Материал: Технология сельскохозяйственных продуктов

Технология сельскохозяйственных продуктов

Оглавление

1. Феноменологический, экспериментальный, аналитический методы исследования процессов и аппаратов

. Резание

. Гомогенизация

. Требования к процессу сушки зерна

Задачи

Список литературы

1. Феноменологический, экспериментальный, аналитический методы исследования процессов и аппаратов

Феноменологический метод

Сложность процессов пищевых производств и многообразие действующих факторов являются объективной основой широкого применения так называемых феноменологических зависимостей. Исторически сложилось так, что большое количество явлений переноса энергии и материи аппроксимировано зависимостями вида

I = aX,        (1)

где I - скорость протекания процесса; а - постоянная; X - движущая сила процесса.

В класс таких явлений попали: деформация твердого тела (закон Гука); движение электрического тока по проводнику (закон Ома); молекулярный перенос теплоты (закон Фурье); молекулярный перенос массы (закон Фика); обобщенные (не только молекулярные) закономерности переноса теплоты и массы; потери энергии при движении жидкости по трубопроводу (законы Дарси и Вейсбаха); движение тела в сплошной среде (закон трения Ньютона) и т. д. В законах, описывающих данные явления, постоянные имеют физический смысл и называются соответственно: модуль упругости, электрическое сопротивление, молекулярная теплопроводность, коэффициент молекулярной диффузии, конвективная теплопроводность или коэффициент турбулентной диффузии, коэффициент трения Дарси, вязкость и т. д.

Обратив на это внимание, бельгийский физик русского происхождения И. Пригожин, нидерландские физики Л. Онзагер, С. де Гроот и др. обобщили эти явления в виде соотношения (1), которое получило название феноменологического, или соотношения логики явлений. Оно составило основу феноменологического метода исследований, суть которого кратко формулируется так: при малых отклонениях от состояния равновесия скорость протекания I любого сложного процесса пропорциональна движущей силе этого процесса X. Основная трудоемкость исследований с применением этого метода заключается в выявлении факторов или параметров, которые являются побудителями данного процесса, и факторов, характеризующих его результат. Выявив их, связь между ними представляют в виде зависимости (1), а численное значение связывающего их коэффициента а определяют экспериментально. Например, если движущей силой процесса экстрагирования является разность концентраций ΔС экстрагируемого вещества в сырье и в экстрагенте, а скорость процесса характеризуется производной концентрации этого вещества С в сырье по времени, то можно записать:

 = BΔC,

где В- коэффициент скорости экстрагирования.

Всегда можно назвать целый ряд параметров, характеризующих как движущую силу, так и результативность процесса. Как правило, они однозначно связаны между собой. Поэтому феноменологическое уравнение может быть записано во многих вариантах, т. е. для любой комбинации параметров, характеризующих движущую силу и результативность процесса.

Феноменологический метод, являясь формальным, не раскрывает физической сущности протекающих процессов. Однако его широко применяют вследствие простоты описания явлений и простоты использования экспериментальных данных.

Экспериментальный метод

На основании предварительного анализа исследуемой задачи отбирают факторы, оказывающие определяющее или существенное влияние на искомый результат. Отбрасывают факторы, влияние которых на результат мало. Отбрасывание факторов связано с поисками компромиссов между простотой анализа и точностью описания исследуемого явления.

Экспериментальные исследования проводят, как правило, на модели, но можно использовать для этого и промышленную установку. В результате экспериментальных исследований, выполняемых по определенному плану и с требуемой повторностью, выявляют зависимости между факторами в графической форме или в виде расчетных уравнений.

Экспериментальный метод имеет следующие преимущества:

ü  возможность достижения высокой точности выведенных зависимостей

ü  высокая вероятность получения зависимостей или физических характеристик объекта исследования, которые никаким другим методом найти не удается (например, теплофизические характеристики продуктов, степень черноты материалов и др.).

Вместе с тем экспериментальный метод исследования имеет два существенных недостатка:

ü  большая трудоемкость, обусловленная, как правило, значительным числом факторов, влияющих на исследуемое явление

ü  найденные зависимости являются частными, относящимися только к исследуемому явлению., а это означает, что они не могут быть распространены на условия, отличные от тех, для которых они получены.

Аналитический метод

Этот метод заключается в том, что на основе общих законов физики, химии и других наук составляют дифференциальные уравнения, описывающие целый класс подобных явлений. Например, дифференциальное уравнение Фурье определяет распределение температур в любой точке тела, через которое теплота передается теплопроводностью:

 = a²t,     (2)

где а - коэффициент температуропроводности, м²/с; t - оператор Лапласа;

²t = +  + .

Уравнение (2) справедливо для любой неподвижной среды.

Преимущество аналитического метода заключается в том, что полученные дифференциальные уравнения справедливы для всего класса явлений (теплопроводность, теплообмен, массоперенос и т. д.).

Однако этот метод имеет существенные недостатки:

ü  сложность аналитического описания большинства технологических процессов, особенно процессов, сопровождающихся тепло- и массопереносом; этим объясняется то обстоятельство, что подобных расчетных формул известно сегодня мало

ü  невозможность во многих случаях получить решение дифференциальных уравнений аналитическим путем с помощью известных в математике формул [1, стр. 27-31].

2. Резание

Резание - один из основных технологических процессов пищевой промышленности.

Резанию подвергаются самые различные материалы, как то: конфетная масса и кондитерской промышленности, тестовая масса в хлебопекарной промышленности, овощи и фрукты в консервной промышленности, сахарная спекла в свеклосахарной промышленности, мясо в мясной промышленности.

Эти материалы имеют разнообразные физико-механические свойства, что определяется разнообразием методов резания, вида режущих инструментов, скорости резания, устройств для резания.

Увеличение мощности предприятий пищевой промышленности требует увеличения производительности режущих машин, их экономичности, разработки рациональных режимов резания.

Общие требования, предъявляемые к резательным машинам, могут быть сформулированы так: они должны дать большую производительность, обеспечить высокое качество продукции, высокую износостойкость, простоту эксплуатации, минимальные энергетические затраты, хорошее санитарное состояние, малые габариты.

Классификация устройств для резания

Устройства для резания пищевых материалов могут быть разделены на группы по следующим признакам:

по назначению: для резания хрупких, твердообразных, упруго-вязко-пластичных и неоднородных материалов;

по принципу действия: периодического, непрерывного и комбинированного;

по виду режущего инструмента: пластинчатые, дисковые, струнные, гильотинные, роторные, струнные (жидкостные и пневматические), ультразвуковые, лазерные;

Рис. 1. Виды режущих инструментов: а-ротор; б- гильотинный нож; в- дисковый нож; г-струна

по характеру движения режущего инструмента: с вращательным, возвратно-поступательным, плоскопараллельным, поворотным, вибрационным;

по характеру движения материала при резании и по виду его крепления.

На рис. 1 представлены некоторые виды режущих инструментов: роторные, гильотинные, дисковые, струйные.

Теория резания

Резание имеет задачей обработку материала путем его разделения с целью придания ему заданной формы, размеров и качества поверхности.

На рис. 2 представлена схема резания материала.

Рис2. Cxeмa peзания материала: 1- paзрезаемый материал; 2 - режущий инструмент, 3 - зона пластической деформации, 4 - зона упругой деформации, 5 - граничная зона, 6 - линия разрушения

При peзaнии материалы разделяются на части в результате разрушения граничного слоя. Разрушению предшествует упругая и пластичная деформация, как это показано на рисунке. Эти виды деформации создаются приложением к режущему инструменту силы. Разрушение материала происходит тогда, когда напряжение становится равным временному сопротивлению материала.

Работа резания тратится на создание упругой и пластической деформации, а также на преодоление трения инструмента о разрезаемый материал.

Работу резания можно определить теоретически следующим образом.

Обозначим усилие, которое необходимо приложить к кромке ножа длиной 1 м для разрушения материала через Р (вН/м). Работа А (в Дж) затрачивается на разрезание материала площадью l-l (в м²) будем

А- (Pl)l-Pl²

Отнеся работу к 1 м², получим удельную работу резания (в Дж/м²).

Некоторые типы резок

Свеклорезки и овощерезки. На сахарных заводах получают при изрезывании свекловичную стружку желобчатой или пластинчатой фермы. В консервном производстве изрезыванию подвергаются морковь, свекла, картофель и т. и.

Действие резок основано на относительном движении резательных приспособлений - ножей и материала. Это относительное движение может быть осуществлено различными способами.

Основными типами резок являются дисковые и центробежные. Дисковая резка для свеклы изображена на рис. 3. Она состоит из горизонтального вращающегося диска с прорезями и расположенного над ним неподвижного барабана. В прорезях диска устанавливают рамы с ножами (рис. 4). Диск вращается на вертикальном валу с частотой вращения 70 об/мин. Средняя линейная скорость ножей около 8 м/с.

Барабан заполняется свеклой, которая подлежит изрезыванию. При вращении диска свекла, прижимаясь под действием силы тяжести к ножам, изрезывается в стружку, форма которой зависит от формы ножей.

Кроме дисковых, применяют также центробежные резки. В этиx резках ножи укреплены в прорезях стенок неподвижного вертикального цилиндра. Изрезываемый материал приводится в движение лопастями улитки, вращающейся внутри цилиндра. Центробежная сила прижимает продукт к ножам, которые изрезывают его.

На рис. 5 представлена роторная резка для изделий кондитерской промышленности. Конфетная масса, оформленная в жгуты 3 из матрицы 1 формующей машины попадает на приемный лоток 2 и подается по нему к режущему устройству. Режущеe устройство состоит из набора свободно вращающихся на оси роторов 4 с укрепленными на них ножами. На каждый жгут имеется свой ротор. Он приводится движущимся жгутом во вращение. Отрезанные конфеты 5 попадают на конвейерную ленту 6.

На рис. 6 представлены два типа машин для резания замороженного и незамороженного мяса, хлеба, картофеля, свеклы и пр., получившие название волчков.

Конструкция волчков, применяемых в промышленности, скопирована с мясорубок, xopoшо известных и распространенных в быту. В волчках используются режущие инструменты трех видов: неподвижные подрезные ножи, ножевые решетки и подвижные плоские ножи.

Резание осуществляется парой режущих инструментов - плоскиm вращающимся ножом и ножевой решеткой. Материал подается шнеком, прижимается к ножевой решетке, частицы материала вдавливаются в отверстия решетки, а непрерывно вращающиеся плоские ножи с лезвиями, прижатыми к решеткам, отрезают частицы материала.

Рис. 6. Два типа волчков: а -без принудительной подачи материала; б - с принудительной подачей материала

Частота вращения шнека для тихоходных волчков 100-200, для быстроходных свыше 300 об/мин [2, стр. 72-76].

3. Гомогенизация

Сущность гомогенизации. Гомогенизация (от греч. homogenes - однородный) - создание однородной гомогенной структуры, не содержащей частей, различающихся по составу и свойствам и отделенных друг от друга поверхностями раздела. Гомогенизацию широко применяют в консервном производстве, когда продукт доводится до тонкодисперсной массы с частицами диаметром 20...30мкм при давлении 10... 15 МПа. В кондитерских производствах благодаря гомогенизации, которая заключается в обработке шоколадной массы в коншмашинах, эмульгаторах или меланжерах, обеспечивается равномерное распределение твердых частиц в какао-масле и снижается вязкость массы.

Частицы эмульсий, суспензий, взвесей существенно меньше по размерам, чем рабочие органы любых механических перемешивающих устройств. Размеры частиц меньше размеров вихрей, образуемых перемешивающими устройствами, и меньше размеров других неоднородностей потока сплошной среды. Вследствие инициируемого механическими смесителями движения среды ассоциации частиц перемещаются в ней как единое целое без относительного смещения компонентов дисперсной фазы и дисперсионной среды. Такое движение не может обеспечить перемешивания компонентов среды в необходимых масштабах.

Масштабы, в которых целесообразно перемешивание частиц пищевых продуктов, определяются условиями усвоения пищи. В настоящее время не выявлены границы масштабов, до которых целесообразно гомогенизировать пищевые смеси. Имеется, однако, ряд исследований, свидетельствующих о целесообразности гомогенизации пищевых продуктов вплоть до молекулярного уровня.

Для гомогенизации продуктов используют следующие физические явления: дробление частиц жидкости в коллоидной мельнице; дросселирование жидкой среды в зазорах клапанов; кавитационные явления в жидкости; движение ультразвуковых волн в жидкой среде.

Дробление частиц жидкости в коллоидной мельнице. Между тщательно обработанными твердыми коническими поверхностями ротора и статора коллоидной мельницы (рис. 7) частицы эмульсии могут измельчаться до размеров 2...5 мкм, что часто оказывается достаточным для гомогенизации.

Рис. 7. Схема коллоидной мельницы: 1- ротор; 2-статор; h - зазор

Дросселирование жидкой среды в зазорах клапанов. Если жидкая среда, сжатая до 10...15 МПа, дросселируется, проходя через сопло малого диаметра или через дроссель (дроссельную шайбу), то сферические образования в ней при ускорении в сопле вытягиваются в длинные нити. Эти нити разрываются на части, что и служит причиной их дробления (рис. 8).

Вытягивание сферических образований в нитеобразные определяется тем, что ускорение потока распределено вдоль направления движения. Фронтальные элементы образований раньше тыльных их частей подвергаются ускорению и более длительное время пребывают под воздействием повышенных скоростей движения. В результате сферические жидкие частицы удлиняются. Кавитационные явления в жидкости. Реализуются пропусканием потока сплошной среды через плавно сужающийся канал (сопло) - рисунок 8. В нем она ускоряется, а давление уменьшается в соответствии с уравнением Бернулли