Красноярский край, Россия
Россия
Россия
Цель исследования – изучение влияния конструктивно-режимных параметров экспериментальной установки на энергоемкость и продолжительность отволаживания зерна. Задачи: определение энергоемкости и продолжительности процесса отволаживания в зависимости от оборотов вала, угла наклона и шага установки лопаток установки для отволаживания зерна. 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 проводились 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). Определены численные значения оптимальных конструктивно-технологических параметров работы отволаживателя: обороты вала отволаживателя φ = 10мин-1, угол наклона лопасти относительно вала отволаживателя α=60°, шаг установки лопаток на валу отволаживателя L= 200 мм, при которых время отволаживания составит t = 1,5 часа, энергоемкость процесса Е = 9,1кВтч/т.
зерно пшеницы, увлажнение, отволаживание, экструдирование, влажность, обороты вала отволаживателя, лопасти, энергоемкость
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. Егоров Г.А. Управление технологическими свойствами зерна. М.: ИК МГУПП, 2005. 165 с.
2. Егоров Г.А. Технология муки. Технология крупы: учебник. М.: КолоС, 2019. 296 с.
3. Миржигот А.С., Мясов Н.В. Анализ способов увлажнения зерна в технологиях экструдированных кормов // Инновационные тенденции развития российской науки: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. (4 апреля 2021 г.) / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2021. Ч. 1. С. 238–239.
4. Чаплыгина И.А., Матюшев В.В. Совершенствование технологии производства муки из экструдата // Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2019. С. 166–168.
5. Чаплыгина И.А., Матюшев В.В. Совершенствование технологии получения хлеба с использованием муки из экструдата // Проблемы современной аграрной науки: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2018. С. 200–202.
6. Чаплыгина И.А. Перспективные технологии и оборудование производства высокоэнергетических экструдированных кормов / И.А. Чаплыгина [и др.] // Проблемы современной аграрной науки: мат-лы междунар. заоч. науч. конф. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2016. С. 54–56.
7. Чаплыгина И.А. Анализ энергетической ценности экструдатов на основе зерна пшеницы и картофеля / И.А. Чаплыгина [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2017. № 5. С. 90–95.
8. Анисимова Л.В. Распределение влаги в зерне крупяных культур при увлажнении и отволаживании // Известия вузов. Пищевая промышленность. 2005. № 1. С. 60–62.
9. Бузоверов С.Ю. Оценка качества зерна пшеницы в процессе его гидротермической обработки // Вестник Алтайского ГАУ. 2012. № 1 (87). С. 71–74.
10. Бузоверов С.Ю. Разработка устройства для увлажнения и отволаживания зерна пшеницы // Вестник Алтайского ГАУ. 2019. № 2 (172). С. 161–167.
11. Пат. RU 201 660 U1 В02В 1/04 (2020.08), В02В 1/06 (2020.08). Устройство для переработки зерна / В.В. Матюшев, А.В. Семенов, И.А. Чаплыгина, А.С. Миржигот, Н.В. Мясов. Заяв. 07.04.2020; опубл. 28.12.2020, Бюл. № 1.
