 |
Методика проведения работы
|
|
|
|
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ.
Лабораторный практикум
по дисциплинам
«Процессы и аппараты пищевых производств»,
«Процессы и аппараты химических технологий»
для бакалавров по направлениям
151000 – Технологические машины и аппараты;
100800 – Товароведение;
240700 – Биотехнология;
260100 – Продукты питания из растительного сырья;
260200 – Технология продукции и организация общественного питания;
280300 – Продукты питания животного происхождения.
ОРЕЛ 2011
Авторы:
к.т.н., доцент кафедры
«Машины и аппараты пищевых производств» Т.В. Галаган
к.т.н., доцент кафедры
«Машины и аппараты пищевых производств» В.С. Ванин
к.т.н., доцент кафедры
«Машины и аппараты пищевых производств» В.В. Галаган
к.т.н., доцент кафедры
«Машины и аппараты пищевых производств» Д.К. Ахмедова
к.т.н., доцент кафедры
«Машины и аппараты пищевых производств» Т.Н. Новикова
ассистент кафедры
«Машины и аппараты пищевых производств» В.С. Бузуев
Рецензенты:
С.В. Дьяченко
Данныйлабораторный практикум составлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования «Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки бакалавров по направлениям151000 Технологические машины и оборудование, 151000 – Технологические машины и аппараты; 100800 – Товароведение; 240700 – Биотехнология; 260100 – Продукты питания из растительного сырья; 260200 – Технология продукции и организация общественного питания; 280300 – Продукты питания животного происхождения.
Редактор В.П. Корячкин
Технический редактор Н.П. Сапронова
ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»
|
|
|
Лицензия ИД № 00670 от 05.01.2000 г.
Подписано к печати. Формат 60x84 1/16.
Печать офсетная. Уч.-изд.л. 4. Тираж 50 экз. Заказ №
Отпечатано с готового оригинал-макета
на полиграфической базе Госуниверситета-УНПК.
г. Орел, ул. Московская, 65.
© ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», 2011
© Галаган Т.В., 2011
© Ванин В.С., 2011
© Галаган В.В., 2011
© Ахмедова Д.К., 2011
© Новикова Т.Н. 2011
© Бузуев.В.С., 2011
содержание
| Лабораторная работа №1. Исследование мелкодисперсных пищевых продуктов | |
| Лабораторная работа №2.Исследование процессов разделения неоднородных пищевых продуктов | |
| Лабораторная работа №3.Определение констант отстаивание | |
| Лабораторная работа №4.Исследование процесса экстрагирования | |
| Лабораторная работа №5.Изучение процесса сушки | |
| Лабораторная работа №6.Исследование процесса фильтрования | |
| Лабораторная работа №7.Изучение процесса перемешивания жидких смесей | |
| Лабораторная работа №8.Исследование работы и устройства фреоновых холодильников | |
| Лабораторная работа №9.Определение тепловых нагрузок на камеру хранения и холодильной обработки | |
| Лабораторная работа №10.Изучение устройства холодильных компрессоров и определение параметров поршневого компрессора | |
| Лабораторная работа №11.Охлаждение пищевых продуктов | |
| Лабораторная работа №12.Исследование гидравлических сопротивлений | |
| Лабораторная работа №13.Исследование преобразования форм энергии струи | |
| Лабораторная работа №14.Исследование расхода жидкости с помощью сужающих устройств | |
| Лабораторная работа №15.Определение режимов движения жидкости | |
| Лабораторная работа №16.Определение количества жидкости в закрытом сосуде | |
| Лабораторная работа №17.Определение напорно-расходной характеристики насоса | |
| Лабораторная работа №18.Исследование работы двух параллельно соединенных насосов | |
| Лабораторная работа №19.Определение напорно-расходных характеристик насоса и установки | |
| Лабораторная работа №20.Определение КПД нерегулируемого гидропривода | |
| Лабораторная работа №21.Испытание ректификационной колонны | |
| Литература | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 1Физические свойства продуктов | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 2Теплофизические свойства пищевых продуктов | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Насыпная плотность упакованных продуктов | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Определение безразмерной температуры тел разной формы | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 5Теплофизические свойства сухого воздуха | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Диаграммы хладагентов | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Свойства влажного насыщенного воздуха | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 8 Равновесные составы жидкости и пара | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 9 Пример расчета ректификационной колонны | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ 10 Особые требования к работе на колонне «ЛУМАРК» |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
|
|
|
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Цель работы: изучение устройства и принципов работы приборов для определения характеристик сыпучих пищевых продуктов и механизмов их загрузки и выгрузки.
Задачи работы: 1. Определить насыпную и истинную плотности продуктов, их пористости, формы и размеры дисперсных частиц.
2. Измерить внутреннее и внешнее трение сыпучих веществ, угла естественного откоса и сводообразования.
3. Определить характеристики свободного истечения легкосыпучих пищевых материалов в симметричных и асимметричных бункерах.
Теоретические основы
Классификация неоднородных систем. Неоднородные системы – это смеси, по крайней мере двух продуктов, находящихся в различных или одинаковых фазовых состояниях. Примерами неоднородных систем могут явиться: суспензии, эмульсии, пены, туманы, пыли и сыпучие смеси (рисунок 1.1). В них можно выделить две фазы вещества – непрерывно распределенный континуум одной фазы, называемый дисперсионной средой, и находящиеся в нем раздробленные частицы различных размеров и форм – дисперсную фазу. Неоднородные системы называют также гетерогенными, или дисперсными. Дисперсионная среда неоднородных систем может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.
|
|
|
Неоднородные системы могут классифицироваться также по мелкости частиц. Дисперсностью (D) называют величину, обратную поперечному размеру частиц (d), т.е. D=1/d. По этому параметру неоднородные системы могут разделяться на грубодисперсные, характеризующиеся макроскопической раздробленностью вещества (d=1…10-2 см, D=1…102 1/см), и коллоидные системы, характеризующиеся предельно высокой его раздробленностью, т.е. коллоидным состоянием (d= 10-5… 10-7 см, D=105…107 1/см).
С повышением дисперсности пропорционально ей увеличивается отношение поверхности частиц дисперсной фазы к их объему. В результате все большая и большая часть молекул в частицах оказывается на их поверхности, а не внутри их. Это существенно изменяет свойства неоднородных систем. При этом для грубодисперсных систем основное влияние на их свойства оказывают объемные силы, а для коллоидных растворов основными являются уже поверхностные силы. Именно за их счет возникают внутрифазные связи, приводящие к образованию внутренних структур в виде пространственного каркаса, а системы переходят в гели.
Для разделения неоднородных систем применяется оборудование, использующее различные физические явления. Выбор оптимального состава оборудования определяется признаком, по которому дисперсионная среда и дисперсная фаза или компоненты смеси существенно различаются друг от друга. Такими признаками могут явиться: размеры частиц, их форма, плотность, прочность, магнитные и электромагнитные свойства, свойства поверхности частиц, сопротивление обтеканию сплошной средой и т.п.
Основное сырье пищевой промышленности – зерновые, семена масленичных культур, овощи, фрукты и т.д., а также большая часть готовой продукции – крупы, сухофрукты, мука, сухое молоко, сахар, чай, молотый и гранулированный кофе, творог и побочные продукты представляют собой сыпучие среды, физические и механические свойства которых зависят от размеров и формы составляющих частиц, их плотности, внутреннего и внешнего трения, сцепляемости, влажности и электрического заряда. Сыпучие продукты состоят из круглых, многогранных или неправильных по форме, механически не связанных частиц, перемещающихся и взаимодействующих друг с другом и с ограждениями под действием силы тяжести. При этом между частицами могут действовать адгезионные силы, придающие среде связанность.
|
|
|
Такие вещества одновременно обладают свойствами и твердого, и жидкого тела. Так дисперсные продукты упруги, обладают пластической деформацией и способностью сохранять форму при относительно небольших нагрузках. В тоже время они подобны жидкости и принимают форму емкости, в которой хранятся, истекают через открытое отверстие и при слабом взаимодействии растекаются по горизонтальной поверхности.
При исследовании мелко дисперсных пищевых материалов их рассматривают как комплекс большого числа мелких твердых частиц, которые могут перемещаться относительно друг друга, т.е. образовывать сыпучую массу.
Основными характеристиками сыпучих продуктов являются размеры и форма частиц, их плотность и объемная плотность, внутреннее трение и угол естественного откоса.
| Жидкое |
| Газообразное |
| Твердое |
| Суспен- зии (взвеси): Ж+Тверд |
| Эмуль-сии: Ж+Ж |
| Пены: Ж+Г |
| Пыли |
| Туманы: Г+Ж |
| Твердые гели: стекла, эмали, сплавы |
| Капиллярно- пористые вещества: дерево, кожа, мякиш хлеба, печенье Тверд. + Г |
| Состояние дисперсионной среды |
| Неоднородные системы |
| Газ+Твер-дые тела |
| Сыпучие смеси |
Рис.1.1. Классификация неоднородных систем
Из-за свободного пространства вокруг частиц или пористости сыпучего материала механическая связь между частицами ослабляется, что дает возможность свободного движения отдельной частицы по отношению к соседней. А между частицами неправильной формы или смесью больших или маленьких частиц возникают силы сцепления, которые могут оказывать большое влияние на характер их истечения.
Размер частиц материала правильной формы (сфера, цилиндр) легко установить, взяв за основу самый большой линейный размер, однако нередко частицы отличаются и по размеру, и по форме. Для частиц неправильной формы вводят единый показатель средний размер частиц. Однако опыт показывает, что частицы с одинаковым средним размером могут проявлять совершенно индивидуальные свойства при обработке и транспортировке в зависимости от формы, шероховатости поверхности и т.д. Имеется много методов определения размеров частиц – ситовой метод, метод седиментации и метод оптической микроскопии. В общем случае сыпучие дисперсные продукты, не содержащие частиц размерами менее 0,25 мм, могут рассматриваться как несвязанные, легкосыпучие продукты, а поэтому характеристики истечения реальных продуктов в основном определяются содержанием в них мелких частиц.
|
|
|
Знание истинной и объемной плотности сыпучих продуктов существенно для проектирования систем хранения, упаковки и транспортировки сыпучих продуктов. Очевидно, что объемная плотность зависит от плотности самих частиц их формы, укладки и расположения частиц относительно друг друга (рис. 2).
Со временем в результате переориентации и оседания сыпучей массы объемная плотность увеличивается. Её величина может стать на 20% больше, чем начальная плотность.
| t |
| s |
| G |
| τ |
| а |
| б |
| R |
| α |
| N |
| G |
| Rг |
При истечении реального сыпучего продукта на ровную горизонтальную поверхность он будет накапливаться в виде конуса (рис. 3). Угол между горизонталью и образующей конуса называют углом естественного откоса. Чем меньше связь между частицами, тем меньше угол естественного откоса, тем легче истечение продукта. По величине угла естественного откоса продукты разделяются:
Рис.1.2. Схемы упаковки сферических частиц
а – ромбовидная; б – свободная
| h |
| D |
| j |
Рис.1.3. Определение угла естественного откоса
Таблица 1.1
Характеристика сыпучих продуктов по истечению
| Продукты | Углы естественного откоса |
| Очень сыпучие продукты | 25-30 |
| Сыпучие продукты | 30-38 |
| Достаточно сыпучие продукты | 38-45 |
| Связанные сыпучие продукты | 45-55 |
| Трудносыпучие продукты | Более 55 |
В сыпучих продуктах различают два вида трения: внешнее трение частиц о стенки емкости, и внутреннее трение частиц друг о друга. Продукты, обладающие плохой сыпучестью характеризуются более высоким коэффициентом внутреннего трения и более сильным сцеплением, чем продукты с хорошей сыпучестью. Точные величины коэффициентов трения о стены и внутреннего трения каждого конкретного продукта могут быть получены экспериментально при проведении специальных лабораторных работ.
Методика проведения работы
1. Определение насыпной плотности дисперсных пищевых материалов и плотности частиц. Схема установки для определения насыпной и истинной плотности показаны на рис.4.
Принцип измерений состоит в следующем. Если сосуд с известным объемом V1(пустая бутылочка с объемом 545 мл), в котором находится газ под давлением Р1 соединить с сосудом, объем V2, которого не известен, то при одинаковой и постоянной температуре сосудов устанавливающееся в них давление равно:
Р1 V1=Р2 V2.
Это соотношение верно как для абсолютного, так и для избыточного давления, измеряемого в ходе эксперимента. Оно позволяет найти V2, если известно значение V1 и измерено давление Р1 и Р2.
Для определения объема самих частиц пищевых продуктов, заполняющих объем V2, справедливо:
V2 = V1 – х;
где х – объем воздуха перераспределившийся из пустой бутылочки в бутылочку с зерном и занял пространство между зернами.
х = V1–V2.
Пустая вторая бутылочка имеет объем V =363 мл, в неё засыпают исследуемый сыпучий продукт и соответственно чистый объем продукта без воздуха будет равен
V– х = Vзерна.
Насыпная плотность определяется как отношение массы продукта к его насыпному объему V:
rн= m/ V,
плотность частиц, как масса продукта к объему V:
rч= m/ V,
пористость, как
| К1 |
| Р1 V1 |
| M |
| От компрессора |
| К2 |
| Р2 V2 |
Рис.1.4. Схема установки для определения насыпной плотности сыпучего материала
Последовательность выполнения лабораторной работы:
1. Определение значений объема воздуха в смеси «воздух+ зерно». Необходимо засыпать в измерительные баллоны исследуемые пищевые продукты и подсоединить их к коллектору. К крану К1 подключить компрессор. Накачать в баллон воздух до давления Р1» 200…260 мм.рт.ст. Открыть кран К1 и соединить объем V1 с объемом V2, выдержать 2 мин для достижения изотермических условий и измерить давление Р2. Взвесить баллон с исследуемым материалом и рассчитать значения плотности частиц, насыпной плотности и пористости сыпучего материала. Занести результаты в таб. 2.
2.Определение размера и формы частиц. О твесить 1 г продукта. Сосчитать число частиц, входящих в навеску. Определить среднюю массу одной частицы. Отобрать пять наиболее характерных частиц и с помощью штангенциркуля определить их линейные размеры, азатем характер поверхности. Зарисовать форму частиц, определить их средний размер по пяти измерениям и данные занести в таблицу 1.2. Построить график зависимости пористости насыпного материала от среднего диаметра частиц.
3. Определение угла естественного откоса. Необходимо у становить воронку на стол. Засыпать её на 1/3 исследуемым материалом. Осторожно поднять воронку, стараясь не повредить образующийся конус. Измерить высоту h конуса и диаметр его основания D. По отношению 2h/D определить угол откоса tg j=2h/D. Занести данные в табл. 1.2 и построить график зависимости угла откоса от среднего диаметра частиц. Обратить внимание на влияние формы и шероховатости частиц.
4.Изучение распределения напряжений в сыпучем продукте. Рассмотрим установкуизображенную на рис. 1.5. При надавливании на площадку, находящуюся на поверхности сыпучего материала, в нем возникают поперечные усилия, уравновешиваемые внутренним сопротивлением трению. Угол внутреннего трения определяется по следу, оставляемому на зачерненной поверхности стеклянных пластин смещенными частицами. Необходимо измерить угол внутреннего трения и зарисовать картину смещения частиц.
| S |
| N |
| j |
| F=S\N |
Рис. 1.5. Определение трения скольжения и распределения напряжений в сыпучем материале
5.Определение характера истечения сыпучих веществ. В зависимости от трения скольжения о стенки сосуда, которое определяется как свойствами частиц так и шероховатостью его поверхности, возможно различное истечение сыпучего материала из бункеров и загрузочных устройств.
Заполнить три цилиндра с различной шероховатостью поверхности мелкодисперсным сыпучим материалом. Поднять их над опорной поверхностью. Зарисовать форму образовавшихся сводов. Взвесить количество высыпавшегося продукта. Построить диаграмму зависимости взвешенного продукта от характера шероховатости поверхности.
Типичные недостатки истечения зерна из силосов показаны на рис.1.6. Ими являются: сводообразование из-за слеживания и уплотнения 1,2, неравномерное поступление продукта к выходному отверстию 3, истечение центрального столба зерна при слеживании боковых слоев 4,5, "захлебывание" потока на выходе 6, образование "мертвых" зон на стыке цилиндрической части и воронки 7, «зависание» 8, расслоение продукта по крупности частиц 9. Причины этих явлений, как правило, связаны с недостаточным углом конусности воронки силоса и с изменением свойств продукта (уменьшении сыпучести) с течением времени хранения.
Эксперименты проводить для каждого сыпучего продукта и результаты записывать в табл. 1.2.
Графики (2 шт) построить в зависимости: пористость от среднего размера рис.1.7, угол откоса от средней массы частицы рис.1.8.
Таблица 1.2
Результаты измерений
| Наименование сыпучего материала | Форма | Характерные размеры | Средний размер | Характеристика поверхности | Средняя масса частиц | Насыпная плотность | Плотность частиц | Угол откоса | Пористость |
Рис 1.6. Типичные недостатки истечения зерна из силосов:
1, 2 – сводообразование; 3 – неравномерное поступление продукта;
4, 5 – истечение центрального столба при слеживании боковых слоев;
6 – «захлебывание»; 7 – образование «мертвых» зон на стыке цилиндрической части и воронки; 8 – «зависание»; 9 – расслоение по крупности частиц
| Среднийразмерчастицы |
| Рис.1.7. – График зависимости пористости от среднего размера частиц |
 |
| Средняя масса частиц |
 |
| Рис.1.8. – График зависимости угла откоса от средней массы частиц |
Выводы по работе должны содержать:
1. Краткую характеристику проделанных экспериментов
2. Описание характера полученных зависимостей
3. Оценку возможных погрешностей измерений
4. Практическое применение результатов лабораторной работы
Форма отчётности:
1. Название лабораторной работы, цель и задачи.
2. Рис. 1.1, 1.3, 1.4.
3. Заполненная табл. 1.2.
4. Алгоритм решения и результаты расчетов по первому пункту последовательности выполнения работы.
5. Выполненныерис. 1.7, 1.8.
6. Выводы по каждому этапу работы
Контрольные вопросы:
1. Какие свойства твердых веществ не свойственны сыпучим средам?
2. Как связан угол естественного откоса со средним диаметром частиц?
3. Как влияет влажность на угол откоса и сводообразование?
4. Каким образом можно разрушить или предупредить сводообразование?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
|
|
|
