Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7156| Назва: | Вдосконалення процесу смаження горіхів фундука |
| Автори: | Хандюк , Микола Васильович Луговий, Олег Дмитрович |
| Ключові слова: | горіхи фундука;ексергетичний аналіз |
| Дата публікації: | 14-гру-2022 |
| Короткий огляд (реферат): | Мета магістерської випускної роботи полягає у вдосконаленні процесу смаження горіхів фундука перегрітою парою на основі комплексного аналізу основних закономірностей процесу обсмажування спільно з теплофізичними та структурно-механічними характеристиками досліджуваної сировини; розробка комбінованих режимів обсмажування та проведення інженерних розрахунків з подальшим обґрунтуванням вибору перспективної конструкції обжарювального апарату, що забезпечує економію теплоенергетичних ресурсів. Наукова новизна одержаних результатів полягає в вивчені кінетичних та гідродинамічних закономірностей процесу обсмажування кубиків горіхів фундука у щільному шарі. З використанням методу термічного аналізу визначено форми зв'язку вологи з матеріалом та виявлено температурні зони випаровування вологи з різною формою зв'язку. Обґрунтовано доцільність використання ступінчастих режимів теплопідведення для обсмажування горіхів фундука. Розроблено математичну модель процесу обсмажування перегрітою парою рослинної сировини, що дозволяє розрахувати температуру та вологовміст продукту за висотою шару. Дослідження виконані методами математичного моделювання технічних систем та фізичного експерименту. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7156 |
| Розташовується у зібраннях: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Луговий.pdf Restricted Access | Магістерська випускна робота виконана на 121 сторінці, включає 92 формули, 49 рисунків, 10 таблиць, 30 літературних джерел та 2 додатки. | 2.39 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
1
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
магістр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
на тему: “Вдосконалення процесу смаження горіхів фундука”
Виконав: студент 2 курсу, групи мПВ-76
спеціальності 133 – Галузеве машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(спеціалізація)
Олег Луговий
(ім'я та прізвище)
Керівник Микола Хандюк
(ім'я та прізвище)
Рецензент Валентин Пода
(ім'я та прізвище)
Черкаси 2022
2
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
Освітньо-кваліфікаційний рівень магістр
Спеціальность 133 “Галузеве машинобудування”
Спеціалізація “Обладнання переробних і харчових виробництв”
ЗАТВЕРДЖУЮ
завідувач кафедри __________
“01” вересня 2022 року
ЗАВДАННЯ
на магістерську кваліфікаційну роботу студенту
Луговому Олегу Дмитровичу
1. Тема магістерської роботи: “Вдосконалення процесу смаження горіхів
фундука”
Керівник магістерської роботи: Хандюк Микола Васильович, ст. викладач
Затверджено наказом ЧДТУ від “___”____________2022 року №_____
2. Строк подання студентом магістерської роботи 05.12.2022 р.
3. Вихідні дані до магістерської роботи: технологічні інструкції; робочі
інструкції; патенти; конструкторська документація, наукова та довідкова література
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно
розробити):
Реферат; перелік умовних позначень та скорочень, вступ;
Сучасний стан технології смаження рослинної сировини;
Дослідження процесу обсмажування горіхів фундука перегрітим паром при
атмосферному тиску;
Математичне моделювання процесу обсмажування горіхів фундука перегрітим
паром;
Комплексна оцінка горхів фундука як об'єкта дослідження;
Розробка способу та конструкції апарату для обсмажування рослинної сировини;
Загальні висновки, список використаних джерел, додатки
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень):
Вступ;
Схема апаратів для обсмажування;
Лінія виробництва обсмажених харчових продуктів;
Аналіз закономірностей процесу обсмажування рослинної сировини;
Дослідна установка та результати експериментів;
Результати експериментів на дослідних установках;
Залежність висоти шару та коефіцієнта усадки від часу в процесі смаження;
Результати проведення математичного моделювання;
Схема технологічного процесу;
Роторний апарат для обсмажування та лінія виробництва;
Висновок.
3
РЕФЕРАТ
Магістерська випускна робота (МКР) складається з реферату, переліку
умовних позначень, вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел і
додатків.
Магістерська випускна робота виконана на 121 сторінці, включає 92 формули,
49 рисунків, 10 таблиць, 30 літературних джерел та 2 додатки.
Мета магістерської випускної роботи полягає у вдосконаленні процесу
смаження горіхів фундука перегрітою парою на основі комплексного аналізу
основних закономірностей процесу обсмажування спільно з теплофізичними та
структурно-механічними характеристиками досліджуваної сировини; розробка
комбінованих режимів обсмажування та проведення інженерних розрахунків з
подальшим обґрунтуванням вибору перспективної конструкції обжарювального
апарату, що забезпечує економію теплоенергетичних ресурсів.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в вивчені кінетичних та
гідродинамічних закономірностей процесу обсмажування кубиків горіхів фундука у
щільному шарі. З використанням методу термічного аналізу визначено форми
зв'язку вологи з матеріалом та виявлено температурні зони випаровування вологи з
різною формою зв'язку. Обґрунтовано доцільність використання ступінчастих
режимів теплопідведення для обсмажування горіхів фундука. Розроблено
математичну модель процесу обсмажування перегрітою парою рослинної сировини,
що дозволяє розрахувати температуру та вологовміст продукту за висотою шару.
Дослідження виконані методами математичного моделювання технічних
систем та фізичного експерименту.
Ключові слова: горіхи фундука; харчові добавки; процес смаження; об'єкт
дослідження; математичне моделювання; ексергетичний аналіз; технічна
документація; продуктивність; апарат для обсмажування.
4
ABSTRACT
The master's qualification work consists of an abstract, a list of conditional symbols,
introduction, three sections, conclusions, a list of used sources and applications.
The master's qualification work has made on 121 pages includes 192 formulas, 49
figures, 10 tables, 30 literary sources and 2 applications.
The purpose of the master's qualification work is to provide the scientific support of
the process of roasting nuts with overheated steam on the basis of a comprehensive
analysis of the basic patterns of the process of roasting together with thermophysical and
structural-mechanical characteristics of the raw material under study; to development of
combined modes of roasting and carrying out engineering calculations with the subsequent
justification of the choice of a promising construction of the roasting apparatus, which
provides savings of heat and power resources.
The scientific novelty of the obtained results is the studied kinetic and hydrodynamic
patterns of the process of roasting hazelnut nuts in a dense layer. Using the thermal
analysis method, the form of moisture communication with the material was determined
and the temperature zones of evaporation of moisture with different forms of
communication has detected. The expediency of using stepped heat supply modes for
frying hazelnut nuts has substantiated. The mathematical model of the process of roasting
the overheated steam of vegetable raw materials has been developed, which allows to
calculate the temperature and moisture of the product in the height of the layer.
The research has performed by the methods of physical experiment and theoretical
research.
Keywords: hazelnut nuts; nutritional supplements; frying process; object of study;
mathematical modeling; exegetics analysis; technical documentation; productivity; frying
machine.
5
ЗМІСТ
Перелік умовних позначень і скорочень…………………………………….….…..7
Вступ……………………………………………………………………….…………..8
Розділ 1. Сучасний стан технології смаження рослинної сирови.…14
1.1. Огляд харчових добавок з рослинної сировини……….……………………..14
1.2. Системна оцінка горіхів фундука як об'єктівдослідження…………………..18
1.3. Короткий огляд техніки та технології обсмажування рослинної сировини...22
1.4. Аналіз закономірностей процесу обсмажування рослинної сировини……...35
1.5. Аналіз літературного огляду та завдання дослідження……………………....40
1.5.1. Аналіз літературного огляду………….………………..………………….40
1.5.2. Теоретичні та експериментальні дослідження процесу
обсмажування горіхів фундука…………………….……………………………...42
1.5.3. Завдання дослідження……..…….………………..…………………….….43
Висновки до розділу 1…………………………………………………..…..…..…...44
Розділ 2. Дослідження процесу обсмажування горіхів фундука
перегрітою парою при атмосферного тиску.……………………………………..45
2.1. Дослідження фрикційних властивостей рослинногосировини.……………...45
2.2. Дослідження форм зв'язку вологи в горіхах фундука
методом термічного аналізу……….………………………………………………..52
2.3. Визначення теплофізичних характеристик горіхів фундука…………….…..56
2.4. Визначення щільності горіхів фундука………………………………………..58
2.5. Експериментальна установка та методика проведення експерименту……...59
2.6. Дослідження гідродинаміки процесу обсмажування горіхів фундука……...61
2.7. Дослідження усадки в процесі обсмажування горіхів фундука……………..64
2.8. Дослідження кінетики процесу обсмажування горіхів фундука………...…..67
2.9. Розробка ступінчастих режимів обсмажування горіхів фундука…………....70
Висновки до розділу 1…………………………………………………..…..…..…...73
6
Розділ 3. Математичне моделювання процесу обсмажування
горіхів фундука перегрітою парою…………………………………..……………74
3.1. Математична модель процесу обсмажування горіхів фундука……………...74
3.2. Постановка задачі та завдання початкових та граничних умов.………..…...77
3.3. Кінцево-різницева схема розрахунку процесу обсмажування горіхів
фундука…………………………………………………………………….……….82
3.4. Результати проведення моделювання…………………………………………84
Висновки до розділу 3…………………………………………………..…..…..…...87
Розділ 4. Комплексна оцінка горіхів фундука як об'єкта дослідження…..……88
4.1. Визначення органолептичних та фізико-хімічних показників якості
горіхів фундука……………………………………………………………………..88
4.2. Дослідження амінокислотного, вітамінного та мінерального складу
горіхів фундука……………………………………………………………………..92
Висновки до розділу 4…………………………………………………..…..…..…...93
Розділ 5. Розробка способу та конструкції апарату
для обсмажування рослинної сировини…..………………………………………94
5.1. Тепловий розрахунок обсмажувального апарату……………………………..94
5.1.1. Завдання на пректування……….………………..………………………...94
5.1.1. Тепловий розрахунок ……….………………..…………………………....94
5.2. Ексергетичний аналіз…………………………………………………………...98
5.3. Розробка конструкції апарату для обсмажування рослинної сировини
перегрітим паром…………………………………………………………….…....109
5.4. Розробка машинно-апаратурної схеми отримання
обсмаженого напівфабрикату з рослинної сировини………………………….…114
Висновки до розділу 5…………………………………………………..…..…..….116
Загальні висновки…………………………………………………………………..117
Список використаних джерел…………………………………….……………….119
Додатки………………………………….………………………………………….122
7
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ
АПК – Агропромисловий комплекс
НВЧ – Надвисока частота
ТЕН – Трубчатий електронагрівач
США – Сполучені Штати Америки
ТХК – Хромель-копелева термопара
ДСТУ – Державний стандарт України
ISO – Міжнародна організація стандартизації
ЄС – Європейский Союз
МКР – Магістерська кваліфікаційна робота
ООН – Організація обєднаних націй
ЧДТУ – Черкаський державний технологічний університет
ГЦЧД – Гексахлорициклогексан
ДДТ – Дихлордифінілтрихлогетан
8
ВСТУП
Магістерська випускна робота виконана з метою вдосконалення процесу
смаження горіхів фундука.
Споживачі все частіше віддають перевагу продуктам без вмісту штучно
створених добавок, віддаючи перевагу продуктам природного походження. Досягти
такого можна застосуванням харчових добавок природного походження, які при
систематичному вживанні забезпечують організм енергією та регулюють
фізіологічні функції [25].
До основних причин застосування харчових добавок до продуктів харчування
слід віднести:
1. Розвиток на сучасному рівні торгівлі, що призводить до необхідності
перевезення продуктів харчування, що швидко черствіють та псуються, на великі
відстані.
2. Високі вимоги сучасних споживачів до асортименту та якості продуктів
харчування поряд із збереженням невисокої вартості.
3. Створення нових видів харчових продуктів та напоїв, що відповідають
сучасним вимогам науки про харчування.
4. Розробка нової та вдосконалення існуючої технології нових та традиційних
продуктів харчування.
У цій МКР для виробництва харчових добавок запропоновано використовувати
горіх фундук. Рослинна сировина була підібрана з урахуванням хімічного складу,
харчової цінності, лікарських властивостей та доступності сировини на ринку з
метою розробки харчових добавок для їх подальшого використання у різних галузях
харчової промисловості.
Ліщина велика, або ломбардський горіх (лат. Согуlus) – рід чагарників (рідше
дерев) сімейства березових, плоди яких містять приблизно 60 % олії, що складається
з органічних кислот. Також у них до 20 % білка, є вітаміни В та Е, мінеральні
речовини: калій, кальцій, залізо, магній та інші. [4, 5, 27].
Останнім часом потреба у харчових добавках помітно зросла, що пов'язано зі
збільшенням попиту на більш поживні і зручніші в використанні харчові продукти.
9
Загальні продажі харчових добавок у світі оцінюються більш ніж у 20 млрд. дол.
США на рік [2]. Вони становлять досить значний обсяг інгредієнтів, які постачають
підприємствам, які виробляють харчові продукти та напої, ринок яких оцінюється в
2000 млрд дол. США щорічно. На ароматизатори припадає понад 5 млрд дол. США,
гідроколоїди – близько 3 млрд, підсилювачі смаку та аромату – понад 2,7 млрд,
регулятори кислотності – понад 2,4 млрд, підсолоджувачі – близько 2 млрд дол.
США.
Основні тенденції зростання промислового обсягу споживання харчових добавок
українського ринку повністю аналогічні світовим і відповідають кредо нашого часу:
“Харчові продукти XXI століття – це здоров'я, смак та користь”:
– Застосування натуральних інгредієнтів та поступова відмова від штучних
харчових добавок;
– Зростання ринку функціональних продуктів;
– Розробка нових технологій у сфері виробництва харчових інгредієнтів;
– Популяризація сектора низькокалорійних продуктів, пов'язана з турботою
споживачів, що постійно зростає, про своє здоров'я і прагненням до збалансованого
харчування.
Горіхи фундука – це продукт, якість якого значно змінюється при зберіганні
залежно від його умов. Вологість горіхів з часом неминуче зменшується; навіть за
ідеального дотримання умов зберігання зміна вологості може становити 2,5 – 3,0 %.
Крім цього, під час зберігання партії змінюються й інші характеристики сировини:
підвищується вміст зацвівших ядер, сухих і т.п.
У світовій практиці компанії, які мають довгий досвід роботи з даним видом
продукції (горіхом), вважають, що вже через 6 – 7 місяців після збирання врожаю
параметри горіхів фундук змінюються настільки значно, що стає можливим
називати їх “старим урожаєм”. Таким чином, якщо врахувати, що збирання врожаю
відбувається у серпні та вересні, то “старою” зібрану сировину можна вважати вже в
лютому-березні. З метою збільшення термінів зберігання горіхів фундук, надання їм
специфічного смаку та запаху та зменшення кількості дубильних речовин у них, а
також запобігання згіркненю жирів, що містяться у горіхах у значних кількостях,
10
сировину необхідно піддавати термічній обробці.
Найважливішим етапом у виробництві харчових добавок із горіхів є процес
обсмажування сирої сировини. Обсмажування – складний процес тепло- і
масообміну, під час якого відбуваються складні біохімічні та фізикохімічні процеси:
коагуляція білкових речовин, клейстеризація крохмалю, часткове руйнування
вітамінів та ін [23].
Недосконалість техніки для обсмажування рослинної сировини відбивається на
якості харчових добавок, що випускаються, створюючи додаткові технологічні
труднощі при дотриманні режимів обсмажування.
Удосконаленню процесів сушіння приділяється велика увага, оскільки саме ця
стадія досить енергоємна, а отже, значною мірою визначає вартість готового
продукту і, крім того, істотно впливає на якісні показники товарної продукції.
Як зазначається у ряді основних праць у галузі тепломасообміну та сушіння
поширеним прийомом підвищення ефективності сушарок вважається підвищення
вихідної температури сушильного агента [3, 4, 7. 9.10].
Тут слід приділити увагу розробці сушильних установок нового покоління з
комбінованими гідродинамічними режимами та змінним енергопідведенням, а
також використанню як теплоносія перегрітої пари атмосферного тиску, за
допомогою якого досягаються максимальні можливості рекуперації та утилізації
відпрацьованого теплоносія. При цьому підвищується енергетичний ККД процесу,
що обумовлено можливістю використання вторинної пари за рахунок застосування
рециркуляційних схем з матеріальних та теплових потоків. Створення таких
високоефективних установок, що забезпечують повну автоматизацію та механізацію
технологічних процесів, дозволить виготовити потоково-механізовані лінії, що
забезпечують значне підвищення продуктивності праці, безвідходне виробництво
продуктів, що висушуються, і поліпшення їх якості [8, 18, 26].
Вирішення завдань економії енергії та підвищення ефективності переробних
підприємств АПК при виробництві сухих продуктів, зокрема, вибір раціональних
способів та режимів зневоднення, типу та конструктивних особливостей сушарок,
що забезпечують відповідні технікоекономічні показники, актуально та потребує
11
наукового підходу з урахуванням специфіки технології та властивостей сировини та
вимог до кінцевої продукції.
У роботі розглянуті ідеї та практична реалізація енергозберігаючого процесу
обсмажування харчової рослинної сировини при змінному теплопідведенні.
Повне дослідження енергозберігаючого процесу обсмажування харчової
рослинної сировини при змінному теплопідведенні нині відсутнє. Тому комплексне
технологічне дослідження цих процесів є актуальним завданням.
Відомі вітчизняні та зарубіжні праці у галузі дослідження енергозберігаючого
процесу обсмажування харчової рослинної сировини при змінному теплопідведенні,
відображають головним чином рішення вузькоспеціалізованих технологічних
завдань [11,12, 19, 20].
Актуальність дослідження. Актуальність застосування харчових добавок
зумовлена необхідністю підвищення конкурентоспроможності продукції. Споживачі
все частіше віддають перевагу продуктам без вмісту штучно створених добавок,
віддаючи перевагу продуктам природного походження. Найчастіше харчові добавки
вносяться поліпшення споживчих властивостей продуктів харчування.
Мета дослідження. Наукове забезпечення процесу обсмажування горіхів
фундука перегрітою парою на основі комплексного аналізу основних
закономірностей процесу обсмажування спільно з теплофізичними та структурно-
механічними характеристиками досліджуваної сировини; розробка комбінованих
режимів обсмажування та проведення інженерних розрахунків з подальшим
обґрунтуванням вибору перспективної конструкції обжарювального апарату, що
забезпечує економію теплоенергетичних ресурсів.
Завдання дослідження.
1. Вивчення горіхів фундук як об'єктів дослідження.
2. Вивчення процесу термічного розкладання досліджуваних видів рослинної
сировини, виявлення температурних зон випаровування вологи різних форм зв'язку.
3. Вивчення гідродинамічних та кінетичних закономірностей процесу
обсмажування горіхів фундук перегрітою парою.
4. Визначення раціональних технологічних параметрів процесу обсмажування
12
горіхів фундук перегрітою парою при атмосферного тиску.
5. Розробка математичної моделі обсмажування горіхів фундук перегрітою
парою.
6. Проведення інженерних розрахунків з метою визначення оптимальних
параметрів обжарювального обладнання
7. Розробка конструкції обжарювального апарату та способу обсмажування
рослинної сировини.
Об’єкт дослідження. Процес обсмажування горіхів фундук перегрітою парою
при атмосферного тиску.
Предмет дослідження. Закономірності залежностей: вологовмісту горіхів
фундука від часу і температури; коефіцієнтів внутрішнього і зовнвшнього терті від
вологості; коефіцієнтів температуропровідності та теплопровідності, питомої
теплоемності від температури і різної вологості; висоти шару горіхів фундука від
часу при різних швидкостях пари; коефіцієнта усадки від вмісту вологи при при
різних швидкостях пари; кінетичні залежності ступінчатого режиму обсмажування
горіхів фундука.
Методи дослідження. Дослідження проводили методами фізичного
експерименту та теоретичних досліджень.
Результати дослідження. Комплексні теоретичні та експериментальні
дослідження, результати математичного моделювання, а також аналіз роботи
сушильних установок з використанням як теплоносія перегрітої пари дозволили
розробити методологічний підхід до створення високоефективного способу
сушіння.
Визначено та обґрунтовано раціональні технологічні режими процесу
обсмажування харчової рослинної сировини перегрітою парою атмосферного тиску
на основі сформульованих принципів ресурсозбереження, що забезпечують
скорочення тривалості процесу, зниження питомих енерговитрат та підвищення
якості готової продукції.
Розроблено методику інженерного розрахунку запропонованої перспективної
конструкції установки для реалізації процесу обсмажування рослинної сировини
13
при збалансованих матеріальних та енергетичних потоках у замкнутих
термодинамічних циклах за відпрацьованою перегрітою парою.
Розроблено технологію отримання обсмаженої харчової добавки. Визначено
харчову, біологічну та енергетичну цінність отриманих харчової добавки.
Виконаний ексергетичний аналіз процесу сушіння харчової рослинної сировини
перегрітою парою, що свідчить про термодинамічній досконалості запропонованих
способів виробництва висушених продуктів.
Наукова новизна. Вивчено кінетичні та гідродинамічні закономірності процесу
обсмажування кубиків горіхів фундука у щільному шарі. З використанням методу
термічного аналізу визначено форми зв'язку вологи з матеріалом та виявлено
температурні зони випаровування вологи з різною формою зв'язку. Обґрунтовано
доцільність використання ступінчастих режимів теплопідведення для обсмажування
горіхів фундука. Розроблено математичну модель процесу обсмажування
перегрітою парою рослинної сировини, що дозволяє розрахувати температуру та
вологовміст продукту за висотою шару.
Апробація результатів магістерської кваліфікаційної роботи:
1. Теоретична та практична значущість роботи Практичне значення
отриманих у роботі результатів обумовлено комплексним аналізом
тепломасообмінних процесів при сушінні харчової рослинної сировини.
Сформульовані теоретичні положення та практичні висновки можуть бути
використані при організації науково-дослідної та дослідно-конструкторської роботи
на харчових підприємствах.
2. Луговий О.Д., Хандюк М.В. Експериментальне визначення коефіцієнтів
зовнішнього та внутрішнього тертя їстівних каштанів та горіхів фундук. Збірник тез
доповідей студентської науково-практичної конференції ЧДТУ, м. Черкаси, 19-22
квітня 2022 р. Черкаси: ЧДТУ, 2022. С. 101–102.
14
РОЗДІЛ 1
СУЧАСНИЙ СТАН ТЕХНОЛОГІЇ СМАЖЕННЯ
РОСЛИННОЇ СИРОВИНИ
1.1 Огляд харчових добавок із рослинної сировини
Харчові добавки – речовини, які додаються в харчові продукти у
технологічних цілях у ході їх створення та транспортування або зберігання для
придбання ними необхідних властивостей, наприклад: певного аромату
(ароматизатори); кольору (барвники); тривалісті зберігання (консерванти); смаку
(підсилювачі смаку та аромату); консистенції (загусники) і т.п.
Основними цілями введення харчових добавок у продукти та напої є:
1. Створення нових або вдосконалення існуючих технологій підготовки та
переробки харчової сировини, а також виготовлення, фасування, транспортування та
зберігання продуктів харчування.
2. Збільшення стабільності та стійкості харчових продуктів та напоїв до різних
впливів, що погіршують їх якісні показники.
3. Створення та збереження структури продуктів харчування.
4. Зміна (на краще) або збереження органолептичних властивостей та
зовнішнього вигляду харчових продуктів та напоїв.
Харчові добавки поділяються на чотири групи:
1. Добавки, що регулюють смак та аромат харчових продуктів (підсилювачі
смаку та аромату, підсолоджувачі, підкислювачі, ароматизатори, замінники солі та
цукру, кислоти) або покращують колір харчових продуктів та напоїв (стабілізатори
фарбування, барвники, відбілювачі).
2. Добавки, що регулюють консистенцію та формують текстуру продуктів
(емульгатори, піноутворювачі, наповнювачі, гелеутворювачі, загусники тощо).
3. Добавки, які підвищують збереження продуктів та збільшують терміни їх
зберігання (антиокислювачі та їх ущільнювачі, антистежуючі агенти, консерванти,
плівкоутворювачі, захисні гази, вологоутримуючі агенти, стабілізатори).
4. Добавки, які полегшують та прискорюють перебіг технологічних та
біотехнологічних процесів (хлібопекарські та кондитерські покращувачі, ферментні
15
препарати, екстрагенти, розпушувачі, освітлювачі, піногасники, осушувачі та ін.).
Переважна частина харчових добавок має комплексні технологічні функції,
що виявляються в залежності від особливостей харчової системи в якій
використовуються. Наведена вище класифікація ґрунтується на технологічних
функціях харчових добавок, до яких не мають відношення сполуки та речовини, що
підвищують харчову цінність продуктів, наприклад, амінокислоти, макроелементи,
вітаміни. До харчових добавок також відносять “нехарчові речовини”, які додаються
в харчові продукти, як правило, у невеликих кількостях з метою покращення
текстури, смакових якостей, зовнішнього вигляду або для збільшення термінів
зберігання.
Ліквідація дефіциту повноцінного білка та вітамінів є основним пріоритетом
для покращення харчування населення в даний час. На даний момент основним
джерелом білка є продукти тваринництва – молоко, м'ясо, яйця тощо. Також він
присутній у рибі. Однак у раціон більшої частини населення перелічені продукти не
входять у необхідній кількості, і це часто пов'язано з низькою культурою
харчування та високими цінами на продукти, а в ряді випадків – з регіоном та
умовами проживання, а також перевагою систем харчування (вегетаріанство та ін.) .
У зв'язку з вищевикладеним були проведені дослідження, спрямовані на
пошук джерела недорогої рослинної сировини з високим вмістом білка. Крім цього,
особлива увага приділялася органолептичним характеристикам продукту та його
вітамінно-мінеральному комплексу. Як об'єкти було обрано горіх фундук (ліщина).
Фундук (Лісовий горіх) – плід ліщини великої, її окультурений різновид
показаний на рис. 1.1.
Італьянці називають фундук “рослиною для лінивих” В цій країні знаходиться
найбільша кількість насаджень цих дерев. Горіхи фундука – це цінний і калорійний
продукт. Лісовий горіх характеризується високим вмістом білка (15-20%), протеїну
12%, вуглеводів 13%, вітамінів В1, В2, В6, Е та цілого спектра корисних
мінеральних речовин: магній, цинк, калій, натрій, кальцій, залізо. Енергетична
цінність фундука – 679 ккал на 100 грам горіха.
16
Рис. 1.1 Фундук (Лісовий
горіх)
В наші дні існує велика потреба харчової промисловості в харчових добавках.
Збільшення терміну зберігання продуктів, поліпшення смакових показників – це
заслуга харчових добавок. У промисловому виробництві харчові добавки отримують
найрізноманітнішими способами, часом комбінуючи їх. Але все ж таки всі добавки,
залежно від їх походження, умовно можна розділити на три види:
– добавки натурального походження;
– добавки штучного походження;
– добавки синтетичного походження
Добавки натурального походження- це добавки у “створенні” яких бере участь
природа. Такі добавки найчастіше використовуються вже сотні і навіть тисячі років.
Хоча сучасні знання та технології, звичайно ж, значно розширили перелік
натуральних добавок. Усі натуральні добавки можна розбити на 3 групи:
• добавки тваринного походження
• добавки рослинного походження
• добавки-мінерали
У цій роботі розглядаються добавки рослинного походження.
Добавки рослинного походження виготовляються із рослин або водоростей. Це
можуть бути природні барвники, ароматизатори або інші речовини, що
зустрічаються в природі в деяких видах рослин та їх плодів у чистому вигляді і
часто потрапляють до нашого організму природним шляхом при вживанні овочів та
фруктів. Такі добавки можуть часом мати позитивний ефект, зменшуючи ризик
виникнення тих чи інших захворювань, зміцнюючи імунітет людини. Однак є деякі
17
види добавок рослинного походження, які можуть викликати алергію або інші
захворювання, особливо при надмірному вживанні.
В даний момент на ринку представлений широкий асортимент харчових
добавок:
Е100 – Куркумін – колір оранжево-жовтий, виготовляється з рослини сімейства
імбиру;
Е101 – Рибофлавін (вітамін В2) – колір жовтий, вітамін;
Е102 – Тартразин – колір жовтий, використовується в безалкогольних напоях,
кондитерських виробах. Рекомендується не давати дітям, щоб уникнути появи
алергії;
Е104 – Жовтий хіноліновий. Заборонено в деяких країнах;
Е107 – Жовтий 2G Не рекомендується давати дітям, щоб уникнути появи алергії.
Може викликати алергічну реакцію у людей, які страждають на астму;
Е110 - Жовтий “сонячний захід” FCF. Відповідні продукти: кондитерські вироби,
швидко розчинні супи, міцні напої. Здатний викликати алергічні реакції:
набрякання, нудоту, висип;
Е120 – Карміни. Використовуються в йогуртах, цукерках, напоях, морозиві
тощо. Здатні викликати алергічні реакції від простого висипу до анафілактичного
шоку;
Е122 – Кармуазин – колір червоний. Слід уникати астматикам, алергікам, дітям.
Застосовується у продуктах: марципани, желе, цукерки;
Е123 – Амарант. Заборонено (у США не використовується з 1976 р.). Дуже
небезпечний;
E124 – Понсо 4R – колір червоний. Слід уникати астматикам, дітям та людям з
алергією на аспірин;
E127 – Еритроцин. Заборонено. Здатний підвищувати рівень гормонів
щитовидної залози в крові, викликати світлочутливість;
E128 – Червоний 2G. Заборонено в деяких країнах;
E129 – Червоний AC. Здатний викликати шкірні алергічні реакції.
Застосовується у продуктах: печиво, тістечка, фруктові начинки;
18
Е131 – Синій патентований V. Заборонено в деяких країнах. Канцерогенна
харчова добавка, здатна викликати ракові пухлини;
Е132 – Індигокармін. Слід уникати людей схильних до алергії. Може викликати
такі алергічні реакції: блювання, високий кров'яний тиск, нудоту, утруднене
дихання, висипання;
E133 – Синій блискучий. Не рекомендується вживати дітям, щоб уникнути
алергічних реакцій;
E140 – Хлорофіл, хлорофілін – кольори від зеленого до оливкового. Природний
барвник не має побічних дій;
Е141 – Мідні комплекси хлорофіліну та хлорофілу – колір оливковий. Побічні
ефекти невідомі. Переважна більшість з них у тій чи іншій кількості містять смако-
ароматичні сполуки, вплив яких на організм людини недостатньо добре вивчений,
водночас вміст цінних харчових речовин у них незначний;
1.2 Системна оцінка горіхів фундук як об'єктів дослідження
За даними Продовольчої і Сільськогосподарської Організації Об'єднаних Націй,
на даний момент ринок горіхів є одним з найбільш швидкозростаючих ринків
садівництва в світі. Щорічно світова торгівля горіхами збільшується в середньому
на 7,8%, що можна порівняти з темпами зростання ягідного ринку. При цьому
експорт горіхів щорічно зростає на 2 мільярди доларів на рік і вже досяг близько 34
мільярдів доларів. Найбільш продаваний горіх в світі – кеш’ю, його продажі ростуть
величезними темпами, а саме на 17,2% або 760 млн доларів на рік.Тенденції щодо
веганскої їжі, палеодіети (відмова від алергенів - глютену, лактози та інших) і інших
звичок здорового харчування є важливими факторами, що впливають на таке
швидке зростання світового ринку горіхів. У цих дієтах горіхи часто відіграють
вирішальну роль, оскільки вони містять багато білка в поєднанні зі здоровими
жирами і вуглеводами. Крім того, на попит позитивно впливає зростаюче число
послідовників здорового способу життя, що розширює число споживачів, які
регулярно харчуються горіхами.
У той же час традиційні волоські горіхи значно поступаються за темпами
зростання кеш’ю і мигдалю, оскільки вони менш універсальні в споживанні і
19
переробці. Таким чином, частка волоських горіхів на світовому ринку горіхів
поступово знижується. Найвищі темпи зростання продажів мають маловідомі нішеві
горіхи, такі як кола, бетель і макадамія. Їх світовий експорт щорічно збільшується на
25 – 40%.
Сьогодні в світі вирощується понад 10 основних видів горіхів. Основний
асортимент горіхів, які реалізуються в Україні, досить широкий і включає волоські
горіхи, бразильські горіхи, кеш’ю, фісташки, мигдаль, фундук і ін., А також арахіс,
який традиційно зараховується до горіхів, але таким не є. Умовно горіховий бізнес в
Україні можна розділити на підприємства, які займаються вирощуванням та
реалізацією горіхів, і підприємства, які імпортують, фасують і реалізують горіхи.
Для першого типу характерним є вирощування волоського горіха, який займає
97,8% в структурі площ під горіхами в плодоносному віці.
Крім волоського горіха, вирощують ще кілька видів горіхів. Південь України є
потенційним регіоном для вирощування мигдалю, фісташки і фундука. За
підрахунками агрономів, якщо створити сприятливі умови, можна зібрати урожай
мигдалю до 2,5 тис. кг. Перший урожай мигдалю можна отримати на 2 – 3 рік після
посадки, а максимальний його обсяг припадає на 5 – 6 рік.
Фундук в Україні вже почали вирощувати: в 2020 році обсяг врожаю склав 0,04
тис. т.
Горіховий бізнес в Україні має ряд переваг:
– в порівнянні з іншими плодово-ягідними культурами, він має більше каналів
збуту, а також тривалість зберігання і порівняно стабільні високі ціни реалізації
продукції;
– підвищення врожайності з кожним роком плодоношення, а самі насадження в
умовах правильного догляду можуть давати продукцію протягом 10 – 15 років і
більше, в залежності від їх виду і сортових особливостей застосування агротехніки
вирощування та інших факторів;
– вирощування горіхів практично не вимагає додаткових умов догляду;
– висока рентабельність виробництва.
Всі інші види горіхів, представлені на ринку України, імпортуються з-за
20
кордону.
Імпорт характерний для другого виду підприємств горіхового бізнесу, які також
можна розділити ще на 2 типи:
– підприємства, які завозять горіхи для власних виробничих потреб. Сюди
відносяться кондитерські фабрики і хлібобулочні заводи, які використовують горіхи
для випічки, тортів, тістечок, печива.
– підприємства, що займаються фасуванням горіхів з їх подальшою реалізацією
через магазини, торгові мережі, кафе, ресторани та ін.
Докладніше розглянемо рослинну сировину, запропоновану у цій роботі при
виробництві харчових добавок.
Фундук – окультурені різновиди сортів ліщини (рис. 1.2).
Рис. 1.2 Горіхи фундука
Спочатку фундуком називали лише лісову ліщину. Жовто-коричневі горіхи
мають практично кулясту форму (рисунок 1.2), довжину 15 – 25 мм та ширину 12 –
20 мм. У кондитерській промисловості з фундуку одержують горіхові пасту та
борошно, його смажать, зацукроввують, солять.
Ліщина велика, або “Ломбардський горіх” – рослина сімейства березових.
21
Поширена у Малій Азії, на Балканах та на Кавказі. Фундук культивувався ще з
античних часів як горіхоплідна рослина.
У світі поширені 3 різновиди сорту фундука:
– Бадем – сорт лісового горіха з довгими трохи сплющеними плодами.
– Кримський фундук – сорт лісового горіха з округлим ядром та тонкою
шкаралупою.
– Керасунд – сорт фундука конічної форми з дуже тонкою шкаралупою.
Фундук має чудові лікувальні та поживні властивості.
У ядрах фундука міститься близько 60% олії, що складається з гліцеридів
олеїнової, стеаринової та пальмітинової кислот, які перешкоджають зростанню
холестерину в крові, захищають від судинних захворювань, а також вкрай необхідні
для організму, що росте.
В даний час товарне виробництво фундука найбільше розвинене в Туреччині, де
його промислові посадки займають площу в 415 тис. га, з яких отримують понад 400
тис. т горіхів на рік. Італія також щорічно виготовляє їх понад 30 тис. т, інтенсивно
збільшуючи площі посадок; в Іспанії сьогодні збирають близько 25 тис. т фундука;
приблизно по 10 тис. т горіхів виробляють США та Азербайджан; зростає товарне
виробництво в Англії, Німеччині, Угорщині, Франції, Польщі, Грузії, Україні. [1,2]
Фундук – джерело рослинного білка, який незамінний у вегетаріанському
харчуванні (калоризатор). Фундук містить поліненасичені жирні кислоти, тому
захищає організм від серцево-судинних захворювань, служить для профілактики
атеросклерозу, сприяє очищенню організму, запобігає гнильним процесам у
кишечнику, сприяє підвищенню імунітету.
Фундук дозволяється вживати в їжу і людям із цукровим діабетом. Також
фундук має низький вміст вуглеводів, тому його можна їсти навіть при дуже строгій
дієті, не ризикуючи погладшати. Фундук містить речовини, які сприяють виведенню
шлаків із організму (особливо з печінки). Вживання фундука в їжу запобігає
гнильним процесам, очищає організм.
У представленій роботі пропонується обсмажувати горіхи фундук перегрітою
парою. Це дає можливість знизити вологість продукту до 3 – 5%, а також надати
22
йому приємного смаку і аромату, які високо цінуються в кулінарії.
Хімічний склад рослинної сировини, обраної у роботі для виробництва харчових
добавок, представлений у таб. 4.2.
Якщо оцінювати попит на фундук на ринку України, то наразі українці
споживають лише третину від норми цього продукту. Але завдяки підтримці
держави кількість горіхових садів невпинно зростає. Перші плантації фундука
зявилися 6 – 7 років тому. Наразі цією культурою засаджено 2000 га площ. Вже за 3
– 4 роки Україна зможе вирощувати до 6 тис. т фундука (щорічна потреба тільки
нашої кондитерської промисловості у фундуку близько 10 тис. т).
Ринок горіхів в Україні є зростаючим і платоспроможним у сегменті
продовольчих товарів. Динамічний розвиток цієї галузі тісно пов’язаний із багатьма
тенденціями та трендами на агропродовольчому ринку. Зокрема, поширення руху до
здорового способу життя, що поступово розвивається і в нашій країні. Багато людей
цілеспрямовано відмовляються від шкідливої їжі та збільшують у раціоні частку
натуральних продуктів, у тому числі шляхом додавання до нього різних видів
горіхів.
1.3 Короткий огляд техніки та технології обсмажування рослинної сировини
Існуючі види обжарювального обладнання для обсмажування рослинної
сировини відрізняються конструктивним виконанням і видом теплоносія, що
використовується [6,28,30]. Апарати можна розділити за такими ознаками: вид
теплопідведення (конвективний, кондуктивний, НВЧ (надвисока частота),
комбінований); продуктивність (мала – до100 кг/год, середня – до 500 кг/год, велика
– більше 500 кг/год); геометрія теплообмінної поверхні (секційна, шарова,
циліндрична, пательня); спосіб перемішування (ротаційний, шнековий, лопатевий,
вібраційний); вид теплоносія, що використовується (газ, тверде паливо,
електроенергія); тиск у робочій камері (атмосферний, вакуум, збитковий).
Додатку А представлені продуктивності та установча потужність моделей
обжарювальних апаратів, що найчастіше застосовуються у виробничих умовах.
23
Широкого поширення набули циліндричні обжарювальні апарати ТНА-240,
Готхот та ін., а також кульовий обжарювальний апарат “Сірокко” з конвективним
теплопідведенням, в яких основний робочий орган – циліндричний або кульовий
барабан, що обертається, через стінки якого до продукту підводиться теплота.
Основний недолік таких конструкцій – наявність застійних зон біля бічних стінок
барабана, що призводить до надмірного перегріву продукту. Крім того, ці апарати
відрізняються великими витратами енергії на процес та низьким коефіцієнтом
тепловикористання через наявність повітряного прошарку між корпусом та
нагрівачем.
Слід зазначити високотехнологічне обладнання концерну “Пробат” (рис.1.3),
що займає перше місце у Європі з виробництва обладнання теплової обробки
матеріалів. Обладнання для обсмажування рослинної сировини цієї фірми
представлено трьома модельними рядами обжарювальних апаратів, що
розрізняються за напрямками руху продукту та теплоносія: а – відцентровим
“Сатурн” 250; б – тангенціальним “Юпитер” 1200; в – барабанним “Нептун” 500
Рис. 1.3 – Обсмажувальні апарати фірми “Пробат”:
а – відцентровий “Сатурн” 250; б – тангенціальний “Юпитер” 1200; в –
барабанний “Нептун” 500
24
Завдяки відцентровим силам, що створюваним при обертанні в апараті “Сатурн”
250, сировина рівномірно розподіляється по всій поверхні чаші. На шар сировини,
що рухається, в центрі чаші прямує струмінь повітря так, що повітря вступає в
контакт з усіма його частинками. Завдяки цьому відбувається рівномірний розподіл
сировини, і перенесення тепла практично повністю здійснюється конвекцією.
Завдяки поділу гарячого повітря на енергопідведення і механічний рух продукту,
що обсмажується, в апараті “Юпитер” 1200 стає можливим зробити процес
обсмажування в тангенціальній обжарювальній машині більш гнучким. Лопатевий
механізм, що обертається всередині стаціонарної обжарювальної камери, забезпечує
оптимальне перемішування рослинної сировини.
Нова сировина подається в апарат “Нептун” 500 порціями за допомогою
завантажувальної лійки. Повітря на обжарку надходить одночасно крізь
обжарювальний барабан і навколо нього. Таким чином, теплова енергія підводиться
кондуктивно через контакт частинок сировини з обжарювальним барабаном
(близько 30%) і конвективно через потік повітря, що подається (близько 70%).
Обжарювальний барабан має напрямні, які сприяють переміщенню продукту в
протилежному напрямку руху повітря.
Фірмою “Нойхаус Неотек” було розроблено обжарювальний апарат барабанного
типу CTR-3000 і СТR-1500 (рис. 1.4) продуктивність до 3 т/год і до 1,5 т/год
відповідно. Об'єм порції становить 450 – 660 кг і 230 – 330 кг відповідно. Пальник,
який розташований під обжарювальним барабаном, нагріває обжарювальні гази, що
циркулюють, до встановленої температури і стабілізує їх за допомогою ланцюга
управління.
Лише повітря, яке виробляється як додаткове під час процесу обсмажування
(гази для обсмажування і повітря для горіння), буде подаватися в каталітичний
очисний апарат як відпрацьований газ. Потрібна температура реакції генерується за
допомогою додаткового пальника з метою подальшого очищення відпрацьованого
газу каталізатором з керамічними модулями. Програмований логічний контролер
разом із панеллю управління забезпечує автоматичну експлуатацію.
25
1.4 – Обсмажувальний апарат CTR-3000 (CTR-1500):
1 – вузол попереднього прогрівання рослинної сировини; 2 – система
рециркуляції; 3 – каталітична система з попереднім пальником; 4 – пневматичний
каменевідбірник; 5 – зовнішнє охолоджене повітря; 6 – очищене повітря.
Обсмажувальний апарат містить станину 1 (рис. 1.5) у вигляді масивної сталевої
плити, до якої приєднані чотири стійки 2 (попарно) на відстані між парами, що
дорівнює довжині апарата. До кожної пари стійок приєднано по одному нерухомому
диску 3 із загальною горизонтальною віссю. До дисків перпендикулярно до їх
площин приєднані дві сталеві, паралельні один одному, прямокутні вертикальні
пластини 4, в результаті чого поверхні пластин і частини поверхонь дисків
утворюють вертикальну шахту прямокутного перерізу (горизонтальною площиною),
яка в апараті є перемішувально-обсмажувальною камерою.
У камері для перемішування сипучого продукту для обжарювання, що подається
зверху, встановлені нахилені до горизонту пластини-полиці 5. Для нагрівання
обсмажуваного продукту в шахті встановлені трубчасті електричні нагрівачі (ТЕНи)
6 – по одному під кожною похилою полицею, що перемішує продукт. Навколо
камери два концентричні циліндри (внутрішній 7 і зовнішній 8), осі яких збігаються
з віссю нерухомих дисків 3. Циліндри мають два поздовжні прямокутні вікна вздовж
твірних – один зверху проти входу
26
в камеру обсмажуваного продукту з завантажувального бункера 9 і один знизу
проти виходу обсмаженого продукту з камери вниз в приймальну ємність 10.
Рис. 1.5 – Барабанний апарат для обжарювання:
1 – станина апарату; 2 – стійка; 3 – нерухомий диск; 4 – вертикальні пластини; 5
– пластини-полиці; 6 – ТЕН; 7, 8 – внутрішній та зовнішній концентричні циліндри;
9 – завантажувальний бункер; 10 – приймальна ємність; 11 – плоскі кільця; 12 –
скребки; 13 – графітова опора; 14 – зубчасте колесо; 15 – зубчаста шестерня; 16 –
відкидні дверцята; 17 – захисний кожух; 18 – опорна пластина
У циліндричній порожнині між циліндрами 7 і 8 встановлений обертовий
скребковий барабан, що складається з двох плоских кілець 11, з'єднаних між собою
пластинами (скребками) 12 з радіальним розташуванням їх площин. Кільця барабана
спираються на шість (з розрахунку на кожне кільце) графітових опор 13 і шість
опорних пластин 18, розташованих по колам кілець скребкового барабана з кутовим
кроком 60°, завдяки чому барабан (“білчине колесо”) має можливість обертатися
27
всередині міжциліндрового зазору, піднімаючи продукт із нижньої області камери у
її верхню область пластинами-скребками. Для обертання барабана до кожного з
його кілець прикріплюється тонкий зубчастий вінець (зубчасте колесо) 14, що
знаходиться в зачепленні з шестірнею 15, яка отримує обертання від приводу
апарата (привід умовно не показаний). Для розвантаження обсмаженого продукту є
відкидні дверцята 16, при відкритті яких обсмажений продукт висипається в
приймальну ємність 10. Циліндрична частина апарату зовні має захисний
циліндричний кожух 17. Циліндрична порожнина між кожухом і зовнішнім
циліндром 7 заповнюється теплоізоляційним матеріалом.
При включенні апарату в електричну мережу приводиться у обертання
скребковий барабан (“білчине колесо”) і нагріваються ТЕНи, а від них похилі
лопатки шахти та весь простір усередині неї.
При засипанні в завантажувальний бункер продукту останній під дією сили
тяжіння прокидається в шахту, потрапляючи спочатку на першу (верхню) похилу
полицю; ковзаючи по верхній полиці, продукт пересипається на наступну по висоті
за першу другу полицю, змінюючи при цьому свій напрямок. Ковзаючи по другій
полиці, продукт аналогічно переміщається на третю полицю і т.д. До останньої
(нижньої) полиці, з якої потім продукт зісковзує в нижню порожнину камери, де
безперервно захоплюється скребками скребкового барабана, що обертається
(“білчине колесо”) і по порожнині між внутрішнім і зовнішнім циліндрами
переміщається до верхньої порожнини шахти, де безперервно пересипається на
верхню полицю, а потім переміщається далі вниз, як було описано вище.
При ковзанні продукту по полицях (зі зміною напрямку переміщення його при
переході з попередньої полиці на наступну) відбувається інтенсивне перемішування
продукту, а тому, що полиці і весь простір шахти нагріті рівномірно, то відбувається
ефективне обсмажування продукту.
Описане вище кругове переміщення продукту триває до обсмажування
останнього. Готовий продукт після обсмажування вивантажується в приймальну
ємність, що встановлюється під шахтою, за допомогою відкриття
розвантажувальних дверцят при обертовому скребковому барабані.
28
Ступінь готовності продукту, що обсмажується, визначається шляхом взяття
проб. Для взяття проб у нерухомому диску 3 є круглий отвір, при роботі закритий
заслінкою.
Запропонований обжарювальний апарат для обсмажування рослинної сировини
(рис. 1.6) включає корпус 1 із завантажувальним бункером 2, інфрачервоні
нагрівальні елементи 3, пару горизонтальних валів 4, на яких встановлені гвинтові
лопаті 5 з отворами перфорації 6 і поздовжні пластини 7 з отворами перфорації 8.
Корпус 1 складається з двох неповних профілів: циліндричних поверхонь 9 і стінки
10. У корпусі 1 є вихідний патрубок 11 для виходу готового продукту, поздовжні
щілинні вікна 12 для аспірації.
Рис. 1.6 Обжарювальний апарат:
1 – корпус; 2 – завантажувальний бункер; 3 – інфрачервоні нагрівальні елементи;
4 – горизонтальний вал; 5 – гвинтові лопаті; 6, 8 – отвори перфорації; 7 – поздовжні
пластини; 9 – циліндрична поверхня; 10 – стінка; 11 – вихідний патрубок; 12 –
щілинні вікна; 13 – електродвигун; 14 – ланцюгова передача; 15 – відбивачі.
Обжарювальний апарат забезпечений електродвигуном 13, який через
ланцюгову передачу 14 з'єднаний з парою валів 4. Інфрачервоні нагрівальні
29
елементи 3 забезпечені відбивачами параболічного профілю 15 і змонтовані на
кришці корпусу 1.
В даному обжарювальному апараті діаметр отворів перфорації 8 поздовжніх
пластин 7 більший за максимальний розмір обсмажуваної частинки продукту. Це
необхідно для проходу частини продукту через пластини в момент його підйому, що
суттєво збільшує розгорнуту поверхню матеріалу при його опроміненні. Одночасно
підвищується циркуляція повітряних потоків, які вирівнюють температуру в обсязі
робочої камери та підсилюють конвективну складову теплообміну. Цей позитивний
ефект посилюватиметься додатково за рахунок наявності отворів перфорації 6 на
гвинтових лопатях 5, при цьому розмір діаметра отворів перфорації 6 особливого
значення не має.
Харчовий продукт надходить у бункер 2 і на перші дозуючі витки лопатей, що
перемішують, і далі транспортується в зону обсмажування. Пара горизонтальних
валів 4 з перфорованими лопатями 5 і поздовжніми пластинами 7 представляє
транспортуючий і перемішуючий орган і приводиться у обертання за допомогою
електродвигуна 13 за допомогою ланцюгової передачі 14. На ділянці зчленування
лопатей 5 і пластин 7 матеріал захоплюється, піднімається і пересипається на дно
корпусу створюючи найбільш розгорнуту поверхню матеріалу для опромінення.
Такий рух матеріалу у пристрої періодично повторюється. Завдяки такому
конструктивному виконанню забезпечується поздовжній рух матеріалу, а в зонах
розташування інфрачервоних нагрівальних елементів 3 додатково забезпечується
поперечний рух матеріалу за допомогою поздовжніх пластин 6.
Завдяки наявності на гвинтових лопатях 5 отворів перфорації 6 забезпечується
додатково конвективна складова теплообміну при обсмажуванні продукту, а
активніша циркуляція повітряних потоків вирівнює температуру по всьому об'єму
робочої камери, що і підвищує якість кінцевого продукту. Наявність отворів
перфорації 8 на поздовжніх пластинах 7 забезпечує додаткове перемішування
продукту і прокидання його в зоні обсмажування, що вирівнює повітряні потоки і
також сприятливо впливає на рівномірність обсмажування продукту та ефективність
роботи пристрою в цілому.
30
Обсмажений продукт виводиться через вихідний патрубок 11 і надходить на
подальшу технологічну операцію. Пара, що виділяється при обсмажуванні
рослинної сировини, видаляється з пристрою через щілинні вікна 12.
Перфорація у гвинтових лопатях валів і пластинах забезпечує більш активну
конвекцію гріючого середовища в робочій камері обжарювального пристрою, що
підвищує рівномірність обсмажування і відповідно якість кінцевого продукту. Крім
того, при діаметрі отворів перфорації поздовжніх пластин більше максимального
розміру обсмажуваних частинок забезпечується їх активне перемішування і
пробудження в процесі обсмажування, що також сприятливо позначається на
рівномірності і, отже, якості продукту, що обсмажується, при цьому частина
продукту обробляється променистою енергією в русі (як би у потоці).
Якщо діаметр отворів перфорації поздовжніх пластин менше розміру
обсмажуваних зерен, то в цьому випадку частинки сировини не проходитимуть
через отвори перфорації пластини, що у свою чергу погіршує їх перемішування і
знижує якість обжарювання за рахунок пригорання продукту.
Сумарний позитивний ефект від перфорованих лопат і пластин складається з
наступних складових: вирівнюється температурне поле насамперед по довжині
робочої камери: локальне розташування нагрівальних елементів обумовлює значний
перепад температур – у зоні дії нагрівачів температура найбільша, між нагрівачами
найменша; підвищується конвективна складова теплообміну за рахунок активнішої
циркуляції повітряних потоків – гріючого середовища; покращується якість
обсмажування сировини за рахунок збільшення розгорнутої поверхні опромінення в
момент прокидання частинок при їх підйомі перфорованими лопатями; теплова
обробка здійснюється в русі продукту за одночасної активації повітряних потоків.
У запропонованому пристрої поздовжні перфоровані пластини можуть бути
знімними, при цьому апарат комплектується набором пластин: змінився
максимальний розмір часток сировини, що обробляються (інший сорт продукту, вид
і т.д.) – підбирається і встановлюється з набору відповідна перфорована пластина.
На рисунку 1.8. зображено загальний вигляд лінії виробництва обсмажених
харчових продуктів. Лінія для виробництва обсмажених харчових продуктів з ядер
31
горіхів та насіння олійних культур містить: ситовий сепаратор 1; бункери для
зберігання різних фракцій сировини 2, наприклад, зерно соняшнику, ядра арахісу,
фундук і т.п. з встановленими в їх нижній частині роторними дозаторами 3.
Пристрій для миття і термовологої обробки продуктів 5, вакуумного апарату 23 для
охолодження та насичення сировини вуглекислим газом, дражувального апарату 29
та вакуум-пакувальних автоматів 28 та 30.
Ситовий сепаратор 1 складається з набору сит (у кількості 2 і більше, залежно
від того на скільки фракцій необхідно розділяти сировину), розташованих одне під
іншим, що дозволяють проводити сортування вихідної сировини, розділяючи його
на кілька фракцій. З верхнього сита сходять найбільше насіння, а в кожному
наступному ситі йде відділення дрібнішого насіння. Також сепаратор 1 дозволяє
видаляти феромагнітні домішки.
Пристрій для миття та термовологості обробки сировини 5 являє собою корпус,
що складається з вертикального циліндричного бункера 6, у верхній частині якого
розташована завантажувальна лійка 4. По внутрішній поверхні бункера 6
розташована спіралеподібна стрічка 7, забезпечена овальними виступами 8,
призначеними для кращого миття сировини. У центрі бункера 6 встановлений вал 9
зі щіткою, що забезпечує просування сировини по спіралеподібній стрічці,
забезпечуючи при цьому миття сировини. Привід валу здійснюється за допомогою
електродвигуна 10. На зовнішній поверхні циліндричного бункера розташовані 6
форсунки 11, призначені для подачі води для миття сировини. У нижній частині
пристрою миття та термовлажностной обробки сировини 5 знаходяться два шнеки,
один – короткий 12, в нижній частині циліндричного бункера 6, інший – довгий 13 у
секції обсмажування вихідної сировини 19. З'єднання між шнеками здійснюється за
допомогою шарніра рівних кутових швидкостей 14, за рахунок чого забезпечується
рівномірне обертання обох шнеків. Шнеки 12 і 13 наводяться в обертання
електродвигуном 15. Частота обертання шнеків 12 і 13 регулюється за допомогою
регулятора тиристорного частоти, який знаходиться на електродвигуні 15.
32
Рис. 1.7 Лінія виробництва обсмажених харчових продуктів:
1 – ситовий сепаратор; 2 – бункери; 3 – ротні дозатори; 4 – завантажувальна
лійка; 5 – пристрій для миття і термовологої обробки продуктів; 6 – вертикальний
циліндричний бункер; 7 – спіралеподібна стрічка; 8 – овальні виступи; 9 – вал зі
щіткою; 10 – електродвигун; 11 – форсунки; 12 – короткий шнек; 13– довгий шнек;
14 – шарнір; 15 – електродвигун; 17 – насос; 18 – фільтр; 19 – секція обжарювання
вихідної сировини; 20 – вентилятор; 21 – парогенератор; 22 – патрубок; 23 –
вакуумний апарат; 24 – стрічковий транспортер; 25 – роторний дозатор; 26 –
трубопровід; 27 – стрічковий транспортер; 28 – вакуум-пакувальний апарат; 29 –
дражувальний апарат; 30 – вакуум-пакувальний автомат; 31 – кран; 32 – циліндричні
ущільнювачі; 33 – пружини; 34 – конфузор; 35 – верхня секція вакуумного апарату;
36 – нижня секції вакуумного апарату; 37 – завантажувальна лійка; 38 –
трубопровод
33
У пристрої для миття та термовологості обробки сировини 5, під шнеками 12 і 13
встановлені перфоровані сітки, над шнеком 13 також розташована перфорована
сітка. Під шнеком 12 розташований конфузор 34, з якого відпрацьована після миття
вихідної сировини вода надходить у фільтр 18, а потім за допомогою насоса 17 по
трубопроводу 38 надходить у форсунки 11, тобто здійснюється принцип
рециркуляції.
З пристрою для миття і термовлажностной обробки сировини 5 вода за
допомогою насоса 17 при відритому крані 31 надходить у парогенератор 21, де
утворюється перегріта пара, який вентилятором 20 подається в секцію
обсмажування вихідної сировини 19. Як тільки в парогенераторі 21 набирається
необхідне для отримання перегрітого кількість води, кран 31 закривають. З секції
обсмажування вихідної сировини 19 по патрубку 22 готовий продукт надходить у
вакуумний апарат 23 для охолодження сировини та насичення вуглекислим газом.
Вакуумний апарат охолодження сировини і насичення вуглекислим газом 23
складається з верхньої 35 і нижньої секції 36. Верхня секція 35 забезпечена
завантажувальною лійкою 37 і стрічковим транспортером 24. Знизу у верхню секцію
35 вакуумного апарату 23 по трубопроводу 26 подається вуглекислий газ.
На виході з верхньої секції 35 в апараті 23 встановлено роторний дозатор 25,
який має вирізи під кутом 80 – 90 градусів. У нижній секції 36 вакуумного апарату
23 встановлений стрічковий транспортер 27 з можливістю реверсивного руху. У
роторному дозаторі 25 встановлені циліндричні ущільнювачі 32, що підпираються
пружинами 33. За рахунок мінімального зазору між роторним дозатором 25 та
зовнішньою циліндричною частиною, в якій обертається ротор, а також за рахунок
циліндричних ущільнювачів 32 у нижній секції апарату 23 підтримується вакуум.
З вакуумного апарату охолодження і насичення сировини вуглекислим газом 23
сировина за допомогою транспортера 27 надходить або відразу на упаковку у
вакуум-пакувальний автомат 28, або спочатку йде в дражувальний апарат 29 для
внесення добавок, а потім у вакуум-пакувальний автомат 30.
Вихідна сировина надходить на ситовий сепаратор 1, де відбувається поділ
вихідної сировини на фракції, а також видалення феромагнітних домішок, далі
34
сировина в залежності від розміру надсилається бункера 2.
За допомогою роторних дозаторів 3 сировина через завантажувальний отвір 4
надходить на мийку в пристрій для миття і термовологої обробки 5. Включається
електродвигун 10, за рахунок якого здійснюється привід вала 9 зі щіткою.
Одночасно з включенням приводу починається подача води в бункер 6 через
розташовані на його зовнішній поверхні форсунки 11. Сировина починає рух вниз
по спіралеподібній стрічці 7, при цьому вона починає здійснювати постійні безладні
обертальні рухи за рахунок овальних виступів 8, розташованих на стрічці 7.
Потім включається електродвигун 15, за допомогою якого обертаються шнеки 12
і 13. Промита вихідна сировина разом з потоком води надходить у відсік, де
розташований шнек 12, при цьому відбувається відділення води від вихідної
сировини. Вода через конфузор надходить у фільтр 18, а потім за допомогою насоса
17 по трубопроводу 38 надходить у форсунки 11. Таким чином, процес миття
вихідної сировини виявляється циклічно-замкнутим, що дозволяє економити воду.
Далі вихідна сировина шнеком 12 подається в камеру обсмажування 19, де воно
обсмажується насиченою перегрітою водяною парою, що надходить з
парогенератора 21 за допомогою вентилятора 20. За допомогою шнека 13
відбувається постійне зворушення сировини, що призводить до рівномірності
обсмажування. Вся волога, яка випаровується з поверхні сировини, виходить з секції
обсмажування 19 у вигляді пари та прямує у форсунки 11.
Обсмажена сировина при температурі 80 – 120 0С, залежно від виду сировини,
надходить через завантажувальну лійку 37 на транспортерну стрічку 24 вакуумного
апарату для охолодження сировини 23. При цьому починається подача вуглекислого
газу трубопроводом 26, при цьому відбувається його охолодження та одночасно
насичення вуглекислим газом для збільшення тривалості зберігання. Вуглекислий
газ вмодифікованій атмосфері використовується для заміщення кисню, він активно
перешкоджає розвитку аеробних бактерій, що викликають гниття, внаслідок чого на
2 – 3 місяці збільшуються терміни зберігання сировини та максимально
зберігаються її смакові та харчові властивості.
З нижньої секції 36 апарату 23 відбувається відкачування повітря, за рахунок
35
чого створюється вакуум. Роторний дозатор 25 починає обертатися за
годинниковою стрілкою, подаючи сировину на транспортер 27. Якщо сировина
більше не вимагає ніякої обробки, то стрічка транспортера 27, обертаючись за
годинниковою стрілкою, подає сировину у вакуум-пакувальний автомат 28. Якщо ж
потрібне додання жировітамінних добавок, то стрічка транспортера 27, обертаючись
проти годинникової стрілки, спрямовує сировину в дражувальний апарат 29, а потім
з нього у вакуум-пакувальний автомат 30.
У промисловості обсмажування горіхів зазвичай проводиться відкритим
способом із застосуванням або без застосування олії в барабанній машині.
Обсмажування горіхів у шкаралупі або без неї відкритим способом передбачає
використання спеціальних машин для обсмажування. Енергоносієм виступає
природний чи скраплений газ. При обсмажуванні горіхів барабанним способом
застосовують гарячі похилі перфоровані барабани з поступовим просуванням
продукту вниз трактом.
Полум'я трохи доторкується до продукту, а дим видаляється витяжкою через
димар барабана. Обсмажування горіхів у печі може тривати до 6 годин за
нормальної температури 70 0С.
1.4 Аналіз закономірностей процесу обсмажування рослинної сировини
Важливим завданням наукових досліджень процесу обсмажування рослинної
сировини є визначення оптимальної температури та тривалості процесу.
Технологічні параметри процесу обсмажування рослинної сировини визначають
якісні показники готового продукту, що є результатом фізичних, біохімічних та
колоїдно-хімічних змін під час термічної обробки сирої сировини що, значно
впливає на якість обсмаженого продукту, а також на вихід продукції.
36
Загальновідомо, що інтенсивність обсмажування рослинної сировини
визначається температурою перегрітої пари. Проводячи аналіз характеру зміни
температури частинок сировини, та її вплив на інтенсивність обсмажування,
Степанов та Татарченко вказують, що темп нагрівання обсмажуваних частинок
сильно випереджає інтенсивність зміни їх вмісту вологи, обмеженого внутрішньою
дифузією вологи всередині частинок сировини.
Нікель С.А. проводив експериментальні дослідження процесів теплової
обробки горіхів. Режимні параметри процесу сушіння: залишковий тиск у камері
�� = 9,8 кПа; температура робочих поверхонь дек �� = 45 − 70 0С; питоме
навантаження горіхів (з початковим вмістом вологи 0,25 кг/кг) на поверхню дек
��/�� = 11 кг/м2 при товщині шару ℎ = 30 мм.
Рис. 1.8 Криві сушіння (а) та температурні криві (б) горіхів фундук
Залежно від температури робочої поверхні при тиску у камері �� = 9,8 кПа,
питомому навантаженні горіхів (з початковим вмістом вологи 0,25 кг/кг) на
поверхню дек ��/�� = 11 кг/м2, товщині шару ℎ = 30 мм: 1 – 50 0С; 2 – 55 0С; 3 – 60
0С; 4 – 65 0С
Нікель С.А. у своїй роботі він наголосив, що обсмажування горіхів протікає в
період внутрішнього випаровування і характеризується температурою матеріалу, що
підвищується. Відзначалося швидке підвищення температури поверхні матеріалу з
часом (рис. 1.9).
37
Рис. 1.9 – Температурні
криві горіхів фундука при
температурі середовища:
1 – 150 0С; 2 – 170 0С; 3
– 225 0С; 4 – 370 0С
Температура в центральних шарах горіхів також підвищується, але трохи
повільніше. Таким чином, у матеріалі виникає температурний градієнт, який
наприкінці прогріву на всю глибину горіха дорівнює нулю: температури поверхні та
центру зразка стають однаковими.
Нікелем були побудовані криві 1, 2, 3, 4 (рис. 1.10), що характеризують зміну
вмісту вологи горіхів у процесі обсмажування.
Рис. 1.10 Залежність
вологовмісту горіхів від часу
обсмажування при температурі
середовища:
1 – 150 0С; 2 – 170 0С; 3 –
225 0С; 4 – 370 0С
38
Зі збільшенням температури робочих поверхонь сушильної установки
інтенсивність випаровування вологи з матеріалу збільшувалася. Криві мають
вигляд, характерний для періоду внутрішнього випаровування.
Їм також було отримано залежності зміни швидкості влаговидаления від часу
обробки і вмісту вологи матеріалу (рис. 1.11).
Рис. 1.11 Зміна швидкості влаговидалення горіхів залежно від:
а – часу обсмажування; б – вологості матеріалу при температурі листа
1 – 160 0С; 2 – 175 0С; 3 – 225 0С
У роботі Asiru W.B. (Асіри В.Б.) зазначається, що модель сушіння в тонкому
шарі, що використовується при описі процесів обсмажування рослинних матеріалів,
прийнято розбивати на три категорії [15]: теоретичний, напівтеоретичний та
прикладний. Перший бере до уваги лише внутрішній опір при перенесенні вологи,
тоді як інші два розглядають лише зовнішній опір при переміщенні вологи між
теплоносієм і продуктом. Найбільш повно досліджено другий дифузійний закон
Фіка. Поведінка процесу сушіння багатьох рослинних продуктів, зокрема горіхів, з
високою точністю передбачено з допомогою цього закону [9].
Напівтеоретичний підхід передбачає свого роду компроміс між теорією та
практичним використанням. За спрощення базових висновків другого закону Фіка
були отримані напівтеоретичні моделі. Однак вони дійсні лише для діапазону
температур, для якого вони були розроблені.
39
Поряд з напівтеоретичними моделями використовуються моделі Хендерсона
та Пабіса, Льюїса, сторінкова модель та модифікована сторінкова модель.
Емпіричні моделі надають пряму залежність між середнім значенням
вологості та часу обсмажування. Вони нехтують основами процесу сушіння та його
параметри немають фізичного значення. Проте вони не можуть надати чіткого
погляду на найважливіші процеси, що виникають під час обсмажування. У той
самий час дані моделі можуть дати опис кривих сушіння за умов експериментів.
Ашир В.Б. зазначив, що серед розглянутих вище моделей, у літературі були
ретельно вивчені моделі Вана та Сіна, а також модель Томпсона. Описані методи
було зведено до таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 Математичні моделі процесу обсмажування
Название модели Модель
Модель Хендерсона і Пабіса ���� = �� · ������ · (−�� · ��)
Модель Льюіса ���� = ������ · (−�� · ��)
Сторінкова модель ���� = ������ · (−�� · ��) · ��
Модифікована сторінкова ���� = ������ · (−�� · ��) · ��
Модель Томпсона ���� = �� · ������ · (−��1 · ��)+ �� · ������ · (−��2 · ��)
���� = 1 + �� · �� + �� · ��2
Модель Вана и Сина �� = �� · (��������) + �� · (��������)2
Сушіння горіхів проводилася Ашир В.Б. з початковим вмістом вологи 9,29 % і
тривала до досягнення значення 3,5 – 4,5 % при різних температурах: 70, 80, 90, 100
і 110 0С і тривалістю 3, 4, 5, 6 і 7 годин відповідно.
Криві зміни вологості представлені малюнку 1.12.
Для моделювання процесу сушіння горіхів Аширом В.Б. було обрано
модифікований сторінковий метод.
Після низки підстановок та визначення значень відповідних коефіцієнтів
рівняння моделі набуло вигляду:
log( −��������) = (−0,0101 · �� = 1,561) log �� +
+ log(0,0054 · �� + 0,2379), (1.1)
40
Рис. 1.12 – Зміна
вологості в процесі сушіння
горіхів за різних температур
(70, 80, 90, 100 і 110 0С)
Після проведення розрахунків у середовищі Маth Cad було отримано
розрахунковий графік зміни вологості горіхів з часом, представлені на рис. 1.13.
Рис. 1.13 –
Розрахункові криві
вологості горіхів при різних
температурах (70, 80, 90, 100
та 110 0С)
Розрахункові дані, отримані Ашир В.Б. збіглися з експериментальними з
помилкою в 10%, що показує високий рівень збіжності.
1.5 Аналіз літературного огляду та завдання дослідження
1.5.1 Аналіз літературного огляду
Аналіз наведених даних дає зрозуміти, що низький рівень вивчення загальних
закономірностей процесу обсмажування рослинної сировини (горіхів фундука)
загальмовує використання новітніх, перспективних способів та розробку на їх
основі ефективних апаратів, які дозволяють впроваджувати технологію
41
інтенсивніше та одночасно більш раціонально використовувати енергетичний
потенціал теплоносіїв та забезпечуючи високу якість готового продукту [17].
Наявне обладнання та способи обсмажування мають на увазі значну
протяжність процесу в часі і часто не дають змоги організувати процес у
замкнутому циклі. Удосконалення технології безпосередньо пов'язане зі
збільшенням продуктивності обладнання, що робить теплообмін більш інтенсивним
та знижує питому витрату теплоти. Нині широко поширені обсмажувальні апарати
не відповідають вимогам, які висуваються до екологічної безпеки, ттому що
використовують як теплоносій дим, повітря і топкові гази. Кисень повітря сприяє
процесам окислення, на відміну від диму і топкових газів, які містять канцерогени,
що в свою чергу призводить до значного зниження якості готового продукту.
Першим кроком при розробці проектів з енергозбереження повинні бути
комплексні дослідження, спрямовані на більш глибоке вивчення принципових
питань техніки, теорії та технології обсмажування, що ґрунтуються на
нетрадиційних методах впливу на сировину.
Для проектування найефективніших обсмажувальнтх апаратів з урахуванням
спільного розгляду кінетичних режимів сушіння з структурно-механічними і фізико-
хімічними характеристиками рослинної сировини насамперед необхідно виконання
відповідності гідродинамічного режиму технологічного процесу кінетиці
обсмажування.
Незважаючи на великий обсяг досліджень, досі повного розуміння механізмів
обсмажування не досягнуто. Крім того, відсутня математична модель, яка могла б
описати процес з урахуванням усіх його параметрів. Відсутня інформація про
спостереження за розтріскуванням частинок сировини та її зв'язку з щільністю, і
температурою, а також їх зіставлення з описом реакцій, що протікають, і
результатами аналізу хімічного складу. Для отримання температурних профілів
процесу необхідні дані про масу, обсяг, вологість і пористість частинок продукту,
що в свою чергу дозволило б досліджувати теплопровідність та інші теплофізичні
характеристики. Все це має лягти в основу оптимізації параметрів обсмажування і
насамперед температури теплоносія.
42
Щоб змоделювати процес теплопередачі при обсмажуванні для промислових
умов, потрібно визначити середні значення різності шару та відносної швидкості
руху частинок сировини.
Також важливо здійснити моделювання процесу теплопередачі в умовах
кондуктивного теплообміну та конвекції, крім того, не слід нехтувати впливом
температури та перебігу процесу обсмажування на властивості сировини. У ході
моделювання слід якнайточніше описувати форму частинки сировини. Свою роль
грає вплив випромінювання між окремими частинками, що веде до вирівнювання
температури в обсязі продукту.
Прийняття до уваги реакцій, що відбуваються під час обсмажування та
процесу випаровування вологи дозволить отримати більш складну модель, яка
вимагає для свого створення більшого обсягу даних про процеси обсмажування, ніж
ті, що є на даний момент.
1.5.2 Теоретичні і експериментальні дослідження процесу обсмажування
горіха фундук
Мета роботи: наукове забезпечення процесу обсмажування горіха фундук
перегрітою парою на основі комплексного аналізу основних закономірностей
процесу обсмажування спільно з теплофізичними та структурно-механічними
характеристиками досліджуваної сировини; розробка комбінованих режимів
обсмажування та проведення інженерних розрахунків з подальшим обґрунтуванням
вибору перспективної конструкції обсмажувального апарату, що забезпечує
економію теплоенергетичних ресурсів.
Схема дослідження:
1. Вивчення горіхів фундук як об'єкта дослідження: систематизація отриманих
даних та формулювання на їх основі гіпотез щодо використання їх у виробництві
харчових добавок;
2. Вивчення процесу термічного розкладання досліджуваного виду рослинної
сировини; виявлення температурних зон випаровування вологи різних форм зв'язку;
3. Вивчення гідродинамічних та кінетичних закономірностей процесу
обсмажування горіхів фундук перегрітою парою;
43
4. Визначення раціональних технологічних параметрів процесу обсмажування
горіхів фундук перегрітою парою атмосферного тиску;
5. Розробка математичної моделі обсмажування горіхів фундук перегрітою
парою;
6. Проведення інженерних розрахунків з метою визначення оптимальних
параметрів обжарювального обладнання;
7. Розробка конструкції обжарювального апарату та способів обсмажування
рослинної сировини.
Теоретичні дослідження:
Аналіз існуючих обжарювальних апаратів;
Аналіз існуючих математичних моделей процесу обсмажування рослинної
сировини;
Горіхи фундук як об'єкти дослідження.
Експериментальні дослідження:
Дослідження гідродинаміки;
Дослідження кінетики;
Оцінка енергетичної ефективності.
1.5.3 Завдання дослідження
Грунтуючись на результатах аналізу даних літературного огляду, а також
керуючись метою, основними завданнями роботи стали:
1. Вивчення горіхів фундук як об'єктів дослідження; систематизація
отриманих даних та формулювання на їх основі робочих гіпотез щодо використання
їх у виробництві харчових добавок;
2. Вивчення процесу термічного розкладання досліджуваних видів рослинної
сировини, виявлення температурних зон випаровування вологи різних форм зв'язку;
3. Вивчення гідродинамічних та кінетичних закономірностей процесу
обсмажування каштанів та горіхів фундук перегрітою парою;
4. Визначення раціональних технологічних параметрів процесу обсмажування;
5. Розробка математичної моделі обсмажування рослинної сировини
перегрітою парою;
44
6. Проведення інженерних розрахунків з метою визначення оптимальних
параметрів обладнання, для обсмажування.
7. Розробка конструкції обжарювального апарату та способу обсмажування
рослинної сировини.
Висновки до розділу 1
Проаналізувавши літературні джерела зроблено огляд сучасного стану
технології обсмажування горіха фундук перегрітою парою.
В розділі проведено:
- огляд харчових добавок з рослинної сировини;
- системну оцінку горіхів фундук як об'єктів дослідження;
- короткий огляд техніки та технології обсмажування рослинної сировини;
- аналіз закономірностей процесу обсмажування рослинної сировини;
- аналіз літературного огляду та завдання дослідження
Вивчено горіхи фундук як об'єкти дослідження; були систематизовані
отримані дані, у результаті виявлено корисні властивості даної сировини та значний
попит на нього (задовольняється лише 1/3 потреб) у харчовій промисловості.
45
РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ОБСМАЖУВАННЯ ГОРІХІВ ФУНДУК
ПЕРЕГРІТИМ ПАРОМ ПРИ АТМОСФЕРНОМУ ТИСКУ
2.1 Дослідження фрикційних властивостей рослинної сировини
Адгезійні та фрикційні властивості займають особливе місце у ряді
структурно-механічних властивостей харчових продуктів. Фрикційні властивості
відзначаються на межі розділу поверхні конструкційного матеріалу та продукту.
Вони характеризують зусилля взаємодії при її взаємному зрушенні.
Зовнішнє тертя відноситься до фрикційних властивостей, тобто опір
відносного переміщення двох поверхонь твердого тіла, що знаходяться в дотику, що
залежить від липкості та інших факторів.
Тертя буває двох видів:
- статичне – на початок зміщення:
- динамічне – під час руху продукту на поверхні матеріалу.
Розрізняють кілька видів фрикційного зв'язку двох тіл: пружна деформація,
пластичне відтискання, зріз або скол матеріалу, когезійне (взаємодія (зчеплення)
молекул, атомів, іонів усередині однієї фази за рахунок хімічного зв’язку та
міжмолекулярних сил) та адгезійне (зщеплення (прилипання) поверхонь різнорідних
тіл).
У процесі тертя двох тіл у різних точках контакту є можливість одночасно всіх
п'яти видів фрикційного зв'язку.
Об'єктом дослідження було обрано горіхи фундук. З метою проведення
експерименту формувалися партії, що складаються з 8 – 10 зразків. Частинки
сировини мали рівну поверхню та однакову масу, наявність тріщин на поверхні
продукту не допускалося.
Коефіцієнти зовнішнього тертя горіхів фундук досліджувалися на
експериментальній установці зображеній на рис. 2.1.
Схема установки для визначення коефіцієнта зовнішнього тертя зображена на
рис 2.2.
46
Рис. 2.1 Установка для визначення коефіцієнта зовнішнього тертя
Рис. 2.2 Схема установки для визначення коефіцієнта зовнішнього тертя:
1 – поворотний стіл; 2 – притискна планка; 3 – робоча пластина; 4 –
досліджуваний продукт ��; 5 – важільний механізм; 6 – гвинт; 7 – кутомір; 8 –
опорна рама; 9 – плита; 10 – гвинти установочні
47
Установка для визначення коефіцієнта зовнішнього тертя харчових продуктів
складається з поворотного столу 1, на якому за допомогою притискних планок 2
кріпиться робоча пластина 3, виготовлена з досліджуваного фрикційного матеріалу.
На пластині встановлений досліджуваний харчовий продукт 4. Поворотний стіл 1
має можливість повертатися щодо горизонтальної площини на деякий кут за
допомогою важільного механізму 5 та гвинта 6, з штурвалом. Кут підйому
поворотного столу 1 визначають за кутоміром 7. Елементи установки змонтовані на
опорній рамі 8 та плиті 9. Перед початком експерименту установку встановлюють за
рівнем. Для цього плоский рівень встановлюють на плиту 9 і регулювання роблять
установочними гвинтами 10. Обертаючи штурвал гвинта 6, переводять поворотний
стіл 1 в горизонтальне положення.
На поверхні поворотного столу 1 розташовують робочу пластину 3, яку потім
закріплюють притискними планками 2. На робочу пластину 3 укладають перший
зразок досліджуваного харчового продукту 4, відібраного із загальної партії.
Повільно обертаючи штурвал гвинта 6, за допомогою важільного механізму 5,
здійснюють підйом поворотного столу 1. У момент початку ковзання харчового
продукту 4 по поверхні робочої пластини 3 підйом поворотного столу 1
припиняють.
На поворотному столі, нахиленому під кутом до горизонту, знаходиться
продукт �� із силою тяжіння �� (рисунок 2.2). Розкладемо силу �� на дві складові: ��п,
перпендикулярну до поворотного столу, та ����, паралельну йому. Складова ����
прагнутиме зрушити продукт �� вниз по поворотному столі, а складова ��п
притискатиме продукт ��, викликаючи протилежні руху сили тертя ��, які будуть
пропорційні тиску.
Назвемо кут ��, який складається повним тиском з нормаллю до поворотного
столу, тобто кут, на який відхиляється повний тиск – кутом відхилення. Кут
відхилення визначається співвідношенням:
����
tan�� = . (2.1)
��п
48
Далі збільшуватимемо кут нахилу поворотного столу, на якому знаходиться
продукт продукт. Тоді при певній величині кута нахилу поворотного столу ��������
сили тертя будуть перевищені, і почнеться ковзання тіла по поворотному столі.
Складемо рівняння рівноваги всіх сил, що діють на продукт ��, для положення
поворотного столу, дуже близького до початку його руху.
Проектуючи всі сили на напрямок поворотного столу, маємо:
�� sin�������� − ����зовн cos �������� = 0, (2.2)
де ��зовн – коефіцієнт зовнішнього тертя.
Отримуємо ��зовн ≈ tan�������� тобто коефіцієнт тертя дорівнює тангенсу
максимального кута нахилу поворотного столу в момент початку ковзання.
Назвемо цей кут кутом тертя ��. Таким чином, маємо:
��зовн ≈ tan�������� = tan��. (2.3)
Коефіцієнти внутрішнього тертя сировини досліджувалися на
експериментальній установці показаній на рисунку 2.3.
Рис. 2.3 Установка для визначення коефіцієнта внутрішнього тертя
49
Схема установки для визначення коефіцієнта внутрішнього тертя показана на
рисунку 2.4.
Рис. 2.4 Схема установки для визначення коефіцієнта внутрішнього тертя:
1 – лоток; 2 – сипкий продукт; 3 – ящик; 4 – пластини; 5 – блок; 6 – нитка; 7 –
чаша для гирь
Спочатку визначають опір руху порожнього ящика 3 по напрямних �� − �� масою
гир, встановлених на чашу, при якому ящик буде виведений зі стану спокою. Потім
насипають досліджуваний продукт у лоток 1 до рівня направляючих �� − �� і
вирівнюють його поверхню. Встановивши ящик у вихідне положення, насипають у
нього продукт шаром ℎ. На продукт кладуть пластини 4 з відомою масою і на чашку
додають гирі доти, доки ящик не почне повільно рухатися. Горизонтальна сила,
прикладена в площині руху (площина зіткнення продукту в лотку 1 і ящику 3), долає
силу тертя, що з'явилася в тій же площині від маси продукту висотою ℎ в ящику та
маси ∑�� пластин 4.
Нормальні напруження ковзання будуть:
∑��
�� = + ℎ��, (2.4)
��
де ∑�� – маса вантажних пластин, кг;
50
�� – площа перерізу ящика, см2;
ℎ – висота шару продукту в ящику між пластинами та площиною ковзання, см;
�� – насипна (об'ємна) маса продукту, кг/см3 (визначається за кількістю
продукту у цьому обсязі ящика).
Граничні горизонтальні (дотичні) напруги зсуву (кг/см) будуть визначатися за
формулою:
∆��(1 − √2��бл)
�� = , (2,5)
��
де ∆�� – маса гирь на чаші з відрахуванням маси гирь при переміщенні
порожнього ящика, кг;
��бл – коефіцієнт опору блоку, при значному діаметрі блоку (150÷200 мм) і
тонкому шнурі можна прийняти рівним нулю.са
Величина коефіцієнта внутрішнього тертя досліджуваного сипучого продукту
у спокої визначається:
��
��внут = tan�� = . (2.6)
��
Для визначення коефіцієнтів внутрішнього та зовнішнього тертя кожного із
зразків було використано формулу (2.1). За результатами низки повторних дослідів
було розраховано середнє арифметичне значення кожного коефіцієнта:
��
1
�� = ∑���� , (2.7)
��
��=1
де �� – порядковий номер зразка (досвіду);
�� – загальна кількість зразків (дослідів).
Значення коефіцієнтів внутрішнього тертя ��внут і зовнішнього тертя ��зовн
горіхів фундука в залежності від вологості представлені в таблиці 2.1.
51
Таблиця 2.1 – Коефіцієнти зовнішнього та внутрішнього тертя горіхів
фундук в залежності від вологості
Горіх фундук
Вологість, % ��зовн ��внут
21 0,649 0,523
18 0,641 0,494
15 0,634 0,475
12 0,622 0,461
9 0,603 0,453
6 0,587 0,439
3 0,570 0,418
Одними з найважливіших характеристик є коефіцієнти зовнішнього та
внутрішнього тертя. Вони визначають фізико-механічні властивості рослинної
сировини. Визначення даних коефіцієнтів дозволить організувати гідродинамічний
режим, який забезпечить рівномірне перемішування при мінімальному стиранні
продукту, а це в свою чергу дасть змогу інтенсифікувати процес обсмажування
рослинної сировини.
Аналіз залежностей �� = ��(��) (рисунок 2.5) показує, що коефіцієнти
зовнішнього та внутрішнього тертя (для порівняння показані графіки для фундука і
каштанів) зі зростанням вологості збільшуються, що пояснюється переходом
пружного контакту до пластичного, при якому механічний опір відносного
переміщення дотичних поверхонь збільшується.
Рис. 2.5 – Залежність коефіцієнта внутрішнього (а) та зовнішнього (б) тертя
від вологості ��, % каштанів та фундука
52
Після математичної обробки даних, отриманих експериментально, були
визначені залежності коефіцієнтів внутрішнього та зовнішнього тертя сталі від
вологості рослинної сировини (величина достовірності апроксимації склала ��2 =
0?9558 ÷ 0,9995.
Для горіха фундук:
��зовн = 0,0011 · �� + 0,5614, (2.8)
��внут = 0,0013 · �� + 0,4497. (2.9)
Отримані значення коефіцієнтів внутрішнього та зовнішнього тертя дозволили
розрахувати критерій потужності, що є аналогом числа Ейлера, що у свою чергу
було необхідно для підбору вентилятора відповідної потужності для
обжарювального апарату. Вибраний вентилятор дозволить забезпечити рівномірне
перемішування частинок сировини на сітці та знизити стирання продукту в
киплячому шарі, підвищивши якість готової продукції.
2.2 Дослідження форм зв'язку вологи в каштанах та горіхах фундук
методом термічного аналізу
Для дослідження закономірностей теплового впливу на горіхи фундука був
використаний метод неізотермічного аналізу за допомогою комплексного
термоаналізатора TGA-DSC фірми Mettler-Toledo (рисунок 2.6) в атмосфері повітря
з постійною швидкістю нагрівання до 400 0С для горіхів фундук [22,24].
При здійсненні досліджень використовувалися алюмінієві тиглі із загальною
масою навішування для фундука – 19,03 мг. Термоаналітичні криві, які
застосовуються для кількісної обробки методом неізотермічної кінетики, в тому
числі реєструють зміни швидкості зміни маси і маси зразка (криві TGA та DTG).
При тепловому впливі у рослинній сировині відбуваються значні фізико-
хімічні зміни. Результатом цих змін є вода, що вивільняється, яка міститься в
конкретному продукті. Вона визначає характер перетворень речовини, які усередині
нього. Маса продукту зменшується в результаті випаровування вологи та
53
розкладання клітковини, цукрів та інших органічних сполук. Також при цьому
зменшується міцність структури через частковий гідроліз целюлози, клітковини та
інших складних вуглеводів, з яких складаються міжклітинні перегородки та стінки
клітин.
Рис. 2.6 – Комплексний термоаналізатор TGA-DSC
На рисунку 2.7 представлені криві TGA та DTG, отримані в результаті
термічного аналізу горіхів фундук.
Рис. 2.6 – Експериментальні залежності зміни маси зразка рослинної
сировини (горіхів фундук) TGA та швидкості зміни маси DTG
54
Перший характеризується видаленням вологи. При другому ж можливе
розкладання цукрів, яке також включає наступні процеси: утворення карамелен
(С36Н50О25), карамелану (С12Н18О9), та інші продукти при нагріванні дисахаридів до
197÷207 0С відбувається часткове руйнування крохмалу з утворенням декстринів.
Сахароза при 160÷ 180 0С розкладається на глюкозу і фруктозан.
Таблиця 2.2 – Кінетичні температурні характеристики процесу нагріву
горіхів фундук
Горіх
Кінетичні температурні характеристики процесу
фундук
Температура початку ендотермічного процесу, К 328
436
Температура піку ендотермічного процесу, К
464
Температура закінчення ендотермічного процесу, К 502
За експериментальною кривою TGA за допомогою методу неізотермічного
аналізу проводилася оцінка маси кінетично нерівноцінних молекул води в продукті.
Ділянка кривої зміни маси TGA, який відповідає процесу дегідратації (рисунок 2.6),
відображається у співвідношення рівня перетворення речовини �� і температури ��.
На кривій TGA при певних значеннях температури визначають зміну маси
∆����, яке відповідає кількості води, що виділилася при температурі �� (рисунок 2.6).
Ступінь перетворення �� обчислюється, як відношення маси ∆����, до загальної
кількості води, що міститься у зразку ∆��������:
∆����
�� . (2.10)
∆��������
Отримана в результаті залежність ступеня перетворення речовини �� від
температури �� (рисунок 2.7) відображає складний характер взаємодії сухих речовин
рослинної сировини і води, а також передбачає різну швидкість дегідратації.
На ділянці 1 (таблиця 2.3, рисунок 2.8) відбувається нагрівання та десорбція
фізико-механічно пов'язаної вологи (капілярної вологи), яка має невисоку енергію
55
зв'язку з продуктом.
Рис. 2.7 – Залежність ступеня перетворення �� речовини від температури ��
досліджуваної сировини (горіхів фундук) при нагріванні зі швидкістю підйому
температури 3 К/хв
На ділянці 2 видаляється осмотична волога.
На інтервалі температур (ділянка 3) вивільняється поліадсорбційна волога.
При подальшому збільшенні температури (ділянка 4) починає видалятися
моноадсорбційна волога, проте цей інтервал перевищує межі максимальної
температури, при якій відбувався процес обсмажування продукту і тому не впливає
на процес.
Рис. 2.8 – Залежність − �������� від величини ������/�� досліджуваної сировини
(горіхів фундук) при нагріванні зі швидкістю підйому температури 3 К/хв
56
2.3 – Температурні інтервали (К) видалення вологи різних форм зв'язку в
горіхах фундука
Таблиця Форми зв'язку вологи, що видаляється
Фізико- Поліадсорбці Моноадсорб
Осмотична
механічна йна ційна
347,22÷367,6 367,65÷438,6 438,61÷480,7 480,76÷555,5
5 1 6 6
2.3 Визначення теплофізичних характеристик горіхів фундук
Для проведення досліджень теплофізичних характеристик горіхів фундук
проводилися експерименти. Експериментальні дані оброблялися на ЄОМ у
середовищі програми Microsoft Excel 2013, внаслідок чого було отримано рівняння,
які описують теплофізичні властивості.
Значення теплофізичних характеристик горіхів фундук для інтервалу
температур 293÷353 К:
при �� = 39,81 % (сировина):
�� = 3697,3 + 1,3749 · ��; (2.11)
�� = 0,1373 + 0,0002 · ��; (2.12)
�� = (2,969 + 0,0034 · ��) · 10−8. (2.13)
при �� = 5 % (обсмажений горіх фундук):
�� = 2148,4 + 1,664 · ��; (2.14)
�� = 0,0734 + 0,0001 · ��; (2.15)
�� = (2,75 + 0,0003 · ��) · 10−8. (2.16)
Експериментальні криві для горіхів фундук, якими були виведені залежності
(2.11 –.16) представлені на рисунках 2.9 – 2.11.
57
Рис. 2.9 – Залежність питомої
теплоємності горіхів фундук від
температури при вологості �� =
����, ���� % (1) та при �� = �� % (2)
Рис. 2.10 – Залежність
коефіцієнта теплопровідності
горіхів фундук від температури
при вологості вологості �� =
����, ���� % (1) та при �� = �� % (2)
Рис. 2.11 – Залежність
коефіцієнта
температуропровідності горіхів
фундук від температури при
вологості вологості �� = ����, ���� %
(1) та при �� = �� % (2)
58
2.4 Визначення щільності та горіхів фундук
Визначення щільності досліджуваної рослинної сировини горіхів фундук при
значеннях вологості сировини – 39,81 та обсмаженого горіха – 5,00 % проводилося
на пікнометрі АТС компанії ThermoScientific (рисунок 2.12).
Рис. 2.12 – Пікнометр АТС компанії
ThermoScientific
Методика проведення експерименту включала такі операції:
1. Приміщення дослідного зразка у другу камеру приладу.
2. Заповнення гелієм еталонної камери відомого об'єму.
3. Відкриття сполучного клапана, і переміщення газу вимірювальну камеру
відомого об'єму з поміщеним всередині неї зразком.
4. Знімає показання датчика тиску.
5. Складання рівняння матеріального балансу та отримання обсягу
досліджуваного матеріалу.
6. Розрахунок справжньої густини досліджуваного матеріалу.
Значення щільності рослинної сировини наведено у таблиці 2.4.
59
Таблиця 2.4 – Щільність горіхів фундуку, кг/м3
Вологість продукту, Щільність горіхів
�� % фундук, кг/м3
39,81 1154,4
5,0 1239,0
2.5 Експериментальна установка та методика проведення експерименту
Дослідження з обсмажування рослинної сировини (горіхів фундук)
проводилися на експериментальній установці (рис. 2.13). Їх завданням був підбір
раціональних технологічних режимів, які були б здатні забезпечити мінімальну
витрату енергоресурсів поряд з поряд з високою якістю готового продукту.
Рис. 2.13 – Схема експериментальної установки:
1 – привід ротаційних дозаторів; 2 – парогенератор; 3, 7 – ротаційні дозатори;
4 – форсунки; 5 – витяжний дифузор; 6 – циркуляційний трубопровід; 8 – робоча
камера; 9 – пароперегрівач; 10 – шафа управління; 11 – трубчасті електронагрівачі;
12 – перехідник; 13 – вентилятор
60
Установка складається з: робочої камери 8 з газорозподільною решіткою,
ротаційних дозаторів 3 і 7 секторного типу для завантаження та вивантаження
продукту, приводу 1 ротаційних дозаторів, парогенератора 2, двох форсунок 4
шнекового типу, витяжного дифузора 5, пароперегрівача 9, електронагрівачів
(ТЕНи) 11, перехідника 12 та вентилятора 13 з циркуляційним трубопроводом 6, а
також сполучної арматури комунікацій. Автоматизовані системи для регулювання
температури теплоносія, засоби регулювання та вимірювання режимних параметрів
для управління та контролю процесу обсмажування продукту змонтовані в шафі
управління 10. У нижній частині робочої камери 8, що має форму паралелепіпеда з
розмірами 320x160x600 мм, розташовані газорозподільні грати.
Газорозподільні грати виготовлені з нержавіючого дроту і прикріплені на
каркасі з живим перетином 57,7 %, який встановлений у корпусі. З зовнішнього
боку робоча камера має двері з отвором для забору проб продукту. У верхній
частині камери закріплений витяжний дифузор 5 з сіткою, який перешкоджає
попаданню частинок продукту в циркуляційний трубопровід 6.
На початку робочої камери (згори), і на її кінці (знизу), розташовані ротаційні
дозатори 3 і 7 секторного типу.
У задніх стінках паророзподільника та робочої камери розміщені штуцера, що
служать для введення хромель-копелевих термопар (ТХК). У циркуляційному
трубопроводі 6 розташований патрубок з вентилем, який відповідає за видалення
надлишку пари. Усередині паророзподільника 9 і перехідника 12 розташовуються
трубчасті електронагрівачі (ТЕНи) типу С, які забезпечують нагрівання теплоносія і
прогрів установки до встановленої температури. Робоча камера кріпиться нижньою
частиною до паророзподільника 9, з'єднаного з вентилятором 13 за допомогою
фланців через перехідник 12.
Дифузор обладнаний патрубком, через нього з парогенератора 2 подається
пара. Вимірювання швидкості теплоносія проводилося з допомогою цифрового
анемометра АП1.
Проби сировини зважувалися на аналітичних терезах JW-1 з точністю ±0,01 г.
З метою визначення його вологості використовувався метод висушування до
61
постійної маси. Як об'єкт дослідження виступали горіхи фундук. Перед
обсмажуванням горіхи очищали від шкірки, а потім нарізали на кубики, лінійний
розмір яких становив 3÷5 мм.
Дослідження процесу обсмажування горіхів фундук проводилися за різних
температур 130÷160 0С та швидкостях теплоносія 0,8÷2 м/с. Початкова вологість
горіхів фундук становила35÷40 %. Під час обсмажування вологість продукту
зменшувалась до 3÷5 %. Тривалість процесу становила 24÷52 хв, при цьому питоме
навантаження продукту на решітку складало 9,8 ± 0,2 кг/м2. В якості теплоносія
була обрана перегріта пара атмосферного тиску, її основними перевагами перед
топковими газами та нагрітим повітрям є відсутність кисню, що провокує реакції
окислення, значна питома теплоємність та високий енергетичний ККД.
2.6 Дослідження гідродинаміки процесу обсмажування та горіхів фундук
Для розробки раціональних режимів обсмажування рослинної сировини
потрібно вивчення гідродинаміки процесу, а зокрема визначення величини
порізності шару та гідравлічного опору шару ∆��ш .Розглянемо гідродинаміку
процесу на прикладі обсмажування горіха фундук [21].
Аналіз зміни гідравлічного опору шару горіхів фундук у процесі
обсмажування при температурах перегрітої пари в інтервалі від 403 К до 433 К та
швидкостях в інтервалі від 0,8 м/с до 2 м/с показав, що на початку процесу
обсмажування гідравлічний опір ∆�� експоненційно зменшується, що зумовлено
зниженням вологості продукту (рис. 2.14).
Це було підтверджено експериментальними даними. Протягом заданих
інтервалів швидкостей і температур залежність зберігається. Надалі гідравлічний
опір шару горіхів, що обсмажуються, фундук практично не змінювалося, що
пояснюється малою зміною вологості горіхів.
Зміна ∆�� пояснюється зміною усадки частинок продукту, вмісту вологи і
порізності шару.
Також встановлено, що коефіцієнт гідравлічного опору шару частинок
продукту λ залежить значною мірою від швидкості перегрітої пари (рис. 2.15).
62
Рис.2.14 – Зміна гідравлічного опору шару частинок горіхів фундук від часу
при різних швидкостях перегрітої пари ��, м/с:
а – 0,8; б – 1,2; в – 1,6; г – 2.
Обчислюючи коефіцієнт гідравлічного опору за формулою:
2∆ · �� 3
�� = , (2.17)
��ш · �� · �� · ��2
де �� – питома поверхня шару, було встановлено, що для інженерних розрахунків
найзручніша проста функція:
�� = ��(����), (2.18)
63
На початку обсмажування = 0,539.
Рис. 2.15 – Залежність коефіцієнта гідравлічного опору шару частинок
продукту від Рейнольдса
В області руху перегрітої пари, де переважають сили інерції (���� < 2000),
коефіцієнт гідравлічного опору �� залежить від питомої поверхні шару продукту, що
є функцією вмісту вологи і швидкості пари. По ходу руху перегрітої пари крізь шар
сировини, що висушується, його насичення вологою і температура зменшуються,
що тягне зміну в'язкості пари.
Значення критерію ����, які були обчислені з урахуванням варіювання всіх
величин, що входять до нього в процесі обсмажування частинок горіхів перегрітою
парою, змінювалися в діапазоні від 111,9 до 115,4.
Відповідно до отриманих даних, це дозволяє охарактеризувати режим руху
теплоносія як турбулентний.
Результати обробки експериментальних даних дозволили визначити залежність
коефіцієнта гідравлічного опору як функцію �� = ��(����),:
1,05
�� = . (2.19)
����0,137
Розмір достовірності апроксимації склала ��2 = 0,9132.
Таким чином, дані, отримані для горіхів фундук, дозволяють правильно
організувати процес обсмажування рослинної сировини перегрітою парою.
64
2.7 Дослідження усадки в процесі обсмажування рослинної сировини
Дослідження усадки у процесі обсмажування рослинної сировини проводили на
прикладі горіхів фундук. У процесі обсмажування перегрітою парою технологічні
параметри змінювалися в наступних діапазонах: температура перегрітої пари від 403
К до 433 К; швидкість потоку перегрітої пари на вході в шар від 0,8 м/с до 2 м/с ;
середня висота шару горіхів від 0,018 до 0,020 м.
У ході проведення досліджень було виявлено зміну висоти шару частинок
горіхів фундук від 1 8 ÷2 0 мм на початку процесу до 9 ÷1 5 мм наприкінці
обсмажування, що пояснюється їх усадкою (рис. 2.16).
Рис. 2.16 – Залежність висоти шару горіхів фундук від часу в процесі
обсмажування горіхів перегрітою парою при різних швидкостях пари ��, м/с:
а – 0,8; б – 1,2; в – 1,6; г – 2.
65
Розтріскування – один із факторів, що погіршують якість горіхів фундук при
обсмажуванні. Відбувається розтріскування через розвиток об'ємно напруженого
стану понад гранично допустимого. Поля вмісту вологи і температури всередині
продукту розподіляються нерівномірно (неприпустима усадка), що і викликає цей
напружений стан. Після обсмажування частка горіха повинна зберегти свій обсяг і
структуру, тому необхідно оцінити величину усадки кількісно.
Відносне усадження, ��:
��п − ��к
�� = , (2.20)
��п
де ��п – початковий об'єм шару горіхів фундук;
��к – кінцевий об'єм шару горіхів фундук.
Коефіцієнт об'ємної усадки:
��
���� = , (2.21)
(��п − ��к) − �� · ��п
де ��п – початковий вологовміст горіхів фундук;
��к – кінцевий вологовміст горіхів фундук.
Емпіричні рівняння, отримані з аналізу результатів математичної обробки
експериментальних даних, виражають залежність величини усадки �� від поточного
вмісту вологи сировини ��, кг/кг:
�� = �� · ������ + ��, (2.21)
де �� – коефіцієнт для горіхів фундук, �� = 0,201;
�� – коефіцієнт для горіхів фундук, �� = −0,0453.
Значення достовірності апроксимації склало ��2 = 0,8196 ÷ 0,9137
66
Коефіцієнт об'ємної усадки ���� залежав від структури частинок горіхів фундук, а
також виду зв'язку вологи в них і збільшувався в процесі обсмажування (рис. 2.17).
Таким чином було встановлено характер зміни висоти шару частинок горіхів
фундук у процесі обсмажування з урахуванням їхньої усадки.
Було отримано узагальнене емпіричне рівняння, яке виражає залежність
величини усадки від поточного вмісту вологи.
67
Рис. 2.17 – Залежність коефіцієнта об'ємної усадки �� від вмісту вологи ��,
кг/кг, в процесі обсмажування горіхів при різних швидкостях перегрітої
пари ��, м/с:
а – 0,8; б – 1,2; в – 1,6; г – 2.
2.8 Дослідження кінетики процесу обсмажування рослинної сировини
Були проведені експерименти з обсмажування двох видів рослинної сировини та
отримано дані зміни вологості та температури продукту в процесі термічної
обробки. На основі проведених експериментів були побудовані залежності:
термограми, криві обсмажування, криві швидкості обсмажування та температурні
криві. Основні кінетичні закономірності процесу обсмажування розглянуті нижче з
прикладу горіхів фундук.
Аналіз кривих обсмажування (рис. 2.19) та швидкості обсмажування (рис. 2.20)
горіхів фундук перегрітою парою показує наявність трьох періодів: прогріву,
68
постійної та убутньої швидкості обсмажування. Період прогріву незначний за
тривалістю та характеризується швидким нагріванням частинок горіхів фундук до
температури насичення.
Рис. 2.18 – Залежність коефіцієнта об'ємної усадки �� від часу t, з в процесі
обсмажування горіхів при різних швидкостях перегрітої пари, ��, м/с:
а – 0,8; б – 1,2; в – 1,6; г – 2.
Рис. 2.19 – Криві обсмажування горіхів при температурі теплоносія Т, К:
1 – 403; 2 – 413; 3 – 423; 4 – 433.
69
У процесі конденсації пари, через високі коефіцієнти теплообміну на поверхні
кубиків горіхів фундук у періоді прогріву з великою швидкістю підвищується
температура продукту. Його інтенсивному нагріванню сприяє збіг напрямку
градієнтів вмісту вологи і температури.
До моменту досягнення продуктом початкового вмісту вологи настає період
постійної швидкості обсмажування.
У процесі переміщення вологи до поверхні частки, що виносяться в середу
перегрітої пари, де відбувається їх об'ємне випаровування, з продукту,
захоплюються потоком
Рис. 2.20 Криві швидкості обсмажування горіхів фундук при температурі
теплоносія Т, К:
1 – 403; 2 – 413; 3 – 423; 4 – 433.
Інтенсифікація теплообміну при наявності молярного масопереносу пари у свою
чергу сприяє зростанню коефіцієнта масообміну. У цьому періоді випаровується
8÷10 % всієї вологи, що видаляється, при цьому його доля від загального часу
обсмажування становить 5÷7 %. Випаровування поверхневої вологи та
інтенсифікація внутрішньої дифузії вологи через різке підвищення температури
частинок горіхів фундук обумовлює сталість швидкості обсмажування.
Найбільш тривалим є період зменшення швидкості обсмажування, який
70
характеризується зниженням її швидкості. Швидке висушування частинок зі своїми
наступним обсмажуванням пояснюється двома чинниками. У процесі використання
перегрітої пари в якості теплоносія між парою і обсмажуваним продуктом не
утворюється газового шару, який перешкоджає переміщенню вологи з продукту, на
відміну від сушіння повітрям. Більш того, прикордонний шар турбулізується парою,
що випаровується, тим самим підвищується інтенсивність тепло- і масообміну. Тому
дифузія вологи від центру до поверхні продукту та передача теплоти від пари до
продукту здійснюються відносно легко.
На рис. 2.21 представлені термограми криві обсмажування горіхів фундук.
Рис. 2.21 – Термограми обсмажування горіхів фундук при температурі
теплоносія Т, К:
1 – 403; 2 – 413; 3 – 423; 4 – 433
2.9 Розробка ступінчастих режимів обсмажування рослинної сировини
Для вибору раціональних технологічних параметрів для обсмажування горіхів
фундук проводилися серії дослідів при стаціонарних температурно-швидкісних
режимах, а саме: температура теплоносія варіювалася в межах від 403 К до 433 К, а
його швидкість від 0,8 м/с до 2 м/с. Графічні залежності, побудовані на основі
експериментальних даних: температурні криві, криві обсмажування, термограми та
криві швидкості обсмажування дозволили дізнатися, за яких параметрів і в які
періоди процесу обжарювання йде найбільш інтенсивно.
71
Значну роль досліджень зіграло проведення термічного аналізу сировини.
Залежність зміни маси зразка TGA та швидкості зміни маси DTG отримані за
допомогою комплексного термоаналізатора TGA-DSC фірми Mettler-Toledo,
уможливили визначення форми зв'язку вологи в рослинній сировині, а також
температурні інтервали видалення кожної з них.
Ґрунтуючись на отриманих даних, для горіхів фундук були розроблені
ступінчасті режими обсмажування (таблиця 2.5).
Таблиця 2.5 Ступінчасті режими обсмажування рослинної сировини
Параметри Етапи
І ІІ ІІІ
Температура теплоносія, К 403 413 423
Швидкість теплоносія, м/с 2 1,6 1,2
Тривалість, с 720 360 540
В основі даних режимів було закладено принцип, відповідно до якого
відбувається підвищення температури та зниження швидкості теплоносія по ходу
процесу. Це зумовлено тим, що на початку процесу обсмажування з продукту
активно видаляється фізико-механічно пов'язана волога і її необхідно відводити, а в
кінці – фізико-хімічна (осмотична та адсорбційна), для видалення якої слід
підводити значну кількість теплоти.
Залежності, отримані під час обсмажування каштанів з використанням
ступінчастого режиму, наведено рис. 2.22.
На першому етапі з продукту активно видаляється капілярна волога, при
цьому висока швидкість теплоносія інтенсифікує відведення її пари, на другому
етапі обсмажування з сировини видаляється осмотична волога, а на третьому етапі –
адсорбційна волога. На заключних етапах обжарювання підвищення температури
уможливлює здійснення процесу більш активно.
Використання ступінчастого режиму в процесі обсмажування рослинної
сировини дозволяє зменшити його тривалість за рахунок інтенсифікації процесу, а
також підвищити показники якості готового продукту.
72
Рис. 2.22 - Кінетичні закономірності ступінчастого режиму обсмажування
горіхів фундук:
а – крива обсмажування; б – крива швидкості обсмажування; в – температурна
крива; г – термограма
Зразки рослинної сировини (горіхів фундук), отримані при використанні
ступінчастих режимів, вигідно відрізнялися від зразків, отриманих при стаціонарних
режимах за органолептичними показниками якості. Використання розроблених
режимів дозволило знизити тривалість процесу обсмажування та як наслідок
економії енергетичних ресурсів.
73
Висновки до розділу 2
1. Визначено теплофізичні характеристики горіхів фундук та каштанів
методом нестаціонарного теплового режиму для інтервалу температур 293÷353 К.
Виявлено, що з підвищенням температури коефіцієнти теплопровідності та
температуропровідності, а також питома теплоємність рослинної сировини
збільшуються.
2. Вивчено кінетичні та гідродинамічні закономірності процесу обсмажування
рослинної сировини перегрітою парою при температурі теплоносія в межах від 403
К до 433 К, та його швидкість від 0,8 м/с до 2 м/с. Досліджено, що процес
обсмажування йде переважно в періоді скорочення сушіння. Розроблено ступінчасті
режими обсмажування рослинної сировини, що передбачають підвищення
температури теплоносія та зниження швидкості теплоносія у процесі обсмажування.
3. Проведено термічний аналіз каштанів та горіхів фундук на комплексному
термоаналізаторі TGA-DSC фірми Mettler-Toledo, виявлено форми зв'язку вологи у
продукті. Визначено зони випаровування вологи різних форм зв'язку.
74
РОЗДІЛ 3
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ОБСМАЖУВАННЯ
ГОРІХІВ ФУНДУК ПЕРЕГРЕТОЮ ПАРОЮ
3.1 Математична модель процесу обсмажування горіхів фундук
Розглянемо математичну модель процесу обсмажування харчової рослинної
сировини. Об'єктом дослідження було обрано горіхи фундук, розрізані на кубики з
розміром �� = 2 ÷ 4 мм.
Модель процесу розглядатимемо для окремої частинки, що має форму куба з
еквівалентним діаметром ��екв. У такому разі еквівалентний діаметр частинки
визначається за такою формулою:
3 3
��екв = 2��ч√ , (3.1)
4��
де ��ч – лінійний розмір частинки горіха фундук, мм.
Основною технологічною метою процесу сушіння є забезпечення заданого
значення вологості продукту, що висушується, при збереженні якості.
Як сушильний агент використовувався перегріта пара, яка є середовищем
процесу обсмажування. Температура середовища приймалася постійною �� = 433 К.
На початку процесу обсмажування частки горіхів фундук мають вміст вологи ��п,
кг/кг, початкову температуру ��п що розподілені рівномірно по всьому обсягу
частинки.
Досліджуваний процес обсмажування горіхів фундук є типовим
нестаціонарним. При взаємодії теплоносія з частинками твердої фази (кубики
горіхів фундук) змінюються температура кожної частки та концентрація вологи за
координатами та часом.
Для аналізу процесу сушіння була прийнята система диференціальних
рівнянь, що описують тепло- та вологоперенесення у вологих тілах:
75
����
= �� 2 2
11∇ �� + ��12∇ �� + ��13∇
2��
����
����
= �� ∇2
21 �� + �� 2 2
22∇ �� + ��23∇ ��, (3.2)
����
����
= �� ∇2�� + �� ∇2
31 32 �� + �� 2
���� 33∇ ��
Коефіцієнти ������ визначаються поєднанням теплофізичних та термодинамічних
характеристик вологого тіла:
����
��11 = ����; ��12 = ���� · ��; ��13 =
��0
2 · �� ����
��21 = ����; ��22 = �� + ���� · ��; ��23 = · �� = ��р, (3.3)
�� �� ��
− · ���� − · ���� · ����
��31 = ; �� = ��; ��
�� 32 �� 33 = ��р = ��
�� р
р р р
де ∇2 – оператор Лапласа, м2;
�� – коефіцієнт температуропровідності;
���� – коефіцієнт дифузії вологи;
�� – відносний коефіцієнт термодиффузії вологи;
��р – термоградієнтний коефіцієнт;
– критерій фазового перетворення;
�� – питома теплота фазового перетворення;
���� – коефіцієнт фільтраційного перенесення вологи;
�� – наведена питома теплоємність матеріалу;
��р – коефіцієнт ємності вологого повітря в пористому тілі;
��0 – щільність сухого скелета вологого тіла.
Оператор Лапласа визначаються:
��2 ��2 ��2
∇2= + + , (3.4)
����2 ����2 ����2
де ��, ��, �� – координати.
76
Коефіцієнт температуропровідності:
��
�� = . (3.5)
��р
Система рівнянь за відсутності градієнта загального тиску набуде вигляду:
���� �� ���� ����
= (���� ) + ���� · �� . (3.6)
���� ���� ���� ����
Розглянемо процеси влагоперенесення від шару продукту до перегрітої пари
та перенесення тепла, що протікає у зворотному напрямку.
Коефіцієнт дифузії вологи (коефіцієнт потенціалопровідності перенесення
вологи, коефіцієнт турбулентної температуропровідності), м / с , обчислюється
аналогічно коефіцієнту температуропровідності:
����
am = , (3.7)
���� · ��
де ���� – коефіцієнт вологопровідності (турбулентна теплопровідність), (м · с)−1;
���� – коефіцієнт масомісткості, (кг)−1.
Коефіцієнт термодифузії пов'язує коефіцієнти термодифузії ����
�� та дифузії ����
вологих тіл:
����
��
�� = . (3.8)
����
До переходу вологи в продукті в газоподібний стан з рідкого (перед
досягненням температури 373 К) питому теплоємність можна обчислити за
формулою:
�� = ��0 + ��1��1, (3.9)
77
А після переходу вологи в продукті в газоподібний стан:
�� = ��0 + ��2��2, (3.10)
де ��0 – питома теплоємність абсолютно сухого продукту, Дж/(кг·К);
��1 – питома теплоємність пари, Дж/(кг·К);
��1 – питома теплоємність води, Дж/(кг·К);
�� = 1 – індекс пароподібної вологи;
�� = 2 – індекс рідкоподібної вологи.
3.2 Постановка задачі та задання початкових та граничних умов
При розгляді процесу обсмажування горіхів фундук було прийнято такі
припущення:
- частинки горіхів розглядаються в вигляді куба;
- геометрична форма частинок продукту стала;
- початковий розподіл вмісту вологи і температури за обсягом обсмажуваного
продукту постійні;
- щільність потоку маси та теплоти постійні;
- необхідна точність розрахунку вологості продукту та температури
досягається розбиттям на зони.
Початкові умови:
��(��, ��)⃒��=0 = 0,0021��4 + 0,0764��3 − 2,0187��2 + 19,698�� + 285,54 (3.11)
��(��, ��)⃒ = 9 · 10−5��2
��=0 − 0,021�� + 0,6924 (3.12)
��(��, ��)⃒��=0 = ��п (3.13)
��(��, ��)⃒��=0 = ��п (3.14)
78
Пограничні умови третього роду для рівняння теплопровідності:
����
−�� ⃒��=��(��) = ��(��пр − ��п), (3.15)
����
де �� – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м К);;
��пр – температура продукту, К;
��п – температура перегрітої пари, К.
Пограничні умови третього роду для рівняння масопереносу
����
−���� ⃒��=��(��) = ��(��пр − ��п), (3.16)
����
де �� – коефіцієнт масовіддачі.
Коефіцієнт масовіддачі:
���� · ����
�� = , (3.17)
��екв
де ���� – критерій Нуссельта;
��екв – еквівалентний діаметр частинки горіха, мм.
Оскільки перебіг теплоносія є ламінарним, то критерій Нуссельта
визначається за такою формулою:
���� 0,25
���� = 0,15����0,33����0,43����0,1 ( ) 1, (3.18)
����ст
де ���� – критерій Рейнольдса;
���� – критерій Прандтля;
���� – критерій Грасгофа;
����ст – критерій Прандтля для теплоносія при температурі стінки;
1 – коефіцієнт, що залежить від критерію Рейнольдса, лінійного розміру
частинки та її еквівалентного діаметра.
79
Критерій Прандтля:
��п · ��п
���� = , (3.19)
��п
де ��п – питома теплоємність перегрітої пари, Дж/(кг-К);
��п – динамічна в'язкість перегрітої пари, Па·с;
��п – коефіцієнт теплопровідності перегрітої пари, Вт/(м·К).
Критерій Грасгофа:
�� · ��3 2
екв · ��п
���� = ��п · ∆��, (3.20)
��2
п
де ��п – щільність перегрітої пари, кг/м3;
��п – коефіцієнт температурного розширення перегрітої пари, К−1;
∆�� – різниця температур теплоносія та стінки, К.
Отримана система рівнянь (3.11 – 3.16) є математичною моделлю процесу
обсмажування горіхів фундук.
Оскільки в процесі обсмажування змінюється обсяг продукту, завдання (3.15 –
3.16) слід розглядати, як завдання з рухомими межами. Зміна висоти шару ℎ, м від
часу ��, с, відбувається внаслідок усадки продукту і описується наступним законом:
ℎ = (1,68 · 10−6��2 − 0,0215�� + 26,7) · 10−3. (3.21)
Вологоперенесення рідкої (�� = 2) і пароподібної (�� = 1) вологи описується
наступними співвідношеннями:
⃗�� �� = ������ · ��0 · ∇�� − ����
���� · ��0 · ∇�� = −������ · ��0(∇�� + ����∇��), (3.22)
Сумарне перенесення пари і вологи дорівнює:
�� = ��⃗⃗ + ⃗⃗⃗�� 1 2 = −�� ��
�� · ��0 · ∇�� − ���� · ��0 · ∇�� = −���� · ��0(∇�� + �� · ∇��), (3.23)
80
Таким чином, система диференціальних рівнянь масопереносу набуде
вигляду:
����1
��0 = −��������⃗⃗ 1 + ��1, (3.24)
����
����2
��0 = −������⃗⃗⃗�� 2 + ��2, (3.25)
����
Підсумовуючи (3.24) та (3.25), отримуємо:
����
��0 = −������⃗⃗�� 1 + ������⃗⃗⃗��
���� 2, (3.26)
Замінивши ��⃗⃗ 1 і ��⃗⃗⃗ 2 відповідними виразами, отримаємо:
����2
��0 = −������[�� ��
��1 · ��0 · ∇�� + ����1 · ��0 · ∇��] +
����
+������[����2 · ��0 · ∇�� + ����
��2 · ��0 · ∇��] (3.27)
Рівняння переносу теплоти в диференціальному вигляді запишемо:
����
�� · ��0 = ������(�� · ∇��) + �� · �� − ∑�� · ��⃗ · ∇�� (3.28)
���� 12 12 �� ��
��
де ��12 – теплота пароутворення, Дж/(кг·К).
Вологоперенесення рідини ��2 = ��12 визначимо з рівняння (3.24) прийнявши
����1/���� = 0:
��2 = ��12 = −��1 = −��������⃗⃗ 1, (3.29)
Відповідно:
����
�� · ��0 = ������(�� · ∇��) + ��12 · ������(����1 · ��0 · ∇�� + ���� ⃗
���� ��1 · ��0 · ∇��) − ∑���� · ���� · ∇��(3.30)
��
81
Розглядаючи зональну систему розрахунку, в якій для кожного інтервалу
(зони) �� і �� коефіцієнти переносу ��, ����1, �� , ���� , ����
��2 ��1 ��2 вважаються величинами
постійними постійними, система рівнянь тепломасопереносу в диференціальному
вигляді запишеться так:
����
= �� · ∇2 · �� + ���� · ∇2
�� �� · �� = �� 2 2
��[∇ · �� + �� · ∇ · ��], (3.31)
����
���� ��12 ��12
= (�� + ����1 ) ∇2 · �� + ����1 ∇2 · �� −
���� �� ��
∇��
−[(��1 · ����1 + ��2 · ����2)∇�� + (��1 · ����
��1 + ��2 · ����
��2)∇��] , (3.32)
��
Внаслідок переносу сировини в одному напрямі, градієнт беде являтись
диференціалом по координаті ��:
���� ��2 ��2 ��2 ��2
= �� �� + ����
�� �� �� = ���� [ · �� + �� ��], (3.33)
���� ����2 ����2 ����2 ����2
���� �� 2 2
12 �� ��12 ��
= (�� + ����1 ) �� + ����1 �� −
���� �� ����2 �� ����2
����
���� ����
− [(��1 · ����1 + ��2 · ����2) + (�� �� �� ����
1 · ����1 + ��2 · ����2) ] , (3.34)
���� ���� ��
Запишемо деференціали, використовуючи праві кінцево-різницева
відношення:
���� ����+1 − ����
= , (3.35)
���� ∆τ
���� ����+1 − ����
= , (3.36)
���� ∆x
82
��2�� ����+1 − 2���� + ����−1
= , (3.37)
����2 ∆��2
���� ����+1 − ��1
= , (3.38)
���� ∆��
��2�� ����+1 − 2���� + ����−1
= , (3.39)
����2 ∆��2
3.3 Кінцево-різницева схема розрахунку процесу обсмажування горіхів
фундук
Із застосуванням наведених вище переходів від диференціальних рівнянь
запису до рівнянь у кінцево-різницевій формі, вихідні диференціальні рівняння
(3.33), (3.34) набудуть вигляду:
����+1,�� − ����,�� ����,��+1 − 2����,�� + ����,��−1 ��
�� ��,��+1 − 2����,�� + ����,��−1
= ���� + ���� =
���� ����2 ����2
����,��+1 − 2����,�� + ����,��−1 ����,��+1 − ����,�� + ����,��−1
= ���� [ + �� ], (3.40)
����2 ����2
����+1,�� − ����,�� ��12 ����,��+1 − 2����,�� + ����,��−1
= (�� + �� ) +
���� ��1 �� ����2
��12 ����,��+1 − 2����,�� + ����,��−1
+����1 −
�� ����2
����,��+1 − ����,��
−[(��1 · ����1 + ��2 · ����2) ( ) +
����
����,��+1 − ����,��
����,��+1 − ����,��
+[(��1 · ����
��1 + �� �� ����
2 · ����2) ( )] , (3.41)
���� ��
де �� – номер кроку розбиття за координатою;
�� – номер кроку розбиття за часом.
Після низки перетворень рівнянь (3.40), (3.41), значення вмісту вологи і
температури на кожному наступному кроці розбиття за часом через попередній
83
будуть знаходитися за формулами:
����,��+1 − 2����,�� + ����,��−1 ����,��+1 − 2��
�� ��,�� + ����,��−1
����+1,�� = ����,�� + �������� + �� ���� , (3.42)
����2 �� ����2
��12 ����,��+1 − 2����,�� + ����,��−1
����+1,�� = ����,�� + ���� (�� + ����1 ) +
�� ����2
��12 ����,��+1 − 2����,�� + ����,��−1
+��������1 −
�� ����2
����,��+1 − ����,�� ��
�� �� ��,��+1 − ����,��
−[(��1 · ����1 + ��2 · ����2) ( ) + +(��1 · ����1 + �� · �� ) ( )] х
dx 2 ��2 ����
(����,��+1 − ����,��)����
х , (3.43)
���� · ��
У виведених диференціальних рівняннях значення температури і вмісту
вологи представлені в безрозмірному вигляді, тобто є відношенням поточної
величини до її початкового значення (��п = 293 К; ��п = 0,42 кг/кг.
Температура продукту впливає на термодинамічні характеристики процесу:
���� = 2,1 · 10−15��3
��,�� , (3.44)
����1 = 0,3 · 10−19��3
��,�� , (3.44)
Залежності коефіцієнтів теплопровідності �� і температуропровідності �� від
температури �� визначені експериментальним шляхом і представлені в розділі 2.
Коефіцієнт ����2 і відносний коефіцієнт термодифузії �� залежать від температури
незначно, в розрахунках вони прийняті постійними: ����2 = 0,42 · 10−6 м2/с; �� =
1,241 10−3.
Вологовміст не має значного впливу на термодинамічні коефіцієнти, тому
ними можна знехтувати.
Співвідношення (3.17) пов'язує коефіцієнт масовіддачі �� з коефіцієнтом
84
дифузії вологи ����, а коефіцієнт тепловіддачі �� в розрахунках приймався постійним.
Реалізація явного методу кінцево-різницевої схеми проводилася із
застосуванням методу сітки. Сутність цього методу полягає в розбитті всієї заданої
просторово-часової області на однакові інтервали простору і часу через задані
інтервали дискретизації за часом (����) і координатs (dx), потім значення параметрів,
що цікавлять нас, визначаються для кожного вузла сітки. Для вирішення
поставленої задачі необхідно подання вихідного диференціального рівняння у
кінцево-різницевому вигляді (3.40), (3.41).
Розрахунок значень вмісту вологи і температури на кожному кроці за часом
відбувається за схемою (рис. 3.1).
Рис. 3.1 Шеститочкова явна схема
Блок-схема алгоритму моделювання процесу обсмажування горіхів фундук
перегрітою парою представлена на рис. 3.2.
3.4 Результати проведення моделювання
Завдання (3.42 – 3.43), що є крайовим завданням тепло-і масопровідності з
однією статичною і однією рухомою межею, було вирішено за допомогою
функціональних перетворень методом кінцевих різниц. Було розроблено програму
розрахунку процесу обсмажування горіхів фундук перегрітою парою в системі
Маthcad 15.
85
Початок алгоритму
Введе Введення початкових умов
Розрахунок кількості точок дескридитації по
часу і координаті, визначення залежності кроку
по часу і координаті від попереднього значення
Цикл по часу
Цикл по координаті
Розрахунок і задання теплофізичних
характеристик і коефіцієнтів,
розраху розрахунок значень температури
і вологовмісту в кожен момент
часу, розрахунок кроку по координаті
Перерахунок кроку дескридитації по координаті
Визначення значень вологовмісту і температури
Завершення алгоритму
Рис. 3.2 Блок-схема алгоритму моделювання процесу обсмажування горіхів
фундук перегрітою парою
86
Результати моделювання представлені у вигляді розрахункових поверхонь і
відображають зміну температури Т, К, і вмісту вологи і, кг/кг, за шарами продукту і
по ходу процесу т, хв, на рис. 3.3 і 3.4.
Рис. 3.3 – Поверхня зміни температури за
шарами продукту та за ходом процесу
Рис. 3.4 – Поверхня зміни вмісту вологи
по шарах продукту і по ходу процесу
Рис. 3.5 – Термограма тепломасоперенесення при обсмажуванні горіхів
фундук: порівняння розрахункових та експериментальних даних при
обсмажуванні перегрітою парою, ��п = ������ ; ��п = ��, �� кг/м��; �� = ��, �� м/с
87
Рис. 3.6 – Крива обсмажування горіхів фундук:
порівняння розрахункових та експериментальних даних при обсмажуванні
перегрітою парою, ��п = ������ ; ��п = ��, �� кг/м��; �� = ��, �� м/с
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 3
В розділі розроблено:
- математичну модель процесу обсмажування горіхів фундук;
- постановка задачі та задання початкових та граничних умов;
- кінцево-різницева схема розрахунку процесу обсмажування горіхів фундук;
- результати проведення моделювання.
88
РОЗДІЛ 4
КОМПЛЕКСНА ОЦІНКА КАШТАНІВ І ГОРІХІВ ФУНДУК
ЯК ОБ'ЄКТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ
4.1 Визначення органолептичних та фізико-хімічних показників якості
горіхів фундук
Як вихідну сировину використовувався горіх фундук (ліщина), обсмажений із
застосуванням відповідних ступінчастих режимів.
На рис. 4.1 і 4.2 наведено сировину у свіжому, обсмаженому та обсмаженому
розмеленому стані.
Рис. 4.1 Вигляд горіхів фундук лущених і цілих
Рис. 4.2 Вигляд горіхів фундук обсмажених і розмелених
89
4.1.1 Визначення нітратів
Фотометричний метод визначення нітратів та нітритів за ISO 13395
(міжнародна організація по стандартизації).
Виконується аналіз проб водних витяжок харчових продуктів. Даний метод
заснований на відновленні нітриту з нітрату за допомогою талічного кадмію з
подальшим визначенням забарвленого з'єднання, що утворився в процесі реакцій за
участю нітриту.
Визначення вмісту нітриту в пробі проводять не використовуючи обробку
відновником кадмієвим. Реакція триває в дві стадії. На першій стадії сульфанілова
кислота піддається впливу нітрату і переходить в азотисту кислоту під впливом
оцтовокислого середовища, таким чином виходить діазосполуку. У ході другої
стадії відбувається його реакція з ��-нафтиламіном з перетворенням на азобарвник.
Ця колориметрична реакція відрізняється високою чутливістю, що дозволяє
виявити 0,5 мкг N/л. Точність методу становить 3 ÷5%. Він дозволяє визначати без
розведення до 0,3 мг ����2/л. Метод має високу чутливість і для його проведення
потрібне ретельне запобігання дистильованій воді та реактивам від забруднення
нітритами.
4.1.2 Визначення вітамінів ����, ����, ��, ����
Для визначення водорозчинних вітамінів використовувався рідинний
хроматограф Agilent 1100, до складу якого входять: дегазатор рухомої фази,
градієнтний насос, термостат колонок, автосамплер, детектор на діодній матриці і
мас-селективний квадрупольний детектор 1100 серії SL.
Поділ проводився за допомогою хроматографічних колонок Luna С 18(2) 5u
150 х 4,6 мм, Synergi 4u Hydro-RP 150x4,6 мм, та Zorbax SB-C18 150 х 4,6 мм та 250
х 4,6 мм з розміром частинок 5 мкм. Під час роботи всі колонки оснащувалися
передколонками Sequrity Guard С18. Введення проби здійснювалося з
використанням автосамплера. Об'єм проби, що вводиться, дорівнював 20 мкл.
Реєстрування хроматограм здійснювалось на програмно-апаратному комплексі
Agilent Chem Station.
90
4.1.3 Визначення вітаміну Е
Визначення токоферолу у пробах рослинної сировини проводили методом
високоефективної рідинної хроматографії. Детектування здійснювали за допомогою
УФ-детектора з довжиною хвилі 285 нм. На хроматограмі поділу токоферолів
відображалися добре розділені піки, що належали ��-, ��- і ��-токоферолам.
Як рухома фаза використовувався метанол і 1% водний розчин фосфорної
кислоти. Підготовка проби здійснювалася за допомогою п'ятикратної екстракції
гексаном із проби, диспергованої в диметилсульфоксиді.
4.1.4 Визначення важких металів
Аналіз токсичних елементів проводився методом інверсійної
вольтамперометрії на аналізаторі ТА-Lab. На розшифровці поляризаційних кривих –
вольтамперограм, які були отримані в електрохімічному осередку, що заповнюється
розчином проби, що аналізується, були засновані вольтамперометричні методи
аналізу.
4.1.5 Визначення амінокислот
Визначення амінокислот проводилося спектрофотометричним методом.
Кількісне визначення амінокислот проводили після попередньої їх екстракції
гарячою водою спектрофотометричної реакції з нінгідрином.
В результаті даної реакції утворювалася сіль енольної форми
дикетогідринденкетогідринаміна фіолетового забарвлення. Оптична щільність
розчину стандарту та отриманих розчинів вимірювалася на спектрофотометрі СФ-56
із довжиною хвилі 568 нм щодо води. Розрахунок кількісного вмісту амінокислот
проводили за розчином стандарту глютамінової кислоти.
Розрахунок вмісту проводили за розчином стандарту кислоти глютамінової у
зв'язку з тим, що максимуми поглинання амінокислотних проб і глютамінової
кислоти знаходяться в області 568±±2 нм. Відносна похибка визначення не
перевищувала ±4,2%. [23]
91
4.1.6 Визначення білка
Знаходження білка було зроблено колориметричним способом (по Лоурі).
Використовуючи отримані дані, викреслюється калібрувальна крива.
4.1.7 Визначення масової частки вологи
Знаходження масової частки вологи проводилося з допомогою методу
прискореного висушування. Як результати випробування приймають середнє
арифметичне для двох паралельних вимірювань. Вимірювання проводять з
похибкою, що не перевищує 0,01%. Величина розбіжності двох паралельних
визначень має не перевищувати 0,25 %.
4.1.8 Визначення сахарози
Визначення проводилося з допомогою рефрактометричного методу. Як
остаточний результат випробування приймається середньоарифметичне значення
результатів двох одночасних обчислень, допустима розбіжність має не
перевищувати 0,3 %. Розрахунок проводиться так, щоб похибка не перевищувала
0,01 %.
4.1.9 Органолептичні характеристики горіхів фундук.
Органолептичні показники свіжих та обсмажених горіхів фундук наведено у
таблиці 4.1.
Оцінка якості обсмажених горіхів фундук проводилася за такими
органолептичними показниками: зовнішній вигляд горіхів (колір і форма); наявність
горіхів із дефектами; смак та запах горіхів фундук; вміст органічних та мінеральних
домішок; характеристика обсмажених горіхів (лабораторне обсмажування горіхів
фундук); аромат та смак обсмажених горіхів встановлювали через дегустацію. Усі
показники відповідали вимогам ГОСТ 16834-81 «Горіхи фундук».
4.2 Дослідження амінокислотного, вітамінного та мінерального складу
горіхів фундук
Результати дослідження вітамінного, амінокислотного та мінерального складу
горіхів фундук наведено у таблиці 4.2.
Аналіз даних, зазначених у таблиці, дає зрозуміти, що в продуктах і в свіжому,
92
і в обсмаженому вигляді вміст важких металів і пестицидів набагато менше
гранично допустимих показників у харчових продуктах.
Мікробіологічні показники також не перевищують норми. У горіхах фундук
відсутні і пестициди, і важкі метали.
Свіжі горіхи фундук багаті мінеральними речовинами, білком,
амінокислотами та вітамінами. Під час обсмажування вміст мікроелементів та
макроелементів незначно змінюється.
У ході термічної обробки руйнуються амінокислоти та вітаміни та
відбувається денатурація білка. Проте завдяки спеціально розробленим режимам
обсмажування втрати цінних поживних речовин зводяться до мінімуму.
Таблиця 4.1 Органолептичні показники обсмажених горіхів фундук
Характеристика горіхів фундук
Показники
Свіжі Обсмажені
Поступово обсмажені частинки
Зовнішній вигляд Властивий здоровому
горіхів коричневого кольру з
горіхів (форма та горіху, коричневий з
різними відтінками з блискучою
колір) різними відтінками
або матовою поверхнею
Властивий здоровому
Смак приемний із різними
горіху запах та смак (без
відтінками. Аромат яскраво
Запах та смак затхлого пліснявогота
виражений, тонкий. Сторонні
інших сторонніх
запахи та присмаки відсутні
присмаків)
Наявність
Ні Ні
недоброякісних
Вміст органічних та
Ні Ні
мінеральних домішок
Вологість, % від 40 до 50 0 ,5
Натура, г/л 632 655
Сміттева домішка, % 2 1 ,9
Зараженість
Відсутня Відсутня
шкідниками
93
Таблиця 4.2 Хімічний склад свіжих та обсмажених горіхів фундук
Од. Фундук
Параметри, що вимірюються Фундук свіжий
вим обсмажений
Загальні параметри
Загальна волога % 42,67±0,02 3,97±0,02
Масова частка сирого
% 8,12±0,04 4,53±0,04
протеїну
Масова частка крохмалю % 59,62±0,04 52,41±0,04
Зола % 3,93±0,04 3,81±0,04
Загальний цукор % 21,18±0,04 15,89±0,04
Вміст ����3, мг/кг % 40,11±0,04 29,55±0,04
Мінеральний скклад
Натрій (Na) мг/100г 112,84±0,02 109,23±0,02
Калій (K) мг/100г 199,20±0,04 181,03±0,04
Кальцій (Ca) мг/100г 359,46±0,04 346,97±0,04
Магній (Mg) мг/100г 161,65±0,04 158,49±0,04
Залізо (Fe) мг/100г 4,36±0,04 3,98±0,04
Фосфор(P) мг/100г 95,25±0,02 87,52±0,02
Амінокислотний склад
(незамінний)
Валін мг/100г 21,37±0,04 11,33±0,04
Ізолейцин мг/100г 44,83±0,04 26,21±0,04
Лейцин мг/100г – –
Лізін мг/100г – –
Метіонін + цистин мг/100г 69,01±0,04 30,95±0,04
Теонін мг/100г 54,08±0,04 27,96±0,04
Фенілаланін + тирозин мг/100г – –
Вміст важких металів
Ртуть (Hg) мг/г – –
Свинець (Pb) мг/г – –
Миш'як (As) мг/г – –
Кадмій (Cd) мг/г – –
Цезій (Cs/137) мг/г – –
Стронцій Sr/90 мг/г – –
Вміст пестицидів
ГЧЦГ мг/кг – –
ДДТ мг/кг – –
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 4
В розділі визначено органолептичні та фізико-хімічні показники якості та
дослідження амінокислотного, вітамінного та мінерального складу горіхів фундук.
94
РОЗДІЛ 5
РОЗРОБКА СПОСОБУ ТА КОНСТРУКЦІЇ АПАРАТУ
ДЛЯ ОБСМАЖУВАННЯ РОСЛИННОЇ СИРОВИНИ
5.1 Тепловий розрахунок обсмажувального апарату
5.1.1 Завдання на проектування
Розрахувати апарат для обсмажування рослинної сировини за таких умов:
продуктивність сушарки за вихідним продуктом ��мк = 160 кг/год; вміст вологи
сировини (горіх фундук): початковий ��п = 0,42 кг/кг, кінцевий ��к = 0,05 кг/кг;
критичний ��кр = 0,21 кг/кг, рівноважний ��р = 0,114 кг/кг; початкова температура
сировини ��0 = 20 °С; допустима температура нагріву сировини ��доп = 80 °С;
питома теплоємність сировини (горіх фундук) ��Т = 3,13 кДж/кг; насипна щільність
сировини ��нас = 725 кг/м3; щільність частинок сировини ��мк = 1097,92 кг/м3;
еквівалентний діаметр частинки ��е = 3,72 мм; сушильний агент – пара при
початковому вологовмісті ��0 = 0,01 кг/кг; матеріал пористий, частина вологи (<
��кр) розчинена в сировину. Апарат розміщений в закритому приміщенні, що
опалюється (температура навколишнього середовища від + 10 °С до 25 °С).
Обжарювальний апарат працює у дві зміни по 7 год (14 год на добу) та 305 днів на
рік. Максимальна вологість повітря 75%, абразивного пилу в повітрі до 20 мг/м3.
Планова середня продуктивність обжарювального апарату ��с = 1280 кг/добу;
максимальна продуктивність ��м = 1400 кг/добу. Коефіцієнт готовності апарату
��г = 0,96; коефіцієнт використання апарату за робочим часом ��ч = 0,9.
5.1.2 Тепловий розрахунок
Для зручності розрахунків переведемо відносну вологость горіхів фундук в
абсолютний вміст вологи. Зміна вмісту вологи крупи горіхів фундук ∆��, кг/кг:
∆�� = ��0 − ��к = 0,42 − 0,05 = 0,415 кг/кг, (5.1)
де ��0 – абсолютний початковий вміст вологи, ��0 = 0,42 кг/кг;
��к – абсолютний кінцевий вміст вологи, ��к = 0,05 кг/кг.
95
Продуктивність апарату для обсмажування по сухому продукту ��т, кг/год:
��мк 160
��т = = = 152,4 кг/год (5.2)
1 + ��к 1 + 0,05
де ��мк – продуктивність сушарки, ��мк = 160 кг/год.
Продуктивність сушарки по вихідному матеріалу:
�� = ��т · ∆�� = 152,4 · 0,415 = 63,25 кг/год. (5.3)
Продуктивність сушарки по волозі, що випарувалася:
��мо = ��мк + �� = 160 + 63,25 = 223,25 кг/год (5.4)
Використовуючи фактор термообробки з умовою Ф�� ≤ 1, виберемо
температурний режим сушіння. Враховуючи, що в роторному обжарювальному
апараті �� > ��⧣ і забезпечується високий ступінь перемішування повітря,
скористаємося формулою:
(��0 + ����) 20 + 40
Ф�� = = = 0,375 ≤ 1, (5.5)
2��доп 2 · 80
де ��0 – початкова температура сировини, ��0 = 20 °С;
���� – кінцева температура сировини, ���� = 40 °С;
��доп – допустима температура нагріву сировини, ��доп = 80 °С.
Температура Ɵк горіхів фундук на виході з сушарки:
Ɵк = 0,9��к = 0,9 · 40 = 36 °С, (5.6)
де ���� – кінцева температура сировини, ���� = 40 °С.
96
Різниця температур на виході з апарату та вході до нього:
∆Ɵ = Ɵк − Ɵ0 = 36 − 20 = 16 °С. (5.7)
Питома витрата теплоти на нагрівання сировини ��м, кДж/кг:
(��Т + ��ж · ��к)∆Ɵ (3,13 + 4,187 · 0,05) · 16
��м = = = 128,74 кДж/кг, (5.8)
∆�� 0,415
де ��ж – питома теплоємність повітря, кДж/(кг·К).
Середню питома витрата теплоти зв'язаної вологи ��з, кДж/кг:
�� 4200
(��кр − ��к)
2 (0,21 − 0.05)2
�� = 2 2
з = = 129,54 кДж/кг, (5.9)
∆�� 0,415
де �� – постійна величина, �� = 4200 кДж/кг.
Приймаємо питомі теплові втрати ��тв = 250 кДж/кг. При встановленому
процесі витрата теплоти на нагрівання транспортних засобів відсутня. Додатково
теплота не підводиться.
У такому разі зміну ентальпії сушильного агента ∆, кДж/кг:
∆ = ��ж · Ɵ0 − ��м − ��з − ��тв =
= 2,637 · 20 − 88,9 − 84,7 − 250 = −370,9 кДж/кг (5.10)
де ��ж – питома теплоємність пари, ��ж = 2,637 кДж/(кг · К);
��м – питома витрата, ��м = 88,9 кДж/кг ;
��з – середня питома теплота, ��з = 84,7 кДж/кг .
Ентальпія пари на початку процесу ��0, кДж/кг:
��0 = ���� · ��0 + (��0 + ��п · ��0)��0 =
= 1,006 · 20 + (2495 + 1,847 · 20)0,01 = 45,44, кДж/кг (5.11)
97
де ���� – питома теплоємність зовнішнього повітря, ���� = 1,006 кДж/(кг · К);
��0 – питома теплота пароутворення при 0 °С, ��0 = 2495 кДж/кг ;
��п – середня питома теплота, ��п = 1,847 кДж/(кг · К) .
Ентальпія пари в кінці процесу ��пк, кДж/кг:
��пк = ��0 + ��п · ���� = 2495 + 1,847 · 40 = 2568,9 кДж/кг. (5.12)
Ентальпія повітря наприкінці процесу, кДж/кг:
���� · ���� · ∆ + ��пк(��0 · ∆ − ��0)
��к = =
∆ − ��пк
1,006 · 40 · (−370,9) + 2568,9 · (0,01 · (−339,9) · 148)
= ≈ 137 кДж/кг (5.13)
(−370,9) · (−2568,9)
де ��0 – ентальпія пару на початку процесу, ��0 = 148 кДж/кг;
Вологовміст пари в кінці процесу ��к, кг/кг:
��к − ��0 137,4 − 148
��к = + ��0 = + 0,01 = 0,041 кг/кг, (5.14)
∆ −339,9
де ��к – ентальпія пару в кінці процесу, ��к = 137,4 кДж/кг.
Зміна вологовмісту пари ∆��, кг/кг:
∆�� = ��к − ��0 = 0,041 − 0,01 = 0,031 кг/кг. (5.15)
Питома витрата пара ��, кг/кг:
∆�� 0,415
�� = = = 13,387 кг/кг. (5.16)
∆�� 0,031
98
Витрата пара, ��, кг/год:
�� = �� · ��т = 13,387 · 152,4 ≈ 2040 кг/год. (5,17)
5.2 Ексергетичний аналіз
Визначення ефективності окремих апаратів, установок і систем у цілому
базується на ексергетичному методі аналізу, що дозволяє не тільки обчислювати
ексергетичний ККД, але й визначати втрати ексергії в окремих апаратах, машинах і
елементах установок.
Основні принципові положення ексергетичного методу базуються на
визначенні роботоздатності (будь-якого виду енергії), яка обчислюється відносно
термодинамічних параметрів навколишнього середовища. Під навколишнім
середовищем, як правило, розуміється середовище з фіксованими параметрами,
відбиваючими найбільш частий середньостатистичний стан атмосфери у поверхні
землі.
Будь-яка кількість енергії (будь-якого виду) по відношенню до навколишнього
середовища володіє максимальною роботоздатністю, тобто максимальною роботою,
яка може бути отримана (в зворотному процесі) від даної кількості енергії в умовах
навколишнього середовища. Ця максимальна кількість роботи називається
ексергією. Співвідношення між ексергією енергією встановлюється коефіцієнтом
роботоздатності.
З метою пошуку можливого напряму підвищення енергетичної ефективності
технологічних схем має бути оцінений рівень використання енергетичних ресурсів.
Перспективним методом оцінки термодинамічної досконалості теплотехнологічних
систем є ексергетичний метод термодинамічного аналізу. Його використовують при
аналізі процесів, які протікають як при використанні холодильних агрегатів, так і
при підвищених температурах.
Завданням ексергетичного аналізу є оцінка ступеня термодинамічного
досконалості технічної системи загалом, заснована на другому законі
термодинаміки, і навіть визначення етапів технічного процесу, під час яких
99
відбуваються основні ексергетичні втрати, її ефективнішої роботи. Застосування
ексергетичного аналізу уможливлює рішення широкого кола технічних завдань на
основі уніфікованої термодинамічної методики.
Теплотехнологічна система виробництва обсмаженого напівфабрикату з
рослинної сировини відповідно до даної методики (рис. 5.1) умовно ізольована від
навколишнього середовища.
Рис. 5.1 Схема технологічного процесу:
– продукт; – вода; пар; контрольні поверхні
1 – 1-а зона обсмажування; 2 – 2-а зона обсмажування; 3 – 3-я зона
обсмажування; 4 – парогенератор; 5 – ежектор; 6 – пластинчастий теплообмінник; 7
– конденсатор; 8 – зббірник конденсату; 9 – пароперегрівач; 10 – теплообмінник; 11
– випарник; 12 – живлячий насос; 13 – вентилятор; 14 – терморегулюючий вентиль;
15 – вентилятор; 16 – запобіжний клапан; 17 – насос; 18 – вентилятори
100
Всередині цієї системи при врахуванні теплообмінних процесів, що
протікають, виділені наступні контрольні поверхні:
І – високошвидкісне слабке нагрівання;
ІІ – середньошвидкісне середнє нагрівання;
ІІІ – низькошвидкісне сильне нагрівання;
ІV – пароежекторна холодильна машина;
V – теплообмінник-рекуператор;
VІ – парогенератор;
VІІ – пароперегрівач.
У контрольних поверхнях технологічної системи, що вивчається, кожна з яких
складається зі стандартних незворотних процесів, ексергія з часом зменшується. Це
з диссипацією енергії:
∑��з = ∑��е + ∑��, (5,18)
де ∑��з – сумарна ексергія енергетичних та матеріальних потоків, що вводяться в
контрольну поверхню;
∑��з – сума ексергій корисних енергетичних та матеріальних потоків, що
виводяться з контрольної поверхні;
∑��з – ексергетичні сумарні втрати (рівняння Гюї-Стодоли).
Для розглянутої технології виробництва обсмаженого напівфабрикату
співвідношення (5.18) мало такий вигляд:
��н + ∑��н = ��к
1 е 1 + ∑���� + ∑���� , (5.19)
де ��н
1 – ексергія вихідної сировини, кДж;
∑��н
е – сумарна електроенергії приводів готового продукту, кДж;
��к
1 – ексергія готового продукту, кДж;
∑���� – сумарні ексергетичних втрат через незворотність процесів, що
відбуваються всередині контрольної поверхні, кДж;
∑���� – сума ексергетичних втрат у довкілля, кДж.
101
Рівняння (5.19) показує зміну ексергії у теплотехнологічній системі залежно
від підведення електроенергії до приводів обжарювального апарату, введення
вихідної сировини; незворотності процесів теплової обробки проміжного продукту в
секціях обжарювального апарату; компенсації втрат, що зумовлені дією
навколишнього середовища; покриття втрат, що виникають при незворотних змінах
структурно-механічних властивостей продукту, які пов'язані з витратами
електроенергії на приводи технологічного обладнання; зміни його теплофізичних
властивостей.
Ексергія зовнішніх матеріальних потоків, що вводяться в систему вихідної
сировини, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з навколишнім
середовищем, виключається з балансу, оскільки дорівнює нулю.
У процесі нагрівання та охолодження сировини та проміжних продуктів у
технологічному обладнанні його хімічна ексергія постійна, внаслідок того, що її
склад у ході переробки не змінюється. Виходячи з цього, до уваги береться тільки
його питома термічна ексергія, яка визначається на підставі рівняння Гюї-Стодоли:
����.�� = �� − ��0 = ℎ − ℎ0 − ��0(�� − ��0), (5.20)
де ��, ��0 – питома термічна ексергія, кДж/кг;
ℎ, ℎ0 – питома ентальпія, кДж/кг;
��0 – температура, К;
��, ��0 – ентропія, продукту при поточних параметрах технологічного процесу
та в стані рівноваги з навколишнім середовищем, кДж/(кг·К).
Дані за теплофізичними властивостями води, пари, сировини та продукту
різної вологості та температури взяті з довідкової літератури.
У цій роботі розглянуто впливом геть систему зовнішніх ���� і внутрішніх ����
ексергетичних втрат.
У загальну кількість внутрішніх ексергетичних втрат входять
електромеханічні втрати, які виникають при незворотній зміні
структурномеханічних властивостей продукту, втрати від кінцевої різниці
102
температур в результаті теплообміну між продуктом і перегрітою парою і
гідравлічні втрати, які обумовлені раптовим збільшенням питомого об'єму пари в
результаті його надходження з трубопроводу робочі камери обладнання.
Втрати, які зумовлені кінцевою різницею температур між потоками, були
визначені за формулою:
������ = ������ · ���� , (5.21)
де ������ – кількість теплоти, що передається від одного потоку до іншого, кДж;
���� – середнє значення фактора Карно для двох взаємодіючих потоків.
Фактор Карно або ексергетична температурна функція дорівнює термічному
ККД циклу Карно між температурами контрольної поверхні та умовно прийнятого
навколишнього середовища:
(��кп − ��0)
���� = , (5.22)
��кп
де ��кп – температура теплоносія всередині контрольної поверхні, К.
Гідравлічні втрати знайдені за формулою Дарсі-Вейсбаха при вході теплоносія
в контрольну поверхню:
��2
вх
∆��2 = �� , (5.23)
2��
де ��вх – середня швидкість проходження пари по перерізу трубопроводу, що
підводить, м/с;
�� – коефіцієнт опору, який визначається як відношення внутрішнього обсягу
обладнання (як контрольної поверхні), до поперечного перерізу вхідного отвору.
Електромеханічні втрати ексергії дорівнюють потужності приводів
технологічного обладнання, яке використовується в процесі обробки проміжних
продуктів та сировини.
Зовнішні втрати, які обумовлені недосконалістю теплоізоляції обладнання,
відмінністю температур теплоносія та навколишнього середовища, ���� пов'язані з
103
умовами поєднання системи з навколишнім середовищем, були знайдені за
формулою:
���� = ��із · ���� , (5.24)
де ��із – сумарні втрати тепла в навколишнє середовище через контрольну
поверхню, кДж;
���� – фактор Карно.
Ексергетичні втрати готового продукту при досягненні ним термодинамічної
рівноваги на виході з обжарювального апарату з навколишнім середовищем були
обчислені за такою формулою:
��
�� = ℎ − ℎ0 пр
пр пр пр − ��0 · �� · ln , (5,25)
��0
пр
де ��пр – температура готового продукту, К;
ℎпр – ентальпія готового продукту, кДж/кг;
�� – середня питома теплоємність продукту між станом термодинамічної
рівноваги з навколишнім середовищем та його поточним станом у момент
вивантаження, кДж/(кг·К).
Оцінка термодинамічної досконалості аналізованої теплотехнологічної
системи проводилася, виходячи зі значення ексергії готового продукту, за
ексергетичним ККД:
∑�� �� �� �� ��
��=1 ���� ∑��=1 ���� − ∑��=1 ����
��екс = �� �� = �� �� , (5.26)
∑��=1 ���� ∑��=1 ����
де ∑�� ��
��=1 ���� – сумарна затрачена питома ексергія (підведена в систему з зовні),
кДж/кг;
∑�� ��
��=1 ���� – сумарна питома ексергія готового продукту, кДж/кг;
∑��
��=1 ���� – сумарні ексергетичні втрати, кДж/кг.
104
Ексергія матеріальних та енергетичних потоків, а також внутрішні та зовнішні
ексергетичні втрати, які були розраховані за формулами (5.20 – 5.25), визначивши
ексергетичний баланс теплотехнологічної системи виробництва обсмаженого
напівфабрикату із рослинної сировини приведені в таблиця 5.2. Позначення потоків
на рис. 5.3 представлено у таблиці 5.1. Курсивом у цій таблиці виділено потоки, що
є для системи загалом внутрішніми. Абсолютним ексергетичним параметром при
побудові ексергетичних діаграм Грассмана-Шаргута (рисунок 4) була обрана
ексергетична потужність Е, кДж/год.
Отриманий за формулою (5.27) ексергетичний ККД дорівнював 12,20%, що на
7,62% вище, ніж при використанні технології-прототипу. Це свідчить про
підвищення ступеня термодинамічної досконалості системи при використанні
пароежекторної холодильної машини, яка працює в режимі теплового насоса та
забезпечує використання теплоносія – перегрітої пари – в режимі рециркуляції, що
виключило втрати ексергії в атмосферу з потоками, що відходять.
Таблиця 5.1 Позначення потоків на діаграмі Грасмана-Шаргута
Позначення на
№ Найменування контрольної поверхні
діаграмі
1 2 3
I Високошвидкісне слабке нагрівання
Прихід
1 Початкова сировина 1
2 Електроенергія для приводу дозатора 2
3 Перегріта пара (T = 403К) 15
Розхід
1 Висушений продукт (І) 3
2 Відпрацьована пара (І) 4
ІІ Середньошвидкісне середнє нагрівання
Прихід
1 Висушений продукт (І) 3
2 Електроенергія для приводу роторного механізму 5
3 Перегріта пара (T = 413К) 16
Розхід
1 Висушений продукт (ІІ) 7
2 Відпрацьована пара 6
105
Продовження таблиці 5.1
1 2 3
ІІІ Низькошвидкісне середнє нагрівання
Прихід
1 Електроенергія для приводу розвантажувального стрижня 8
2 Висушений продукт (ІІ) 7
3 Перегріта пара (T = 423К) 22
Розхід
1 Смажений продукт 10
2 Відпрацьована пара 9
ІV Пароежекторна холодильна машина
Прихід
1 Електроенергія для приводу насоса та вентилятора 11
2 Відпрацьована пара 6
3 Відпрацьована пара 3
4 Пар 20
Розхід
1 Пар 12
2 Пар 14
3 Пар 17
V Теплообмінник-рекуператор
Прихід
1 Електроенергія для приводу вентилятора 13
2 Відпрацьована пара 9
3 Пар 12
Розхід
1 Перегріта пара (T = 403К) 15
2 Перегріта пара (T = 413К) 15
VІ Парогенератор
Прихід
1 Електроенергія для ТЕНів 18
2 Відпрацьована пара 3
3 Пар 17
Розхід
1 Пар 19
2 Пар 20
V
Пароперегрівач
ІІ
1 Електроенергія для ТЕНів 21
2 Пар 19
Розхід
1 Перегріта пара 22
106
Таблиця 5.2 Ексергетичний баланс лінії виробництва обсмаженого
напівфабрикату з рослинної сировини
Абсолютна Відносна
ексергетична ексергетична
№ Найменування контрольної поверхні
потужність потужність,
Е, кДж/год %
1 2 3 4
І Секція обжарки 1
Прихід
1 Початкова сировина 0,0 0.00
2 Електроенергія для приводу дозатора 2160,0 3,85
Сумарна ексергія, що підводиться
2160,0 3,85
до контрольної поверхні
Розхід
3 Зовнішні ексергетичні втрати 937,4 1,67
4 Внутрішні ексергетичні втрати 2287,6 4,07
Сумарна ексергія, що відводиться
3225,0 5,74
від контрольної поверхні
ІІ Секція обжарки 2
Прихід
Електроенергія для приводу роторного
1 5400,0 9,62
механізму
Сумарна ексергія, що підводиться
5400,0 9,62
до контрольної поверхні
Розхід
2 Внутрішні ексергетичні втрати 9004,4 16,03
3 Зовнішні ексергетичні втрати 1553,6 2,77
Сумарна ексергія, що відводиться
10558,0 18,80
від контрольної поверхні
ІІІ Секція обжарки 3
Прихід
Електроенергія для приводу
1 1800,0 3,21
розвантажувального стрижня
Сумарна ексергія, що підводиться
1800,0 3,21
до контрольної поверхні
Розхід
2 Смажений продукт 6853,2 12,20
3 Внутрішні ексергетичні втрати 5856,2 10,43
4 Зовнішні ексергетичні втрати 1726,2 3,07
Сумарна ексергія, що відводиться
14435,6 35,70
від контрольної поверхні
107
ІV Пароежекторна холодильна машина
Прихід
Електроенергія для приводу насоса і
1 7200,1 12,852
вентилятора
Сумарна ексергія, що підводиться
7200,1 12,852
до контрольної поверхні
Розхід
2 Зовнішні ексергетичні втрати 1007,9 1,79
3 Внутрішні ексергетичні втрати 4251,5 7,57
Сумарна ексергія, що відводиться
5259,4 9,37
від контрольної поверхні
V Теплообмінник-рекуператор
Прихід
1 Електроенергія для приводу вентиляторів 10800,0 19,23
Сумарна ексергія, що підводиться
10800,0 19,23
до контрольної поверхні
Розхід
2 Внутрішні ексергетичні втрати 6407,7 11,41
3 Зовнішні ексергетичні втрати 2076,4 3,70
Сумарна ексергія, що відводиться
8484,1 15,11
від контрольної поверхні
VІ Парогенератор
Прихід
1 Електроенергія для ТЕНів 1800,0 19,23
Сумарна ексергія, що підводиться
1800,0 19,23
до контрольної поверхні
Розхід
2 Внутрішні ексергетичні втрати 4518,2 8,05
3 Зовнішні ексергетичні втрати 1128,0 2,01
Сумарна ексергія, що відводиться
5646,2 10,06
від контрольної поверхні
VІІ Пароперегрівач
Прихід
1 Електроенергія для ТЕНів 1800,0 32,05
Сумарна ексергія, що підводиться
1800,0 32,05
до контрольної поверхні
Розхід
2 Внутрішні ексергетичні втрати 5471,1 9,74
3 Зовнішні ексергетичні втрати 3080,7 5,49
Сумарна ексергія, що відводиться
8351,8 15,23
від контрольної поверхні
Загальний підвід 56160,1 100
Загальний відвід 56160,1 100
108
Позначення потоків на діаграмі Грасмана-Шаргута показано на рис 5.2.
Рис. 5.2 Діаграма Гросмана-Шаргута для досліджуваної технологі:
І – VІІ – номери контрольних поверхонь
109
Для реалізації запропонованої технології обсмажування рослинної сировини
було розроблено роторний сушильний апарат.
На рис. 5.3 зображено об'ємний вид роторного обжарювального апарату; на
рис. 5.4 – зображення трапецеїдальної форми в зоні вивантаження роторного
обжарювального апарату; на рис. 5.5 – вид зверху трапецеїдальної форми.
Відпрацьований теплоносій
Теплоносій
Рис. 5.3 Роторний обжарювальний апарат:
1 – трапецеїдальні формочки; 2 – напрямні; 3 – приводний вал; 4 –
завантажувальний бункер; 5 – робочі камери; 6 – патрубки; 7 – витяжний зонд; 9 –
пневмоциліндр; 10 – вертикальний штирі; 12 – вал привідний; 13 – кільцеподібна
втулка.
Роторний обжарювальний апарат (рис. 5.3) включає в себе робочу камеру 5,
трапецеїдальні форми 1, дві напрямні 2, приводний вал 3, завантажувальний бункер
4, патрубки 6 для підведення теплоносія, витяжний зонд 7 для відведення
відпрацьованого теплоносія, вивантажувальний бунбункер 8 розташований з
110
внутрішньої сторони зони розвантаження. Під кожною зоною сушіння знизу
розташований патрубок 6 для підведення теплоносія з різними швидкостями і
температурами.
Рис. 5.4 – Зображення трапецеїдальної форми в зоні вивантаження
роторного обжарювального апарату:
1 – формочки; 2 – напрямні; 3 – приводний вал; 8 – бункер для
вивантажування; 9 – пневмоциліндр; 10 – вертикальні штирі; 12 – радіальні
хрестовини; 13 – кільцеподібна втулка; 14 – кільцеподібна напрямна; 15 – виступи.
На приводному валу розташовані радіальні хрестовини, на кінцях яких
встановлені вертикальні штирі. Відстань між сусідніми вертикальними штирями
дорівнює ширині форм.
Вертикальні штирі 10 контактують з пазами 11, виконаними в бічних стінках
форм. Дно форми виконано з перфорованої сітки. Форми мають трапецеїдальну
форму (рис. 5.4). До верхньої частини внутрішньої стінки форм приварена
кільцеподібна втулка 13, всередині якої проходить кільцеподібна напрямна 14.
Внутрішня стінка форм виконана рухомою з можливістю обертання навколо
кільцеподібної напрямної для вивантаження продукту при підйомі формочки з
111
горизонтального в похило положення. Форми циклічно з періодичними вистоями
переміщаються по двох паралельних напрямних за допомогою привідного валу.
Рис. 5.5 – Трапецеїдальна форма (вигляд зверху):
1 – внутрішня стінка форми; 2 – паралельні напрямні; 10 – вертикальні штирі;
11 – пази; 11 – хрестовини; 12 – радіальні хрестовини.
Під зоною вивантаження розташований пневмоциліндр, за допомогою якого
здійснюється підйом форм з горизонтального в похило положення. З внутрішньої
сторони зони вивантаження змонтовано бункер розвантаження.
Привідний вал працює циклічно з періодичними вистоями. З цією метою він
забезпечений електродвигуном, який, обертаючи вал, надає руху формочки за
допомогою хрестовин. Формочки встановлені з таким кроком і розташовані так,
щоб кожна з них знаходилася в одній із зон: перша форма – в зоні завантаження, а
друга – в першій зоні сушіння, третя – в другій зоні сушіння і т.д., а остання – в зоні
розвантаження. У результаті, при циклічному русі приводного валу з періодичними
вистоями кожна з форм переміщається послідовно через всі зони. Вібраційна дія на
частинки продукту, що висушується при переміщенні формочок по напрямних
сприяє розрівнюванню висоти шару і запобігає утворенню комків і злежування.
Апарат працює в такий спосіб. Вихідний вологий сипкий продукт подають у
завантажувальний бункер 4 і певна порція вихідного продукту засипається у форму
112
(рис.5.4). Після цього завантаження продукту припиняється. Включається
електродвигун (на рис. 5.3 не показаний), який обертає приводний вал.
Привідний вал надає руху формочки за допомогою хрестовин. Форми
переміщаються по напрямних, причому, після того як кожна з форм 1 переміститься
в наступну зону, вимикається електродвигун і привідний вал 3 зупиняється. У цей
час остання форма переміститься із зони вивантаження в зону завантаження, перша
форма – в першу зону сушіння, друга – в другу зону сушіння і т.д.
У момент, коли перша форма з продуктом цілком опинилася в першій зоні
сушіння, через патрубок подається теплоносій із заданими параметрами.
Теплоносій, що має швидкість псевдозрідження, пронизує шар продукту, проходячи
через перфороване днище форми з продуктом (рис. 5.3). Пара приводить продукт в
псевдозріджений стан і, тим самим, забезпечує рівномірне сушіння всіх частинок
продукту, що висушується.
Відпрацьований теплоносій виводиться з першої зони сушіння через зонд.
Гідродинамічний режим обробки продукту може змінюватись в залежності від його
виду.
У першій зоні обсмажування поступово збільшується температура частинок
продукту, що висушується без пересушування їх поверхневих шарів. Рівномірна
обробка продукту здійснюється застосуванням псевдозрідженого шару при сушінні
частинок, а обмежене застосування псевдозрідженого шару веде до зниження
подрібнення та стирання частинок. Після завершення сушіння частинок у першу
зону сушіння припиняється подача теплоносія.
Далі приводний вал приводиться в обертання і за допомогою хрестовин
переміщає кожну з форм по напрямних в наступну зону. Коли перша форма з
продуктом повністю увійшла в другу зону сушіння, електродвигун вимикається і
привідний вал знову зупиняється і через патрубок в другу зону сушіння подають
теплоносій із заданими параметрами.
При цьому продукт піддається подальшому сушінню. Відпрацьований
теплоносій видаляється з другої зони сушіння через зонд. Залежно від виду
продукту, що обробляється, може змінюватися гідродинамічний режим його
113
обробки.
Після завершення сушіння частинок продукту подача теплоносія до другої
зони припиняється.
Виступи 15, що є на деяких ділянках внутрішньої горизонтальної поверхні
напрямних, забезпечують при переміщенні форм вібрування продукту, що
знаходиться в них.
Потім включається привідний вал, що переміщає форми в наступні зони.
Наприклад, перша форма з продуктом перемістилася в третю зону сушіння. У
момент входу форми з продуктом в третю зону сушіння, привідний вал знову
зупиняється, щоб через патрубок в третю зону сушіння увійшов теплоносій із
заданими параметрами. Таким чином, цикл сушіння в кожній з наступних зон
повторюється аналогічно.
Через те, що кожна форма проходить послідовно через зони сушіння з різним
гідродинамічним режимом (в псевдозрідженому, щільному нерухомому і щільному
шарі, що вібрує), в кожну зону сушіння доставляється теплоносій з оптимальними
параметрами в залежності від виду оброблюваної сировини (наприклад горіхів
фундук). Після цього привідний вал знову приводиться в обертання і за допомогою
хрестовин переміщає форму з висушеним продуктом в зону вивантаження. При
цьому електродвигун вимикається і привідний вал знову зупиняється. Потім за
допомогою пневмоциліндра, розташованого під зоною вивантаження, здійснюється
підйом форм з горизонтального в похиле положення. У похилому положенні
внутрішня стінка форм, обертаючись навколо кільцеподібної напрямної, утворює
зазор.
Повне і ефективне висипання частинок продукту з форми в
розвантажувальний бункер забезпечується тим, що кут нахилу перфорованої сітки
форм в момент перекидання більше кута природного укосу готового продукту.
Робота всіх форм повністю синхронізована. Це означає, що в момент, коли остання
форма розвантажується, перша форма завантажується продуктом, а друга форма з
продуктом піддається сушінню в першій зоні і т.д. (Рис. 5.3).
Так продукт, переміщаючись по обжарювальному апарату, один за одним
114
піддається всім етапам технологічної обробки. Застосування запропонованої
конструкції форм і багатоступінчастого сушіння забезпечує стабілізацію
тепловологостійкого режиму та покращує якість висушених частинок за рахунок
більш рівномірного та швидкого зволоження частинок. Цей роторний
обжарювальний апарат універсальний, так як він може бути використаний для
обсмажування топінамбуру, білого кореню, каштанів та інших продуктів.
Процес сушіння в пропонованому роторному обсмажувальному апараті
адаптований відповідно до основних кінетичних закономірностей процесу
обсмажування.
Розроблений роторний обсмажувальний апарат має такі переваги:
- більш високою продуктивністю за рахунок інтенсивного протікання процесу
завдяки використанню активних гідродинамічних режимів;
- можливість покращення якості одержуваного продукту за рахунок
застосування рівномірної обробки та більш м'яких, «щадних» режимів;
- конструкція апарату дозволяє вибрати раціональні режими обсмажування,
беручи до уваги зміну вмісту вологи продукту по довжині апарату.
- розширення сфери застосування за рахунок секційованого підведення
теплоносія.
5.4 Розробка машинно-апаратурної схеми отримання обжареного
напівфабрикату із рослинної сировини
Важливим етапом реалізації технології отримання напівфабрикату з
обсмаженої рослинної сировини є організація виробничого процесу шляхом
розробки машинно-апаратурної схеми безперервної дії, що включає сучасні одиниці
обладнання, що забезпечують мінімальні енерговитрати та максимальну якість
продукту.
Машинно-апаратурна схема отримання обжареного напівфабрикату з
рослинної сировини представлена на малюнку 5.6.
115
Рис. 5.6 Лінія з впровадженим обсмажувальним апаратом:
1 – спеціалізований очищувач; 2 – різальна машина; 3 – накопичувальний
бункер; 4 – ваги; 5 – обсмажувальний апарат; 6 – охолоджувальна чашу; 7 –
стрічковий транспортер; 8 – магнітний сепаратор; 9 – дробарка
Для очищення горіхів від шкірки і внутрішньої плівки, що знаходиться під нею,
використовується спеціалізований очищувач 1 італійської фірми Боєша. Потім
очищені горіхи подають у різальну машину 2, призначену для подрібнення
рослинної сировини.
Сировина, нарізана на кубики, подається в накопичувальний бункер 3, звідки
надходить на ваги 4. Після зважування порції сировини направляють в роторний
116
обжарювальний апарат 5 оригінальної конструкції, що забезпечує безперервність
процесу обсмажування.
Чергування зон зволоження та обсмажування і застосування перегрітої пари в
якості теплоносія уможливлює проведення обсмажування при м'яких режимах, тим
самим уникаючи розтріскування частинок продукту. Гарячий продукт після
обсмажування направляють в охолоджувальну чашу 6. Охолоджені кубики
продукту стрічковим транспортером 7 подаються в магнітний сепаратор 8 для
відділення металомагнітних домішок. Після цього продукт надходить до дробарки 9,
де подрібнюються до порошкоподібного стану з дисперсністю 80 – 100 мкм.
Перевагою даної технологічної лінії є значна економія енергії при подачі
сировини на наступний етап обробки, висока ефективність роботи обладнання і
безперервність процесу. Отриманий таким чином продукт має високі фізико-хімічні
та органолептичні показники. Він є цінною харчовою добавкою, що володіє
комплексом макро- та мікроелементів та вітамінів.
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 5
В розділі проведено:
- тепловий розрахунок обсмажувального апарату;
- ексергетичний аналіз;
- розробка конструкції апарату для обсмажування рослинної сировини
перегрітою парою;
- розробка машинно-апаратурної схеми отримання обжареного
напівфабрикату із рослинної сировини.
117
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Вивчено горіхи фундук як об'єкти дослідження; були систематизовані
отримані дані, у результаті виявлено корисні властивості даної сировини та значний
попит на нього (задовольняється лише 1/3 потреб) у харчовій промисловості.
2. Визначено теплофізичні характеристики горіхів фундука нестаціонарного
теплового режиму для інтервалу температур 293÷353 К. Виявлено, що з
підвищенням температури коефіцієнти теплопровідності та температуропровідності,
а також питома теплоємність рослинної сировини збільшуються.
3. Вивчено кінетичні та гідродинамічні закономірності процесу обсмажування
рослинної сировини перегрітою парою при температурі теплоносія 403÷493 К та
0,35÷2 м/с. Досліджено, що процес обсмажування йде переважно в періоді
скорочення сушіння. Розроблено ступінчасті режими обсмажування рослинної
сировини, що передбачають підвищення температури теплоносія та зниження
швидкості теплоносія у процесі обсмажування.
4. Проведено термічний аналіз каштанів та горіхів фундук на комплексному
термоаналізаторі фірми «Меttler-Тоlеdо», виявлено форми зв'язку вологи у продукті.
Визначено зони випаровування вологи різних форм зв'язку.
5. Розроблено математичну модель обсмажування рослинної сировини
перегрітою парою, яка дозволяє визначити поля вмісту вологи і температури по
висоті шару обсмажуваного продукту. Середньоквадратична похибка не
перевищувала 9,0%.
6. Визначено фізико-хімічні та органолептичні характеристики отриманого
обсмаженого продукту. Встановлено їхню відповідність гігієнічним вимогам до
якості та безпеки.
7. Проведено інженерні розрахунки обладнання для запропонованого процесу
обсмажування, розроблено конструкцію обсмажувального апарату та спосіб
отримання обсмаженої рослинної сировини. Визначено технічні параметри
обсмажувального апарату, що лягли в основу ексергетичного аналізу.
8. Виконано ексергетичний аналіз. Отриманий ексергетичний ККД дорівнює
118
12,20 %, що на 7,62 % вище, ніж при використанні технології-прототипу, що
говорить про підвищення рівня термодинамічної досконалості системи.
9. Розроблено конструкцію обсмажувального апарату та способу
обсмажування рослинної сировини.
10. Проведено тепловий розрахунок впровадження розробленого
обсмажувального апарату.
119
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Закон України “Про основні принципи та вимоги до органічного
виробництва, обігу та маркування органічної продукції” (N 2496-VІІІ від 10.07.2018
р.) Офіційне опублікування: “Голос України” № 140 – 141 від 01.08.2018 р. Дата
набрання чинності: 02.08.2018 р., та вводиться в дію з 02.08.2019 р..
2 Держстат України, 2013 рік, http://www.agrobusiness.com.ua/ekonomichnyi-
gektar/1879-tendentsiii-ovochevogo-rynku.html.
3. Петрова Ж.О. Створення енергоефективних теплотехнологій виробництва
функціональних харчових порошків: Дис. докт. техн. наук: 05.14.06. Інститут
технічної теплофізики НАН України – Київ, 2013. – 414 С.
4. Снєжкін Ю.Ф., Петрова Ж.О. Харчові порошки з рослинної сировини.
Класифікація, методи отримання, аналіз ринку. Біотехнологія, 2010, Т.3, №5. С.43-
49 149
5. Лісові культури /Гордієнко М.І., Гузь М.М., Дебринюк Ю.М., Маурер В.М,
– Львів: Камула, 2005 – 608 с.: іл.
6. Закалов О.В. Дипломне проектування технологічного обладнання
переробних і харчових виробництв: навчальний посібник / Закалов О.В., Ворощук
В.Я. – Видавництво ТНТУ ім.І. Пулюя, 2011. – 350 с.
7. Тележенко Л.М. Наукові основи збереження біологічно активних речовин в
технологіях переробки фруктів та овочів: Автореф. докт. техн. наук: 05.18.13.
Одеська національна академія харчових технологій – Одеса, 2004. – 38 С.
8. Установка для сушіння солоду та інших сипучих матеріалів: пат. 55256
Україна: МПК С12С 1/00, № u 201006424; заявл. 26.05.2010; опубл. 10.12.2010; Бюл.
№ 23 – 4 с.
9. Снєжкін Ю.Ф., Пазюк В.М., Самойленко К.М., Пазюк О.Д. Застосування
ступінчастих режимів при сушінні насіння пшениці. Наукові праці Одеської
національної академії харчових технологій/Мін. Освіти і науки України. Одеса:
2015. Вип. 47. Т.2. С. 29 – 33.
10. Дабіжа Н.О. Інтенсифікація процесу конвективного сушіння
120
термолабільних матеріалів до низького залишкового вологовмісту: Дис.
канд.техн.наук: 05.14.06 / Інститут технічної теплофізики НАН України – Київ,
2013. – 199 с.
11. Пак А.О. Розробка процесу сушіння плодово-ягідної сировини змішаним
тепловідводом зі штучним пороутворенням: Автореф. дис. к. техн.. наук: 05.18.12.
Харківський державний університет харчування та торгівлі. Харків, 2008. 20 с.
12. Спосіб сушіння високовологих матеріалів: пат. 101353 Україна: МПК
А23В 7/02. № u 201501910; заявл. 04.03.2015; опубл. 10.09.2015, Бюл. № 17. – 4 с.
13. Павлюк Р. Ю., Яницкий В. В., Крячко Т. В. и др. Новые технологии
антоциановых добавок (Новые технологии консервирования) [Текст]: монография.
Харьк. гос. ун-т пит. и торговли. Департамент пищ. пром-ти мин-ва аграр.полит.
Украины. Харьков, 2008. – 261 с.
14. Снежкин Ю.Ф., Боряк Л.А., Хавин О.О. Энергосберегающие
теплотехнологии производства пищевых порошков из вторичных сырьевых
ресурсов. Киев: Наукова думка, 2004. – 227 с.
15. Дубініна А.А., Селютіна Г.А., Пенкіна Н.М. Хімічні, фізичні, математичні
методи досліджень якості продуктів харчування. Харків. 2011. 125 с.
16. Калориметричний пристрій для визначення питомої теплоти
випаровування вологи і органічних рідин з матеріалів: пат. 84075 Україна: МПК
С12С 1/00. № а 200613266; заявл. 15.12.2006; опубл. 10.09.2008; Бюл. № 17 – 10 с.
17. Пилипчук М.І. Григор ̓єв А.С., Шостак В.В. Основи наукових досліджень.
Підручник. – Київ, Знання, 2007. – 270 с.
18. Снєжкін Ю. Ф., Петрова Ж. О., Пазюк В.М. Енергоефективні
теплотехнології виробництва функціональних харчових порошків. Монографія. –
Вінниця (ВНАУ), 2016. – 456 С.
19. Петрова Ж.О., Снєжкін Ю.Ф. Енергоефективні теплотехнології переробки
функціональної сировини. Наукова думка. – Київ, 2018 – 187 с.
20. Гетманюк К.М., Воронцов М.Є. Енергоефективна переробка
бетаніновмісної сировини. Біотехнологія ХХІ століття: матеріали доповідей VІІІ
Всеукраїнської науково-практичної конференції, присвяченої 200-й річниці з дня
121
народження Т.Г. Шевченка (м. Київ, 25 квітня 2014 р.), Київ, 2014. С. 23 – 24.
21. Петрова Ж.О., Снєжкін Ю.Ф., Гетманюк К.М. Дослідження процесів
адсорбції антиоксидантних рослинних порошків. Наукові праці ОНАХТ. Одеса,
2014. Вип. 45, Т. 2. С. 21 – 25.
22. Дмитренко Н.В., Дубовікова Н.С., Снєжкін Ю.Ф., Михайлик В.А.,
Воробйов Л.Й. Вивчення впливу стану води в харчових рослинних матеріалах на
теплоту випаровування. Наукові праці ОНАХТ. Одеса. 2011. Вип. 40. Т.2. С. 71 –75.
23. Снєжкін Ю.Ф., Петрова Ж.О., Дмитренко Н.В., Гетманюк К.М.
Дослідження впливу попереднього компонування рослинної сировини на якість
сухого продукту та теплоту випаровування. Наукові праці ОНАХТ. Одеса, 2013.
Вип. 43, Т. 2. С. 4 – 6.
24. Петрова Ж.О.,Снєжкін Ю.Ф. Самойленко К.М. Дослідження теплоти
випаровування з бетаніновмісної рослинної сировини в процесі зневоднення
методом синхронного теплового аналізу. Наукові праці ОНАХТ. Одеса, 2015. Вип.
47, Т. 2. С. 33 – 38.
25. Снєжкін Ю.Ф., Петрова Ж.О., Самойленко О.П., Гетманюк К.М. Деякі
технологічні характеристики функціональних порошків. Наукові праці ОНАХТ.
Одеса. 2010. Вип. 38, Т. 2. С. 152 – 156.
26. Лінія для виробництва композиційних антиоксидантних порошків з
рослинної сировини: пат. 109083 Україна: МПК А23В 7/02. № а 2014 04903;
Заявл.08.05.2014, видано 10.07.2015., бюл. № 13.
27. Технічні умови «Порошки антиоксидантні з рослинної сировини» ТУ У
10.3-05417118-045:2012.
28. Домарецький В. А., Остапчук М. В., Українець А. І. Технологія харчових
продуктів. – К. : НУХТ, 2003. – 570 с.
29. Домарецкий В. А. Производство концентратов, экстрактов и
безалкогольних напитков. – К.: Урожай, 1990. – 250 с.
30. Загальні технології харчових виробництв: підруч. / В. А. Домарецький, П.
Л. Шиян, М. М. Калакура, Л. Ф. Романенко, Л. М. Хомічак, О. О. Василенко, І. В.
Мельник, Л. М. Мельник. – К.: Університет «Україна», 2010. – 814 с. 330.
122
ДОДАТКИ
Додаток А
Технічна характеристика апаратів для обсмажування
Марка апарата Продіктивність, Потужність, кВт
кг/год
К-5 15 17,8
К-8 24 21,1
УОБ 30 4,0
АОА-30 30 20,0
СОА-50 50 8,0
К-20 55 17,8
АОА-70 70 24,9
СОАУ-100 80 25,0
К-30 95 21,1
ЖЖС 100 13,1
БОС-100 100 20,7
ОСМ-110 110 23,5
К-60 120 25,6
АО-100 150 23,1
ЦОА- 150 15,0
АОА-150 150 33,9
БОС-250 250 33,0
PROAT KR-300 700 12,0
“Сирокко” 800 13,0
СОА 1000 48,5
ТНА-240 1500 42,0
СВИ-1000 250 19,1
123
Додаток Б
Технологічна інструкція по виробництву обсмажених напівфабрикатів
з горіхів фундука
Обсмажені напівфабрикати з рослинної сировини являють собою сипучий
продукт різних відтінків коричневого кольору у формі кубиків з лінійним розміром
3-5 мм, упакований у поліпропіленові мішки.
Під час підготовки до виробництва вся сировина очищається від домішок.
Горіхи фундуку проходять очищення на сепараторі А1-БЛК. Горіхи фундуа
очищають. У обробленому напівфабрикаті має бути не менше 97 % ядер і не більше
1,5%. Потім ядро фундука перевіряють вручну, удалячи гнилі або плісняві ядра і
сторонні домішки.
По стрічковому транспортеру його подають у різальну машину, призначену
для подрібнення горіхів. Горіхи фундука ріжуться на різальних машинах на кубики
з лінійним розміром 3...5 мм. Сировина подається в накопичувальний бункер, звідки
через роторний живильник надходить на ваги. Після зважування порцій сировина
надходить у роторні обжарювальні апарати. Сировина піддається обсмажуванню в
роторному обсмажувальному anaраті при ступінчастих режимах у 3 етапи. Режими
обсмажування наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 Режими обсмажування горіхів фундука
Параметри Етапи
I II III
Температура теплоносія, К 403 413 423
Швидкість теплоносія, м/с 2 1,6 1,2
Тривалість, с 720 360 540
Після обсмажування напівфабрикати охолоджуються до температури 40-45 0С
в охолоджувальній чаші, інспектуються на стрічкових транспортерах, у результаті з
них видаляються різні домішки. Готовий продукт направляють на упаковку в
поліпропіленові мішки в пакувальну машину. Якість обсмажених напівфабрикатів із
рослинної сировини має відповідати вимогам ТУ 9293-001-02068108-16.
124
Додаток В
Технічні умови по виробництву обсмажених напівфабрикатів
з горіхів фундука
Дані технічні умови поширюються на обсмажені напівфабрикати з рослинної
сировини, що являють собою порізані та обсмажені ядра горіха фундука, призначені
для використання в харчоконцентратній, хлібопекарській та кондитерській
промисловості, а також у кулінарії.
1 Технічні вимоги:
1.1 Обсмажені напівфабрикати з рослинної сировини повинні відповідати
вимогам цих технічних умов та вироблятися відповідно до чинної технологічної
інструкції з дотриманням санітарних правил, затверджених у встановленому
порядку;
1.2 Для виробництва обсмаженого напівфабриката із рослинної сировини
застосовуються ядра горіха фундук, що відповідають ГОСТ 16834-81, ретельно
очищені від шкаралупи;
1.3 Виробляються обсмажені напівфабрикати з ядра горіха, подрібнені на
кубики з лінійним розміром 3-5 мм та обсмажені перегрітою парою при
атмосферному тиску.
1.4 Характеристики:
1.4.1 Органолептичні показники якості обсмажених ядер горіха фундук
повинні відповідати вимогам, зазначеним у таблиці 1;
1.4.2 Фізико-хімічні показники якості обсмажених ядер горіха фундук повинні
відповідати нормам, зазначеним у таблиці 2;
1.4.3 Вміст токсичних елементів, мікотоксинів та пестицидів не повинен
перевищувати допустимих рівнів, встановлених СанПіН 2.3.2.1078-2001.
1.5 Пакування та маркування:
Упаковка та маркування обсмажених напівфабрикатів із рослинної сировини –
за ГОСТ 24508;
На етикетках мають бути вказані інформаційні дані про харчову та
енергетичну цінність.
125
Таблиця 1 Органолептичні показники якості обсмажених ядер горіха
фундук
Показники
Зовнішній вигляд Кубики з лінійним розміром 3-4 мм
Колір Рівномірний, світло-коричневий
Ніжний. Солодкуватий, горіховий запах, без стороннього
Смак
привкусу і запаху
Таблиця 2 Фізико-хімічні показники якості обсмажених ядер горіха
фундук
Найменування показника Норма
Масова частка вологи, %, трохи більше під час випуску 5,0
з виробництва до закінчення терміну зберігання 6,5
Масова частка жиру (з розрахунку на суху масу), %, не
58,0
менше
Сирий протеїн (з розрахунку на суху масу), %, не
5,0
менше
Сира клітковина (з розрахунку на суху масу), %, не
6,0
менше
Масова частка золи (у розрахунку суху масу), %,
2,0
щонайменше
Сторонні домішки Не допускається
Зараженість шкідниками Не допускається
Забрудненість шкідниками Не допускається
2 Приймання:
2.1 Правила приймання – за ГОСТ 15113.0;
2.2 Контроль за вмістом токсичних елементів, мікотоксинів та пестицидів
здійснюють відповідно до порядку, встановленого виробником продукції за
погодженням з органами державного санітарного нагляду та гарантуючим безпеку
продукції;
2.3 Періодичність контролю масової частки золи у напівфабрикатах
визначають з періодичністю, встановленою виробником продукції, що гарантує ці
показники, а також на вимогу споживача та контролюючих організацій.
3 Методи аналізу:
3.1 Відбір проб та підготовка їх до аналізу – за ГОСТ 15113.0, ГОСТ 26929;
126
3.2 Методи визначення якості упаковки та маркування, маси нетто – за ГОСТ
24508 та ГОСТ 15113.1;
3.3 Зміст пестицидів та мікотоксинів визначають за методами, затвердженими
органами державного санітарно-епідеміологічного нагляду;
3.4 Визначення органолептичних показників:
Метод полягає в органолептичній оцінці зовнішнього вигляду, кольору,
аромату та смаку.
3.4.1 Апаратура, посуд та матеріали:
Ваги лабораторні загального призначення за ГОСТ 24104 з НПВ 500 г та
допустимою похибкою зважування не більше 0,02 г;
Лабораторний млин;
Склянка 4 за ГОСТ 9147;
Папір письмовий білий за ГОСТ 6656, ГОСТ 18510;
Допускається застосування інших засобів вимірювань з метрологічними
характеристиками не гірше за вищевказані.
3.4.2 Проведення аналізу
Органолептичні показники визначають у наступній послідовності: зовнішній
вигляд та колір, аромат та смак.
3.4.3 Зовнішній вигляд і колір візуально визначають при денному світлі або
люмінесцентному освітленні в частині об'єднаної проби продукту, поміщеної на
лист білого паперу рівним шаром.
3.4.4 Смак і аромат визначають у продукті, подрібненому на лабораторному
млині.
4 Транспортування та зберігання:
4.1 Транспортування та умови зберігання за ГОСТ 24508;
4.2 Транспортне маркування за ГОСТ 14192 із зазначенням маніпуляційного
знака «Берегти від вологи»;
4.3 Термін зберігання обсмажених напівфабрикатів із рослинної сировини - не
більше 6 місяців з дня виробітку.
127
Додаток Г
Інформаційні дані про харчову та енергетичну цінність напівфабрикатів
Вміст 100 г продукту для обсмажених ядер горіха фундука:
Білки – 5-7 г;
Жири – 58-66 г;
Вуглеводи – 15-18 г;
Сума амінокислот – 3-4 г;
Мінеральні речовини (калій, кальцій, натрій, магній та ін.) – 1000-1500 мг;
Енергетична цінність – 602-694 ккал.