Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки и обжарки овса 14
1.1. Комплексная оценка овса как объекта исследования 14
1.1.1. Строение, свойства, химический состав, пищевая и биологическая ценность зерна овса 14
1.1.2. Производство продуктов из овса: опыт, проблемы, перспективы 20
1.1.3. Теплофизические характеристики зерна 23
1.2. Краткий обзор техники и технологии сушки и обжарки овса 26
1.3. Анализ закономерностей процесса сушки и обжарки овса 38
1.3.1. Кинетика и гидродинамика процесса сушки и обжарки овса 38
1.3.2. Обоснование использования перегретого пара и псевдоожиженного слоя для сушки и обжарки овса 42
1.3.3. Теоретические предпосылки моделирования процесса сушки и обжарки зерна 48
1.4. Анализ литературного обзора и задачи исследования 58
Глава 2. Исследование овса как объекта сушки и обжарки 61
2.1. Исследование форм связи влаги в зерне овса методом дифференциально-термического анализа 61
2.2. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 68
2.3. Исследование гидродинамики процесса сушки и обжарки овса 75
2.4. Кинетика процесса сушки и обжарки овса воздухом и перегретым паром атмосферного давления 83
Глава 3. Математическое моделирование процесса обжарки овса перегретым паром 92
3.1. Математическая модель процесса обжарки овса 92
3.2. Алгоритм определения температурных полей и полей влагосодержания в процессе обжарки овса перегретым паром 100
Глава 4. Комплексная оценка качества обжаренного овса 104
4.1. Разработка способа сушки и обжарки овса 104
4.2. Исследование органолептических и физико-химических показателей качества овса 108
4.3. Исследование ферментативной активности 113
4.4. Исследование пищевой и биологической ценности зерна овса... 116
Глава 5. Разработка конструкций сушилки и обжарочных аппаратов 119
5.1. Методика расчета обжарочного аппарата для овса 119
5.2. Разработка конструкции аппаратов для сушки и обжарки
овса перегретым паром 123
5.3. Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования обжарочного аппарата для овса с использованием перегретого пара.. 152
Основные выводы и результаты 160
Библиографический список
- Производство продуктов из овса: опыт, проблемы, перспективы
- Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов
- Алгоритм определения температурных полей и полей влагосодержания в процессе обжарки овса перегретым паром
- Исследование ферментативной активности
Введение к работе
Питание - один из важнейших факторов связи человека с внешней средой, большую роль в его организации играют биологически полноценные продукты. Уровень и качество питания основных групп населения в нашей стране в последние десять лет резко снизились. Общая питательность среднесуточного рациона людей уменьшилась в 1,5 раза, достигнув 2000...2300 килокалорий. Объем производства сбалансированных по составу продуктов для диетического, детского и геродиетического питания не удовлетворяет возросшего спроса на них. Известно [116], что три четверти населения в большинстве европейских стран, в том числе и в России, страдают заболеваниями, возникновение и развитие которых связаны с неправильным питанием. Болезнями цивилизации считаются избыточная масса тела, высокое кровяное давление, атеросклероз, сахарный диабет, подагра, болезни печени, почек и кишечника. Пищевой рацион человека постоянно должен включать более 600 нутриентов. Примерно 95% из них обладают лечебно-профилактическими свойствами. От их содержания и соотношения зависят диетические свойства продукта. При разработке и создании продуктов функционального питания детского, диетического и геродиетического назначения необходимо знать химический состав сырья, пищевую ценность, специальные приемы технологической обработки.
В тоже время выпуск таких продуктов на промышленной основе позволяет применять современную щадящую технологию переработки сырья обеспечивающую сохранение пищевой и биологической ценности продукта.
Анализ научных и промышленных разработок в области диетического и детского питания, представляемых уже несколько лет на европейском саммите «Food ingredients», свидетельствует, что в настоящее время в мире активное развитие получили четыре группы продуктов - продукты на зерновой, молочной, жировой основе и безалкогольные напитки [83].
Для производства ряда диетических продуктов на зерновой основе применяют процесс обжарки, позволяющий своевременно ускорить или остановить процессы протекающие внутри зерна (активация или инактивация различных ферментов и т.д.). В результате такой обработки получается диетический продукт, обладающий высокими энергетическими и питательными свойствами за счет увеличения содержания легкоусвояемых декстринов и уменьшения содержания моносахаров [7, 8, 9, 12, 13, 31,45, 94,128].
Российская Федерация является крупнейшим производителем зерна. Наме
тившаяся в последние годы положительная динамика по сбору урожая зерновых
позволяет ежегодно увеличивать объемы поставок зерна отечественному произ
водителю, а также наращивать его экспорт. Если в 1998 г. валовой сбор зерна со
ставил 47,9 млн. тонн, то уже в 2004 г. - более 70 млн. тонн. По данным админи
страции Воронежской области, в 2006 г в области было собрано зерновых и зер
нобобовых культур более 2 млн. тонн. Наибольший удельный вес в структуре зер
новых занимает ведущая культура - пшеница, на долю которой приходится более
980 тыс. тонн. Сбор овса составляет - 41700 тонн, что говорит о его значимости в
сельском хозяйстве. і
В результате формирования цивилизованных рыночных отношений в зерновой отрасли возникла острая потребность в своевременном получении заинтересованными участниками хозяйственной деятельности полноценной информации о качестве и технологических свойствах конкретных партий зерна в целом и овса в частности, о возможностях его переработки в высококачественные и конкурентоспособные продукты питания с наименьшими экономическими затратами и издержками на их производство. Это в значительной степени отразилось на необходимости модернизации и перевооружении предприятий по производству, хранению и переработке овса, совершенствовании рыночной инфраструктуры и маркетингового обеспечения. Применение современных технологий, машин и зерноперерабатывающего оборудования, внедрение на практике оперативного мониторинга показателей качества зер-
новых культур, создания эффективной системы информационного обеспечения, анализа состояния производства и управления качеством - вот тот далеко не полный круг задач, который в настоящее время стоят перед специалистами отрасли [1,24, 33, 38, 41, 63,96].
От количества и качества овса зависит обеспеченность сырьем многих отраслей пищевой промышленности, в частности мукомольной, крупяной и комбикормовой. В этой связи элеваторное хозяйство должно в короткие сроки осуществлять прием и поточную послеуборочную обработку зерна и обеспечивать его полную сохранность. Важнейшее звено поточных комплексно-механизированных линий приема и послеуборочной обработки овса - это сушка, так как большая часть заготовляемого зерна поступает, как правило, с повышенной влажностью и его сохранность зависит от работы зерносушильных установок.
Процессы гидротермической обработки: увлажнения, пропаривания, сушки и обжарки на зерноперерабатывающих предприятиях характеризуются значительной энергоемкостью. В большинстве случаев их нельзя признать оптимальными с энергетической точки зрения, достаточно научно обоснованными и максимально соответствующими кинетическим, гидродинамическим и термодинамическим закономерностям процессов. Велика доля физически и морально устаревшей малопроизводительной сушильной и обжарочной техники, что приводит не только к перерасходу топливно-энергетических ресурсов, но и отражается на качестве выпускаемой продукции.
Одним из главных путей повышения эффективности использования тепла является совершенствование технологии, так как на осуществление технологических тепловых процессов расходуется примерно 55 % теплоты. Совершенствование технологии непосредственно связано с увеличением производительности оборудования, что, в свою очередь, приводит к интенсификации теплообмена и снижению удельных расходов тепла [2,17, 20, 73, 75, 137].
Значительные возможности экономии ресурсов создаются при автоматизации технологических гидротермических процессов. Однако этот перспективный
путь оптимизации управления процессами сушки и обжарки в перерабатывающих отраслях АПК еще не нашел достойного места в решении актуальных задач энергосбережения.
Недостаточно высокая организация послеуборочной обработки зерна приводит к потерям урожая до 2...3 %. Это в свою очередь отражается на заготовке овса высокого качества, пригодного для получения продуктов питания [6, 24, 30, 103].
Пищевая ценность зерна и продуктов его переработки определяется химическим составом, усвояемостью веществ, образующих их, и колеблется в зависимости от многих факторов. Зерновые культуры, относящиеся к разным семействам, отличаются не только соотношением питательных веществ, но и их составом и свойствами.
Пищевая ценность продуктов питания полученных из овса очень высока. В среднем овес содержит (в % на сухое вещество) белковых веществ до 12,5, жиров до 6, углеводов до 66,5, золы до 4,0, клетчатки до 12,2. Белки овса содержат все незаменимые аминокислоты. Овсяные хлопья и толокно содержат витамины комплекса В, необходимые организму человека соли - соли железа, калия, фосфора, кальция и т.д. [30,95,99,111,112,126].
Из овса можно получить различные виды бакалейных изделий - прежде всего, дробленую и недробленую овсяную крупу, овсяные хлопья (геркулес), муку, толокно и проч. В последнее время особенно активизировался рынок овсяных хлопьев быстрого приготовления, а также мюслей - смеси хлопьев с сухофруктами [31, 50].
Общий выпуск овсяной крупы в 2004 г., по данным Госкомстата РФ, составил порядка 36 тыс. т. Наибольший объем выпуска при этом приходится на такие предприятий, как ОАО «Алейскзернопродукт» (Алтайский край), ОАО «Челябинский комбинат хлебопродуктов №1» (Челябинская область), ОАО «Верещагинский комбинат хлебопродуктов» (Пермская область), ЗАО
«СИБКОРН» (Омская область), ООО «Арчединский» (Волгоградская область), ГУП «Юргинский комбинат хлебопродуктов» (Кемеровская область).
Объем производства геркулеса за аналогичный период превысил объем выпуска овсяной крупы чуть менее чем в два раза, очевидно, в силу большей популярности у потребителей, и составил порядка 62,7 тыс. т.
В последнее время на рынке России отдается предпочтение продуктам питания быстрого приготовления, которые не всегда сбалансированы по аминокислотам и качественным показателям. Одним из наиболее соответствующих современной научной концепции рационального и здорового питания пищевым продуктом являются производимые из овса зерновые хлопья. Они получили большое признание у населения. Пищевая ценность овсяных хлопьев «Геркулес» (ГОСТ 21149-93) содержащаяся в 100 г. продукта: белки - 11 г., жиры - 6,2 г., углеводы - 51 г., калорийность - 305 ккал. Наличие в овсяных хлопьях водорастворимых слизеобразующих полисахаридов дает лечебный эффект и оказывает щадящее воздействие при желудочно-кишечных заболеваниях. Содержание в хлопьях овсяных очень важного в пищевом и диетическом отношении лицина благоприятно влияет на деятельность нервной системы, печени, препятствует развитию атеросклероза.
Овсяные хлопья иностранного производства, готовые к употреблению, в среднем на 10 % дешевле отечественных. Продукция российских предприятий менее привлекательна по вкусовым качествам, оформлению упаковки и пользуется небольшим спросом. Это следствие более высокой себестоимости производства, несовершенства технологии, отсутствия прогрессивных методов воздействия на сырье.
Актуальность работы. Обладая высокой пищевой ценностью, обжаренный овес является сырьем для получения диетического, детского и геродиети-ческого питания - толокна, круп быстрого приготовления, хлопьев, а также входит в состав многих видов вторых обеденных блюд, хлеба, кондитерских изделий, вареных колбас и других видов продуктов.
Потребительские свойства овса (его аромат и специфический вкус) формируются в процессе гидротермической обработки: замачивания, пропарива-ния, сушки и обжарки [43, 45, 47,49, 118]. Новые физические, вкусовые и ароматические свойства овса, образующиеся при обжарке, обусловлены существенными изменениями состава веществ, происходящими в результате биохимических реакций. При производстве обжаренного овса очень важно соблюдать параметры, которые способствуют прохождению биохимических процессов, направленных на создание продукта с высокими пищевыми достоинствами, сильным ароматом и приятным вкусом.
Однако традиционная сушка овса воздухом сопряжена со значительными энергозатратами и невысоким качеством готового продукта [46, 98].
Необходима разработка новых сушильных и обжарочных установок с активными гидродинамическими режимами [3, 4, 9, 16, 22, 27, 33, 40, 44, 48, 55, 65, 72, 96, 134]. Создание таких высокоэффективных установок, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов, позволит изготовить поточно-механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходную переработку овса и улучшение его качества.
Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, Г.А. Егорова, В.Н. Гуляева, В.Е. Куцаковой, Б.И. Ле-ончика, И.Т. Кретова, Ю.А. Михайлова и др. [16,17, 18, 19,43, 44,45, 46, 54, 56, 57,58,59,60,61,91].
Из зарубежных исследователей, работающих в этом направлении, следует отметить О. Кришера, Т. Хиодо, Р. Тоеи, Т. Масазуку, Т. Сигеру и др. [127,130,133, 146].
Развитие теории, техники и технологии тепломассообменных процессов подготовило условия для научного подхода к разработке новых способов сушки и обжарки овса и рациональных конструкций обжарочных аппаратов,
обеспечивающих наименьшие потери теплоты и электроэнергии.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры технологии хранения и переработки зерна Воронежской государственной технологической академии по теме «Интенсификация технологических процессов зерно-перерабатывающих предприятий» (№ гос. регистрации 01.200.1 16821).
Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса обжарки зерна овса при активных гидродинамических режимах; повышение эффективности процесса за счет разработки нового способа обжарки и высокоэффективных обжарочных аппаратов, обеспечивающих экономию теплоэнергетических ресурсов при требуемом качестве готовой продукции.
Научная новизна. Обоснована целесообразность использования активных гидродинамических режимов для сушки и обжарки овса.
Определены гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя овса, позволяющие обеспечить заданные технологические режимы.
Установлены кинетические закономерности процесса сушки !и обжарки овса при активных гидродинамических режимах.
Выявлены температурные зоны, соответствующие испарению влаги с различной энергией связи и термическому разложению белково-углеводного комплекса.
Разработана математическая модель процесса обжарки овса в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая процессы тепло- и массопереноса.
Практическая ценность. Предложен способ производства толокна, включающий двустадийную тепловую обработку: на первой - сушка воздухом температурой 75...80 С до влажности 12...14 %, на второй - обжарка перегретым паром температурой 120...130 С до влажности 4...5 %, а также оригинальные конструкции сушилок и обжарочных аппаратов для его реализации.
Установлено, что высушенный воздухом и обжаренный перегретым па-
ром овес обладает хорошими потребительскими свойствами, имеет высокую пищевую ценность и легко усваивается организмом человека.
Разработан инженерный метод расчета обжарочных аппаратов для овса и программное обеспечение процесса сушки и обжарки овса при активных гидродинамических режимах.
Новизна технических решений защищена тремя патентами РФ (№№ 2256134; 2267938; 2292725).
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 2004 по 2007 г.г.); V международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2006 г).
Результаты работы демонстрировались на межрегиональной выставке "Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности", посвященной 75-летию Воронежской государственной технологической академии и отмечены дипломом выставки за проект "Разработка высокоэффективного оборудования для тепловой обработки и активного вентилирования зернопро-дуктов".
Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса сушки и обжарки овса при активных гидродинамических режимах, проведенных непосредственно автором под научным руководством д. т. н., профессора А.А. Шевцова.
Производство продуктов из овса: опыт, проблемы, перспективы
Ассортимент продуктов, производимых из овса, очень широк: крупа, хлопья, толокно, кисели, заменители кофе и др.
По данным Российского института конъюнктуры аграрного рынка, в последние годы овсянка и «Геркулес» неизменно являются лидерами роста цен на крупяном рынке. А Россия по праву считается одним из крупнейших производителей и потребителей овса с годовым объемом производства порядка 5-6 млн. тонн. Пищевое использование этой культуры в нашей стране за последние три года увеличилось на 10 %, достигнув уровня 350 тыс. тонн или 2,4 кг на душу населения. Причина этого - в уникальных свойствах овся-ных продуктов, их широком использовании в диетическом и детском питании, а также в модном современном увлечении оздоровительным питанием.
Овсяная крупа (цельный, недробленый овес) чаще всего используется для приготовления супов, реже - каш. Так как она довольно долго варится (от 40 минут), ее обычно запаривают на ночь или заливают кипятком перед варкой. Именно поэтому в наш век fast food цельный овес - редкость на прилавках. Дробленая крупа готовится так же, как рис, - около 20 минут, а некоторые диетологи даже советуют смешивать овсянку с рисом и варить вместе.
С появлением овсяных хлопьев, расплющенных, очищенных от оболочки и пропаренных, время приготовления любимой британцами каши сократилось в несколько раз. В хлопьях сохраняется большая часть всех витаминов и микроэлементов. По ГОСТу в зависимости от способа обработки сырья овсяные хлопья подразделяют на три вида: "Геркулес", лепестковые и "Экстра". Первые два вида вырабатывают из овсяной крупы высшего сорта. Хлопья "Геркулес" - это наиболее крупные, отборные хлопья, в которых после специальной обработки максимально сохранены все полезные свойства продукта, а вкус и усвояемость организмом улучшены. Развариваемость "Геркулеса" - 20 минут, лепестковых хлопьев -10 минут.
Для выработки овсяных хлопьев "Экстра" используют овес 1-го класса (ГОСТ 28673). Пищевая промышленность производит овсяные хлопья "Экстра" трех номеров (в зависимости от времени варки): №1 - из целой овсяной крупы (время варки - 15 мин.); №2 - мелкие из резаной крупы (10 мин.); №3 -быстроразвариваюшиеся из резаной крупы (5 мин.).
Таким образом, хлопья "Геркулес" соответствуют своему названию -богатыри среди овсяных хлопьев, наиболее калорийные, а "Экстра №3" - самого мелкого помола, нежные, мягкие и клейкие, используются в детском и диетическом питании.
В магазинах можно найти овсяные хлопья и каши быстрого приготовления как отечественного, так и импортного производства. Представлены крупнейшие мировые фирмы - традиционные производители этого товара: транснациональные компании Quaker, Luckstock (торговая марка "Бишоп"), финские Nordic и Myllyn Paras, немецкая Bruggen, российские фирмы "Быстрое", "Ангстрем Трейдинг" (торговая марка "Русский завтрак"), "Петербургский мельничный комбинат" и нижегородская компания "Система плюс" (торговые марки "Быстрая линия" и "Веселые жнецы").
Отечественный производитель старается не отставать от крупных зарубежных фирм, расширяя ассортимент своей продукции: в продаже появились хлопья быстрого приготовления с сухофруктами ОАО "Новобелицкий комбинат хлебопродуктов", традиционная овсяная крупа, недробленая или мелкодробленая - только отечественного производителя (г. Сморгонь).
Овсяные крупы, в том числе и хлопья, нельзя хранить длительное время (свыше 4 месяцев), так как содержащийся в них жир может быстро прогоркнуть [12,13, 142, 147].
Качественные овсяные хлопья производятся ЗАО "Алейскзернопро-дукт" им. С.Н. Старовойтова из лучшего Алтайского зерна по уникальной технологии - методом высокотемпературной микронизации, в процессе которого зерно подвергается интенсивному кратковременному нагреванию и мгновенно прожаривается изнутри.
Микронизация повышает питательную ценность зерна, делая его легкоусвояемым. При этом значительно улучшается вкус продукта, а хлопья приобретают восхитительно аппетитный аромат. Регулярное употребление овсяных микронизированных хлопьев в пищу оказывает общеукрепляющее, общетонизирующее действия, снижает вероятность образования тромбов, нормализует обмен веществ, очищает организм от токсинов и солей тяжелых металлов. Микронизированные овсяные хлопья незаменимы для тех, кто намерен питаться полноценно, вкусно и при этом экономить свое время.
Овсяные хлопья получают из овсяной крупы высшего сорта путем про-паривания, расплющивания на гладких вальцах и высушивания. Крупы и мука из овсяных зерен при правильной кулинарной обработке образуют слизистый отвар, который в смеси с молоком является незаменимым средством лечения острых и хронических заболеваний желудка, кишечника, а также отравлений тяжелыми металлами. Хлопья достигают состояния кулинарной готовности в несколько раз быстрее, чем крупа, имеют более высокие вкусовые достоинства. Также "Геркулес" отличается от других круп низким содержанием крахмала - 63-65 %, но они богаты белковыми веществами - 14-15 %. Кроме того, содержание именно полноценных белков выше. Но с другой стороны в "геркулесовых хлопьях" много липидов.
Незаслуженно забыт сегодня такой традиционно российский продукт, как толокно, представляющий собой овсяную муку, выработанную из зерна, подвергнутого специальной интенсивной гидротермической обработке. Такая обработка приводит к гидролизу части крахмала с образованием водорастворимых веществ - декстринов, что повышает усвояемость углеводов, а следовательно, и пищевую ценность продукта.
Овсяные хлопья иностранного производства, готовые к употреблению, в среднем на 10 % дешевле отечественных. Продукция российских предприятий менее привлекательна по вкусовым качествам, оформлению упаковки и пользуется небольшим спросом. Это следствие более высокой себестоимости производства, несовершенства технологии, отсутствия прогрессивных мето дов воздействия на сырье. Таким образом, необходима разработка новых сушильных и обжарочных установок с активными гидродинамическими режимами. Создание таких высокоэффективных установок, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов, позволит изготовить поточно-механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходную переработку овса и улучшение его качества.
Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов
При проектировании и изготовлении установки предполагались широкий диапазон изменения технологических параметров процесса, возможность осуществления различных гидродинамических режимов слоя исследуемого продукта, а также максимальное приближение к условиям сушки и обжарки овса в промышленных аппаратах.
Установка включает в себя: рабочую камеру 8 с газораспределительной решеткой, ротационные дозаторы 3 и 7 секторного типа для загрузки и выгрузки продукта, привод 1 ротационных дозаторов, парогенератор 2, две форсунки 4 шнекового типа, вытяжной диффузор 5, парораспределитель 9, шкаф управления установкой 10, трубчатые электронагреватели (ТЭНы) 11, переходник 12 и вентилятор 13 с циркуляционным трубопроводом 6, а также соединительную арматуру коммуникаций.
В шкафе управления 10 смонтированы автоматизированные системы регулирования температуры теплоносителя, средства измерения и регулирования режимных параметров для контроля и управления процессом сушки и обжарки овса.
Установка изготовлена из нержавеющей стали и теплоизолирована с наружной стороны. Рабочая камера 8 имеет форму параллелепипеда с размерами 400x160x600 мм, в ее нижней части располагается газораспределительная решетка. Газораспределительная решетка выполнена из нержавеющей проволоки, закреплена на каркасе, установленном в корпусе, и имеет живое сечение 57,7 %. С внешней стороны камера снабжена дверью с окном для контроля за проводимым процессом влаготепловой обработки и поведением слоя продукта, установки и съема газораспределительной решетки, а также для обслуживания установки.
К верхней части рабочей камеры прикреплен вытяжной диффузор 5 с сеткой, препятствующей попаданию частиц обрабатываемого продукта в циркуляционный трубопровод 6. Сверху, в начале рабочей камеры, и снизу, в ее конце, установлены ротационные дозаторы 3 и 7 секторного типа. Внутри цилиндрических корпусов дозаторов расположены валы с приваренными пластинами, корпусы дозаторов снабжены узлами крепления к рабочей камере. Загрузочный дозатор имеет бункер для исходного продукта, выгрузочный дозатор снабжен распределительным лотком. Регулируемый привод дозаторов обеспечивает непрерывную и регулируемую бесступенчатую подачу исходного продукта в рабочую камеру и отвод из нее обработанного продукта.
Внутри камеры 8 между газораспределительной решеткой и дозатором выгрузки расположена вертикальная съемная перегородка, препятствующая попаданию необработанного продукта на выгрузку. В задних стенках рабочей камеры и парораспределителя установлены штуцера для ввода хромель-капелевых термопар (ТХК), а также для соединения пространств над и под газораспределительной решеткой с [/-образными манометрами. В циркуляционном трубопроводе 6 имеется патрубок с вентилем для удаления избытка пара.
Внутри парораспределителя 9 и переходника 12 установлены трубчатые электронагреватели (ТЭНы) типа «С», обеспечивающие прогрев установки и нагрев теплоносителя до заданной температуры. В парораспределителе установлено девять трубчатых электронагревателей мощностью по 0,5 кВт, а в переходнике - семь трубчатых электронагревателей мощностью по 0,32 кВт. Электрические контакты ТЭНов снаружи установки закрыты кожухами. Рабочая камера нижней частью крепится к парораспределителю 9, который соединен при помощи фланцев через переходник 12 с вентилятором 13. На всасывающей стороне вентилятора установлен диффузор, соединенный при помощи фланцев с циркуляционным трубопроводом 6. В циркуляционном трубопроводе 6 имеется шиберная заслонка. Диффузор снабжен патрубком, через который подается пар из парогенератора 2. В нижней части вентилятора установлен вентиль для удаления конденсата, образующегося в паропроводах и установке.
Диаметр циркуляционного трубопровода 6 равен 150 мм и принят кон 72 структивно для обеспечения необходимого напора вентилятора и наименьшего влияния трубки Пито на поле скоростей потока теплоносителя при из у мерении динамического напора [3, 18]: (d / D) 0,001, где D - диаметр паропровода, D = 0,15 м; d - диаметр наконечника трубки Пито, d = 0,0025 м [11,37].
Компьютерная система контроля над процессом сушки и обжарки предназначена для автоматического измерения, регистрации температуры в рабочей камере установки, а также управления нагревательным элементом в зависимости от установленной температуры подаваемого теплоносителя.
Автоматизированная система управления температурой теплоносителя включает программно-аппаратный модуль (измеритель) с программой регистрации значений температуры, хромель-копелевые термопары (диаметр электродов 0,1 мм) и систему световой индикации работы ТЭНов. Требуемая температура теплоносителя на входе в рабочую камеру поддерживалась ра-ботой ТЭНов с помощью системы автоматического регулирования температуры. С помощью датчиков - термопар ТХК, введенных в штуцера снизу газораспределительной решетки, снимается электрический сигнал, пропорциональный температуре теплоносителя на входе в слой продукта.
К блоку измерения подключаются термопары, кабель управления силовым блоком, а также кабель соединения с ПЭВМ. Измеритель имеет встроенный блок питания и подключается к сети 220 В. На его корпусе расположены кнопка включения и светодиод, индицирующий корректность работы измерителя. Силовой блок располагается в цепи питания нагревательного элемента от сети 220 В.
Алгоритм определения температурных полей и полей влагосодержания в процессе обжарки овса перегретым паром
Из ёмкости для сбора конденсата 5 конденсат по линии 1.8 поступает в парогенератор 6 и насосом 14 в форсунки обжарочного аппарата 4 для увлажнения. Полученный в парогенераторе 6 пар перегревается до температу ры 130...140 С в пароперегревателе 7 и подается по линии 2.3 вентилятором 15 в обжарочный аппарат 4.
Томленый овес из томильного аппарата 2 поступает в сушилку 3, где сушится воздухом температурой 75...80 С до влажности 14...12 %. Воздух, подаваемый по линии 3.4 в сушилку 3, нагревается в паровом калорифере 13 отработанным паром температурой 120...130 С поступающим по линии 2.1. Отработанный рециркуляционный воздух после сушилки по линии 3.3 направляют на осушение в испарители 8 и 9 теплонасосной установки. Подпитка воздухом осуществляется через линию 3.1. Конденсат из испарителей 8 и 9 отводится через линию 1.8. Осушенный воздух после испарителей 8 и 9 подают сначала на конденсатор 10, а затем по линии 3.2 вентилятором 12 в паровой калорифер 13, где нагревается до температуры 75...80 С.
Высушенный продукт по линии 0.2.1 подается в обжарочный аппарат 4, где перегретым паром температурой 130... 140 С обжаривается до влажности 4...5%. Температура продукта в обжарочном аппарате не должна превышать 70...75 С. Обжаренный продукт по линии 0.2.2 поступает на зерновой постав. Дальнейшая обработка овса при производстве толокна ведется по костромскому способу. Приведем конкретный пример по реализации способа производства толокна.
Поступающий на переработку овес 1-го типа П-го подтипа, произрастающий в Воронежской области, содержащий 7 % зерен другого типа подается на очистку. Подготовленное сырье (зерна овса), вымытое и очищенное, подают в замочный чан 1 по линии 0.2, где обеспечивают его равномерное распределение по объёму аппарата и подачу воды. За счет подвода отработанного пара температурой 110 С по линии 2.1 в паровую рубашку замочного чана 1 продукт нагревается до температуры 35 С и выстаивает 2 часа.
По линии 0.2 набухший овес поступает в томильный аппарат 2, представляющий собой вертикальный котел с крышкой, мешалкой и паровой ру башкой, в которую по линии 2.1 подается отработанный пар температурой ПО С. Давление пара в рубашке аппарата составляет 0,15 МПа. Томление овса в аппарате 2 продолжается 2 часа до достижения влажности 28 %. Конденсат из паровых рубашек замочного чана 1 и томильного аппарата 2 отводится по линии 1.8 в ёмкость для сбора конденсата 5. Продукты терморазложения - канцерогены непрерывно выводят с неконденсированными газами по линии 5.1.
Из ёмкости для сбора конденсата 5 конденсат по линии 1.8 поступает в парогенератор 6 и насосом 14 в форсунки обжарочного аппарата 4 для промежуточного увлажнения. Полученный в парогенераторе 6 пар перегревается до температуры 130 С в пароперегревателе 7 и подается по линии 2.3 вентилятором 15 в об-жарочный аппарат 4.
Томленый овес из томильного аппарата 2 поступает в сушилку 3, где сушится воздухом температурой 80 С до влажности 14 %. Воздух, подаваемый по линии 3.4 в сушилку 3, нагревается в паровом калорифере 13 отработанным паром температурой 120 С поступающим по линии 2.1. Отработанный рециркуляционный воздух после сушилки по линии 3.3 направляют на осушение в испарители 8 и 9 теплонасосной установки. Подпитка воздухом осуществляется через линию 3.1. Конденсат из испарителей 8 и 9 отводится через линию 1.8. Осушенный воздух с пониженным влагосодержанием 0,025 кг/кг после испарителей 8 и 9 подают сначала на конденсатор 10, а затем по линии 3.2 вентилятором 12 в паровой калорифер 13, где нагревается до температуры 80 С.
Высушенный продукт по линии 0.2.1 подается в обжарочный аппарат 4, где перегретым паром температурой 130 С обжаривается до влажности 5 %. Температура продукта в обжарочном аппарате не превышает 75 С.
Обжаренный продукт поступает на зерновой постав, далее на центрифугальную щеточную машину, лузговейку, крупоотделительную машину. Обжаренный и очищенный овес измельчают на вальцовом станке и жерновом поставе, просеивают на рассеве и отправляют в расфасовочный автомат.
Предлагаемый способ и линия для его осуществления имеют следующие преимущества: - получение продукта более высокого качества за счет непрерывного вывода несконденсированных газов, содержащих канцерогенные углеводороды, из контура рециркуляции; - возможность улучшения качества получаемого продукта за счет снижения угара и придания аромата вследствие активизации одорирующих веществ, применения более мягких, «щадящих» режимов сушки и равномерной обжарки; - увеличение срока хранения готового продукта за счет уменьшения окисления жиров в процессе термообработки; - более высокую производительность за счет интенсивного протекания процесса вследствие использования активных гидродинамических режимов, - повышение энергетической эффективности за счет утилизации и рекуперации теплоты отработанного перегретого пара при обжарке, рационального использования теплоты воздуха при конвективной сушке, использования отработанного перегретого пара, как источников вторичных энергоресурсов для нагрева воды в замочном чане и томильном аппарате; - разработана экологически чистая, ресурсосберегающая технология производства овсяного толокна.
Исследование ферментативной активности
На рис. 5.1 представлено объемное изображение сушилки; на рис. 5.2 - общий вид сушилки; на рис. 5.3 - поперечное сечение А-А сушилки; на рис. 5.4 -объемное изображение реечного механизма перемещения четных роликов; на рис. 5.5 - объемное изображение защитного кожуха четных роликов [80].
Сушилка (рис. 5.1, 5.2 и 5.3) включает корпус 1, бункер загрузки 2 с ротационным питателем 3, имеющим регулируемый привод (не указан), патрубок 4 с конфузором для подвода теплоносителя, патрубок 5 для отвода отработанного теплоносителя, выгрузочный бункер 6 для выгрузки высушенного продукта из сушилки, перфорированную ленту 8, привод 9, нечетные 10 и четные 11 ролики, реечный механизм 12 для перемещения четных роликов 11 в горизонтальной плоскости.
Четные ролики 11 снабжены защитными кожухами 21, которые необходимы для того, чтобы частицы высушиваемого продукта, находящиеся на ленте 8, не вступали в контакт с четными роликами 11 (рис. 5.5). Кожух 21 состоит из верхней крышки с эластичными прокладками 22 на концах в местах ее контакта с перфорированной лентой 8. Это необходимо для обеспечения плотности прилегания нижней части кожуха 21 к поверхности ленты 8 при регулировании угла обхвата четных роликов 11 лентой 8 при ее перемещении в горизонтальной плоскости.
Внутри корпуса 1 сушилки установлена гибкая перфорированная лента 8, которая приводится в движение приводом 9. На рабочей верхней ветви ленты 8 установлены с определенным шагом ролики 10 и 11. Нечетные ролики 10 установлены под лентой 8, а четные ролики 11 - над лентой 8, причем четные ролики имеют возможность перемещаться в горизонтальной плоскости с помощью реечного механизма 12.
Четные ролики 11 установлены с определенным шагом на направляющей 7, на нижней центральной части которой изготовлена зубчатая рейка 13. Она входит в зацепление с зубчатым колесом 14, которое приводится во вращение приводом
Таким образом, направляющая 7 перемещается с четными роликами 11 в горизонтальной плоскости по салазкам 15, которые жестко крепятся к опорной станине Привод 18, приводящий во вращение зубчатое колесо 14, также жестко крепится к опорной станине 19.
Опорная станина 19 имеет четыре регулируемые по высоте опоры 20. Опоры 20 обеспечивают заданное положение опорной станины по высоте, регулируя величину амплитуды «бегущей волны» ленты 8.
Лента 8 огибает натяжной барабан 16 и приводной барабан 17, который в свою очередь соединен с приводом 9. Натяжной барабан 16 также имеет возможность перемещения в горизонтальной плоскости для компенсации изменения длины ленты 8 при перемещении четных роликов 11 в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Рабочая верхняя ветвь ленты 8, контактируя с роликами 10 и 11, образует своеобразную «бегущую волну», которая имеет переменные по длине шаг и амплитуду. Именно на этом участке ленты 8 осуществляется процесс сушки поступающего в сушилку влажного продукта.
Реечный механизм 12 для перемещения четных роликов 11 в горизонтальной плоскости (рис. 5.4) состоит из направляющей 7, на нижней центральной части которой изготовлена зубчатая рейка 13, зубчатого колеса 14, салазок 15. На направляющей 7 с определенным шагом установлены оси 23, на которых вращаются ролики 11. Опорная станина 19 с реечным механизмом 12 для перемещения четных роликов 11 в горизонтальной плоскости установлена по обе стороны сушилки (рис. 5.3). Сушилка работает следующим образом.
Регулируя по высоте опоры 20, устанавливают заданный угол наклона опорной станины 19. При этом устанавливается такое вертикальное положение опорной станины 19, которое обеспечивает заданное значение величины амплитуды «бегущей волны» ленты 8. В свою очередь величина амплитуды «бегущей волны» ленты 8 однозначно определяется углом естественного откоса высушиваемого материала (на рис. 5.2 тонкими линиями показано регулируемое положение опорной станины 19).
Затем включается привод 18, который приводит во вращение зубчатое колесо 14. Колесо 14, контактируя с рейкой 13, синхронно перемещает по салазкам 15 в горизонтальной плоскости направляющую 7 с четными роликами 11 с обеих сторон корпуса сушилки. Одновременно натяжной барабан 16 перемещается в горизонтальной плоскости для компенсации изменения длины ленты 8 при перемещении четных роликов 11. При этом регулируется и устанавливается профиль верхней рабочей ветви ленты 8. Рабочая верхняя ветвь ленты 8, контактируя с роликами 10 и 11, образует своеобразную «бегущую волну», которая имеет переменные по длине шаг и амплитуду. После этого привод 18 выключается.
Величина вертикального перемещения четных роликов 11 влияет на параметры (шаг и амплитуду) образования переменной по длине «бегущей волны». При этом величина шага и амплитуды «бегущей волны» формируется в зависимости от физико-механических свойств высушиваемого продукта (угла естественного откоса, адгезии, состояния поверхности, гранулометрического состава и т.д.).
