Теоретические аспекты по обоснованию параметров многофункционального устройства для производства продуктов на основе соево-морковно-грибных композиций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические аспекты по обоснованию параметров многофункционального устройства для производства продуктов на основе соево-морковно-грибных композиций

Иванин А.Г.

Гончарук О.В.

Доценко С.М.

Вараксин С.В.

Маркин Д.А.

Аннотация

Для разработанной конструкции устройства для производства продуктов на основе соево-морковно-грибных композиций определены факторы, оказывающие влияние на процесс его работы. Аналитическим путем установлены зависимости, характеризующие процессы, выполняемые устройством. Получены расчетные формулы для определения параметров процесса работы устройства и затрат мощности.

Ключевые слова: многофункциональное устройство, конструктивно-технологическая схема, процесс, экстракция, отжим, соево-морковно-грибная композиция, производительность, работа

Введение

Здоровое питание подразумевает наличие ассортимента продуктов заданного состава и свойств, а также их доступность для человека [1].

В настоящее время в рамках государственной программы здорового питания в РФ определены важнейшие нарушения пищевого статуса населения страны: избыточное потребление животных жиров и дефицит полиненасыщенных жирных кислот, полноценных белков, витаминов (С, Р, РР, в-каротина и др.), а также минеральных веществ и микроэлементов [2].

Одним из аспектов решения данной проблемы является использование соево-морковно-грибных композиций для производства продуктов заданного состава и свойств [3]. морковный грибной продукт

Целью исследований является теоретический анализ рабочего процесса получения продуктов на основе соево-морковно-грибных композиций с помощью многофункционального устройства (МФУ).

Задачи исследований:

- для предложенной конструкции МФУ установить факторы, влияющие на процесс его работы;

- получить кинетическую модель процесса экстракции питательных веществ из соево-морковно-грибной композиции;

- установить расчетные зависимости, характеризующие процесс отжима жидкой фракции из жомового остатка и затраты энергии на работу МФУ.

На основании анализа существующих конструкций технических средств, предназначенных для переработки соевого и корнеплодного сырья разработана рациональная конструкция многофункционального устройства (МФУ) (рис. 1, 2).

МФУ включает емкости-дозаторы 1, связанные с емкостью смесителя 2. В емкости смесителя 2 размещена мешалка 3 (на рис. 2 условно снята). В нижней части емкости смесителя установлен винт 4, размещенный в корпусе 5. В торцевой части корпуса 5 установлена решетка 6, взаимодействующая с ножом 7, посаженным на конец вала 8 винта 4. В совокупности они образуют измельчающее устройство. Со стороны решетки 6 к торцевой части корпуса 5 прикреплен экстрактор 9, выполненный в виде двухстенного полого цилиндра, размещенного горизонтально между измельчающим устройством и разделителем 10. При этом внутренняя стенка 11 полого цилиндра выполнена перфорированной, а наружная стенка 12 снабжена патрубком для подвода экстрагента (воды и т.д.). Разделитель 10 представляет собой винтовой пресс с перфорированной конической насадкой 13 и формующим патрубком 14.

Работает МФУ следующим образом. Из емкостей-дозаторов 1 компоненты в принятом соотношении поступают в корпус 2 смесителя. С помощью мешалки 3 компоненты смешиваются и винтом 4 по полости корпуса 5 подаются в измельчающее устройство решетчато-ножевого типа. Ножом 7 частицы композиции измельчаются и продавливаются через отверстия решетки 6. Измельченная масса поступает в полость экстрактора 9 в разрыхленном состоянии. В эту же полость через патрубок 12 и отверстия внутренней стенки 11 подается экстрагент - вода, в которую за счет диффузии переходят питательные вещества из частиц предварительно измельченной композиции. Поток воды, взаимодействуя с продуктом и свободно омывая частицы, уносит с собой питательные вещества и частицы продукта. С помощью разделителя 10 частицы уплотняются в его конической части, и экстракт отделяется от жома. Экстракт проходит через перфорацию конического корпуса 13, а жомовая фракция выходит через патрубок 14.

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема многофункционального устройства (вид сбоку)

1 - емкости; 2 - смеситель-усредитель; 3 - мешалка;

4 - винт питателя; 5 - прессующий узел



Рис. 2. Конструктивно-технологическая схема МФУ (вид сверху без мешалки)

1 - дозаторы; 4 - винт питателя; 5 - корпус МФУ; 6 - решетка; 7 - нож; 8 - профильный конец вала винта 4; 9 - экстрактор; 10 - разделитель; 11 - внутренняя цилиндрическая стенка экстрактора; 12 - наружняя цилиндрическая стенка экстрактора; 13 - коническая перфорированная насадка; 14 -формирующий патрубок

При этом, ввиду того, что пропускная способность разделителя вдвое больше, чем массовый расход измельчающего устройства, измельченные частицы в экстракторе 9 находятся в свободном разрыхленном состоянии, а потому обильно омываются водным потоком, эффективно отдавая питательные вещества экстрагенту. Именно такое взаимное расположение и принятая совокупность узлов в конструкции агрегата позволяют расширить технологические и эксплуатационные возможности устройства, повышая надежность выполнения указанных процессов при переработке различных композиций, обладающих своими специфическими свойствами.

Согласно технологическому процессу работы разработанного МФУ, измельченные частицы вымываются водой из отверстий измельчающей решетки и попадают в экстракционную камеру. В данной камере полученные частицы омываются водой, и из них экстрагируются белки, витамины, углеводы, минеральные вещества и ферменты, которые в совокупности составляют определенную концентрацию так называемых сухих веществ.

Количество этих веществ КСВ, переходящих из растворимых клеток перерабатываемого сырья, зависит от множества как управляемых, так и неуправляемых факторов, основными из которых являются: степень измельчения исходного сырья л, гидромодуль, а также температура водной среды.

Выход сухих веществ в водный экстрагент подчиняется следующей экспоненциальной зависимости

(1)

где: - соответственно, начальная и конечная концентрация сухих веществ в экстрагенте;

С - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние неуправляемых факторов на процесс экстракции.

Процесс экстрагирования сухих веществ в воду, как известно, является диффузионным. На скорость данного процесса существенное влияние оказывают такие факторы, как температура экстрагента, степень измельчения частиц соево-морковно-грибной композиции, гидромодуль и ряд других неуправляемых факторов. Скорость потери концентрации сухих веществ соево-морковно-грибной композицией (%/С·100 г) представили как

(2)

где: t - время экстракции;

КСВ - концентрация сухих веществ, перешедших в воду;

С 1 - эмпирический коэффициент.

Преобразованием данного выражения приведем его к следующему виду:

(3)

где С 2 - эмпирический коэффициент.

Интегрирование данного уравнения от до произвольного значения , включая , дает:

(4)

Значение коэффициента С 2 является функцией таких факторов, как температура воды, степень измельчения частиц композиции, гидромодуля и т.д.

Представим продолжительность процесса экстракции (кинетику процесса) как

(5)

где: Vч - объем измельченных соево-морковно-грибных частиц, равный ;

л - степень измельчения;

с - плотность частиц;

QМФУ - производительность многофункционального устройства.

Приравнивая правые части выражений 4 и 5, имеем, что

(6)

где: QЭ - производительность МФУ по процессу экстракции сухих веществ их соево-морковно-грибной композиции;

tЭ - продолжительность экстракции.

Решение уравнения 1 относительно параметра tЭ приводит его к следующему виду:

(7)

где: ц1 = 2,3/С 1;

[KСВ] - требуемое по нормам содержание сухих веществ в ЗЦК.

Процесс экстракции в предложенном МФУ осуществляется как на участке, представленном цилиндрической формой l1, так и конической формой разделителя l2.

Тогда общая длина экстрактора составит:

LЭ = l1 + l2. (8)

При этом общее время экстракционного процесса равно:

 (9)

где - время движения пульпы по цилиндрической части экстрактора.

С учетом данных подходов можно записать следующее выражение для определения интенсивности процесса экстракции в зависимости от геометрических параметров МФУ:

(10)

где: VЭ - объем цилиндрической камеры;

dЭ - диаметр камеры;

h - высота конической части разделителя;

R - радиус большого основания конической части разделителя

r - радиус меньшего основания конической части разделителя.

Затраты энергии на процесс отжима соево-морковно-грибной суспензии в камере конического пресса можно определить по формуле

(11)

где: - работа, затрачиваемая на выполнение процесса отжима суспензии из соево-морковно-грибной фракции;

- производительность МФУ по процессу.

Производительность МФУ по процессу отжима равна:

 (12)

где: - производительность по соево-морковно-грибной суспензии;

- производительность по жомовой соево-морковно-грибной фракции.

Равенство 12 представим в следующем виде:

(13)

где: и - соответственно, масса соево-морковно-грибной пульпы (вода + измельченное соевое, морковное и грибное сырье), масса соево-морковно-грибной суспензии (СМС) (вода + сухие вещества, диффундировавшие из частиц соево-морковно-грибного сырья в воду), а также масса жомовойсоево-морковно-грибной фракции (ЖСМГФ);

- продолжительность обработки соево-морковно-грибной пульпы (СМГП), равная продолжитеьностиотжима .

Выразив массы через соответствующие объемы плотности продуктов , получаем, что

(14)

Соответственно, из данного уравнения баланса имеем, что

 (15)

Продолжительность отжима представим как

где,

и получим:

(16)

В данном выражении параметр зависит от принятой формы поперечного сечения, так называемого "желоба" винта и его длины 1ж.

Для формы поперечного сечения желоба винта предложенной конструкции (рис. 3), с учетом уменьшения диаметра винта по его длине, можно записать:

(17)



Рис. 3. Схема к определению параметров конического разделителя

При этом для принятой конической формы винта закон изменения плотности по длине желоба имеет следующий вид:

(18)

где: Cс - эмпирический коэффициент;

li - длина желобковой части на диаметре dвi,, равная рdвi/sinб.

В конечном итоге выражение 16 примет вид:

(19)

Из анализа данных процесса также следует, что

(20)

где: - удельная работа, затрачиваемая на выполнение процесса сжатия жомовой фракции;

- работа, связанная с определением сил трения.

Работа сжатия для нашей конструкции шнекового отжимающего устройства равна:

(21)

где: С и т - эмпирические коэффициенты, характеризующие свойства соево-морковно-грибной композиции;

- диаметр выходного отверстия пресса;

- плотность жомовой фракции в выходном отверстии пресса;

- длина запрессованной порции (формующего сопла);

- начальная плотность продукта.

Примем следующие обозначения:

, а .

С учетом данной замены имеем, что

В то же время для работы силы трения можно записать

(22)

где: f - коэффициент трения жомовой фракции о стенки отверстия;

о - коэффициент бокового распора;

l0 - длина отверстия.

Приравнивая правые части уравнений 21 и 22 на основе условия 20 и решая их относительно параметра l0, имеем, что

(23)

где - степень уплотнения соево-морковно-грибной жомовой фракции.

В конечном итоге имеем, что

(24)

Заключение

На основании установленных факторов процесса функционирования МФУ получена кинетическая модель экстракции питательных веществ из соево-морковно-грибной композиции. С учетом такого параметра, как продолжительность экстракции, обоснована производительность МФУ. Полученные зависимости характеризуют процесс отжима экстракта из соево-морковно-грибного жома, а также позволяют определить затраты энергии на осуществление рабочего процесса МФУ. Полученные данные позволяют проектировать технические средства данного назначения.

Список использованных источников

1. Тутельян В.А. Питание и здоровье // Пищевая промышленность. - 2004, №5. - С. 5-6.

2. Тутельян В.А. Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания населения // Федеральные и региональные аспекты политики в питании населения. - Новосибирск. - 2002. - С. 11-13.

3. Доценко С.М. Научно-практические аспекты создания продуктов питания заданного состава и свойств с использованием соево-растительных композиций. Монография. - Благовещенск: Изд-во ДВОКУ. - 2010. - 354 с.

Размещено на Allbest.ru

...