)
де а – об'єм фільтрату, см3;
b – об'єм дистильованої води, використаної для зрівняння окраски розчину в
компараторе, см3
При розбавлянні розчину для зрівняння колір по Лінтеру розраховували по
формулі:
(3.4)
де с – об'єм розчину для порівняння, см3.
Розходження між результатами двох аналізів, отриманих для одної і тієї ж пробі
не превищувало 0,5 Лн.
3.3.5 Регулювання параметрів процесу в апараті для обсмажування
На електронних вагах ВР-03МС звішується необхідна кількість солоду для
проведення експериментів. Частота обертання барабана для обсмажування
змінюється при допомозі частотного перетворювача струму в ланцюзі питання
електродвигунів. Частотні перетворювачі струму в ланцюзі призначені для
управління швидкістю обертання трифазних асинхронних електродвигунів
потужністю від 0,1 до 250 кВт і напругою 220 и 380 В.
Принцип дії частотного перетворювача оснований на регулюванні частоти
струму в ланцюзі живлення електродвигунів. Як відомо частота струму в
промислових і побутових електромережах складає 50 Гц. Частотний перетворювач
дозволяє змінювати частоту от 0,1 до 400 Гц. Для визначення необхідної частоти
струму в Гц, в залежності від потрібної частоти обертання електродвигуна, можна
використати формулу 3.5:
64
(3.5)
де п – частота обертання електродвигуна, хв-1;
V – частота струму, Гц;
Р – число пар полюсів в залежності від типу електродвигуна.
3.4 Аналіз серії експериментів по дослідженню процесу виробництва
карамельного та паленого солоду
3.4.1 Дослідженню параметрів виробництва карамельного солоду
Для утворення ароматичних и фарбувальних речовин солод піддається сушці
нагрітим повітрям. При цьому варто надати солоду смак, що відповідає смаку
виготовленого з нього пива. Смак сухого пивного солоду головним чином залежать
від ароматичних и фарбувальних речовин, що утворюються внаслідок взаємодії
цукрів та амінокислот при високих температурах.
Ферментний гідроліз складних вуглеводів і білків відбувається не лише при
проростанні зерна в солодовні, але й на першому етапі сушіння, коли в солоді
міститься ще достатня кількість вологи. При цьому ферментна активність
проявляється значно сильніше, чим при вирощуванні солоду, тому що тут ферменти
знаходяться ближче до його теплового оптимуму, що для більшості ферментів
складає від 37 °С до 70 °С. Тому навіть при нагріванні вологого солоду виробляється
багато продуктів ферментного гідролізу. Залежно від методу нагрівання і
максимальної температури сушіння отримують різні типи солоду.
Щоб дати пиву певний колір і смак готуються спеціальні сорти солоду. До таких
сортів відноситься карамельний солод. Він переробляється разом із звичайним
солоду, оскільки він не містить ферментів (або містить невелику їх кількість) і тому
при окремому затиранні не оцукрюється. Карамельний солод в основному
використовується для виробництва темного пива. Його застосування придає пиву
характерний карамельний аромат і присмак і одночасно темний колір, дещо
збільшується кислотність та зменшує ступінь бродіння.
Основними параметрами, що характеризують якість карамельного солоду є:
органолептичні характеристики; вміст вологи в готовому продукті; масова частка
65
екстракту в сухій речовині солоду; кількість карамельних зернин; колір (величина
Лінтнера-Лі).
При виготовленні карамельного солоду основними параметрами, що впливають
на якість кінцевого продукту є: температура, тривалості обсмажування і якість
змішування. Одним з факторів, які мають значний вплив на якісні характеристики
карамельного солоду є ефективність перемішування солоду в барабані. Дані про
ефективність перемішування в барабан запропонованої конструкції апарата для
обсмажування представлені в таблиці 3.2 та рис. 3.5.
Таблиця 3.2 – Залежність ефективності перемішування від часу
Час перемішування, с Ефективність перемішування, %
0 0
40 56,0
80 81,7
120 93.4
160 97,6
Як видно з приведених даних продукт досягає майже однорідного змішування
після 120 с обертання барабана, а так як теплова обробка солоду триває набагато довше,
то за час обсмажування солоду зерна рівномірно перемішуються.
%
Час перемішування,с
Рисунок 3.5 – Графік залежності ефективності перемішування від часу
66
Процес обсмажування солоду складається з двох етапів. Перший (етап І) – зерно
ячменю обсмажується на протязі від 30 хв до 45 хв і температурі від 60 0C до 75 0C. За
цей час відбувається остаточне оцукрювання зерна. Хорошою ознакою оцукрювання є
зріджений стан ендосперму, який легко витискається при роздавлюванні зерна.
Протягом другого (етап ІІ) температура піднімається до 170 0C. Зерно при цій
температурі витримують від 2,0 годин до 2,5 годин залежно від необхідних показників
готового солоду.
Дані отримані в ході експерименту представлені в таблицях 3.3, 3.4 і на рис. 3.6.
Таблиця 3.3 – Вплив частоти обертання барабана на органолептичні показники
Найменування Частота обертання барабана, хв-1
показників 1 2 3 4 5
Зовнішній Однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Від бурого до Світло
Колір Бурий Бурий Бурий
світло жовтого жовтий
Запах Пригорілий Солодовий Солодовий Солодовий Солодовий
Вигляд зерна Коричнева маса, що має
Коричнева маса, що має вигляд спеченої
на розрізі вигляд спеченої
Смак Солодкуватий
Одним з факторів, що впливають на якість отриманого карамельного солоду є
частота обертання барабана для обсмажування солоду.
Таблица 3.4 – Вплив частоти обертання барабана на фізико-хімічні
показники карамельного солоду
Частота обертання барабана, хв-1
Найменування показників
1 2 3 4 5
Масова доля вологи, % не більше 6,2 6,1 6,1 6,0 5,9
Масова доля екстракту в сухій речовині
74,5 74,8 74,9 75,0 75,3
солоду, % не менше
Кількість карамельних зернин, % не менше 25,0 35,4 62,1 93,0 94,0
Колір (величина Лінтера-Лі), не менше 24,2 23,1 22,5 20,0 20,0
67
Рисунок 3.6 – Діаграми впливу частоти обертання барабану
на фізико-хімічні показники карамельного солоду
68
Згідно даних, представлених в таблицях 3.5, 3.6 і діаграмі (рис. 3.7), оптимальна
тривалість першого етапу повинна знаходиться в інтервалі від 25 хв до 35 хв. При
виході за даний інтервал часу обсмажування виростає кількість некондиційних
зернин. Вплив тривалості обсмажування (етап I) на органолептичні показники
карамельного солоду представлено в таблиці 3.5. Вплив тривалості обсмажування
(етап I) на фізико-хімічні показники карамельного солоду представлено в таблиці 3.6.
Таблиця 3.5 – Вплив тривалості обсмажування (етап I) на органолептичні
показники карамельного солоду
Найменування Тривалість обсмажування, хв
показників
20 25 30 35 40
Зовнішній Однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Світло Світло Світло Від бурого до
Колір бурий
жовтий жовтий жовтий світло жовтого
Запах солодовий солодовий солодовий солодовий пригорілий
Вигляд зерна
Коричнева маса, що має вигляд спеченої
на розрізі
Солодкуватий,
зустрічаються
Смак Солодкуватий
пригорілі
зернини
Таблиця 3.6 – Вплив тривалості обсмажування (етап I) на фізико-хімічні
показники карамельного солоду
Тривалість обсмажування, хв
Найменування показників
20 25 30 35 40
Масова доля вологи, % не більше 6,1 6,07 6,03 6,0 6,0
Масова доля екстракту в сухій речовині солоду,
74,5 74,8 74,9 75,0 75,1
% не менше
Кількість карамельних зернин, % не менше 88,0 89,2 92,0 93,0 93,0
Колір (величина Лінтіера-Лі), не менше 19,5 19,8 20,0 20,0 20,0
69
Рисунок 3.7 – Діаграми впливу тривалості обсмажування (етап І)
на фізико-хімічні показники карамельного солоду
Один з найбільш енергоємних процесів для підготовки карамельного солоду є
обсмажування зерна (етап ІІ). Таким чином в роботі необхідно установити тривалість
обсмажування зерна ячменю (таблиці 3.7, 3.8). В ході експерименту на першому етапі
зерна витримали при температурі 70 0С на протязі 35 хв.
70
Вплив тривалості обсмажування на ІI етапі на органолептичні показники
карамельного солоду показано в таблиці 3.7. Вплив тривалості обсмажування на ІI
етапі на фізико-хімічні показники карамельного солоду показано в таблиці 3.8.
Діаграми впливу тривалості обсмажування на ІI етапі на фізико-хімічні
показники карамельного солоду (температура 170 0C) показано на рис. 3.8.
Таблиця 3.7 – Вплив тривалості обсмажування (етап ІI) на органолептичні
показники карамельного солоду
Найменування Тривалість обсмажування, год
показників
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Зовнішній Однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Від світло
Світло Світло Світло
Колір жовтого до Бурий
жовтий жовтий жовтий
бурого
Запах солодовий солодовий солодовий солодовий пригорілий
Вигляд зерна
Коричнева маса, що має вигляд спеченої
на розрізі
Солодкуватий,
зустрічаються
Смак Солодкуватий
пригорілі
зернини
Таблиця 3.8 – Вплив тривалості обсмажування (етап ІI) на фізико-хімічні
показники карамельного солоду
Тривалість обсмажування, год
Найменування показників
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Масова доля вологи, % не більше 6,05 6,04 6,03 6,02 6,0
Масова доля екстракту в сухій речовині солоду,
74,7 74,9 7,0 75,0 75,1
% не менше
Кількість карамельних зернин, % не менше 88,2 89,1 91,5 93,0 93,1
Колір (величина Лінтіера-Лі), не менше 19,7 19,9 20,0 20,0 20,0
71
Рисунок 3.8 – Діаграми впливу тривалості обсмажування (етап ІІ)
на фізико-хімічні показники карамельного солоду (температура 170 0C)
Як видно з приведених на рис 3.8 діаграм прийнятною тривалістю
обсмажування є час від 100 хв до 150 хв. Зниження незадовільних органолептичних і
і фізикохімічних показників та збільшення часу обсмажування приводить до
72
зростання числа обгорілих зерен, що сказується на якості готового пива (погіршення
якості і аромату) і збільшенням енергозатрат.
Крім тривалості обсмажування на якості готової солоду впливає температурний
режим виробництва. Дані, що характеризують вплив температури обсмажування на
якість карамельного солоду на першому етапі представлена в таблицях 3,9, 3.10 та
графіках рис. 3.9. Вплив температури обсмажування (етап I) на органолептичні
показники карамельного солоду показані в таблиці 3.9. Вплив температури
обсмажування (етап I) на органолептичні показники карамельного солоду показані в
таблиці 3.10.
Таблиця 3.9 – Вплив температури обсмажування (етап I) на органолептичні
показники карамельного солоду
Найменування Температура обсмажування, оС
показників
55 60 65 70 75
Зовнішній Однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Світло Світло Світло Від бурого до
Колір Бурий
жовтий жовтий жовтий світло жовтого
Запах солодовий солодовий солодовий солодовий пригорілий
Вигляд зерна
Коричнева маса, що має вигляд спеченої
на розрізі
Смак Солодкуватий Солодкуватий
Таблиця 3.10 – Вплив температури обсмажування (етап I) на фізико- хімічні
показники карамельного солоду
Температура обсмажування, оС
Найменування показників
55 60 65 70 75
Масова доля вологи, % не більше 6,2 6,15 6,05 6,0 6,0
Масова доля екстракту в сухій речовині солоду,
74,5 74,8 75,0 75,0 75,1
% не менше
Кількість карамельних зернин, % не менше 85,1 89,4 92,5 93,0 93,1
Колір (величина Лінтіера-Лі), не менше 18,7 19,4 19,8 20,0 20,0
73
Рисунок 3.9 – Діаграми температури обжарювання (етап І)
на фізико-хімічні показники карамельного солоду
74
З даних таблиць 3,9, 3.10 та графіка (рис. 3.9) видно, що найбільш оптимальна
температура для першого етапу від 60 0С до 70 0С.
Найбільш енергоємною стадією процесу обсмажування солоду є другий етап.
Визначення оптимальної температури обсмажування солоду протягом цього етапу є
надзвичайно важливим.
Вплив температури обсмажування (етап І) на органолептичні показники
карамельного солоду показано в таблиці 3.11.
Вплив температури обсмажування (етап ІI) на фізико-хімічні показники
карамельного солоду показано в таблиці 3.12.
Таблиця 3.11 – Вплив температури обсмажування (етап І) на органолептичні
показники карамельного солоду
Найменування Температура обсмажування, оС
показників 130 140 155 160 170
Зовнішній Однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Світло Світло Світло Від бурого до
Колір Бурий
жовтий жовтий жовтий світло жовтого
Запах солодовий солодовий солодовий солодовий пригорілий
Вигляд зерна Коричнева маса, що має вигляд спеченої
Смак Солодкуватий Солодкуватий,
Таблиця 3.12 – Вплив температури обсмажування (етап ІI) на фізико- хімічні
показники карамельного солоду
Температура обсмажування, оС
Найменування показників
130 140 155 160 170
Масова доля вологи, % не більше 6,8 6,5 6,2 6,0 5,9
Масова доля екстракту в сухій речовині солоду,
68,5 71,2 73,2 74,9 75,0
% не менше
Кількість карамельних зернин, % не менше 78,1 81,4 89,5 93,0 93,0
Колір (величина Лінтіера-Лі), не менше 17,5 18,4 19,1 20,0 20,0
75
Рисунок 3.10 – Діаграми температури обжарювання (етап ІІ)
на фізико-хімічні показники карамельного солоду
З даних таблиць 3,11, 3.12 та графіків на рис. 3.10 видно, що найбільш
оптимальна температура для другого етапу від 1450 С до 1650 С.
3.4.2 Дослідження параметрів виробництва паленого солоду
Кольоровий солод (палений) готується з звичайного світлого солоду. Перед
обсмажуванням солод зволожують. Підсмажування попередньо змоченого солоду
76
запобігає утворенню гірких речовин. Готують палений солод наступним чином:
попередньо змочений солод подається в барабан, температуру в якому поступово
підвищують від 160 0С до 175 0С (етап І). Потім повільно протягом 1,5 год. підвищують
температуру від 210 0С до 220 0C.
Основними параметрами, що характеризують палений солод, є як і для
карамельного солоду: органолептичні показники; вологість; масова частка екстракту в
сухій речовині солоду; колір. Для паленого солоду необхідні інші, ніж для карамельного,
режими перемішування і обсмажування. Таким чином в роботі необхідно перш за все
визначити оптимальну частоту обертання барабана для обсмажування. Дані
експерименту приведені в таблицях 3.13, 3.14 і рис. 3.11.
Таблиця 3.13 – Вплив частоти обертання барабана на органолептичні
показники паленого солоду
Найменування Частота обертання барабана, хв-1
показників 0,5 1 1,5 2 2,5
Зовнішній однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Колір майже чорний темно-коричневий
кофейний, злегка
Запах кофейний
пригорілий
кофейний, злегка
Смак кофейний
пригорілий
Вигляд зерна темно-коричневий,
темно-коричневий
на розрізі частково темний
Таблиця 3.14 – Вплив частоти обертання барабана на фізико-хімічні показники
паленого солоду
Частота обертання барабана, хв-1
Найменування показників
0,5 1 1,5 2 2,5
Масова доля вологи, % не більше 6,2 6,1 6,1 6,0 5,9
Масова доля екстракту в сухій речовині
68,2 69,3 69,5 70,0 70,0
солоду, % не менше
Колір (величина Лінтера-Лі), не менше 100 100 100 100 100
77
Відповідно до отриманих експериментальних даних якісніший палений солод
можна отримати при частоті обертання барабана від 2 хв-1 до 2,5 хв-1. При
повільнішому обертанні барабана збільшується кількість пригорілих зернин, що
негативно позначається на якості солоду.
Рисунок 3.11 – Діаграми впливу частоти обертання барабана
на фізико-хімічні показники паленого солоду
78
Необхідно було встановити тривалість першого етапу обсмажування солоду.
Дані експерименту приведені в таблицях 3.15, 3.16 і рис. 3.12.
Таблиця 3.15 – Вплив тривалості обсмажування солоду (етап І) на
органолептичні показники паленого солоду
Найменування тривалість обсмажування солоду, хв
показників
20 25 30 35 40
Зовнішній однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Колір темно-коричневий
Запах кофейний
Смак кофейний
Вигляд зерна
темно-коричневий
на розрізі
Таблица 3.16 – Вплив тривалості обсмажування солоду (етап І) на фізико-
хімічні показники паленого солоду
Частота обертання барабана, хв-1
Найменування показників
20 25 30 35 40
Масова доля вологи, % не більше 6,2 6,1 6,1 6,0 6,0
Масова доля екстракту в сухій речовині
68,5 69,1 69,5 70,0 70,0
солоду, % не менше
Колір (величина Лінтера-Лі), не менше 100 100 100 100 100
Згідно з даними представлені в таблиці 3.15 і 3.16, а також графіків (рис. 3,12)
оптимальна тривалість першого етапу становить від 30 хв до 35 хв. При збільшенні
часу обсмажування збільшується доля дефектних зернин.
Найбільш енергоємною стадією процесу отримання паленого солоду є другий
етап, визначення оптимальної температури обсмажування солоду протягом цього
етапу є надзвичайно важливим.
Результати приведені в таблицях 3.17, 3.18 і рис. 3.13.
79
Рисунок 3.12 – Графіки впливу тривалості обсмажування солоду (етап І)
на фізико-хімічні показники паленого солоду
80
Найбільш енергоємною стадією процесу отримання паленого солоду є другий
етап, визначення оптимальної температури обсмажування солоду протягом цього
етапу є надзвичайно важливим. Результати приведені в таблицях 3.17, 3.18 і рис. 3.13.
Таблица 3.17 – Вплив тривалості обсмажування солоду (етап ІІ) на
органолептичні показники паленого солоду
Найменування тривалість обсмажування солоду, год
показників 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Зовнішній однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
темно-
коричневий,
Колір темно-коричневий
деякі зерна
чорні
Запах кофейний Кофейний, пригорілий
Смак кофейний Кофейний, Кофейний,
пригорілий гіркий
Вигляд зерна
темно-коричневий
на розрізі
Таблица 3.18 – Вплив тривалості обсмажування солоду (етап ІІ) на фізико-
хімічні показники паленого солоду
Частота обертання барабана, хв-1
Найменування показників
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Масова доля вологи, % не більше 6,2 6,1 6,1 6,0 6,0
Масова доля екстракту в сухій речовині
68,5 69,1 69,5 70,0 70,0
солоду, % не менше
Колір (величина Лінтера-Лі), не менше 100 100 100 100 100
Згідно з даними представлені в таблиці 3.15 і 3.16, а також графіків (рис. 3,12)
оптимальна тривалість другого етапу становить від 1,4 год до 1,6 год. При збільшенні
часу обсмажування в солоді утворюється пригорілий смак і аромат, що призводить до
зниження якості готового пива.
81
ву
тривалості
Рисунок 3.13 – Графіки впливу тривалості обсмажування солоду (етап ІІ)
на фізико-хімічні показники паленого солоду
Крім тривалості обсмажування на якість готового солоду впливає температурний
режим виробництва. Дані, що характеризують вплив температури обсмажування на
82
якість паленого солоду на першому етапі представлені в таблицях 3,19, 3.20 (тривалість
обсмажування 30 хвилин) та графіках (рис. 3.14).
Таблица 3.19 – Вплив Вплив температури обсмажування (етап І)
на органолептичні показники паленого солоду
Найменування Температура обсмажування, оС
показників
130 140 155 160 170
Зовнішній Однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
Колір темно-коричневий
Запах кофейний
Смак кофейний
Вигляд зерна
темно-коричнева маса
на розрізі
Таблица 3.20 – Вплив Вплив температури обсмажування (етап I)
на фізико-хімічні показники паленого солоду
Температура обсмажування, оС
Найменування показників
130 140 155 160 170
Масова доля вологи, % не більше 6,75 6,3 6,1 6,0 6,0
Масова доля екстракту в сухій речовині солоду,
69,5 69,7 69,9 70,0 70,0
% не менше
Колір (величина Лінтіера-Лі), не менше 100 100 100 100 100
З даних таблиць 3.19, 3.20 та графіків (рис. 3.14) видно, що найбільш
оптимальна температура для першого етапу від 160 0С до 165 0С.
Найбільш енергоємною стадією процесу обсмажування солоду є другий етап,
визначення оптимальної температури обсмажування солоду протягом цього етапу є
надзвичайно важливим. Результати приведені в таблицях 3.21, 3.22 і рис. 3.15.
83
Рисунок 3.14 – Графіки впливу температури обсмажування (етап І)
на фізико-хімічні показники паленого солоду
84
Таблица 3.21 – Вплив температури обсмажування (етап ІI)
на органолептичні показники паленого солоду
Найменування Температура обсмажування, оС
показників
190 200 210 220 230
Зовнішній Однорідна зернова маса яка не містить
вигляд пліснявого зерна і зернових шкідників
темно-
коричневий,
Колір темно-коричневий
деякі зерна
чорні
Запах кофейний кофейний, пригорілий
кофейний, кофейний,
Смак кофейний
пригорілий гіркий
темно-
коричнева,
Вигляд зерна
темно-коричнева маса у деяких
на розрізі
зернах
чорний
Таблица 3.22 – Вплив температури обсмажування (етап ІI)
на фізико-хімічні показники паленого солоду
Температура обсмажування, оС
Найменування показників
190 200 210 220 230
Масова доля вологи, % не більше 6,5 6,3 6,1 6,0 6,0
Масова доля екстракту в сухій речовині солоду,
69,5 69,8 69,9 70,0 70,5
% не менше
Колір (величина Лінтіера-Лі), не менше 100 100 100 100 100
З даних таблиць 3.21, 3.22 та графіків (рис. 3.15) видно, що найбільш
оптимальна температура для другого етапу на рівні 210 0С протягом 1,5 год. При
підвищенні температури в продукті появляється горілий смак і аромат. При
обсмажуванні з більш низькою температурою палений солод не відповідає вимогам
ДСТУ.
85
Рисунок 3.15 – Графіки впливу температури обсмажування (етап ІІ)
на фізико-хімічні показники паленого солоду
Аналіз проведених експериментів показує, що на процес обсмажування солоду
впливає багато факторів, при цьому проведення аналізу їх спільного впливу на процес
затрудняється. Таким чином, щоб визначити моделі, що описують процес
обсмажування солоду в розробленому апараті доцільно подальше експериментальне
і теоретичне дослідження.
Висновки до розділу 3
Для проведення експериментальних досліджень виготовлений стенд, що
ґрунтується на базі розробленого обжарювального апарату, парогенератора,
завантажувального пристрою та контрольно-вимірювальних приладів.
Експериментальний стенд дозволяє визначити вплив режимних та технологічних
параметрів роботи обжарювального апарату на ефективність його роботи. В
результаті проведення аналізу апріорної інформації та власних експериментальних
досліджень встановлено основні фактори, що впливають на процес обжарювання, так
86
само встановлено, що для виявлення закономірностей описують процес
обсмажування солоду в розробленому апараті доцільно проведення подальших
експериментальних. Після аналізу сучасних методів математичного планування для
експериментального дослідження процесу обсмажування солоду в пароповітряному
середовищі вибрано факторний план Бокса-Вілсона. Застосування цього плану під
час проведення експерименту дозволяє скоротити кількість необхідних дослідів і
підвищити точність обробки. Для проведення експерименту керованими режимними
та технологічними параметрами розробленого обжарювального апарату обрані:
частота обертання барабана, коефіцієнт заповнення робочої камери, температура
всередині робочої камери, час обсмажування. Після аналізу літературних даних у
галузі дослідження процесу виробництва карамельного солоду як шуканих (вихідних)
параметрів, обрано кількість карамельних зерен після обробки в обжарювальному
апараті, масова частка екстракту в сухій речовині солоду, колір (величина Лінтнера-
Лі). Розроблено методику та програму проведення експериментальних досліджень,
що дозволяє отримати адекватні математичні та графічні залежності, що реально
описують процес обсмажування солоду в пароповітряному середовищі.
87
РОЗДІЛ 4
Підвищення ефективності процесу обсмажування солоду в апаратах
барабанного типу
4.1 Дослідження питомих енерговитрат на процес обсмажування
Аналіз даних літератури показує, що в даний момент, для проектування нових
та модернізації існуючого обладнання для обсмажування солоду задачу оптимізації
можна сформулювати наступним чином: забезпечити мінімального споживання
енергії і максимальної продуктивності при збереженні якості продукції.
Під питомими енерговитратами розуміють фізичну величину, що представляє
співвідношення затрат енергії на процес до кількості перероблюваної продукції.
Про якість солоду можна судити за кількістю карамельних зернин, масовій долі
екстракту в сухій речовині солоду і кольору (величина Лінтнера-Лі).
Було встановлено, що характер впливу робочих параметрів протягом
досліджуваного інтервалу варіації на масову частку екстракту в сухій речовині
карамельного солоду і кількість карамельних зернин схожий: зі збільшенням частоти
обертів і зменшення коефіцієнта заповнення барабана, обидві функції зростають, що
пов'язано з більш рівномірним змішуванням зерна в барабані. Залежність обох
вивідних функцій від часу для обсмажування солоду носить екстремальний характер.
Підвищення температури тягне за собою збільшення масової частки екстракту в сухій
речовині карамельного солоду і кількість карамельних зернин за умови інтенсивного
змішування солоду в барабані. Характер змін кольору (величини Лінтнера-Лі) є
складним, і його значення в 20 одиниць може бути досягнуто при різноманітній
комбінації параметрів режиму.
Продуктивність апарата для обсмажування солоду в процесі дослідження не
визначалась в якості окремої характеристики, але її можна розрахувати по формулі:
(4.1)
де П – продуктивність пристрою, кг/год;
V – об'єм барабана апарату, м;
88
γ – насипна щільність солоду, кг/м3;
ϕ – коефіцієнта заповнення робочої камери;
tІ – час обсмажування на І етапі, хв;
τ – час обсмажування на ІІ етапі, хв;
Вага солоду, що засипається в барабан визначається по формулі:
(4.2)
де G0 – маса солоду, що засипається в барабан, кг.
В ході експерименту на першому етапі зерна видержували при температурі 650С
на протязі 30 хв. Об’єм барабана апарата 0,06 м3. Насипна щільність солоду в ході
експериментальних досліджень 340 кг/м3.
Коефіцієнт заповнення барабана і час обсмажування на ІІ етапі являлись
факторами варіювання. Розрахуємо, як змінювалась продуктивність апарата в ході
експериментальних досліджень. Результати зведем в таблиці (Додаток А).
Процес обсмажування солоду в апараті, що розробляється, пов’язаний з
затратами енергії на обертання барабана, нагрівання ТЕНів и виробництво пара в
парогенераторі, тому затрати енергії можна знайти з рівняння:
(5.3)
де Qзатр – затрати енергії на проведення процесу обсмажування солоду, кВт·год;
QБ – затрати енергії на обертання барабана, кВт·год;
QТЕН – затрати енергії на нагрів ТЭНів, кВт·год;
QП – затрати енергії на виробництво пара в парогенераторі, кВт·год.
Контроль за витратою електроенергії проводиться при допомозі лічильника
електроенергії СЕ301-R33, установленого в ланцюгу живлення електродвигуна
привода барабана, ТЕНів и парогенератора.
89
Результати вимірювань затрат електроенергії проводились в ході
експериментальних досліджень. Затрати енергії, приведені для стаціонарного режиму
роботи, тобто не враховують затрат енергії на нагрів ТЕНів і парогенератора до
робочої температури.
Необхідно відмітити, що для оптимізації процесу обсмажування солоду інтерес
представляє не кількість спожитої енергії, а питомі енергозатрати – це відношення
затрат енергії на процес до кількості переробленої продукції.
(5.4)
де е – питомі енергозатрати, кВт·год /кг
Проаналізуємо більш детально взаємозв’язок між питомою затратою енергії,
вхідними і вихідними функціями.
Питомі затрати енергії зменшуються з підвищенням коефіцієнта заповнення
барабана и незначно збільшуються з підвищенням частоти обертів. Підвищення часу
обсмажування і температури визивають підвищення питомих затрат енергії.
4.2 Оптимізація процесу обсмажування солоду
Кінцевою ціллю проектування є отримання кращого найбільш прийнятного з
числа можливих альтернативних технічних рішень, що забезпечує високі показники
ефективності і якості продукту який обробляється. Це досягається в процесі рішення
задач синтезу, які направлені на визначення структури і оптимальних параметрів
процесу. В нашому конкретному випадку основною задачею є отримання найбільш
прийнятного з числа можливих альтернативних технологічних параметрів апарата
для обсмажування, що забезпечує мінімальні питомі затрати енергії при необхідній
якості карамельного солоду.
При оптимізації необхідно формалізувати поняття «найкращий». Щоб вибрати
оптимальний варіант необхідно сформулювати правило переваги. Основою таких правил
може бути однозначна чисельна характеристика об'єкта, що представляє собою скалярну
функцію. Ця характеристика відображає цільовий пошук, і тому вона називається
90
цільовою функцією. Це дозволяє кількісно виразити якість об'єкту і тому називається
також функцією якості. Таким чином, в основі побудови правила переваги лежить
цільова функція. Так як загальний критерій для ефективної роботи апарата для
обсмажування є мінімальні витрати енергії на одиницю продукції, і необхідна якість
продукту, то при оптимізації процесу необхідно визначити технологічні параметри,
що задовольняють ці умови.
Визначення оптимальних технологічних параметрів апарата для обсмажування,
що забезпечують мінімальні витрати енергії на одиницю продукції та необхідну
якість продукції використовується графічний метод. Вимоги до якості карамельного
солоду приведені в таблиці 4.1.
Таблица 4.1 – Вимоги щодо якості карамельного солоду
Норма для карамельного солоду
Назва показника
І клас II клас
Масова доля екстракту в сухої речовині
солоду, %, не менше 75 70
Кількість карамельних зернин, %, не менше 93 75
Колір (величина Лінтера-Лі)* 20 20
* Для карамельного солоду відхилення значень величини Лінтера-Лі від
нормальних показників може бути до + 2 одиниць
З таблиці 4.1. видно, що отримання карамельного солоду ІІ класу менш затратно
чим отримання солоду І класу. Визначені в рамках оптимізації технологічні
параметри роботи апарата для обсмажування, що розробляється були взяті за в основу
при проектуванні і виготовленні промислового зразка апарата барабанного типу для
обсмажування солоду.
Результати оптимізації процесу обсмажування солоду приведені в таблиці 4.2.
На першому етапі обсмажування зерна видержуються при температурі 65о С
протягом 30 хв.
91
Таблица 4.2 – Результати оптимізації процесу обсмажування карамельного солоду
Оптимальне значення фактору для
Найменування фактору варіації обсмажування карамельного солоду
І клас II клас
Частота обертання барабана, хв-1 5,8 1,7
Коефіцієнт заповнення робочої камери 0,48 0,89
Температура всередині камери на II етапі, С 192 – 200 131 –36
Час обсмажування на ІІ етапі, хв 138 – 143 112 – 115
Питомі енергозатрати, кВт·год/кг 0,108 – 0,11 0,072 – 0,075
4.3 Промислове впровадження результатів досліджень
На основі аналізу і оптимізації результатів теоретичних і експериментальних
досліджень розроблений апарат для смаження карамельного солоду. Відмінною
особливістю розробленого апарату є вдосконалена конструкція обжарювального
барабана: барабан має на своїй внутрішній поверхні напрямні, виконані у вигляді
гвинтової лінії, і порожнистий вал у вигляді барабана, розташований в центральній
частині, при цьому гвинтові лінії направляючих і барабана мають протилежний
напрямок, а площа нормального перерізу канавки барабана рівна площі нормального
перетину канавки направляючих. Таке конструктивне рішення дає можливість
стабілізувати рух продукту в барабані, усунути небажане додаткове ущільнення та
стиснення продукту і, як наслідок, підвищити якість обсмажування солоду. Також
слід відзначити наявність отворів вздовж зовнішньої поверхні порожнистого валу,
через які солод, що обсмажується, обробляється парою, що покращує його
органолептичні показники, знижує гіркоту. Ефективність роботи апарату залежить
від температурного режиму та тривалості обсмажування, частоти обертання та
коефіцієнта заповнення барабана.
Розробка конструкції апарату здійснювалася за допомогою сучасних засобів
автоматизованого проектування, що дозволило наряду з високими техніко-
експлуатаційними показниками забезпечити ергономічність установки. Загальний
вигляд дослідного зразка обжарювального апарату для виробництва карамельного
солоду показано на рис. 4.1.
92
Принцип роботи дослідного обжарювального апарату для карамельного солоду
аналогічний принципу роботи лабораторної установки.
а) – загальний вигляд; б) – вид з відкритою кришкою і кожухом ланцюгової передачі
1 – кожух ланцюгової передачі; 2 – завантажувальна воронка; 3 – корпус;
4 – блок ТЕНів; 5 – станина; 6 – парогенератор; 7 – вивантажувальний патрубок;
8 – привід; 9 – манометр; 10 – шнек; 11 – кришка; 12 – перфорований барабан;
13 – ланцюгова передача; 14 – вал перфорований
Рисунок 4.1 – Дослідний апарат для виробництва карамельного солода:
Технічні характеристики обжарювального апарату представлені в таблиці 4.3.
Таблица 4.3 – Технічна характеристика розробленого обжарювального апарату
Параметри Значення
1 2
Кількість одночасно обсмажувального солоду, кг (не більше) 300
Швидкість обертання барабану, об/хв 1 – 7
Температура обсмажування, о С 100 – 200
Тривалість обсмажування, хв 100 – 150
93
Продовження таблиці 4.3
1 2
Встановлена електрична потужність, кВт
-Приводу 0,5
-ТЕНів 12
-Парогенератора 3
Габаритні розміри, мм
- Довжина 3000
- Ширина 930
- Висота 1600
Вага, кг 720
Висновок до розділу 4
Аналіз літератури свідчить, що головне завдання при розробці нового або
модернізації наявного обладнання для обсмажування солоду – це оптимізація
технологічних параметрів. Мета цієї оптимізації – досягнення необхідної якості
продукції при мінімально можливих питомих енерговитратах.
Експериментальні дослідження виявили залежність питомих енерговитрат від
ключових параметрів обсмажування:
- Зниження енерговитрат: відбувається при підвищенні коефіцієнта заповнення
барабана.
- Незначне підвищення енерговитрат: спостерігається при збільшенні частоти
обертів барабана.
- Значне підвищення енерговитрат: викликане збільшенням часу обсмажування
та температури.
Шляхом графічної оптимізації були визначені ідеальні (оптимальні)
технологічні параметри для обсмажування карамельного солоду, що забезпечують
баланс між якістю продукту та мінімальними енерговитратами:
- для ларамельного солоду I класу: частота обертання барабана �� = 1,7 хв−1;
коефіцієнт заповнення �� = 0,89; температура в середені робочої камери на II етапі ��р
дорівнює від 192о С до 200о С; час обсмажування на II етапі �� – від 138 хв до 143 хв;
94
- для ларамельного солоду ІI класу: частота обертання барабана �� = 5,8 хв−1;
коефіцієнт заповнення �� = 0,48; температура в середені робочої камери на II етапі ��р
дорівнює від 131о С до 136о С; час обсмажування на II етапі �� – від 112 хв до 115 хв;
Для обох класів перший етап обсмажування повинен тривати 30 хвилин при
фіксованій температурі 65° C.
На основі розроблених оптимальних технологічних параметрів було створено
дослідний зразок обсмажувального апарату. Цей апарат спроектований для
виробництва карамельного солоду з максимальною разовою завантаженістю 300 кг
продукту.
95
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Основні наукові результати МКР:
1. Проаналізовано основні закономірності високотемпературної обробки
солоду в установках барабанного типу. Отримано математичну модель
теплопровідності при стаціонарному режимі через шар оброблюваного в
обжарювальному барабані продукту з уточненими коефіцієнтами;
2. На основі проведених досліджень розроблено математичну модель, яка
описує зміну теплопровідності при стаціонарному режимі через циліндричну стінку
обжарювального барабана;
3. Виконано моделювання процесів теплопередачі в обжарювальному апараті з
барабанним робочим органом, що дозволило отримати нове узагальнене критеріальне
рівняння, на підставі якого визначається коефіцієнт тепловіддачі від стінки барабана
до частин, що нагріваються, і, як наслідок, величина кількості теплоти, переданої в
одиницю часу від стінки барабана;
4. Аналіз отриманих критеріальних рівнянь дозволив визначити шляхи
інтенсифікації процесу обжарювання солоду в обжарювальному апараті, на підставі
яких запропоновано технічні рішення щодо вдосконалення обжарювального
обладнання;
5. Науково обґрунтовано геометричні, технологічні та теплотехнічні параметри
удосконаленої конструкції обжарювального апарату барабанного типу;
6. Отримано графічні та аналітичні залежності кількості карамельних зерен,
масової частки екстракту в сухій речовині солоду і кольору (величини Лінтнера-Лі)
для процесу обсмажування солоду від режимних параметрів розробленого
обжарювального апарату, які адекватно описують реальний процес обсмажування
солоду в розробленому апараті;
7. Шляхом графічної оптимізації були визначені ідеальні (оптимальні)
технологічні параметри для обсмажування карамельного солоду, що забезпечують
баланс між якістю продукту та мінімальними енерговитратами;
96
8. Розроблено дослідний промисловий зразок обжарювального апарату для
карамельного солоду з максимальною кількістю одночасно обсмажуваного продукту
300 кг, що дозволяє отримувати карамельний солод високої якості, мінімізуючи
енерговитрати на одиницю продукції.
Рекомендації щодо практичного використання результатів:
1. Розроблений обжарювальний апарат для карамельного солоду з новими
конструктивними рішеннями рекомендується для використання на невеликих
виробництвах (пивоварнях при пивних ресторанах, барах, агросадибах).
Обжарювальний апарат може застосовуватися для отримання 156 карамельного
солоду І та ІІ класів, а також паленого солоду при виробництві пива темних сортів;
2. Запропоновані технічні рішення можуть бути використані при конструюванні
обжарювальних апаратів, призначених для обсмажування різних продуктів (кави,
горіхи та ін.);
3. Отримані графічні та аналітичні залежності можна використовувати в
інженерних розрахунках обжарювальних апаратів та іншого обладнання подібного
принципу впливу;
4. Розроблений експериментальний стенд можна використовувати з
навчальною метою для підготовки інженерів за спеціальністю G 11
«Машинобудування».
97
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бут С. Огляд та оцінка методів рекуперації теплової енергії на сушарках для
солоду [Текст] / С. Бут, В. Піддубний, А. Соколенко // Хлібопекарська і кондитерська
промисловість України. – 2009. – № 5 (54). – С. 46–50.
2. Внесок вчених НУХТ у розвиток науки про процеси і апарати харчових
виробництв [Текст] / І. Ф. Малежик, П. М. Немирович, О. С. Марценюк // Наукові
праці Національного університету харчових технологій. – 2002. – № 12. – С. 17–25.
3. Енергетичні трансформації матеріальних потоків у виробництві солодів
[Текст] / І. М. Миколів, О. О. Бойко, А. І. Соколенко та ін. // Хранение и переработка
зерна. – 2009. – №12(126). – С.45-47.
4. Москальова Л. Зручні міні-комплекси для виготовлення пива розробили
науковці спільно з фахівцями фірми «Кий-пиво» [Текст] / Л. Москальова, С. Удодов,
В. Домарецький // Харчова і переробна промисловість. – 2000. – № 7. – С. 12.
5. Москальова Л М. Особливості технології пива на мініпивоварнях [Текст] / Л
М. Москальова, С.О. Удодов, В. А. Домарецький // Харчова промисловість. – 2001. –
№1. – С. 86-87.
6. Москальова Л М. Технологія свіжопроросшого солоду з нетрадиційної
сировини – тритикале [Текст] / Л. М. Москальова, В. А. Домарецький, С. О. Удодов,
А. М. Куц // Наукові праці Українського державного університету харчових
технологій. – 2001. – №10. – С. 11–12.
7. Солод - незамінна сировина харчової промисловості [Текст] / А. І. Соколенко,
О. А. Білик, О. В. Бабіч, Р. М. Леус // Хранение и переработка зерна. – 2011. – №
6(144). – С. 35-36.
8. Удодов С. Міні-індустрія: класифікація засобів виробництва безалкогольних
і слабоалкогольних напоїв [Текст] / С. Удодов // Харчова і переробна промисловість.
– 2009. – № 1(353). – С. 1315.
9. Удодов С. О. Міні пивоварні рестораного типу [Текст] / С. О. Удодов //
Науково-технічні розробки та інноваційні технології. – 2010. – С. 50.
10. Удодов С. Пивний бізнес [Текст] / С. Удодов // Харчова і переробна
98
промисловість. – 2004. – № 8(300). – С. 8-9.
11. Чепелюк О. Міні-пивоварні [Текст] / О. Чепелюк, С. Удодов, В. Таран //
Харчова і переробна промисловість. – 2001. – № 11. – С. 29.
12. Barry Hucker. Investigations into the thiamine and riboflavin content of malt and
the effects of malting and roasting on their final content / Lara Wakeling, Frank Vriesekoop
// Journal of Cereal Science. – 2012. – Volume 56, Issue 2. – P. 300-306
13. Bravi Elisabetta. Influence of barley variety and malting process on lipid content
of malt / Elisabetta Bravi, Ombretta Marconi, Giuseppe Perretti, Paolo Fantozzi // Food
Chemistry. – Volume 135, Issue 3. – P. 1112-1117
14. Beer statistics 2015 edition Editor: Marlies Van de Walle October 2015 ISBN
978-2-9601382-5-2 EAN 9782960138252. – Volume 17. – P. 5.
15. Doris Jehle. Characterisation of a stable radical from dark roasted malt in wort
and beer / Doris Jehle, Marianne N. Lund, Lars H. Ogendal // Food Chemistry. – 2003. –
Volume 125, Issue 2. – Pages 380-387.
16. Edney M.J. Malt Types and Products / M.J. Edney, M.S. Izydorczyk //
Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition (Second Edition). – 2003. – P. 3671-3677.
99
ДОДАТОК А
АНАЛІЗ АДЕКВАТНОСТЕЙ ОТРИМАНИХ АНАЛІТИЧНИХ АЛЕЖНОСТЕЙ
На основі аналізу експериментальних даних отримана аналітична модель (4.1),
що описує зміну кількості карамельних зерен ���� при зміні режимних параметрів
роботи обжарювального апарату в межах варійованих факторів. Визначення
відтворюваності експерименту. Експеримент відтворюємо, якщо середні дисперсії
дослідів однорідні. Однорідність дисперсій визначається за допомогою G-критерію
Кохрена. Середня дисперсія досвіду визначається за такою формулою:
∑�� 2
��=1 (�������� − ��
2 ��������)
�������� = , (А. 1)
�� − 1
де �� – номер досвіду;
�� – номер повторності;
�� – кількість повторностей у кожному досліді;
�������� – експериментальні значення кількості карамельних зерен, %;
���������� – середнє значення кількості карамельних зерен у i досліді, %.
Для визначення середніх дисперсій дослідів складаємо зведену таблицю
експерименту В.1.
Таблиця А.1 – Експериментальні дані визначення кількості карамельних зерен
№ Кількість карамельних зерен, ���� %
досліду ������1 ������2 ����������
1 2 3 4
1 90,2 93,68 91,94
2 65,1 64,18 64,64
3 52,1 52,78 52,44
4 44,1 44,7 44,4
5 54,29 55,35 54,82
6 68,25 67,59 67,92
7 96,4 94,24 95,32
8 61,9 62,42 62,16
100
Продовження таблиці А.1
1 2 3 4
9 40,1 38,18 39,14
10 86,1 85,5 85,8
11 80,12 79,72 79,92
12 40,15 36,63 38,39
13 96,25 98,23 97,24
14 76,42 74,82 75,62
15 48,82 51,14 49,98
16 66,02 67,74 66,88
17 30,12 28,56 29,34
18 60,05 58,99 59,52
19 79,56 80,92 80,24
20 89,12 87,12 88,12
21 71,54 74,12 72,83
22 82,54 84,74 83,64
23 41,95 43,49 42,72
24 58,39 57,21 57,8
Розрахунок середніх дисперсій дослідів з визначення кількості карамельних
зерен зводимо в таблицю В.2.
Таблиця А.2 – Розрахунок середніх дисперсій дослідів з визначення кількості
карамельних зерен
№ Кількість карамельних зерен, ���� %
досліду 2 2 2
(������1 − �� ��
��������) (������2 − ����������) ������
1 2 3 4
1 3,0276 3,0276 6,0552
2 0,2116 0,2116 0,4232
3 0,1156 0,1156 0,2312
4 0,09 0,09 0,18
5 0,2809 0,2809 0,5618
6 0,1089 0,1089 0,2178
7 1,1664 1,1664 2,3328
8 0,0676 0,0676 0,1352
9 0,9216 0,9216 1,8432
10 0,09 0,09 0,18
11 0,04 0,04 0,08
12 3,0976 3,0976 6,1952
101
Продовження таблиці А.2
1 2 3 4
13 0,9801 0,9801 1,9602
14 0,64 0,64 1,28
15 1,3456 1,3456 2,6912
16 0,7396 0,7396 1,4792
17 0,6084 0,6084 1,2168
18 0,2809 0,2809 0,5618
19 0,4624 0,4624 0,9248
20 1 1 2
21 1,6641 1,6641 3,3282
22 1,21 1,21 2,42
23 0,5929 0,5929 1,1858
24 0,3481 0,3481 0,6962
Сума 38,1798
Визначається розрахунковий критерій Кохрена за формулою:
��2
1 ����
��експ = 24 . (А. 2)
∑ ��2
��=1 ����
Визначимо табличне значення ��-критерію Кохрена за типовими таблицями.
Таблічний критерій Кохрена визначається на основі трьох параметрів: фіксованої
можливості: �� = 0,5 0,05; і за двома ступенями свободи: �� і ��. Число ступенів свободи
визначається на основі співвідношень: �� = �� − 1 і �� = ��. Визначаємо число ступенів
свободи для нашого експерименту, де �� = 24, а �� = 2. Тоді = �� − 1 = 2 − 1 = 1;
�� = �� = 24. Визначаємо ��табл = 0,6798. Тоді розрахунковий критерій Кохрена:
��2
1 ���� 6,0552
��експ = 24 = = 0,1586
∑ ��2
��=1 ���� 38,1798
Порівнюємо ��експ і ��табл. У нашому виподку ��експ = 0,1586 < ��табл = 0,6798.
Дисперсії однорідні і експеримент для дослідів обсмажуванні карамельного солоду
можна повторити в ідентичних умовах з отриманням тих же результатів.
102
Визначаємо значущість коефіцієнтів аналітичної моделі з допомогою довірчого
інтервалу, який розраховується по формулі:
∆���� = ������ · ����.��, (А. 3)
де ∆���� – довірчий інтервал;
������ – дисперсія точкових оцінок
����.�� – табличне значення критерію Стьюдента.
Розрахуємо довірчий інтервал. Для цього визначимо дисперсію експерименту
за формулою:
∑�� ��2
��=1 �� ����
��2
�� = , (А. 4)
��
де ��2
�� ���� – середня дисперсія дослідів;
�� – кількість дослідів.
Підставляємо дані таблиці А.2 в формулу А.4:
∑�� 2
2 ��=1 ���� ���� 38,1798
���� = = = 1,59
�� 24
Визначаємо дисперсію точкових оцінок по формулі:
��2
�� = √ ��
���� , (А. 5)
�� · ��
де �� – кількість повторностей у кожному досліді.
Підставляємо дані в формулу:
��2
�� 1,59
������ = √ = √ = 0,182.
�� · �� 24 · 2
Визначаємо табличний критерій Стьюдента за типовими таблицями. Табличний
критерій Стьюдента визначається за двома параметрами:
103
- за числом ступенів свободи ��;
- імовірністю ��.
Визначаємо число ступенів свободи за співвідношеннями:
�� = ��(�� − 1) = 24(2 − 1) = 24.
�� 0,05
= = 0,025.
2 2
Визначаємо табличне значення критерію Стьюдента ����.�� = 0,32.
Визначаємо довірчий інтервал:
∆���� = ������ · ����.�� = 0,182 · 0,32 = 0,058
Порівнюємо отримане значення довірчого інтервалу зі значеннями коефіцієнтів
аналітичної моделі. Якщо довірчий інтервал менший за значення коефіцієнта за
модулем ∆���� < |����|, то коефіцієнт моделі є значущим. Коефіцієнти ��1, ��2, ��3, і ��4
отримуються в результаті статистичного аналізу даних, зібраних під час планування
експерименту (наприклад, повного факторного експерименту або дробового
факторного експерименту).
Визначаємо значущість коефіцієнтів моделі:
|��1| = |��1| · 100 % = 0,00855 · 100 = 0,855 > 0,058;
|��2| = |��2| · 100 % = 0,81139 · 100 = 81,139 > 0,058;
|��3| = |��3| · 100 % = 0,00385 · 100 = 0,385 > 0,058;
|��4| = |��4| · 100 % = 0,00465 · 100 = 0,465 > 0,058.
тобто всі коефіцієнти в аналітичній моделі значимі.