Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, технологии и техники экструзионного получения продуктов питания 13
1.1. Основы теории, технологии и краткий обзор процесса экструзии 13
1.2. Основные компоненты экструзионного сырья и их свойства 37
1.3. Унаби- новая плодовая культура кабардино-балкарии и растительная добавка к экструзионным продуктам 47
1.4. Анализ литературного обзора и задачи исследования 50
Глава 2. Методика экспериментальных исследований 53
2.1. Методика экспериментальных исследований процесса экструдирования пеллет 53
2.1.1. Экспериментальная установка 53
2.1.2. Сырье и методики определения параметров процесса экструзии . 56
2.2. Методика экспериментальных исследований терморадиационных характеристик пеллет 62
2.2.1. Методика исследования спектральных оптических характеристик пеллет 62
2.2.2. Методика исследования интегральных характеристик пеллет... 68
2.3. Методика экспериментальных исследований сушки пеллет 74
2.3.1. Экспериментальная сушильная установка 74
2.3.2. Методики экспериментального исследования сутки пеллет 76
Глава 3. Экспериментальные исследования процессаэкструдирования пеллет 86
3.1. Влияние рецептурного состава смеси и режимных параметров на качество чипсов 86
3.2« микроструктурный анализ пеллет и чипсов 90
3.3. Математическое планирование и оптимизация процесса экструдирования 95
3.4. Разработка способа получения пеллет с растительной добавкой унаби и оптимизация процесса их экструдирования 112
3.5. Органолептическая характеристика чипсов 119
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса радиационно-конвективной сушки пеллет 123
4.1. Экспериментальное исследование терморадиационных характеристик пеллет 123
4.2. Исследование эмиссионных и энергетических характеристик генераторов инфракрасного излучения 128
4.3. Выбор рационального типа генератора ик излучения для сушки пеллет 138
4.4. Исследование влияния режимных параметров на сушку пеллет 145
4.5. Оптимизация режимных параметров сушки пеллет 155
Глава 5. Совершенствование конструкции макаронного пресса для производства экструзионных продуктов 161
5.1. Совершенствование рабочей камеры макаронного пресса 161
5.2. Разработка конструкции пресс-экстру дера на базе шнекового макаронного пресса для получения экструзионных продуктов 165
5.3. Экономическая эффективность промышленного внедрения результатов выполненных исследований 171
Основные выводы и результаты 178
Литература
- Основные компоненты экструзионного сырья и их свойства
- Сырье и методики определения параметров процесса экструзии
- Математическое планирование и оптимизация процесса экструдирования
- Исследование эмиссионных и энергетических характеристик генераторов инфракрасного излучения
Введение к работе
Приоритетной социальной проблемой в Российской федерации является обеспечение различных групп населения рациональным здоровым питанием с учетом их традиций и экономического положения в соответствии с требованиями медицинской науки. Решение этой проблемы требует развитие перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых энергосберегающих экологически чистых технологий, а также высокопроизводительного оборудования, способного обеспечить глубокую, при возможности безотходную, переработку сырья.
Кроме того, на современном этапе развития пищевой промышленности все большее внимание уделяется получению готовых к употреблению продуктов с программируемыми свойствами, высокой пищевой ценности и лечебно-профилактического назначения.
К полностью готовым к употреблению продуктам относятся закусочные продукты, сухие завтраки, хлопья и т.д., к продуктам быстрого приготовления относятся полуфабрикаты чипсов - "пеллеты", пудинги, кисели и т.д., которые не требуют варки.
Указанным требованиям удовлетворяет такой перспективный способ углубленной обработки крахмалосодержащего сырья как экструзия [49, 101, 111, 137 и т.д.].
Использование экструзионной техники является общепризнанным направлением технического прогресса в пищевой промышленности. Экструзионная обработка - это комбинированное воздействие на обрабатываемый материал механических напряжений, влаги и тепла с целью получения продуктов необходимой формы, структуры, физико-химических и функциональных свойств. Этот способ обеспечивает существенную интенсификацию процессов влаготермомеханической обработки крахмала
исходного сырья.
При экструзионной обработке перерабатываемый материал подвергается интенсивному влаготермомеханическому воздействию, которое приводит к различным по глубине изменениям его компонентов и образованию пористой [101, 111, 119, 137, 143] или волокнистой [26, 106, 142, 145, 146] макроструктуры.
Продукты пористой макроструктуры были впервые получены с помощью экструзионной переработки крахмал ос одержащего сырья в начале 60-х годов. Это были готовые к употреблению зерновые завтраки [109,116]. Пористая макроструктура таких продуктов образуется в результате мгновенного испарения влаги из экструдатов, их резкого расширения и образования трехмерной сетки геля [27,101]. Однако такие продукты имеют некоторые недостатки, а именно, они характеризуются низкой плотностью, малой насыпной массой и ограниченным сроком хранения. Эти недостатки устраняют при использовании принципа непрямого экспандирования (от англ. слова "expansion" — расширение), т.е. в 2 этапа. На первом этапе процесс экструзии проводят, не допуская мгновенного испарения воды. Таким образом получают экструдаты высокой плотности, получившие название в англоязычной научной литературе - pellets (пеллеты). Термическая обработка пеллет в растительном масле сопровождается мгновенным испарением воды и образованием продуктов пористой макроструктуры. Такие продукты получили название чипсы.
Перспектива дальнейшего развития производства и потребления продуктов пористой макроструктуры обусловлена рядом причин: во-первых, увеличением числа людей, потребляющих в целях экономии времени продукты быстрого приготовления; во-вторых, увеличением числа потребителей, для которых определяющим при выборе продуктов питания является не только их вкусовые качества, но и пищевая ценность; и в-третьих, растущей популярностью среди молодежи продуктов с добавлением
-б-
или нанесением сладких и пряных компонентов, что обеспечивает их потребление не только на завтрак, но и в течении всего дня.
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: G. Schenkel, В.Н. Maddock, Е.С. Bernhardt, Е. Colonna, С. Mercier, W. Seibel, К. Seiler, Z. Tadmor, J.M. McKelvey, J.F. Carley, R.A. Strub, R.S. Mallouk, C.H. Jepson, Ch.I. Chung, I.P. Melcion, P.B. Торнер, ВЛ. Силин, И.Э. Груздев, Г.М. Медведев, В.И. Янков, А.Н. Богатырев, В.П. Юрьев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Л.П. Ковальская, В.П. Первадчук, А.Н. Остриков, Ю.М. Плаксин и другие.
Актуальность работы. Экструзия является высокоэффективным, безотходным, кратковременным технологическим процессом, а экструдер многими исследователями рассматривается как универсальный биохимический реактор. Уникальность экструзионного способа заключается в возможности использования не только многообразия видов и свойств перерабатываемого сырья, но и разнообразие форм, структуры и свойств получаемых продуктов (продукты готовые к употреблению, продукты детского, лечебного и профилактического питания, полуфабрикаты, модифицированные крахмалы и др.). Высокая эффективность экструзии обусловлена прежде всего тем, что один экструдер может заменить целый комплекс машин и механизмов, необходимых для производства готовых завтраков - аппаратов для варки, взрывания, прессования, гранулирования и т.д.
Экструдирование широко применяется в макаронной, кондитерской, хлебопекарной, крахмалопаточной, пищеконцентратной, мясной, рыбной и комбикормовой отраслях промышленности [99]. Ведущими зарубежными фирмами США (Wenger, Anderson, Sprout-Bauer и др.), ЕС (Werner & Pfleiderer, Weber, Walter (ФРГ), Clextral, Crezaux-Loire (Франция), Grondona Nimet, Pagani (Италия), Buhler, Buss (Швейцария), Cincinnati (Австралия), Toshibe (Япония) и др. на мировом рынке представлены более 1000 моделей
экструдеров различных типов [50],
Ассортиментный состав пищевой продукции, вырабатываемой экструзионной технологией, включает более 400 наименований.
Согласно данным, приведенным в обзоре [78], только в континентальной части США ежегодно производится и продается экструзионных продуктов типа готовых завтраков на сумму 2 млрд. долларов, причем выпуск таких продуктов каждый год увеличивается на 3%. Таким образом, в промышленно развитых странах обозначилась устойчивая тенденция роста объемов производства экструзионных продуктов.
В настоящее время в Японии экструзия используется, в основном, в кормопроизводстве, где ежегодно производят корма на сумму 700 млн. долларов США и 80 % из них производят с помощью экструдеров. Остаются популярными в Японии гранулированные и текстурированные пищевые продукты из растительных белков - их годовое производство составляет 17 тыс.т, большинство из них мясозаменители и наполнители [9]. Душевое потребление пищеконцентратной продукции в развитых странах Европы (Германия, Великобритания, Швейцария) составляет примерно от 3 до 7 кг в год, в РФ - в среднем 1,4 кг. Объем производства сухих завтраков в России, начиная с 1991 года неуклонно растет. В 1991 году было произведено — 58,1 тыс.т; в 1992 - 80,8 тыс.т; в 1993 - 81,4 тыс.т. Потребление в России сухих завтраков в 2004 году по прогнозам составит не менее 100 тыс.т,, из них не менее 20% будет импортироваться. В общем потреблении зерновых завтраков доля экструдированных составляет около 15 % [22],
Из приведенных данных следует, что экструзия является прогрессивным способом получения качественных продуктов питания, основные преимущества которой заключаются в гибкости ее технологических схем, высокой производительности и малых габаритах экструдеров, непрерывности процесса, низкой себестоимости продукции.
Актуальной задачей является создание безотходной технологии
производства пеллет (полуфабрикатов картофельных чипсов). Разработанные способы производства пеллет не решают проблему их широкого использования в связи с высокой стоимостью современного экструзионного оборудования. Поэтому создание нового более экономичного экструзионного оборудования, а также разработка новых рецептур продуктов с использованием нетрадиционного растительного сырья в качестве пищевой добавки, является важным направлением в области совершенствования экструзионной технологии.
Вместе с тем, современные предприятия малой и средней мощности заинтересованы в расширении ассортимента продукции, выпускаемой на имеющемся шнековых макаронных прессах.
Данная работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов пищевых производств (ПиАНН) МГУ! II1 «Разработка ресурсосберегающей технологии производства экструдированных продуктов с программируемыми свойствами и оборудования для ее реализации» в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (гос. регистрация №204.04.02.002.01.01.014).
Цель и задачи диссертационной работы: совершенствование процессов и оборудования для производства картофельных чипсов; создание на основе разработанного способа оригинальной конструкции пресс-экструдера на базе шнекового макаронного пресса.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработка способа получения картофельных чипсов повышенной биологической ценности с использованием растительной добавки унаби и оптимизация процесса их экструдирования;
изучение влияния рецептурного состава смеси, ее влажности и режимных параметров экструдирования на качественные характеристики чипсов;
исследование основных закономерностей процесса экструдирования пеллет; выбор рациональных параметров экструдирования смеси на модернизированном макаронном прессе;
исследование спектральных и интегральных терморадиационных характеристик пеллет; выбор рационального типа ИК излучателя для их сушки;
исследование основных закономерностей процесса радиационно-конвективной сушки пеллет и выбор рациональных параметров процесса;
снижение стоимости экструзионного оборудования при производстве чипсов путем создание конструкции экструдера на базе одношнекового макаронного пресса;
проведение промышленной апробации производственных испытаний предлагаемых разработок.
Научная новизна. Установлены закономерности процессов экструдирования пеллет на модернизированном макаронном прессе и их радиационно-конвективной сушке.
Вскрыт механизм процесса экструдирования двухкомпонентной смеси картофельных пеллет и трехкомпонентной смеси пеллет с растительной добавкой унаби, что позволило обосновать и разработать статистическую модель процесса экструдирования пеллет.
Вскрыт механизм тепломассопереноса на основе экспериментально-аналитического изучения кинетики обезвоживания пеллет при радиационно-конвективной сушке.
Выявлены новые свойства комбинированного состава смеси с включением растительной добавки унаби, обеспечивающие высокую пищевую ценность продукта.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2237998.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработана новая конструкция пресс-экструдера и способ получения экструдированных пеллет с растительной добавкой унаби.
Определены рациональные рецептурные составы исходной многокомпонентной смеси, режимные параметры экструдирования и сушки пеллет.
Определены эмиссионные и энергетические характеристики серийно выпускаемых инфракрасных излучателей, имеющих перспективу широкого внедрения в различных отраслях пищевой промышленности.
Получен экструдированный продукт - картофельные чипсы и чипсы с растительной добавкой унаби, обладающие хорошими потребительскими свойствами, высокой пищевой ценностью и лечебно-профилактическим назначением.
Разработана конструкция одношнекового пресс-экструдера на основе модернизации шнекового макаронного пресса.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях: Международного научно практической конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность товаров и услуг» (г. Орел 2001); Всероссийской научно-технической конференции - выставки с международным участием «Качество и безопасность продовольственного сырья и продуктов питания (г. Москва 2002); Международная выставка и международная научно-практическая конференция «Технологии и продукты здорового питания» (г. Москва 2003); Всероссийской научно-технической конференции - выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (г. Москва 2003); Международная конференция «Производство, технология, экология» (г. Москва 2004); Всероссийской научно-технической конференции - выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (г. Москва 2004).
Результат настоящей работы отмечен дипломом МГУПП за участие в конференции — выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Работа выполнялась на кафедре процессы и аппараты пищевых производств Московского государственного университета пищевых производств.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах и патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и предложений. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 87 рисунков и 31 таблиц. Список литературы включает 147 наименования, в том числе 46 - на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 8 страницах.
Основные компоненты экструзионного сырья и их свойства
Закусочный продукт из бобов (фасоли, гороха), содержащих до 6% жира, 20 -30% белка и 50 - 60% крахмала, разработан фирмой Nisshin Oil Mils» (Япония). Способ предусматривает обработку смеси в двухшнековом варочном экструдере при 383 - 473 К в течение 10 -90 с. Выпрессовываемый экструдат нарезают на кусочки длиной 10 мм, орошают 10%-ным солевым раствором и высушивают воздухом, нагретым до 343 К в течение 3 ч, получая при этом вспученный продукт хрустящей консистенции [61].
Закусочный кукурузный продукт запатентован в США фирмой «Procter & Gambel Company». Кукурузное зерно влажностью 30 - 40% варят в течение 0,5 -1 ч при 333 - 373 К, измельчают и смешивают с увлажнённым до 60 -75 % картофельным, тапиоковым, кукурузным крахмалом или их смесью в соотношении 95:5 - 80:20. После этого смесь обрабатывают в экструдере в течение 5 — 15 мин, добиваясь высокой степени клейстеризации крахмала. Обработанное таким образом тесто раскатывают в листы толщиной 6 - 7 мм, которые нарезают на небольшие кусочки и обжаривают в масле.
В нашей стране производство сухих завтраков началось в 60-х годах на Днепропетровском заводе пищевых концентратов, где была внедрена эктрузионная технология получения кукурузных палочек. Дальнейшее развитие экструзии шло по пути расширения ассортимента перерабатываемого пищевого сырья, что привело к появлению на отечественном рынке рисовых и пшенично-гречневых палочек [81,94].
В НПО хлебопекарной промышленности в 1986 году разработана технология переработки деформированного чёрствого хлеба, возвращаемого предприятиями торговли, а также дроблённого зерна в новый вид изделий палочки воздушные. В основе этой технологии лежит высокотемпературное кратковременное экструдирование предварительно раздробленного до частиц размером 1- 3 мм чёрствого хлеба и пшеничных зерен (крупки пшеничной дробленной) на экстру дере А1-КХП, Способ внедрён на Тульском № 5 и Московском № 26 хлебозаводах [11].
На Черниговском овощесушильном заводе в 1988 году разработана технология изготовления пористых продуктов из картофеля, пригодных к употреблению без дополнительной кулинарной обработкой, и налажен их выпуск на экструдере А1-КХП. Новую продукцию - экструдированный картофелепродукт - выпускают в виде палочек с маслом и солью, маслом и чесноком.
Потребление экструзионных продуктов типа зерновых завтраков непрерывно растёт. В соответствии с новыми потребностями рынка разрабатываются новые рецептуры продуктов с использованием различных вкусо-ароматических добавок, новые технологические приёмы и виды оборудования. Соответственно увеличивается рост капиталовложений в эту отрасль. Так, например, если рост капиталовложений в странах с устоявшимся рынком потребления таких продуктов (США, Великобритания, Франция) за период с 1985 по 1988 год вырос в среднем на 25%, то в странах с не устоявшимся рынком потребления (Италия), рост капиталовложений за этот период составил около 90% [78]. К 1990 году объём готовых к потреблению зерновых завтраков и лёгких закусок составил 19% от общего объёма продукции, производимой с помощью экструзионной технологии.
Эффективность производства продуктов, полученных непрямым экспандированием, достигается благодаря тому, что конечным продуктом реализации могут быть как пеллеты, так и продукты пористой макроструктуры. Длительный срок хранения (несколько лет), делает рентабельной перевозку пеллет на достаточно большие расстояния.
Отметим, что тенденции роста развития производства сухих завтраков и, соответственно, пеллет совпадают с тенденциями роста, характерными для продуктов пористой макроструктуры в целом. Выбор между производством экструзионных продуктов, получаемых как прямым, так и непрямым экспандированием, определяется только потребностями рынка, так как эти продукты являются доступными для массового покупателя, а их потребительские свойства (нежная, хрустящая текстура, приятный вкус и цвет) близки между собой.
Таким образом, анализ тенденций развития производства экструзионных продуктов пористой макроструктуры, а также рынка их сбыта показывает, что в ближайшем будущем продукты питания такого вида займут важное место в рационе питания человека. Поскольку перевозка на большие расстояния взрывных экструзионных продуктов, низкорентабельна, наибольшее развитие получит производство продуктов, полученных методом непрямого экспандирования. В этом случае, производство пеллет может быть организовано на крупном предприятии, в то время как сеть небольших предприятий будет осуществлять обжарку пеллет, нанесение на них вкусо-ароматических добавок и упаковку готовой продукции. Очевидно, что размещение таких небольших производств рациональнее всего проводить в местах массового потребления такого рода продуктов.
Экструзионный метод обработки позволяет решить проблемы создания новых видов полноценных пищевых закусочных продуктов на базе растительного сырья и животных белков, что актуально для успешного решения задачи обеспечения населения продовольствием.
Экструзионная технология открывает возможность создания новых продуктов питания лечебного, диетического и общего назначения. Влаготермомеханическая обработка сырья повышает усвояемость его компонентов организмом человека.
Сырье и методики определения параметров процесса экструзии
Экспериментальные исследования проводились на модернизированном пресс-экструдере, представленном на рисунке 2.1.
Установка имеет изготовленную специальную насадку на шнековую камеру макаронного пресса (рис 2.2). Насадка представляет собой форму удлиненной шнековой камеры состоящая из двух отсеков 1 и 2, которые скрепляются с помощью болтов.
Внутренние и наружные диаметры двухсекционной насадки к макаронному прессу совпадают с диаметрами его шнековой камеры. Для крепления корпуса насадки с корпусом шнековои камеры, начало корпуса насадки имеет форму головки матрицы макаронного пресса.
Для крепления прессующей головки к насадке была изготовлена резьбовая втулка ко второй секции насадки. Эта резьбовая втулка была аналогична устройству для крепления прессующей головки к корпусу шнековои камеры макаронного пресса. Головка крепится к насадке с помощью болтов.
Также был изготовлен шнек для модернизированной камеры экспериментальной установки, которая после модернизации пресса названа пресс-экструдером. Геометрические параметры насадки и шнека приведены в таблице 2.2.
При проведении экспериментальных исследований была использована следующая методика проведения опытов.
Пред началом эксперимента производился нагрев матрицы и корпуса разработанной шнековои камеры пресса-экструдера. Нагрев производился с помощью электронагревательной ленты, намотанной на корпус шнековои камеры.
Прежде чем засыпать смесь, состоящую из картофельного крахмала, картофельных хлопьев и растительной добавки унаби в загрузочное устройство экструдера, предварительно проводили тщательный замес смеси с добавлением теплой воды, что обеспечивало равномерность распределения крахмала, хлопьев и добавки.
При достижении температуры в матрице и корпусе близкой к рабочей, включали привод установки и обрабатывали смесь при определенном количестве фильер в матрице, заданных значениях влажности сырья, температуры, а также различных соотношениях в смеси крахмала, картофельных хлопьев и растительной добавки. После достижения устойчивого режима работы периодически производили отбор проб экструдата (рис. 2.3).
Сырье для проведения экспериментов
Для проведения экспериментов использовали следующее сырье: крахмал картофельный «Экстра», изготовитель «Kartoffelmelcenralenamba», Дания; картофель сушеный (хлопья) Mestari, Финляндия; унаби (растительная добавка), произведена в Кабардино-Балкарии, г. Нальчик.
Унаби предварительно очищали от косточек, сушили и дробили для получения порошкообразного состояния.
Определение влажности пеллет
Влажность пеллет определяли в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 14849-69. Берутся три навески заранее измельченного экструдата по 5 граммов каждая, насыпаются в бюксы, заранее известной массы, и помещаются в электрический сушильный шкаф СЭШ-ЗМ, на 40 минут при температуре 130С. После чего бюксы извлекают из сушильного шкафа, охлаждают и взвешивают. Потом опять эти же бюксы помещают в сушильный шкаф на 20 минут. Сушка продолжается до тех пор, пока разность веса бюксы с образцом по сравнению с предыдущим весом не будет соответствовать 0,01 единице. Исходная влажность определяется по формуле: , т -— ти Wu=- 100, (2-1) т0 где т0- масса исходной навески, равная 5 г; т - масса навески после сушки, г. Определение содержание жира в чипсах
Взвешивали определенное количество пеллет, после чего их жарили во фритюрнице в растительном масле. После жарки давали отстоятся чипсам для стекания масла и взвешивали полученные образцы. Жиро содержание определяли по формуле: т —т G = 100, (2-2) тч где тч - масса обжаренных пеллет (чипсов), г; тс - масса сухих веществ в пеллетах, г.
Математическое планирование и оптимизация процесса экструдирования
Основная идея планирования эксперимента заключается в том, чтобы добиться максимальной точности модели, выбирая условия проведения опытов. Применение методов планирования эксперимента предполагает возможность проведения опытов в заданных исследователем условиях. Такой способ проведения эксперимента называют иногда активным. В общем случае активный подход к эксперименту в сочетании с методами планирования позволяет получить требуемые результаты, затратив минимальные средства и время на проведение исследования [20].
В качестве основных параметров экструдирования пеллет принимаем температуру экструзии, соотношение картофельных хлопьев и Кх картофельного крахмала —, влажность смеси W % и отношение площади Кр поперечного сечения фильер f к площади поперечного сечения шнеко вой камеры F. Каждый из этих параметров по-своему влияют на процесс экструзии: от температуры зависит разрушение крахмальных зерен и вспучиваемость продукта; от влажности смеси зависит гелеобразование крахмала при низкой температуре; за счет отношения площадей можно выдерживать требуемое давление, следовательно, и температуру в шнековой камере.
Основная задача состоит в том, чтобы исследовать основные параметры экструдирования пеллет, влияющих на качество производства чипсов.
Для решения этих типичных задач планирования эксперимента система STATISTICA предоставляет эффективные методы их решения.
Исследования влияния параметров экструзии на качество продукта и обоснования выбора рецептуры смеси, в которую входит картофельный крахмал и картофельные хлопья, было выполнено по плану эксперимента, который позволяет варьировать одновременно все факторы и получать количественные оценки эффектов их взаимодействия.
На практике часто возникает такая ситуация, когда исследователь не знает истинного вида модели. В таком случае эксперимент обычно планируется, исходя из простейшего предположения о линейности модели [83].
Линейная модель определяется уравнением вида у(а,х) = а0 + 2]ofx( + Хадж, + г=1 ;=1 к=М » (3-D 1=1 А=/+1 1=к+\ где у(ії,х)-исследуемьій отклик; Й, - коэффициенты модели; Xj — факторы. После проведения опытов проверяется адекватность линейной модели. Если линейная модель неадекватна, делается попытка построить квадратичную модель, y(a,x) = a0+alxl+... + aaxn+amlxf+... 2 (3-2) а2пХп +а2п+\Х\Х2 --- + акХп-1Хп
Такое построение плана приводит к сокращению числа опытов. Планы для квадратичных моделей, построенные путем добавления точек к плану для линейной модели, относится к композиционным планам второго порядка.
Был составлен план полного факторного эксперимента ПФЭ-24 варьирования основных факторов, влияющих на процесс экструзии картофельного полуфабриката чипсов (пеллет). Околооптимальная область для каждого из факторов была установлена на основе анализа литературных данных и предварительных исследований процесса экструдирования, которые представлены в разделе 3.1. Условия проведения полного четырехфакторного эксперимента представлены в таблице 3.2.
В системе STATISTIC А имеется мощный модуль планирования экспериментов, позволяющий эффективно планировать и анализировать эксперименты, которым мы и воспользуемся для решения поставленной задачи. В построенной таблице 3.3 показан порядок сбора экспериментальных данных. В качестве критерия оптимизации был принят наиболее важный показатель качества экструдатов - коэффициент вспучивания (уЭКСтр)- Данные, полученные в результате эксперимента, занесены в таблицу 3.3.
Исследование эмиссионных и энергетических характеристик генераторов инфракрасного излучения
По вышеизложенной методике в работе проведены исследования оптических характеристик Тх и Rx пеллет влажных и сухих. Измерения проводили на подложке, поэтому получали показания суммарных значений Ті +2 и R/+2- С учетом уравнений (2-8) и (2-9) рассчитывали значения характеристики пеллет Тх и Лд, значения которых представлены в таблице 4.1.
На рис. 4.1 показана зависимость измеренных спектральных терморадиационных характеристик пеллет на спектрофотометре, снабженном приставкой, в диапазоне длин волн от 0,35 до 1,1 мкм при толщине продукта S = 1,3 мм.
Были определены интегральные терморадиационные характеристики пеллет R, Т и А методом усреднения по спектру падающего потока от излучателя при различной температуре нити накала Ти.
Расчет интегральных отражательной R и пропускательной Т способностей пеллет производились по уравнениям (4-1):
По уравнению (4-2) были рассчитаны интегральные терморадиационные характеристики пеллет при толщине слоя 1,3 мм и представлены в таблице 4.2.
Зависимости интегральной пропускательной способности пеллет от толщины слоя и температуры спирали излучателя, полученные экспериментальным методом описанной по методике в разделе 2.2.2, представлены на рисунке 4.2. Кривые, представленные на рисунке 4.2 аппроксимированы в виде эмпирических зависимостей, представленных в таблице 4.3. Погрешность аппроксимации составляет 3,5- -5,5%.
В качестве источников ИК излучения в промышленных установках используются раскаленные твердые тела, способные выдержать высокие температуры (2000...3000С). Тела накаливания изготовляются из керамики или тугоплавких металлов и сплавов. Температура тела определяет как общий уровень энергии потока излучения, так и распределение этой энергии по длинам волн (спектру).
Наилучшими характеристиками из промышленных электрических ИК излучателей обладают кварцевые галогенные лампы накаливания с вольфрамовой спиралью и колбой линейной формы, заполненной парами соединения галогена.
В настоящее время появляются более новые лампы с разной мощностью, характеристики которых отсутствуют в литературных источниках. Однако без знания эмиссионных и энергетических характеристик невозможен научно обоснованный выбор излучателей для конкретных процессов, связанных с ИК излучением.
Для различных типов кварцевых излучателей Ю.М. Плаксиным [65] были исследованы и получены эмиссионные и энергетические характеристики следующих ламп: КГ 220-1000, КГ 220-1300, КГ 220-1800 и КГ 220-2500.
Несомненный интерес представляет вопрос изготовления средне- и низкотемпературных излучателей более экономичных и дешевых по сравнению с существующими нагревателями.
Комплексное исследование эмиссионных и энергетических характеристик излучателей предполагает определение при различных напряжениях следующих величин: 1. истинной температуры Г спирали излучателя; 2. энергетической яркости Вэ; 3. излучательной способности ; 4. энергетической светимости R3; 5. мощности излучателя Р; 6. лучистого КПД цлуч.
В данной работе исследованы кварцевые галогенные лампы мощностью 150, 300, 500, 750 и 1000 Вт (см. рис. 4.3) .
Экспериментальная установка, на которой производилось исследование излучателей, представлена на рисунке 4.4.
Напряжение, подаваемое на излучатель, изменялось с помощью ЛАТРа, после чего производилось измерение температуры спирали и потребляемая мощность излучателя.
Для измерения температуры спирали излучателя нами были использованы пирометры ГШТ-11 (рис. 2.18) и Проминь (рис. 4.4) Оптическая схема прибора позволяла измерять температуру малых элементарных площадок вольфрамовой проволоки диаметром до 50 мкм.
С помощью системы Microsoft Office Excel были получены формулы зависимости температуры кварцевых излучателей от напряжения в виде степенной функции, которые представлены в таблицах 4.5 и 4.6.
При расчете полей энергетического облучения (ПЭО) на поверхности облучаемых материалов в терморадиационных установках необходимо наличие эмпирических зависимостей B3=f(T) и B3 f(U) ИК генераторов (рис. 4.7ирис. 4.8).
Одним из преимуществ применения инфракрасного нагрева в процессах сушки и других видов термообработки пищевых продуктов является повышение теплового КПД установки. Это обусловлено тем, что тепловая энергия передается в виде тепловой радиации непосредственно объекту нагрева. При этом нет потерь тепла, например, с нагретым воздухом, что имеет место, в частности, в конвективных сушилках. В связи с этим очень важной характеристикой ИК генераторов является его лучистый КПД, т.е. доля тепловой энергии, передаваемой в виде тепловой радиации. Эта характеристика входит в критерий количественной оценки эффективности при выборе рационального типа излучателя для конкретного процесса.
На рисунке 4.9 представлена зависимость лучистого к.п.д. от напряжения на излучателях и потребляемой мощности (рис. 4.10).
Из проведенных исследований можно выявить две общие независящие от конструктивного оформления, характеристики для класса кварцевых излучателей B3=f(T) и z=f(T) представленные на рисунках 4.7 и 5.11. Незначительные отклонения экспериментальных точек от общих кривых доказывает достоверность полученных выше эмиссионных и энергетических характеристик ИК генераторов.
