Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ГОНЧАРОВСКИЙ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФОРМУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
ЭКСТРУДЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ
05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Орел-2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Государственный университет Ч учебно-научно-производственный комплекс
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
зав. кафедрой
Корячкин Владимир Петрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
зав. кафедрой
Магомедов Газибег Омарович
(Воронежский государственный
университет инженерных технологий)
доктор технических наук, профессор
зав. кафедрой
Касьянов Геннадий Иванович
(Кубанский государственный
технологический университет (Краснодар))
Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-
исследовательский институт
крахмалопродуктов РАСХН
(п.Красково Любрецкого р-на,
Московской обл.)
Защита состоится л17 мая 2012 г. в 1430 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет инженерных технологий по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета академии.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ВГУИТ.
Автореферат размещён на официальном сайте ВГУИТ www.vsuet.ru и на сайте л___ апреля 2012 года.
Автореферат разослан л___ апреля 2012 года.
Ученый секретарь совета по защите
докторских и кандидатских
диссертаций Д.212.035.01
доктор технических наук,
профессор Г.В.Калашников
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Производство продуктов питания методом высокотемпературной кратковременной экструзии является одним из экономически выгодных способов. Экструзионное оборудование по сравнению с другим технологическим оборудованием, решающим подобные технологические задачи, занимает меньшую рабочую площадь предприятия и требует меньших финансовых затрат на обслуживание.
Мировое потребление экструзионных продуктов питания непрерывно растет, включая Россию, Западную Европу и США. Типичным представителем готовых экструдированных завтраков являются изделия с начинками, вырабатываемые методом коэкструзии корпуса и масложировой начинки.
В настоящее время важную роль играет замещение импортных продуктов питания на отечественные. Это снижает цены на готовую продукцию и расширяет ассортимент, что направлено на обеспечение продовольственной безопасности РФ.
Расширение ассортимента экструзионной продукции целесообразно проводить с использованием новых компонентов начинок, в частности экструзионного кукурузного крахмала, что позволяет улучшить технологические режимы и сократить возвратные отходы коэкструзионной продукции.
Применение новых начинок меняет режимы работы экструдера, что требует изучения реологических свойств начинок и их учета в инженерном совершенствовании формующего инструмента.
Сложившаяся в России экономическая ситуация недостатка качественных отечественных продовольственных товаров, а также жесткая конкурентная борьба производителей на товарных рынках требуют выпускать конкурентоспособную продукцию. Этого возможно достичь совершенствованием конструкции формующего инструмента экструдеров и технологического процесса производства коэкструдированных продуктов.
Анализ отечественной и зарубежной литературы и патентных поиск показал, что вопросами экструзии и экструзионного оборудования занимался рад ученых: Р.В.Торнер, А.Н.Богатырев, В.П.Юрьев, А.И.Жушман, В.Г.Карпов, А.Н.Остриков, О.В.Абрамов, А.С.Рудометкин, G.Schenkel, B.H.Maddock, E.C.Bernhardt, J.M.McKelvey, J.F.Carley, R.S.Mallouk, E.Fisher и другие, а вопросами исследования физикомеханических свойств пищевых сред: Б.М.Азаров, Г.В.Виноградов, М.П.Воларович, А.В.Горбатов, Н.Н.Липатов, А.Д.Малкин, С.А.Мачихин, Ю.А.Мачихин, В.П.Корячкин и другие. Своими исследованиями они внесли большой вклад в изучение процессов, протекающих при экструзии, и реологии пищевых материалов. Однако вопросы коэкструзии корпуса из зернового сырья и масложировой начинки изучены не достаточно и их изучение, а также разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров является задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение, поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.
Объектами исследования являются жировые начинки и расплав корпуса изделий типа готовые завтраки.
Предметом исследования является разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров для формования корпуса с начинкой методом коэструзии.
Цель исследования состоит в совершенствовании конструкции формующего инструмента экструдеров для получения коэкструдированных изделий с начинкой для достижения равномерного распределения начинки по длине полого корпуса.
Теоретические исследования экструзионной техники, технологии и теории показали, что процесс коэкструзии является сложным процессом, в котором происходит взаимодействие двух разнородных сред. Для изучения процесса коэкструзии и достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Цапровести теоретические исследования современного состояния экструзионной техники и изучения конструкций формующих инструментов экструдеров, используемых для формования коэкструдированных изделий;
Цапровести изучение технологических схем производства коэструдированных готовых завтраков;
Цапровести теоретические исследования процесса течения сплошных 45 неньютоновских твердообразных сред и их математических моделей;
Цавыявить закономерности сдвигового течения начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал;
Цавыбор оптимальной дозировки экструзионного кукурузного крахмала, как составляющей части жировой начинки;
Цавыбор рациональной температуры дозирования начинки с экструзионным кукурузным крахмалом;
Цавыбор оптимальной величины угла конического рассекателя потока начинки, установленного в круглом канале для подачи начинки;
Цаустановить реологические свойства расплава корпуса коэкструдированных изделий;
Царазработать математическую модель течения расплава и начинки в формующем инструменте экструдера;
Цаусовершенствовать конструкцию формующего инструмента экструдера для коэкструдирования корпуса с жировой начинкой;
Цапроверить функционирование усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдера в промышленных условиях;
Цапровести внедрение в производство формующего инструмента экструдера усовершенствованной конструкции.
Научная новизна. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствован формующий инструмент экструдеров для формования коэкструдированных изделий с начинкой.
Изучено влияние содержания экструзионного кукурузного крахмала на физико-механические свойства жировой начинки. Изучено влияние температуры на свойства жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал. Изучено влияние конического рассекателя потока начинки на сдвиговое течение начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в круглом капилляре.
Изучено сдвиговое течение расплава корпуса коэкструдированных изделий в кольцевом канале формующего инструмента. Выявлено реологическое уравнения состояния расплава.
Выявлены основные закономерности сдвигового течения жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в зависимости от температуры, содержания экструзионного кукурузного крахмала и угла при вершине конуса конического рассекателя потока начинки. Предложены реологические уравнения состояния и уравнения вязкости жировых начинок, содержащих экструзионный кукурузный крахмал.
Разработана математическая модель течения начинки и расплава коэкструдированных изделий, которая позволила предложить методику инженерного расчета канала для подачи начинки с коническим рассекателем потока.
Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ №2381726.
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке усовершенствованного формующего инструмента экструдеров для формования коэкструдированных изделий с начинкой, в канале для подачи начинки которого установлен конический рассекатель начинки. Определены рациональные размеры конического рассекателя. Определено оптимальное содержание экструзионного кукурузного крахмала в начинке. Определен рациональная температура дозирования начинки.
Использование конического рассекателя потока начинки позволило равномерно распределять начинку по длине кольцевидного жгута корпуса изделия, что улучшило потребительские свойства готовой продукции и снизило затраты на производство. Расчетная экономическая эффективность предлагаемого формующего инструмента составила 3,6 рубля на 1 кг готовой продукции.
Реализация результатов работы. Проведена апробация, изготовленного в металле формующего инструмента экструдера, на предприятии ОООаПродэкст при выработке коэкструдированных изделий с начинкой.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях преподавателей и сотрудников ОреГТУ Неделя науки (2006-2011 гг.), на III международном научном симпозиуме Ударно-вибрационные системы, машины и технологии (17-19 октября 2006 года), на китайско-российском симпозиуме л2008 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology (24-28 мая 2010 года), на VI международной научно-практической интернет конференции Потребительский рынок: качество и безопасность продовольственных товаров, опубликованы статьи в журнале Известия ОреГТУ, серия Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии (2008-2009) и журнале Хлебопродукты
По результатам проведенных исследований опубликовано 7 работ, в т.ч. 2 статьи в рецензируемых ВАК научных журналах и получен патент РФ №2381726 от 5 ноября 2008 года.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Работа изложена на 146 страницах основного текста, содержит 58 рисунков и 30 таблиц. Список литературы включает 172 источников, в том числе 33 источника на иностранном языке. Приложения включают таблицы с экспериментальными данными, тарировочные таблицы приборов и оборудования, протоколы исследования коэкструдированных изделий на соответствие требованиям качества и безопасности и патент №2381726 на усовершенствованную конструкцию формующего инструмента экструдера.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении охарактеризовано современное состояние производства коэкструдированных готовых завтраков с начинками, определены научная новизна и практическая ценность проведенных исследований.
В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии техники, технологии и теории производства коэкструдированных изделий с начинкой, проанализированы конструкции формующих инструментов экструдера. Приведены конструкции экструдеров и дан обзор технологических схем производства коэкструдированных изделий с начинкой. На основании проведенного анализа обоснован выбор объектов исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы и определены методы их решения.
Во второй главе описана реометрия начинки Шоколадная, содержащей экструзионный кукурузный крахмал (ЭКК) в количестве 0; 2; 5; 7,5; 10% к общей массе крахмалов в начинке.
Проводили капиллярную вискозиметрию образцов начинки Шоколадная с ЭКК, дискретно изменяя давление от 39,2 до 274,4 кПа с шагом 39,2 кПа, при скорости сдвига от 101 до 3600 сЦ1 и температуре начинки 23,8 оС. Во время экспериментов замеряли массовую производительность капилляра, в качестве которых использовали капилляры круглого поперечного сечения диаметром d=5 мм и длиной 60, 70, 80, 90, 100, 120 мм (рис. 1).
Рис. 1 Сменные цилиндрические капилляры разной длины |
Жировая начинка, содержащая экструзионный кукурузный крахмал (ЭКК) представляет собой неньютоновскую дисперсную среду, а внесение экструзионного кукурузного крахмала (ЭКК) в начинку изменяет ее физико-механические свойства. Изменения физико-механических свойства влияет на течение начинки в сквозных каналах. На малых скоростях сдвига начинка Шоколадная обладает малыми пластическими (при содержании ЭКК С от 0 до 5%) или малыми упругими (при С от 7,5 до 10%) свойствами (рис. 2).
Экспериментальные точки, изображенные в логарифмических координатах lgΘ=lgΘ(lgD) (рис. 2), расположены скученно вблизи одной кривой, что позволяет сделать вывод о том, что на кривые течения длина капилляра практически не влияет. На свойства начинки влияет внесение ЭКК, стабилизируя свойства начинки.
Сдвиговое течение начинки, содержащей ЭКК, описали реологическим уравнением состояния Гершеля-Балкли:
Θ = Θо + kDn, (1)
где Θо - предельное напряжение сдвига, Па; D - скорость сдвига, 1/с; k - коэфнфинциент консистенции, Пасn; n - индекс течения.
а) б) в)
г) д)
а) 0%, б) 2%, в) 5%, г)7,5%, д)10%
Рис. 2 Экспериментальные точки и кривые течения образцов начинки Шоколадная с экструзионным кукурузным крахмалом
Графоаналитическим методом определили предельное напряжение сдвига , коэффициент консистенции k и индекс течения n образцов начинки Шоколадная с ЭКК (рис. 3).
Рис. 3 Зависимость Θo, k и n от содержания ЭКК в начинке Шоколадная |
Изменение кривизны графиков кривых течения образцов начинки Шоколадная (рис. 2) и экстремумы графиков Θo=Θo(C), k=k(C) и n=n(C) (рис. 3) наблюдаются в диапазоне изменений значений содержания ЭКК от 5 до 7,5%. В этом диапазоне происходит выравнивание свойств начинки Шоколадная, что позволяет рекомендовать этот диапазон значений в качестве рабочего диапазона содержания ЭКК в начинке.
Проводили ротационную вискозиметрию образцов начинки Шоколадная с экструзионным кукурузным крахмалом в системе коаксиальных цилиндров ротационного вискозиметра, помещенных в систему термостатирования, в диапазоне температур от 21 до 60оС при скоростях сдвига (D) от 0,167 до 72,9 сЦ1 и содержании ЭКК в образцах начинки в диапазоне от 0 до 10% к общей массе крахмалов в начинке. Начинка, содержащая ЭКК (С=0%) представляла собой контрольный образец.
На основании анализа набора графиков кривых течения (рис. 4), построенных для разных условий эксперимента, подтвердили, что начинка является неньютоновской дисперсной средой, обладающей пластическими свойствами, а внесение экструзионного кукурузного крахмала и изменение температуры начинки изменят ее свойства.
Математическая обработка данных реометрии образцов начинок позволили выбрать реологическое уравнение состояния Гершеля-Балкли для описания сдвигового течения начинки Шоколадная, содержащей ЭКК (1).
По результатам ротационной вискозиметрии установили рекомендованную температуру подачи начинки в экструдер, при которой начинка имеет незначительные колебания реологических параметров свойств, то есть диапазон температур в пределах 25 - 55 0С.
Записали реологическое уравнение состояния Θ=Θ(D, t) и уравнение вязкости начинки η=η(D, t), содержащей ЭКК в количестве 7,5%:
, (2)
, (3)
где D - скорость сдвига, 1/с; t - температура начинки, оС.
а) б)
в) г)
д)
Рис. 4 Кривые течения образцов начинки Шоколадная, содержащих ЭКК в количестве 0% (а), 2% (б), 5% (в), 7,5% (г) и 10% (д) при температурах от 21 до 60 оС
Проводили капиллярную вискозиметрию образцов начинки Шоколадная с экструзионным кукурузным крахмалом (ЭКК) путем продавливания начинки через капилляр (рис. 5), снабженный коническим рассекателям потока, который был выполнен в виде сменных конусов с разными углами при вершине (рис. 6).
Рис. 5 Капилляр с радиальными отверстиями и конические рассекатели | Рис. 6 Конические рассекатели с разным углом конуса при вершине |
Эксперименты для всех образцов начинок проводили, дискретно изменяя давление от 39,2 до 274,4 кПа с шагом 39,2 кПа и температуре начинки 23,8 оС. Во время эксперимента замеряли массовую производительность капилляра.
В результате установки конического рассекателя в круглом канале производительность канала снизилась по сравнению с производительностью сквозного канала, что можно объяснить тем, что рассекатель создает дополнительное местное сопротивление течению начинки.
Для определения величины местного сопротивления конического рассекателя построили графики зависимости производительности Q от давления ΔP для сквозного канала диаметром 5 мм и длиной 80 мм и для канала с коническим рассекателем с углом при вершине 19о. Графически определили величину давления, которую необходимо создать для достижения производительности 5 г/с. Для сквозного канала это давление составило ΔP80=49 кПа, для канала с коническим рассекателем с углом при вершине 19о - ΔPΔ19=132 кПа (рис. 7).
Рис. 7 Определение давления необходимого для достижения заданной производительности графическим методом |
Конические рассекатели, устанавливаемые в сквозной канал представляют собой местные сопротивления :
, (4)
где ΔPΔ - давление, которое необходимо создать для достижения заданной производительности при течении начинки в канале, ограниченном коническим рассекателем, Па;
ΔP80 - давление, которое необходимо создать в сквозном канале длиной 80 мм.
Оценить абсолютную величину увеличения давления на коническом рассекателе позволяет коэффициент давления kp, который показывает степень увеличения давления от местных сопротивлений:
. (5)
Построили диаграммы зависимостей величин местных сопротивлений конических рассекателей (рис. 8) и коэффициента давления kp (рис. 9) от угла при вершине конуса α (о) и содержания ЭКК С (%)в образце начинки.
Рис. 8 Зависимость коэфнфинциента давления kp от угла α при вершине конуса конинчеснкого рассекателя и содернжанния ЭКК в образце начинки | |
Рис. 9 Зависимость величины местных сопротивлений ζ (кПа) от угла α при вершине конуса конического рассекателя и содержания ЭКК в образце начинки |
При увеличении длины конуса, что связано с уменьшением угла при его вершине для постоянного диаметра основания конуса (d=5 мм) уменьшается зазор между конической поверхностью конуса и цилиндрической рабочей поверхностью канала для подачи начинки. При этом, как следствие, снижается противодействие начинки за счет, как мы полагаем, ее сводообразования или расклинивания в упомянутом зазоре. На микрофотографии образца начинки Шоколадная (рис. 10) видно, что в начинке есть участки с нерастворившейся сахарной пудрой, твердыми частицами какао и области однородной консистенции, которые представляют собой соединение компонентов начинки в конгломерат.
Рис. 10 Микрофотография начинки Шоколадная с увеличением в 50 раз |
Этим можно объяснить значительное возрастание коэффициента давления kp при уменьшении угла конуса от 25 до 10о kp=kp(α)и значительные нелинейные искажения трехмерной диаграммы kp=kp(α, C) (рис. 8). Диаграмма зависимостей коэффициента давления для образцов начинки с содержанием ЭКК от 2 до 10% (рис. 8) представляет собой параболоид. Значения коэффициента давления для контрольного образца начинки не лежат в его плоскости поскольку контрольный образец начинки не содержит ЭКК и, по сути, представляет собой среду с иными свойствами.
Для расчета напряжения сдвига Θ (Па) необходимо учесть влияние возмущений, вызыванных коническими рассекателями начинки. Эти возмущения можно представить в виде фиктивной длины конического рассекателя начинки lф:
lф=80 + lмс. (6)
Значение величины местных сопротивлений lмс представляет собой значение длины, на которую необходимо увеличить длину сквозного канала, чтобы достигнуть значений давления и производительности равным давлению и производительности канала с коническим рассекателем:
. (7)
Построив графики кривых течения образцов начинки Шоколадная с ЭКК и проанализировав их, в качестве реологической модели для описания поведения начинки выбрали степенную модель Освальда:
Θ = kDn, (8)
где D - скорость сдвига, 1/с; k - коэффициент консистенции, Пасn; n - индекс течения.
Графоаналитическим методом определили коэффициент консистенции k и индекс течения n. Построили диаграммы зависимости коэффициента консистенции k (рис. 13) и индекса течения n (рис. 14) от угла при вершине конуса α и содержания ЭКК в образце начинки.
Рис. 11 - Зависимость коэффициента коннсистенции k от угла при вершине конуса α и содержания ЭКК в образце начинки | |
Рис. 12 - Зависимость индекса течения n от угла при вершине конуса α и содернжания ЭКК в образце начинки |
Адекватную регрессионную модель можно построить только для результатов эксперимента, проведенного с коническими рассекателями с углом при вершине конуса 14,25о; 19о и 28о, потому что для этих условий эксперимента наблюдается устойчивая отрицательная корреляция (Ц0,84; Ц0,84; Ц0,96 соответственно) между изменениями значений независимого параметра С и зависимого параметра k.
Записали реологическое уравнение состояния Θ=Θ(D, C) и уравнение вязкости η=η(D, C) начинки Шоколадная с ЭКК как зависимость напряжения сдвига Θ (Па) и вязкости η (Пас) от скорости сдвига D (1/с) и величины содержания С (%) экструзионного кукурузного крахмала в начинке для экспериментальных значений, полученных при использовании конического рассекателя с углом при вершине 28o:
. (9)
. (10)
По результатам исследования образцов начинки Шоколадная с ЭКК можно рекомендовать к использованию конические рассекатели с углом при вершине от 20о до 35о.
В третьей главе описывается реометрия расплава корпуса, проведенная путем продавливания расплава корпуса через сквозной кольцевой канал формующего инструмента.
Во время эксперимента определялась производительность экструдера при производстве коэкструдированных изделий с начинкой.
По экспериментальным данным построили диаграмму (рис. 13) соотнноншения количественного содержания начинки и корпуса в готовом изделии.
Рис. 13 Диаграмма соотнношения содержания корнпуса и начинки в коэкстнрудированном изделии в зависимости от стадии запуска экструдера (1 - начало выхода на рабочий режим. 5 - завершение выхода на рабочий режим) |
Построили график зависимости скорость истечения экструдата от избыточного давления в экструдере (рис. 14).
Рис. 14 Зависимость сконрости выхода экструдата U (м/с) из формующего инструмента экструдера от избыточного давление в экструдере ΔP (МПа) |
На рис. 14 можно выделить четыре зоны. В первой зоне расплав корпуса изделия выдавливается под небольшим давлением и на выходе из формующего инструмента представляет собой темную вязкую массу высокой влажности. Во второй зоне по мере увеличения давления при достижении величины сдвигающих усилий больше определенной критической величины начинается вспучивание массы, выходящей из формующего инструмента. В третьей зоне давление внутри экструдера практически соответствует рабочему давлению, из формующего инструмента выходит полый кольцевидный пористый жгут желтого цвета, в который начинает подаваться начинка. Четвертая зона соответствует зоне устойчивого протекания процесса экструзии, давление и скорость истечения полуфабриката достигают рабочих значений, из формующего инструмента выходит коэкструдированный полуфабрикат с начинкой.
Отобразили данные производительности расплава корпуса в консистентных переменных Рейнера (рис. 15).
Рис. 15 - Экспенринменнтальнные точки и кривая течения расплава корпуса коэкстнрундированных изделий |
На основе анализа кривой течения (рис. 15) было выбрано степенное реологическое уравнение состояния (8). Графо-аналитическим методом определили параметры степенного реологического уравнения состояния: коэффициент консистенции k и индекс течения n: k=5,9 кПа сn, n=0,389 и окончательно записали:
Θ = 5а900 D0,389. (11)
Записали уравнение объемной производительности расплава для корпусов коэкструдированных изделий:
. (12)
В четвертой главе приведена математическая модель течения начинки и расплава корпуса в формующем инструменте экструдера, которая включает в себя уравнения скорости движения расплава и начинки коэкструдированных изделий в кольцевом и цилиндрическом каналах формующего инструмента экструдера.
На основании приведенной математической модели предложена методика инженерного расчета канала для подачи начинки с коническим рассекателем, установленным на выходе из него. Получено уравнение радиуса радиальных отверстий канала для подачи начинки с коническим рассекателем:
(13)
Были определены радиусы радиальных отверстий канала для подачи начинки в двух сечениях, удаленных на 70 и 80 мм от входа в канал с коническим рассекателем с углом 28о при вершине при дозировании начинки, содержащей 7,5% ЭКК. В случае трех радиальных отверстий в каждом их сечений их радиусы составили: r1=1,69 мм, r2=1,42 мм.
В пятой главе описывается конструкция усовершенствованного формующего инструмента экструдера, приведены исследования качественных показателей и показателей безопасности коэкструдированных изделий с начинкой и расчет экономического эффекта от использования усовершенствованного формующего инструмента экструдера.
На рис. 16 представлена схема усовершенствованной конструкций формующего инструмента экструдера. Усовершенствованный формующий инструмент экструдера состоит из фланца 1 со штуцером 2, плиты 5, втулки 9 и трубы для подачи начинки 8. При модернизации формующего инструмента экструдера канал для подачи начинки, был снабжен коническим рассекателем начинки 11 с полным перекрытием ее живого сечения. При этом на боковой стенке трубы были выполнены три радиальных отверстия 12. Их расположение подобрано таким образом, чтобы конический рассекатель был полностью виден в эти отверстия, а центры диаметров самих отверстий расположены в плоскости торцевого среза втулки 9. Площадь живого сечения этих отверстий подбиралось как величина примерно равная 90Е110 % от площади живого сечения трубы. Конический рассекатель представляет собой конус с конусностью от 1:4 до 3:4. Канал может выполняться с тремя, четырьмя, пятью или шестью радиальными отверстиями. Количество выбирается в зависимости от свойств дозируемой начинки.
Предлагаемый формующий инструмент (рис. 16) был выполнен в металле и опробован на производстве коэкструдированных изделий с начинкой. Предлагаемый формующий инструмент для производства коэкструдированных изделий с начинкой позволяет:
ЦаРасширить область применения за счет универсализации механизма нанесения начинки на внутреннюю поверхность полого корпусе изделия, которая в момент нанесения начинки увеличивается.
ЦаУлучшить качество готовых изделий за счет равномерного распределения начинки по внутренней поверхности экструдируемого полого корпуса изделия.
ЦаПовысить эксплуатационную надежность формующего инструмента.
ЦаРасширить технологические возможности формующего инструмента по производству продукции широкого ассортимента.
| 1 - фланец, 2 - штуцер, 3, 6, 10 - каналы для подачи расплава корпуса, 4, 8 - каналы для подачи начинки, 5 - плита, 7аЦканал для подачи начиннки, 9 - втулка, 11 - конический рассенкатель начинки, 12 - радиальные отверснтия Рис. 16 - Усовершенстнвонваннная конструкция форнмующего инстнрунменнта экструдера |
С использованием усовершенствованного формующенго инструмента экструдера с коническим рассекателем начинки была выработана опытная партия палочек Шоколадных с начинкой с добавлением 7,5% экструзионного кукурузного крахмала.
Проводили исследования по следующим показателям: органолептическим, физико-химическим (таблица 1), микробиологическим, показателям безопасности. Определили содержание витаминов группы В, витаминов С и Е, а также содержание минеральных веществ (таблица 2). Для оценки качественных характеристик коэкструдированных продуктов были исследованы следующие их физико-химические свойства: набухаемость и влажность (таблица 1).
Таблица 1
Физико-химические показатели
коэкструдированных изделий с начинкой
Наименование показателя | Размерность | Значение показателя |
Массовая доля влаги | % | 5,0 |
Набухаемость | см3/г | 6,2 |
Массовая доля общего сахара в пересчете на сухое вещество (по сахарозе) | % | 35,7 |
Массовая доля общего жира в пересчете на сухое вещество | % | 27,8 |
Таблица 2
Химический состав и энергетическая ценность
коэкструдированных изделий с начинкой
Содержание витаминов | Содержание минеральных веществ | ||
Наименование | Количество, мг/100 г | Наименование | Количество, мг/100 г |
В1 | 0,507 | Натрий | 641,3 |
В2 | 0,171 | Калий | 118,7 |
В6 | 0,158 | Кальций | 17,7 |
РР | 4,165 | Магний | 81,0 |
С | 3,303 | Фосфор | 118,7 |
Е | 1,017 | Железо | 4,22 |
Марганец | 0,455 | ||
Медь | 183 | ||
Энергетическая ценность, кДж/100 г 1826 | |||
Провели сравнение распределения начинки внутри полого экструдируемого корпуса изделия для разных условий выработки (рис. 20): с использованием формующего инструмента экструдера до модернизации (рис. 20а) и после модернизации (рис. 20б).
а) | Рисунок 20 - Схемы распренденленния начинки внутри полого корпуса изделия до (а) и после (б) усоверншенстнвования форнмунющего инстнрунмента | |
б) |
При использовании формующего инструмента со сквозным каналом для подачи начинки наблюдается неравномерное заполнение полого корпуса изделия начинкой (рис. 20а). Равномерное заполнение корпуса изделий начинкой (рис. 20б) достигается путем использования усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдера. При этом соотношение корпуса и начинки в готовой изделии по массе составляет 47:53.
Результаты исследований показали, что коэкструдированные изделия с начинкой соответствуют требованиям СанПиН 2.3.2.1078-2001 Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов.
Расчет экономического эффекта от внедрения усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдера составит 3,6 рублей на 1 кг готовой продукции.
Основные выводы и результаты
По результатам теоретических и экспериментальных исследований образцов начинки Шоколадная с экструзионным кукурузным крахмалом и расплава корпуса были сделаны следующие выводы:
1.аПроведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования конструкций рабочих органов экструдеров, в результате которых усовершенствована конструкция формующего инструмента экструдеров для получения коэкструдированных изделий с начинкой.
2.аМетодами ротационной и капиллярной вискозиметрии определены реологические (механические) свойства начинки Шоколадная, содержащей экструзионный кукурузный крахмал. Установлено, что начинка является неньютоновской дисперсной средой, обладающей пластическими свойствами, а внесение экструзионного кукурузного крахмала и изменение температуры начинки изменят ее свойства. Определена оптимальная дозировка экструзионного кукурузного крахмала в количестве 5-7,5% к массе крахмалов, содержащихся в начинке. Определена рациональная температура дозирования начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, от 25 до 55оС.
3.аПроведено исследование течения начинки Шоколадная, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в сквозном канале круглого сечения, на выходе из которого установлен конический рассекатель начинки. Установлена оптимальная геометрия конического рассекателя подачи начинки на внутреннюю поверхность экструдированного корпуса изделия. Рекомендуется применять для канала диаметром 5 мм конический рассекатель с углом при вершине, выбираемого из диапазона от 20 до 35о.
4.аИсследованы реологические свойства расплава зернового сырья для корпуса коэкструдированных изделий. Установлено, что расплав относится к неньютоновским средам и может быть описан степенным уравнением Освальда. Установлены численные значения основных коэффициентов: k=5900 Пасn, n=0,389.
5.аЭкспериментально определена скорость истечения коэкструдированного жгута с начинкой из формующего инструмента экструдера, которая составила V=0,8 м/с, что соответствует производительности 253,2 кг/час.
6.аРазработана математическая модель течения компонентов коэкструдированных изделий с начинкой в виде регрессионного уравнения, с учитывающего содержание экструзионного кукурузного крахмала в начинке и геометрические размеры конического рассекателя подачи начинки.
7.аРазработана усовершенствованная конструкции формующего инструмента экструдеров для получения коэкструдированных изделий с начинкой. Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ №2381726.
8.аПроведены производственные испытания усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров. Подтверждена высокая эффективность разработанного формующего инструмента экструдера. Ожидаемый экономический эффект от внедрения формующего инструмента экструдера составит 3,6 рублей на 1 кг коэкструдированных изделий с начинкой.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Статьи в журналах, рецензируемых ВАК:
1.аКорячкин В.П., Гончаровский Д.А. Реологические свойства начинки Шоколадная с экструзионным кукурузным крахмалом // Известия ОреГТУ, серия Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, №4-4/272 (550) 2008. - 2008. - с. 36-39.
2.аКорячкин В.П., Гончаровский Д.А. Модернизация экструдера линии производства готовых завтраков // Хлебопродукты. - 2010. - №8. - с.44-45.
Статьи и материалы конференций и симпозиумов:
3.аГончаровский Д.А., Корячкин В.П. Опыт производства сухих завтраков на экструдере РЗ-КЭД 88 // Материалы V международной научно-практической конференции Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России. - Орел, 2006 г. - с. 206-208.
4.аГончаровский Д.А., Корячкин В.П. Опыт эксплуатации экструдера РЗ-КЭД-88 при производстве сухих завтраков. // Материалы III международного научного симпозиума Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. - Орел, 2006 г. - с. 471-473.
5.аКорячкин В.П., Гончаровский Д.А. Выбор оптимальной дозировки экструзионного кукурузного крахмала для начинки сухих завтраков // Материалы VI международной научно-практической интернет конференции Потребительский рынок: качество и безопасность продовольственных товаров. - Орел: ГосУниверситет-УНПК. - 2011. - с. 42-45.
6.аKoryachkin V.P., Goncharovskiy D.A. Modernised extrusion-formed tool to produce crackling sticks with stuffings by coextrusion // 2008 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology. - Harbin, China, 2008. - pp.385-387.
Патент:
7.аПат. №2381726 РФ МКИ7 A23P 1/12. Формующий инструмент экструдера [Текст] / Гончаровский Д.А., Корячкин В.П., Алексенко Д.Н., заявитель и патентообладатель ОреГТУ. - 2008143892/13, заявлено 05.11.2008, опубл. 20.02.2010; Бюл. №5.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям