Питание является одним из важнейших факто- ров, определяющих здоровье общества. Особое вни- мание обращается на качество пищевых продуктов. Важным органическим веществом в организме че- ловека является белок, необходимый для формиро- вания и восстановления мышц, волос, ногтей, кожи и внутренних органов. Он выполняет огромное количество функций, которые поддерживают здо- ровье всего организма. Исходя из этого, для про- ведения исследований по определению ключевых параметров работы вибрационного смесителя была подобрана мучная хлебопекарная смесь с высоким содержанием белка.
При производстве сухих мучных смесей одной из основных проблем является равномерное распреде- ление компонентов, вносимых в небольших количе- ствах, по всему объему готового продукта. Решение данной проблемы – использование вибрационных смесителей из-за их простоты, достаточной эффек- тивности смешивания и ценовых характеристик [1–5]. Исследование работы вибрационных смеси- телей непрерывного действия является актуальной научной задачей, представляющей большой народ- но-хозяйственный интерес для пищевой промыш- ленности [6–8].
Целью данной работы является определение ключевых параметров работы вибрационного смеси-
Таблица 1 – Рецептура мучной хлебопекарной смеси с высоким содержанием белка и дисперсность её ингредиентов
|
теля для получения мучной хлебопекарной смеси с высоким содержанием белка заданного качества.
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследований процесса сме- шивания мучной хлебопекарной смеси был ис- пользован оригинальный вибрационный смеситель непрерывного действия [9].
Проанализировав рынок отечественного и зару- бежного сырья, для экспериментальных исследо- ваний были подобраны рецептурные компоненты с содержанием белка не менее 30 г на 100 г продук- та: изолят сывороточного белка (95 г белка в 100 г продукта), изолят соевого белка (90 г белка в 100 г продукта), сухая пшеничная клейковина (78 г белка в 100 г продукта), кунжутная мука (30 г белка в 100 г продукта) [10–13]. Для проведения расчетов пище- вой ценности была использована методика, разра- ботанная на базе Федерального государственного автономного научного учреждения «Научно-иссле- довательского института хлебопекарной промыш- ленности». В соответствии с приложением 2 к ТР ТС 022/2011 рекомендуемый уровень суточного по- требления белка составляет 75 г. В приложении 4 к ТР ТС 022/2011 приведена таблица коэффициентов пересчета энергетической ценности основных пище- вых веществ пищевой продукции согласно которой в 1 г белка содержится 4 ккал или 17 кДж [14]. Таким образом, была смоделирована рецептура мучной хлебопекарной смеси с высоким содержанием белка с учетом всех вышеперечисленных требований, ко- торая представлена в таблице 1.
По результатам расчета пищевой ценности содер- жание белка в изделиях составило 14,5 %, т. е. 19,2 % от суточной потребности, 22,0 % энергетической ценности (калорийности) пищевой продукции.
В рамках исследования целесообразности при- готовления в смесителе подобранной мучной хле- бопекарной смеси с высоким содержанием белка экспериментально определяли скорость ее ви- бротранспортирования по рабочему органу вибра- ционного смесителя. Она оказывает существенное влияние на производительность смесителя, его ге- ометрические параметры и зависит от угла β, ам- плитуды A и частоты f вибрации, а также от высоты виброкипящего слоя (ВКС) и наличия перфорации на рабочем органе вибрационного смесителя.
Бородулин Д. М. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 77–84
Руководствуясь следующей методикой [15], были проведены исследования по определению скорости вибротранспортирования мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу аппарата.
-
-
-
- Определяли среднюю длину пути перемеще- ния компонентов мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу аппарата по следующей формуле:
-
-
2 × 𝜋𝜋 × (𝐷𝐷н + 𝐷𝐷вн)
Результаты и их обсуждение
В ходе проведения исследования по определению скорости вибротранспортирования мучной хлебо- пекарной смеси по рабочему органу вибрационного смесителя в качестве ключевых были использованы параметры: угол вибрации (β = 30; 45 и 60°), ампли- туда (A = 0,0025; 0,0035 и 0,0045 м), частота колебаний дебалансов ( f = 16,66; 21; 25; 29 и 33,33 Гц), высота ви-
𝑙𝑙ср𝑖𝑖 =
, (1)
4 × cos 𝛾𝛾
брокипящего слоя (ВКС = 0,02; 0,03 и 0,04 м), перфо-
где l
|
– средняя длина пути, м;
рация (d = 0,005; 0,007 м; без перфорации).
|
D – внутренний диаметр рабочего органа, м;
вн
g – угол наклона винтового рабочего органа.
В данном случае путь – это длина поверхности, по которой двигалась мучная хлебопекарная смесь;
-
-
-
- Устанавливали ключевые параметры работы вибрационного смесителя и выводили его на стаци- онарный режим;
- Вносили частицу-индикатор (подкрашенная крупица пищевой соли) в поток мучной хлебопекар- ной смеси и замеряли время её прохождения по ра- бочему органу вибрационного смесителя №
- Определяли скорость вибротранспортирования мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу аппарата по формуле:
-
-
𝑙𝑙ср𝑖𝑖
Результаты исследований по определению скоро-
сти вибротранспортирования мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу смесителя отображены на рисунках 1–4 и в виде аналитических уравнений.
На рисунке 1 представлена группа линий, отра- жающих влияние амплитуды A и частоты f колеба- ний на скорость вибротранспортирования мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу аппарата (угол вибрации β = 45°, высота ВКС 0,02 м, перфора- ция отсутствует).
Из рисунка 1 видно, что наибольшие значения скорости вибротранспортирования мучной хле- бопекарной смеси по рабочему органу аппарата наблюдается при А = 0,0045 м, а наименьшие при А = 0,0025 м. Соответственно, чем больше ампли-
𝜈𝜈ср𝑖𝑖 = 𝑡𝑡
л𝑖𝑖
, (2)
туда A и частота вибрации f, тем выше скорость
вибротранспортирования мучной хлебопекарной
где 𝜈𝜈ср𝑖𝑖 – это скорость вибротранспортирования мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу
аппарата, м/с; 𝑡𝑡л𝑖𝑖 – это время прохождения части- цы-индикатора по рабочему органу вибрационного
смесителя, с.
Затем были проведены исследования по опре- делению взаимного влияния технологических па- раметров смесителя на потребляемую мощность. Исследование поочередно проводилось на двух кон- струкциях вибрационного смесителя непрерывно- го действия, выполненных по патенту № 2626415 и отличающихся только количеством витков рабочего органа, а следовательно и его массой [9]. В первом случае смеситель состоял из 4 витков рабочего ор- гана (масса составляла 16,5 кг), а во втором 8 (масса составляла 25,5 кг). Исследования по определению взаимного влияния технологических параметров смесителя на потребляемую мощность проводились следующим образом:
- Вибрационный смеситель подключали к ам- перметру, вольтметру и ваттметру;
- Устанавливали ключевые параметры работы аппарата (амплитуду A и частоту f вибрации) и вы- водили его на стационарный режим работы;
- Производили замеры напряжения (U, В) и силы тока (I, А), потребляемых электродвигателем смеси- теля;
- По полученным данным производили расчет значений потребляемой мощности по формуле:
𝑁𝑁 = 𝐼𝐼 × 𝑈𝑈, (3)
где N – потребляемая мощность, Вт;
I – сила тока, А;
U – напряжение, В.
смеси v. Амплитуда отвечает за отрывание матери- ала на определенную высоту от плоскости, тем са- мым способствуя лучшему продвижению смеси по рабочему органу аппарата. Следовательно, для ин- тенсификации процесса смешивания мучной хлебо- пекарной смеси и увеличения производительности аппарата необходимо увеличивать данные параме- тры. Аппроксимирующие уравнения полученных линий имеют вид:
𝑣𝑣1 = 0,003 𝑓𝑓 − 0,045 (А = 0,0025 м), (4)
𝑣𝑣2 = 0,004 𝑓𝑓 − 0,01 (А = 0,0035 м), (5)
|
3 |
|
2 |
|
1 |
0,17
|
Скорость ν, м/с |
0,12
0,07
0,02
15 20 25 30 35
Частота вибрации f, Гц
(1) А = 0,0025 м (2) А = 0,0035 м (3) А = 0,0045 м
Рисунок 1 – Графическая зависимость скорости перемещения мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу от амплитуды (A) и частоты вибрации ( f )
Figure 1 – Characteristic curve of the effect of the amplitude
- and frequency of vibration ( f ) on the path velocity of the flour baking mixture
0,10
Borodulin D.M. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 77–84
|
1
2 3 |
|
2 |
|
1 |
|
3 |
0,18
|
Скорость ν, м/с |
0,07
0,04
0,14
|
Скорость ν, м/с |
0,10
0,06
0,01
15 20 25 30 35
Частота вибраций f, Гц
0,02
15 20 25 30 35
Частота вибраций f, Гц
(1) ВКС = 0,02 м (2) ВКС = 0,03 м (3) ВКС = 0,04 м
Рисунок 2 – Графическая зависимость скорости перемещения мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу от высоты ВКС и частоты вибрации ( f )
Figure 2 – Characteristic curve of the effect of the vibroboil height and the frequency of vibration ( f ) on the path velocity
of the flour baking mix
𝑣𝑣3 = 0,005 𝑓𝑓 − 0,038 (А = 0,0045 м). (6)
На рисунке 2 представлена группа линий, отра- жающих влияние высоты ВКС и частоты f вибрации на скорость (угол вибрации β = 45°, амплитуда ви- брации A = 0,0045 м, перфорация отсутствует).
Из рисунка 2 видно, что наибольшая скорость вибротранспортирования мучной хлебопекарной смеси наблюдается при ВКС равном 0,02 м, а наи- меньшая при 0,04 м. Можно сделать вывод: чем выше частота вибрации f и ниже ВКС, тем выше ско- рость вибротранспортирования исследуемой смеси. Это объясняется следующим: под действием вибра- ции частицы слоя мучной хлебопекарной смеси на- чинают двигаться вверх. В этот момент под слоем образуется разрежение, за счет чего происходит подсасывание воздуха через отверстие. ВКС сме- си захватывает воздух снизу и вытесняет его вверх, являясь подобием «насоса», транспортирующим воздух через себя. Воздух, проникающий под слой материала через перфорацию, «запирает» отвер- стия и ухудшает истечение дисперсной фазы через них. Соответственно, чем выше ВКС материала, тем лучше истечение смеси через перфорацию и ниже скорость вибротранспортирования мучной хлебо- пекарной смеси. Аппроксимирующие уравнения по- строенных линий имеют вид:
𝑣𝑣1 = 0,003 𝑓𝑓 − 0,045 (ℎ = 0,02 м), (7)
𝑣𝑣2 = 0,001 𝑓𝑓 − 0,004 (ℎ = 0,03 м), (8)
𝑣𝑣3 = 0,001 𝑓𝑓 − 0,001 (ℎ = 0,04 м). (9)
На рисунке 3 представлена группа линий, от- ражающих влияние угла β и частоты f вибрации на скорость (амплитуда вибрации A = 0,0045 м, высота ВКС = 0,02 м, перфорация отсутствует).
Из рисунка 3 видно, что с увеличением угла ви- брации скорость вибротранспортирования умень- шается. Максимальное значение достигается при угле вибрации β = 45°, так как при данном угле ви-
(1) β = 30° (2) β = 45° (3) β = 60°
Рисунок 3 – Графическая зависимость скорости перемещения мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу от угла (β) и частоты вибрации ( f )
Figure 3 – Characteristic curve of the effect of the angle (β) and frequency of vibration ( f ) on the path velocity of the flour baking mixture
брации направленное возвратно-винтовое движение смеси осуществляется интенсивнее. Следовательно, для увеличения производительности вибрационно- го смесителя целесообразнее устанавливать именно данное значение угла вибрации. При угле вибрации β = 30° и β = 60° создаются менее благоприятные ус- ловия для перемещения мучной хлебопекарной сме- си. Аппроксимирующие уравнения прямых имеют вид:
𝑣𝑣1 = 0,005 𝑓𝑓 − 0,022 (𝛽𝛽 = 30°), (10)
𝑣𝑣2 = 0,005 𝑓𝑓 − 0,038 (𝛽𝛽 = 45°), (11)
𝑣𝑣3 = 0,005 𝑓𝑓 − 0,06 (𝛽𝛽 = 60°). (12)
На рисунке 4 представлена группа линий, отра- жающих влияние диаметра отверстий d рабочего органа и частоты f вибрации на скорость (угол ви-
|
3 2
1 |
|
Скорость ν, м/с |
0,4
0,2
0,0
15 20 25 30 35
Частота вибраций f, Гц
(1) Без перфорации (2) d = 0,005 м (3) d = 0,007
Рисунок 4 – Графическая зависимость скорости перемещения мучной хлебопекарной смеси по рабочему органу от диаметра перфорации рабочего органа (d) и частоты вибрации ( f )
Figure 4 – Characteristic curve of the effect of the diameter of the perforation (d) and the frequency of vibration ( f ) on the path velocity of the flour baking mixture
|
Потребляемая мощность N, кВт |
1,2
Бородулин Д. М. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 1 С. 77–84
|
3 2
1 |
|
3 2
1 |
|
Потребляемая мощность N, кВт |
1,2
0,9
0,9
0,6
0,6
0,3
0,3
0,0
15 20 25 30 35 40 45
Частота вибраций f, Гц
0,0
15 25 35 45
Частота вибраций f, Гц
(1) A = 0,0025 м (2) A = 0,0035 м (3) A = 0,0045 м
(1) A = 0,0025 м (2) A = 0,0035 м (3) A = 0,0045 м
Рисунок 5 – Зависимость потребляемой мощности смесителя массой 16,5 кг от амплитуды и частоты вибрации
Figure 5 – Effect of the amplitude and frequency of vibration on the power consumption of the 16.5 kg mixer
Рисунок 6 – Зависимость потребляемой мощности смесителя массой 25,5 кг от амплитуды и частоты вибрации
Figure 6 – Effect of the amplitude and frequency of vibration on the power consumption of the 25.5 kg mixer
брации β = 45°, амплитуда вибрации A = 0,0045 м, высота ВКС 0,02 м).
Из рисунка 4 видно, что наибольшие значения скорости вибротранспортирования мучной хлебо- пекарной смеси наблюдается при диаметре перфо- рации d = 0,007 м, а наименьшие при ее отсутствии. Следовательно, чем больше диаметр перфорации рабочего органа d, тем выше скорость вибротранс- портирования мучной хлебопекарной смеси. Уве- личение исследуемого параметра происходит за счет подсоса воздуха через слой. Для исследования влияния площади перфорации рабочего органа на скорость вибротранспортирования мучной хлебо- пекарной смеси были приняты диаметры отверстий 0,005 и 0,007 м с целью исключения влияния из- менения высоты слоя на скорость вибротранспор- тирования, т. к. при больших значениях площади перфорации ВКС мучной хлебопекарной смеси на рабочих витках уменьшался. При диаметре отвер- стий (например, d = 0,002 м) наблюдалось увеличе- ние ВКС мучной хлебопекарной смеси на рабочем органе вибрационного смесителя, что ведет к умень- шению скорости вибротранспортирования. Аппрок- симирующие уравнения прямых имеют вид:
𝑣𝑣1 = 0,005 𝑓𝑓 − 0,038 (без перфорации), (13)
𝑣𝑣2 = 0,012 𝑓𝑓 − 0,123 (10 отв. , 𝑑𝑑 = 0,005 м), (14)
𝑣𝑣3 = 0,016 𝑓𝑓 − 0,185 (10 отв. , 𝑑𝑑 = 0,007 м). (15)
Далее отображены исследования по определению взаимного влияния технологических параметров смесителя на потребляемую мощность, имеющую важное значение при определении эффективно- сти процессов смешивания. В ходе исследования в качестве ключевых были использованы параме-
тры: амплитуда (A = 0,0025; 0,0035 и 0,0045 м), ча- стота колебаний дебалансов ( f = 16,66; 21; 25; 29 и 33,33 Гц), дисперсность мучной хлебопекарной сме- си, которая представлена в таблице 1.
На рисунке 5 представлены результаты исследо- вания по определению взаимного влияния ампли- туды (A) и частоты колебания ( f ) смесителя массой 16,5 кг на потребляемую мощность.
На рисунке 6 представлены результаты исследо- вания по определению взаимного влияния ампли- туды (A) и частоты колебания ( f ) смесителя массой 25,5 кг на потребляемую мощность.
Из рисунка 5 видно, что значения потребляемой мощности для смесителя массой 16,5 кг выше почти во всем диапазоне частот. Из рисунка 6 видно, что для смесителя массой 25,5 кг двигателю требуются большие энергозатраты для преодоления резонанс- ной частоты. Минимальное рабочее значение ча- стоты колебаний, при котором конструкция массой 25,5 кг работает устойчиво, составляет 20 Гц, в то время как более легкая конструкция может рабо- тать уже при 16 Гц. Выявлена закономерность для обоих конструкций смесителей заключающаяся в том, что чем выше амплитуда колебания, тем боль- ше потребляемая мощность. Также в ходе исследова- ний наблюдалось, что более тяжелая конструкция не подвержена чужеродным колебаниям, которые вы- зывали у более легкой конструкции нестабильность работы: отсутствие направленной вибрации, переход в резонансную частоту, что приводило к сегрегации ингредиентов на рабочем органе. Наименьшие по- казатели потребляемой мощности наблюдаются при А = 0,0025 м, а наибольшие, при А = 0,0045 м.
Для конструкции смесителя массой 16,5 кг ап- проксимирующие уравнения кривых имеют вид:
𝑁𝑁ПОТР = 0,00002 × 𝑓𝑓3 − 0,001 × 𝑓𝑓2 + 0,0278 × 𝑓𝑓 − 0,1549 (𝐴𝐴 = 0,0025 м), (16)
𝑁𝑁ПОТР = 0,0000005 × 𝑓𝑓3 + 0,001 × 𝑓𝑓2 + 0,0274 × 𝑓𝑓 − 0,3027 (𝐴𝐴 = 0,0035 м), (17)
𝑁𝑁ПОТР = 0,00005 × 𝑓𝑓3 − 0,0022 × 𝑓𝑓2 + 0,0458 × 𝑓𝑓 − 0,2284 (𝐴𝐴 = 0,0045 м). (18)
Borodulin D.M. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 1, pp. 77–84
Для конструкции смесителя массой 25,5 кг аппроксимирующие уравнения кривых имеют вид:
𝑁𝑁ПОТР = 0,000009 × 𝑓𝑓3 − 0,0001 × 𝑓𝑓2 + 0,0062 × 𝑓𝑓 − 0,0082 (𝐴𝐴 = 0,0025 м), (19)
𝑁𝑁ПОТР = 0,00002 × 𝑓𝑓3 − 0,0006 × 𝑓𝑓2 + 0,0138 × 𝑓𝑓 − 0,0361 (𝐴𝐴 = 0,0035 м), (20)
𝑁𝑁ПОТР = 0,00002 × 𝑓𝑓3 − 0,0005 × 𝑓𝑓2 + 0,0098 × 𝑓𝑓 − 0,0253 (𝐴𝐴 = 0,0045 м). (21)
В результате исследования также выявлено, что большое влияние на потребляемую мощность оказывает влажность мучной хлебопекарной сме- си и дисперсность её состава, который может изменяться в процессе воздействия на смесь. По- скольку самой мелкодисперсной является мука пшеничная хлебопекарная (16000–25000 м–1), то рассмотрим влияние её дисперсности на потре- бляемую мощность: при начальной подаче муки пшеничной хлебопекарной наблюдается резкий скачок потребляемой мощности, который связан с увеличением её сцепления с поверхностью рабо- чего органа вибрационного смесителя. Затем под действием вибрации дисперсность муки пшенич- ной хлебопекарной повышается и она равномерно распределяется по длине рабочего органа вибраци- онного смесителя, тем самым наблюдается стаби- лизация потребляемой мощности. Также выявлено, что в различных режимах работы аппарата при увеличении его производительности потребляе- мая мощность уменьшается. Это свидетельствует об информативности потребляемой мощности как параметра, характеризующего качество готовой смеси и открывает возможность использования мощности для косвенного контроля её дисперсно- сти в системах наблюдения за режимом работы ви- брационного смесителя непрерывного действия.
Выводы
Анализ результатов исследования по определе- нию влияния ключевых параметров на скорость ви- бротранспортирования мучной хлебопекарной смеси υ показал, что она возрастает с увеличением частоты колебаний рабочего органа f и амплитуды колебаний А, а некоторое снижение ее прироста в исследуемом диапазоне можно объяснить увеличивающимся эф- фектом проскальзывания муки по отношению к ви- брирующей поверхности в режиме его отрывного движения по рабочему органу. Также в ходе исследо- ваний наблюдалось увеличение значений потребляе- мой мощности при возрастании амплитуды и частоты колебаний. Поскольку скорость вибротранспортиро- вания мучной хлебопекарной смеси при амплитуде вибрации А = 0,0045 м не сильно отличается от той, которая составляет А = 0,0035 м, то целесообразнее ее применять для уменьшения потребляемой мощности вибрационного смесителя.
В результате исследований были определены клю- чевые рациональные параметры работы вибрационно- го смесителя при получении мучных хлебопекарных смесей: амплитуда вибрации А = 0,0035 м, угол вибра- ции β = 45°, высота виброкипящего слоя 0,02 м, диа- метр перфорации рабочего органа аппарата d = 0,007 м.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте- ресов.
