Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы. Цели и задачи исследования 21
1.1 Значение плодовых культур и корнеклубнеплодов в питании населения регионов России 21
1.2 Ресурсосберегающие технологии переработки клубней картофеля 22
1.3 Классификация, анализ существующих и перспективных технологий производства чипсов 28
1.4 Перспективы использования ломтиков яблок в качестве сырья для обжаривания в растительном масле 34
1.5 Общие и специальные требования к сырью, предназначенному для переработки на чипсы 35
1.6 Классификация способов и средств механизации измельчения плодоовощного сырья, конструктивно-технологический анализ существующих и перспективных измельчителей плодов и клубней 37
1.7 Классификация средств механизации для тепловой обработки плодоовощного сырья, конструктивно-технологический анализ существующих и перспективных обжарочных устройств непрерывного действия 49
1.8 Методология решения проблемы 55 Выводы по главе и задачи исследования 58
Глава 2 Физико-механические и технологические показатели яблок и клубней картофеля 61
2.1 Программа исследований 61
2.2 Условия и объекты проведения исследований 63
2.3 Исследование структуры клубня картофеля 65
2.4 Исследование физико-механических свойств яблок и клубней картофеля 69
Выводы к главе 72
Глава 3 Теоретические исследования процессов измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья 74
3.1 Теоретическое обоснование ресурсосбережения при механической и тепловой обработке яблок и клубней картофеля 74
3.2 Теоретическое исследование процесса резания плодоовощного сырья на ломтики зигзагообразным режущим аппаратом 80
3.2.1 Конструктивная схема ломтикового измельчителя плодоовощного сырья 80
3.2.2 Определение геометрических параметров зигзагообразной ножевой стенки 83
3.2.3 Геометрическое описание взаимодействия измельчаемого материала с режущим аппаратом 86
3.2.4 Силовой анализ резания плода или клубня 92
3.2.5 Численное моделирование процесса резания плодоовощного сырья зигзагообразной ножевой стенкой 97
3.2.6 Программное обеспечение моделирования процесса резания плодоовощного сырья ломтиковым измельчителем с применением численных методов «Расчёт режимов работы измельчителя поступательного действия с подпором» 105
3.3 Теоретическое исследование процесса резания плодоовощного сырья на ломтики путем подачи обрабатываемого материала ротором на радиально расположенные ножи 107
3.3.1 Конструктивная схема роторного измельчителя плодоовощного сырья 107
3.3.2 Реологические свойства клубней картофеля при их механической обработке 111
3.3.3 Модель динамики движения клубня картофеля или яблока в роторном измельчителе плодоовощного сырья 112
3.3.4 Программное обеспечение интегрирования уравнения движения тела в трубе роторного измельчителя численными методами «Автоматизированная система расчёта динамических режимов движения тел в роторе центробежного измельчителя» 118
3.3.5 Упрощённая аналитическая модель динамики движения клубня картофеля или яблока 121
3.3.6 Определение угла атаки ножей измельчителя 124
3.3.7 Определение количества ножей ножевого корпуса 129
3.3.8 Определение мощности привода, производительности роторного измельчителя плодоовощного сырья 132
3.4 Теоретическое обоснование тепловой обработки плодоовощного сырья в растительном масле 136
3.4.1 Конструктивная схема устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля 136
3.4.2 Теоретические основы процесса тепловой обработки ломтиков яблок и клубней картофеля 139
3.4.3 Динамическая модель всплытия ломтика яблока или клубня картофеля в высокотемпературной жировой среде 141
3.4.4 Теоретическое обоснование диффузионных процессов испарения влаги и впитывания масла ломтиком 147
3.4.5 Программное обеспечение интегрирования уравнения всплытия ломтика различной плотности в вязкой жидкости численными методами «Автоматизированная система расчёта динамики движения тела с переменными параметрами в вязкой среде» 149
3.4.6 Обоснование системы непрерывной рециркуляции и фильтрации рабочей среды от обуглившихся частиц продукта и крошимости 156
3.4.7 Тепловой расчет устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля 160
3.4.8 Обоснование конструктивных параметров транспортеров устройства для обжаривания 160 Выводы к главе 164
Глава 4 Экспериментальные исследования 168
4.1 Программа исследований 168
4.2 Исследование влияния глубины и ширины зигзага ножевой стенки на усилие резания 172
4.3 Исследование влияния сдвига ножей по вертикали относительно друг друга на энергоемкость процесса резания и качество готовой продукции 177
4.4 Определение рационального угла защемления ножами 182
4.5 Особенности проведения поисковых экспериментов по разработке ломтикового измельчителя плодоовощного сырья 184
4.6 Планирование факторного эксперимента 185
4.7 Оптимизация режимов и параметров ломтикового измельчителя плодоовощного сырья 187
4.8 Предварительные исследования динамических параметров роторного измельчителя плодоовощного сырья 191
4.9 Определение усилия резания материала при различном расположении ножей в корпусе роторного измельчителя 195
4.10 Исследование траектории вылета обрабатываемого материала (клубня картофеля или яблока) из направляющей трубы роторного измельчителя 198
4.11 Оптимизации конструктивных параметров роторного измельчителя плодоовощного сырья 199
4.12 Определение рациональных режимных параметров устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля 205
4.13 Определение характера процесса сушки плодоовощного сырья посредством конвективной сушки с применением вакуума 210
4.14 Исследование влияния процесса обжаривания на свойства готовой продукции 216
4.15 Определение кислотного числа растительного масла 221
4.16 Оптимизация конструктивных параметров устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля 223
Выводы к главе 231
Глава 5 Экономическая эффективность и внедрение результатов исследования 236
5.1 Затраты на изготовление предлагаемых технических решений 238
5.2 Технико-экономические показатели и производственные затраты при использовании разработанных технических средств 238
5.3 Внедрение результатов исследований 242
Заключение 244
Список использованной литературы 251
Приложения 280
- Классификация, анализ существующих и перспективных технологий производства чипсов
- Силовой анализ резания плода или клубня
- Программное обеспечение интегрирования уравнения всплытия ломтика различной плотности в вязкой жидкости численными методами «Автоматизированная система расчёта динамики движения тела с переменными параметрами в вязкой среде»
- Определение характера процесса сушки плодоовощного сырья посредством конвективной сушки с применением вакуума
Введение к работе
Актуальность работы. Продовольственная безопасность России напрямую связана с уровнем развития сфер и отраслей агропромышленного комплекса: сферы производства промышленных средств для сельского хозяйства, технологий сельского хозяйства и отрасли промышленной переработки, а также сбыту сельхозсырья и продовольствия. Поэтому неслучайно была принята правительством Российской Федерации и признана приоритетной Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы (подпрограмма «Развитие подотрасли растениеводства, переработки и реализации продукции растениеводства»).
Наиболее значимыми факторами, оказывающими важнейшее влияние на отрасль перерабатывающей промышленности, в частности производства продуктов из плодов и овощей, является эффективность применяемых технологий в совокупности с техническими средствами для их реализации.
При хранении картофеля потери урожая составляет от 20 до 30 %. Транспортировке свежих плодов и овощей с минимальными потерями в отдаленные регионы страны препятствуют значительные расстояния и плохое качество дорожной сети. В России и за ее рубежом массовое распространение приобрели продукты, которые употребляют между основными приёмами пищи - «снэки». В эту группу входят и «чипсы». Комплексная переработка 1 миллиона тонн картофеля на пищевые продукты с минимальным количеством отходов позволяет уменьшить потери его при хранении на 83 тысячи тонн.
Помимо этого, снижение массовой доли вредных веществ в продуктах питания, в частности жиров в обжаренной продукции, существенно повышает пищевую ценность и способствует решению проблемы рационального питания населения страны. Также решение поставленной проблемы осуществимо расширением ассортимента продуктов на основе нетрадиционного сырья с повышенным содержанием функциональных ингредиентов, что позволит вовлечь в правильное питание большую часть населения. В связи с этим разработка новой технологии производства чипсов из яблок и картофеля, обжаренных в масле, является актуальной.
Переработка картофеля и яблок является многоуровневой системой, характеризующейся взаимосвязью всех звеньев между собой. Поэтому разработка технологии и технических средств механической и тепловой обработки растительного сырья является комплексным решением проблемы повышения эффективности переработки плодов и овощей путем снижения содержания вредных ингредиентов в готовой продукции быстрого питания за счет совершенствования технологического процесса, а также минимизации энергетических затрат применяемого оборудования.
На решение этой проблемы и направлены научные исследования данной диссертационной работы, которые выполнялись в рамках государственной поддержки Фонда содействия развитию малых форм предприятий в
научно-технической сфере (Фонда содействия инновациям): (государственный контракт № №8708р/13143, 16804, 11339р/20530) и тематическому плану научных исследований ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный агарный университет».
Степень разработанности темы.
Значительный вклад в систематизацию, а также обоснование устройств и технологий, реализующих процессы тепловой и механической обработки сельскохозяйственного сырья растительного и животного происхождения, внесен Курочкиным А.А. Им проведен глубокий анализ средств механизации перерабатывающей промышленности, в результате чего разработан ряд учебников, описывающих актуальное техническое оснащение и вопросы автоматизации для подготовки, переработки и получения готовой продукции из сельскохозяйственного сырья. Однако, вопросам процесса обжаривания плодов и овощей, в частности массобмена материала в жировой среде, уделено недостаточно внимания.
Рудик Ф.Я. и Погосян А.М. провели исследования, направленные на повышение эффективности очистки подсолнечного масла при хранении цен-тробежно-адсорбционным и адсорбционно-ультразвуковым способами. Однако, разработанные ими устройства центробежной очистки не предназначены для непрерывной работы в производственных условиях, являясь машинами циклического действия. Кроме этого, высокая металлоёмкость конструкции и цикл работы ограничивает их применение в качестве отдельной функциональной части устройства для обжаривания плодоовощной продукции. Следует отметить высокую эффективность разработанных авторами устройств за счет комбинированной системы очистки.
Процессу резания корнеклубнеплодов на ломтики посвящены работы Алешкина А.В, Савиных П.А., Булатова С.Ю. Разработанные ими измельчители снабжены режущими аппаратами дискового типа, которые имеют ряд недостатков, а именно скольжение материала по поверхности дисков, увеличивающее энергозатраты процесса измельчения, а также низкую однородность гранулометрического состава готовой продукции.
Повышению эффективности технологического процесса и технических средств резания яблок посвящены исследования С.А. Арнаута, З.В. Ловкиса, В.В. Якимцова и др. Однако, разработанные ими серия резательных машин дискового типа имеет ряд недостатков, выраженных в некоторых низких технических характеристиках.
Исследования Ведищева С.М. и Брусенкова А.В. и др., посвященные оптимизации процесса резания корнеклубнеплодов на ломтики, позволили разработать измельчитель, имеющий камеру с радиально расположенными ножами, через которые рабочий орган путем проталкивания обрабатываемого продукта реализует технологическую операцию резания. Однако, устройство обладает рядом недостатков, в том числе отсутствием жесткой фиксации материала в зоне резания, что приводит к получению продукции низкого качества неоднородной по толщине.
Исследования профессора Антонова Н.М., посвященные созданию энергоресурсоберегающих измельчителей корнеклубнеплодов, положили начало научной школе, целью исследований которой стало разработка и обоснование высокоэффективных устройств для переработки плодов и корнеклубнеплодов с пониженными удельными энергозатратами.
Совершенствованию технологического процесса обжаривания клубней картофеля посвящены работы Барановой Р.В., Климова В.В., Шарова Н.А. Однако, предлагаемые ими устройства имеют ряд недостатков, заключающиеся в получении готовой продукции с неравномерным содержанием остаточной влажности, а также повышенным расходом растительного масла при осуществлении технологического процесса.
Масштабный обзор исследований по переработке клубней картофеля, в том числе зарубежных, проведен российскими учеными Серповой О.С. и Борченковой Л.А. Как видно из обзора, средства механизации для измельчения и обжаривания, а также режимные параметры технологических процессов нуждаются в дальнейших исследованиях.
Однако известные теоретические и экспериментальные исследования недостаточно учитывают возможности и перспективы ресурсосберегающих технологий переработки клубней картофеля и яблок, их изучение нуждается в дополнительных исследованиях, а именно – моделирования динамики движения и взаимодействия плодоовощного сырья с рабочими органами измельчителей и устройств для обжаривания с подбором оптимальных режимно-конструктивных параметров.
Цель работы - повышение эффективности измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья для получения продуктов быстрого питания.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:
-
С учетом обзора литературных источников, а также существующих и перспективных технологий, технических средств их реализации разработать и обосновать технологии измельчения и последующей тепловой обработки ломтиков яблок и клубней картофеля в растительном масле;
-
Уточнить физико-механические свойства исследуемого сырья: яблок и клубней картофеля, требуемых для обоснования конструктивных и технологических режимов работы предлагаемых технических средств;
-
Разработать конструктивные схемы технических средств измельчения плодоовощного сырья, устройства для обжаривания клубней картофеля и ломтиков яблок;
-
Провести теоретическое обоснование процессов измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья с использованием предлагаемых технологии и технических средств;
-
Провести экспериментальные исследования технологических процессов измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья предлагаемыми техническими средствами;
6. Провести производственную проверку разработанных устройств и рассчитать технико-экономическую эффективность их использования.
Объект исследования – технологические процессы измельчения резанием на ломтики яблок и клубней картофеля с последующим обжариванием в растительном масле и технические средства для их осуществления.
Предмет исследования – закономерности технологических процессов измельчения резанием на ломтики и тепловой обработки яблок и клубней картофеля и технических средств их реализации.
Научная новизна результатов исследований:
– схема структуризации и декомпозиции проблематики повышения эффективности обработки плодоовощного сырья на основе структурированной совокупности целей;
– уточненные физико-механические свойства клубней картофеля Им-пала, Ред Скарлетт, а также яблок Антоновка обыкновенная, Джонатан, выращиваемых условиях Волгоградской области;
– энергоэффективные процессы и технологические схемы измельчителей и устройств для тепловой обработки плодоовощного сырья в растительном масле;
– математическая модель процесса резания плодоовощного сырья лом-тиковым измельчителем с зигзагообразной ножевой стенкой, реализованная в программном обеспечении;
– математическая модель, описывающая динамические режимы движения клубней картофеля или яблок в направляющей трубе ротора измельчителя плодоовощного сырья, реализованная в программном обеспечении;
– математическая модель, описывающая переход ломтика различной плотности с загрузочного на выгрузной транспортер обжарочного устройства путем всплытия в вязкой жидкости высокой температуры, реализованная в программном обеспечении;
– разработаны, на основе экспериментальных исследований, математические модели работы измельчителей плодовоовощного сырья, а также об-жарочных устройств, позволяющие оптимизировать их технологические и конструктивно-режимные параметры.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в разработке теории измельчения с учетом минимального соковыделения, сохранения формы продукта и снижения энергоемкости процесса, алгоритмов расчета с программным обеспечением (свид. о рег. прог ЭВМ №2016660285, 2016660425), позволяющих качественно оценивать динамическое состояние обрабатываемого плодовоовощного сырья, с возможностью анализировать работу предлагаемых измельчителей и обжа-рочных устройств с рациональными конструктивными параметрами и режимами работы.
Практическая значимость заключается в разработке рациональных технологических режимов процессов измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья, а также средств их реализации – измельчителей плодо-
овощного сырья (патенты №2369083 РФ, 102175 РФ, 113636РФ, 129845 РФ, 152461 РФ, 163146 РФ) и устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля (патент №163538), позволяющих получать продукцию высокого качества. Кроме этого практическую значимость несет разработанный способ получения снеков с пониженным содержанием масла.
Методика исследований. Теоретические исследования проводились на основе теории резания сельскохозяйственного сырья, теории тепломассопе-реноса, методов теоретической механики, физики, прикладной математики, математической статистики, теории планирования эксперимента. При проведении экспериментальных исследований применялись общеизвестные методики и разработанные на их основе – частные. Лабораторные и производственные исследования проводились с использованием современных электронных и механических установок и приборов: санитарно-пищевой экспресс-лаборатории СПЭЛ, мини-лаборатории Экотест-120-ИП, АЦП/ЦАП E14-140-M и др. и др.
Обоснование полученных данных экспериментальных исследований производилось посредством компьютерных программ Microsoft Excel 2010, MathCAD, Power Graph, КОМПАС-3D V13
Основные положения, выносимые на защиту:
– технологические и технические решения по разработке измельчителей яблок и клубней картофеля с последующим их обжариванием в растительном масле;
– математические модели, описывающие процессы работы ломтиково-го и роторного измельчителей плодоовощного сырья, а также обжарочного устройства, позволяющих оптимизировать их конструктивно-режимные параметры;
– аналитическая модель и программное обеспечение, позволяющие проводить математическое моделирование движения материала (яблок или клубней картофеля) в трубе роторного измельчителя;
– математическая модель и программное обеспечение, позволяющие проводить моделирование всплытия ломтика различной плотности в вязкой жидкости высокой температуры;
– результаты экспериментальных исследований разработанного оборудования;
– оценка технико-экономических характеристик предлагаемых технологии и технических средств.
Степень достоверности и апробация работы подтверждается достаточным количеством выполненных экспериментов, использованием современных общепринятых методик исследований, ГОСТов, приборов и оборудования, схождением результатов, полученных теоретическими и экспериментальными исследованиями, совпадением части полученных результатов с данными других исследователей по соответствующей тематике, внедрением полученных результатов в производство, выступлениями с докладами на
международных конференциях с результатами исследований, одобрением и публикацией материалов в ведущих журналах
Основные результаты исследований диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2008-2012 г.г.), региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2008-2012 г.г.), программе «У.М.Н.И.К» (государственный контракт №8708р/13143, государственный контракт №16804, государственный контракт №8899ГУ/2015), «У.М.Н.И.К. на СТАРТ» (государственный контракт №11339р/20530), Ежегодном Областном конкурсе инновационных проектов, конкурсе «Молодой инноватор Волгоградской области – 2012», Всероссийской выставке «Золотая Осень 2010», «Золотая Осень 2014» и др. Основные публикации диссертации опубликованы в 70 печатных работах, в т.ч. монографии, общим объемом 15,62 п. л. (9,47 п.л. принадлежит автору), тринадцать из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент на изобретение и 13 патентов на полезную модель 2 свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ. Кроме того автором опубликованы в соавторстве две статьи в зарубежном журнале США, входящим в базу SCOPUS и Web of science.
Личный вклад автора состоит в обосновании проблемы, разработке теоретических проблем исследований, получении результатов экспериментов, участии в конференциях различного уровня для апробации диссертационной работы, разработке установок для проведения экспериментов: ломти-кового (Пат. 134471) и роторного измельчителей плодоовощного сырья (Пат. 163146), испытательного стенда для измерения составляющих сил резания плодоовощной продукции (Пат. 127986), устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля (Пат. 163538), публикации результатов исследований, обеспечивающих эффективность отрасли.
Соответствие паспорту специальности. Диссертационные исследования соответствуют паспорту специальности 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», п. 8 «Разработка технологий и технических средств для обработки продуктов, отходов и сырья в сельскохозяйственном производстве», и п. 9 Положения о присуждении ученых степеней.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Объем диссертации составляет 250 страниц основного текста, содержит 140 рисунков, 38 таблиц, список литературы из 234 наименований, из них 5 на иностранных языках и 9 приложений.
Классификация, анализ существующих и перспективных технологий производства чипсов
Чипсы являются тремя самостоятельными видами продуктов, представляющими собой тонкие обжаренные ломтики. Классификация технологий производства чипсов представлена на рисунке (рис. 1.6).
На сегодняшний момент исследования инженеров и ученых мира направлены на совершенствование технологии чипсов из свежего картофеля [150], в частности цвет готовой продукции, являющимся важнейшим показателем качества. При этом цвет зависит от ряда факторов: сорта сырья, условий и приемов выращивания, района выращивания, времени уборки, возраста клубней, а также температуры хранения. Установлено, что потемнение ломтиков при обжаривании объясняется реакцией редуцирующих сахаров и аминокислот, которые содержаться в клубнях.
На рисунке 1.7 представлена классификация перспективных технологии производства хрустящего картофеля.
Специалистами Голландии для достижения оптимального цвета картофельных чипсов практикуется обжаривание под вакуумом, с использованием инфракрасного и СВЧ-излучения. Установлено, что такая обработка позволяет расширить номенклатуру сортов для производства чипсов, а также исключить операцию специального предварительного хранения. При этом досушка с использованием СВЧ-лучей способствует снижению содержания масла в готовых чипсах на 5 %. Технология предусматривает обжарку ломтиков в растительном масле при температуре 160…180С до достижения влажности 10…12 %, далее продукт с помощью конвейера проходит микроволновую печь, где приобретает остаточную влажность 2…3 %. Технология применяется на на заводе фирмы Smith Food в г. Поулегриве (Великобритания), микроволновая установка там имеет длину 37 футов (примерно 11 метров). Обжаренные ломтики картофеля в ней под микроволновым источником находятся в течение 1 мин [211].
Для повышения качества готовых чипсов и снижения расхода масла разработан способ обжаривания посредством инфракрасного излучения. Кроме этого существует комбинированная обработка в печах с растительным маслом с последующей досушкой в ИК-излучении. В результате хрустящий картофель имеет минимальное содержание влаги не более 1,5 %. Кроме этого, для снижения процессов окисления жиров в обжарочных ваннах тепловая обработка осуществляется с использованием инертных газов. Также для снижения количества масла в готовой продукции американскими учеными разработан порошкообразный состав, забивающий поры структуры картофеля при обжаривании. В составе вещества имеется альгиновый эфир (3 части) и пищевой компонент, не обладающий токсичностью (100 частей).
Учеными Белоруссии проведены исследования по повышению эффективности процесса обжарки при получении картофелепродуктов [148].
Наиболее важным компонентом при производстве чипсов является растительно масло, которое придает продукту специфический вкус, цвет, аромат, запах [37, 211]. При обжарке используют масла: хлопковое рафинированное; подсолнечное рафинированное либо рафинированное и дезодорированное; соевое рафинированное (отбеленное, дезодорированное) и др. При этом процесс обжаривания производится при 165С и более [211].
Тепловая обработка картофеля путем обжаривания производится передачей тепла от теплоносителя к продукту посредством масла. При этом происходит нагрев масла, находящегося в контакте с поверхностью нагрева, а также охлаждение его за счет соприкосновения с поверхностью продукта.
С учетом этого, имеет место сложный теплообмен между маслом и теплоносителем нагревательной камеры, далее от масла в направлении поверхности продукта к его центру его структуры.
Температура обжаривания должна удовлетворять следующим условиям, при которых скорость испарения элементов влаги с поверхностной части продукта будет выше скорости диффузии ее из внутренних слоев. В результате поверхностная ткань в конце процесса обжаривания подсыхает, образуется корочка золотистого цвета и специфически приятный вкус.
Слишком низкая температура тепловой обработки обжариванием уравновешивает процессы испарения и диффузии влаги, что способствует образованию продукта рыхлой консистенции с неудовлетворительным качеством.
Слишком высокая температура обжаривания приводит к быстрому испарению влаги из поверхностных слоев картофеля, капиллярная влага не успевает занять ее место, что провоцирует обугливание поверхности продукта при сырых внутренних слоях.
Для осуществления процесса обжаривания применяют паромасляные печи различных конструкций [38].
Для удаления влаги из свежего масла проводится его прокаливание при температуре 170…180С в течение 1 ч, что позволит исключить нежелательное образование пены. Далее в печь с нагретым маслом загружается обрабатываемый материал. В процессе обжаривания происходит потемнение масла, оно густеет, окисляется, приобретая прогорклый вкус. Под влиянием химических преобразований в его составе образуются альдегиды, кетоны и другие вещества. Качество масла в обжарочных печах характеризуется органолептическими показателями и кислотным числом.
Для того, чтобы кислотное число масла было невысоким, нужно обеспечить быструю сменяемость его в печи, кроме этого, предусмотреть фильтрацию масла в непрерывном процессе обжарки продуктов от крошек, отдельных кусочков обрабатываемого сырья.
Для исключения этих отрицательных аспектов специалистами БелНИИ пищевых продуктов разработана выносная фильтрующенагревательная станция для растительных масел, используемая при обжаривании продуктов.
Принцип искусственной конвекции, принятый за основу конструкции станции, обеспечивает более высокую эффективность использования источника энергии за счет развитой поверхности теплообмена; позволяет уменьшить влияние факторов, ускоряющих рост кислотного числа масла, за счет снижения степени температурного окисления и влияния местных перегревов. Непосредственный нагрев растительного масла исключает использование дорогостоящих промежуточных теплоносителей. Заложенные технические решения и принцип нагрева масла обеспечивают универсальность выносной фильтрующе-нагревательной станции и возможность ее применения не только для обжарки различных видов картофелепродуктов.
Исследованиями установлено, что принудительное движение масла в нагревательной камере позволяет улучшить качественные показатели готового продукта и масла [211]. Однако создание первичного напора возможно только насосом или нагнетателем.
В результате проведенных исследований было установлено, что применение фильтрующе-нагревательной станции в линии по производству обжаренных картофелепродуктов способствует снижению степени термического окисления, кислотного и перекисного числа масла на 5…10% за счет непрерывной фильтрации и удаления обуглившихся частиц продукта и мелочи.
Силовой анализ резания плода или клубня
В рамках силового анализа рассматриваются силы, действующие со стороны плода на /-е лезвие, однако для краткости записи индекс / опускается.
Для исследований резания яблок использовали реологическую модель, полученную ранее [126]. Процесс резания начинается с момента контакта острия лезвия с поверхностью плода или клубня. Плод яблока имеет более плотную, чем мякоть, кожицу (или кожуру для картофеля), для разрезания которой требуется создать на режущей кромке достаточно большое контактное напряжение. Поэтому на начальном этапе плод или клубень будет не разрезаться, а сминаться под действием лезвия (рис. 3.11а). В процессе смятия в плоде или клубне будет возрастать упругая деформация и соответствующая восстанавливающая сила упругости. Усилие на режущей кромке будет уравновешиваться силой упругости до тех пор, пока контактное напряжение под режущей кромкой не достигнет предела прочности материала кожицы ак. В этот момент времени произойдёт разрезание кожицы (кожуры) по всей длине реза, а также произойдёт частичная разгрузка и в пределах упругих деформаций восстановление формы плода или клубня. В дальнейшем сила резания будет определяться контактным напряжением мякоти плода, а влияние кожицы (кожуры) будет пренебрежимо мало, поскольку её последующее разрезание будет происходить на небольших участках по краям реза (рис. 3.11б).
Таким образом, сила на режущей кромке лезвия Pрез (Н) в течение всего процесса определяется как произведение площади режущей кромки лезвия на контактное напряжение а (Па), которое в свою очередь определяется линейной зависимостью от деформации плода или клубня до тех пор, пока оно не достигнет значения ок, и постоянным значением ор - контактное напряжение, достаточным для разрушения разрезаемого материала мякоти плода или клубня.
Площадь режущей кромки представляет собой произведение остроты лезвия д (мкм) на длину реза по режущей кромке f. Поскольку сила резания направлена перпендикулярно режущей кромке, то в проекции на ось x её модуль умножается на косинус угла наклона ножа
На рисунке 3.12 приведена расчётная схема определения сил, действующих на остриё и фаски лезвия со стороны разрезаемого плода или клубня. Углы заточки показаны кинетически трансформированными [126].
При внедрении лезвия в материал плода или клубня, под фасками в продольном направлении возникает деформация сжатия. В работе [197] на основе предположения, что между деформацией и напряжением наблюдается пропорциональная зависимость, осуществлён вывод силы сжатия под фаской на единицу длины лезвия. Используя этот подход в рассматриваемом случае, получаются выражения для сил сжатия под правой и левой фасками
В поперечном направлении плод или клубень испытывает деформацию обжатия и соответствующие силы. Эти силы перпендикулярны оси X и проекцию на неё не дают. Однако их определение необходимо в связи с тем, что они входят в выражения для сил трения.
Целесообразно рассматривать отдельно силу обжатия, действующую на фаску лезвия Р0 ж, и силу обжатия, действующую на полотно лезвия Р0пбж.
В общем случае, при коэффициенте перекрытия равном или близком к 1, сила обжатия на фаске лезвия определяется как сжатием материала в поперечном направлении в связи с деформацией его вдоль направления движения под действием сжимающей силы [195, 197], так и сжатием материала в пространстве между ножами из-за их ненулевой толщины. Однако, ограничиваясь рассмотрением случаев при коэффициенте перекрытия существенно меньше 1, можно использовать выражения вида Нормальные реакции правой и левой фасок лезвия определяются соответствующими суммами проекций сил сжатия и обжатия на направления нормалей к фаскам
Произведение нормальных реакций на коэффициент трения/плода или клубня о поверхность лезвия получаются соответствующие силы трения, направленные вдоль фасок, которые при проецировании на ось х должны быть умножены на косинусы соответствующих углов
Силы обжатия, действующие на полотно лезвия Р0пбж, меняются в зависимости от глубины проникновения плода в блок ножей. Однако представляется допустимым оценивать значения этих сил по максимальной глубине взаимодействия, которая определяется коэффициентом перекрытия ножей. В этом случае силы обжатия при движении плода или клубня сквозь блок ножей будут меняться только в связи с изменением длины реза. Причём сила обжатия, действующая на полотно справа (со стороны выступающего соседнего ножа) будет определяться длиной реза на режущей кромке. Сила обжатия, действующая на полотно слева (со стороны утопленного соседнего ножа), будет определяться длиной реза по тыльной стороне ножа. Такой подход отличается простотой модели, а погрешности, которые будут при этом возникать, будут приводить к увеличению оценочных значений сил, что соответствует требованиям к моделированию. Тогда сил обжатия справа и слева будут определяться выражениями
Согласно выражениям (3.24), (3.25), (3.28) и (3.30) силы являются сложными нелинейными функциями координаты x центра плода. Сумма этих сил по всем ножам (3.15), участвующим в разрезании плода или клубня, представляет собой усилие которое должно быть приложено к подвижному подпору со стороны приводного двигателя установки в каждом конкретном положении плода или клубня. В связи с симметричностью модели допустимо вычислять суммарную силу только для половины плода или клубня, после чего удваивать её.
Интеграл от суммарной силы по пути движения плода или клубня определяет механическую работу, затрачиваемую на его резание: (3.31)
Пределы интегрирования xs и xe определяются с момента первого контакта плода или клубня с блоком ножей до полного завершения резания. В разработанной компьютерной программе начальное положение плода или клубня устанавливается на расстоянии от режущей кромки последнего ножа, таким образом, гарантируется отсутствие в начальном положении контакта плода или клубня с ножами. Продолжается моделирование до тех пор, пока суммарная сила Px не станет равной нулю, что соответствует завершению процесса резания.
Программное обеспечение интегрирования уравнения всплытия ломтика различной плотности в вязкой жидкости численными методами «Автоматизированная система расчёта динамики движения тела с переменными параметрами в вязкой среде»
Программа (свидетельство о регистрации ЭВМ №2016660285) предназначена для научных исследований в области машиноведения, систем приводов и робототехники [206].
Функции программы:
- ввод начальных условий и параметров движения тела и среды;
- расчёт характеристик среды в зависимости от температуры;
- оценка критерия Рейнольдса в зависимости от параметров тела и характеристик среды;
- расчёт динамики движения тела переменной массы и переменного объёма в вязкой среде;
- визуализация и экспорт рассчитанных данных в виде таблиц и графиков.
В таблице 3.5 представлены характеристики предлагаемой программы ЭВМ.
Как видно из рисунка 3.58, программа позволяет решать поставленные задачи различными математическими методами: Эйлера, Рунге-Кутта 4 порядка, Рунге-Кутта-Мерсона 5 порядка, Адамса 5 порядка, Гира 4 порядка, Гира 2 порядка.
Программа построена на основе полученных уравнений (3.100, 3.105, 3.108, 3.109), с учетом всех технических особенностей процесса обжаривания (температуры обжаривания, времени до попадания в зону всплытия, диаметра ломтика, начальной толщины ломтика, начальной плотности ломтика, временного коэффициента увеличения массы, временного коэффициента уменьшения массы, временного коэффициента увеличения объема, временного коэффициента уменьшения объема, объема пузырьков, появляющихся на единице площади поверхности и др.), а также определенных в результате эксперимента физико-механических параметров сырья и рабочей среды (размерно-массовые показатели, физико-механические свойства).
Предлагаемое программное обеспечение позволяет качественно оценивать динамическое состояние обрабатываемого материала, что дает возможность анализировать работу предлагаемого оборудования с рациональными конструктивными параметрами и режимами работы.
Гидроциклоны – это аппараты для разделения жидких неоднородных систем с помощью центробежной силы, возникающей в закрученном потоке жидкости [1, 40, 229].
Особенностью таких аппаратов является простота конструкции и непрерывность действия (в отличие от центрифуг) [39, 44, 105, 215].
Нами для очистки рабочей среды от обуглившихся частиц готового продукта (хрустящий картофель), а также продуктов крошимости предлагается использовать гидроциклон, разработанный В.М. Холмановым, М.В. Селезневым, предназначенный для очищения отработанных трансмиссионных масел от нерастворимых примесей [207, 208].
Плотность растительного и трансмиссионного масел практически одинакова, а именно 900…920 кг/м3 и 880…900 кг/м3 соответственно [159]. Следовательно, для сравнения их реологических характеристик можно использовать как динамическую, так и кинематическую вязкость. В работе В.М. Холманова и М.В. Селезнева [207, 208] данные о вязкости трансмиссионных масел приводятся при температуре очистки, которая составляет 20…100 С. Справочные данные же о вязкости подсолнечного масла в литературе приводятся для стандартных условия при 20С, когда как рабочие условия при производстве хрустящего картофеля составляют 160…180С. При этом кинематическая вязкость трансмиссионного масла 10…14.4 мм2/с (при 100 С), растительного 58…92 мм2/с (при 20 С). Однако, известно, что динамическая вязкость растительного масла с повышением температуры значительно снижается, а именно в 6 раз (при изменении от 20…100 С) [159]. С учетом этого, преобразовав кинематическую вязкость растительного масла для условий работы установки для обжаривания получаем 9,6…15,3 мм2/с, что позволяет использовать экспериментальный гидроциклон для целей очистки растительного масла от обуглившихся частиц продукта и крошимости.
Схема размещения кольцевой вставки на рисунке 3.60 [207, 208].
Определение характера процесса сушки плодоовощного сырья посредством конвективной сушки с применением вакуума
В процессе конвективной и инфракрасной сушки происходит высокотемпературное воздействие, необходимое для эффективного осуществления процесса обезвоживания. При этом рабочая температура 150…170С результативна для осуществления процесса, но приводит к потере ломтиками формы за счет их деформации, а также разрушению витаминов и витаминопо-добных соединений. Однако, снижение рабочей температуры сушки влечет к значительному увеличению продолжительности процесса, что сказывается на росте затрат при использовании предварительного высушивания в производственных условиях. Исходя из вышеизложенного, необходимо стремиться к высокоэффективному осуществлению процесса с минимальными затратами времени на его осуществления при температуре не выше 125С, чьим требованиям и соответствует конвективная сушка с применением вакуума.
Целью исследований стало определение характера процесса сушки плодоовощного сырья посредством конвективной сушки с применением вакуума.
В качестве объекта исследования были выбраны районированные в Волгоградской области сорта картофеля Импала и Ред Скарлетт, подходящие по общим и специальным требованиям для производства хрустящего картофеля, а также яблоки кисло-сладкие сортов Антоновка обыкновенная и Ренет Симиренко, имеющие по аналогии с выбранными сортами картофеля низкое количество редуцирующих сахаров.
Для достижения поставленной цели применяли лабораторную установку для исследования сушки (рис. 4.32).
Установка состоит из вакуум-сушильного шкафа 1 (ВШ-0,035М), обогрев которого осуществляется с помощью встроенных в стенки электрических нагревательных элементов, а вакуум создается с помощью вакуум-насоса 2 и замеряется вакуумметром 3. Величина создаваемого в шкафе вакуума корректируется с помощью регулировочного винта 4, расположенного на крышке шкафа. В шкаф встроен механизм измерения убыли массы материала 5, представляющий собой вертикально установленные на корпусе шкафа миллиметровую линейку и закреплённый параллельно ее шкале пружинный динамометр. К нижней части пружинного динамометра на тяге 6 из проволоки, проходящей насквозь корпуса сушильного шкафа, подвешивается образец 7 высушиваемого материала. Деформация пружины динамометра, вызванная убылью массы материала под действием сушки, характеризуется сжатием и фиксируется изменением расстояния между начальным и промежуточными положениями шкалы динамометра относительно миллиметровой линейки. Для измерения температурного режима сушки применялся термометр 8.
Перед экспериментом материал (плодоовощное сырье) в соответствии с рекомендациями производства чипсов измельчали на ломтики толщиной 2,1 мм.
Перед началом сушки шкаф прогревали в течение 20 минут до достижения рабочей температуры 120…125С с выходом в стационарный режим. Далее находили начальную массу высушиваемого материала на лабораторных весах «CAS CAUX 220».
Для достижения необходимой точности при измерении убыли массы материала посредством пружинного динамометра, использовали одновременную сушку 4-х ломтиков, закреплённых свободно на стержне на расстоянии 15…20 мм друг от друга для свободного прохода воздуха между ними (рис. 4.33).
Для процесса сушки использовали фиксированное значение давления– 0,3 атм.
Высушивание материала осуществляли по следующей схеме: 10 мин при температуре 125 С, а после ухода поверхностной влаги производили сброс до 60 С.
Через каждые 30 секунд, начиная с момента закрытия крышки шкафа, регистрировались показания механизма измерения убыли массы путем фиксирования значений делений шкалы до тех пор, пока они перестанут изменяться, что свидетельствует об окончании процесса сушки и достижении равновесной влажности по всему объему высушиваемого образца.
Обработку экспериментальных данных проводили по методике [191].
Результаты экспериментов представлены графически на рисунках 4.34, 4.35, 4.36, 4.37 в виде кривых сушки.
Свободную влагу до достижения равновесной влажности. Так, у картофеля сорта Импала конечная влажность образца составила 7,28 % (рис. 4.34), а у Ред Скарлетт – 6,58 % (рис. 4.35); у яблок сорта Антоновка обыкновенная – 7,86 % (рис. 4.36). Однако, образец яблока сорта Ренет Симиренко нарушает общую градацию остаточной влажности, неблагоприятной для жизнедеятельности микроорганизмов, с показателем W= 10,97 % (рис. 4.36). Такой характер обусловлен более высоким содержанием связанной влаги, удерживаемой макромолекулярной матрицей структуры плода, формируемой пектином, характерным для яблок, и рядом других сухих веществ.
Начальная влажность исследуемых образцов составила: картофель сорта Импала – 91,73 %, Ред Скарлетт – 92,92 %, у яблок сорта Антоновка обыкновенная – 91,39 % (рис. 4.34, 4.35, 4.37). Однако, начальная влажность образца сорта яблок Ренет Симиренко несколько ниже (W=87,46%), что объясняется большим количеством сухих веществ, чем у других образцов (рис. 4.36). Как видно, сухие вещества, в том числе пектин, напрямую влияют на характер, скорость сушки, а также на начальную и конечную влажность образцов.
Сравнивая остаточную влажность образцов за первые 10 минут (W10) процесса тепломассообмена можно сделать вывод, что в целом, структура клубней картофеля благоприятна для сушки за счет высокого количества свободной влаги и клеточных оболочек с низкими прочностными свойствами. Так у картофеля сорта Импала W10=20,04 %, Ред Скарлетт - 24,79 %, а у яблок сорта Ренет Симиренко Ww=30,61 %, Антоновка обыкновенная -43,21 %.
Во всех случаях опыта кривые сушки характеризовались изменением остаточной влажности со ступенчатым видом (рис. 4.34- 4.37). Это объясняется неравномерностью разрыва слоев клеточных оболочек под действием высокой температуры и последующим испарением межклеточной жидкости [192].
Для определения корреляционной зависимости между процессом снижения абсолютной влажности за единицу времени использовали прикладную программу ПЭВМ «Microsoft Excel 2010» с применением надстройки «Анализ данных» и инструмента «Корреляция». Анализ данных показал высокую корреляционную зависимость как между сортами плодов или клубней, так и между видами плодоовощного сырья, что в целом подтверждает принадлежность сырья к капиллярно-пористым материалам, имеющим характерные кривые изменения влажности и скорости сушки. Так, при определении взаимосвязи изменения влажности между сортами яблок коэффициент корреляции Пирсона составил 0,993, а между сортами картофеля - 0,996; при сравнении сорта яблок Антоновка обыкновенная и сорта картофеля Импала -0,977, для сортов яблок Ренет Симиренко и картофеля Ред Скарлетт - 0,996.