способ определения интегральной излучательной способности дисперсных пищевых продуктов

Формула изобретения

Способ определения интегральной излучательной способности дисперсных пищевых продуктов, включающий подготовку дисперсных пищевых продуктов, формирование плоского образца насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость, измерение температуры окружающей среды, измерение температуры продукта на верхней поверхности плоского образца насыпного слоя, поддержание температуры среды вокруг образца на постоянном уровне, непрерывный ИК-нагрев образца до заданной температуры, ИК-облучение верхней поверхности плоского образца насыпного слоя лучистым потоком в осциллирующем режиме, определение температурного поля на верхней поверхности и внутри образца в течении ИК-нагрева, определение амплитуды колебаний средней температуры образца в течении ИК-облучения в осциллирующем режиме, измерение величины лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течении ИК-нагрева, измерение амплитуды и частоты колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности плоского образца в течении ИК-облучения в осциллирующем режиме, определение угла сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме и расчет интегральной излучательной способности дисперсного пищевого продукта по следующей формуле:



где с - теплоемкость материала образца, Дж/К;

Т_m - средняя температура образца в течении ИК-облучения в осциллирующем режиме, К;

Т_а - амплитуда колебаний средней температуры образца в течении ИК-облучения в осциллирующем режиме, К;

Т_o - температура образца в конце ИК-нагрева перед началом осцилляции ИК-потока, К;

_o - постоянная Стефана-Больцмана (справочная величина), Вт/(м²·К⁴);

- угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме, отн.ед. (рад.);

- амплитуда колебаний падающего лучистого потока;

- частота колебаний падающего лучистого потока, c ^-1;

F - площадь облучаемой поверхности образца, м².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к мукомольной, пищеконцентратной, крупяной, кондитерской, хлебобулочной, крахмало- и сахароперерабатывающим отраслям, и может быть использовано при управлении процессом тепловой обработки дисперсных пищевых продуктов, а именно зерна, крупы, муки, крахмала, сахара-песка, панировочных сухарей, хлебной крошки и т.д.

Известен способ определения интегральной излучательной способности дисперсных пищевых продуктов, заключающийся в том, что формируют опытный образец в виде тонкого слоя одинаковой толщины. Верхнюю поверхность образца облучают непрерывным потоком инфракрасной энергии. С помощью термопары измеряют температуру на верхней облучаемой поверхности образца. Измеряют спектральную величину потока инфракрасного излучения, падающего на верхнюю поверхность образца, а также интегральную поглощательную способность дисперсного пищевого продукта комплексным методом с помощью спектрофотометра СФ-4А и специальной приставки в виде 2-х зеркальных эллипсоидов. По справочнику определяют величину интегральной излучательной способности абсолютно черного тела при заданной температуре. На основании чего определяют величину интегральной излучательной способности дисперсных пищевых продуктов при заданной температуре (Ильясов С.Г., Красников В.В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов - М.: Пищевая промышленность, 1978 г. - с.178-180).

Недостатком данного способа является низкая эффективность регулирования и точности контроля качественных показателей вследствие нестабильных условий освещения светочувствительных поверхностей фотодатчиков, регистрирующих прошедшее сквозь образец и отраженное от верхней поверхности образца ИК-излучение. В результате этого возникают значительные погрешности измерения, вызванные тем, что фототок зависит от угла падения ИК-излучения на светочувствительные поверхности фотодатчиков. Также недостатком данного способа является тот факт, что вес измерения осуществляют косвенным способом и это вносит дополнительную существенную погрешность в определение величины интегральной излучательной способности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения интегральной излучательной способности, заключающийся в том, что формируют опытный образец исследуемого продукта в виде плоского кольца. Источник инфракрасного излучения начинает равномерно вращаться в плоскости, параллельной верхней поверхности неподвижного образца, вдоль окружности образца. В этом случае величина отражаемого потока ИК-излучения, изменяющаяся в зависимости от различных оптических свойств неоднородных частиц дисперсного пищевого продукта, по-разному расположенных относительно падающего потока ИК-излучения, принимает различные при движении образца «осциллирующие» значения. Такое «осциллирующее» отраженное и пропущенное слоем дисперсного пищевого продукта ИК-излучение, попадая на фотодатчики ФЭСС-У10, вызывают в них пульсирующий по величине ток. Усредненные величины пульсирующего тока будут пропорциональны интегральной отражательной и поглощательной способностям, на основании которых определяется интегральная поглощательная способность. Также определяется спектральная величина падающего потока инфракрасного излучения с помощью радиационных термоэлементов Б.П.Козырева. Далее по справочнику определяется величина интегральной излучательной способности дисперсных пищевых продуктов при заданной температуре (Ильясов С.Г., Красников В.В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов - М.: Пищевая промышленность, 1978 г. - с.180-182).

Недостатком данного способа является низкая эффективность регулирования и точности контроля качественных показателей, обусловленная наличием теплообмена между образцом, окружающей средой, стоками тепла, а также трудностями обеспечения изотермических условий. Недостатком способа является невозможность прямого определения интегральной излучательной способности, т.к. все измерения осуществляются косвенным способом, вследствие чего возникают погрешности, обусловленные усреднением измеренных величин.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности регулирования и точности определения качественных показателей.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение выхода целевого продукта и уменьшение времени осуществления технологических процессов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения интегральной излучательной способности дисперсных пищевых продуктов осуществляют подготовку дисперсных пищевых продуктов, формируют плоский образец насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость. Измеряют температуру окружающей среды и температуру продукта на верхней поверхности насыпного слоя. Поддерживают температуру среды вокруг образца на постоянном уровне. Осуществляют непрерывный ИК-нагрев образца до заданной температуры. Осуществляют ИК-облучение верхней поверхности образца насыпного слоя лучистым потоком в осциллирующим режиме. Определяют температурное поле на верхней поверхности и внутри образца в течение ИК-нагрева. Определяют амплитуду колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме. Измеряют величину лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева. Измеряют амплитуду и частоту колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме. Определяют угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме. Рассчитывают интегральную излучательную способность дисперсных пищевых продуктов по авторской формуле:

где с - теплоемкость материала образца, Дж/К;

T_m - средняя температура образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, К;

T_a - амплитуда колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, К;

T_o - температура образца в конце ИК-нагрева перед началом осцилляции ИК-потока, К;

_o - постоянная Стефана-Больцмана (справочная величина), Вт/(м²·К⁴);

- угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме, отн.ед. (рад.);

- амплитуда колебаний падающего лучистого потока;

- частота колебаний падающего лучистого потока, с ^-1;

F - площадь облучаемой поверхности образца, м².

Данная формула была получена автором на основании известных формул при решении задачи о лучистом теплообмене плоской пластины с окружающей средой при граничных условиях 2-го рода (Филатов В.В. Совершенствование процесса термообработки зерна при инфракрасном энергоподводе. Дисс. к.т.н. М.: Издательский комплекс МГУПП, 2005. - 312 с).

Подготовка дисперсных пищевых продуктов необходима для удаления сорных примесей и включений, а также для определения равновесной влажности.

Формирование образца насыпного слоя путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость необходимо для того, чтобы задать геометрическую форму образца и определить граничные условия.

Измерение температуры окружающей среды, а также температуры продукта на верхней поверхности насыпного слоя перед ИК-нагревом обусловлено тем, что в результате этого устанавливается информация о законе взаимодействия окружающей среды и поверхности образца насыпного слоя.

Поддержание температуры среды вокруг образца на постоянном уровне позволяет устранить инерционность нагрева и влияние начальных условий на точность определяемых характеристик.

Непрерывный ИК-нагрев образца до заданной температуры обусловлен тем, что сводится к нулю влияние тепловых контактных сопротивлений между образом, источником и стоками тепла вследствие того, что тепловой поток вводится в образец радиационным (неконтактным) путем.

ИК-облучение верхней поверхности образца насыпного слоя лучистым потоком в осциллирующим режиме составляет суть способа и обусловлено тем, что необходимо создать модель нормального падения плоской электромагнитной волны по гармоническому (синусоидальному) закону на плоский образец и его теплообмена с окружающей средой конвекцией и излучением.

Определение температурного поля на верхней поверхности и внутри образца в течение ИК-нагрева обусловлено тем, что необходимо измерять теплосодержание образца, которое изменяется за счет поглощения падающего лучистого потока, отдачи тепла в окружающую среду длинноволновым (отраженным) ИК-излучением и конвекцией, а также путем теплопроводности элементов конструкций, поддерживающих образец.

Определение амплитуды колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, измерение величины лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева, измерение амплитуды и частоты колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме обусловлено тем, что все вышеперечисленные величины являются основными информативными параметрами, на основании которых определяется угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме, в результате чего рассчитывается интегральная излучательная способность дисперсных пищевых продуктов.

Способ осуществляется следующим образом. Подготавливают дисперсный пищевой продукт, удаляя из него сорные примеси и включения, после чего взвешивают на электронных аналитических весах и определяют массу. Формируют опытный образец насыпного слоя одинаковой высоты по всему объему путем засыпки дисперсного пищевого продукта в емкость. Температуру окружающей среды измеряют с помощью термопары. Измерение температуры продукта на верхней поверхности насыпного слоя осуществляют с помощью дистанционного пирометра. Поддерживают температуру среды вокруг образца насыпного слоя на постоянном уровне и выдерживают образец до достижения им однородного распределения температуры по всему объему, поместив емкость с образцом в термостат. Осуществляют непрерывный ИК-нагрев образца до заданной температуры с помощью теплового блока, состоящего из 2-х ИК-генераторов типа КГТ-220-1000-1 с индивидуальными параболическими рефлекторами с известными геометрическими характеристиками. После того как образец дисперсного пищевого продукта равномерно прогрелся и достиг заданной температуры, осуществляют ИК-облучение верхней поверхности образца насыпного слоя лучистым потоком в осциллирующем режиме. Осциллирующий режим ИК-облучения образца осуществляется следующим образом. После ИК-нагрева образца тепловой блок с двумя ИК-генераторами типа КГТ-220-1000-1 продолжает работать в непрерывном режиме, а осциллями лучистого потока осуществляются с помощью лепесткового затвора - плоской, тонкой, металлической пластины, которая периодически полностью экранирует (затеняет) верхнюю поверхность образца от падающего лучистого потока таким образом, что величина падающего лучистого потока изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону:

Е₀ - среднее значение падающего лучистого потока, Вт;

- амплитуда колебаний падающего лучистого потока относительно среднего значения Е₀;

- частота колебаний падающего лучистого потока, с ^-1;

- текущее время, с.

Определение температурного поля на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева осуществляют с помощью дистанционного пирометра. Определение температурного поля внутри образца в течение ИК-нагрева определяют с помощью батареи микротермопар по известной методике (Филатов В.В. Совершенствование процесса термообработки зерна при инфракрасном энергоподводе. Дисс. к.т.н. М.: Издательский комплекс МГУПП, 2005. - 312 с.). Определение амплитуды колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме также определяют с помощью батареи микротермопар по известной методике с учетом того, что амплитуда колебаний средней температуры образца изменяется по гармоническому (синусоидальному) закону (Плаксин Ю.М., Филатов В.В. и др. Основы теории инфракрасного нагрева. Монография. Под общей редакцией Филатова В.В. - М:. Издательский комплекс МГУПП, 2007, 168 с.). Измерение величины лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева, а также измерение амплитуды и частоты колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме осуществляют с помощью дифференциального стержневого радиометра по известной методике (Филатов В.В., Азизов P.P. Экспериментальное исследование плотности распределения лучистого потока в термических камерах ИК-установок. Теоретический журнал «Хранение и переработка сельхозсырья», Выпуск № 9, Москва, 2008, с.19-21).

Далее, установив синусоидальные законы колебания лучистого потока инфракрасной энергии и средней температуры образца, определяется угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме при помощи фазометра.

В результате рассчитывается интегральная излучательная способность дисперсного пищевого продукта по следующей формуле:

с - теплоемкость материала образца, Дж/К;

T_m - средняя температура образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, К;

Т_а - амплитуда колебаний средней температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме, К;

T_o - температура образца в конце ИК-нагрева перед началом осцилляции ИК-потока, К;

_o - постоянная Стефана-Больцмана (справочная величина), Вт/(м²·к⁴);

- угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме, отн.ед. (рад.);

- амплитуда колебаний падающего лучистого потока;

- частота колебаний падающего лучистого потока, с ^-1;

F - площадь облучаемой поверхности образца, м².

Пример 1. Способ определения интегральной излучательной способности осуществляли по прототипу. Формируют опытный образец из крахмала влажностью 12,1% при t_k =21°C в виде плоского кольца, засыпая дисперсный пищевой продукт (крахмал) в специальную емкость (кювету) со следующими геометрическими характеристиками d₁=30 мм, d₂ =50 мм, h=5 мм (d₁ - внутренний, d₂ - внешний диаметр кольца, h - высота (толщина) кольца). Монохроматический поток ИК-излучения, выходящий из выходной щели спектрофотометра СФ-4А через оптическую систему направляется нормально (под углом 90°) к верхней торцевой поверхности кольцевого образца дисперсного пищевого продукта. После этого спектрофотометр вместе с оптической системой начинает равномерно вращаться в плоскости, параллельной верхней торцевой поверхности кольцевого образца дисперсного пищевого продукта, таким образом, что направленный поток ИК-излучения площадью 6×10 мм² сканирует верхнюю поверхность дисперсного пищевого продукта. Диффузно отраженное ИК-излучение от верхней поверхности кольцевого образца крахмала собирается с помощью зеркального эллипсоида вращения и фокусируется на приемной светочувствительной поверхности 1-го фотодатчика ФЭСС-У10. Прошедшее сквозь толщину кольцевого образца дисперсного пищевого продукта ИК-излучение также собирается с помощью зеркального эллипсоида вращения и фокусируется на приемной светочувствительной поверхности 2-го фотодатчика ФЭСС-У10. Возникающие фототоки от 1-го и 2-го фотодатчиков марки ФЭСС-У10 регистрируются с помощью отсчетного устройства УФ-206, измеряющего токи до 1 мкА. В результате чего определяется интегральная поглощательная способность дисперсного пищевого продукта по известной методике. Также определяется спектральная величина падающего потока инфракрасного излучения с помощью радиационных термоэлементов Б.П.Козырева. Далее по справочнику определяется интегральная излучательная способность абсолютно черного тела (эталона) при заданной температуре. На основании чего по известной формуле (3) определяют интегральную излучательную способность дисперсных пищевых продуктов, в частности крахмала:

где Т_и.п. - температура верхней поверхности слоя, К;

,= ₂- ₁, ₂> ₁ - спектральный состав падающего потока ИК-излучения, мкм;

А (Т_и.п.)=А (2 , 2 ) - двуполусферическая поглощательная способность слоя при температуре Т_и.п., отн.ед. (%);

R _a(Т_и.п.) - двуполусферическая отражательная способность слоя при температуре Т_и.п., отн.ед. (%).

Таким образом, в контексте данной формулы интегральная излучательная способность численно равна интегральной поглощательной способности по отношению к коэффициенту излучения абсолютно черного тела при температуре, равной температуре поверхности слоя Т _и.п.. Результаты расчета интегральной излучательной способности для крахмала с оптической толщиной слоя l=5,0 мм для различных типов ИК-генераторов и температур облучаемой поверхности слоя представлены в табл.1.

Таблица 1
Тип ИК-генератора	(ТИ.П.), отн. ед.	Ти.п., К
2КГТ-220-1000-1 с параболическим рефлектором, Тизл =2500 К, Rи=0,91 (коэффициент отражения материала рефлектора)	0,4	404
Нихромовая спираль с параболическим рефлектором, Тизл =982К, Rи=0,48	0,5	391
Металлическая плитка с параболическим рефлектором, Tизл=598 К, Rи =0,28	0,7	382

Точность определения интегральной излучательной способности в данном случае составила ±10%.

Пример 2. Определяли интегральную излучательную способность крахмала по предложенному способу. Крахмал подвергали очистке путем удаления сорных примесей и включений. Определяли равновесную влажность, которая составила 13,9%, насыпную плотность - 650 кг/м³ и массу навески - 1,03 кг. Крахмал засыпали в емкость в виде прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 50:150:210 мм. Температура окружающей среды 20°C. Температура на верхней поверхности образца насыпного слоя 18°C. Поддерживали температуру среды вокруг образца на постоянном уровне. Выдерживали образец до достижения или однородного распределения температуры по всему объему, поместив емкость с крахмалом в термостат. Осуществляли непрерывный ИК-нагрев образца до температуры 200°C с помощью теплового блока, состоящего из 2-х ИК-генераторов типа КГТ-220-1000-1 с индивидуальными параболическими рефлекторами со следующими геометрическими характеристиками: ширина рефлектора х=0,077 мм, высота рефлектора у=0,027 м, фокусное расстояние f=0,017 м. Мощность одного ИК-генератора 1 кВт. ИК-генераторы в тепловом блоке находятся на одной горизонтальной плоскости, шаг между генераторами составляет 0,09 м. Расстояние до облучаемой поверхности 0,07 м. Образец с крахмалом устанавливается относительно теплового блока с ИК-генераторами таким образом, чтобы направляющая падающего потока ИК-излучения была перпендикулярна облучаемой поверхности образца. Определение температурного поля на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева осуществляется дистанционно с помощью ИК-пирометра. Определение температурного поля внутри образца в течение ИК-нагрева, а также определение амплитуды колебаний температуры образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме осуществляется с помощью батареи медь-константовых термопар по известной методике. Осциллирующий режим ИК-облучения создается периодическим экранированием теплового блока с ИК-генераторами лепестковым затвором (плоской металлической пластиной) таким образом, что величина падающего лучистого потока изменяется по синусоидальному закону E=E₀·(1+ ·sin( - )), где Е₀=(2000÷2500) Вт, =(1000÷1500), =(5÷15) с^-1. Измерение величины лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-нагрева, а также измерение амплитуды и частоты колебаний лучистого потока инфракрасной энергии на верхней поверхности образца в течение ИК-облучения в осциллирующем режиме осуществляется с помощью дифференциального стержневого радиометра по известной методике. Далее, установив с помощью дифференциального стержневого радиометра синусоидальные законы колебания лучистого потока инфракрасной энергии и средней температуры образца, определяется угол сдвига фаз колебаний лучистого потока и средней температуры образца при ИК-облучении в осциллирующем режиме с помощью фазометра. На основании чего рассчитывается интегральная излучательная способность дисперсного пищевого продукта, в частности крахмала, по приведенной выше авторской формуле (2), табл.2.

Таблица 2
Тип ИК-генератора	(ТИ.П.), отн. ед.	Ти.п., К
2КГТ-220-1000-1 с	0,412	423
параболическим рефлектором,	0,421	448
Т изл - 2500 К,	0,458	473
Rи=0,9 (коэффициент	0,491	498
отражения материала рефлектора)	0,528	523
Нихромовая спираль с параболическим рефлектором, Тизл=982 К, Rи=0,48	0,523 0,548 0,573 0,597 0,611	423 448 473 498 523
Металлическая плитка с	0,712	423
параболическим рефлектором,	0,728	448
Т изл=598 К, Rи=0,28	0,741	473
	0,776	498
0,798	523

Точность определения интегральной излучательной способности в данном случае составила ±1%, что в 10 раз выше, чем в примере 1.

Пример 3. Определяли интегральную излучательную способность хлебной крошки (батон «Дарницкий»). Исходная влажность =42,7%, толщина слоя 5,0 мм. Все остальные параметры и методика определения как в примере 2. Расчет интегральной излучательной способности для хлебной крошки при облучении различными типами ИК-генераторов представлены в табл.3.

Таблица 3
Тип ИК-генератора	(ТИ.П.), отн. ед.	Ти.п., К
2КГТ-220-1000-1 с	0,485	423
индивидуальными	0,497	448
параболическими	0,511	473
рефлекторами, Тизл=2500 К,	0,527	498
Rи = 0,91	0,541	523
Нихромовая спираль с	0,647	423
параболическим рефлектором,	0,681	448
Тизл=982 К, Rи=0,48	0,699	473
	0,721	498
	0,742	523
Металлическая плитка с	0,791	423
параболическим рефлектором,	0,827	448
Т изл=598 К, Rи = 0,28	0,843	473
	0,861	498
	0,894	523

Точность определения интегральной излучательной способности в данном случае составила ±1%, что в 10 раз выше, чем в примере 1.

Были проведены исследования интегральной излучательной способности зерна, крупы, муки пшеничной, сахара-песка. Точность определения составила ±1%, что в 10 раз выше, чем в примере 1.

Полученные температурные зависимости коэффициентов интегральной излучательной способности дисперсных пищевых продуктов были использованы при управлении технологическим процессом их термообработки при ИК-энергоподводе.

Мерой эффективности управления технологическим процессом термообработки, в частности крахмала, является выход целевого продукта - производительность по целевому продукту, динамическая вязкость клейстеров, приготовленных из ИК-модифицированных крахмалов, время термообработки, а показатель качества - точность определения интегральной излучательной способности.

В случае, когда интегральная излучательная способность была определена по прототипу, показатели технологического процесса следующие:

- выход целевого продукта - 215 кг/ч;

- динамическая вязкость клейстеров, приготовленных из полученных ИК-модифицированных крахмалов - 620 Па·с;

- время ИК-термообработки - 48 мин;

- точность измерения ±10%.

В случае, когда интегральная излучательная способность была определена по предложенному способу:

- выход целевого продукта - 271 кг/ч;

- динамическая вязкость клейстеров, приготовленных из полученных ИК-модифицированных крахмалов - 8 Па·с;

- время ИК-термообработки - 17 мин;

- точность измерения ±1%.

Использование предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность регулирования технологическим процессом, мерой которого является выход целевого продукта, время процесса, и повысить точность контроля качественных показателей за счет более высокой точности и надежности средств измерения. А также улучшить качественные показатели:

- увеличить выход целевого продукта на 26%;

- снизить динамическую вязкость клейстеров, приготовленных из полученных ИК-модифицированных крахмалов (качественный показатель наличия декстринов высшего сорта) в 77,5 раз;

- время ИК-термообработки снизить в 2,8 раз;

- точность измерения повысить в 10 раз.