Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние организации процесса сушки морских водорослей 8
1.1 Некоторые предпосылки к моделированию процесса инфракрасной сушки морских водорослей. 8
1.2 Характеристики воздействий параметров сушки на свойства сырья растительного происхождения . 14
1.3 Существующая организация процесса сушки морских водорослей. 17
1.4 Электрические источники инфракрасного излучения 23
Выводы по обзору. Цели и задачи исследования 26
Глава 2. Физические закономерности сушки морских водорослей с двусторонним инфракрасным излучением .29
2.1 Установка с двусторонним инфракрасным излучением для процесса сушки морской капусты и бурых водорослей 29
2.2. Методы экспериментальных исследований процесса сушки с двусторонним инфракрасным излучением морской капуст
2.3.Действие двустороннего инфракрасного излучения на процесс сушки морской капусты 35
2.4.Действие двустороннего инфракрасного излучения на процесс сушки бурых водорослей 40
2.5.Экспериментальное исследование температуры поверхности ИК –излучателя от мощности нагревателя 51
2.6. Исследование теплофизических характеристик морских водорослей .54
Выводы по главе 59
Глава 3. Математическое описание тепломассопереноса при двустороннем инфракрасном нагреве морской капусты 61
Глава 4. Проектирование аппарата сушки при двустороннем инфракрасном облучении морского растительного сырья .71
Основные выводы .79
Список литературы .81
- Характеристики воздействий параметров сушки на свойства сырья растительного происхождения
- Электрические источники инфракрасного излучения
- Методы экспериментальных исследований процесса сушки с двусторонним инфракрасным излучением морской капуст
- Исследование теплофизических характеристик морских водорослей
Характеристики воздействий параметров сушки на свойства сырья растительного происхождения
Морское растительное сырье в процессе их переработки на пищевые, кормовые или технические цели подвергаются обезвоживанию.– морские бурые водоросли семейства ламинариевых и фукусовых, красные водоросли – анфельция, филлофора и другие.
Бурые водоросли, морская капуста – древнее растительное сырье морского побережья. Морские водоросли забирают из морской воды в свои ткани различные микро – и макроэлементы. Для питания человека содержание этих веществ, необходимо. В морском растительном сырье их значительно больше, чем по отношению к наземных растениях [20,55,59]. Некоторые микроэлементы, присутствующие в морских водорослях, отсутствуют в растительном сырье на земле. Морское растительное сырье содержит минералы и микроэлементы, такие как - бор, железо, йод, калий, кальций, кобальт, марганец, медь, мышьяк, фосфор, фтор [16].Количество йода: в 100г высушенных морских водорослях составляет 200-400 мг йода. Йод в морском растительном сырье усваивается человеком [16,17,64]. Морские водоросли, произрастают у берегов России Тихого океана [18,19]. Они используются для получения аггара, ламинарина, маннита, порошков [19,66].
Из всех процессов производства продуктов обезвоживание является самым энергозатратным процессом. Решение вопросов по экономии энергетических ресурсов всушильных аппаратов и установок позволит значительно снизить энергоёмкость сушки [23,28]. Конечной целью сушки является получение продукта с наилучшими питательными свойствами, а также пригодным как для хранения, так и для транспортировки.
Сушка (обезвоживание) пищевого сырья, особенно содержащего большое количество влаги, приводит к изменению физической структуры, сжатию (усадке), что в значительной степени определяет качество продукта и возможность его длительного сохранения. Качество пищевого продукта характеризуется цветом, структурой, пористостью, плотностью, способностью восстанавливаться при контакте с водой [66,69].
Выбор рациональных режимов сушки морепродуктов основан на закономерностях внутреннего и внешнего тепло – и массопереноса, на учении о формах связи влаги с материалом, на физико-химических, оптических и других свойствах продуктов, на некоторых разделах технологии их обработки [25,60].
Влажные материалы в зависимости от форм связи и количества поглощенной влаги делятся на коллоидные, капиллярно-пористые и капиллярно-пористые коллоидные тела [25]. Основой классификации для анализа процессов сушки материалов является величина энергии связи влаги с материалом. В своей классификации акад. П.А. Ребиндер [60] предложил три группы форм связи влаги с материалом: химическую, физико-химическую и физико-механическую.”.
Количественная связь влаги с материалом характеризуется энергией, необходимой для разрушения этой связи, т.е. работой отрыва 1 моля воды от материала (без изменения состава) при изотермическом обратимом процессе. Наиболее прочная связь имеет место, когда вода и объект вступают в химическое взаимодействие. Для полного разрушения такой связи требуется большое количество энергии, т.е. нагрев материала до 100 С и выше. Для многих продуктов биологического происхождения трудно определить резкую границу между концом удаления свободной и началом удаления связанной влаги. Прочность связи влаги с материалом зависит от природы объекта и оказывает существенное влияние на себестоимость и кинетику процессов сушки
Закономерности переноса энергии и массы во влажных морепродуктах в процессе их обезвоживания являются очень сложными и ещё недостаточно изученными. Недостаточно работ, посвящённых разработке прогрессивных технологических режимов сушки при новых физических способах энергоподвода, недостаточно сведений о кинетике и динамике процесса сушки морских водорослей при таких высокоинтенсивных методах энергоподвода, как инфракрасное излучение [14,21,33,68]. Технологии сушки, обеспечивающие высокое качество продукта должны опираться на физические процессы, ход которых не так сильно связан с изменяющими свойствами продуктов (в первую очередь, с их тепло – и массопроводностью).
Весьма перспективно в этом плане использование инфракрасной (ИК) сушки и микроволновой сушки [4,5,6,67] ввиду ряда важных отличий от классических методов нагрева. Во – первых, не требуется наличие теплоносителя. Во – вторых, тепловыделение происходит в объёме объекта сушки. В – третьих, интенсивность нагрева объекта сушки не зависит от агрегатного состояния материала, а только от его оптических, диэлектрических свойств и напряженности инфракрасного поля. Для сушки тонких слоёв продуктов эффективно использование ИК-облучения [3,61]. Инфракрасные лучи подчиняются законам излучения тел [13,14]. Интенсивность инфракрасного облучения зависит от температуры и длины волны. С повышением температуры нагревателя максимум излучения смещается в сторону более коротких волн.
.Источник излучения создает электромагнитное поле, служащее носителем энергии; теплота передается с помощью этого поля и поглощается продуктом, т.е. атомами облучаемого объекта, повышается уровень собственных колебаний атомов, особенно при совпадении частоты падающего инфракрасного облучения, что означает превращение энергии излучения во внутреннюю энергию тела[13].
От общего количества подводимой к облучаемому предмету энергии излучения в единицу времени одна часть поглощается, другая – отражается и третья – пропускается телом. Большинство влажных продуктов обладает высокой способностью к поглощению; она зависит, однако, от строения поверхности, химического состава и формы тела [4,12,13].
Для влажных твердых материалов проницаемость инфракрасных лучей мала. Прохождение лучей на некоторую глубину внутрь твердого вещества доказывается аномальным распределением температуры в нем. При нагреве или сушке капиллярно-пористых тел, каковыми и являются морепродукты растительного происхождения, значение максимальной температуры наблюдается не на поверхности, а на некоторой глубине, начиная от поверхности, температура сначала повышается, достигает максимального значения на небольшой глубине, а затем снижается [27].
Электрические источники инфракрасного излучения
Увлажненные морские водоросли помещали в герметичные емкости и выдерживали 72 ч при температуре +(3-5)С для установления равновесной влажности. Прибором измеряли действительную начальную влажность, которая в пределах погрешностей совпадала с расчетными значениями.
Морскую капусту, равномерно распределенную на сетчатых поддонах из нержавеющей стали и тефлонового материала с ячейкой 2х2 мм, при заданных параметрах, подвергалась двустороннему инфракрасному облучению.
Экспериментально фиксировали время достижения заданного влагосодержания морской капусты 15 кг/кг и температуры продукта на поверхности не более 60 С [34,38].
Основными факторами, в наибольшей степени влияющими на время процесса сушки с двусторонним инфракрасным облучением морской капусты, являются: высота слоя с морской капусты, плотность теплового потока ИК излучения, расстояние от ИК - излучателя до слоя морской капусты. Для проведения исследований выбраны значения уровней каждого фактора с учетом диапазонов технологических параметров.
Кодирование этих факторов и определение их уровней проводилось с использованием безразмерных переменных по следующим формулам перехода [1]:
Все три кодированные переменные , 2, 3 принимают значения в диапазоне от -1 до +1. В таблице 2.5 приведена матрица планирования полного факторного эксперимента: Таблица 2.7. ПФЭ 22 при сушке морской капусты при двусторонним инфракрасным излучением на поддоне из нержавеющей сетки по размеру от нагревателя до продукта (2.7) В безразмерной системе координат верхний уровень равен +1, нижний уровень -1, координаты центра плана равны нулю и совпадают с началом координат. План проведения экспериментов записывается в виде таблицы 2.8.
ПФЭ 22 при сушке морской капусты при двусторонним инфракрасным излучением на сетчатом поддоне из тефлонового материала. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались в виде регрессионных уравнений для расчета продолжительности процесса сушки морских водорослей с двусторонним инфракрасным излучением длиной волны 1,5-3,0 мкм при достижения морской капусты на сетчатом поддоне из нержавеющей стали и тефлонового материала до конечного влагосодержания 15 кг/кг и температур продукта на поверхности не более 60С.
Необходимое число повтора эксперимента найдено по методике, изложенной в работах [1] с помощью распределения Стьюдента при уровне надежности 0,95 и допустимой ошибке 5%. Адекватность полученных уравнений проверена по критерию Фишера [1]. 2.3. Действие двустороннего инфракрасного излучения на процесс сушки морской капусты.
В результате проведенных экспериментальных исследований найдено, что продолжительность процесса сушки при двустороннем инфракрасным облучением длиной волны 1,5-3.0 мкм морской капусты на сетчатом поддоне из нержавеющей стали в зависимости от параметров определяется достижением конечного влагосодержания 15 кг/кг и температуры поверхности продукта не более 60С..
Статистическая обработка результатов экспериментов привела к следующему регрессионному уравнению:
График 2.1 зависимости времени сушки морской капусты на сетчатом поддоне из нержавеющей стали от уровня продукта при величине ИК -излучателя Z1 = 5,0 кВт/м2, размера от ИК -излучателя до продукта Z3 = 50 мм (кривая 1 и 2), Z3 = 60 мм (кривая 3 и 4), уровня продукта на поддоне Zz = 20 мм (кривая 1 и 3), Z2 = 30 мм (кривая 2 и 4). График 2.1. - Зависимость влагосодержания от времени сушки морской капусты на сетчатом поддоне из нержавеющей стали. В результате проведенных экспериментальных исследований было выявлено время сушки морской капусты на сетчатом поддоне из тефлонового материала при достижении конечного влагосодержания 15 кг/кг и температуры поверхности продукта не более 60С при двусторонним инфракрасным излучением выделенным интервалом частот в зависимости от параметров проведения процесса. В результате статистической обработки результатов экспериментов получено уравнение регрессии, адекватно описывающее процесс сушки морской капусты на сетчатом поддоне из тефлонового материала при действии выбранных факторов:
Уравнения (2.8 и 2.9) адекватно описывает процесс сушки морской капусты при действии выбранных факторов. Анализ уравнений (2.8 и 2.9) показал, что наибольшее влияние на процесс сушки при двустороннем инфракрасном облучении из входных параметров оказывают уровень морской капусты на поддоне , величина инфракрасного излучения и размер от ИК -излучателя до продукта соответственно. Факторы Z2 и Z3 по мере их роста повышают, а фактор Z1 снижает значение функции отклика Y.
График 2.2 зависимости времени сушки морской капусты на сетчатом поддоне из тефлонового материала от уровня продукта на поддоне при величине инфракрасного излучения Z1 = 5,0 кВт/м2, размера от ИК-излучателя до продукта Z3 = 50 мм (кривая 1 и 2), Z3 = 60 мм (кривая 3 и 4), уровня продукта на поддоне Z2 = 20 мм (кривая 1 и 3), Z2 = 30 мм
Методы экспериментальных исследований процесса сушки с двусторонним инфракрасным излучением морской капуст
Выбор конструкций сушильных установок и оптимальных режимных характеристик их работы определяется структурно-механическими и теплофизическими свойствами обезвоживаемых продуктов как объектов сушки. Характерными структурно-механическими свойствами влажных дисперсных материалов является гранулометрический состав, объемная плотность, порозность слоя, форма, подвижность и связанность частиц, сопротивление перемещению относительно твёрдых частиц объекта сушки, влажность [22,23,24].
Задача расчёта сушильного аппарата с двусторонними ИК -излучателями, на наружную поверхность которых нанесен композиционный материал, сводится к определению размеров и потребляемой мощности рабочей камеры, обеспечивающих заданную производительность при оптимальных параметрах проведения процесса.
Авторами [35,40,41,42] получены закономерности процесса сушки с двусторонним инфракрасным излучением с выделенной длиной волны морской капусты и бурых водорослей на сетчатых поддонах из нержавеюшей стали и тефлона в зависимости от параметров проведения процесса.
Длительность процесса сушки с двусторонним инфракрасным излучением морской капусты на нержавеющей (4.1) и тефлоновой (4.2) сетках определяется временем достижения конечного влагосодержания для морской капусты 15 кг/кг и температуры продукта на поверхности не более 60С находится из уравнения: Y = 600 - 60Z1 + 12Z2 + 6Z3 (4.1) Y = 630 - 60Z1 + 12Z2 + 6Z3 (4.2) Длительность процесса инфракрасной сушки бурых водорослей на сетчатых поддонах из нержавеющей стали (4.3) и тефлонового материала (4.4) инфракрасной - обработкой с двух сторон определяется временем достижения конечного влагосодержания бурых водорослей 15 кг/кг и температуры их на поверхности не более 60С определяется из уравнения: где:Д - величина инфракрасного нагрева, от 4,95 до5,95 кВт/м2, Z2 - уровень морепродуктов на поддоне , от 20 до 30мм, Zъ - размер от ИК- излучателя до до морепродуктов, от 50 до 60 мм. На основе разработанной нами математической модели процесса сушки морских водорослей с двусторонним инфракрасным излучением, описывающей процессы тепломассообмена, получена формула расчета времени, необходимого для достижения нагреваемым телом определенного усредненного по объему влагосодержания материала: aYo (i/o-i/(T)) т = , (4-5) Обозначения всех величин, указанных в формуле (4.5), - общепринятые [25, 26, 27, 40].
Насыпная плотность исходной морской капусты равна 620 кг/м3. Уровень морепродуктов составляет 30 мм, величина инфракрасного излучения 5,0 кВт/м. Время достижения конечного влагосодержания при инфракрасной сушке морской капусты до 15 кг/кг и температуры их на поверхности не более 60С составляет 12-13 мин и определяется из уравнений (4.1,4.2, 4.5).
Авторами предложена [41,44] и разработана многоярусная камера инфракрасной сушки морских водорослей периодического действия (рис. 4.1, 4.2, 4.3). Внутри камеры располагается шесть ярусов излучателей и шесть ярусов поддонов для продукта. Размер поддона: длина 500 мм, ширина 500 мм.
Количество излучателей, на наружную поверхность которых нанесен композиционный материал, с подключением к электропитанию 30 штук , и без подключения к электропитанию 24 штук. Количество поддонов равно двенадцати. Расстояние между поддонами составляет 120 мм. Часть энергии от токоведущих инфракрасных излучателей в диапазоне излучения с длиной волны от 1,5 до 3,0 мкм направленной встречно вдоль ряда, потребляется на разогрев композиционного материала промежуточных кварцевых трубок, не связанных с источником электропитания. Высота размещения инфракрасных излучателей над лотком яруса составляет 60 мм. На рисунке 4.1 и 4.2 изображены: многоярусная камера сушки и расчетная схема яруса. Рисунок 4.1. - Многоярусная камера инфракрасной сушилки. На каркасе 1 смонтирована многоярусная камера, корпус 2 которой помещен в кожух 3 с зазором, формирующем воздуховоды 4, через который удаляется влага. В каждом ярусе, состоящий из двух сетчатых лотков размещен ряд равномерно распределенных инфракрасных излучателей, центральная спираль которых подключена к источнику электропитания (условно не показан).
Между излучателями 13 мощностью 200 Вт смонтированы инфракрасные излучатели 15, не имеющие связи с источником питания. Излучатели с электропитанием выполнены в форме кварцевой трубки, с наружной поверхностью из композиционного материала диаметром 10-12мм излучают инфракрасные лучи с длиной волны 1,5-3,0 мкм.
Обесточенные излучатели с композиционным материалом поглощают часть энергии от излучателей с электропитанием и становятся вторичными источниками инфракрасного облучения.
Температура поверхности излучателей составляет 155-160С. Расстояние между излучателями длиной 1000мм выбран равным 50мм. Излучатели в количестве 7штук, чередуясь, расположены на высоте 60мм над лотком яруса, при этом расстояние до лотка вышерасположенного яруса составляет 86 мм; таким образом высота каждого яруса составляет 146 мм. Ширина ярусов равна 420 мм. При сушке в предложенной камере перераспределенным инфракрасным излучением морской капусты температура на поверхности слоя не превышает 50-53С, длительность процесса сушки от начального влагосодержания 900% до конечного влагосодержания морской капусты 15 кг/кг составляет 12-13 минут. Многоярусная камера инфракрасной сушки позволяет интенсифицировать процесс сушки морских водорослей.
Исследование теплофизических характеристик морских водорослей
.Установка для инфракрасной сушки должна отвечать всем требованиям по технике безопасности в соответствие с ГОСТ Р 50571.18-2000 «Электроустановки зданий. 4.4. Требования по обеспечению безопасности».
.В опорах рамы отдельных секций должны быть предусмотрены регулировочные устройства для выверки их высотной отметки и горизонтальности, позволяющие осуществить бесподкладочный монтаж.
.Электрооборудование установки для инфракрасной сушки должно быть выполнено в соответствие с ГОСТ Р МЭК 61140-2000 «Защита от поражения электрическим током. Общие положения по безопасности, обеспечиваемой электрооборудованием и электроустановками в их взаимосвязи».
Электробезопасность при работе на установке должна обеспечиваться ее конструкцией, предусматривающей прокладку токоведущих электрических коммуникаций в соответствующих грубах, специальных желобах или рукавах, защищающих провода и кабели от механических повреждений.
В форме установки для инфракрасной сушки следует выдержать гармоничную взаимосвязь основных узлов между собой. Формы основных объемов (ИК-камера, транспортер, пульт управления и другие узлы конструкции) должны быть просты и сочетаться между собой.
Конструкция установки для инфракрасной сушки должна обеспечивать возможность быстрого доступа к блокам ИК-излучателей, механизмам транспортеров и приводов и другим основным узлам конструкции.
Для предохранения от коррозии вес металлоконструкции, за исключением деталей из нержавеющей стали, должны иметь специальные защитные покрытия. Установка для инфракрасной сушки должна быть установлена в закрытом помещении, специального фундамента не требуется.
Вид транспортера - тефлоновая лента конвейерная; привод -мотор-редуктор, с возможностью регулирования числа оборотов, тефлоновая лента должна двигаться по секций излучателей над транспортером - 3 шт.; под транспортером - Зшт, число ИК - излучателей в каждой секции- 12 шт. с электроподводом, 12-шт. без электроподвода. Мощность ИК-излучателя-200 Вт. Габаритные размеры секции излучателей: длина- 1000мм, ширина 1100мм.
Тип ИК - излучателей - керамическая трубка с внутренним диаметром 10-12 мм, покрытая снаружи функциональной керамической оболочкой.
Установленная мощность ИК - генераторов, 14,4 кВт. Высота размещения блоков ИК - генераторов относительно слоя облучаемого продукта - от 50 до 60 мм. Установленная мощность электродвигателя, 0,75 кВт. Общая мощность установки, 15.15 кВт.
Для предохранения от коррозии все металлоконструкции, за исключением деталей из нержавеющей стали, должны иметь специальные защитные покрытия.
Все узлы и блоки установки должны быть легко доступными для технического обслуживания.
Установка должна отвечать требованиям охраны труда, техники безопасности и Все вносимые изменения, дополнения исходных требований должны согласовываться в двухстороннем порядке.
