Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса сушки термолабильного сырья
1.1. Анализ современных методов и средств сушки: преимущества и недостатки.
1.2. Энергосбережение в сушильных установках. 20
1.3. Биотехнические условия к нагреву термолабильного сырья (на примере зеленных культур).
1.4. Проблемы и основные направления совершенствования технологии сушки зеленных культур.
Выводы по главе 1 31
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование конструктивно- технологических параметров установки для сушки зеленных культур инфракрасным излучением
2.1. Общие принципы проектирования инфракрасной техники для сушки растительного сырья.
2.2. Методика определения спектральных характеристик растительного сырья
2.3. Уточненная методика расчета конструктивно-технологических параметров установки для сушки термолабильных зеленных культур .
2.4. Теоретическое обоснование использования пленочных электронагревателей в технологическом процессе сушки термолабильных зеленных культур.
Выводы по главе 2 62
ГЛАВА 3. Программа и методики исследования процесса сушки термолабильного сырья инфракрасным излучением (на примере зеленных культур)
3.1. Методика исследования спектральных характеристик растительного 66 сырья и пленочных электронагревателей.
3.2. Методика подготовки материала к сушке. 68
3.3. Методика определения влажности и влагосодержания материала . 71
3.4. Методика исследования характера влияние высоты подвеса ИК-излучателя на продолжительность сушки 72
3.5. Методика исследования режимов сушки зеленных культур. 76
3.6. Исследование качественных характеристик готовой продукции.
Выводы по главе 3 83
ГЛАВА 4. Результаты эксперементальных исследований
4.1. Анализ спектральных характеристик продукта сушки и пленочных электронагревателей.
4.2. Результаты исследования режимов сушки. 90
4.3. Результаты исследования качества сухопродуктов . 95
Выводы по главе 4 98
ГЛАВА5 Разработка инфракрасной установки для сушки термолабильного сырья с оценкой энергетической и экономической эффективности
5.1. Математическая модель расчета конструктивно-технологических параметров «Сушильной установки»
5.2. Описание «Сушильной установки». 102
5.3. Расчет энергетической и экономической эффективности применения ИК - установки для сушки зеленных культур.
Выводы по главе 5 113
Основные выводы по диссертации 114
Список литературы
- Биотехнические условия к нагреву термолабильного сырья (на примере зеленных культур).
- Уточненная методика расчета конструктивно-технологических параметров установки для сушки термолабильных зеленных культур
- Методика определения влажности и влагосодержания материала
- Результаты исследования качества сухопродуктов
Биотехнические условия к нагреву термолабильного сырья (на примере зеленных культур).
Однако такая специфика многих пищевых продуктов как термолабильность регламентирует температурные нагрузки на них, поэтому использовать термодиффузионный поток для транспортировки влаги в них нельзя из-за необходимости вести технологический процесс при умеренных температурах.
В установках конвективного типа при пониженных температурах теплоносителя сушильный потенциал процесса резко снижается, увеличивается продолжительность сушки и снижается производительность установки.
Современное развитие техники и технологии сушки термолабильных материалов характеризуется разработкой новых и оптимизацией традиционных методов сушки, исследованием новых источников тепла, а также оптимизацией конструкций сушильных установок.
Учитывая свойства термолабильных материалов, часто предпочтение отдают организации осциллирующего режима сушки [35,92,101]. Попеременный нагрев и охлаждение позволяют использовать высокотемпературные сушильные агенты, при этом сохранить качество высушиваемых материалов и получить более высокие технико-экономические показатели процесса, но в данном случае удорожание и технологическое усложнение происходит из-за разработки автоматизированных систем контроля и управления температурными нагрузками.
Высокая энергоёмкость процесса в целом по сушильной отрасли приводит к неоправданным потерям энергии, росту потребления жидких и газообразных видов топлива, энергия сжигания которых используется в процессах конвективной сушки. Следствием последнего является также и снижение экологической чистоты, как процесса сушки, так и собственно получаемых с помощью конвекционных технологий сухопродуктов из растительного сырья [21,31,98]. Кроме того, при конвективном способе коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к поверхности материала имеет очень незначительную величину - 11,6 -23,2 (Вт/м К) [55].
Достаточно близкие проблемы возникают при использовании менее распространенных, технологий сушки, например, в псевдокипящем слое и других, основанных (как и конвекционная сушка) на поверхностном обогреве высушиваемых продуктов.
Кондуктивная сушка, применяемая в пищевой промышленности, не является исключением. Коэффициент теплопередачи при этом способе значительно выше, чем при конвективной сушке и составляет 170 -180BT/(MZK). Способ отличается не высокой стоимостью оборудования, относительно малыми затратами энергии и сравнительно прост. Скорость контактной сушки определяет только градиент температуры qradT, градиент влагосодержания qradU оказывает тормозящее действие на перемещение влаги к поверхности материала. Градиент влагосодержания qradU и температуры qradT совпадают только в слоях вблизи открытой поверхности материала, ускоряя перенос влаги [55].
Несмотря на быстроту процесса из-за обязательного условия при этом способе сушки - хорошего контакта сырья с горячей поверхностью, который очень часто невозможно создать, а также соприкосновения с нагретыми вальцами при температуре выше 100С, происходит необратимая тепловая коагуляция белка и разрушение витаминов, что делает этот способ сушки неприемлемым для термолабильного сырья [55].
Новым направлением в области сушки пищевых продуктов и растительного сырья является применение акустической энергии.
Следует отметить высокую стоимость акустической энергии в сушильном производстве, обусловленную большими затратами на компрессирование воздуха, и сравнительно низкий КПД излучателей, а также необходимость комплектации дополнительным оборудованием, для уменьшения шума в рабочих помещениях. Данные недостатки существенно тормозят внедрение способа сушки в технологические процессы переработки растительного и дикорастущего сырья.
В последнее время интерес вызывает вакуумная сушка, обеспечивающая высокую сохранность целевых компонентов высушиваемого сырья, за счет мягкого режима воздействия. Энергоподвод, как правило, осуществляется радиацией и кондукцией.
Разновидность вакуумной сушки - сублимационная сушка. Высушивание термолабильных материалов по принципу сублимации льда в вакууме.
Сублимационная сушка или возгонка заключается в удалении влаги из продуктов путем их замораживания и последующего перехода льда, образовавшегося в продукте, в пар при нагревании под вакуумом, минуя жидкую фазу. При сублимационной сушке влага перемещается в продукте в виде пара, не захватывая с собой частицы экстрактивных веществ.
Благодаря этим особенностям создается возможность сохранения специфических свойств биологических препаратов. Материалы, высушенные сублимационным способом, по своим свойствам существенно отличаются от материалов, высушенных из жидкого состояния. Возможность денатурирования БАВ сводится к минимуму благодаря тому, что замораживание блокирует растворенные вещества, в результате чего прекращается их воздействие на компоненты препарата. В конечных стадиях высушивания температура обычно повышается до 30-40С, однако возможность химических превращений в этом периоде ограничена незначительным содержанием воды в материале.
Длительность сублимационной сушки зависит от температуры и толщины слоя замороженного материала, разрежения в камере, температуры теплоносителя и физико-химических свойств высушиваемого материала.
Биологические материалы, подвергаемые сублимационной сушке, имеют разный уровень влажности, а значит, обладают различными тройными эвтектическими точками, при которых возможно равновесие льда, жидкой фазы и пара. Поэтому для различных объектов зоны эвтектики и скорость замораживания определяются экспериментально, что делает процесс разработки технологического регламента сушки более трудоемким и дорогостоящим. Оптимальный режим сублимационной сушки должен обеспечивать: - более полное вымораживание влаги в процессе предварительного замораживания; - формирование зоны сублимации с развитой пористой структурой; -равномерный выход паров из материала за счет более мягкого температурного режима на стадии сублимации; - равномерное досушивание материала. Обеспечение оптимального режима сублимационной сушки - это высокие капиталовложения и затраты на производство. Перспективна комбинированная с инфракрасным нагревом и СВЧ энергоподводом сублимационная сушка. А.Ф. Аминов, А.В. Нетушил, М.К. Болога, М.С. Панченко [3,16] и другие изучили влияние электрических и магнитных полей на интенсификацию процесса сушки капиллярно пористых материалов.
Уточненная методика расчета конструктивно-технологических параметров установки для сушки термолабильных зеленных культур
С использованием данной зависимости нами разработана уточненная методика расчета конструктивных параметров каскадных сушильных установок. В данной методике установлена и учитывается взаимосвязь количества теплоты, коэффициента облученности, оптических спектральных характеристик сырья и излучателя.
Анализируя уравнение, мы видим, что между поверхностями изменяется геометрическая составляющая, выражаемая коэффициентом: из которого видна четкая зависимость количества передаваемой теплоты от расстояния между поверхностями, площади принимаемой поверхности и взаимного расположения поверхностей в пространстве. Выражение: 9г определяет количество теплоты, которое плоская поверхность dF! излучает во всех направлениях пространства.
Тогда выражение для определения коэффициента облученности между поверхностями будет иметь вид: и показывать, какая часть полного излучения, идущего с поверхности 1 в пространство, попадает на поверхность 2, или какая доля всего излучения, поступающего на площадку 1 из пространства, идет с поверхности 2.
Коэффициент облученности - это своего рода КПД сушильной установки, поэтому при проектировании последней необходимо стремиться к максимальному его значению. Из выражения для определения 0 становится понятно, что немало важной задачей при нахождении оптимальных конструктивных параметров сушильной ИК - установки, является определение размеров излучателей, взаимное расположение их в сушильной камере и расстояние от излучателей до сырья.
При проведении расчетов коэффициента облученности можно принять, что каскад сушильной камеры имеет форму призмы в соответствии рис. 2.7.
Вспомогательная схема для расчета оптимальных конструктивных параметров каскадов сушильной установки
Выражение для определения среднего коэффициента облученности между противоположными поверхностями Fi и F2 после применения двойного интегрирования уравнения 2.26 и решения интеграла выразится следующей зависимостью: 54
Полученное уравнение отображает зависимость конструктивных габаритных параметров каскада сушильной установки (а - длина; b - ширина; h- высота) и дает возможность разработать и сконструировать сушильную установку с параметрами, при которых коэффициент облученности будет стремиться к максимуму, делая процесс сушки более коротким по времени, а, следовательно, и менее энергоемким. Данная методика расчета справедлива только в случае плоского источника излучения, что конкретизировало тип ИК -излучателя при его выборе, его геометрические размеры, исключив тем самым точечные источники: ИК - лампы и ТЭНы. Для получения верного равенства, полученное выражение рассчитывалось при задаваемой величине b (ширина, определяемая типоразмерным рядом излучателя). Результаты расчета сведены в таблицу 2.2.
Одной из основных частей инфракрасных установок являются генераторы ИК - излучения рис.2.8. Именно этот элемент любой оптической установки, в значительной мере определяющий ее целевые параметры и тепловое воздействие на обрабатываемое сырье [31,32]. Коэффициент полезного действия оптической ИК - установки и эффективность ее использования зависит от грамотно выбранного источника излучения, а также его эксплуатационных режимов и характеристик.
В своей работе Ю.М. Плаксин отмечает [59, 84], что для выбора рационального типа генератора инфракрасного излучения и оптимального режима его работы, в технологии термовлажностной обработки зерна необходимо обосновать критерий количественной оценки работы излучателя, который должен учитывать ряд технологических и теплотехнических параметров: отражательную и поглощательную характеристики сырья; эмиссионные и энергетические характеристики ИК - генераторов; требования к технологическим операциям на различных стадиях процесса тепловой обработки сырья; толщину укладки слоя обрабатываемого сырья. Рассматривая варианты размещения излучателей в установке, целесообразнее всего принять одностороннее облучение, так как в этом случае отпадает необходимость учитывать несимметричность условий лучистого теплообмена для верхней и нижней частей рабочей камеры, что имеет место при установке излучателей в нижней части рабочей камеры, т.е. под лентой транспортера. Приведенная ниже методика разработана Ю.М. Плаксиным и описана в работах [79, 84, 111].
Входящие в (2.30) оптические характеристики являются осредненными по спектру генератора инфракрасного излучения. Уравнение показывает, что паровоздушная среда оказывает существенное влияние на передачу лучистой энергии. Пропускательная способность паровоздушной среды рабочей камеры сушильной установки зависит от парциального давления паров воды, углекислого газа, температуры окружающей среды и среднего пути, который проходит лучистый поток от излучателя Lu и ограждающих конструкций рабочей камеры Li до слоя сырья, подверженного обработке.
Величины Lu, Li зависят от коэффициентов отражения тел, принимающих участие в лучистом теплообмене, а также от габаритов камеры инфракрасной сушильной установки. Расчет результирующих расстояний Lu, Li, которые проходит волна, можно определить с помощью теоретического метода фотометрии. Тогда величину Dc можно определить с учетом результирующего расстояния LREZ.U П0 формуле: LREz.u=ru(2n + !), (2.31) где п- кратность отражения волны от экрана отражателя (при наличии); ru - средний путь, проходимый волной при однократной передаче энергии от ИК - генератора, м.
Использование приведенного выше расчета позволяет при отсутствии экспериментальных данных провести ориентировочный расчет эффективности расположения устанавливаемых излучателей. К тому же если при выборе источника ИК - излучения установить связь оптических характеристик объекта сушки от спектрального состава лучистого потока можно эффективно управлять процессом сушки в известных пределах, повышая ее качество и экономичность.
Лучшими для сушки термолабильного растительного сырья на сегодняшний день являются ИК - излучатели типа низкотемпературный пленочный электронагреватель (НЭП) (рис. 2.9) [60,63,64]. НЭП способны создавать высокую плотность потока энергии (от 34 до 80 Вт/м ) в диапазоне длин волн от 8 до 9,5 мкм (рис. 2.10).
Методика определения влажности и влагосодержания материала
Анализ существующих методик расчета мощности источников ИК -излучения, используемых в конструкции сушильных установок, и их выбор показал, что в них нет совместного рассмотрения спектральных характеристик источника и приемника. Численные значения коэффициента преобразования электрической энергии в энергию инфракрасных лучей р предлагают принять в пределах 0,7-0,9 [13,55]. На наш взгляд такой подход позволяет ориентировочно определить оптические характеристики источника, что в вопросах энергосбережения не совсем корректно, так как это может сказаться на селективной работе пары «излучатель - сырье».
Коэффициент р дает информацию не только о собственном преобразовании электрической энергии в энергию оптического излучения (Pi), но и о восприятие этой энергии материалом сушки (р2), которое в свою очередь является эффективным коэффициентом полезного действия (4.1): где Ф - падающий поток излучения от источника, Вт; Фэф - эффективный (воспринятый и полезно преобразованный сырьем) поток излучения, Вт.
Следовательно, принимая во внимание спектральную чувствительность облучаемого сырья, а также оптические свойства источника ИК - излучения, можно эффективно управлять процессом поглощения ИК - излучения сырьем. Это позволит уменьшить долю отразившегося и прошедшего сквозь сырье потока, и увеличить процент сконцентрированной энергии в нем, тем самым увеличивая КПД установки, уменьшая время течения процесса и энергозатраты при получении сухопродукта [55]. Взаимодействие излучения с веществом весьма сложно, что затрудняет теоретический анализ процесса сушки. Для аналитического описания процессов распространения и ослабления мощности излучения в сырье необходимо знать его основные оптические характеристики, так как спектральная составляющая потока излучения влияет на характер поглощения, отражения и пропускания излучения сырьем из-за его избирательной способности воспринимать излучение различных длин волн.
С помощью ИК - Фурье спектрометра BRUKER Optics на базе Южно-Уральского государственного университета нами были получены зависимости коэффициента пропускания от длины волны для зеленных культур на примере укропа и петрушки с начальной влажностью 85% в инфракрасной области спектра (рис.4.1 и 4.2) и пленочных электронагревателей (рис.4.3).
Интерферограмма поглощающей способности укропа (цвет хаки) и петрушки (ярко зеленый), выводимая спектрометром BRUKER Optics Рисунок 4.2. - Интерферограмма отражательной способности укропа (цвет хаки) и петрушки (ярко зеленый), выводимая спектрометром BRUKER Optics
Для удобства анализа данные интерферограмм нами были переведены в более удобную форму зависимостей коэффициента пропускания от длины волны (рисунок 4.4; 4.5), так как волновые числа удобны лишь для оценки химических реакций и валентных связей.
Почти все продукты, в том числе и сельскохозяйственное растительное сырье, обладают четко выраженной селективностью к поглощению ИК-излучения в различных областях спектра [1,2,25,32,38]. Поэтому для практических целей в условиях корректного выбора оптимального инфракрасного излучателя и объема нагреваемого сырья необходимо пользоваться спектральными характеристиками, которые отражают взаимодействие продукта с лучистой энергией во всем используемом диапазоне длин волн, что нами и было сделано.
Максимальным поглощение ИК-излучения водой данного сырья приходится на четыре области 3, 6; 9 и 12-13 мкм, все они одинаково хороши с точки зрения поглощения излучения водой, но не все они хороши с точки зрения получения качественного сухопродукта. Так если воспользоваться соотношением Вина (4.2) [53], что четыре значения пиковой интенсивности полосы поглощения соответствуют ряду поверхностных относительно источника температур:
Зная биотехнические условия нагрева растительного термолабильного сырья для ИК - сушки подходит только одна область излучения с 9-ю мкм (48С), так как температура в 692 С и 210 С0 вызовет глубокие биохимические изменения, которые скажутся на внешнем виде продукта, снизят пищевую ценность и содержание биологически активных веществ. Область минусовых температур это уровень, который соответствует другому виду сушки -сублимационному, который также не подходит для зеленных культур из-за неизбежности разрыва тканей зеленой тонколистой массы и отсутствия возможности использования такого продукта в лекарственных сборах и пищевых добавках.
Анализируя интерферограмму пленочных электронагревателей видим, что НЭП, выполненный на основе нихрома, обладает более высокой степенью черноты, так как коэффициент поглощения излучения у него выше всех, а следовательно можно утверждать о его близости к абсолютно черному телу с максимальной лучистой составляющей.
Полученные опытным путем графические зависимости спектральных характеристик сырья (впервые на примере укропа и петрушки) подтверждают ранее предложенную в п.2.2. методику (рис.4.6) определения коэффициента затухания мощности излучения в сырье. Данный факт позволяет нам утверждать, что в дальнейшем при составлении технологических регламентов сушки растительного сырья можно обойтись без сложного и дорогостоящего оборудования спектроскопии.
Результаты исследования качества сухопродуктов
Качество пищевых продуктов определяется комплексом показателей: сенсорных, санитарно-гигиенических, технологических, а также пищевой ценностью. При оценке пищевой ценности овощей большое значение имеет содержание витаминов. Принимая во внимание, что генераторы ИК -излучения и режимы сушки термолабильного сырья предлагаются новые, можно было ожидать изменение витаминного состава, поэтому возникла необходимость в проведении исследований органолептических показателей укропа и петрушки.
Органолептическая оценка пищевых продуктов является важным показателем, характеризующим вкусовые достоинства продуктов и их приемлемость для потребления.
Качество оценивали по 5 бальной системе с учетом внешнего вида, цвета, запаха и вкуса в соответствии с методикой п.3.6.
Анализ результатов экспериментальных исследований в рамках НИОКР по программе «Старт 2013» (приложение 3) позволил определить технологический регламент для сушки термолабильных зеленных культур (на примере укропа и петрушки), а затем на его основании получить образцы сухопродуктов, качество которых оценивалось химико-диагностической лабораторией ГНУ ЮУНИИПОК Россельхозакадемии и подтверждено актом (приложение 4, 5).
Данные о содержании витамина С в образцах как основной составляющей зеленных культур, который согласно ГОСТ должна быть не менее 50мг на 100 гр сухого вещества, сравнивались в лаборатории с образцами сухопродуктов известных торговых марок («Приправыч»; «Kamis») и высушенных на базовом варианте (сушильная установка «Урал - 4»). Результаты приведены на рисунке 4.12.
Диаграмма анализа качества сухопродуктов, на основе сравнения содержания витамина С в образцах. Оптимизация конструктивно-технологических параметров и полностью автоматизированный процесс сушки с контролем основных параметров помогли получить органолептические показатели качества сухопродукта соответствующие ГОСТ и выше ближайших аналогов по содержанию витамина С в среднем на 60% [23,51,66,80,104,112].
Из приведенных данных оценки видно, что вся продукция, высушенная таким способом, имеет высокие оценки и может быть допущена к реализации.
Существенная особенность технологических процессов сушки биологического сырья состоит в том, что совокупность составляющих их явлений носит детерминированно-стохастическую природу, проявляющуюся в наложении стохастических особенностей гидродинамической обстановки в аппарате на процессы массо-, теплопереноса и химического превращения целевых компонентов сырья. Это объясняется зачастую случайным взаимодействием составляющих компонентов технологического процесса или случайным характером геометрии граничных условий в аппарате (случайное расположение излучающих и отражающих элементов, беспорядочно уложенное сырье, производственная ориентация межфазной границы движущихся сред и т.п.) [6,35].
Расчет сушильных аппаратов как правило ведут в следующей последовательности: составляют материальный баланс, определяют количество испаренной влаги (если нужно, по зонам); составляют тепловой баланс и находят требуемые количество теплоты, расход энергии на 1 кг испаренной влаги, исходя из эмпирического коэффициента тепло- и массообмена или удельных напряжений на единицу объема сушильной камеры или греющей поверхности, находят размеры сушильной камеры [109].
Эффективность сушильной установки устанавливают по степени совершенства её как теплового агрегата оценивая энергетический кпд, который определяется отношением полезно используемой энергии ко всей затраченной; изменение при сушке качества продукции и её производительность.
Предлагаемая математическая модель технологического расчета сушилки включает в себя следующую систему уравнений: - уравнение для расчета равновесного влагосодержания материала; - уравнение для расчета времени пребывания материала в сушилке п (с), необходимого для изменения его влажности от начального WH% ДО конечного WK% [84].
Поверхность частицы полностью смоченная влагой (как в случае с высоковлажным сырьем) имеет тепломассообмен с внешней средой аналогичный тепломассообмену капли. У частицы и у капли коэффициенты тепло- и массоотдачи одинаковы. В этом случае обычно речь идет о внешней задаче сушки. После того, как поверхность частицы начнет подсыхать (внутренний перенос влаги отстает от внешнего), начинается комплексная или смешанная задача. В этом случае коэффициенты тепло- и массоотдачи могут зависеть от дополнительного фактора - от текущего влагосодержания материала.
