Материал: Технология сельскохозяйственных продуктов

где р - давление, Па; ρ - плотность жидкости, кг/м³; v -ее скорость, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с²; Н- уровень жидкости, м.

При падении давления ниже давления насыщенных паров жидкость вскипает. При последующем повышении давления пузырьки паров "схлопываются". Генерируемые при этом высокоинтенсивные, но маломасштабные пульсации давления и скорости среды гомогенизируют ее.

Аналогичные явления возникают при движении (вращении) в жидкости плохообтекаемых тел. В аэродинамической тени за плохообтекаемыми телами понижается давление и возникают кавитационные каверны, движущиеся вместе с телами. Их называют присоединенными кавернами.

Движение ультразвуковых волн в жидкой среде. В ультразвуковых гомогенизаторах продукт протекает через специальную камеру, в которой облучается излучателем ультразвуковых волн (рис. 10).

При распространении бегущих волн в среде происходят относительные смещения компонентов, повторяющиеся с частотой генерируемых колебаний (выше 16 тыс. раз в секунду). Вследствие этого границы компонентов среды размываются, частицы дисперсионной фазы дробятся и среда гомогенизируется.

Рис. 8. Схема дробления жировой частицы при прохождении через зазор клапана

Рис. 9. Схема работы клапанного гомогенизатора: 1 -рабочая камера; 2 - уплотнение; 3 - клапан; 4 -корпус

При гомогенизации молока ультразвуковыми волнами и другими возмущениями установлены предельные размеры частиц молока, ниже которых гомогенизация невозможна.

Жировые частицы молока представляют собой округлые, почти сферические частицы размером 1...3 мкм (первичные шарики или ядра), объединенные по 2...50 штук и более в конгломераты (агрегаты, гроздья). В составе конгломератов отдельные частицы сохраняют свою индивидуальность, т. е. остаются четко различимыми. Конгломераты имеют форму цепочек из отдельных частиц. Целостность конгломерата определяется силами адгезионного сцепления округлых частиц.

Рис. 10. Схема ультразвукового гомогенизатора с генерированием пульсаций непосредственно в его объеме: 1-полость гомогенизации, 2- вибрирующая пластика; 3 - сопло, образующее струю жидкости

Все реализуемые на практике способы гомогенизации обеспечивают дробление конгломератов в лучшем случае до размеров первичных шариков. При этом поверхности адгезионного сцепления первичных капель разрываются под действием разности динамических напоров дисперсионной среды, действующих на отдельные части конгломерата. Дробление же первичных капель ультразвуковыми волнами может иметь место только по механизму образования на них поверхностных волн и срыва их гребней потоком дисперсионной среды. Дробление наступает в тот момент, когда силы, вызывающие его, превысят силы, удерживающие первоначальную форму частиц. В этот момент отношение данных сил превысит критическое значение.

Силами, приводящими к дроблению как первичных частиц, так и их конгломератов, являются силы (Н), создаваемые динамическим напором дисперсионной среды:

где Δр_д - динамический напор дисперсионной среды, Па; ρ - плотность среды, кг/м³; u, v - соответственно скорости среды и частицы, м/с; F=πr² - площадь миделевого сечения, м²; r - радиус первичной частицы, м.

Скорость частицы v(t) рассчитывают по формуле, отражающей второй закон Ньютона (равенство произведения массы частицы на ускорение силе лобового сопротивления обтекающей ее среды):

где C_x -коэффициент лобового сопротивления движению капли; т - ее масса, кг;

где ρ_к - плотность частицы, кг/м³.

Теперь скорость частицы v(t) находится интегрированием уравнения

При синусоидальных колебаниях частотой f (Гц) и амплитудой р_а (Па) при скорости звука в дисперсионной среде с (м/с) скорость среды u(t) (м/с) определяется выражением

Первоначальную форму частиц удерживают силы:

для сферической частицы - это сила поверхностного натяжения

где σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

для конгломерата частиц - это сила адгезионного сцепления первичных частиц

где а -удельная сила, Н/м³; r_э - эквивалентный радиус конгломерата, м.

Отношение сил R и R_п, называемое критерием дробления, или критерием Вебера (We), записывается в виде :

для сферической частицы

для конгломерата частиц

Если текущее (зависящее от времени) значение критерия Вебера превысит критическое, т. е. при We(t) > We(t)_кр, радиус первичной частицы r(t) и эквивалентный радиус конгломерата r_э(t) уменьшаются до значения, при котором We(t) =We(t)_Kp. В результате от первичной частицы или от их конгломерата отрывается масса вещества, соответствующая уменьшению радиуса в указанных пределах. При этом справедливы соотношения

В представленных расчетных выражениях для дробления частиц единственный фактор, вызывающий дробление,-разность скоростей частиц и окружающей среды [u(t) - v(t)]. Эта разность увеличивается при уменьшении отношения плотностей ρ/ρ_к. Когда дробятся частицы жира в молоке, это отношение наибольшее и их дробление происходит наиболее трудно. Положение усугубляется тем, что частицы жира молока покрыты более вязкой оболочкой набухших белков, липидов и других веществ. За каждый цикл ультразвуковых колебаний с дробящихся капель срывается небольшое количество мелких капелек, и для протекания дробления в целом необходимо многократное приложение внешних нагрузок. Поэтому продолжительность дробления составляет многие сотни и даже тысячи циклов колебаний. Это и наблюдается на практике при скоростной видеосъемке капель масла, дробящихся ультразвуковыми колебаниями.

Взаимодействие частиц с ударными волнами. Под действием ультразвуковых колебаний обычной интенсивности возможно измельчение только конгломератов капель. Для измельчения первичных капель необходимы возмущения давления интенсивностью около 2 МПа. При использовании современной техники это недостижимо. Поэтому можно утверждать, что ни на каком действующем оборудовании гомогенизация молока до размера частиц менее 1...1,5 мкм не реализуется.

Дальнейшее дробление капель возможно под воздействием серии ударных импулъсов, создаваемых в гомогенизируемой среде специальным побудителем, например поршнем, соединенным с гидравлическим или пневматическим приводом импульсного типа. Скоростная киносъемка капель, на которые воздействуют такие импульсы, показывает, что в данном случае реализуется дробление по механизму "сдувания с их поверхности мельчайших капелек". При этом возмущение скорости окружающей среды приводит к образованию волн на поверхности капель и срыву их гребешков. Многократное повторение этого явления приводит к значительному измельчению капель или частиц жира [1, стр. 229-234].

4. Требования к процессу сушки зерна

Тепловая сушка зерна и семян в зерносушилках - основной и наиболее высокопроизводительный способ. В хозяйствах, на государственных хлебоприемных предприятиях ежегодно такой сушке подвергаются десятки миллионов тонн зерна и семян. На создание зерносушильной техники и ее эксплуатацию затрачиваются огромные средства. Поэтому сушка должна быть правильно организована и проводиться с наибольшим технологическим эффектом.

Практика показывает, что сушка зерна и семян во многих хозяйствах обходится часто значительно дороже, чем в государственной системе хлебопродуктов. Это происходит не только потому, что там используют менее производительные сушилки, но и вследствие недостаточно четкой организации зерносушения, неправильной эксплуатации зерносушилок, несоблюдения рекомендуемых режимов сушки, отсутствия поточных линий. Действующие рекомендации по сушке семян сельскохозяйственных культур предусматривают ответственность за подготовку зерносушилок и их эксплуатацию в колхозах председателей и главных инженеров, а в совхозах - директоров и главных инженеров. Ответственность за технологический процесс сушки возлагается на агрономов и мастеров-зерносушилыциков. Государственные семенные инспекции осуществляют контроль за посевными качествами семян.

Чтобы наиболее рационально организовать сушку зерна и семян, необходимо знать и учитывать следующие основные положения.

1. Предельно допустимую температуру нагрева, т. е. до какой температуры следует нагревать данную партию зерна или семян. Перегрев всегда приводит к ухудшению или даже полной потере технологических и посевных качеств. Недостаточный же нагрев уменьшает эффект сушки и удорожает ее, так как при меньшей температуре нагрева меньше будет удалено влаги.

2. Оптимальную температуру агента сушки (теплоносителя), вводимого в камеру зерносушилки. При пониженной по сравнению с рекомендуемой температуре теплоносителя зерно не нагревается до нужной температуры или для достижения этого потребуется увеличивать срок пребывания зерна в сушильной камере, что снижает производительность зерносушилок. Температура агента сушки выше рекомендуемой недопустима, так как вызовет перегрев зерна.

3. Особенности сушки зерна и семян в зерносушилках различных конструкций, так как эти особенности часто влекут изменение других параметров и прежде всего температуры агента сушки.

Предельно допустимая температура нагрева зерна и семян зависит от:  1) культуры; 2) характера использования зерна и семян в дальнейшем (т. е. целевого назначения); 3) исходной влажности зерна и семян, т. е. влажности их до сушки.

Зерна и семена различных растений обладают разной термоустойчивостью. Одни из них при прочих равных условиях выдерживают более высокие температуры нагрева и даже в течение более длительного времени. Другие и при более низких температурах изменяют свое физическое состояние, технологические и физиологические свойства. Например, семена кормовых бобов и фасоли при более высокой температуре нагрева теряют упругость оболочек, растрескиваются, снижается их полевая всхожесть. Зерно пшеницы, предназначенное для выработки хлебопекарной муки, можно нагревать только до 48-50°С, а зерно ржи - до 60°С. При нагреве пшеницы выше указанных пределов резко снижается количество клейковины и ухудшается ее качество. Очень быстрый нагрев (при более высокой температуре теплоносителя) так же отрицательно влияет на рис, кукурузу и многие зернобобовые: (семена растрескиваются, что затрудняет их дальнейшую переработку, например, в крупу.

Обязательно учитывают при сушке целевое назначение партий. Так, предельная температура нагрева семенного зерна пшеницы 45°С, а продовольственного 50°C. Еще больше разница в температуре нагрева у ржи: 45°С для посевного материала и 60°- для продовольственного (на муку). (Вообще все партии зерна и семян, в которых необходимо сохранить жизнеспособность, нагревают до более низкой температуры. Поэтому ячмень для пивоварения, рожь для солода и т. д. сушат с применением режимов для посевного материала.

Предельно допустимая температура нагрева зерна и семян зависит от их исходной влажности. Известно, что чем больше в этих объектах свободной воды, тем они менее термоустойчивы. Поэтому при содержании в них влаги более 20% и особенно 25% должна быть снижена температура теплоносителя и нагрева семян. Так, при исходной влажности гороха и риса 18% (табл.36) допустимая температура нагрева равна 45°С, а температура теплоносителя 60^оС. Если исходная влажность этих семян 25%, то допустимая температура соответственно будет 40 и 50°С. При этом снижение температуры приводит и к уменьшению испарения (или, как говорят, съема) влаги.

Еще сложнее сушить крупносемянные бобовые и сою, когда при большой влажности (30% и выше) сушку в зерносушилках приходится проводить при низкой температуре теплоносителя (30°С) и нагрева семян (28-30°С) с незначительным съемом влаги за первый и второй пропуск.

Особенности конструкций зерносушилок разных типов и марок определяют возможности их использования для сушки семян различных культур. Так, в барабанных сушилках не сушат бобовые, кукурузу и рис. Перемещение зерна в них и температура агента сушки (110-130°С) таковы, что зерна и семена указанных культур растрескиваются и сильно травмируются.

Таблица 1. Температурные режимы (в °С) сушки семян различных культур на зерносушилках

Следует иметь также в виду, что вследствие определенной влагоотдающей способности зерна и семян почти все сушилки, применяемые в сельском хозяйстве, обеспечивают съем влаги за один пропуск зерновой массы только до 6% при режимах для зерна продовольственного назначения и до 4-5% для посевного материала. Поэтому зерновые массы с повышенной влажностью приходится пропускать через сушилки 2-3 или даже 4 раза (см. табл. 1) [3, стр. 167-170].

Задача № 1

Определить пригодность барабанного сита с заданными параметрами для просеивания 3,0 т/ч муки. Исходные данные:

Решение

Дано:

ρ - насыпная масса материала, 800 кг/м³;

α - угол наклона барабана к горизонту, 6;

μ - коэффициент разрыхления материала, 0,7;- число оборотов барабана, 11 об/мин;- радиус барабана, 0,3 м;- высота слоя материала на сите, 0,05 м.

Рис. 11. Схема барабанного сита: 1 - вал привода; 2 - барабан-короб; 3 - сито

где μ - коэффициент разрыхления материала μ = (0,6-0,8); ρ - насыпная масса материала, кг/м³; α -угол наклона барабана к горизонту, град; R - радиус барабана, м; h - высота слоя материала на сите, м; n - число оборотов барабана, об/мин.

Q = 0,72·0,7·800·11·tg(2·6)· = = 4435,2· 0,2126= 942,92352· 0,002 = 1,88 т/ч

Сравним полученное значение производительности барабанного сита с 3,0 т/ч, приведенными в условии: 1,88 < 3,0 т/ч, значит барабанное сито с заданными параметрами непригодно для просеивания 3,0 т/ч муки.

Ответ: непригодно.

Задача № 2

Определить размеры (длину) плоского гирационного грохота для сортировки 8000 кг/ч материала. Исходные данные:

Решение- эксцентриситет, 12 мм = 0,012 м;

α - угол наклона пружинного грохота к вертикали, 18º;

f - коэффициент трения материала о сито, 0,4;

ρ - насыпная масса материала, 1,3 т/м³ = 1300 кг/м³;- высота слоя материала на сите, 30 мм = 0,03 м;

φ - коэффициент заполнения, учитывающий неполную загрузку несущей поверхности материалом, 0,5.

Рис. 12. Схема гирационного грохота: 1 - пружина; 2 - сито; 3 - вал-вибратор; 4 - эксцентриситет

Частота вращения вала гирационного грохота:

 об/мин.

Скорость продвижения материала по ситу:

, м/с,

где n - частота вращения вала грохота, об/мин; r - эксцентриситет, м; α - угол наклона пружинного грохота к вертикали, град.; f - коэффициент трения материала о сито.

 м/с.

Площадь сечения материала на грохоте S:

, кг/ч,

где S - площадь сечения материала на грохоте, м²; v - скорость продвижения материала по грохоту, м/с; ρ - насыпная масса материала, кг/м³; φ - коэффициент заполнения, учитывающий неполную загрузку несущей поверхности материалом.

 м².

Длина грохота b:

м.

h - высота слоя материала на сите.

Ответ: длина грохота b = 0,66 м.