Исследование и разработка технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с использованием энергосберегающих электротехнологий
На правах рукописи
ПОСПЕЛОВА ИРИНА ГЕННАДИЕВНА
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ
СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ
Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – Пушкин 2008
Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Владимир Вениаминович Касаткин
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Марина Михайловна Беззубцева кандидат технических наук, доцент Михаил Алексеевич Трутнев
Ведущая организация: ООО «Специальное конструкторское технологическое бюро Продмаш» г. Ижевск
Защита состоится «26» декабря 2008г. В 1330 часов на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г.
Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, ауд. 2-719.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт Петербургский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан «25» ноября 2008г.
Размещен на сайте www.spbgau.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук В.А. Смелик ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Актуальность темы. Среди продуктов питания, обладающих защитными функциями, превалирующее значение имеют плоды, ягоды, овощи и их соки. По данным Всемирной организации здравоохранения содержание в ежедневном рационе 700…800 г. плодов и овощей позволит сократить риск возникновения онкологических, сердечно-сосудистых и некоторых возрастных заболеваний почти на 50 %. Но ярко выраженная сезонность сельскохозяйственного производства овощного и плодово-ягодного сырья, сложность сохранения высоких биологических свойств без специального оборудования не позволяет его использовать на протяжении всего года. Удаление влаги из растительного сырья путем сушки до влажности 8…8,5 % предоставит возможность его длительного хранения в обычных условиях.
Существенный недостаток обычных методов сушки – неравномерная усадка (большая на поверхности и меньшая внутри материала), ведущая к непропорциональному изменению формы материала и даже к разрушению. По сравнению с другими методами сушки сублимация дает равномерную усадку, поэтому материал имеет более пористую, быстро восстанавливающуюся структуру – в течение 5…15 мин в зависимости от вида сырья.
К основным преимуществам метода сублимационной сушки, делающим его промышленное применение весьма перспективным, относятся следующие:
минимальные биологические и физико-химические изменения в продукте, связанные с обработкой при низких температурах;
снижение массы продуктов, за счет уменьшения конечной влажности;
значительное увеличение сроков хранения сублимированных продуктов при положительных температурах;
упрощение реализации продуктов в торговой сети, в связи с ненадобностью холодильных установок.
Перспективы развития сублимационной техники связаны с переходом к установкам непрерывного действия, с повышением эффективности сублимационного оборудования за счет интенсификации процесса обезвоживания.
Цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортированием в едином вакуумном цикле и использовании энергосберегающих электротехнологий.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ технологий и оборудования для производства высококачественных сушеных мелкокусковых полуфабрикатов;
исследовать вакуумное измельчение, сортирование и скорозамораживание растительных материалов на примере картофеля и яблок, высушиваемых с применением СВЧ- и УЗИ - полей в принудительном фильтрационном потоке газа;
разработать математические модели процессов скорозамораживания с последующей сублимационной сушкой и рассчитать оптимизированную энергоемкость сушки мелкокусковых растительных материалов на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;
исследовать кинетику скорозамораживания и сублимационной сушки обрабатываемых материалов на вакуум-сублимационных установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;
обосновать технико-экономическую эффективность разработанной технологии и оборудования.
Научная новизна. В результате работы:
разработан непрерывный способ сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортировкой в едином вакуумном цикле;
разработаны математические модели процессов скорозамораживания с последующей сублимационной сушкой и рассчитана оптимизированная энергоемкость сушки мелкокускового материала с комбинированным энергоподводом. Получены аналитические зависимости параметров для квазистационарных условий непрерывного процесса сублимационного обезвоживания с предварительным измельчением и сортировкой;
обоснованы основные технологические параметры и режимы работы установки с комбинированным энергоподводом для непрерывного измельчения, самозамораживания при сортировке и сублимационной сушки кусочков плодов и овощей, ранее не применяемые в сельском хозяйстве.
Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:
разработана математическая модель, которая позволяет рассчитывать установки типа УСС-НД-КЭ-И;
разработан и испытан лабораторный образец непрерывно действующей сублимационной установки с производительностью 1 кг/ч по испаряемой влаге УСС-НД-КЭ-И-01, обеспечивающей эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;
использование опытного образца в учебном процессе.
Реализация результатов исследований Работа основана на обобщении результатов исследований соискателя, выполненных самостоятельно и в содружестве с инженерами, учеными, технологами и специалистами Научно-исследовательского института вакуумного электронного машиностроения (Ижевск), Специального конструкторского технологического бюро «Продмаш» (Ижевск), ЗАО «Родная Любава» (Ижевск) и ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА.
Для разработки исходных требований технологии сублимационной сушки на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом на кафедре МПСХП ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА был создан опытный образец установки «УСС-НД-КЭ-И-01» и внедрен в производство ЗАО «Родная Любава», на котором соискателем исследована кинетика сублимационной сушки кусочков фруктов и овощей. После апробации образца и получения положительных результатов, разработана техническая документация на установку «УСС-НД-КЭ И-02», производительностью 10 кг/ч, и передана на проектирование в ООО «СКТБ-Продмаш» г. Ижевска.
На защиту вынесены следующие положения:
способ непрерывной сублимационной сушки, с предварительным измельчением на кубики фруктов и овощей и их сортировкой в вакуумной среде, введением СВЧ и УЗИ - энергоподвода с принудительным потоком газа через слой мелкокускового продукта на стадии сублимации и УЗИ энергии с принудительным потоком газа на стадии удаления остаточной влаги;
физические механизмы непрерывного измельчения, сортировки, сублимационного обезвоживания мелкокускового материала диэлектрическим методом с УЗИ интенсификацией в потоке газа и их математическое описание;
высокоинтенсивная технология непрерывной сублимационной сушки, с предварительной сортировкой измельченных фруктов и овощей, в едином вакуумном цикле при комбинированном энергоподводе.
Объем и структура диссертации Работа изложена на 139 листах основного текста, в своем составе имеет:
титульный лист, содержание, введение, 5 разделов, в том числе 41 рисунок и таблиц, общие выводы, список использованной литературы из 177 источников и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены состояние вопроса, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан анализ технологий и оборудования для производства высококачественных сушенных мелкокусковых полуфабрикатов.
Проведенный анализ позволил установить:
принципиальное преимущество совмещения измельчения и сортировки с сублимационной сушкой плодоовощного материала в едином вакуумном цикле;
необходимость дальнейших исследований процессов сублимационной сушки с предварительным измельчением и сортировкой фруктов и овощей;
необходимость разработки новой технологии и образцов сушильного оборудования с использованием измельчения, сортировки, УЗИ и СВЧ энергоподвода и потока инертного газа;
выводы и задачи диссертационной работы.
Во второй главе представлена усовершенствованная технология для производства мелкокусковых сушеных фруктов и овощей без операции бланширования.
Для этого выдвинута гипотеза: заключение овощерезки и сортировки в герметичной камере, обеспечение подвода материала и удаление фракций разделения (сход и проход) через шлюзовые затворы, предназначенные для поддержания вакуума.
Исследования сушки в вакууме нарезанных кубиками картофеля и яблок осуществляли на установке (рисунок 1), разработанной соискателем.
Работает сушилка следующим образом.
Вакуумное самозамораживание. Нарезанный плодоовощной материал немедленно загружается через лоток (17) в барабанную сортировку (16), которая находится внутри вакуум-сублимационной камеры (1). Дверь камеры (10) герметично закрывается, и включается откачка воздуха с помощью вакуумного насоса (3). Давление в камере медленно опускается и стабилизируется около Па, в это время начинается сортировка кубиков. Продукт при этом самозамораживается за счет того, что расходует внутреннюю энергию на испарение влаги с поверхности кубиков.
4 5 6 7 8 9 17 3 12 2 13 1 14 15 16 1 - камера вакуум-сублимационная;
2 - десублиматор;
3 - насос вакуумный;
4 - машина холодильная;
5 - трубопровод вакуумный;
6 - вакуумметр, 7 - термометр;
8 – натекатель воздуха;
9 - датчик ПМТ-6;
10 -дверь камеры;
11 - панель управления;
12 -испаритель холодильной машины;
13 - СВЧ генератор;
14 - лоток с УЗ излучателем для стандартных кубиков;
15 - лоток для обрезей;
16 – барабанная сортировка;
17 – лоток загрузочный Рисунок 1 Компоновочная схема лабораторной вакуумной установки Сублимационная сушка. Прошедшие сортировку стандартные кубики падают на лоток с УЗИ источником (14). Далее включается СВЧ нагрев (13), давление в камере увеличивается и устанавливается около 60…70 Па. При этом в камере идет сублимационная сушка. Через определенный промежуток времени, который зависит от массы заложенного на сушку продукта и мощности СВЧ излучения, давление в камере начинает падать, по чему можно определить, что сублимация свободной влаги закончилась. Прекращается СВЧ нагрев и включается натекатель рабочего газа (8) температурой в пределах от +10°С до +40°С, за счет чего давление в камере увеличивается до 100 Па.
Удаление остаточной влаги в продукте осуществляется конвективно звуко-вакуумным способом. Через какое-то время давление плавно начинает опускаться и устанавливается в пределах около 30 Па. Это означает, что процесс сушки закончен. Отключается УЗИ, вакуумная система, и идет наполнение камеры воздухом. При достижении давления в камере в пределах атмосферного, дверь открывается, и лоток с сублимированным продуктом вынимается для исследований.
На установке были выполнены исследования вакуумного самозамораживания мелкокускового плодоовощного материала с последующей его сублимационной сушкой (рисунки 2, 3). В результате чего, установлено, влияние размеров кусочков и общей массы продукта на время полного самозамораживния, а также влияние способа подвода энергии на время, скорость, энергоемкость сушки и качество конечного продукта (пищевая ценность, внешний вид и способность к восстановлению).
При обработке в вакууме 10 мин Без обработки в вакууме 10 мин а б а б Рисунок 2 а - сравнительные срезы картофеля;
б - сравнительные срезы яблок кубики 777 мм кубики 131313 мм 30 Температура, град С Температура, град С 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 - - - - - - - - - - Время обработки, мин Время обработки, мин Рисунок 3 Влияние размеров продукта на время самозамораживания на примере картофеля В результате исследований выявлены основные параметры, от которых зависит сушка мелкокускового плодоовощного сырья на вакуумных установках:
у f (nб, Рк, Т аг, В, f СВЧ, N СВЧ, fУЗ, NУЗ ), (1) где nб - частота вращения барабана сортировки;
Рк - давление в камере;
Таг - температура агента сушки;
В - ширина кубика материала;
СВЧ, NСВЧ - частота и мощность СВЧ-излучателя;
УЗ, NУЗ - частота и мощность УЗ-излучателя.
В третьей главе приведены результаты теоретических исследований непрерывного сублимационного способа сушки с предварительной сортировкой измельченных фруктов и овощей при комбинированном энергоподводе.
Количество испаряемой влаги (т) в процессе вакуумного самозамораживания и сублимационной сушки под действием СВЧ- и УЗИ энергий и принудительного потока газа в едином вакуумном цикле на установке непрерывного действия может быть представлено в виде:
m m1 m2 m3 m4, (2) где m1 - количество испаренной влаги в процессе вакуумного самозамораживания при сортировке;
m2 - количество испаренной влаги под действием СВЧ - энергии;
m3 - количество испаренной влаги под действием принудительного потока газа;
m 4 - количество испаренной влаги под действием УЗИ - энергии.
Вакуумное самозамораживание. Для увеличения площади воздействия вакуума на каждый кубик плодоовощного сырья в процессе самозамораживания, а также для получения готового продукта однородного по качеству необходимо производить процесс сортировки.
Положение кубиков на круговой траектории определяется углом отрыва, образуемым радиусом барабана сортировки, проходящим через центр кубиков с вертикальным диаметром барабана.
F тр А C // / G G R a N G Рисунок 4 Траектория движения кубиков при А aa водопадном режиме работы сортировки и силы, F тр А F тр действующие на кубики продукта N N А А2 // / G G / // G C G C G G В любой точке круговой траектории радиуса барабана сортировки Rб кубик находится под действием силы тяжести G и центробежной силы С mv C, (3) Rб где m – масса кубиков, кг.
Анализируя положение частицы на рисунке 4, частота вращения барабана должна быть такой, чтобы кубик под действием центробежной силы не увлекался в круговое движение, а мог лишь подниматься на определенную высоту (точка А5) и под действием силы тяжести перекатываться вниз [156, 158].
30 g пб *K, (6) * Rб где K - коэффициент кинематического режима, K = 0,1…0,2.
С целью повышения качества производимой продукции обоснованы параметры и режимы предлагаемого сортирующего устройства.
Доля испаренной влаги при вакуумном самозамораживании (1) составляет примерно 12…14 % и определяется формулой [148, 152]:
m1 B Q3 0 B c B 0 0 c0 1 1. (7) B 0 Q3 r m В результате испарительного самозамораживания конечная температура (Тк) кусочка понижается, и ее значение определяется формулами [69, 152, 166]:
Л rC R K ln 2 Л 2, (8) В c Л R Л R 1 0 c RЛ B2, (9) 0cЛ Л Qз r R2 R1 B, (10) r Л C 1 0 c 0 c B Н R1 R0 1 1 exp r, (11) 0cB Л rC B r, (12) н кр. (13) Конечная влажность кубика (W) в % при испарительном самозамораживании определяется формулой:
1 1 0 B W 1 0 0. (14) Сушка под действием СВЧ и УЗИ энергий в фильтрационном потоке газа Уравнение энергии для двух сред, движущихся с различными скоростями, с учетом испарения влаги из материала и с внутренним источником тепла, имеет вид d1 d 1c1 1 П 2 c2 П 2 r1 Н 1 1 П 1 1 1 П 2 1, (15) d d Для пористого материала и парогазовой смеси принимаем 1 2.
Слой материала на участке 0 x H 1 состоит из кубиков с сублимирующимся льдом.
Считаем температуру на границе x 1 криоскопической. Плотность внутренних источников тепла связана с местом подвода УЗИ и СВЧ-энергий к материалу (рисунок 5).
R х Н N СВЧ х v1 Н N УЗ И v2 сушильный агент Рисунок 5 Схема расчета сушильной камеры Плотность мощности определяем выражением:
x x0 ( 0 ) 0 Д е З е 0 x x0, (16), x0 x ( 0 ) 0 Д е З е x0 x H 1, (17), СВЧ N УЗ Д NЗ,, (18) 2F0 F0 R NУЗ IFИ. (19) Скорость кубиков определяется формулой:
1. (20) 0 1 0 Л 0 1 F Расход агента сушки определяется формулой:
G2 2 2 П. (21) Количество испарившейся влаги определяем в соответствии с (2) b x V dx V.
m 24 m 2 m3 m 4 (22) 1 x При этом убыль плотности составит:
b x dx, (23) 1 x где принимается:
x1 = 0, 0 x x 0, x1 = x0, x 0 x 1, x = Н, 1 x.
Убыль плотности определяет текущую влажность кубиков, которая рассчитывается по формуле:
W ( x) W ( x1 ) 100, (24) 0 (1 П 0 ) где W ( x 1 ) - влажность на границе x x 1.
Разработаны принципиальная схема и формализованное представление энергоемкости непрерывного процесса сублимационной сушки с предварительным измельчением и сортировкой фруктов и овощей в едином вакуумном цикле на установках непрерывного действия.
Таблица 1 Формализованное изображение процесса работы сушилки qij1 qij2 qij3 qi qij q1я q2х q3у Овощи / фрукты Параллельно всему q (целые) q1 процессу Подвод Питание Насос q Резательная управления Резка q Вакуумная Подвод Питание Система Система система холода машина Подвод Питание Насос q Самозамораживание при Подвод Питание Сортировка q Вакуум-насос управления сортировке q Компрессор Шкаф Подвод Питание СВЧ q Подвод Питание УЗИ Сушка q4 q Подвод Питание Термостат q Питание Питание Питание Выгрузка q Подвод Питание Затвор q Подвод Подвод Подвод q Овощи / фрукты (кубики сублимированные) q Математическое описание и аналитическое решение задачи расчета энергоемкости для квазистационарного случая сублимационного обезвоживания, позволяющие рассчитать оптимизированную энергоемкость, определять количество испаряемой влаги, изменение температурного поля в высушиваемом материале в зависимости от различных технологических параметров:
2, с2, 2, G2, В, NСВЧ, NУЗ, R, Н,, 1, nб, c0, 0.
В четвертой главе изложены методики проведения экспериментов исследуемого способа сушки и определения качественных показателей сушеных кубиками фруктов и овощей.
Экспериментальные исследования способа сушки проводили на установке УСС–НД-КЭ–И–01 (рисунок 6).
19 20 21 22 23 24 к о т р и ц а т е л ьн о м у п о т ен ц и а лу б ло ка п о с т о я но г о н а п ря ж е н и я P, П а t,Е C t, Е C па ры ж и д к ий t, Е C х л а до а ге н т х л а до а ге н т СВ Ч о т б л ок а п и т а ни я к в о л н ов о д у 17 t, Е C t,Е 15 C P, П а t,Е У З И о т бл о к а C t,Е C у п р ав л е н и я 14 13 12 1 - охлаждаемый элемент дсублиматора;
2 - окно для выгрузки льда;
3 - дека для съема льда с конвейера;
4 - конвейер карусельного типа для перемещения льда;
5 - ролик;
6,11,24 вакуумные затворы;
7 - УЗ излучатель;
8 - напуск агента сушки;
9 - бункер плавитель льда;
- привод шнека и конвейера;
12 - насос подачи агента сушки;
13 - термостат;
14 -вакуумный насос;
15 - шнек выгрузки готового продукта;
16 - ременная передача;
17 - датчик давления и температуры;
18 - собирающая воронка;
19 - редуктор конический;
20 - привод сортировки;
21 - лоток обрезей;
22 - сортировка барабанная;
23 - лоток загрузочный;
25 -резательная машина Рисунок 6 Принципиальная схема установки сублимационной сушки мелкокусковых растительных материалов типа УСС-НД-КЭ-И непрерывного действия с комбинированным энергоподводом Описание установки. Установка состоит из сушильной камеры цилиндрической формы с источниками СВЧ и УЗИ полей. В верхней части сушильной камеры расположена резательная машина (25) для измельчения фруктов и овощей и сортировка барабанного типа (22). В камере имеется собственный десублиматор (1), а также через шиберный затвор к установке подключен вакуумный насос (14). В нижней части через вакуумный затвор (11) сушильная камера соединена с выгрузным шнеком (15). Плоды подаются в резательную машину и измельчаются. Режим подачи плодов контролируется и управляется субблоком управления системы измельчения (СУСИ). Кубики плодов в процессе сортировки охлаждаются и замерзают за счет интенсивного испарения влаги в вакууме. Далее самозамороженные кусочки с подсохшим верхним слоем летят вниз – в сушильную камеру. Агент сушки (инертный газ, воздух) на стадии удаления остаточной влаги подается в нижнюю часть сушильной камеры из баллона через термостат (13). Расход газа регулируется натекателем по сигналам субблока управления вакуумным агрегатом (СУАВ).
Объект сушки. В качестве объектов сушки были взяты картофель и яблоки, которыми заполнялась сушильная камера.
Работа установки. В условиях установившегося вакуума в камере включаются конденсаторы (десублиматоры), подаются плоды, измельчаются в резательном устройстве и падают в сортировку, где происходит сортирование вороха по заданному размеру для равномерной сушки материала. При этом происходит процесс испарительного самозамораживания под давлением ниже 100 Па при температуре десублиматоров -35°С. Эти условия позволяют кусочкам во время сортировки и полета в сушильную камеру замерзнуть и одновременно образовать сухую корочку, предотвращающую кусочки от слипания.
Одновременно через натекатель производится подача агента сушки (инертного газа, воздуха), нагретого до температуры от +20 до +40°С. Количество подаваемого газа регулирует СУАВ, так чтобы давление в верхней части камеры не поднималось выше 100 Па. На практике СУАВ контролировал параметры на уровне (0), где давление колебалось в пределах 1200±10 Па, на уровне (300) в пределах 500±10 Па и на уровне (600) – 30±5 Па. При достижении продуктом в камере сушки уровня (500) включается СВЧ, на уровне (0) включается УЗИ, и при заполнении сушильной камеры продуктом до отметки (600 - верхний уровень) в нижней части установки вводится в действие шнек электроприводом и начинается выгрузка сублимированного продукта. Происходит непрерывный процесс сушки в СВЧ и УЗИ - полях и принудительном потоке газа. Уровень сушимого криоматериала в сушильной колонне поддерживается системой управления на уровне (600).
Результаты сушки кусочков яблок и картофеля представлены в таблицах и 3 и отображены (по средним значениям влажности) на рисунках 7 и 8.
Таким образом, результаты экспериментов показали, что при использовании операции сортировки влажность в верхних слоях продукта была ниже в среднем на 8 %, это позволяет увеличить скорость сушки и повысить качество готового продукта.
Таблица 2 Параметры кинетики процесса сушки кусочков картофеля без сортировки при температуре напускаемого газа 40°С Высота Н, мм 600 500 400 300 200 100 1 опыт 76,1 64,8 48,1 28,1 16,1 12,0 8, 2 опыт 76,0 65,1 48,0 28,2 16,0 12,0 8, W, 3 опыт % 76,0 64,9 47,9 27,8 15,9 11,9 8, среднее 76,0 64,9 48,0 28,0 16,1 12,0 8, Т, °С -33±0,1 -24±1 -21±2 12±3 29±2 34±1 40±0, Р, Па 30±5 750± 100±5 290±10 500±10 980±10 1200± 100 Температура, С;
влажность, % 80 60 Давление, Па 40 0 600 300 200 500 - - Высота Н, мм влажность, % температура, град С давление, Па Рисунок 7 Кривые процесса сушки кусочков картофеля без сортировки Таблица 3 Параметры кинетики процесса сушки кусочков картофеля с сортировкой при температуре напускаемого газа 40°С Высота Н, мм 600 500 400 300 200 100 1 опыт 75,8 59,4 43,4 25,8 14,7 11,0 8, 2 опыт 75,9 59,4 43,3 25,8 14,6 11,0 8, W, 3 опыт % 75,9 59,6 43,3 25,7 14,5 11,1 8, среднее 75,9 59,5 43,3 25,8 14,6 11,0 8, Т, °С -33±0,1 -24±1 -21±2 10±3 25±2 34±1 40±0, Р, Па 30±5 735± 97±5 280±10 500±10 950±10 1200± 100 Температура, С;
влажность, % 80 Давление, Па 600 300 200 500 - - Высота Н, мм влажность, % температура, град С давление, Па Рисунок 8 Кривые процесса сушки кусочков картофеля с сортировкой Выведена аппроксимированная математическая модель влажности W в зависимости от времени сушки в установках типа УCC-НД-КЭ-И-01, имеющая вид:
W* = + /x*+ е-0,01x *, (25) П0 В, (26) 1 П0 B Qз 0 B c B 0 0 c0 1 0 Т + 4bR0 T0 / i, (27) B 0 Qз r B Qз 0 B c B 0 0 c0 1 0 Т + 4bR0 0 / i, (28) B 0 Qз r где W* - безразмерная влажность, х* = х / Н – безразмерная величина.
Экспериментально получены коэффициенты,, (таблица 4), зависящие от продукта и способа сушки, а также теоретически рассчитаны значения коэффициентов ', ', ' (таблица 5).
Таблица 4 Значения коэффициентов,, для яблок и картофеля по экспериментальным данным Конвективный СВЧ КВЗД Объект № сушки 1 Яблоки 1.1 -7,3 -131,5 154,1 -35,9 80,1 129,8 -12,8 633,5 65, 1.2 -7,2 -131,3 153,8 -35,7 79,9 129,7 -12,8 633,4 65, 1.3 -7,6 -131,0 153,9 -35,7 80,0 129,8 -12,9 633,5 65, ср1 -7,4 -131,3 154,0 -35,8 80,0 129,8 -12,8 633,5 65, 2Картофель 2.1 -7,6 -131,1 154,0 -35,8 79,8 129,9 -12,7 633,3 65, 2.2 -7,7 -131,2 154,2 -35,8 79,9 129,7 -12,8 633,4 65, 2.3 -7,6 -131,4 154,3 -35,7 80,1 129,7 -12,6 633,5 65, ср2 -7,6 -131,2 154,2 -35,8 79,9 129,8 -12,7 633,4 65, Таблица 5 Теоретически рассчитанные коэффициенты ', ', ' для яблок и картофеля Конвективный СВЧ КВЗД Объект сушки ' ' ' ' ' ' ' ' ' 1Яблоки -7,4 -131,3 153,9 -35,9 80,1 129,7 -12,8 633,5 65, 2 Картофель -7,5 -131,3 154,2 -35,8 80,2 129,7 -12,6 633,2 65, Расхождения между значениями, полученными экспериментально и рассчитанными по формулам 25…28 не превышают 3 %.
Анализ результатов экспериментов показал, что в процессе сублимационного обезвоживания с использованием комбинированного энергоподвода (СВЧ и УЗИ – энергий и принудительного потока газа) позволяет снизить энергоемкость процесса и сохранить пищевую ценность продукта (сохранность витамина С до 90…94 %).
В пятой главе приведена технико-экономическая оценка усовершенствованной установки непрерывной сублимационной сушки фруктов и овощей. В таблице 6 показаны технические характеристики установки непрерывного действия с усовершенствованным процессом сушки УСС-НД-КЭ И-02 и установки периодического действия Иней-17.
Таблица 6 Сравнительные характеристики сублимационных установок Сублимационная установка Характеристика установки Иней -17 УСС-НД-КЭ-И- Время сушки (среднее), ч 20…30 2,0…2, Удельный расход энергии по удаляемой влаге (энергоемкость), кВт · ч/кг 4,5 1, Остаточная влажность, % 8,0…8, 8, Температура обработки продукта, °С -35… +40 -35… + Объем производства в год на одной установке, кг 6000 Срок окупаемости капитальных затрат, год - 2, Годовой экономический эффект, руб. - 1247269, Анализ табличных результатов показывает, что использование сублимационной установки с комбинированным энергоподводом непрерывного действия для получения сушеных мелкокусковых плодоовощных продуктов энергоэкономичнее в 4,5 раза, чем применение кондуктивной сублимационной сушилки периодического действия. Годовой экономический эффект после внедрения разрабатываемой установки в производство превысит 1247269,2 руб.
при сроке окупаемости капительных затрат 2,34 года.
ВЫВОДЫ 1. Установлено, что выпуск высококачественной сушеной плодоовощной продукции быстрого приготовления, имеющей длительные сроки хранения и удобной в использовании, сдерживается из-за отсутствия современных высокопроизводительных энергосберегающих технологий сушки и оборудования.
Высшая категория качества готового продукта, сохраняемость биологически активных веществ, витаминов и органолептических свойств, значительный уровень энергосбережений, может обеспечить применение сублимационной сушки в вакууме на установках непрерывного действия.
2. Исследованы условия проведения технологических операций измельчения и сортировки в вакууме при самозамораживании (Р = 10…30 Па, Т = -16…-30°С) и показана возможность их совмещения с сублимационной сушкой фруктов и овощей.
3. Разработан способ организации процесса непрерывной сублимационной сушки включающий:
измельчение и сортировку продукта в вакууме (V = 7х7х7, 13х13х13 мм3, Р = 10…30 Па);
сушку мелкокускового продукта в полях СВЧ энергии (NСВЧ = 3…10 кВт, СВЧ = 2450 МГц) и УЗИ (NУЗИ = 5…10 Вт, УЗИ = 18 2 кГц) при принудительном и направленном фильтрационном потоке газа.
4. Представлены физические модели процессов сортировки и сублимационной сушки, и даны их математические описания в едином вакуумном цикле применительно к установке непрерывного действия.
Разработано формализованное представление энергоемкости и математическая модель расчета оптимизированной энергоемкости технологии сублимационной сушки мелкокусковых растительных материалов на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом.
5. Разработан и изготовлен опытный образец установки непрерывного действия для сублимационной сушки измельченных фруктов и овощей с производительностью по испаряемой влаге 1 кг/ч (УСС-НД-КЭ-И-01), снабженный системой управления, позволяющий реализовать технологию получения сушеных (влажностью 8,0…8,5 %) мелкокусковых продуктов с содержанием витаминов близких к исходному продукту (не менее 94 %).
6. Установка УСС-НД-КЭ-И-01 передана в ЗАО «Родная Любава» и внедрена для производства наполнителей в молочные продукты, что позволит повысить их качественные показатели и пищевую ценность.
7. По результатам исследований оформлены технические задания и переданы «СКТБ – Продмаш» для разработки рабочей конструкторской документации на ряд промышленных установок производительностью 10, 50 кг/ч по испаряемой влаге. Разработана установка УСС-НД-КЭ-И- производительностью по испаряемой влаге 10 кг/ч. При объеме сушки 24000 кг в год измельченного плодоовощного сырья годовой экономический эффект составит 1247269,2 руб.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ 1. Обозначения:
- линейная скорость кубиков на круговой траектории, м/с;
П0, П - пористости соответственно кубика и слоя криокубиков;
cB, c0, сЛ, c1, c 2 - теплоемкости соответственно воды, сухого вещества кубика, льда, криокубика и парогазовой среды над слоем кубиков, Дж/(кг 0С);
B, 0, Л, 1, 2 - плотности соответственно влаги, сухого вещества кубика, льда, криокубика и парогазовой среды над слоем кубиков, кг/м3;
r, rC - удельные теплоты соответственно испарения и сублимации, Дж/кг;
Q з - удельная теплота замерзания воды, Дж/кг;
R1 и R2 - радиусы соответственно фронта испарения при температуре начала замораживания (криоскопическая температура) и фронта испарения в момент, когда вся влага заморожена, м;
В - сторона кубика, м;
- снижение температуры от начального значения до температуры замерзания, 0С;
н, кр, 1, 2 - соответственно температуры начальная, криоскопическая, криокубика и парогазовой среды над слоем кубиков, 0С;
= (m2+m3+m4)/m - доля испаренной влаги;
- продолжительность сушки, ч;
- удельная поверхность, м2/м3;
Н1 - зона сублимации льда, м;
1 2 - теплопроводности соответственно криокубика и парогазовой среды, Вт/(м·С);
NД, NЗ - удельные мощности СВЧ и УЗ- энергий соответственно, подводимых к материалу, Вт/м3;
NСВЧ, NУЗ - мощности соответственно СВЧ и УЗИ источников, Вт;
q – энергоемкость подвода и преобразования энергии к технологическому процессу;
G2 - расход агента сушки, м/ч;
- глубина проникновения СВЧ - энергии в материал, м;
- удельный декремент затухания системы, с-1;
0 - круговая частота собственных колебаний системы, с-1;
0 - амплитуда колебаний УЗ-излучателя, м;
F0 - площадь поперечного сечения, м2;
R, Н – радиус и высота сушильной камеры, м;
I - интенсивность звука, Вт/м2;
FИ - площадь излучающей поверхности, м2;
- расход материала (криокубиков), кг/ч;
- коэффициент, учитывающий общую площадь поверхности испарения, м2;
2 - оператор Лапласа, м-2;
i – интенсивность испарения, кг/ч;
b - эмпирический параметр, кг/(м·ч·0С).
2. Индексы:
в - вода;
л - лед.
3. Сокращения:
СУАВ - субблок управления агрегатом вакуумным;
СУСН - субблок управления системой нагрева;
СУСХ - субблок управления системой обеспечения холода;
СУСИ - субблок управления системой измельчения;
УСС-НД-КЭ-И - установка сублимационной сушки непрерывного действия с комбинированным энергоподводом и измельчением;
КВЗДС - конвективно-вакуумно-звуко-диэлектрическая сушка.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ 1. Шумилова, И.Ш. Методы оценки эффективности мер по энергосбережению / И.Ш.
Шумилова, В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова, Н.И. Собин // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т.II. – С. 591 – 594.
2. Шумилова, И.Ш. Энергетика технологического процесса / И.Ш. Шумилова, В.В.
Касаткин, И.Г. Поспелова, Н.И. Собин // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т.II. – С. 594 – 597.
3. Шумилова, И.Ш. Использование диаграмм при расчете технологических параметров сушки / И.Ш. Шумилова, В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова, Н.И. Собин // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т.II. – С. 598 – 601.
4. Арсланов, Ф.Р. К вопросу о сохранении витаминов в перерабатываемой плодоовощной продукции при сублимировании / Ф.Р. Арсланов, И.Г. Поспелова // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т.II. – С. 508 –512.
5. Касаткин, В.В. Новые методы исследований электротехнологических процессов при переработке сельскохозяйственной продукции / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Ш.
Шумилова, И.Г. Поспелова, К.В. Кожевникова // Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии – 50 лет». – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – С. 240 – 246.
6. Касаткин, В.В. Теория адекватного питания / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Г.
Поспелова, К.В. Кожевникова // ВЕСТНИК Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. – Ижевск : 2005. № 3 (6). – С. 17–19.
7. Касаткин, В.В. Развитие и применение сублимационной сушки в переработке сельскохозяйственной продукции / В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова // Высшему аграрному образованию в Удмуртской Республике 50 лет. Итоги и перспективы: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : РИО ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005. – С. 138 – 141.
8. Арсланов, Ф.Р. Способы охлаждения пищевых продуктов / Ф.Р. Арсланов, И.Г.
Поспелова, Л.Я. Лебедев, Н.Ю. Литвинюк, В.В. Касаткин // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006 – Т.III. - С. 22 – 26.
9. Арсланов, Ф.Р. Сортирование резаного картофеля в разряженной среде / Ф.Р.
Арсланов, И.Г. Поспелова, Л.Я. Лебедев, А.В. Храмешин, С.П. Игнатьев // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006 – Т.III. - С. 26 – 29.
10. Положительное решение о выдаче патента России по Заявке № 2007103504:
Установка непрерывного действия для измельчения и сублимационной сушки кускообразных материалов / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, Л.Я. Лебедев, А.В. Храмешин, И.Ш. Шумилова, Ф.Р. Арсланов, И.Г. Поспелова, М.В. Касаткина.
11. Касаткин, В.В. Как сохранить урожай круглый год / В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова, К.В. Анисимова // Картофель и овощи. – 2007. - №8 – С.16.
12. Касаткин, В.В. Тепломассообмен в сублимационных сушильных установках непрерывного действия с СВЧ- и УЗИ- источниками при непрерывном потоке газа / В.В.
Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Г. Поспелова, И.В. Возмищев // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - №10. – С.75–77.
13. Касаткин, В.В. Восстановление сублимированных продуктов / В.В. Касаткин, И.Г.
Поспелова // Научный потенциал – аграрному производству: материалы всероссийской научно практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2008 – Т.IV. - С. 186 – 188.
На правах рукописи Поспелова Ирина Геннадиевна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Сдано в набор 24.09.08 г. Подписано в печать 29.09.08 г.
Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х841/16.
Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № Изд-во ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА г. Ижевск, ул. Студенческая,