Исследование режимов работы установки для отволаживания зерна

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 отво-лаживателя w, мин-1	Угол наклона лопаток относительно вала отволаживателя, α°	Шаг установки лопастей на валу отволаживателя L, мм
	x 1	x 2	x 3
Верхний уровень (+)	15	60	300
Основной уровень (0)	10	45	200
Нижний уровень (–)	5	30	100

В качестве критериев оптимизации выбраны показатели: y 1 – стекловидность зерна О с, %; y 2 – 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 отвола-живателя 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 значи- тельного 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 отволажива-теля оказывает влияние на время отволажива-ния, 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

□ Za=60“     □ Za=45°     □ Za=30°

Рис. 3. Зависимость энергоемкости, (кВт ■ ч)/т, от частоты вращения вала установки (w) и угла наклона лопаток ( л а )

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 ( α ) 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 отли чается от времени т = 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 отво-лаживания зерна пшеницы.

Заключение. На основании результатов экспериментальных исследований определены рациональные режимы работы отволаживателя зерна: частота вращения вала отволаживателя Ф = 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 отвола-живания уменьшилось с 10 до 1,5 ч и энергоемкость - с 14,8 до 9,1 (кВт-ч)/т.