Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния теории и техники сушки пивных дрожжей 7
1.1. Обоснование выбора пивных дрожжей как объекта сушки 7
1.2. Характеристика пивных дрожжей 8
1.3. Анализ способов сушки пивных дрожжей и оборудования 12
1.4. Анализ существующих моделей процесса сублимационного обезвоживания 23
1.5. Пути повышения эффективности вакуум-сублимационной сушки 37
1.6. Цель и задачи исследований 45
Глава 2. Исследование основных характеристик пивных дрожжей как объекта вакуум-сублиационной сушки 48
2.1. Формы связи влаги с материалом 48
2.2. Определение криоскопической температуры и количества вымороженной влаги 51
2.3. Определение теплофизических характеристик пивных дрожжей 56
2.4. Определение упругости насыщенных паров и удельной теплоты сублимации 68
2.5. Исследование оптических свойств пивных дрожжей 70
Глава 3. Исследование процесса вакуум-сублимационной сушки с использованием термоэлектрических элементов 78
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 78
3.2. Изучение процесса замораживания исследуемого продукта 81
3.3. Изучение кинетики процесса вакуум-сублимационной сушки...82
3.4. Исследование процесса вакуум-сублимационной сушки с использованием термоэлектрических элементов 87
3.5. Определение оптимальных параметров работы сушилки 90
3.6. Выбор компромиссных решений задачи оптимизации процесса 96
3.7. Исследование качественных показателей готового продукта... 103
Глава 4. Математическое моделирование процесса вакуум-сублимационной сушки с комбинированным подводом теплоты 108
4.1. Физическая модель процесса сублимационной сушки с комбинированным подводом теплоты 108
4.2. Определение коэффициентов скорости сублимации 111
4.3. Определение коэффициента поглощения света 112
4.4. Зональный метод определения температурных полей 112
Глава 5. Практическая реализация результатов исследований 122
5.1. Разработка сублимационной сушилки с использованием термоэлектрических элементов 124
5.2. Разработка технологии производства автолизата из пивных дрожжей 128
5.3. Бизнес-планирование реализации инновационного проекта 133
Основные выводы и результаты работы 135
Список использованной литературы 136
Приложения 146
- Анализ существующих моделей процесса сублимационного обезвоживания
- Определение криоскопической температуры и количества вымороженной влаги
- Исследование процесса вакуум-сублимационной сушки с использованием термоэлектрических элементов
- Определение коэффициентов скорости сублимации
Введение к работе
Актуальность работы. Для нормальной жизнедеятельности человека огромное значение имеет система питания, создающая необходимые предпосылки для оптимального развития организма, поддержания его работоспособности, обеспечения долголетия.
Важнейшим условием сохранения здоровья является полноценное и регулярное снабжение организма всеми необходимыми микронутриентами: витаминами и минеральными веществами. Массовые обследования, проводимые Институтом питания РАМН, свидетельствуют о крайне недостаточном потреблении витаминов и некоторых минеральных веществ у значительной части населения России [85].
В то же время одним из достижений конца XX века является разработка концепции «функционального питания». К продуктам функционального питания, по определению академика В.А. Тутельяна, относятся продукты с заданными свойствами, обогащенные пищевыми веществами и микронутриентами. Основная цель этих продуктов - поддержание и восстановление нормальной жизнедеятельности организма человека [24].
Производство пива связано не только с переработкой большого количества сельскохозяйственного сырья, но и с образованием отходов, которые при полном и рациональном использовании в народном хозяйстве страны становятся вторичными материальными ресурсами (BMP).
Благодаря большому содержанию витаминов остаточные пивные дрожжи представляют высокую физиологическую ценность.
Нами предлагается использовать в качестве функциональной добавки пивные дрожжи, высушенные до требуемой влажности.
Для повышения эффективности процесса вакуум-сублимационного обезвоживания и снижения его энергоемкости, нами предлагается использовать термоэлектрические элементы, преимуществами которых являются экологическая чистота, отсутствие промежуточных газообразных и жидких хлада-
5 гентов, независимость от ориентации в пространстве, бесшумность, широкие возможности миниатюризации, переход из режима охлаждения в режим нагревания и обратно за счет простого реверсирования тока.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры МАПП по теме «Тепло- и массообмен при высокоинтенсивной сушке продуктов животного и растительного происхождения» (№ государственной регистрации 01970008818).
Цель и задачи диссертационной работы. Настоящая работа посвящена повышению эффективности процесса вакуум-сублимационной сушки пивных дрожжей с использованием термоэлектрических элементов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
исследование свойств пивных дрожжей как объекта сушки;
исследование процесса замораживания продукта;
исследование кинетики сублимационной сушки пивных дрожжей;
разработка математической модели процесса сублимационной сушки при комбинированном энергоподводе;
разработка энергосберегающего способа сушки пивных дрожжей и устройства для его осуществления;
анализ энергетической эффективности применения термоэлектрических модулей в сублимационной сушилке;
исследование качественных показателей сухих пивных дрожжей;
экономическое обоснование предлагаемых разработок.
Научная новизна. Исследованы теплофизические и оптические свойства пивных дрожжей как объекта сушки. Исследованы кинетические закономерности процессов замораживания и сублимационного обезвоживания исследуемого продукта. Разработана математическая модель процесса вакуум-сублимационной сушки при комбинированном энергоподводе. Определены оптимальные режимы работы термоэлектрических модулей в сублимационной сушилке.
Практическая значимость. Разработан способ получения сублимированных пивных дрожжей. Установлены рациональные режимы процессов за-
мораживания и сублимационной сушки продукта. Разработана оригинальная конструкция вакуум-сублимационной сушильной установки с использованием термоэлектрических элементов. Предложена методика расчета сублимационной сушилки.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2183307.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии (с 1998 по 2005 гг).
Результаты работы экспонировались на постоянно действующих межрегиональных выставках г. Воронеж: IV международной выставке «Агротех-маш 1999»; V международной выставке «Агротехмаш 2000»; IV международной выставке «Современное хлебопечение 2000»; V международной выставке «Современное хлебопечение 2001»; VI международной выставке «Продторг 2002» в рамках 13-ой межрегиональной выставки и отмечены 5 дипломами выставок.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе получен 1 патент Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 13 таблиц. Список литературы включает 97 наименований. Приложения к диссертации представлены на 35 страницах.
Анализ существующих моделей процесса сублимационного обезвоживания
Сублимационная сушка представляет собой сложный технологический процесс, который трудно свести только к модельному процессу «чистой» сублимации. Сублимация как физический процесс изучается на однородных материалах, например лед, полученный из дистиллированной воды, нафталин и пр. Даже в этих случаях сублимация сопровождается отрывом частичек материала и уносом их вместе с паром. Процесс дополнительно осложняется как разнообразием форм связи влаги со скелетом, так и тем обстоятельством, что после обезвоживания остается сухой скелет продукта [19]. Математические модели, используемые при изучении процессов сублимационной сушки, весьма разнообразны. Рассмотрим некоторые из них. Ниже приводятся качественные суждения о характере сублимационной сушки мясопродуктов, основанные на работах Э.И. Каухчешвили, Э.И. Гуйго, А.З. Волынца, А.И. Васильева и Б.П. Камовникова. При аналитическом описании процесса сублимации предполагалось наличие границы между замороженной и осушенной зонами — фронта сублимации. Так же, как и при рассмотрении процесса замораживания, понятие фронта условно. Существует зона сублимации, которая в процессе сушки углубляется в толщу продукта. Фактически каждый элемент материала при сублимационном обезвоживании проходит две стадии: собственно сублимация льда; испарение, или десорбция, незамерзшей части влаги. Степень обезвоживания продукта по его объему может быть весьма различной, и одновременно с сублимацией льда может происходить и фактически происходит процесс испарения незамерзшей (связанной) влаги.
Экспериментальные данные А.И. Васильева показывают, что граница между осушенным и замороженным слоями при сублимационной сушке мясопродуктов условна, и переход от осушенного к замороженному слою происходит непрерывно в достаточно протяженной зоне. Экспериментальными исследованиями доказано, что в рассматриваемом процессе сублимация влаги наблюдается в объеме, т. е. существует некоторая «зона», а не «фронт» сублимации. В то же время любой процесс фазового перехода осуществляется только тогда, когда имеется поверхность раздела, т. е. процесс сублимации физически происходит с некоторой поверхности. «Зона» сублимации представляет, таким образом, часть пространства продукта, в котором присут ствуют поверхности фазового раздела. Начиная наш анализ с эмпирических моделей, отметим, что вследствие сложности, недостаточной изученности и затруднений в теоретическом описании процессов вакуум-сублимационного обезвоживания модели этого типа весьма широко применяются для исследования данных процессов. Часто такие модели представляют собой эмпирические корреляции, определяющие интенсивность сушки с учетом различных параметров процесса. Рассмотрим в качестве примера критериальное уравнение, полученное А.А. Улумиевым для процесса вакуум-сублимационного обезвоживания материала при терморадиационном подводе тепла [29]: одинамические условия процесса (безразмерная скорость сушки), Re = —; S- интенсивность сушки, кг/(м2-с); /-характерный размер материала, м; rj-динамический коэффициент вязкости парогазовой среды, кг/(м-с); Тс и Тм -температура среды и материала, К; Гизл - температура излучателя, К; Робщ -общее давление в сублимационной камере, Па; Р0 _ давление насыщенного пара в тройной точке, Па; WRJK- текущая и конечная влажность материала, %; A, a, b,c,d- множитель и показатели степеней при параметрических критериях, зависящие от физико-химических свойств объекта сушки. По сути, А, a,b,cnd- это эмпирические параметры, определяемые, как правило, путем статистических экспериментов. Не ставя под сомнение теоретическую и практическую значимость этой модели, укажем некоторые недостатки, характерные для моделей такого рода. Во-первых, на основе рассматриваемой модели весьма трудно проследить общие закономерности процесса сублимации и совсем невозможно получить представление о внутреннем (для материала) тепло- и массообмене. В сущ 26 ности, данное уравнение представляет собой статическую модель процесса, которую для практического применения необходимо «достраивать» динамической моделью и прочими дополнительными условиями. Во-вторых, значительные затруднения может вызвать определение входящих в уравнение эмпирических параметров и решение вопроса о применимости модели к исследованию какого-либо конкретного процесса сублимационного обезвоживания. Наконец, в-третьих, такие модели, как и всякие эмпирические модели, довольно сложно (и в большинстве случаев некорректно) обобщать, либо сравнивать между собой. Перейдем теперь к анализу теоретических моделей процесса сублимационного обезвоживания. Пожалуй, наиболее характерным примером теоретических моделей с сосредоточенными параметрами являются так называемые кинетические модели сушки. Впервые термин «кинетика» к исследованию процессов сушки применил А.В. Лыков. Физическая кинетика сушки, по А.В. Лыкову, есть раздел теории сушки, изучающий изменение среднего влагосодержания и средней температуры тела с течением времени. Основная задача физической кинетики сушки - определение интенсивности сушки (плотности потока массы через единицу площади поверхности материала) и длительности сушки в зависимости от технологических свойств материала и технических характеристик сушильной установки. А.В. Лыковым предложено основное уравнение кинетики сушки, справедливое для любого влажного тела и при любом способе сушки (кондуктив-ном, конвективном, вакуумном, сублимационном и др.)
Определение криоскопической температуры и количества вымороженной влаги
Криоскопическая температура или температура замерзания раствора имеет важное значение при определении теплофизических характеристик влажных продуктов и проведении теплотехнических расчетов холодильного оборудования [49, 56]. Криоскопическую температуру при охлаждении пивных дрожжей при различном содержании сухих растворимых веществ определяли при помощи ртутного дифференциального термометра Бекмана (точность измерения температуры до 0,002 К), а первоначальную настройку прибора проводили при температуре замерзания дистиллированной воды. Определение криоскопиче-ской температуры повторяли четыре раза, добиваясь, чтобы расхождение между предыдущим и последующим измерением температуры не превышало 0,02 К. Известно, что изменение криоскопической температуры пропорционально концентрации растворенных веществ в растворителе и подчиняется закону Рауля [60, 90]: где tKp - криоскопическая температура, С; є - криоскопическая постоянная, зависящая от свойств растворителя, кг С/моль; Со - относительная молярная концентрация сухих веществ, моль/кг. Криоскопическая постоянная определяется по формуле: где R - универсальная газовая постоянная (8,319 Дж/моль-К); Т - абсолютная температура замерзания растворителя (для воды Т=273,16 К); гл - удельная теплота кристаллизации растворителя (для воды гл=335 кДж/кг [90]). Значит, криоскопическая постоянная для водных растворов:
Относительная молярная концентрация может быть определена по формуле: где Gp - масса растворенных веществ; Gw - общее количество воды; ц - молярная масса растворенных веществ. Из анализа (2.1) и (2.3) видно, что на криоскопическую температуру оказывает влияние величина концентрации и молярная масса продукта. В ходе эксперимента было установлено понижение криоскопической температуры при увеличении концентрации сухих веществ в образцах. Молярную массу растворенных веществ можно определить из соотношений (2.1) и (2.3) по формуле: Экспериментальные исследования показали, что зависимость криоскопической температуры от концентрации сухих веществ в исследуемом продукте несколько отличается от прямолинейной. Противоречия с законом Рауля здесь нет, так как концентрация сухих веществ в продукте определялась на рефрактометре, который дает величину процентного содержания сухих веществ в растворе, то есть отношение массы сухих веществ к массе всего продукта: Подставив (2.4) в (2.3) получаем формулу для расчета ц по экспериментальным значениям t и Сс: Обработка экспериментальных данных по (2.6) позволила получить усредненное значение ц=0,386. Тогда закон Рауля примет вид: На рис.2.2 представлены экспериментальные данные и зависимость криоскопической температуры от концентрации сухих веществ, рассчитан ных по формуле (2.7), подтверждающая применимость закона Рауля для расчета криоскопической температуры.
Исследование процесса вакуум-сублимационной сушки с использованием термоэлектрических элементов
Являясь одним из наиболее перспективных направлений в создании экологически чистых охлаждающих устройств, термоэлектрическая техника все более и более завоевывает международный рынок, как альтернативное направление существующему газовому или жидкостному холодильнику, кондиционеру. В Европе, США, Японии ежегодный прирост производства и сбыта термоэлектрических полупроводниковых устройств составляет более 10% [6, 83].
Термоэлектрические модули с успехом могут заменить существующие компрессорные бытовые и промышленные системы охлаждения, в том числе мобильные, использоваться для охлаждения тепловыделяющих плат в электронике и т.п.
Основными элементами термоэлектрических устройств являются термоэлектрический модуль (ТЭМО), работающий на эффекте Пельтье, и радиатор (теплообменник), способствующий увеличению холодопроизводи-тельности за счет конструктивных решений отвода тепла. Элемент Пельтье, в свою очередь, работает как тепловой насос, так как при пропускании тока через ветви (спай двух металлов) тепловая энергия перетекает с одной пластины на другую, что приводит к появлению холодной и горячей сторон.
При изменении направления тока изменятся на противоположные холодные и горячие стороны. Принципиальным отличием новых термоэлектрических модулей от традиционных и широко известных ячеек Пельтье является то, что керамическая подложка заменена металлической, что в свою очередь позволило существенно поднять холодопроизводительность и сократить время выхода на требуемый режим.
Преимуществами термоэлектрических охлаждающих устройств являются: экологическая чистота, отсутствие промежуточных газообразных и жидких хладагентов, отсутствие компрессора, нагревателя, реле их включения-выключения, независимость от ориентации в пространстве, бесшумность, широкие возможности миниатюризации, переход из режима охлаждения в режим нагревания и обратно за счет простого реверсирования тока [76].
Питание на термоэлектрические модули подавали при достижении давления в сублиматоре 40.. .50 Па. Для регистрации температуры продукта в поддоне размещали миниатюрные термопары с толщиной спая 0,5 мм.
При включении питания термоэлектрических модулей их холодные спаи охлаждались до температуры -15...-20 С (258...253 К). В первой секции энергия к продукту подводилась при помощи электрического нагревателя, в остальных секциях - при помощи термоэлектрических модулей, на горячих спаях которых выделялась теплота, равная сумме холодопроизводи-тельности и затраченной мощности.
В процессе сублимационной сушки на алюминиевом дне поддона де-сублимировалась влага, удаляемая из продукта. В каждой секции сушилки намораживалось до 2...3 мм льда. При достижении температуры продукта 35...40 С (308...313 К) процесс сублимационной сушки дрожжей прекращали. Однако питание термоэлектрических модулей не выключали во избежание попадания влаги в продукт. Сначала девакуумировали сублиматор, выгружали дрожжи, и только после этого переключали питание термоэлектрических элементов с целью удаления льда. При этом на «холодных спаях» выделялась теплота, которая подплавляла слой льда и он легко удалялся с полированной поверхности алюминия. Таким образом, термоэлектрические моду ли обеспечивают не только экономию энергии, но и упрощают процесс удаления намороженного льда. Кроме этого, достоинством ТЭМ является то, что они обеспечивают практически мгновенное охлаждение алюминиевого дна поддона. Этот факт является очень важным, так как не требуется предварительного охлаждения вакуумной камеры (сублиматора).
Проводили сублимационную сушку дрожжей при различном напряжении питания элементов, а также различном количестве элементов в секции. Кроме этого, изменяли высоту слоя продукта в поддоне от 3 до 15 мм. К недостаткам термоэлектрических модулей следует отнести то, что они имеют низкую холодопроизводительность, поэтому для обеспечения нормального процесса сушки необходимо устанавливать до 8... 10 термоэлементов в каждой секции (рис. 3.6).
Определение коэффициентов скорости сублимации
В течение последних сорока лет термоэлектричество прошло путь от демонстрации физических эффектов до широкого применения в различных областях науки и техники [5,21,23,46,47, 82].
По сравнению с первыми образцами сила тока питания снижена на два-три порядка, на пять-шесть порядков уменьшены удельные энергозатраты (на единицу холодопроизводительности) полупроводниковых материалов. Современный термоэлектрический модуль представляет собой миниатюрное изделие с керамическими коммутационными платами, содержащими до 10 спаев на 1 мм2, с термоэлементами высотой от 0,1 до 1 мм.
Ведущее место в разработке и производстве термоэлектрических охладителей за рубежом занимают США. Фирмы «Melcor», «Marlow Industries Inc.» и ряд других компаний осуществляют массовый выпуск термоэлектрической продукции. Номенклатура изделий этих фирм включает более 200 наименований.
Японской фирмой «Komatsu Electronics Inc.» создана технология автоматической сборки термоэлектрических микроохладителей с использованием роботов. Технологическая линия позволяет выпускать до 300 тыс. охладителей в год для применения в электронной оптике и может быть адаптирована к изменениям различной конфигурации.
На новом витке развития технологии наполнилась экономическим содержанием первоначальная идея использования термоэлектричества в портативных домашних холодильниках, холодильниках для биологии, медицины, сельского хозяйства и транспорта. В последние годы заметно снизилась стоимость термоэлектрической продукции. Этому способствовала стандартизация охлаждающих модулей, унификация их размеров и электрических параметров [6]. Освоен массовый выпуск модулей размером 30x30 и 40x40 мм в Российской Федерации, а также стандартизованных термоэлектрических сборок общего назначения. Таким образом, термоэлектрическое охлаждение превратилось в одно из важнейших направлений холодильной техники [8]. Решающую роль в этом сыграли следующие особенности термоэлектрического охлаждения: возможность миниатюризации, практически неограниченный ресурс работы, возможность совмещения с другими объектами охлаждения, отсутствие хладагентов, исключение движущихся частей и бесшумность, независимость работы от ориентации в пространстве и поле тяжести, способность перехода из режима охлаждения в режим нагрева, возможность регулирования температуры по заданной программе, высокое быстродействие и конструктивная пластичность [50]. По оценкам экспертов, рынок термоэлектрической продукции в настоящее время приближается к 100 млн. долл. при выпуске в несколько миллионов охладителей в год. Термоэлектрическое качество полупроводниковых материалов характеризуется параметром добротности [77] где а - коэффициент термоЭДС; т- коэффициент электропроводности; Я- коэффициент теплопроводности. Этот параметр определяет предельные возможности понижения тем пературы в термоэлектрическом охладителе и ее наивысшую энергетическую эффективность. Современные термоэлементы имеют добротность порядка (3,0...3,3)-10-3 К"1. Они обеспечивают перепад температуры на спае до 85 К. Для дальнейшего понижения температуры применяют метод каскадирования термоэлектрических батарей. При каскадировании решающее значение имеет правильный выбор полупроводниковых материалов. Целесообразность снижения удельных энергозатрат на процесс сублимационной сушки показана в главе 1. Однако создание установок непрерывного действия затруднено высокой степенью сложности конструкций, низкой надежностью и трудностями, возникающими при загрузке жидкого продукта в вакуумную камеру сублимационной сушилки [59,60, 64, 65, 67]. Исходя из вышесказанного, в данной работе была поставлена задача разработки конструкции вакуум-сублимационной сушилки периодического действия с использованием термоэлектрических элементов. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является вакуум-сублимационная установка поточно-циклического действия [63], содержащая вакуумную камеру, вакуум-насос, десублиматор, нагреватели, причем вакуумная камера состоит из герметично соединяющихся секций, представляющих собой обечайку, имеющую поперечную перегородку, выполненную из теплопроводного материала, разделяющую секцию на две полости, при этом полости секции соединяются посредством патрубка с запирающим клапаном, при помощи которого регулируется величина давления в каждой секции таким образом, что оно повышается с подсоединением каждой последующей секции. Вследствие разности температур насыщенных паров соседних секций через теплопроводящую перегородку происходит теп лообмен между поверхностью сублимации замороженного продукта и насыщенным паром. При этом на теплопроводящей перегородке происходит частичная конденсация (десублимация) пара, а с поверхности замороженного продукта - сублимация влаги. Недостатком устройства является сложность регулировки перепадов давления между секциями, неравномерность процесса сушки продукта и его высокая продолжительность. Технической задачей является снижение энергозатрат на процесс десуб-лимации, достижение равномерности процесса сушки и его интенсификация. Поставленная задача достигается тем, что в вакуум-сублимационной сушилке, содержащей вакуумную камеру, состоящую из герметично соединяющихся секций 1, снабженных патрубком 3 с запирающим клапаном 4, устанавливаемых с возможностью подключения к вакуум-насосу, секции выполнены с двойным дном 7, в котором установлены термоэлектрические модули, служащие одновременно в качестве нагревателей для вышестоящей секции и десублиматора - для нижней.
Похожие диссертации на Исследование процесса вакуум-сублимационной сушки пивных дрожжей с использованием термоэлектрических элементов
