Глава 8. Совершенствование технического обеспечения процесса интенсивной инфракрасной обработки крахмалосодержащего крупяного сырья

Крахмалосодержащие крупы (перловая, гречневая, рисовая) выработаны из зерна. Принцип выработки заключается в удалении с поверхности зерновки периферийных оболочек для освобождения собственного эндосперма – ядра от плодовых оболочек и цветковых пленок [75]. Таким образом, крупы по своему химическому составу отличаются от исходного зерна в той степени, с какой полнотой были удалены наружные слои. Интенсивная высокотемпературная обработка крупяного сырья и зерна имеет существенные различия. Для инфракрасной обработки зернового сырья (пшеницы, ржи, ячменя, сои и т.д.) достаточна плотность лучистого потока 22 – 24 кВт/м² для создания избыточного внутреннего давления паров воды и разрушения зерна [35, 102, 116, 123]. Как показали наши исследования, крупа, лишенная плотных плодовых оболочек, не способна удерживать пар внутри материала, и требуют более мощного лучистого потока. Мощный лучистый поток усиливает эффект термовлагопроводности, поэтому для крахмалосодежащего крупяного сырья он должен составлять 32 – 34 кВт/м².

Современные технические средства, в частности установка УТЗ-4М, серийно выпускаемая ООО ПК «Старт», не позволяют создать необходимую энергоосвещенность при достаточной однородности обработки без увеличения количества излучателей в тепловом блоке. Увеличение количества генераторов приводит к повышению энергозатрат. Уменьшение расстояния между излучателем и объектом обработки вызывает резкое увеличение неоднородности обработки крупы [128].

В настоящее время конструктивное оформление тепловых блоков в установках инфракрасной обработки различается между собой по расположению генераторов вдоль или поперек направления движения продукта (рис. 8.1., 8.2.).

Рисунок 8.1. Схема установки с продольным расположением линейных инфракрасных излучателей

Рисунок 8.2. Схема установки с поперечным расположением линейных инфракрасных излучателей

Важнейшим фактором энергосбережения при инфракрасной обработке является уменьшение расстояния между излучателем и объектом. Энергия, падающая на освещенную площадку от линейного излучателя, имеющего цилиндрическую форму, обратно пропорциональна квадрату расстояния и рассчитывается по формуле:

,

где L – расстояние между излучателем и продуктом,

q – мощность линейного излучателя,

d_э – диаметр излучателя,

α – угол между нормалью к элементу светящегося цилиндра d_эdα и направлением излучения в направлении освещаемой площадки,

β – угол между нормалью к освещаемой поверхности и направлением потока падающего излучения,

В – энергетическая яркость элемента излучателя [60].

Расположение генераторов излучения вдоль транспортера, применяемое в УТЗ-4М, ограничивает возможность уменьшения расстояния от нити излучателя до обрабатываемого сырья 50 мм, так как при приближении генератора на расстояние 15 мм возникает большая неравномерность температурного поля, приводящая к перегреву обрабатываемого зернового сырья в зоне проекции линейного генератора [128].

Наши исследования по применению УТЗ-4М показали, что градиент температуры возникающий на поверхности слоя рисовой крупы при ее обработке в проекции излучателей в течение 40 с на расстоянии 50 мм составляет 5 – 6°С, а на расстоянии 15 мм 80 – 85°С, что приводит к образованию темно-желтых полос на поверхности обрабатываемой крупы (рис. 8.3.).

а – расстояние от генератора 50 мм;

б – расстояние от генератора 15 мм.

Рисунок 8.3. Распределение поля температуры при продольном расположении излучателей и нагреве поверхности рисовой крупы в течение 40 с

При расположении излучателей поперек транспортера значительно уменьшается длина использования линейного генератора в связи с их конструктивными особенностями, вызывающими снижение мощности излучения вольфрамовой спирали от центра к его периферии (краевой эффект) и влиянием конвективных токов холодного воздуха окружающей среды (рис. 8.4.).

а – расстояние от генератора 50 мм;

б – расстояние от генератора 15 мм.

Рисунок 8.4. Распределение поля температуры при поперечном расположении излучателей и нагреве поверхности рисовой крупы в течение 40 с

Изучение влияния расположения линейных излучателей КГТ-220-1000 длиной 300 мм показало, что ни продольное, ни поперечное расположение излучателей в тепловых блоках не дает возможности приблизить излучатель к облучаемому продукту и тем самым увеличить коэффициент полезного действия как отдельных излучателей, так и тепловых блоков.

Большинство исследований по взаиморасположению генераторов излучения и материала проводилось в статическом режиме без учета движения продукта в тепловой камере [25].

Мы провели исследования распределения температурного поля (РТП) в динамическом режиме равномерного движения крупы на расстоянии 10 – 15 мм до излучателей при их расположении под разными углами к оси конвейера.

Исследовали лучистый тепловой поток от блока с 11 излучателями. При этом шаг излучателей составлял 70 мм как на стандартной установке УТЗ-4М. Неравномерность РТП при размещении излучателей под разными углами представлена на рис. 8.5.

Рисунок 8.5. Неравномерность распределения температурного поля при размещении излучателей под разными углами

При установке излучателей КГТ 220-1000 вдоль оси конвейера (α = 0°) при высоте 15 мм и шаге 70 мм неравномерность составляет 52%. В результате поворота излучателей на угол 24 – 25° между излучателями и осью транспортера можно обеспечить практически одинаковую температуру крупы при выходе ее из теплового блока (рис. 8.6.). При увеличении угла поворота начинает сказываться краевой эффект излучателей, что снижает равномерность облучения слоя крупы.

Рисунок 8.6. Схема установки с поперечным расположением линейных инфракрасных излучателей под определенным углом к оси конвейера

Разработанная система размещения линейных излучателей в типовой установке для термообработки зернового сырья позволила уменьшить расстояние от излучателя до слоя крупы с 50 до 15 мм, увеличить плотность лучистого потока с 22 – 24 кВт/м² до 32 – 34 кВт/м², снизить удельный расход электроэнергии модернизированной установки УТЗ-4Ш на 20 % [патент на изобретение № 2372795].