Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ СУШКИ ВИНОГРАДА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
I.I. Конвективный способ сушки винограда 8
1.2. Солнечно-радиационный способ сушки винограда. 13
1.3. Использование тепловых насосов для повышения энергетической эффективности сушильных установок. 17
1.4. Постановка задач исследования 24
ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВИНОГРАДА КАК ОБЪЕКТА СУШКИ
2.1. Исследование гигроскопических свойств винограда . 28
2.2. Структурные характеристики и энергия связи влаги в винограде 36
2.3. Термодинамические параметры влагопереноса и массообменные характеристики винограда 38
2.4. Определение коэффициента диффузии влаги в винограде 42
2.5. Терморадиационные свойства винограда и полимерных пленок 45
ГЛАВА І1І. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ВИНОГРАДА
3.1. Экспериментальная гелиосушильная установка с использованием теплового насоса 53
3.2. Солнечное излучение 57
3.3. Исследование характеристик теплового насоса 62
3.4. Исследование процесса солнечно-радиационно-конвективной сушки винограда 71
ПАВА ІУ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА КИНЕТИКУ СУШКИ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА
4.1. Экспериментальная ИК-конвективная установка 77
4.2. Математическая обработка результатов исследования сушки винограда Ж-конвективным способом 80
4.3. Расчет продолжительности сушки при нестационарном режиме 92
ГЛАВА У. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ГЕЛИООУШИЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ
5.1. Описание производственной гелиосушильной установки с тепловым насосом 102
5.2. Методика инженерного расчета гелиосушильной установки с тепловым насосом 108
5.3. Энергетическая эффективность гелиосушильной установки с тепловым насосом 122
5.4. Экономическая эффективность солнечно-радиационно-конвективного метода сушки винограда 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
ЛИТЕРАТУРА 145
ПРИЛОЖЕНИЯ 159
- Конвективный способ сушки винограда
- Исследование гигроскопических свойств винограда
- Экспериментальная гелиосушильная установка с использованием теплового насоса
- Экспериментальная ИК-конвективная установка
- Описание производственной гелиосушильной установки с тепловым насосом
Введение к работе
В долгосрочной Продовольственной Программе, принятой ХХУІ съездом КПСС, предусматривается обеспечение роста производства плодов и ягод за десятилетие примерно в 1,8 раза и винограда в 3 раза, причем намечено уделить особое внимание наращиванию производства и поставки в торговлю винограда столовых и кишмиш-ных сортов (I, 4).
Одним из основных направлений экономического развития страны в XI пятилетке является увеличение масштабов использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной). (2).
В Советском Союзе основным поставщиком сухофруктов является Узбекистан, где вырабатывается более 8Ь% сушеного винограда и более 80% сушеных абрикосов, производимых в стране.
По научно-обоснованным физиологическим нормам питания в ежедневный рацион каждого человека должно входить не менее 8-Ю г сушеных фруктов, т.е. 3-4 кг в год. Это значит, что для полного обеспечения населения СССР необходимо Производить ежегодно около 750-900 тыс.тонн сухофруктов. В настоящее время Узбекистан ежегодно заготавливает только 15-20 тыс.тонн сухофруктов. Естественно, такое положение не может удовлетворить растущие потребности народного хозяйства.
Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 30 марта 1979 года запланировано довести к 1985 году выработку высушенного винограда в Узбекской ССР до 45 тыс.тонн, а в 1990 году до 100 тыс. тонн ежегодно (3). Однако в 1982 году Узплодо-овощвинпром при высокой урожайности винограда план по приготов- _ 5 - лениго сушеного винограда выполнил только на 41%. Сушеный виноград по сравнению с плодами, ягодами и даже мясными продуктами имеет самую большую (3 255) калорийность питательного вещества на I кг продукта.
В настоящее время сушеный виноград широко применяется для приготовления кондитерских и хледбо-булочных изделий, компотов, национальных блюд.
Современная технология сушки базируется на фундаментальных работах академика АН БССР А.В.Лыкова, акад. П.А.Ребиндера, акад. АН БССР С.М.Липатова и их школы.
Проблеме сушки плодов и винограда посвящены работы (26, 32, 42, 25, 50, 51, 55, 57, 68, 71, 76, 78, 86, 106, 112, ИЗ, 119, 123). В работах (50, 51, 57, 68, 106, 119, 123) предлагается конвективный способ сушки в туннельных и камерных сушилках. В работах (26, 32, 60, 78+ 86, 113, 116, 138) исследуется солнечно-радиационный и комбинированный способ сушки плодов и винограда.
А.С.Гинзбург (34) указывает, что: "Повышение эффективности сушильного оборудования представляет собой комплексную задачу, связанную с улучшением качества продукции, снижением расхода металла, топлива и электроэнергии, уменьшением капитальных затрат и затрат на обслуживание, созданием благоприятных условий для охраны окружающей среды".
Таким образом, для успешной реализации Продовольственной Программы необходимо создать новые высокоэффективные сушильные установки.
В работах (32, 33, 35, 96, 105, 118, 132, 133, 134, - б -
135), отмечена перспективность применения теплонасосных установок в технологических процессах пищевой промышленности.
Для уменьшения затрат первичной энергии и увеличения отдачи энергии высушиваемому продукту за счет более рационального способа ее преобразования эффективно применение теплового насоса в сушильных установках. Повышение потенциала (температуры) низкопотенциального тепла позволяет привлечь "новые" источники, такие как окружающий воздух, солнечную энергию, а также сбросное тепло, которое нельзя было использовать из-за его низкой температуры. Тепловой насос существенно расширяет возможности применения низкопотенциальной энергии за счет затраты некоторой доли энергии, полностью превращаемой в работу.
В своем отчетном докладе на общем собрании Академии наук СССР, происходившем в марте 1936 года, академик В.И.Вавилов отмечал: "Несмотря на то, что солнечный свет - основной источник земной энергии, современная техника продолжает пользоваться в качестве энергетических ресурсов вторичными источниками: углем, нефтью, водой и т.д. Мы не сомневаемся, что такое положение только временное, что рано или поздно скорее всего, что рано, придется обратиться к первичному, т.е. к Солнцу, (109)".
Основатель школы советских гелиотехников профессор Б.П. Вейнберг писал: "Территория СССР удалена от экватора. Несмотря на это, приблизительно 10% мировых ресурсов энергии Солнца принадлежит Советскому Союзу. На юге СССР поверхностная плотность потока солнечной энергии больше, чем на территории других стран, лежащих на той же широте: Греции, Италии, США, Японии, Кореи и Китая (в Северном полушарии) и Аргентине, Чили,
Новой Зеландии (в Юзкном полушарии). Это объясняется незначительной облачностью в Средней Азии, удаленной от океанов и защищенной горными хребтами от проникновения в нее влажного воздуха (21)'!
Очевидно, что использование солнечной энергии для сушки фруктов, овощей и других продуктов в условиях южных районов страны имеет актуальное практическое значение.
До настоящего времени виноград не исследовался как объект сушки солнечно - радиационно - конвективным способом(с использованием теплового насоса).В связи с этим, изучение основных закономерностей процесса сушки винограда под воздействием солнечной радиации с использованием теплового насоса и создание высокоэффективной установки представляет научный и практический интерес.
Настоящая работа, выполненная на кафедрах "Процессы аппараты пищевых производств" и "Физика" Московского ордена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой промышленности и на кафедре "Процессы, аппараты и автоматизация пищевых производств" Бухарского технологического института пищевой и легкой промышленности, по своему содержанию направлена на решение важной практической задачи по выполнению продовольственной программы.
Конвективный способ сушки винограда
Одним из наиболее распространенных способов естественной сушки винограда в Средней Азии является сушка в сараях. В стенах сарая имеются отверстия для обеспечения постоянного воздухообмена, а внутри сарая устанавливают несколько рядов жердей для развешивания гроздьев винограда. Высушенный продукт отличается хорошим вкусом, однако при этом способе продолжительность сушки составляет 15-20 суток.
В Узбекской ССР применяется разработанный в научно-исследовательском институте садоводства, виноградарства и виноделия имени акад. Р.Р.Шредера штабельный способ сушки винограда (57).
Этот способ основан на высушивании светлых сортов винограда с применением ошпаривания его кипящим раствором щелочи и последующим окуриванием серой сразу после щелочной обработки. Затем виноград штабелируется в подносах и затеняется сверху тканевыми занавесями. Через несколько дней подвяленные гроздья перегружают на другие подносы и переставляют верхние вниз, а нижние наверх. Длительность процесса сушки колеблется от 8 до 15 дней.
Указанные способы сушки имеют следующие недостатки: процесс очень длительный; большие затраты ручного труда; высокая стоимость высушенного винограда.
Авторами (106, 107) исследована технология сушки виногра - 9 да в туннельных сушилках фирмы "Чачак" (Югославия). Исследования проводились в основном на винограде Кишмиш белый и Кишмиш черный с бланшировкой в 0,5%-1%-ном растворе Л/а ОН при температуре 95-99С в течении от 2 до 30 сек., причем в качестве контроля сушили небланшированный виноград. Сушка проводилась при температуре сушильного агента около 78С и скорости сушильного агента 5 м/с.
Результаты исследования показали, что продолжительность процесса сушки обоих сортов до стандартной влажности в бланшированном и небланшированном виде выравнивается, однако кишмиш белый бланшированный имеет более светлую окраску.
Более стабилизированная окраска светлоокрашенных сортов винограда достигается при окуривании в течение 2 часов, а также при применении мокрой сульфитации до содержания сернистого ангидрида в винограде 0,06 0,08%.
Авторы (107) предлагают комбинированный искусственный и воздушно-солнечный режим сушки винограда. Искусственную сушку они предлагают проводить в туннельной сушилке при температуре 80-82С до влажности продукта 30-25%, а затем остальное количество влаги удалять при подаче воздуха окружающей среды со скоростью 5 м/сек. или "досушивать" при температуре воздуха 40-50С. Продолжительность процесса сушки в туннельной сушилке 12 часов, а в воздушно-солнечной - 15 часов.
Однако такому методу сушки присущ также ряд недостатков:
- большие энергетические затраты в процессе производства (на I т сушеного винограда расход топлива составляет 240-360 л и электроэнергии 146-224 кВт.ч.
- трудность контроля процесса сушки в туннельных сушилках, так как невозможны отбор проб и визуальный осмотр в процессе сушки;
- при указанном температурном режиме сушки небольшое отклонение (повышение) температуры, способствует карамелизации сахара в винограде.
Киевским институтом технической теплофизики АН УССР в Самаркандской области проведены сушка фруктов и винограда на сушилке СКО-90 (68). Производительность СКО-90 по кишмишу 75-80 кг/ч, расход топлива 40 кг/ч. Основным элементом сушильной установки является рабочая камера, в которой расположено несколько ярусов контейнеров для высушиваемого сырья.
Одним из недостатков этой установки является укладка винограда для сушки в гроздьях плотным слоем, т.к. при этом теплоноситель омывает лишь поверхность слоя, проникая внутрь грозди на незначительную глубину. К тому же при переработке с верхнего конвейера на нижний, виноград сваливается в кучу, что приводит к ухудшению качества получаемой продукции.
Авторы работы (76) исследовали осциллирующий режим сушки винограда с периодическим обдувом его массы теплоносителем с температурой 140С, а затем холодным воздухом. Следует отметить, что температура теплоносителя значительно превышает допускаемые нормы.
Исследование гигроскопических свойств винограда
Гигроскопические свойства плодов и сушеного винограда исследовались ранее в работах (30, 55, 100, 119). Работа (100) была посвящена изучению равновесной влажности сушеных абрикосов и винограда в зависимости от влажности воздуха в хранилищах при температуре воздуха 18-20С.
Исследования по определению равновесной влажности винограда сортов "Кара-кишмиш" и "Изюм" проводили в климатической камере "Фойтрон".
Применение данной установки для снятия изотермы десорбции имеет следующие преимущества:
1) образец находится в потоке воздуха определенной влажности, что значительно сокращает время установления равновесного состояния;
2) все точки изотермы снимаются для одного и того же образца;
3) контроль и запись влажности воздуха в пределах от 10 до 100% и температуры среды от 25 до 90С в камере производятся автоматически, при этом погрешность измерения температуры в камере +1С, постоянство температуры точки росы поддерживается с точностью +0,5.
На рис. 2.1. приведены изотермы десорбции винограда "Кара-кишмиш", полученные при различной относительной влажности воздуха (10+90%) и различной температуре (20 - 65С).
Судя по графику, изотермы десорбции винограда имеют типичную для коллоидных капилярно-пористых материалов S -образную форму.
В настоящее время отсутствует полностью разработанная теория, описывающая явления сорбции и десорбции, поэтому нельзя дать аналитическое решение зависимости равновесного влагосодер - ЗО жания от относительной влажности воздуха для коллоидных капиллярно-пористых тел (25). В связи с этим значительный интерес представляют уравнения изотермы сорбции и десорбции, полученные путем математической обработки опытных данных.
В работе (47) изотерма сорбции зерна представлена в виде графической зависимости W = fr [гй ( , _ )] , что позволило выделить три характерные зоны.
Коэффициенты Kj и К определяются для каждой из найденных характерных зон. Как видно, модифицированная ломанная линия для изотерм десорбции винограда (рис. 2.2.) имеет характерные точки, разделяющие ее на три зоны (табл. № I):
Для второй зоны десорбции винограда зависимость
Экспериментальная гелиосушильная установка с использованием теплового насоса
В экспериментальной установке для исследования кинетики сушки винограда реализуется солнечно-радиационно-конвективный способ обработки продукта.
На рис. 3.1. представлена установка, состоящая из сушильной камеры, компрессора, испарителя, установленного в солнечном коллекторе, воздушного конденсатора, вентилятора и калорифера.
Сводчатый корпус (2) сушильной камеры (I) изготовлен из прозрачного колиэтилена толщиной 120 мкм. Высота корпуса 500 мм. В северной части корпуса находится калорифер (3), соединенный с вентилятором (9). Вентилятор соединен через воздуховод (13) с конденсатором (5) теплового насоса (4). Испаритель (6) последовательно соединен с испарителем (7), который установлен в солнечном коллекторе (8). Для рециркуляции (через конденсатор теплового насоса) и выброса в атмосферу отработанного воздуха используется заслонка (12).
Солнечная радиация измерялась пиронометром марки П-ІІ5М. Температура высушиваемого продукта в камере, а также сушильного агента измерялась с помощью хромель-копелевых термоэлектрических преобразователей (II) и ркгистрировалась самопишущим электронным потенциометром (10) типа КСП-4 (кл.точности 0,25). Скорость воздуха регулировалась крыльчатым анемометром. Для измере Рис. 3.1. Схема экспериментальной гелиосушильнои установки с тепловым насосомния массы высушиваемого продукта использовались весы марки ВЛК-500 (точность измерения до + 0,01 г). Масса одной партии высушиваемого продукта 300-500 г. В одну загрузку в камере можно высушить 8-12 партий продукта, которые укладываются в сетчатую полиэтиленовую тару массой 10 г. Убыль влаги определяли в зависимости от режима сушки через 60-120 минут. Влажность воздуха определяли ртутным психрометром.
Для исследования процесса сушки был использован виноград различных сортов: "Ок-кишмиш", "Кора-кишмиш", "Изюм" - с начальной влажностью 78,0%, 69,1%, 76,2%.
Установка работает следующим образом. Наружный воздух и часть отработанного воздуха засасывается вентилятором (9) и через конденсатор (5) теплового насоса (4), а затем через калорифер (3) поступает в камеру (I).
Нагретый воздух проходит через слой винограда сверху вниз и по воздухоотводу через окно выбрасывается в атмосферу или поступает на рециркуляцию по воздуховоду (14).
Тепловой насос работает следующим образом: пары рабочего тела (фреон-П) засасываются из испарителя (6) и из испарителя (7), установленного в солнечном коллекторе (8) компрессором (4) и, сжимаясь в нем, подаются в конденсатор (5), где отдают тепло сушильному агенту и конденсируется, а жидкое рабочее тело поступает в ресивер (5).
Экспериментальная ИК-конвективная установка
Исследование воздействия различных параметров (теплового потока, температуры и скорости сушильного агента) в процессе сушки при использовании солнечной радиации и теплового насоса проведено на экспериментальной установке (рис. 4.1.). Иммитация солнечного теплового потока осуществлялась двумя или одной лампой КГ-500. Воздействие длины волны излучения исследовалась нами во второй главе ( 2.5.).
На рис. 4.1. представлена установка, включающая рабочую камеру с ИК источниками, систему подачи и регулирования температуры и скорости нагретого воздуха. Корпус (2) сушильной камеры (I) - теплоизолированный, внутри него прикреплен экран (3). В верхней части камеры на различном расстоянии друг от друга устанавливаются трубчатые кварцевые источники инфракрасного излучения (4) типа КГ-220-500.
Плотность теплового потока измерялась пиронометром, температура, создаваемая ИК - излучением на поверхности, внутри высушиваемого продукта и в камере измерялась с помощью хромель-ка-пелевых термоэлектрических преобразователей (б) и регистрировалась самопишущим электронным потенциометром (5) типа КСП-4 (кл. точности 0,25).
Наружный воздух подается вентилятором (9) через калорифер в сушильную камеру. Температура подаваемого воздуха регулируется трансформатором (7) типа ЛАТР в пределах от 30С до 75С и измеряется термометром с ценой деления 0,2 . При помощи заслонки осуществляется регулирование скорости воздуха от 2,5 до 5,0 м/с, скорость воздуха измеряется крыльчатым анимометром. Для измерения массы высушиваемого продукта использовались весы марки ВЛК-500 (8) (точность измерения до 0,01 г). Влажность воздуха определялась ртутным психрометром (10).
Для исследования процесса сушки были использованы абрикос и виноград различных сортов: Ок-кишмшп, Кара-кишмиш, Изюм - с начальной влажностью WH = 78,2 70,3%. Масса одной партии высушиваемого продукта 500 грамм.
Описание производственной гелиосушильной установки с тепловым насосом
Общий вид предложенной гелиосушильной установки с использованием теплового насоса приведен на рис. 5.1. Основные элементы установки: корпус (2) сушильной камеры (I), изготовлен в виде свода из оптически прозрачного материала, компрессор (3), воздушный конденсатор (4), воздухоохладитель (5), зачерненный плоский испаритель (6), установленный в солнечном коллекторе (7), направленном на юг под углом 25-40 к горизонту.
Испаритель (5,6) соединен параллельно г. испарителем (8) и тепловым аккумулятором - испарителем (8а).
Воздуховод (9) снабжен шибером (Ю), вентилятор (II) служит для подачи наружного воздуха в камеру (I).
После аккумулятора - испарителя (8) установлен циркуляционный воздуховод (12) с шибером (13).
Компрессор (3) соединен с воздушным конденсатором (4), трубопроводом (14), с испарителем (5) трубопроводом (15) и с аккумулятором - испарителем (8) трубопроводом (16).
Конденсатор (4) соединен с испарителем (5) трубопроводом (17) через вентиль (18) и с аккумулятором - испарителем (8) трубопроводом (19) через вентиль (20). Воздушный конденсатор (4) соединен с камерой (I) воздуховодом (21) через отверстие (22) в торцевой стенке (23) камеры (І). В камере (I) установлен сетчатый конвейер (24) для перемещения продукта в процессе сушки. В конце разгрузочной части конвейера (24) установлена перегородка (25), периодически прилегающая к верхней части его.
Аккумулятор - испаритель (8) представляет собой контейнер с решеткой для поддерживания насадки, насадкой является слой гальки. В слое насадки размещен испаритель, представляющий собой трубчатый теплообменник.
Сушильная установка работает следующим образом. Продукт, уложенный в камеру (І) в дневное время высушивается одновременно под воздействием солнечной радиации, проникающей через оптически прозрачный корпус (2) и воздуха с температурой 55-60С, пронизывающего плотный слой продукта.
При этом наружный воздух с помощью вентилятора (II) подается по воздуховоду (9) через конденсатор (4) теплового насоса (3), где нагревается до температуры 55-60С и по воздуховоду (21) поступает в камеру (І). В зависимости от сорта и влажности продукта, времени суток и года, температура отработанного воздуха в дневное время составляет 48-60С. Теплота, уходящая с отработанным воздухом, аккумулируется в гравии аккумулятора - испарителя (8), а охлажденный воздух по воздуховоду (12) направляется в атмосферу. При температуре уходящего воздуха больше температуры окружающего воздуха "Цх.В toc с помощью шибера (ІЗ), в зависимости от влажности воздуха, он частично или полностью рециркулирует.