Интенсификация процесса тепловой обработки косточковых маслосодержащих материалов с использованием нетрадиционных методов подвода энергии



2-глава. Экспериментальное исследование процесса тепловой обработки лепестков ядер косточковых культур

2.1 Описание лабораторной экспериментальной установки для термообработки лепестков ядер косточковых культур

Исследование процесса ИК-термообработки лепестков ядер абрикоса проведено на экспериментальной установке, общий вид которой представлен на рис.2.1. Установка состоит из рабочей камеры, пульта управления с контрольно - измерительными приборами, аппаратурной управления и сигнализации.

Внутри рабочей камеры 1 в верхней ее части расположены ИК излучатели 2. В качестве ИК - излучателей использованы кварцевые галогенные лампы типа КГТ 220-1000. Крепление ламп выполнено таким образом, что имеется возможность изменять расстояние между ними. Над ИК - излучателей расположен экран 3, который можно перемещать по вертикали. Напряжение в нити накаливания ИК - ламп изменяется в пределах 0-250 В с помощью регулятора напряжения РНО-250-10 7. Режим работы излучателей контролируется измерительными приборами 9.

Внутренние поверхности рабочей камеры выполнены из полированного алюминия, обладающего высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области спектра.

Измерение и автоматическая регистрация температуры в слое материала и среды рабочей камеры в ходе ИК-термообработки осуществляется электронными самопищущими потенциометрами 4 типа КСП-4 с первичными измерительными преобразователями в виде термопар. Чувствительные элементы и провода термопар защищены экранами и термостойкими защитами оболочками из асбестовой ткани от непосредственно падающего ИК - излучения.

Сетчатый подик 6 устанавливается на винтовых опорах, укрепленных на каркасе. Последний жестко связан с чашей весов 8 марки ВЛКТ-500М, предназначенных для измерения убыли массы высушиваемого материала.

Смотровое окно предусмотрено для визуального наблюдения за протеканием процесса. В целях соблюдения норм техники безопасности заземления всех контрольно - измерительных устройств, предусмотрена блокировка, срабатывающая при открывании дверцы, рабочей камеры происходит автоматическое отключение всей установки.

Рис.2.1. Лабораторная ИК-установка для исследования процесса термообработки лепестков ядер косточковых культур

1-камера для термообработки; 2-ИК излучатель КГТ 220-1000; 3-отражатель; 4-самописец температуры; 5-слой дроблёнки ядер; 6-подик; 7-регулятор напряжения; 8-весы ВЛКТ; 9-вольтметры

Рис. 2.2. Лабораторная ИК-установка (фото).

Таким образом, экспериментальная установка оснащена всей необходимой контрольно - измерительной и регулирующей аппаратурой. Это позволяет при экспериментальных исследованиях процесса термообработки ядер арахиса получать полную картину внутреннего и внешнего тепло - и массопереноса.

2.1.1 Методика измерения температуры и убыли влаги лепестков ядер абрикоса в процессе ИК-термообработки

Исследование прогрева ядер арахиса в ходе термообработки осуществлено путем измерения температуры в двух точках (на глубине 3,5 мм и 7,0 мм) по высоте слоя лепестков. В качестве датчиков температуры использовались хромель-копелевые термопары с диаметром спая 0,2 мм и с термостойкой изоляцией. Последние соединены компенсационными проводами с регистрирующим приборам КСП-4. Верхняя часть термопары, которая непосредственно заделывается в слой лепестков (кроме спая), изолирована термостойким лаком.

Погрешность измерения температуры определяется:

П = К · Х_М / 100 = 1,5⁰С, (2.1)

где К - класс точности прибора КСП-4 (К=0,5);

Х_М - предел измерения прибора КСП-4 (Х_М=300⁰С).

После окончания процесса термообработки производится повторный замер расположения термопар по высоте слоя.

При термообработке убыль влаги ядер определялась путем взвешивания проб массы лепестков на весах марки ВЛКТ-500 в течение всего процесса термообработки и регистрацией результатов измерений через каждые 30 с.



2.2 Проведение экспериментов и обработка их результатов

Очищенные и выделенные из скорлупы ядра косточек взвешивают на весах ВЛКТ-500 с точностью 0,01 г. Определяют относительную влажность (в %) и содержание масло в ядре (в % к общей массе ядра) по известным методикам [25].

Ядро косточек искусственно увлажняют до желаемой влажности (11-14 %) путем введения рассчитанного количества воды и выдерживают в холодильнике при температуре 3-4⁰С в течение двух суток при периодическом перемешивании: в производственных условиях после гидросортировки и центрифугирования влажность ядер составляет 11-14 %.

Ядра подвергают плющеванию в лабораторных вальцах для получения лепестков. Навеску лепестков известной начальной влажности и массы подвергают ИК-обработке в камере экспериментальной установки при прерывистом режиме облучения с требуемой плотностью лучистого потока. Во время термообработки температура материала в слое измерялась и регистрировалась при помощи хромель-копелевых термопар и регистрирующего прибора КСП-4.

Высушенные лепестки ядер подвергают экстракции и дистилляции и по известным методикам [26] определяют выход косточкового масла и его качественные показатели.

Для исследования технологических процессов пищевых производств и установления количественных связей между показателями качества процессов и определяющими факторами широко используют математических описания, полученные на основе экспериментальных данных по различным планам. В связи с этим кратко опишем методику составления математических описаний по экспериментальным данным.

Рассматривая объект исследования как процесс управления, можно параметры объекта классифицировать в соответствии с принципами, принятыми в теории управления. Исследуемые или управляемые системы и объекта классифицировать в соответствии с принципами, принятыми в теории управления. Исследуемые или управляемые системы и объекты представляют структурными и параметрическими схемами и характеризуют параметрами состояния, наблюдения, управления и возмущения.

Большое значение имеют самостоятельные и несмещенные оценки математического ожидания (выборочного среднего) и выборочной дисперсии, которые для измеряемого параметра технологического процесса определяются по выражениям

(2.2)

где - среднее и текущее значения измеряемого параметра; n - количество повторных измерений (опытов); D - дисперсия отдельных измерений.

Разность между числом повторностей опытов и числом уравнений, в которых использовались результаты опытов, называют числом степени свободы . Поскольку для расчета использовали одно уравнение, то

При проведении экспериментальных исследований необходимо установить количество повторностей опыта для выбранной измеряемой величины.

Для этого задают доверительную вероятность и допустимую ошибку, выраженную в долях выборочного среднеквадратического отклонения

Более эффективными для сокращения числа опытов являются многофакторные планы, при которых одновременно варьируют несколькими факторами. Для проведения опытов составляют специальные матрицы планирования, в них определяются число опытов и пределы изменения факторов. Матрица представляет собой перечень вариантов, взятых в данной серии опытов. Фактором принято называть входные параметры процесса . Зависимость какого-либо выходного параметра от двух и более факторов в виде поверхности, а трех и более - в виде гиперповерхности. Такие матрицы планирования называют полным факторным (ПФЭ) типа 2² и 2³ соответственно.

Количество вариантов опытов, которое необходимо поставить по матрице планирования, зависит от числа изучаемых факторов n. Всего на трех уровнях для n факторов возможно 3ⁿ вариантов планирования. Для приближенного описания, процесса линейным уравнением и возможности оценки его адекватности достаточно поставить от n + 2 до n + 6 вариантов опытов. При этом важно, чтобы в них примерно одинаковое число раз встречались верхние и нижние уровни каждого фактора.

Для упрощения расчетов и более точного определения направления движения к оптимуму опыты ставят по так называемым ортогональным матрицам. В них из всех возможных вариантов выбрано небольшое их количество.

При этом соблюдается следующие условия:

- в серии опытов количество вариантов с верхним уровнем каждого фактора равно количеству вариантов с нижним уровнем того же фактора;

- верхний и нижний уровни любого фактора сочетаются одинаковое количество раз с верхним и нижним уровнями всех остальных факторов.

После составления матрицы планирования и выбора интервалов варьирования факторов в соответствии с вариантами матрицы ставят опыты, по результатам которых рассчитывают линейное уравнение регрессии:

(2.3)

где - вектор выхода (критерий оптимальности); b₀ - остаточный член уравнения регресии; - значения нормализованных уравнений факторов, влияющих на процесс; - коэффициенты регрессии, показывающие степень влияния - го фактора на вектор выхода; - номер фактора.

Нормализованные уровни определяются соотношением

(2.4)

где , - натуральные значения - го фактора и основного уровня фактора; - интервал варьирования - го фактора. С помощью ортогональных матриц легко вычислить коэффициенты регрессии. Среднее значение выхода для всех вариантов матрицы планирования равно

(2.5)

где n - число повторностей i - го опыта.

Линейные коэффициенты регрессии для каждого фактора вычисляются по формуле

(2.6)

где - среднее для всех повторений - го варианта матрицы планирования; - номер - го фактора в - м варианте матрицы планирования; N - общее число вариантов матрицы планирования, которое равно

(2.7)

При вычислении коэффициента регрессии складывают значения вектора выхода всех вариантов, у которых данный фактор был на верхнем уровне, а из этой суммы вычитают сумму выхода тех вариантов, где данный фактор был на нижнем уровне, и полученное число делят на общее число вариантов в матрице планирования.

Положительное значение коэффициента регрессии указывает на увеличение вектора выхода (критерия оптимизации), а отрицательное - на его уменьшение. Чем больше коэффициент регрессии, тем больше данный фактор влияет на процесс. Затем оценивают достоверность полученных результатов. Поскольку коэффициенты регрессии рассчитаны по значениям вектора выхода, которые определенным образом изменяются, то и для них есть какой - то уровень случайных изменений, которые необходимо определить с помощью статической обработки. Для этого определяют дисперсию процесса, характеризующую уровень его воспроизводимости, по данным повторных экспериментов матрицы планирования. Среднюю дисперсию воспроизводимости процесса вычисляют по формуле:

(2.8)

где - повторение - го варианта матрицы планирования; - число повторений - го варианта матрицы планирования.

В этом случае для N вариантов опытов, каждый из которых повторен n раз, нужно найти среднее значение в каждом варианте, отклонение от средних значений и их квадраты , а затем сложить для всех n повторностей N вариантов, т.е. , и разделить на N и (n - 1). Из формулы видно, что n должно быть не меньшее двух. Величина N (n - 1) определяет надежность вычисления дисперсии и является числом степеней свободы f - важным статическим показателем. Для надежного определения ошибки воспроизводимости процесса число степеней свободы должно быть не менее 5 - 8.

Дисперсия, характеризующая ошибки в определении коэффициентов регресии, определяется выражением

(2.9)

Среднее квадратическое отклонение для коэффициентов регрессии определяют по формуле:

(2.10)

Чем больше дисперсия, тем хуже воспроизводимости может быть определена по критерию Кохрена:

(2.11)

Дисперсию каждой серии вычисляют по формуле:

(2.12)

где n - число параллельных опытов; - отклик - го параллельного опыта; средний отклик в данном опыте.

Диапазон возможных случайных изменений коэффициентов регресии (доверительный интервал) вычисляют по формуле

(2.13)

где - критерий Стьюдента, определяемый из таблиц и зависящий от числа степеней свободы которые получают при расчете дисперсии воспроизводимости процесса.

2.2.1 Экспериментальное исследование процесса ИК-термо-обработки лепестков ядер плодовых косточек

Методы планирования экспериментов позволяют наиболее экономичным и эффективным способом получить математические модели исследуемого процесса в реализованном диапазоне изменения многих факторов, влияющих на процесс.

Как было указано выше, при высоких температурах в масличном материале происходят нежелательные биохимические процессы, ухудшающие качество получаемого масла. При относительно же высокой конечной влажности ядер уменьшается и выход косточкового масла. Как видим, конечная температура t_к (⁰С) и влажность ядер W_к (%), выход Y_вых (%) и качество K (кислотное число мг КОН) получаемого масла - основные критерии для выбора основных факторов ИК - термообработки ядер: времени ИК - обработки ф (с), величины плотности падающего лучистого потока E (кВт/м²) и начальной влажности ядер W_н (%).

Проведем предварительные эксперименты по определению пределов варьирования факторов, влияющих на процесс сушки масличного материала.

При проведении предварительных экспериментов материал толщиной 8-10 мм подвергаются сушке с помощью инфракрасных излучателей, излучающие лучи с максимальной длиной волны 1,1 мкм. Выбор значения длины волны 1,1 мкм обусловлен тем, что ядро косточек абрикоса в области длин волн 0,7-1,2 мкм обладает наиболее пропускательной способностью, и поэтому для эффективного прогрева по всей толщине слоя целесообразно выбирать такой генератор ИК-облучения максимум излучения находится в указанных пределах [4]. Таким генераторам относится ИК-генератор ГТК максимумом длиной волны излучения 1,1 мкм.

При сушке ядер плодовых косточек ИК - энергоподводом проницаемость лучистой энергии изменяет характер протекания процесса: энергия излучения, проникая в глубь ядра, интенсифицирует процесс переноса влаги из центральных слоев к поверхностям ядра, что приводит к значительному сокращению времени сушки.

За счет поглощения ИК - лучей происходит плавление липидов, частичное разрушение клеточной структуры ядра, удерживающей липидные гранулы, и масло переходит в относительно свободное состояние, благодаря чему улучшаются условия извлечения масла из ядер плодовых косточек методом прямого экстрагирования.

Сушка производится в прерывистом режиме облучения.

Результаты предварительных экспериментов приведены на рис. 2.3 - 2.5.

При термообработке масличного материала в 1-режиме температура доходит до 68⁰С (рис.2.3), но при этом конечная влажность составляет всего W_к=8,6 %, что не соответствует технологическим требованиям. В результате недожарения материала выход масла очень низок (см.рис.2.5).

Когда лепестки облучаются во 2-режиме (рис.2.3), т.е. когда продолжительность первого цикла облучения составляет 60 с, после снятия облучения наблюдается некоторое повышение температуры лепестков, которое можно объяснить выделением энергии биохимических превращений, происходящих под воздействием ИК-лучей при t=50-60⁰С. Конечная влажность лепестков при таком режиме составляет W_к=6,8 % (рис.2.4). Выход косточкового масла наиболее высокий (рис.2.5), поскольку в результате воздействия ферментов разрушаются клетки масличного материала, что облегчает условия экстрагирования.

При ИК-термообработке (сушке) в 3-режиме (рис.2.3) продолжительность первого цикла составляет 90 с. Это приводит к резкому повышению температуры материала. Конечная влажность W_к=6,9 %, а температура лепестков в конце процесса достигает t=90⁰С, что естественно, приводит к пережарению материала и окислению масла в них. Относительно низкий выход масла по сравнению с 2-режимом (рис.2.5) можно объяснить, с одной стороны, пережарением материала во время сушки, с другой стороны, резкое повышение температуры в начале процесса не способствует биохимическому разрушению клеточной структуры масличного материала.

Рис.2.3. Изменение температуры лепестков ядер абрикоса в зависимости от режимов облучения

1-режим +45-45+20-40+20-40+20-40+20-40+20-40+20=410 с
2-режим +60-60+20-40+20-40+20-40+20-40+20-40+20=440 с
3-режим +90-90+20-40+20-40+20-40+20-40+20=440 с
"+" время ИК-облучения, с
"-" время "отлежки", с

Рис.2.4. Кинетика сушки лепестков ядер абрикоса в зависимости от режимов облучения

1-режим +45-45+20-40+20-40+20-40+20-40+20-40+20=410 с
2-режим +60-60+20-40+20-40+20-40+20-40+20-40+20=440 с
3-режим +90-90+20-40+20-40+20-40+20-40+20=440 с
"+" время ИК-облучения, с
"-" время "отлежки", с

Рис.2.5. Зависимость выхода косточкового масла от плотности лучистого потока

1-режим +45-45+20-40+20-40+20-40+20-40+20-40+20=410 с
2-режим +60-60+20-40+20-40+20-40+20-40+20-40+20=440 с
3-режим +90-90+20-40+20-40+20-40+20-40+20=440 с
"+" время ИК-облучения, с
"-" время "отлежки", с

Облучение материала лучистым потоком плотностью 5-6 кВт/м² сопровождается недожарением материала, а облучение лучистым потоком плотностью выше 8,5 кВт/м² - к пережарению лепестков. И то, и другое приводят к снижению выхода масла (рис.2.5.).

Из анализа результатов предварительных экспериментов приходим к выводу, что наиболее рациональным является варьирование значений влияющих параметров в следующих пределах: плотность лучистого потока Е=6,5-8,5 кВт/м²; режим облучения, при котором продолжительность всего ИК-облучения составляет ф =140-220 с; начальная влажность W_н=11-15%;

Выбор значения плотности лучистого потока в пределах 6,5 - 8,5 кВт/м² обусловлен тем, что уменьшение плотности лучистого потока приводит к увеличению продолжительности процесса сушки, а увеличение плотности лучистого потока приводит к пережарению поверхностного слоя ядер, где температура достигает более 90⁰С. И в первом, и во втором случаях процесс становится более энергоемким за счет продолжительности процесса сушки (в первом случае) и увеличения мощности теплового потока (во втором случае). Кроме того, увеличение времени сушки и повышение температуры ядра более 85⁰С способствует интенсификации окисления масла в ядрах, денатурации белков, гидролизу амигдалина, разрушению витаминов, приводящих к значительному ухудшению качества и целебных свойств получаемого масла.

2.2.2 Планирование экспериментов

Методика планирования экспериментов позволяют наиболее экономичным и эффективным способом получить математические модели исследуемого процесса в реализованном диапазоне изменения многих факторов, влияющих на процесс.

Реализация интенсификация процесса ИК-термообработки лепестков ядер косточковых культур связана с получением расчетных уравнений, позволяющих определить продолжительность процесса термообработки и рациональные параметр режима процесса. С целью нами применен метод планирования многофакторных экспериментов [27].

В качестве основных факторов, влияющих на процесс ИК-термообработки лепестков ядер абрикоса, приняты: плотность лучистого потока Е (кВт/м²); начальная влажность ядер W_н (%). Пределы варьирования факторов выбраны, исходя из анализа результатов предварительных экспериментов по изучению процесса ИК-термообработки.

В качестве искомых функций приняты выход масла Y_вых (%), конечная температура ядер t_к (⁰С).

В нашем случае, когда число факторов равно трем, при реализации плана эксперимента в виде греко-латинского квадрата, необходимо поставить 25 опытов, варьируя факторы на 5 уровнях.

Выделение факторов и уровней их варьирования представлено в табл.2.1.

Табл.2.1. Уровни изучаемых факторов

№ п/п	Факторы	Уровни
		1	2	3	4	5
1	Плотность лучистого потока, Е (кВт/м2)	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5
2	Продолжительность ИК-обработки, ф (сек)	140	160	180	200	220
3	Начальная влажность ядер, W (%)	11	12	13	14	15

Реализация плана экспериментов в виде греко-латинского квадрата mⁿ, где m=3- число факторов; n=5-число уровней со значением факторов представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Результаты воспроизведения плана эксперимента

№№ п/п	Е, кВт/м2	ф, сек;	W, %.	Yвых, %	tк, оС
1	6,5	140	11	84,6	68
2	6,5	180	13	85,2	72
3	6,5	160	12	83,9	70
4	6,5	220	15	86,3	72
5	6,5	200	14	85,8	71
6	7,5	140	15	88,2	78
7	7,5	180	14	91,3	80
8	7,5	160	11	95,7	84
9	7,5	220	13	93,5	86
10	7,5	200	12	80,2	80
11	7,0	140	13	83,3	75
12	7,0	180	12	97,2	80
13	7,0	160	15	89,3	78
14	7,0	220	14	95,4	87
15	7,0	200	11	96,2	83
16	8,5	140	14	86,3	82
17	8,5	180	11	91,4	87
18	8,5	160	13	92,5	85
19	8,5	220	12	80,9	95
20	8,5	200	15	91,5	90
21	8,0	140	12	94,1	82
22	8,0	180	15	93,2	85
23	8,0	160	14	87,6	80
24	8,0	220	11	94,4	88
25	8,0	200	13	91,3	83

Структура матрицы такова, что при проведении всех опытов каждый уровень любого фактора встречается один раз с каждым уровнем всех остальных факторов. Для этого каждый уровень фактора задается в опытах столько раз, сколько принято уровней. Этим достигается осредненное действие любого фактора, т.е. достигается тот самый эффект, который имеет место при бесконечно большом числе экспериментов со случайной вариацией всех факторов. Тем самым открывается возможность для применения методов математической статистики и достигается экономия в количестве экспериментов.

Из табл.2.3 видно что, среднее значения пяти уровней каждой функции равны общим средним: Y_вых.ср = 89,572 %.

Совпадение среднего значения с общим средним является критерием отсутствия ошибок в расчетах.

Таблица 2.3. Экспериментальные значения частных функций

функции	Уровни	среднее значение
	1	2	3	4	5
Yвых(E)	85,16	89,78	92,28	92,12	88,52	89,572
Yвых(ф)	87,3	89,8	91,66	90,1	89	89,572
Yвых(W)	92,46	89,7	89,16	89,28	87,26	89,572



Эмпирические формулы для формулизации частных зависимостей выхода масла, конечной температуры материала в зависимости от параметров ИК-облучения, начальной влажности материала получены в результате обработки данных методом наименьших квадратов на компьютере.

Формулы и расчетные значения частных функций представлены в табл.2.4.

Таблица 2.4. Расчетные значения частных функций

Функции	Уровни	среднее значение
	1	2	3	4	5
Yвых (Е)=-52,73+5,76 E - 0,1 E2	85,94	89,23	91,76	92,41	87,24	89,32
Yвых (ф)=67,6 ф0,052	87,40	89,5	91,2	90,6	89,49	89,64
Yвых (W)=109,65e(-0015W)	93,02	91,64	90,28	88,94	87,62	90,30

2.2.3 Статистико-математическая модель процесса

Определение значимости частных функций. Чтобы составить суждение о степени обоснованности принятых параметров, нами определено их значимость. В соответствии с положениями математической статистики и теории вероятностей, функции, описывающие процесс, подразделяют на значимые и незначимые. Если функция незначима, то интервал ее изменения не выходит за пределы допустимого разброса экспериментальных данных, т.е. находится в рамках доверительного интервала.

Определяем значимость частных функций зависимостей пользуясь коэффициентом нелинейной множительной корреляции R [32,33]

(2.14)

где N-число описываемых точек (N=5); k-число действующих факторов (k=1); Y_э-экспериментальный результат; Y_р- теоретический (расчетный) результат; Y_ср-среднее экспериментальное значение.

Рис.2.6. Зависимость выхода косточкового масла от плотности лучистого потока

Рис.2.7. Зависимость выхода косточкового масла от времени облучения

Рис.2.8. Зависимость выхода косточкового масла от начальной влажности материала

Значимость определяется по формуле [61:

(2.15)

Расчеты и значения коэффициентов корреляции R и его значимость t_R приведены в табл.2.5 и 2.6.

Табл.2.5. Результаты расчетов

Для функции Y_вых(Е) =-52,73+5,76 E-0,1 E²

E	Yэ	Yр	Yэ-Yр	Yэ-Yср	(Yэ-Yр)2	(Yэ-Yср)2
6,5	85,16	85,945	-0,785	-4,412	0,616225	19,46574
7,0	89,78	89,23	0,55	0,208	0,3025	0,043264
7,5	92,28	91,76	0,52	2,708	0,2704	7,333264
8,0	92,12	92,41	-0,29	2,548	0,0841	6,492304
8,5	88,52	87,24	1,28	-1,052	1,6384	1,106704
				У	2,911625	34,44128

Для функции Y_вых (ф) =67,6 ф^0,052



ф	Yэ	Yр	Yэ-Yр	Yэ-Yср	(Yэ-Yр)2	(Yэ-Yср)2
140	87,3	87,40	-0,11	-2,272	0,01	5,16
160	89,8	89,5	0,30	0,228	0,09	0,05
180	91,66	91,2	0,46	2,088	0,21	4,36
200	90,1	90,6	-0,50	0,528	0,25	0,28
220	89	89,48	-0,49	-0,572	0,24	0,33
				У	0,80	10,18

Для функции Y_вых (W)=109,65*e^(-0015W)

W	Yэ	Yр	Yэ-Yр	Yэ-Yср	(Yэ-Yр)2	(Yэ-Yср)2
11	92,46	93,02	-0,56	2,9	0,31	8,3
12	89,7	91,64	-1,94	0,1	3,75	0,0
13	89,16	90,28	-1,12	-0,4	1,25	0,2
14	89,28	88,94	0,34	-0,3	0,12	0,1
15	87,26	87,62	-0,36	-2,3	0,13	5,3
				У	5,56	13,96

Табл. 2.6. Коэффициент корреляции R и его значимость t_R для частных функций.

Функция	R	tR	Значимость функции
Yвых(Е)	0,94	13,9>2	значима
Yвых (ф)	0,8	3,8>2	значима
Yвых (W)	0,22	0,4<2	незначима

Для получения уравнения технологического процесса импульсной ИК-термообработки лепестков ядер плодовых косточек использована формула, предложенная М.М.Протодьяконовым [32]:

(2.16)

Y_П - обобщенная функция; Y_i- частная функция; произведение частных функций; Y_ср- общее среднее всех учитываемых значений обобщенной функции, в степени на единицу меньше числа частных функций.

Y_вых =(-52,73+5,76 E - 0,1 E²)·( 67,6 ф^0,052)/ 89,32²

Необходимо проверить это уравнение, сравнив результаты вычислений с экспериментальными данными. Для этого в обобщенное уравнение подставляют значения частных функций, соответствующих условиям проведения каждого из экспериментов. Ошибка уравнения вычисляется по формуле:

и составляет 3 % от общей массы масла.



Выводы по главе 2

1. Приведено описание лабораторной экспериментальной установки для термообработки лепестков ядер косточковых культур

Проведено предварительное экспериментальное исследование процесса ИК-термообработки лепестков ядер плодовых косточек для определения влияющих факторов. В качестве основных факторов, влияющих на процесс ИК-термообработки лепестков ядер абрикоса, приняты: плотность лучистого потока Е (кВт/м²); начальная влажность ядер W_н (%). Пределы варьирования факторов выбраны, исходя из анализа результатов предварительных экспериментов по изучению процесса ИК-термообработки.

2. Составлен план экспериментов в виде греко-латинского квадрата mⁿ, где m=3- число факторов; n=5-число уровней и проведены эксперименты.

Проведена математическая обработка результатов экспериментов и в результате обработки данных методом наименьших квадратов на компьютере получены эмпирические формулы для формулизации частных зависимостей выхода масла, конечной температуры материала в зависимости от параметров ИК-облучения, начальной влажности материала.

3. Определена значимость частных функций зависимостей пользуясь коэффициентом нелинойной множительной корреляции R.

4. Получено обобщенное уравнение технологического процесса импульсной ИК-термообработки лепестков ядер плодовых косточек.



3-глава. Методика инженерного расчета аппарата для тепловой обработки лепестков ядер плодовых косточек

3.1 Описание аппарата для тепловой обработки

Установка для теплообработки лепестков ядер плодовых косточек ИК-импульсным облучением, изображенная на рис. 3.1 состоит из привода, ленточного конвейера, корпуса установки, блоков инфракрасных излучателей, устройства для регулирования толщины слоя материала и пульта управления работой установки.

Корпус установки - это коробчатая единая конструкция длиной L м, сваренная из листовой стали толщиной 2-3 мм и стальных уголков.

Блоки ИК - излучателей снабжены дверцами на шарнирах. Открывая их, можно осуществлять монтаж ИК - излучателей или их замену. ИК - излучатели в блоке установлены вдоль конвейерной ленты с шагом, уменьшающимся от оси конвейера к его периферии, что позволяет регулировать плотность лучистого потока по ширине и обеспечить равномерность поля облученности ядер косточек.

Блоки ИК - генераторов представляют собой теплоизолированную камеру, которая огорожена со всех сторон теплоотражающей поверхностью, что позволяет уменьшить потери энергии и обеспечить равномерность лучистого потока, падающего на поверхности обрабатываемого продукта.

Разработанная ИК-установка (рис.3.1) для термообработки лепестков ядер плодовых косточек в импульсном режиме состоит из натяжного устройства 1, конвейера 2, с сетчатой лентой, регулировочного устройства 3 для регулировки заданной величины толщины слоя материала, рабочей камеры 4.

Для удаления паро-воздушной смеси образующейся при ИК - обработке материала предусмотрено вытяжное устройство 5, движение конвейера осуществляется с помощью приводной станции 6 и привода конвейера 7. Транспортер приводится в движение от электродвигателя 10 через волновой редуктор и цепную передачу.

В камере 4 установлены семь блоков ИК - излучателей КГ - 220 - 100 мощностью 1 кВт каждый. Для равномерного и рационального распределения плотности потока ИК - излучения на поверхности обрабатываемого материала ИК - генераторы расположены с неравномерным шагом.

Для равномерного прогрева продукта по всему объему желательно, чтобы продукт располагался на транспортерной ленте в один слой толщиной 8-10 мм. В предлагаемой установке масличный продукт из загрузочного бункера попадает на транспортерную ленту и перед подачей на обработку разравнивается в один слоя. Над транспортерной лентой установлены семь блоков, в которых расположены генераторы инфракрасного излучения 9. Блоки ИК-генераторов расположены друг от друга на некотором расстоянии - для того, чтобы создать равномерный режим облучения.

Ленточный сетчатый конвейер предназначен для последовательного перемещения сырья по возможности сплошным слоем через всю длину установки. При движении конвейера сырьё поочередно проходит зоны облучения и продува теплым воздухом, что создаёт прерывистый режим обработки.

На верхней части установки, в зонах продува воздухом, предусмотрены вентиляционные люки 5.

Рис. 3.1 Предлагаемая полупромышленная установка

1-натяжной барабан; 2-сетчатый конвейер; 3-регулировочная устройство толщины слоя; 4-рабочая камера; 5-выиятяжное устройство; 6-приводная станция; 7-привод; 8-корпус установки; 9-ИК-генераторы; 10-барабан транспортёра; 11-нижная часть камеры; 12-основа камеры

Установка работает следующим образом: лепестки ядер плодовых косточек через распределительный шнек загружается на сетчатую ленту конвейера. Перед поступлением в рабочую камеру регулируется толщина слоя материала. При поступлении в первую зону материал подвергается мощному импульсному воздействию ИК - облучения. В процессе обработки температура достигает 50 - 55⁰С в течении 50 - 60 с, далее начинается вторая зона, которую продукт проходит без тепловых воздействий в течении 50-60 с, В третьей зоне материал подвергается тепловой обработкой в течении 20 - 25 с, температура материала достигает 80 - 85 ⁰С и так далее процесс продолжается 430-440 с в течение которого материал подвергается импульсному ИК-облучению. Проходя ИК - установку материал поступает на экстрагирование.



3.2 Расчет конструктивных параметров аппарата

Для расчета конструктивных размеров ИК - установки исходным данным является производительность. Продолжительность термической обработки, плотность лучистого потока, толщина слоя материала должна соответствовать полученным оптимальным значением данных параметров при теоретических и экспериментальных исследованиях. Производительность установки 750 кг/час по исходному материалу,

Производительность установки по обработанному материалу (в кг/с) определяется:

(3.1)

где - производительность установки по исходному материалу, кг/с; и - начальная и конечная влажность материала.

Длина ленточного сетчатого конвейера (в м) определяется:

(3.2)

Где

- скорость ленты, м/с; F - площадь поперечного сечения слоя ядер на ленте, м²; с - насыпная плотность ядер, кг/м³; b₁- ширина слоя ядер на ленте, м; h - высота слоя ядер на ленте, м; ф_обр - продолжительность обработки ядер в установке, с.

Общая дина установки (в м):

(3.3)

где l₁ и l₂ - расстояния для погрузки и выгрузки ядер, соответственно, м.

Ширина ленты определяется:

b = b₁ + 0,2 м.

Длина конвейера, где происходит первое облучение продукта:

, (3.4)

где ф₁- продолжительность первого облучения, с.

Аналогично находятся длины конвейера, где происходит первая "отлежка", второе облучение и т.д.

Высота установки (в м) определяется (без учета высоты загрузочного бункера):

H = h₁+ h₂ + h₃ + h₄, (3.5)

h₁- высота от пола (основания) до материала на ленте, м; h₂ - высота от обрабатываемого материала до излучателей, м; h₃ - высота от излучателей до экранирующих поверхностей, м; h₄ - толщина изоляции, м.

Для нашего случая получены следующие конкретные данные:

L_раб=7,3 м; L_общ= 7,7 м; b= 0,75 м; В= 1,0 м; H = 0,82 м h₁= 0,5 м; h₂=0,2 м; h₃=0,1 м; h₄= 0,02 м



3.3 Тепловой расчет аппарата

Составим уравнение теплового баланса установки [29] для термообработки лепестков ядер плодовых косточек, предшествующей процессу экстрагирования:

(3.6)

Здесь:

- энергия, затрачиваемая на нагрев материала;

- энергия, затрачиваемая на испарение влаги;

- энергия, теряемая в окружающую среду;

- энергия ИК-излучения, поглощенная объемом материала;

где G_м-масса высушиваемых лепестков ядер, кг/с; с_м - удельная теплоемкость ядер, кДж/кг·К; и_наг - температура нагрева лепестков ядер, К; S_общ - площадь поверхности испарения, м²; q_m - средняя плотность потока влаги, кг/ м²·с; r- удельная теплота парообразования, кДж/кг; S_конв - поверхность конвективного теплообмена, м².

Таким образом уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

(3.7)

Подставляя в уравнение (3.7) значения всех составляющих, найденных экспериментальным или расчетным путем, а также по справочникам и научной литературе, находим значения Q_обл, Q_наг, Q_исп, Q_пот.

Энергия, затрачиваемая на облучение материала Q_обл=16 кВт; энергия на нагрев материала Q_наг=6,25 кВт; энергия, расходуемая на испарение влаги Q_исп= 8,23 кВт; энергия, теряемая на окружающую среду Q_пот=1,12 кВт (для установки П=0,2 кг/с)

3.4 Расчет ожидаемого экономического эффекта от совершенствования процесса термообработки лепестков ядер плодовых косточек на единицу продукции

Расчет ожидаемого экономического эффекта от совершенствования процесса термообработки маслосодержащего материала - лепестков ядер плодовых косточек - выполним на единицу продукции, так как производительность трехсекционного шнекового испарителя составляет 12 т/сут (двухсменный режим работы).

Ожидаемый экономический эффект от совершенствования процесса термообработки лепестков ядер плодовых косточек на единицу продукции, складывается от снижения затрат на единицу вырабатываемой продукции, т.к. после совершенствования процесса термообработки лепестков ядер плодовых косточек не будет необходимости в использовании пара высокого давления, снижается энергоёмкость и материалоёмкость процесса термообработки и интенсифицируется процесс.

В мощность электродвигателя составляет 5 кВт. За сутки работы (при двухсменной работе) расходуется 6 х 125 х 12=9000 сум электроэнергии.

Расход пара в жаровне 1950 х 7,2=21540 сум.

Общий расход за сутки 9000+21540=30540 сум при производительности 12 т/сут или на ед. продукцию (1 т) расход составляет 2545 сум.

Расход энергии за сутки на ИК-установке 16 кВт х 125 х 12 = 24400 сум

В ИК-установке используется электродвигатель транспортера 1 кВт или расход составляет 125х12=1500 сум. Производительность установки 12 т/сут или на ед.продукции (1 т) расход составляет 2158 сум.

Кроме этого, ИК-установка имеет очень маленькие габариты по сравнению со шнековым испарителем и экономия металла здесь налицо. Предлагаемая установка употребляет только электроэнергию, таким образом, необходимость котельного оборудования исключена, что очень важно при использовании в фермерских хозяйствах.



Выводы по главе 3

Приведена инженерная методика расчета теплового расчета и конструктивных параметров установки для проведения инфракрасной импульсной обработки лепестков ядер плодовых косточек перед их обезжириванием.

Описаны устройство и принцип работы предлагаемой полупромышленной установки для тепловой обработки лепестков ядер плодовых косточек

Применительно к конкретным условиям рассчитаны конструктивные размеры полупромышленной установки производительностью 12 т/сутки.

Выполнен расчет ожидаемого экономического эффекта от совершенствования процесса термообработки лепестков ядер плодовых косточек на единицу продукции.



Общие выводы

1. Проанализировано современное состояние процесса тепловой обработки косточковых маслосодержащих культур для извлечения масла, в том числе проведен анализ существующих способов и установок для термообработки и сушки масличных ядер и семян, изучены технология производства косточкового масла.

Изучены изменения физиолого-биохимических свойств лепестков ядер плодовых косточек и качества масла при тепловой обработке. Показано, что стадия тепловой обработки масличного материала перед извлечением масла обеспечивает сложные многообразные превращения веществ сырья и влияние его на качество конечного продукта.

2. Создана экспериментальная установка для исследования процесса ИК-термообработки косточковых маслосодержащих материалов. Проведено планирование экспериментов, проведены опыты и на основании анализа результатов опытов определены эмпирические формулы и рациональные режимы импульсной ИК-термообработки лепестков ядер плодовых косточек перед обезжириванием.

3. Разработана методика инженерного расчета ИК-установки для лепестков ядер плодовых косточек, проведены конструкторский, тепловой и экономические расчеты предлагаемой установки.



Список использованной литературы

1. Каримов И.А. Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана.-Т.:Узбекистан, 2009, - 48 с.

2. Руководство по технологии получения и переработки получения и переработки растительных масел и жиров. Том 1, книга1. Под общ.редак. А.Г.Сергееева.- Л.:ВНИИЖ, 1975 г. - 725 с.

3. Базарбаева Д.Ш. Сушка семян хлопчатника при комбинированном энергоподводе.Дисс..канд.техн.наук.-М.:МТИПП, 1982 г.

4. Разрушение клеточной структуры мятки семян хлопчатника при ее обработке // Мехмонов И.И. и др. Тез.докл.респуб.научно-техн.конф., Ташкент, 1990.

5. Сафаров А.Ф. Влаготепловая обработка масличных культур. Дисс…докт.техн.наук- Ташкент: 1992.

6. Гафуров К.Х. Совершенствование и интенсификация процесса сушки ядер плодовых косточек. // Дис…канд.техн.наук - Ташкент, 1994.

7. Белохвостиков И.И., Ветров А.П. Сравнительная оценка сушилок, применяемых для сушки подсолнечника. // "Масложировая промышленность", 1976, №9,-с.34-37.

8. Оборудование предприятий масло-жировой промышленности/ Б.Н. Чубинидзе и др. - М.:Агропромиздат, 1985.-304 с.

9. Устройство сушильное для волокнистых материалов. //А.С. №1052808, Кл.F26811/4, 1982.

10. Байбаков Н.М., Шушпанов П.И. Опыты по термической обработке кунжута с применением инфракрасного излучения и потоков воздуха // Опыты применения новых физических методов обработки пищевых продуктов, ГОСИНТИ.

11. Жуховитский Б.Я., Птушкин А.Т. Комбинированная радиационно-высокочастотная обжарка бобов какао и ореховых ядер // Обработка пищевых продуктов излучением. - М.: Пищепромиздат.

12. Птушкин А.Т. Исследование электрических способов термической обработки бобов какао // Обработка пищевых продуктов излучением. - М.: Пищепромиздат.

13. Соколовский А.Л. и др. Термическая обработка жиросодержащих ядер радиационным способом // Хлебопекарная и кондитерская промышленность, 1979, №12.

14. Гинзбург А.С. Технология сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая пром-ть, 1976.-247 с.

15. Кунжутное масло с улучшенной окраской и ароматом. Sesame oil with improve color tone and flavor /Заявка 341194 Япония// Сер. 3(3), 1991.

16. Способ получения масел и жиров. / Патент ГДР 290912 МКИ С11 В1/00 №332375, 1991.

17. Повышение выхода оливкового масла при снижении расхода воды. // Fodd Warket. and Technol. -1991,#3, p.12-13.

18. Экстракция с помощью водных ферментативных процессов. // Int.News Flats, Oil and Relat Mater. -1991, #11, p.984-987.

19. Исследование влияния ИК-жарения мятки семян хлопчатника на качественные показатели масла // Сафаров А.Ф. и др. Тез.докл.респуб.научно-техн.конф., Ташкент, 1990.

20. Способ получения хлопкового масла // Артиков А.А. и др. А.С. № 1367471 от 1.04.85.

21. Чубинидзе Б.Н. и др. Оборудование предприятий масло-жировой промышленности.- М.: Агропромиздат, 1985.-304 с.

22. Способ извлечения масла из плодовых косточек // Гафуров К.Х. и др. А.С. №1739624 от 8.02.92.

23. Оптимизация процесса ИК-жарения мятки семян хлопчатника // Усманов А.У. и др. Тез.докл.респ.научно-техн.конф., Ташкент, 1988.

24. Щербаков В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья. - М.: Пищевая пром-ть, 1976, -336 с.

25. Семена масличные. Методы испытаний. Государственные стандарты.

26. Руководство по методам исследований, технологическому контролю и учету производства в масложировой промышленности. Том VI выпуск III. Под общей редакцией В.П.Ржехина и А.Г.Сергеева.- Л.:Тип.ВНИИЖ, 1982.

27. Закин Я.Х., Рашидов Н.Р. Основы научного исследования. - Т.: "Укитувчи", 1981,-207 с.

28. Ильясов С.Г., Красников В.В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1978, - 358 с.

29. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. М.:-Агропромиздат, 1985, -336 с.

30. Щербаков В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья.-М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 336 с.

31. Кретович В.Л. Биохимия растений.-М.: Высшая школа, 1986, -503 с.

32. Малышев В.П. Математическое планирование металлур-гического и химического эксперимента. - Алма-Ата: Наука, 1977.-36 с.

33. Грачев Ю.П.Математические методы планирования экспериментов. -М.:Наука, 2005.-296 с.

34. Интернет сайты: www.ziyonet.uz www.referataz.narod.ru www.kolasc.net.ru www.cnit.ssau.ru/do/ www.iefb.agtu.ru/dist/ www.edu.ioffe.ru www.scholar.ru www.ilm.uz www.freenet.uz www.uza.uz www.aport.ru www.google.ru

Размещено на Allbest.ru