Krasnoyarsk, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Cel' issledovaniya – izuchenie vliyaniya konstruktivno-rezhimnyh parametrov eksperimental'noy ustanovki na energoemkost' i prodolzhitel'nost' otvolazhivaniya zerna. Zadachi: opredelenie energoemkosti i prodolzhitel'nosti processa otvolazhivaniya v zavisimosti ot oborotov vala, ugla naklona i shaga ustanovki lopatok ustanovki dlya otvolazhivaniya zerna. Eksperimental'nye issledovaniya provodilis' v Inzhiniringovom centre FGBOU VO «Krasnoyarskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet», v kachestve ob'ekta byl vzyat sort pshenicy Novosibirskaya-31 kak naibolee rasprostranennyy v vostochnoy zone Krasnoyarskogo kraya. Issledovaniya provodilis' v dva etapa: na pervom etape provodilis' issledovaniya po izucheniyu processov vlagoperenosa pri uvlazhnenii zerna; na vtorom – pri otvolazhivanii. Vlazhnost' zerna pri otnositel'noy vlazhnosti vozduha 43 % sostavlyala 9,9 %. Optimal'naya vlazhnost' zerna v processe ekstrudirovaniya dolzhna sootvetstvovat' 17–18 %. Poetomu dlya dostizheniya celi issledovaniya na pervom etape opredelyali izmenenie vlazhnosti zerna pshenicy (W, %) v zavisimosti ot vremeni ego uvlazhneniya (τ, min). Opredeleny chislennye znacheniya optimal'nyh konstruktivno-tehnologicheskih parametrov raboty otvolazhivatelya: oboroty vala otvolazhivatelya φ = 10min-1, ugol naklona lopasti otnositel'no vala otvolazhivatelya α=60°, shag ustanovki lopatok na valu otvolazhivatelya L= 200 mm, pri kotoryh vremya otvolazhivaniya sostavit t = 1,5 chasa, energoemkost' processa E = 9,1kVtch/t.
wheat grain, moisturizing; cooling, extruding; humidity, revolutions of the cooling unit shaft, blades, energy intensity
Введение. Организм человека испытывает потребности в энергии, минеральных соединениях и биологически активных веществах, которые обеспечиваются за счет употребления в пищу продуктов питания, полученных при переработке зерновых культур. Одним из перспективных способов переработки зерна в пищевой промышленности является экструзия [1–7]. В результате экструдирования злаковых и крупяных культур получают быстрорастворимые пищевые продукты, сухие завтраки (снеки, чипсы и т.д.), текстурированную муку и ингредиенты для кондитерской продукции [8].
При производстве экструдата из зерновых культур необходимо стремиться к тому, чтобы влажность оболочек и эндосперма была максимально одинакова [9, 10].
Из методических рекомендаций по техническому проектированию предприятий по переработке зерна известно, что для эффективной работы оборудования необходима исходная влажность материала 17–18 %. Выпускаемое в настоящее время оборудование для увлажнения и отволаживания зерна металлоемко, продолжительность отволаживания колеблется от 8 часов и более.
Цель исследования – изучить влияние конструктивно-режимных параметров экспериментальной установки на энергоемкость и продолжительность отволаживания зерна.
Задачи: определить энергоемкость и продолжительность процесса отволаживания зерна в зависимости от оборотов вала, угла наклона и шага установки лопаток для отволаживания зерна.
Методы и результаты. Экспериментальные исследования проводились в Инжиниринговом центре ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет», в качестве объекта был взят сорт пшеницы Новосибирская-31 как наиболее распространенный в восточной зоне Красноярского края.
Исследования проводились в два этапа: на первом этапе – исследования по изучению процессов влагопереноса при увлажнении зерна; на втором – при отволаживании. Влажность зерна при относительной влажности воздуха 43 % составляла 9,9 %. Оптимальная влажность зерна в процессе экструдирования должна соответствовать 17–18 %. Поэтому для достижения цели исследования на первом этапе определяли изменение влажности зерна пшеницы (W, %) в зависимости от времени его увлажнения (τ, мин).
Так как поглотительная способность зерна зависит от его стекловидности, была определена стекловидность сухого зерна, которая для данного сорта составила 75,2 %. При изучении процесса увлажнения зерна его орошали расчетным количеством воды, необходимым для изменения влажности от 10 до 17 %. Температура воды составляла 20 ºС.
Эксперимент проводился с перемешиванием увлажняемого зерна в смесителе лопастного типа и без перемешивания (рис. 1).
Результаты эксперимента показали, что основная масса воды впитывается зерном в первые 2–3 мин. При увлажнении с перемешиванием необходимая влажность достигается за 5 мин, без перемешивания за 13–15 мин.
Интенсификации процесса отволаживания зерна пшеницы можно добиться путем его перемешивания в процессе отволаживания.
Для установления оптимальных конструктивно-технологических параметров и более полного изучения рабочего процесса отволаживателя зерна проведены однофакторные эксперименты. Интервалы и уровни варьирования факторов представлены в таблице.
Рис. 1. Динамика влажности зерна пшеницы в процессе отволаживания
Интервалы и уровни варьирования факторов
|
Параметр |
Обороты вала отволаживателя w, мин-1 |
Угол наклона лопаток относительно вала отволаживателя, α° |
Шаг установки лопастей на валу отволаживателя L, мм |
|
x1 |
x2 |
x3 |
|
|
Верхний уровень (+) |
15 |
60 |
300 |
|
Основной уровень (0) |
10 |
45 |
200 |
|
Нижний уровень (–) |
5 |
30 |
100 |
В качестве критериев оптимизации выбраны показатели: y1 – стекловидность зерна Ос, %; y2 – удельные энергозатраты E, (кВт · ч)/т.
Отволаживание зерна в бункере без перемешивания до полного распределения влаги в зерновке длится 10 ч. Для проведения экспериментальных исследований по определению конструктивно-режимных параметров отволаживателя зерна [11] была изготовлена лабораторная установка (рис. 2).
При проведении экспериментальных исследований было установлено, что при увеличении частоты вращения вала установки наибольшая энергоемкость процесса при w = 15 мин-1.
Анализируя данные рисунков 3 и 4, можно сделать вывод: шаг установки лопастей значительного влияния на энергоемкость и продолжительность отволаживания зерна не оказывает.
Изменение стекловидности зерна в зависимости от времени отволаживания и угла наклона лопаток относительно вала отволаживателя представлено на рисунке 5.
Из полученных данных видно, что угол наклона лопастей относительно вала отволаживателя оказывает влияние на время отволаживания, так, при α = 60° процесс перемешивания происходит более интенсивно, чем при α = 45° и α = 30°. При α = 60° процесс перераспределения влаги в зерновке полностью заканчивается через 1,5 ч, при α = 45° – через 2 ч, α = 30° – через 3 ч.
Рис. 2. Общий вид лабораторной установки для исследования процессов
увлажнения и отволаживания зерна
Рис. 3. Зависимость энергоемкости, (кВт · ч)/т, от частоты вращения вала
установки (w) и угла наклона лопаток (
a)
Рис. 4. Зависимость энергоемкости, (кВт · ч)/т, от частоты вращения вала
установки (w) и шага установки лопаток (L)
Рис. 5. Изменение стекловидности зерна в зависимости от времени отволаживания
и угла наклона лопаток ( a) при w = 10 мин-1, L = 200 мм
Из данных, представленных на рисунке 6, следует, что наименьшее время отволаживания зерна τ = 1,5 ч получено при частоте вращения вала w = 15 мин-1, которое незначительно отличается от времени τ = 1,6 ч, полученного при w = 10 мин-1. При частоте вращения вала w = 5 мин-1 время отволаживания увеличивается до 2,8 ч.
Рис. 6. Влияние времени отволаживания на стекловидность зерна (%) в зависимости
от частоты вращения вала (w) при L = 200 мм, α = 45°
Данные исследования позволили определить рациональные режимы, при которых имеет место наибольшая эффективность процесса отволаживания зерна пшеницы.
Заключение. На основании результатов экспериментальных исследований определены рациональные режимы работы отволаживателя зерна: частота вращения вала отволаживателя φ = 10 мин-1; угол наклона лопаток относительно вала отволаживателя α = 60°; шаг установки лопаток на валу отволаживателя L = 200 мм. При рациональных режимах работы установки время отволаживания составляет t = 1,5 ч, энергоемкость процесса Е = 9,1 (кВт·ч)/т и стекловидность зерна равна 53–54 %, что свидетельствует о равномерном распределении влаги внутри зерновки и снижении ее прочности. По сравнению с вариантом без перемешивания зерна в предлагаемом варианте время отволаживания уменьшилось с 10 до 1,5 ч и энергоемкость – с 14,8 до 9,1 (кВт·ч)/т.
1. Egorov G.A. Upravlenie tehnologicheskimi svoystvami zerna. M.: IK MGUPP, 2005. 165 s.
2. Egorov G.A. Tehnologiya muki. Tehnologiya krupy: uchebnik. M.: KoloS, 2019. 296 s.
3. Mirzhigot A.S., Myasov N.V. Analiz sposobov uvlazhneniya zerna v tehnologiyah ekstrudirovannyh kormov // Innovacionnye tendencii razvitiya rossiyskoy nauki: mat-ly mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (4 aprelya 2021 g.) / Krasnoyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2021. Ch. 1. S. 238–239.
4. Chaplygina I.A., Matyushev V.V. Sovershenstvovanie tehnologii proizvodstva muki iz ekstrudata // Nauka i obrazovanie: opyt, problemy, perspektivy razvitiya: mat-ly mezhdunar. nauch.-prakt. konf. / Krasnoyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2019. S. 166–168.
5. Chaplygina I.A., Matyushev V.V. Sovershenstvovanie tehnologii polucheniya hleba s ispol'zovaniem muki iz ekstrudata // Problemy sovremennoy agrarnoy nauki: mat-ly mezhdunar. nauch.-prakt. konf. / Krasnoyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2018. S. 200–202.
6. Chaplygina I.A. Perspektivnye tehnologii i oborudovanie proizvodstva vysokoenergeticheskih ekstrudirovannyh kormov / I.A. Chaplygina [i dr.] // Problemy sovremennoy agrarnoy nauki: mat-ly mezhdunar. zaoch. nauch. konf. / Krasnoyar. gos. agrar. un-t. Krasnoyarsk, 2016. S. 54–56.
7. Chaplygina I.A. Analiz energeticheskoy cennosti ekstrudatov na osnove zerna pshenicy i kartofelya / I.A. Chaplygina [i dr.] // Vestnik KrasGAU. 2017. № 5. S. 90–95.
8. Anisimova L.V. Raspredelenie vlagi v zerne krupyanyh kul'tur pri uvlazhnenii i otvolazhivanii // Izvestiya vuzov. Pischevaya promyshlennost'. 2005. № 1. S. 60–62.
9. Buzoverov S.Yu. Ocenka kachestva zerna pshenicy v processe ego gidrotermicheskoy obrabotki // Vestnik Altayskogo GAU. 2012. № 1 (87). S. 71–74.
10. Buzoverov S.Yu. Razrabotka ustroystva dlya uvlazhneniya i otvolazhivaniya zerna pshenicy // Vestnik Altayskogo GAU. 2019. № 2 (172). S. 161–167.
11. Pat. RU 201 660 U1 V02V 1/04 (2020.08), V02V 1/06 (2020.08). Ustroystvo dlya pererabotki zerna / V.V. Matyushev, A.V. Semenov, I.A. Chaplygina, A.S. Mirzhigot, N.V. Myasov. Zayav. 07.04.2020; opubl. 28.12.2020, Byul. № 1.
