Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки пищевого растительного сырья перегретым паром атмосферного давления 24
1.1. Комплексная оценка пищевого растительного сырья как объектов исследования 24
1.2. Теоретические предпосылки моделирования процесса сушки пищевого растительного сырья 40
1.3. Краткий обзор техники и технологии сушки пищевого растительного сырья 55
1.4. Перспективы применения перегретого пара атмосферного давления для сушки пищевого растительного сырья 69
1.5. Анализ литературного обзора, научная концепция, формулировка цели и основных задач исследований 72
ГЛАВА 2. Исследование пищевого растительного сырья как объекта сушки 76
2.1. Исследование форм связи влаги в пищевом растительном сырье методом дифференциально-термического анализа 76
2.2. Определение тепло физических характеристик некоторых видов пищевого растительного сырья 86
2.3. Исследование фрикционных свойств сырья растительного происхождения 89
ГЛАВА 3. Исследование процесса сушки пищевого растительного сырья в кипящем слое 96
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 96
3.2. Исследование гидродинамических закономерностей слоя продуктов растительного происхождения 102
3.3. Исследование усадки слоя при сушке пищевого растительного сырья 107
3.4. Исследование кинетики сушки пищевого растительного сырья 111
3.4.1. Исследование кинетики процесса сушки овощей перегретым паром атмосферного давления 111
3.4.2. Исследование кинетики процесса сушки культивируемых грибов перегретым паром атмосферного давления 114
3.4.3. Исследование кинетики процесса сушки топинамбура 118
3.4.4. Кинетические закономерности процесса сушки вареных круп перегретым паром 125
3.4.5. Исследование кинетики процесса сушки паровоздушной смесью белых кореньев пастернака, петрушки и сельдерея 128
3.4.6. Обобщенная модель образования пленки конденсата
на поверхности крупинки 132
3.5. Математическое моделирование процесса сушки пищевого растительного сырья перегретым паром и паровоздушной смесью 135
ГЛАВА 4. Разработка комбинированных режимов процесса сушки пищевого растительного сырья при переменном теп лоподводе 142
4.1. Рациональные технологические режимы процесса сушки культивируемых грибов 142
4.2. Рациональные технологические режимы процесса сушки топинамбура 149
4.3. Рациональные технологические режимы процесса сушки овощей 153
4.4. Разработка рациональных технологических режимов процесса сушки белых кореньев пастернака, петрушки и сельдерея при
переменном теплоподводе 161
4.5. Определение эфирного состава сушеных белых кореньев па
стернака, петрушки и сельдерея 167
4.6. Разработка методики инженерного расчета сушилки для культивируемых грибов 170
4.7. Разработка конструкций сушильных установок для сушки пищевого растительного сырья перегретым паром 174
4.7.1. Ленточная сушилка с активным гидродинамическим режимом 174
4.7.2. Роторная сушилка 178
ГЛАВА 5. Исследование гидродинамики и кинетики процесса сушки пищевого растительного сырья в плотном пересыпающемся слое 183
5.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 183
5.2. Исследование кинетики процесса сушки плодов шиповника и боярышника 188
5.3. Исследование движения перца в плотном пересыпающемся слое в сушилке с гибким транспортирующим органом 191
5.4. Распределение потока воздуха в аппарате с синусоидальным транспортирующим органом 194
5.5. Исследование кинетических закономерностей процесса сушки красного перца в плотном пересыпающемся слое 197
5.6. Основные закономерности тепло - и массообмена в процессе сушки красного стручкового перца 200
5.7. Численно-аналитическое решение трехмерной модели нестационарного теплопереноса в процессе сушки пищевого растительного сырья(в форме параллелепипеда) 205
5.8. Разработка и обоснование выбора комбинированных режимов сушки плодов боярышника и шиповника 213
5.9. Расчет и проектирование ленточной сушилки 221
5.10. Ленточная сушилка с «бегущей волной» 234
5.11. Каскадная сушилка с перфорированной лентой 240
ГЛАВА 6. Моделирование процесса влаготепловой обработки пищевого растительного сырья с осциллированной подачей потоков пара и воды 246
6.1 Основные закономерности тепло- и массообмена в процессе влаготепловой обработки пищевого растительного сырья с осциллированной подачей потоков пара и воды 246
6.1.1. Теплообмен в периоде прогрева процесса влаготепловой обработки овощей 246
6.1.2. Теплообмен в периоде постоянной и убывающей скоро сти сушки овощей 254
6.2. Аналитическое моделирование теплообмена при конвектив ной сушке частиц, имеющих форму тетраэдра 258
6.2.1. Теоретический анализ задачи распределения полей температур и влагосодержания в единичной частице 258
6.2.2. Решение задачи теплопереноса для треугольной призмы 261
6.2.3. Обсуждение результатов моделирования 267
6.2.4. Аналитическое решение задачи о влагосо держании 271
6.3. Разработка методики инженерного расчета аппарата для влаготепловой обработки овощей 275
6.4. Разработка конструкции сушилки для крупяных культур с циклическим вводом антиоксиданта 279
6.5. Сушильная установка с реверсивным движением перфорированной ленты 281
ГЛАВА 7. Стабилизация материальных и тепловых потоков в замкнутом цикле при производстве крупяных концентратов 286
7.1. Математическая модель стабилизации материальных и тепловых потоков в замкнутом цикле при производстве крупяных концентратов 286
7.2. Сопряжение тепловых и материальных потоков на основе уравнений материального и теплового баланса при производстве крупяных концентратов 296
7.3. Эксергетический анализ технологической линии производства варено-сушеных круп 305
7.4. Разработка комбинированного варочно-сушильного аппарата для производства крупяных концентратов 315
7.5. Комбинированная установка для производства варено сушеных круп 320
Основные выводы и результаты 326
Литература 341
- Краткий обзор техники и технологии сушки пищевого растительного сырья
- Определение тепло физических характеристик некоторых видов пищевого растительного сырья
- Исследование кинетики процесса сушки овощей перегретым паром атмосферного давления
- Рациональные технологические режимы процесса сушки овощей
Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время особое значение приобретает проблема создания условий высокоэффективного развития технической и технологической модернизации перерабатывающих отраслей промышленности АПК для обеспечения продовольственной безопасности страны. При этом структурная перестройка экономики и активизация инновационной и инвестиционной деятельности являются стратегическими факторами роста и играют фундаментальную роль в разработке прорывных технологий и оборудования. Реализация программ по переводу пищевой промышленности на наукоемкий тип технико-технологического развития опирается на эндогенные и экзогенные факторы развития научно-технического потенциала страны. В этой связи научная и инновационная деятельность по созданию энергоэффективных процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья является актуальной проблемой.
Здесь следует уделить внимание разработке сушильных установок и варочно-сушильных аппаратов нового поколения с комбинированными гидродинамическими режимами и переменным энергоподводом, а также использованию в качестве теплоносителя перегретого пара атмосферного давления, с помощью которого достигаются максимальные возможности рекуперации и утилизации отработанного теплоносителя. При этом повышается энергетический КПД теплотехнологических процессов, что обусловлено возможностью использования вторичного пара за счет применения рециркуляционных схем по материальным и тепловым потокам. Создание таких высокоэффективных аппаратов позволит изготовить поточно-механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходное производство высушиваемых продуктов и улучшение их качества.
Теоретические основы тепломассообмена в процессах сушки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, Б.С. Сажина, В.И. Муштаева, И.Т. Кретова, Б.И. Леончика, Ю.А. Михайлова, Ю.Т. Жука, А.Н. Остри-кова, СТ. Антипова, Т. Хиодо, Р. Тоеи, Т. Масазуку, Т. Сигеру и др.
Развитие теории, техники и технологии тепломассообменных процессов подготовило условия для научного подхода к разработке новых способов сушки и тепловлажностной обработки пищевого сырья при переменном тепло подводе; конструкций сушильных установок и вароч-но-сушильных аппаратов, обеспечивающих сбалансированное энергопотребление при наименьших потерях теплоты и электроэнергии.
Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-
технических программ Министерства науки и технологии РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-р.), «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления» программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2011-2015 гг. (№ гос. регистрации 01.130.2.12440), по государственному тематическому заданию (№ госрегистрации 2014/22) «Разработка энергосберегающих процессов сушки капиллярно-пористых коллоидных материалов при программированном теплоподводе».
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - развитие научно-практических основ энергосбережения в процессах сушки и теп-ловлажностной обработки пищевого растительного сырья при активных гидродинамических режимах и переменном теплоподводе за счет сбалансированности материальных и энергетических потоков в рециркуляционных термодинамических системах смежных теплотехнологических процессов; разработка рекомендаций по проектированию и внедрению в производство высокоэффективных сушилок и варочно-сушильных аппаратов, которые обеспечат минимизацию удельных теплоэнергетические потерь и повышение качества готового продукта.
Для достижения цели решались следующие основные задачи.
1. Исследование теплофизических и структурно-механических
свойств пищевого растительного сырья как объекта тепловой обработки.
-
Разработка научно-практических подходов к энергосбережению в процессах сушки и тепловлажностной обработки растительного сырья с возможностью оперативного поиска наилучшего варианта между качеством готового продукта и удельными энергетическими затратами.
-
Выполнение комплексных экспериментальных и теоретических исследований гидродинамических и кинетических закономерностей процессов сушки картофеля, свеклы, моркови, культивируемых грибов, топинамбура, белых кореньев пастернака, петрушки и сельдерея, крупяных культур перегретым паром атмосферного давления. Изучение влияния энергосберегающих режимов сушки на показатели качества высушенных продуктов.
-
Исследование основных гидродинамических и кинетических за-
кономерностей процесса сушки красного стручкового перца, плодов боярышника и шиповника в плотном пересыпающемся слое и определение рациональной области изменения технологических параметров. Разработка математической модели динамики движения, тепло- и массообмена при сушке исследуемых видов сырья в плотном пересыпающемся слое.
-
Решение нестационарной краевой задачи теплопроводности с переменными тепломассообменными коэффициентами высушиваемого продукта, граничными и начальными условиями, а также фазовым переходом с подвижной границей раздела фаз. Применение зонального метода решения трехмерного уравнения нестационарной теплопроводности с учетом внутренних источников теплоты в процессе сушки пищевого растительного сырья при переменном теплогодводе.
-
Разработка математической модели процесса сушки крупяных культур перегретым паром, в том числе частиц с треугольной симметрией в форме тетраэдра. Предложение метода аналитического решения задачи распределения температурных полей и полей влагосодержания в единичной частице и выполнение идентификации параметров модели по экспериментальным данным.
-
Разработка математической модели сбалансированности тепловых и материальных потоков для обеспечения максимально полного использования энергии перегретого пара в замкнутом термодинамическом цикле (мойка -варка - сушка - охлаждение) при производстве крупяных концентратов.
-
Разработка инженерных методов расчета предлагаемых перспективных конструкций сушилок и варочно-сушильных аппаратов для реализации процессов сушки и тепловлажностной обработки при переменном теплого дво де.
-
Выполнение эксергетического анализа и проведение промышленной апробации предлагаемых технических решений с их технико-экономической оценкой для широкомасштабного внедрения в производство пищеконцентратов.
Научная концепция. Разработка и научное обеспечение подходов и методов ресурсо- и энергосбережения в процессах сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе; создание высокоэффективных, экологически безопасных способов производства высушенных продуктов с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа гидродинамических и кинетических закономерностей, а также математического моделирования, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов, высокое качество высушиваемых продуктов.
Научные положения, выносимые на защиту:
- концептуальный подход к созданию ресурсо- и энергосберегаю-
щих способов производства высушенных продуктов растительного происхождения с максимально возможной утилизацией и рекуперацией вторичных энергоресурсов в замкнутых рециркуляционных схемах по материальным и энергетическим потокам;
- результаты экспериментальных исследований гидродинамиче
ских и кинетических закономерностей процессов сушки и тепловлаж-
ностной обработки в активных гидродинамических режимах при пере
менном тепло подводе;
результаты моделирования исследуемых процессов и их использование при проектировании высокоэффективных сушилок и варочно-сушильных аппаратов;
инженерные методы расчета рациональных режимов процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при активных гидродинамических режимах и переменном теплоподводе, способствующих снижению удельных энергетических затрат, увеличению производительности и повышению качества высушенной продукции.
Научная новизна. Разработан концептуальный подход в создании энергоэффективных способов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья на основе развития принципов энергосбережения по утилизации и рекуперации вторичных ресурсов, направленных на рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, охрану окружающей среды, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций сушилок и варочно-сушильных аппаратов.
Выявлены закономерности кинетики сушки картофеля, свеклы, моркови, культивируемых грибов, топинамбура, белых кореньев пастернака, петрушки и сельдерея, крупяных культур перегретым паром при переменном теплоподводе; получены уравнения кинетики сушки в кипящем слое; изучена нестационарность полей температуры и влагосодержания частиц продукта; определены численные значения и диапазон изменения основных кинетических характеристик.
Предложено численно-аналитическое решение нестационарной краевой задачи теплопроводности с переменными тепломассообменны-ми коэффициентами высушиваемого продукта, граничными и начальными условиями, а также фазовым переходом с подвижной границей раздела фаз.
Разработана математическая модель процесса сушки крупяных культур перегретым паром, в том числе частиц с треугольной симметрией в форме тетраэдра. Предложен метод аналитического решения задачи распределения температурных полей и полей влагосодержания в единичном зерне гречихи.
Разработана математическая модель стабилизации материальных и тепловых потоков при производстве варено-сушеных круп. Сбалансированное распределение тепловых и материальных потоков позволило добиться максимально полного использования энергии перегретого пара в замкнутом цикле (мойка - варка - сушка) при производстве крупяных концентратов.
Составлен программно-логический алгоритм управления технологическими параметрами процесса производства варено-сушеных круп с использованием тепло насосных технологий и микропроцессорной техники.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 20 патентами РФ и 2 свидетельствами РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, а также анализ работы сушильных установок и варочно-сушильных аппаратов с использованием в качестве теплоносителя перегретого пара позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных способов сушки (пат. РФ № 2150642, 2246841, 2252564, 2252565, 2254001) с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ № 2156420, 2244230, 2418249, 2511807, 2520752). Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанных аппаратах и способах производства варено-сушеных круп (пат. РФ № 2169490, 2181015, 2182805, 2329102). Расширены возможности теплонасосных технологий в производстве пищеконцентратов (пат. РФ № 2455871, 2511293, 2495122).
Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процесса сушки и тепловлажностной обработки картофеля, свеклы, моркови, культивируемых грибов, топинамбура, белых кореньев пастернака, петрушки и сельдерея, крупяных культур перегретым паром атмосферного давления при активных гидродинамических режимах и переменном теплоподводе.
Определены рациональные режимы сушки красного стручкового перца, плодов боярьппника и шиповника в плотном пересыпающемся слое исследуемых видов сырья: температура воздуха 353...373 К; скорость воздуха 0,7...2,0 м/с; амплитуда волны транспортирующей ленты 75...200 мм, угол наклона ленты на переднем гребне волны 12...39; удельная нагрузка на ленту 2,7...3,1 кг/м2. Установлен характер изменения пропускной способности сушилки от ее конструктивных параметров.
Созданы методики инженерного расчета предлагаемых перспективных конструкций сушилок и варочно-сушильных аппаратов для реализа-
ции процессов сушки и тепловлажностной обработки растительного сырья при сбалансированных материальных и энергетических потоках в замкнутых термодинамических циклах по отработанному перегретому пару.
Разработаны программы для ЭВМ (свид. Роспатента о гос. регистрации № 2010613333 и 2011618172) и программно-логические алгоритмы функционирования систем оптимального управления процессами сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья перегретым паром (пат. РФ № 2303213, 2425304), позволяющие эффективно использовать отработанный перегретый пар и обеспечить снижение удельных энергозатрат на 10...15 %.
Выполнен эксергетический анализ процесса тепловлажностной обработки крупяных культур перегретым паром, свидетельствующий о термодинамическом совершенстве предлагаемых способов производства варено-сушеных круп.
Научная новизна предложенных технических решений отражена в 20 патентах РФ на изобретения. Проданы лицензии (договоры № РД 0099208 от 17.05.2012 г., № РД 0163361 от 09.12.2014 г., № РД 0171728 от 20.04.2015 г.) на право использования интеллектуальной собственности предприятиями ООО «Проектно-технологический институт экологии, промышленной безопасности и строительства» и ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт комбикормовой промышленности», ООО «СуперАгро» по патентам на изобретения РФ № 2418249, 2511293, 2520752. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых технических решений составит 10,61 млн. р.
Достоверность научных разработок подтверждена промышленными испытаниями предлагаемых способов сушки пищевого растительного сырья в СПК «Воронежский тепличный комбинат» и в ООО «Супе-рАгро», а также актом внедрения сушильной установки по патенту РФ № 2520752 в рамках реализации программы Союзного государства России и Республики Беларусь «Разработка перспективных ресурсосберегающих, экологически чистых технологий и оборудования для производства биологически полноценных комбикормов» на 2011-2013 годы (ОАО «ВНИИКП»).
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Уфа, 2003); (Казань, 2004); (Орел, 2004); (Углич, 2004); (Новосибирск, 2004); (Саратов, 2008); (Воронеж, 2013 - 2015); (Барнаул, 2014); (Алматы, 2014); (Краснодар, 2014); (Москва, 2014) и на отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2002 - 2014).
Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских выставках «Центрагромаш» (Воронеж, 2003, 2006, 2012), «Кадры и инновации для пищевой и химической промышленности» (Воронеж, 2005), «Продторг» (Воронеж, 2003, 2007, 2011), на конкурсе инновационных проектов «Воронежский промышленный форум» (Воронеж, 2009,2014), по итогам которых работа награждена дипломами и медалями.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 2 монографии, 26 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 20 патентов РФ и 2 свидетельства Роспатента о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 354 страницах машинописного текста, содержит 187 рисунков и 52 таблицы. Список литературы включает 221 наименование, в том числе 33 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 133 страницах.
Краткий обзор техники и технологии сушки пищевого растительного сырья
Многостадийность современных технологических процессов накладывает на сушку большие требования в части поддержания необходимой кондиции получаемого продукта, производительности сушилок и возможности их работы в комплексе с другими агрегатами схемы. В этих условиях целесообразность применения метода сушки определяется технико-экономическими показателями как собственно сушки, так и технологического процесса в целом. Поэтому актуальной проблемой сушильной техники является разработка методов и оборудования, позволяющих обеспечить высокопроизводительную, экономичную, непрерывную и качественную сушку материала. Сушка влажных материалов перегретым водяным паром позволяет в ряде случаев существенно изменить и интенсифицировать не только сушку, но и технологический процесс в целом.
В условиях экономических санкций со стороны ЕС и США особое значение приобретает консолидация и скоординированность усилий правительства РФ в создании условий высокоэффективного развития технической и технологической модернизации перерабатывающих отраслей промышленности АПК для обеспечения продовольственной безопасности страны. При этом структурная перестройка экономики и активизация инновационной и инвестиционной деятельности являются стратегическими факторами роста и играют фундаментальную роль в разработке прорывных технологий и оборудования. Реализация программ по переводу пищевой промышленности на наукоемкий тип технико-технологического развития опирается на эндогенные и экзогенные факторы развития научно-технического потенциала страны. В этой связи научная и инновационная деятельность по созданию энергоэффективных процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья является актуальной проблемой.
Научная работа проводилась в рамках Федеральных целевых научно-технических программ Министерства науки и технологии РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-р.), «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления» программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2011-2015 гг. (№ гос. регистрации 01.130.2.12440).
Степень разработанности темы. Совершенствованию процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья уделяется большое внимание, так как они достаточно энергоемки, а, следовательно, в значительной степени определяет стоимость готового продукта и, кроме того, оказывает существенное влияние на качественные показатели товарной продукции.
Как отмечается в ряде основополагающих трудов в области тепломассообмена и сушки распространенным приемом повышения эффективности сушилок считается повышение исходной температуры сушильного агента.
Несмотря на научные достижения в области сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья перегретым паром необходимо решить ряд важнейших задач по сбалансированности тепловых и материальных потоков, обеспечивающих максимально полное использование энергии перегретого пара; разработать математические модели и использовать их в решении задач энергосбережения с учетом специфики каждого продукта.
Здесь следует уделить внимание разработке сушильных установок и варочно-сушильных аппаратов нового поколения с комбинированными гидродинамическими режимами и переменным энергоподводом, а также использованию в качестве теплоносителя перегретого пара атмосферного давления, с помощью которого достигаются максимальные возможности рекуперации и утилизации отработанного теплоносителя. При этом повышается энергетический КПД процесса, что обусловлено возможностью использования вторичного пара за счет применения рециркуляционных схем по материальным и тепловым потокам. Создание таких высокоэффективных установок, обеспечивающих полную автоматизацию и механизацию технологических процессов, позволит изготовить поточно-механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходное производство высушиваемых продуктов и улучшение их качества.
Развитие теории, техники и технологии тепломассообменных процессов подготовило условия для научного подхода к разработке новых способов сушки и тепловлажностной обработки, а также рациональных конструкций сушильных установок и варочно-сушильных аппаратов, обеспечивающих сбалансированное энергопотребление при наименьших потерях теплоты и электроэнергии. Поэтому разработка и использование универсальных подходов для анализа и поиска решений по повышению эффективности процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при комбинированых-гидродинамических режимах и переменном теплоподводе является актуальной проблемой.
Интерес представляют научные работы, направленные либо на разработку и внедрение рациональных конструкций сушилок и варочно-сушильных аппаратов, позволяющих реализовывать на практике нестационарные режимы, либо разработку рекомендаций по модернизации действующего оборудования для увеличения производительности и термического коэффициента полезного действия.
Решение задач экономии энергии и повышения эффективности перерабатывающих предприятий АПК при производстве сухих продуктов, в частности, выбор рациональных способов и режимов обезвоживания, типа и конструктивных особенностей сушилок и варочно-сушильных аппаратов, обеспечивающих соответствующие технико-экономические показатели, актуально и требует научного подхода с учетом специфики технологии, свойств сырья и требований к конечной продукции.
В работе рассмотрены идеи и практическая реализация энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе.
Полное исследование энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе в настоящее время отсутствует. Поэтому комплексное технологическое исследование этих процессов является актуальной проблемой.
Известные отечественные и зарубежные труды в области исследования энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе отражают, главным образом, решение узкоспециализированных технологических задач. Существуют различные подходы к описанию энергосберегающих процессов сушки и тепловлажностной обработки пищевого растительного сырья при переменном теплоподводе, а также попытки теоретически обобщить разнообразные экспериментальные данные, но, несмотря на это, в настоящее время не существует математических моделей исследуемых процессов, которые учитывали бы всю совокупность рассматриваемых явлений.
Определение тепло физических характеристик некоторых видов пищевого растительного сырья
Отметим ограниченность применения известных эмпирических уравнений кривых сушки для слоя продукта, когда имеет место период прогрева, сопровождающийся конденсацией влаги из теплоносителя. В этом случае коэффициент сушки нельзя принять постоянным, а распространение уравнения А.В. Лыкова, полученного для второго периода, на весь процесс сушки приводит к существенным ошибкам.
В. В. Красниковым выявлена возможность обобщения экспериментальных кривых сушки, полученных при различных режимах, в виде одной кривой. Однако, по мнению А. С. Гинзбурга [35], обобщение кривых сушки в одну кривую не вскрывает механизма процесса и не учитывает влияние режима на протекание процесса, что необходимо для обоснования оптимального режима сушки.
Авторами [177] разработана математическая модель процесса сушки зерна в гравитационном слое при следующих допущениях: не учитывались температурные градиенты, термодиффузия, распределенность источников теплоты в единичном зерне; пренебрегал ось потоками теплоты в зерновом слое за счет теплопроводности в сравнении с конвективными потоками; не учитывалась усадка и градиент давления; распределение полей температур и влагосодержании рассматривалось в цилиндрической системе координат; единичное зерно представлялось в форме цилиндра.
Для зерна сферической формы получено численно-аналитическое решение системы уравнений А.В. Лыкова для нестационарного процесса сушки методом разложения в модифицированные ряды Фурье при следующих упрощающих допущениях: градиент давления равен нулю; коэффициенты теплопроводности, диффузии влаги, относительный коэффициент термодиффузии усреднены и принимали постоянные значения; единичное зерно представлялось в форме шара с радиусом R . В этом случае система уравнений А.В. Лыкова представлена уравнениями в сферической системе координат: где в - температура тела, К, #0- начальная температура тела, К, вс- температура среды, К; и - влагосодержание исследуемого тела, и , щ - соответственно равновесное и начальное влагосодержание исследуемого тела, (кг влаги/кг сух. вещ.); є - критерий фазового превращения, величина безразмерная, характеризующая долю влаги, перемещающейся в виде пара; г0 - удельная теп лота парообразования, кДж/кг; ат - коэффициент диффузии влаги, м /с; 8 -термоградиентный коэффициент, 1/К; а - коэффициент теплообмена, Вт / (м2 К); (5- коэффициент массоотдачи, м/с.
После замены переменных г - пространственная координата, отнесённая к эквивалентному радиусу шара; Т = (9-90)/(9с-90) - безразмерная температура тела, отнесённая к температуре среды вс; 17 = и/и0 - безразмерное влагосодержание тела, отнесённое к начальному влагосодержанию и0, получили безразмерную форму этих уравнений: где комплексы критериев определяются уравнениями: Аи =l+"KoLuPn, Ап =KoLu, А21 = LuPn, А22 =Lu, ах= Bi , а2=(\- KoLuBi , bx = PnBi , b2=Bim(\-(\-sJPnKoLu), а используемые критерии имеют вид: Ко = г 0 u0lcq(6c -0О) - Коссовича; Lu = ат/а - Лыкова; Рп = 8(вс- в0)/и0 Поснова; o=at/R2 - число Фурье; теплообменный и массообменный критерии Био соответственно Bi? = aR/A, Віот = PR/am.
Для решения задачи (1.49)-(1.52) использован метод разложения неизвестных функций по модифицированным рядам Фурье. Подобные ряды Фурье обладают свойством повышенной сходимости и допускают возможность почленного дифференцирования. где C\, c2, сж, cn - удельные теплоемкости сухого материала, сухого газа, жидкости и пара, Дж/(кг К); Wi(i), w2{x) - текущие значения влагосодержаний материала, кг/кг; Гі(т), Т2(т) - температуры материала и теплоносителя в слое, К; W\p - равновесное влагосодержание материала, кг/кг; М\ и М2 - массы материала и газа, кг; G\ и G2 - массовые расходы материала и газа, кг/с; к - интенсив-ность сушки, кг/(м с); а2\ - коэффициент теплообмена между материалом и газом, Вт/(м -К); г - удельная теплота парообразования, Дж/кг. Используя асимптотическое разложение задачи Коїли для подсистемы температурных уравнений (.54) и метод пограничных функций получено решение в следующем виде:
Исследование кинетики процесса сушки овощей перегретым паром атмосферного давления
Теплофизические характеристики исследуемых продуктов являются функциями состояния и свойств вещества, зависящие от многих факторов, к которым следует отнести химический состав и структуру. Для правильной организации процесса сушки важно знать характер изменения теплофизических характеристик продуктов.
При определении теплофизических характеристик использован метод нестационарного теплового режима, основанный на решении задачи теплопроводности для начальной стадии процесса, а именно метод двух температурно-временных точек, разработанный B.C. Волькенштейн [143,167,184].
Исследование зависимостей теплофизических характеристик исследуемых видов продуктов определяли на измерительном устройстве для получения реологических и теплофизических характеристик вязкоупругих жидкостей марки Coesfeld RT-1394Н (фирмы National Instruments).
Полученные опытные данные были обработаны на ЭВМ в среде статистического пакета «Statistica-5,0», в результате были получены уравнения (2.1-2.26), описывающие теплофизические свойства топинамбура для интервала температур (263...333 К):
Значения теплофизических характеристик исследуемых плодов шиповника и боярышника для диапазона температур 293-353 К приведены в табл. 2.3.
Полученные опытные данные были обработаны на ЭВМ в среде «Microsoft Excel», в результате были получены уравнения (2.1-2.14), описывающие теплофизические свойства исследуемых видов пищевого растительного сырья, с величиной достоверности аппроксимации R = 0,9892...0,999: для интервала температур 293-353 К:
Из анализа данных видно, что с повышением температуры удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности исследуемых образцов растительного сырья увеличиваются.
На примере плодов шиповника и боярышника получены значения этих коэффициентов от температуры и влажности (табл. 2.3.-2.4.) Таблица 2.3 Теплофизические характеристики плодов шиповника и боярышника
Полученные зависимости коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости пищевого растительного сырья необходимы для физико-математического моделирования процесса сушки при переменном теп-лоподводе.
Исследование фрикционных свойств некоторых видов пищевого растительного сырья При сушке пищевых продуктов в плотном пересыпающемся слое основными структурно-механическим характеристикам являются адгезионные и фрикционные свойства, которые проявляются на границе раздела между продуктом и твердой поверхностью конструкционного материала и характеризуют усилие взаимодействия при их взаимном сдвиге.
К фрикционным свойствам относят, в первую очередь, внешнее трение, т. е. сопротивление относительному перемещению двух находящихся в соприкосновении поверхностей твердого тела, которое зависит от липкости и ряда других факторов. Трение может быть статическим - до начала смещения - и динамиче ским - при движении продукта по поверхности материала [184].
Коэффициенты внутреннего и внешнего трения являются одними из важнейших характеристик, определяющих физико-механические свойства сыпучих продуктов. Знание коэффициентов внутреннего и внешнего трения сыпучих продуктов позволяет организовать гидродинамический режим, обеспечивающий равномерное перемешивание и минимальное истирание продукта, и интенсифицировать процесс сушки.
В основе классификации методов определения коэффициента трения лежат геометрический и кинематический принципы взаимодействия пищевого продукта и фрикционной поверхности.
Для вывода основных расчетных соотношений рассмотрим следующую задачу. Допустим, на некоторой площадке, наклоненной под углом а к горизонту, покоится тело Мс силой тяжести Р (рис. 2.14).
Разложим силу Р на две составляющие: Рп, перпендикулярную к площадке, и Pt, параллельную ей. Составляющая Pt будет стремиться сдвинуть тело М вниз по наклонной площадке, а составляющая Рп будет прижимать тело М, вызывая противоположные движению силы трения F, которые будут пропорциональны давлению.
Назовем угол а, составляемый полным давлением с нормалью к данной площадке, т. е. угол, на который отклоняется полное давление, определяемый соотношением tga = Pt /Р„, углом отклонения. Далее будем увеличивать угол наклона площадки, на которой покоится тело.
Тогда при некоторой величине угла наклона Рис. 2.14. Схема сил, действующих на твердое тело при площадки (назовем его ат(Ц) силы трения будут скольжении его по наклонной плоскости превзойдены, и начнется скольжение тела по наклонной площадке.
Составим уравнение равновесия всех сил, действующих на тело М, для положения площадки, весьма близкого к началу его движения. Проектируя все силы на направление площадки, имеем: т.е. коэффициент трения равен тангенсу максимального угла наклона площадки в момент начала скольжения. Назовем этот угол углом трения ср. Таким образом, имеем / «tgamax =tg p.
Схема установки для определения коэффициента внешнего трения: 1 - поворотный стол; 2 - прижимная планка; 3 - рабочая пластина; 4 - исследуемый продукт; 5 - рычажный механизм; 6 - винт; 7 - угломер; 8 - опорная рама; 9 - плита; 10 - установочный винт
Установка для определения коэффициента внешнего трения пищевых продуктов (рис. 2.15) состоит из поворотного стола 1, на котором с помощью прижимных планок 2 крепится рабочая пластина 3, изготовленная из исследуемого фрикционного материала. На пластине располагают исследуемый пищевой продукт 4. Поворотный стол 1 имеет возможность поворачиваться относительно горизонтальной плоскости на некоторый угол посредством рычажного механизма 5 и винта 6, снабженного штурвалом. Угол подъема поворотного стола 1 определяют по угломеру 7. Элементы установки смонтированы на опорной раме 8 и плите 9.
В качестве объекта исследования использовали топинамбур «Скороспелка». Для проведения эксперимента формируют партии из 8... 10 образцов. Пластинки топинамбура имели ровную поверхность, одинаковую геометрическую форму и массу, не допускалось наличие трещин на поверхности продукта. Перед началом эксперимента установку устанавливают по уровню. Для этого плоский уровень устанавливают на плиту 9 (рис. 2.15) параллельно каждой паре установочных винтов 10; регулировку производят этими винтами. Вращая штурвал винта 6, переводят поворотный стол 1 в горизонтальное положение.
На поверхности поворотного стола 1 располагают рабочую пластину 3, которую затем закрепляют прижимными планками 2. На рабочую пластину 3 укладывают первый образец исследуемого пищевого продукта 4, отобранного из общей партии. Медленно вращая штурвал винта 6, посредством рычажного механизма 5, осуществляют подъем поворотного стола 1. В момент начала скольжения пищевого продукта 4 по поверхности рабочей пластины 3 подъем поворотного стола 1 прекращают.
Рациональные технологические режимы процесса сушки овощей
Кинетические закономерности процесса сушки топинамбура перегретым паром атмосферного давления были использованы при разработке рационального переменного режима: температура теплоносителя в процессе сушки в течение первых 270 с составляет - 408 К, затем в течение 960 с - 413 К и, наконец, в течение 480 с - 418 К, а скорость теплоносителя при сушке в плотном слое в течение первых 1230 с составляет 2,8 м/с, затем в течение 480 с -1,85 м/с; а при сушке в псевдоожиженном слое в течение первых 1230 с - 10,1 м/с, затем в течение 480 с - 8,0 м/с (рис. 4.9).
Выполнена комплексная оценка показателей качества топинамбура, высушенного по предлагаемому режиму. Содержание сухих веществ в топинамбуре составляет 25...30 %, среди них особенно много веществ углеводного комплекса (до 15 %). В состав протеина входят все незаменимые аминокислоты. В отличие от других овощей в топинамбуре повышенное содержание белка (до 3,2 % на сухое вещество) и накапливается до 16... 18 % инсулина-полисахарида, легко усваиваемого организмом. Гидролиз этого полисахарида приводит к безвредному для диабетиков сахару - фруктозе [3, 39]. Поэтому потребление топинамбура положительно влияет на обмен веществ при заболевании сахарным диабетом.
Клубни содержат мало клетчатки (около 4 %) и богатый набор микроэлементов. Особенно много в них калия (4,1 г) и кремния (содержание этого элемента в клубнях в пересчете на сухое вещество достигает 8 %). Потребительские свойства топинамбура формируются в процессе сушки. Новые физические, вкусовые и ароматические свойства топинамбура, образующиеся при сушке, обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате биохимических реакций [35, 38, 74, 75].
Кинетические зависимости процесса сушки кубиков топинамбура при рациональных режимных параметрах: а - диаграмма изменения скорости v„ и температуры Г теплоносителя во времени, б - кривая сушки U =/(т) (1) и кривая скорости сушки Исследование показателей качества топинамбура проводили в соответствии с ТУ 9164-001-17912573-2001 «Порошок из клубней топинамбура» [46]. Он был исследован по органолептическим, физико-химическим и химическим показателям, а также по показателям минеральных веществ и аминокислот.
Определение указанных показателей позволяет выявить структурные изменения в топинамбуре, происходящие в процессе его сушки и оценить качество полученного продукта.
Изучение аминокислотного состава в топинамбуре проводили на аминокислотном анализаторе «Т 339» методом ионообменной хроматографии на онитах. Органолептические и физико-химические показатели топинамбура, приготовленного по заводской (сушка воздухом с температурой 333...363 К в течение 4,0... 6,0 ч) и предлагаемой технологиям, приведены в табл. 4.3.
Представленные данные свидетельствуют о том, что топинамбур, высушенный по предлагаемой технологии по внешнему виду, консистенции, запаху, вкусу, цвету соответствуют требованиям ТУ 9164-001-17912573-2001.
Определение токсичных элементов не выявило превышения допустимых уровней их содержания в топинамбуре: свинец - не более 0,5 мг/кг, мышьяка -не более 0,2 мг/кг, кадмий - не более 0,03 мг/кг; ртуть не более 0,02 мг/кг, медь -не более 5,0 мг/кг, цинк - не более 250 мг/кг. Результаты исследований показали, что высушенный топинамбур соответствует требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01 п. 6.6.1 «Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов» [10, 73].
Спирто - и водорастворимые углеводы клубней топинамбура большей частью представлены фруктозанами, наиболее ценный из них - инулин. Инулина в сыром топинамбуре «Скороспелка» около 60 % [1, 10, 17]. Установлена зависимость содержания этого незаменимого полисахарида от температуры (рис. 4.12). Таким образом, установлено, что
Изменение содержания топинамбур «Скороспелка», высушенный по инулина И, % в высушенном топинамбуре при разных температурах предлагаемой технологии, обладает хоро теплоносителя Г, С г шими потребительскими свойствами и имеет высокую пищевую ценность. Рациональные технологические режимы процесса сушки овощей Кинетические закономерности процесса сушки овощей перегретым паром атмосферного давления были использованы при разработке следующих рациональных переменных режимов: - для картофеля (рис. 4.13); температура перегретого пара в течение 15 мин составляла 418 К, с 15 мин и до конца сушки - 423 К; скорость перегретого пара при сушке в плотном слое составляла в течение первых 18 мин 2,1 м/с, с 18 мин по 28 мин - 1,3 м/с и с 28 мин до конца процесса сушки - 0,8 м/с; частота пульсаций потока пара составляла в течение первых 10 мин 0,0167 Гц (1 пульсация в минуту), а с 10 мин и до конца процесса сушки -0,0083 Гц (1 пульсация в 2 минуты), продолжительность пульсаций составляла 2,5...3,5 с; скорость перегретого пара при сушке в импульсном псевдоожиженном слое составляла в течение первых 18 мин 8,0 м/с, с 19 мин по 28 мин - 6,7 м/с и с 29 мин до конца процесса сушки - 5,3 м/с; - для моркови (рис. 4.14); температура перегретого пара в течение первых 10 мин составляла 413 К, с 10 мин по 18 мин 418 К, с 18 мин и до конца сушки - 423 К; скорость перегретого пара при сушке в плотном слое составляла в течение первых 12 мин 2,1 м/с, с 12 мин по 22 мин - 1,3 м/с и с 22 мин и до конца процесса сушки - 0,8 м/с; частота пульсаций потока пара составляла в течение всего процесса сушки - 0,0083 Гц (1 пульсация в 2 минуты), продолжительность пульсаций составляла 2,5...3,5 с; скорость перегретого пара при сушке в импульсном псевдоожиженном слое составляла в течение первых 10 мин 6,7 м/с, с 10 мин по 22 мин - 5,6 м/с, с 22 мин по 28 мин - 5,4 м/с, с 28 мин и до конца процесса сушки - 3,7 м/с; - для свеклы (рис. 4.15); температура перегретого пара в течение первых 15 мин составляла 418 К, с 15 мин и до конца сушки - 423 К; скорость перегретого пара при сушке в плотном слое составляла в течение первых 16 мин 2,1 м/с, с 16 мин по 32 мин - 1,3 м/с и с 32 мин и до конца процесса сушки - 0,8 м/с; частота пульсаций потока пара составляла в течение всего процесса сушки - 0,0083 Гц (1 пульсация в 2 минуты), продолжительность пульсаций составляла 2,5...3,5 с; скорость перегретого пара при сушке в импульсном псевдоожиженном слое составляла в течение первых 16 мин 8,0 м/с, с 16 мин по 32 мин - 6,7 м/с, с 32 мин по 38 мин - 5,3 м/с, с 38 мин и до конца процесса сушки - 3,7 м/с. ,л
Исследование показателей качества столовой моркови производили в соответствие с ГОСТ 7588-71 «Морковь столовая сушеная». Она была исследована по органолептическим и физико-химическим показателям. Определение указанных показателей позволяет выявить структурные изменения в моркови, происходящие в процессе ее тепловлажностной обработки, и оценить качество полученного продукта. Органолептические и физико-химические показатели, микробиологические показатели моркови, приготовленной по заводской и предлагаемой технологии (паром в импульсном псевдоожиженном слое), приведены в табл. 4.9, 4.10 и 4.11.