Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ развития и применения сублимационной сушки в сельскохозяйственном производстве 18
1.1 Здоровое питание населения Российской Федерации имеет важное социальное и хозяйственное значение в обеспечении продовольственной безопасности страны 18
1.2 Анализ экспериментальных и теоретических работ по интенсификации процесса сублимационной сушки 24
1.2.1 Физические основы интенсификации процесса сублимационной сушки 25
1.2.2 Сублимационная сушка материала в тонком слое 31
1.2.3 Сублимация гранулированного продукта в виброслое 41
1.2.4 Сублимация в поле токов высокой частоты
1.3 Анализ воздействия вида энергии сушки на обрабатываемый продукт
1.3.1 Обработка пищевых продуктов инфракрасным излучением
1.3.2 Взаимодействие электромагнитного излучения с продуктами
1.3.3 Ультразвук и его влияние на продукт 71
1.4 Выводы и задачи исследований
2 Теоретическое обоснование гипотезы о комбинированном энергоподводе на основе анализа теоретических исследований энергетических составляющих сублимационной сушки
2.1 Теоретическое обоснование гипотезы о комбинированном энергоподводе в технологии сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения на установках непрерывного действия
2.1.1 Схема непрерывной сублимационной сушки жидких продуктов
2.1.2 Мелкодисперсный распыл и грануляция жидкого продукта в вакууме 76
2.1.3 Сублимационное обезвоживание гранул в поле инфракрасного
излучения (подсушка гранул до образования «сухой» корочки) 82
2.1.4 Сублимационная сушка в поле УЗИ, СВЧ и в потоке инертного газа 85
2.2 Конвективная сушка в вакууме 92
2.2.1 Область давлений, в которой выполняются условия для создания принудительной циркуляции воздуха 92
2.2.2 Id - диаграмма влажного воздуха для условий низкого вакуума 94
2.2.3 Изображение процесса комбинированной сублимационной
сушки концентратов на Id - диаграмме 98
2.3 Диэлектрическая сушка в вакууме 99
2.3.1 Диэлектрический нагрев пищевых продуктов 99
2.3.2 Сушка с применением диэлектрического нагрева 102
2.4 ИК - сушка в вакууме 104
2.4.1 ИК - нагрев пищевых продуктов 104
2.4.2 Сушка под действием ИК- излучения
2.5 УЗ - сушка в вакууме
2.5.1 УЗ - воздействие на пищевые продукты
2.5.2 Сушка под действием УЗИ
2.6 Метод конечных отношений в теории оценки снижения энергоемкости и себестоимости продукции
2.6.1 Метод конечных отношений в теории энергосбережения
2.6.2 Связь энергоемкости продукции с рыночными параметрами
2.6.3 Методы расчета энергоемкости и определяемых ею параметров в производственных процессах
2.6.4 Энергоемкость технологического процесса
2.7 Выводы по главе
3 Теоретическое обоснование интенсификации и энергосбережения сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом 126
3.1 Разработка математических моделей энергетических составляющих сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом 126
3.1.1 Конвективная сушка в вакууме 126
3.1.1.1 Расчет теоретической энергоемкости конвективно-вакуумной сушки 12б
3.1.1.2 Оценка энергоемкости конвективно-вакуумной сушки j 2 8
3.1.2 Диэлектрическая сушка в вакууме j 29
3.1.2.1 Расчет процесса сушки с применением диэлектрического нагрева 129
3.1.2.2 Оценка энергоемкости диэлектрическо-вакуумной сушки ^6
3.1.3 ИК - сушка в вакууме 136
3.1.3.1 Расчет плотности потока ИК-излучения при испарительном самозамораживании жидких термолабильных продуктов 136
3.1.3.2 Оценка энергоемкости ИК-составляющей сушки 141
3.1.4 УЗ - сушка в вакууме. Оценка энергоемкости УЗ-составляющей сушки 142
3.2 Оптимизация энергоемкости технологии сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом 143
3.2.1 Энергоемкость технологического процесса для качественной составляющей 143
3.2.2 Оптимизация энергосбережения энергетических составляющих сушки на основе метода конечных отношений 144
3.2.3 Диаграммная техника 151
3.2.4 Формализованное изображение процесса энергопотребления комбинированной сублимационной сушки концентратов 158
3.3 Теоретическое обоснование режимов технологии сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом 161
3.3.1 Испарительное самозамораживание 161
3.3.2 Сушка под действием ИК-излучения 163
3.3.3 Сушка под действием СВЧ и УЗИ энергий в фильтрационном потоке газа 165
3.4 Выводы по главе 170
4 Экспериментальные исследования процесса сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения на установках с комбинированным энергоподводом 172
4.1 Методы и аппаратура для экспериментального исследования
процессов испарительного замораживания и сублимационной сушки жидких термолабильных пищевых продуктов 172
4.1.1 Экспериментальная вакуум-распылительная установка 172
4.1.2 Экспериментальная вакуумная сушилка с конвективно-звуко-диэлектрическим энергоподводом 174
4.1.3 Установка сублимационной сушки непрерывного действия с комбинированным энергоподводом жидких термолабильных продуктов пищевого назначения УСС-НД-КЭ-Ж-01 177
4.1.4 Алгоритм работы установки УСС-НД-КЭ-Ж-01 181
4.1.5 Система управления установкой УСС-НД-КЭ-Ж-01 185
4.1.5.1 Узел управления ВРИМ 468332.004 186
4.1.5.2 Субблок управления системой обеспечения холода (СУСХ) 3.3132.0006 188
4.1.5.3 Субблок управления системой распыления (СУСР) 3.3132.0007 190
4.1.5.4 Субблок управления системой нагрева (СУСН)З.Э 132.0008 190
4.1.5.5 Субблок управления агрегатом вакуумным (СУАВ) 192
З.Э132.0009
4.1.5.6 Блок управления (БУ)З.Э 132.0014 196
4.2 Кинетика сушки 196
4.2.1 Лабораторные испытания на макетах 196
4.2.1.1 Испарительное замораживание 197
4.2.1.2 Сублимационная сушка 198
4.2.2 Испытания УСС-НД-КЭ-Ж-01 203
4.3 Качество сушки 206
4.3.1 Лабораторные испытания на макетах 206
4.3.2 Испытания УСС-НД-КЭ-Ж-01 211
4.4 Энергосбережение 212
4.4.1 Лабораторные испытания на макетах 212
4.4.2 Испытания УСС-НД-КЭ-Ж-01 214
4.5 Анализ результатов исследований 216
4.5.1 Лабораторные испытания на макетах 216
4.5.2 Испытания УСС-НД-КЭ-Ж-01 217 4.6 Выводы по главе 219
5 Технико-экономические характеристики и экономическая эффективность разработанных методов, установок и технологий 220
5.1 Технико-экономический анализ энергоемкости технологического процесса на УСС непрерывного действия 220
5.2 Технология сублимационной сушки жидких продуктов пищевого назначения на установках непрерывного действия УСС-НД- КЭ-Ж-01 225
5.2.1 Технологии сублимационной сушки плодово-ягодных соков на установках непрерывного действия в едином вакуумном цикле 225
5.2.2 Разработка технологии сублимационной сушки «живых» препаратов на установках непрерывного действия в едином вакуумном цикле 229
5.3 Технико-экономические характеристики установок сублимационной сушки непрерывного действия с комбинированным энергоподводом жидких термолабильных продуктов пищевого назначения типа УСС-НД-КЭ-Ж 232
5.4 Технико-экономические показатели внедрения технологии сублимационной сушки пищевых концентратов конвективно- вакуумно-звуко-диэлектрическим способом 234
5.5 Выводы по главе 242
Общие выводы и рекомендации 243
Список использованных источников
- Анализ экспериментальных и теоретических работ по интенсификации процесса сублимационной сушки
- Мелкодисперсный распыл и грануляция жидкого продукта в вакууме
- Расчет теоретической энергоемкости конвективно-вакуумной сушки
- Экспериментальная вакуумная сушилка с конвективно-звуко-диэлектрическим энергоподводом
Введение к работе
Одобренная Правительством Российской Федерации в августе 1998 г. «Концепция государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации на период до 2005 года» рассматривает развитие производства богатых микронутриентами продуктов питания в качестве важнейшей и первоочередной меры, от которой решающим образом зависит улучшение питания и здоровья детского и взрослого населения России.
Основной причиной дефицита микронутриенов у современного человека как в России, так и во всех экономически развитых странах является резкое снижение энергозатрат и соответствующее уменьшение потребности в пище как источнике энергии, что не позволяет обеспечить эволюционно сформированные физиологические потребности организма в целом ряде незаменимых пищевых веществ за счет адекватного по калорийности рациона, состоящего из обычных продуктов питания.
Следствием этого является массовое распространение полигиповитаминозов, сочетающихся с недостаточным потреблением целого ряда важнейших макро- и микроэлементов, что наносит существенный ущерб здоровью. Особо при этом страдают системы антиоксидантной защиты, имеющие исключительно важное значение для предотвращения повреждений, вызываемых чужеродными для организма агентами (радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды и мн. др.).
Эффективным путем ликвидации дефицита микронутриентов является широкомасштабное производство функциональных продуктов питания, положительно влияющих на физиологические функции и обмен веществ в целом, а также оказывающих определенное психотерапевтическое воздействие.
Среди продуктов питания, обладающих защитными функциями, превалирующее значение имеют биологически активные кисломолочные продукты, плоды, ягоды, овощи, и их соки. Среди всех средств, направленных на коррекцию кишечного дисбактериоза, наибольшим терапевтическим эффектом обладают продукты на основе бифидо- и лактобактерий. 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, ограниченный срок хранения пищевых продуктов, сложность сохранения высоких биологических свойств без специального оборудования не позволяют их использовать на протяжении всего года. Удаление влаги из сырья путем сушки до влажности 3,6...4,5 % предоставит возможность хранения его в обычных условиях длительное время.
Вакуум-сублимационная сушка (ВСС), как метод консервирования, основанный на принципе низкотемпературного обезвоживания, позволяющий наиболее полно сохранить биологически активные и питательные вещества, содержащиеся в исходном сырье, особенно перспективен для получения качественно новых продуктов функционального назначения.
В настоящее время производство сублимированных продуктов интенсивно развивается. За рубежом это обеспечивается расширением выпуска установок периодического действия такими известными фирмами: «Хохвакуум», «Стоке», «Лейбольд-Хераеус», «Халл» и др. Аналогичные установки разрабатывались и использовались в СССР и до сих пор эксплуатируются в России. Для таких установок характерны высокая себестоимость, обусловленная следующими факторами:
использование одного источника энергии, который в разные периоды сушки работает неэффективно;
значительные затраты ручного труда, как результат периодического действия;
длительность процесса;
высокая энергоемкость технологического процесса.
Поэтому, создание новых сушильных технологий для комплексной переработки сельскохозяйственного сырья с использованием энергосберегающих электротехнологий, является актуальной задачей подъема народного хозяйства России, что составляет научную проблему.
Перспективы развития сублимационной техники связаны с переходом к установкам поточно-циклического и непрерывного действия, повышением эффективности сублимационного оборудования за счет интенсификации процесса обезвоживания. В ФГОУ ВПО ИжГСХА по заказу департамента кадровой политики и образования МСХиП РФ с 1996 по 1997 г. выполнялось НИОКР «ГЛОБУЛИН» на тему «Разработка и изготовление опытного образца установ-ки для вакуумной сублимационной сушки различных термолабильных объек-тов», которая вошла в планы НИР ФГОУ ВПО ИжГСХА на 1996...2004 гг.
Цель работы. Интенсификация и повышение эффективности сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения на основе энергосберегающих электротехнологий с комбинированным энергоподводом.
Научную новизну работы составляют:
- способы испарительного самозамораживания и сублимационной
сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения, на
установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом в едином вакуумном цикле, защищенные патентами РФ;
- теория и методы контроля, расчета и оптимизации эффективности
энергоподвода в технологических процессах сублимационной сушки жидких
термолабильных продуктов пищевого назначения на установках
непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;
- математические модели частных энерготехнологических процессов
непрерывной сублимационной сушки гранулированного продукта с
комбинированным энергоподводом, описывающие: испарительное
самозамораживание жидких термолабильных продуктов пищевого
назначения и ИК сушку криоранулянта в полете; сублимационную сушку
гранул в полях СВЧ и УЗИ; досушку остаточной влаги в фильтрационном
потоке инертного газа в поле УЗИ.
Практическую значимость работы представляют:
опытный образец лабораторной непрерывно действующей сублимаци-онной установки с производительностью 1 кг/ч по испаряемой влаге УСС-НД-КЭ-Ж-01, обеспечивающей эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;
- типовой технологический процесс ВСС на установках серии УСС-
НД-КЭ-Ж, принятый ООО «СКТБ-Продмаш» и производящий
промышленные образцы установок УСС-НД-КЭ-Ж-02 с
производительностью по испаряемой влаге 10 кг/ч;
- техническая документация на типоразмерный ряд установок
сублимационной сушки непрерывного действия для жидких термолабильных
продуктов пищевого назначения, принятая ООО «СКТБ-Продмаш» на
проектирование и постановку на производство, с производительностями:
1 кг/ч (УСС-НД-КЭ-Ж-01); 10 кг/ч (УСС-НД-КЭ-Ж-02); 50 кг/ч (УСС-НД-
КЭ-Ж-03); 240 кг/ч (УСС-НД-КЭ-Ж-04); 1000 кг/ч (УСС-НД-КЭ-Ж-05) по испаренной влаге.
Реализация результатов исследований:
в Технических условиях: ТУ 9195 - 005 - 39375978 - 01 «Соки натуральные сублимированные «ИТАЛМАС», «РУБИН»»; ТУ 9295 — 010 — 39375978 — 03 «Сухие кисломолочные биопродукты «БИФИЙОЛ»» и в Технологических инструкциях к выше указанным ТУ;
в типовом технологическом процессе для установок сублимационной сушки типа УСС-НД-КЭ-Ж;
- в монографии «Сублимационная сушка жидких термолабильных
продуктов пищевого назначения. Технология и оборудование с
комбинированным энергоподводом»;
в учебном пособии «Расчет сублимационных сушильных установок»;
в учебных пособиях для проведения лабораторных работ по темам: «Сушка жидких термолабильных продуктов пищевого назначения» и «Изучение установок сублимационной сушки непрерывного действия для жидких термолабильных продуктов пищевого назначения типа УСС-НД-КЭ-Ж»;
в производстве: установка УСС-НД-КЭ-Ж-02 с типовым технологическим процессом поставлена на производство (изготовлено три комплекта);
- в производстве: Учебное опытное хозяйство ИжГСХА «Июльское»;
ГУЛ Ижевское хлебоприемное предприятие № 2; ЗАО «Ижмолоко».
Апробация работы:
Основные положения работы доложены на научно-практической конференции ученых и специалистов АПК (80 лет сельскохозяйственному образованию и науке на Урале. Итоги и перспективы), Пермь (1998), на научно-практических конференциях Ижевской государственной
сельскохозяйственной академии (1997...2004), на всероссийской научно-практической конференции «Пищевая промышленность, продовольственная безопасность - XXI век», Екатеринбург (1999), на международном научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции», Орел (2000), на 2-й Международной научно-технической конференции. К 70-летию ВИЭСХ "Энергосбережение в сельском хозяйстве" Москва, ВИЭСХ (2000).
Анализ экспериментальных и теоретических работ по интенсификации процесса сублимационной сушки
Учитывая выше указанные концепции Миннауки России, в 1996 г. в составе федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» была сформирована специальная подпрограмма «Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях АПК».
Для руководства и координации работ по подпрограмме создан Научный совет, который участвует в формировании структуры, осуществляет контроль за ходом ее реализации, принимает участие в определении приоритетов развития науки и техники в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса, участвует в организации международного сотрудничества и решает ряд других проблем.
Научный совет ежегодно заслушивает отчеты руководителей отдельных проектов. Здесь хотелось бы уточнить, что оценить научный уровень исследований, выполняемых в рамках проектов, помогает систематическое заслушивание научных отчетов на постоянно действующем
семинаре при Московском государственном университете прикладной биотехнологии (МГУПБ). Такая работа позволяет оценить не только научный уровень разработок, но и их перспективность и актуальность. Это, в свою очередь, позволяет правильно ориентироваться при формировании подпрограммы, в которую было включено 22 проекта, отобранных на основе тщательного анализа результатов реализации предыдущей программы с учетом новизны и перспективности исследований. В таком виде подпрограмма выполнялась до 1998 г., после чего была, проведена ее реструктуризация.
Следует отметить высокую активность научных организаций в выполнении программы. Основными оценочными критериями отбора научно-технических разработок являются научная новизна, значимость исследований, их комплексность, привлечение инвестиций заказчиков разработок, их завершенность. Результаты экспертной группы рассматриваются Научным советом подпрограммы, а затем утверждаются Координационным советом по приоритетному направлению «Технологии живых систем».
С 2000 г. финансирование проектов подпрограммы переведено на контрактную систему и осуществляется через головные организации, которые заключают контракты с Миннауки России. При этом объемы финансирования по каждому проекту утверждаются руководством Министерства по согласованию с Координационным советом по приоритетному направлению «Технологии живых систем».
Минпромнауки России совместно с Россельхозакадемией и Минсельхозом России разработали и приказом утвердили приоритетные направления развития науки и техники в сфере производства сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов на период до 2005 г., которыми предложено руководствоваться при формировании федеральных и отраслевых программ в области агропромышленного комплекса. Подпрограмма включает 11 комплексных научно-технических проектов по пяти критическим технологиям федерального уровня в области АПК. Некоторые крупные проекты имеют в своем составе подпроекты. В реализации подпрограммы принимают участие более 60 учреждений и предприятий. Основными исполнителями являются отраслевые научно-исследовательские организации РАСХН и Минсельхоза России, РАН, РАМН, а также высшие учебные заведения Минобразования России.
В рамках подпрограммы уже разработаны принципиально новые технологические процессы производства пищевых продуктов массового и лечебно-профилактического назначения на базе использования традиционного и нетрадиционного сельскохозяйственного сырья, оборудования, приборов. Один из них - сублимационная сушка.
Анализ экспериментальных и теоретических работ по интенсификации процесса сублимационной сушки
Сублимационная сушка под вакуумом (обезвоживание материалов растительного или животного происхождения в замороженном состоянии под вакуумом) происходит вследствие взаимосвязи следующих процессов [35, 44,69,74, 81,119,126, 137, 144, 173,175, 196, 197, 207, 208,212, 217,220]: - переноса теплоты внутри материала (внутренний процесс теплообмена); - углубление слоя льда (кристаллической влаги) внутри материала вследствие фазового перехода, образования сухого слоя и истечения пара от поверхности сублимации через сухой слой к внешней поверхности материала (внутренний процесс теплообмена) [24, 57...59, 66, 71, 121, 129, 130...133, 137,138, 143, 144, 145, 151. 173, 176]; - истечением пара от поверхности сублимации через сухой слой материала в пространство сублимационной камеры (внешний процесс теплообмена) [35,137, 139].
Мелкодисперсный распыл и грануляция жидкого продукта в вакууме
Диэлектрический нагрев является самым подходящим для этого периода, т.к. идет практически выделение тепла во всем объеме обрабатываемого продукта.
После того как испаряется весь лед, температура материала быстро возрастает, приближаясь к температуре окружающей среды (в некоторых случаях и выше), а влагосодержание непрерывно падает (второй период сушки). В этом периоде происходит десорбция связанной влаги. С целью недопущения перегрева продукта в этом периоде необходимо использовать конвективный способ подвода энергии с определенной температурой.
Для интенсификации процесса сушки во втором периоде дополнительно можно применить ультразвуковую обработку. Эта схема является приближенной и справедливой для бесконечно медленной сушки, когда перепады температуры в теле ничтожно малы. Наша задача, используя в разные периоды обработки продукта, разные технологические операции и разный инструмент отвода и подвода энергии интенсифицировать процесс до максимума.
Принципиальная схема сублимационной сушки показана на рисунке 2.2. Нагретый при охлаждении вакуумного насоса, СВЧ магнетрона и блока питания УЗИ-генератора воздух подается в вакуумную камеру на последнюю стадию сушки. Воздух проходит через весь слой гранул снизу-вверх. При этом на нижнем участке идет конвективно-вакуумная сушка продукта, которая интенсифицируется за счет УЗ колебаний, температура при этом принципиально не повышается выше температуры воздуха [100]. При прохождении через слой гранул воздух отдает тепло гранулам и досушивает продукт до 3...5% влажности. Далее воздух поднимаясь вверх, т.к. откачная система удаляет воздух после десублиматоров, которые находятся в верхней части камеры, насыщается и ухватывает за собой весь испаряемый пар со второго участка сушки, где идет испарение влаги за счет диэлектрического нагрева СВЧ магнетрона. Паровоздушная смесь проходит через десублиматоры, которые улавливают пар. Далее воздух откачивается вакуумным насосом, разогревается выделяющимся при работе вакуумного насоса теплом и поступает для охлаждения СВЧ магнетрона. Нагретый от радиаторов вакуумного насоса и СВЧ магнетрона воздух готов для напуска в вакуумную камеру для нового цикла.
Мелкодисперсный распыл жидкого продукта и дальнейшая его грануляция при замораживании в вакууме в установке, рисунок 2.2, преследует двойную цель: - обеспечение высокоинтенсивной объемной сублимации в мелких замороженных гранулах до образования «сухой» корочки на поверхности гранул; создание мелкопористой насыпной структуры продукта, исключающей взаимное слияние гранул и обеспечивающей хороший фильтрационный перенос сублимирующегося пара.
В литературе [47, 125...129, 140] приводятся различные способы осуществления указанных выше процессов. Например, И.А.Гинзбург [47] распыл в вакуум осуществлял через стальной капилляр. В капилляр вводил экстракт чая, распылял в вакууме и гранулировал в виде мелкодисперсных столбиков и сублимировал в контактном слое. Д.П.Лебедевым [134] использовалась акустическая форсунка и исследовался распыл жидкости в вакууме. Механизм образования капли, ее замораживания и грануляции с использованием акустической форсунки может быть представлен схемой, рисунок 2.3. При этом весь процесс может быть разделен во времени на следующие два этапа: - смачивание торца форсунки, охлаждение, испарение жидкости и образование капли; - замораживание капли, образование гранулы, ее сублимация и отрыв в сторону инфракрасного излучателя. Для упрощения анализа форма капли и гранулы приняты сферическими. Этап №1. Рассмотрим систему сил и ускорений и представим уравнение движения, рисунок 2.3, образовавшейся капли на вибрирующей поверхности под действием давления Рг в виде: mY= mASincor-mg-P CM, (2.1)
Схема расчета акустической форсунки где m — масса капли; А, со - амплитуда и частота акустических колебаний; g - ускорение свободного падения; т - время; Р см - адгезионная сила (сила смачивания, удерживающая каплю на торце форсунки).
Расчет теоретической энергоемкости конвективно-вакуумной сушки
Анализ роли энергии в технологическом процессе дает основание для заключения о том, что создание признаков продукции, обеспечивающих спрос на нее, осуществляется за счет воздействия энергии на вещественную составляющую процесса. Энергия может подводиться к процессу (внешняя энергия) или может использоваться внутренняя энергия вещества. Соответст венно процессы называются эндоэргическими и экзоэргическими.
Наибольшее распространение в искусственных технологиях имеют эндоэргические технологические процессы. Проблема энергосбережения может возникнуть только в результате существенного превышения потребляемой энергии на производство продукции по отношению к ее расчетному значению. Можно считать, что энергия в технологическом процессе нужна для совершения работы в веществе, приводящей к появлению нужного качества, поэтому теоретическое минимальное значение требуемой энергии может быть обозначено как Qpa6 (применительно к единице массы вещества). В случаях механического воздействия эта работа легко считается. В случае воздействия на внутреннее строение вещества расчет может быть выполнен, если известен точный физико-химический щ механизм образования необходимого признака вещества. При этом надо учесть, что при совершении работы в веществе возникают потери, которые в общем случае можно назвать термодинамическими и которые зависят как от вида и свойств подводимой энергии, так и от степени необратимости процесса. Поэтому энергия, необходимая для осуществления технологического процесса QTn больше, чем Qpa6 на величину неизбежных потерь и является значением энергоемкости необходимого качества вещества в единице его массы. Таким образом, Q для определенного технологического процесса содержит постоянную составляющую Qpa6 и переменную составляющую потерь, на которой можно экономить энергию за счет снижения как полных (потерь подвода энергии к реальным центрам в веществе), так и термодинамических потерь из-за низкой работоспособности энергии. Независимо от способа сушки, на нагрев материала и испарение 1 кг влаги необходимо затратить тепловую энергию [83, 84, 109]: CKJtKJ\00 + WH) 0,= w„-wK 3600- (3.1) где Q0 - тепловая энергия, приходящаяся на нагрев материала и испарение 1 кг влаги; Скргг - теплоемкость криогранулянта; Го - скрытая теплота парообразования (принята равной 2500 кДж/кг); tH, tK- начальная и конечная температуры криогранулянта. Теоретически минимальная энергия получается Q0 - 0,824 кВт-ч/кг.
При сушке 1 м3 криогранулянта с условной плотностью ру при изменении влажности от WH ДО WK необходимо испарить ру (WH -WK)/\0Q кг влаги, израсходовав при этом Qopy(WH -WK)/100 кВт-ч тепловой энергии. Если учесть энергию, отдаваемую камерой в окружающее пространство, то формула для расчета удельной тепловой энергии, идущей на нагрев, испарение влаги и возмещение тепловых потерь, рассчитаной на 1 кг испареной влаги будет выглядеть так: Q =QJ! EL + K(t t)JLT (3.2) где К - коэффициент теплопередачи многослойной стенки сушильной камеры; tp - среднее значение температуры внутри сушильной камеры за весь период сушки; to - среднее значение температуры окружающего камеру воздуха; S - площадь наружной поверхности сушильной камеры; V - объем загрузки влажного материала в камеру; т - продолжительность сушки.
Применение KB сушки сопровождается расходом энергии на нагрев, испарение влаги из материала и возмещение тепловых потерь. Кроме того, на обеспечение вакуума и циркуляции воздуха по материалу также потребляется энергия, которая определяется мощностью электродвигателей вакуумного насоса, вентилятора и продолжительностью сушки. Следовательно, энергия KB сушки определяется формулой: W—W і \ =a+NBWr + Ner = eo-J JL + 4,- o) + NflHr + N.r (3.3) где, NBH - мощность двигателя вакуумного насоса; Ne — мощность вентилятора.
Оценка энергоемкости конвективно-вакуумной сушки
Рассмотрим этот процесс с точки зрения метода конечных измерений. Если на конвективно-вакуумную сушку потребляется энергия, количество которой Q, и эта энергия подводится к технологическому процессу без потерь, то энергоемкость производства единицы продукции будет равна Q/Qm - 1 [87, 116]. На самом деле передача энергии происходит с потерями и фактическая энергоемкость q3 = Q/Qm 1Д Здесь q3 является безразмерной величиной, показывающей кратность превышения потребляемой энергии над расчетным значением и определяющей, собственно, максимальный ресурс энергосбережения.
Экспериментальная вакуумная сушилка с конвективно-звуко-диэлектрическим энергоподводом
На основе теоретических исследований кинетики непрерывной сублимационной сушки в непрерывном потоке в едином вакуумном цикле жидких термолабильных продуктов пищевого назначения установлены три стадии технологического процесса обезвоживания: испарительное самозамораживание жидких термолабильных продуктов пищевого назначения в криогранулированные, при распылении в вакууме и в поле ИК-излучения; сублимационная сушка свободной влаги из криогранулированного сока в поле УЗИ, СВЧ - энергии и в принудительном потоке газа; досушка остаточной влаги в поле УЗИ и в принудительном потоке газа при пониженном давлении и положительных температурах.
Во время процессов обработки ив промежутках между стадиями концентрат исследуется различными научно обоснованными методами. Экспериментальная вакуум-распылительная установка Испарительное замораживание пищевых концентратов в вакууме осуществляли на установке Иней-17, разработанной и изготовленной в НИИ ВЭМ г. Ижевск.
Внешний вид установки показан на рисунок 4.1. Компоновочная схема представлена на рисунке 4.2. Установка включает в себя вакуум-сублимационную камеру (3) для сублимации продуктов контактным (кондуктивным) подводом тепла (здесь не используется), десублимационную камеру (2), в которой находятся вертикальные десублиматоры (4), распыливающее устройство (1) и состоит из следующих систем: - вакуумная система, состоящая из вакуумного насоса (6), клапанов (5) и системы трубопроводов; - системы десублимации, состоящей из десублиматора (4), холодильной машины (7) и соединительных трубопроводов; - системы распыливания, включающей в себя устройство распыливания (1), клапан (5), насос (9), емкость и соединительные трубопроводы.
Работает установка следующим образом. С пульта управления установкой включаются вакуумная и десублимационная системы, которые самостоятельно выводят установку в рабочее состояние, обеспечивая давление в десублимационной камере 10 Па и температуру рабочей поверхности десублиматора около - 45С. После этого с помощью системы распыливания в камеру вводится концентрат, который из распыливателя летит вверх, мгновенно охлаждается превращаясь в частички ввиде замороженных гранул и собирается в лотке (10) внизу десублимационной камеры. Полученный криограннулят вынимается из предварительно разгеметизированной десублимационной камеры для последующей обработки (сублимационной сушки).
Сублимационная сушка и окончательная подсушка до требуемой в верхней границе влажности замороженного в виде гранул пищевого концентрата осуществляется на экспериментальной лабораторной установке, разработанной нами и изготовленной соискателем, на кафедре механизации переработки сельскохозяйственной продукции Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.
Внешний вид установки показан на рисунке 4.3, компоновочная схема представлена на рисунке 4.4. Установка включает в себя вакуум сублимационную камеру (1), с установленными на ней СВЧ-магнетроном (2), натекателем рабочего газа (3), натекателем воздуха (4), клапаном откачной системы (5), вакуумного датчика (6), лоток с УЗИ излучателем для укладки высушиваемого продукта (7) и следующих систем и вспомогательных устройств: вакуумная система (8) - используется любая готовая: в нашем случае от вакуумной установки "Вакуум-Пак", разработанной и изготовленной НИИ "ВЭМ"; - система СВЧ нагрева - состоит из СВЧ - печки производства завода "Метеор", напряжение питания с которой подается на СВЧ - магнетрон, последний установлен на вакуумно-сублимационной камере; - система напуска и подготовки агента сушки или рабочего газа -состоящая из закрепленного на вакуумно-сублимационной камере натекателя рабочего газа и термостата от установки "Вакуум-Пак"; - система УЗИ воздействия на высушиваемый продукт; - система контроля вакуума, состоящая из датчика ПМТ - 6 и измерителя вакуума 13 ВТ 003.
