THERMOVACUUM EFFECT THEORETICAL JUSTIFICATION OF THE WORKFLOW UPGRADED EXTRUDER

Full Text

Технологические процессы термопластической экструзии сырья растительного происхождения получили широкое применение при производстве готовых пищевых продуктов; зерновых экструдированных полупродуктов для использования в технологии кондитерских, хлебобулочных и мясных изделий; кормов для различных групп животных, птицы и рыб. Большинство этих экструдатов представляют собой продукты пористой макроструктуры, получаемые путем переработки сырья с высоким содержанием крахмалов [1, 2, 3]. Для получения экструдатов с пористой макроструктурой используют экструдеры с короткими неохлаждаемыми фильерами, при выходе из которых обрабатываемого материала в нем происходит резкое падение давления и «взрывное» испарение воды. При этом интенсивность образования пор зависит не только от конструктивно-технологических параметров экструдера, но и от содержания крахмала в обрабатываемом сырье и его влажности. Содержание воды в сырье предопределяет температуру его перехода в вязко-текучее состояние. Изменяя вязкость системы, вода воздействует на тепловой баланс экструдера, в котором теплота выделяется в результате трения при гомогенизации, пластификации, сдвиге и сжатии перемещаемого в процессе обработки материала. Влажность сырья оказывает существенное влияние на давление и температуру, при которых обрабатываемый материал выходит из фильеры матрицы экструдера. При этом жидкость играет роль летучего, перегретого компонента системы, который обеспечивает парообразование в ней при мгновенном сбросе давления, а также резкое охлаждение и отверждение (гелеобразование) получаемого продукта в процессе взрывного испарения воды [4, 5, 6]. Известен способ получения экструдатов, при котором перерабатываемое сырье из области высокого давления в тракте машины (2,0-2,7 МПа) поступает в вакуумную камеру экструдера с давлением 0,02-0,09 МПа. Конструктивно-технологическая схема экструдера с камерой для термовакуумной обработки получаемого экструдата приведена на рисунке 1. Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема модернизированного экструдера: 1 - электродвигатель; 2 - клиноременная передача; 3 - вал; 4 - загрузочная камера; 5 - корпус экструдера; 6 - шнек; 7 - фильера; 8 - режущее устройство; 9 - вакуумная камера; 10 - вакуумный насос; 11 - шлюзовой затвор; 12 - выгрузная камера; 13 - вакуум-баллон; 14 - вакуум-регулятор Работает модернизированный экструдер следующим образом. Исходное сырьё посредством загрузочной камеры направляется в шнековую часть экструдера. Захваченный шнеком продукт последовательно проходит зоны прессования и дозирования машины, а затем выводится через фильеру матрицы в вакуумную камеру. Термовакуумное воздействие на экструдат в камере модернизированного экструдера позволяет регулировать структурные и функциональные свойства готового продукта, а также его влажность [7, 8]. Цель исследования - теоретическое обоснование термовакуумного эффекта при обработке сырья растительного происхождения в модернизированном экструдере. Задача исследования - определить аналитическими методами зависимость интенсивности испарения влаги с поверхности экструдата от величины вакуума в камере модернизированного экструдера. Материалы и методы исследований. В процессе оценки интенсивности испарения влаги при получении экструдатов наибольшие трудности возникают при рассмотрении перехода жидкости в перегретое состояние и последующего за ним детонационного вскипания, под которым понимается лавинообразное возникновение центров кипения в объеме перегретой жидкости и ее быстрое испарение. Испарение жидкости приводит к тому, что большая часть тепловой энергии, потраченной на перегрев жидкости, преобразуется в механическую энергию сжатия и кинетическую энергию движущейся парожидкостной смеси. Это явление формализуется зависимостью [9] (1) где , , - масса, теплоемкость и величина перегрева «взрывающейся» порции жидкости. Разрушающая способность «взрыва» определяется механизмом вскипания жидкости и количеством выделившейся энергии, которая оценивается следующим выражением: (2) где - теплоемкость; - плотность; - объем вскипевшей части жидкости; - величина перегрева, . Механизм вскипания воды зависит от взаимодействия целого ряда факторов. К ним можно отнести внешний или внутренний импульс давления, под действием которого активируются центры кипения; место расположения и плотность этих центров, а также время и последовательность их активации; зависимость количества центров кипения от давления, температуры и наличия примесей в жидкости. Характер вскипания изменяется в зависимости от относительной величины перегрева и может быть охарактеризован следующей зависимостью: , (3) где , , - температуры жидкости, ее насыщенных паров и предельного (достижимого) перегрева. При малых перегревах ( ) обычно наблюдается кипение в отдельных центрах и в этом случае в парожидкостную смесь превращается лишь малая часть перегретой жидкости, которая непосредственно прилегает к центрам кипения. При перегревах, близких к предельным ( ), вскипание носит взрывной характер и в парожидкостную смесь превращается весь объем перегретой жидкости. Наиболее важной характеристикой взрывного вскипания жидкости служит возникающий при этом импульс давления, который и оказывает в конечном итоге влияние на коэффициент расширения экструдата. В процессе получения экструдатов с пористой структурой, кроме взрывного испарения свободной воды, их влажность может также уменьшаться за счет конвективного массообмена в процессе испарения воды с поверхности продукта. Известно, что скорость испарения воды с поверхности объекта сушки зависит от свойств окружающей среды. Определим скорость испарения воды с поверхности экструдата для случая, когда окружающей средой является сухой воздух. Поскольку в этом случае массообмен определяется конвективным процессом, то поток массы удобно оценивать пропорционально разности между массовыми концентрациями на поверхности и в окружающей среде [10], т.е. , (4) где - скорость испарения воды, кг/с; - коэффициент конвективного массообмена, м/с; - площадь поверхности, м2; - массовая концентрация влаги на поверхности, кг/м3; - массовая концентрация влаги в окружающей среде, кг/м3. Уравнение (4) является основным уравнением для расчета конвективного массообмена при малых значениях потока массы и, в свою очередь, определяет смысл коэффициента конвективного массообмена . Вместе с этим данное уравнение аналогично по форме записи закону Ньютона при охлаждении. Для решения задачи исследования приведем схему испарения влаги с поверхности экструдата (рис. 2) и рассмотрим перенос тепла от горизонтальной поверхности, на которой развивается тепловой пограничный слой. Рис. 2. Схема испарения влаги с поверхности экструдата Над поверхностью экструдированного продукта образуется концентрационный пограничный слой, внутри которого концентрация изменяется в направлении, перпендикулярном горизонтальной поверхности. Снаружи пограничного слоя концентрация водяного пара остается постоянной и равной своему значению в окружающей среде. Между процессами конвективного теплообмена и массообмена существует подобие. Поэтому, получив уравнения для процессов конвективного переноса тепла и массы, можно считать их подобными; причем массовая концентрация аналогична температуре T, а коэффициент бинарной диффузии аналогичен коэффициенту температуропроводности . Методом расчета коэффициента массообмена является использование соответствующего безразмерного соотношения для конвективного теплообмена с подстановкой соответствующих безразмерных комплексов, описывающих процесс массообмена. При этом безразмерным комплексом, описывающим теплообмен, является число Нуссельта; массообмен - число Шервуда; отношение переноса количества движения к теплопроводности - число Прандтля; отношение переноса количества движения к массовой диффузии - число Шмидта; отношение силы инерции к силе вязкости - число Рейнольдса. Результаты исследований. Определим скорость испарения воды с поверхности экструдата для условий, когда площадь экструдата, получаемого с помощью модернизированного экструдера, равна 0,64 м2, сторона квадрата поверхности экструдата L=0,8 м; скорость воздуха в зоне выхода экструдата из фильеры в приемный лоток составляет 0,1 м/с и 6 м/с - при поступлении экструдата в вакуумную камеру модернизированного экструдера. Температура воздуха окружающей среды и в вакуумной камере равна 25°С, а температура воды, находящейся в экструдате в виде пара - 60°С. Перед расчетом подберем соответствующее безразмерное соотношение для числа Шервуда и определим характер течения воздуха в обоих случаях, для чего рассчитаем число Рейнольдса. Для случая поступления получаемого экструдата в среду с атмосферным давлением оно равно , (5) где - критерий Рейнольдса при атмосферном давлении; - плотность воздуха, кг/м3; - скорость воздуха в конечной точке поверхности экструдата, м/с; - длина поверхности экструдата, м; - коэффициент динамической вязкости, Н·с/м2. Число Рейнольдса для случая подачи экструдата в вакуумную камеру равно . (6) Течение воздуха полностью турбулентное в обоих анализируемых случаях, поэтому безразмерные критерий Шервуда найдем из выражения ; (7) где - критерий Шервуда при атмосферном давлении; - критерий Шервуда при экструдировании в вакуумную камеру. Используя данные о физических свойствах воды и воздуха при 25°С, имеем: - коэффициент бинарной диффузии воздух-вода м2/с; - критерий Шмидта Определим число Шервуда для атмосферного давления и для вакуумной камеры . Коэффициент конвективного теплообмена найдем из выражения критерия Шервуда . (8) Выразим его из выражения (8) и получим для атмосферного давления м/с. Для вакуумной камеры коэффициент конвективного теплообмена равен м/с. Определим концентрацию паров воды у поверхности экструдатов и в окружающем воздухе. У поверхности экструдированного продукта воздух насыщенный и имеет относительную влажность 100%. Соотношение между относительной влажностью, температурой насыщения и парциальным давлением водяного пара можно выразить как , (9) где - парциальное давление водяного пара при атмосферном давлении, Па; - относительная влажность воздуха, %; - давление насыщенного пара, Па. Из таблиц для водяного пара давление насыщения при температуре воздуха 25°С равно Па; давление насыщения водяного пара вблизи поверхности экструдированного продукта при примерной температуре 60°С равно Па. Определим концентрацию водяного пара при выбросе экструдированного продукта в атмосферный воздух. Концентрация водяного пара у поверхности экструдированного продукта равна кг/м3, (10) где - молярная масса воды, г/моль; - универсальная газовая постоянная, Дж/(Кмоль ∙ град); - температура, °К. Концентрация водяного пара в воздухе над экструдированным продуктом при относительной влажности воздуха = 60%: кг/м3. (11) С помощью формулы (4) рассчитаем скорость испарения воды . (12) Определим концентрацию водяного пара при подаче экструдированного продукта в вакуумную камеру модернизированного экструдера, для чего найдем концентрацию водяного пара у поверхности экструдата по формуле кг/м3. (13) Концентрацию водяного пара над экструдатом при относительной влажности воздуха = 5% в вакуумной камере можно вычислить из выражения кг/м3. (14) Скорость испарения воды из экструдата в вакуумной камере модернизированного экструдера определим по формуле (4), подставив соответствующие значения параметров . (15) Интенсивность испарения влаги с поверхности экструдата в случае замены атмосферного давления окружающей среды на вакуум камеры модернизированного экструдера можно оценить отношением . (16) Таким образом, применение вакуумной камеры в модернизированном экструдере в сравнении с атмосферным давлением позволит увеличить интенсивность испарения влаги с поверхности экструдата более чем в 29 раз. Заключение. Получено теоретическое обоснование термовакуумного эффекта при обработке сырья растительного происхождения в модернизированном экструдере. Опираясь на первый закон Фика, уравнения состояния идеального газа, а также на теорию подобия, в работе представлен расчет конвективного массообмена влаги в условиях получения экструдата при атмосферном давлении воздуха и при пониженном давлении воздуха в вакуумной камере модернизированного экструдера. При этом скорость испарения влаги с поверхности экструдатов при использовании вакуумной камеры возрастает примерно в 30 раз, что оправдывает ее применение с целью интенсификации обезвоживания и образования пор в готовом продукте.

About the authors

A A Kurochkin

FSBEI HVE Penza STA

Email: anatolii_kuro@mail.ru
dr. techn. sciences, prof. of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzenа, 44 str

G V Shaburova

FSBEI HVE Penza STA

Email: Shaburovs@mail.ru
cand. techn. sciences, associate prof. of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzenа, 44 str

D I Frolov

FSBEI HVE Penza STA

Email: surr@bk.ru
cand. techn. sciences, associate prof. of the department «Food productions» 440072, Penza region, Penza, Antonova, 26 str

P K Voronina

FSBEI HVE Penza STA

Email: worolina89@mail.ru
post-graduate student of the department «Food productions» 440061, Penza region, Penza, Herzenа, 44 str

References

Supplementary files