Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние теории, техники и технологии тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром 24
1.1. Общие сведения о применении перегретого пара в технологических процессах 24
1.2. Теплообмен в процессах сушки круп и овощей перегретым паром 28
1.3. Теоретические зависимости процесса сушки перегретым паром 35
1.4. Краткий обзор техники, технологии и процессов тепловой обработки пищевых продуктов 40
1.5. Научные и практические аспекты применения метода сброса давления 56
1.6. Обзор техники и технологии обжаривания кофе 60
1.7. Анализ основных закономерностей процесса обжарки кофе 68
1.8. Системный анализ при разработке процессов сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром 69
1.9. Анализ литературного обзора и задачи исследования 73
ГЛАВА 2. Теоретические и экспериментальные исследования свойств пищевого растительного сырья как объектов обработки перегретым паром 75
2.1. Основные характеристики пищевого растительного сырья как объектов обработки перегретым паром 75
2.2. Теоретические и экспериментальные исследования форм связи влаги пищевого растительного сырья 76
2.3. Теоретические и экспериментальные исследования физико-механических характеристик пищевого растительного сырья 87
2.3.1. Экспериментальная установка и методика определения коэффициентов внешнего и внутреннего трения жома 87
2.3.2. Зависимость коэффициентов внешнего и внутреннего трения от нормальной нагрузки и влажности жома 92
2.4. Теоретические и экспериментальные исследования тепло-физических характеристик пищевого растительного сырья... 96
2.5. Классификация пищевого растительного сырья как объектов обработки перегретым паром 99
ГЛАВА 3 Научное обеспечение процесса сушки свекловичного жома перегретым паром в кипящем и виброкипящем слое 102
3.1 Гидродинамические закономерности кипящего и виброкипящего слоя свекловичного жома при сушке перегретым паром 102
3.1.1. Экспериментальная установка и гидродинамические закономерности виброкипящего слоя свекловичного жома .. 102
3.1.2. Опытно-промышленная установка для сушки жома перегретым паром в кипящем слое 110
3.2. Кинетические закономерности процесса сушки перегретым паром свекловичного жома в кипящем и виброкипящем слое 114
3.2.1. Кинетика процесса сушки жома в кипящем и виброкипящем слое 114
3.2.2. Теплообмен в процессе сушки жома перегретым паром в виброкипящем слое 122
3.3. Кинетические закономерности процесса сушки жома в кипящем слое 125
3.3.1. Теплообмен при сушке жома в кипящем слое перегретым паром 127
3.3.2. Распределение температуры при углублении фронта фазового перехода при сушке жома 127
3.4. Математическое моделирование процесса сушки свекловичного жома перегретым паром в кипящем слое 133
3.5. Исследование показателей качества сушеного свекловичного жома 140
ГЛАВА 4 Научное обеспечение процесса сушки картофеля и овощей перегретым паром 142
4.1. Характеристика процесса сушки картофеля и овощей перегретым паром 142
4.2. Гидродинамика кипящего слоя картофеля и овощей в процессе сушки перегретым паром 143
4.3. Кинетические закономерности процесса сушки овощей перегретым паром 149
4.4. Основные закономерности тепло- и массообмена процесса сушки овощей перегретым паром 155
4.4.1. Описание периода прогрева овощей при сушке перегретым паром 155
4.4.2. Теплообмен в процессе сушки овощей перегретым паром... 159
4.5. Рациональные режимы и удельные энергозатраты
процесса сушки овощей перегретым паром 161
4.6. Качественные показатели картофеля, моркови и свеклы в процессе сушки перегретым паром 163
ГЛАВА 5. Научное обеспечение процесса сушки круп перегретым паром в стационарном слое 168
5.1. Экспериментальная установка для сушки круп в стационарном слое 168
5.2. Гидродинамические закономерности стационарного слоя круп 170
5.3. Кинетические закономерности процесса сушки круп перегретым паром в стационарном слое 173
5.4. Теплообмен в процессе сушки круп в стационарном слое... 180
5.5. Обобщенная модель образования пленки конденсата на поверхности крупинки 183
5.6. Математическая модель процесса сушки круп в стационарном слое перегретым паром 187
5.7. Анализ качественных показателей круп, высушенных перегретым паром в стационарном слое 189
ГЛАВА 6. Экспериментальное исследование процесса получения взорванных зерен и его научное обеспечение 196
6.1. Опытная модель аппарата для получения взорванных зерен 196
6.2. Гидродинамические закономерности процесса получения взорванных зерен 199
6.3. Кинетические закономерности процесса получения взорванных зерен 203
6.4. Теплообмен в процессе сброса давления 213
6.5. Определение продолжительности сброса давления 214
6.6.Качественные показатели взорванных зерен 219
ГЛАВА 7. Исследование процесса обжарки зерен кофе перегретым паром атмосферного давления 224
7.1. Математическое моделирование процесса обжарки зерен кофе перегретым паром 224
7.1.1. Постановка задачи 224
7.1.2. Математическая модель процесса обжарки зерен кофе перегретым паром 228
7.1.3. Конечно-разностная схема реализации модели обжарки зерен кофе 231
7.1.4. Результаты моделирования процесса обжарки зерен кофе на ЭВМ 234
7.2. Исследование зерен кофе методом дифференциально-термического анализа 237
7.3. Исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя зерен кофе при обжарке перегретым паром 242
7.4. Исследование кинетики процесса обжарки кофе 245
7.5. Исследование качественных показателей жареного кофе... 250
ГЛАВА 8. Разработка конструкций аппаратов для тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром 253
8.1. Методика расчета процессов тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром 253
8.2. Разработка конструкций установок для сушки пищевого растительного сырья 257
8.3. Разработка комбинированных варочно-сушильных аппаратов 264
8.4. Разработка аппаратов для получения взорванных продуктов 272
8.5. Разработка конструкции установки для обжаривания
8.6. Разработка способов автоматического управления процессами тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром 280
Основные выводы и результаты 293
Список использованной литература
- Теплообмен в процессах сушки круп и овощей перегретым паром
- Теоретические и экспериментальные исследования форм связи влаги пищевого растительного сырья
- Экспериментальная установка и гидродинамические закономерности виброкипящего слоя свекловичного жома
- Основные закономерности тепло- и массообмена процесса сушки овощей перегретым паром
Введение к работе
Основными задачами, стоящими перед пищевой промышленностью, являются: обеспечение снабжения населения качественными продуктами питания, организация выпуска новых видов продуктов, создание современных и высокоэффективных видов технологического оборудования, которые на основе использования прогрессивных технологий значительно повышают объем выпуска готовой продукции, способствуют экономии топливно-энергетических и материальных ресурсов [146].
Удовлетворение потребителей безопасными и высокоэффективными продуктами питания - важнейшая социально-экономическая проблема.
В период с 1990 по 2003 годы темп роста выпуска пищевых концентратов в России составил: 1990 год - 66,8 %, 1995 год - 14,7 %, 2000 год - 32,5 %, 2003 год - 36,3 %. Уровень среднедушевого потребления всех видов пищевых концентратов в 1990 году составил 3,37 кг, в 1995 году - 2,8 кг, в 2000 году - 3,7 кг, в 2003 году — 3,9 кг. Однако потребление пищевых концентратов в России значительно отстает от уровня потребления в развитых странах [28, 33, 63, 118, 157].
Перерабатывающая промышленность России, которая должна обеспечить устойчивое снабжение населения, в последние годы находится в сложном положении. Технический уровень многих пищевых предприятий не удовлетворяет современным требованиям. Только 19 % активной части производственных фондов соответствуют мировому уровню, 25 % подлежат модернизации и 42 % полной замене, степень износа основных фондов составляет 76 %. Сократился ассортимент выпускаемой продукции. Недостаток ресурсов компенсируется ввозом импортной продукции [61,146].
Пищевые концентраты приобретают большое значение в питании населения. Большая концентрация сухих веществ, быстрая растворимость, хорошая сохраняемость позволяют в течение года обеспечивать ими население отдаленных районов России, сложные природные условия которых не позволяют выращивать сельскохозяйственную продукцию.
Одним из способов интенсификации процессов тепловой обработки при производстве пищеконцентратной продукции является применение высокотемпературных теплоносителей, улучшающих условия тепло- и массообмен-ных процессов без ухудшения качества готовой продукции. В связи с этим перспективным является использование перегретого водяного пара в качестве теплоносителя при тепловой обработке сельскохозяйственной продукции.
Процессы тепловой обработки с использованием высокотемпературных теплоносителей базируются на изучении теории сушки и тепломассообмена отражены в работах А.В. Лыкова, B.C. Сажина, А.С. Гинзбурга, О.А. Кремне-ва, В.И. Муштаева, П.А. Ребиндера, В.А. Доморецкого, Ю.А. Михайлова, В.В. Красникова, П.Д. Лебедева, А.Н. Острикова, П.Г. Романкова, П.С. Куца, М.Ю. Лурье и зарубежных исследователей Л. Венцеля, Р. Уайта, Чжу Жу-цзиня, А. Лейна, Д. Конклина, Ф. Коллиана, Ван-Дер-Хелда, Т. Йошида, М. Лазара, Р. Тоеи, Т. Хиодо, С. Хиксболла и др. [37, 108, 109, 115, 143, 153, 174, 176, 200].
Значительный вклад в теорию сушки перегретым паром внесли М.Е. Уланов, О.А. Данилов, В.М. Тарасов, В.М. Дикие, Б.В. Зазулевич и др. [48, 157].
Несмотря на имеющиеся экспериментальные исследования по тепловой обработке растительного сырья перегретым паром, в настоящее время нет однозначного решения по применению этих процессов в промышленности, т.к. разнообразие пищевых продуктов, обладающих различными физическими и физико-химическими свойствами, требует индивидуального подхода к каждому конкретному процессу и разработке научного теоретического обоснования применения различных способов производства пищевых концентратов.
Для комплексной реализации достижений теории, технологии и техники целесообразно создание для однородных по свойствам продуктов универсальных аппаратов, состоящих из стандартных модулей, в которых специфические свойства отдельных объектов тепловой обработки будут учтены при разработке систем регулирования технологических режимов.
В связи с быстрым ростом производства пищевых концентратов приобретает большое значение интенсификация и повышение экономичности тепловой обработки пищевого растительного сырья и разработка научно обоснованных исходных данных для проектирования и расчета технологического оборудования. Одна из основных тенденций интенсификации процессов сушки и тепловой обработки (обжарки, сброса давления) является применение высокотемпературных теплоносителей, улучшающих условия тепло- и массообмена и сокращающих длительность процессов без ухудшения качества готового продукта. Поэтому перспективным является использование перегретого пара в качестве теплоносителя при сушке высоковлажных растительных продуктов, таких как жом, картофель, овощи, крупы и др.
Разработка высокотемпературных способов тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром и их применение в овощесу-шильной, консервной и пищеконцентратной промышленности подготовили условия для научного подхода к решению проблемы создания рациональных конструкций аппаратов для тепловой обработки пищевых продуктов.
Научное обеспечение этих способов позволит разработать математическое моделирование с практической реализацией; обоснование разработок новых, перспективных видов оборудования для их осуществления.
Актуальность работы. Важнейшими этапами производства пищевых концентратов, существенно влияющими на качество и себестоимость продукции, являются сушка и тепловая обработка (обжарка, сброс давления). Применяемые в настоящее время способы сушки и тепловой обработки характеризуются значительной энергоемкостью и длительностью. Их нельзя признать оптимальными с энергетической точки зрения, достаточно научно обоснованными и соответствующими закономерностям процессов.
Недостаточная изученность процессов тепловой обработки пищевых продуктов перегретым паром, неоправданное опасение за сохранность пищевой ценности и вкусовых качеств готового продукта препятствуют разработке общей методики расчета процессов, затрудняют выбор оптимальных режимов.
Развитие теории, техники и технологии тепломассообменных процессов подготовили условия для научного подхода к решению проблемы создания энергосберегающих технологий, рациональных конструкций аппаратов и способов управления процессом сушки, обеспечивающих наименьшие потери теплоты и электроэнергии.
Для обеспечения темпов развития перерабатывающей промышленности необходима разработка новых и совершенствование существующих технологий и оборудования для их реализации в кратчайшие сроки.
Пищевые концентраты, важным компонентом которых являются овощи и картофель, относятся к группе продуктов питания, пользующихся широким спросом у населения.
Важнейшим этапом в производстве сушеных продуктов питания является процесс сушки, от которого зависят качественные показатели готовой продукции, являющиеся результатом биохимических, физических и коллоидно-химических изменений. Сушка отражается не только на качестве готового продукта, но и на технико-экономических показателях процесса.
В этой связи возникает необходимость проведения сушки пищевого растительного сырья при оптимальных режимах, при которых технологические параметры процесса должны изменяться в зависимости от показателей качества поступающего на переработку сырья. При этом конструкции аппаратов должны быть максимально адаптированы к оптимальным условиям проведения процесса, обусловленных экономической целесообразностью и получением продуктов высокого качества.
В основе тепловой обработки пищевого растительного сырья (картофеля, свеклы, моркови, жома, круп, кофе и др.) лежат сложные биохимические и физико-химические процессы, сопровождающиеся окислительными, неферментативными и пирогенетическими изменениями одних веществ, взаимопревращениями и распадом других и полным исчезновением третьих. При этом образуются новые компоненты, обусловливающие органолептические и физико-химические показатели готовой продукции. Эти изменения являются результатом воздействия на сырье комплекса физических, гидродинамических и теплофизических процессов, важнейшим из которых является тепловая обработка.
Таким образом, тепловая обработка пищевого растительного сырья с целью получения высококачественных продуктов является актуальной задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.
В связи с этим весьма актуально изучение механизма тепло- и массооб-мена и основных кинетических закономерностей процессов тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром, а также необходима конструктивная разработка обжарочных и комбинированных варочно-сушильных аппаратов, установок для получения взорванных зерен, в которых возможно было бы использование перегретого пара в качестве теплоносителя, и определение экономичности новых способов.
Работа выполнялась в соответствии с программой ГКНТ СССР О.Ц.ОЗС (0.38.05Ц), утвержденной 19.07.83, и № 373 (этап 2.7.471), постановлением ГКНТ СССР и № 435 от 19.11.87, постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 1311 от 22.11.87 г. и решением МСП № ПГ-21/403-ДСП 0-1 24.01.89 г., постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 40 от. 13.01.83 г. и в соответствии с отраслевыми планами НИР и ОКР по пищекон-центратной промышленности за период с 1983 по 1990 г., с планом госбюджетной НИР кафедры машин и аппаратов пищевых производств (МАПП) ГОУ ВПО Воронежской государственной технологической академии по теме «Тепло- и массообмен при высокоинтенсивной сушке продуктов животного и растительного происхождения» (№ гос. регистрации 01.200.116821), являлась составной частью планов по научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе Всероссийского научно-производственного объеди- нения пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии (ВНПО ПП и СПТ).
Цель работы - научное обеспечение и разработка энергосберегающих технологий и оборудования для сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром на основе новых теоретических и экспериментальных данных по кинетике, тепломассообмену, гидродинамике, моделированию с использованием основных принципов энергосбережения.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Разработать концепцию моделирования перспективных технологий сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья, обеспечивающих экономию материальных и энергетических ресурсов. В соответствии с принципами системного анализа провести декомпозицию целей многофункционального процесса сушки и конкретизировать возможные его модификации.
Разработать научно-теоретические основы процессов тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром и на единой методологической основе предложить стратегию многоканального управления процессами сушки и тепловой обработки пищевого сырья, разработать программно-логические алгоритмы функционирования систем управления с учетом получения готового продукта высокого качества.
На основе экспериментально - статистических и аналитических методов исследования процесса сушки и тепловой обработки пищевого сырья при различном состоянии слоя продукта, процесса обжарки зерен кофе и процесса получения взорванных зерен разработать методы расчета этих процессов и создать информационное обеспечение для реализации новых способов производства, обеспечивающих высокую тепловую эффективность.
Экспериментально подтвердить теорию внутреннего и внешнего тепло- и массообмена высокотемпературных процессов сушки, обжарки и получения взорванных зерен путем сброса давления; создать математическую модель переноса тепла и массы в разрабатываемых процессах высокотемпера- турной сушки растительных пищевых продуктов в кипящем слое, обжарки и получения взорванных зерен.
Разработать новое оборудование, способное адаптироваться к рациональным режимам сушки пищевого растительного сырья с использованием в качестве теплоносителя перегретого пара.
Провести производственную апробацию разработанных установок, способов производства и управления, показать их оптимизационные возможности по рациональному использованию энергетических ресурсов.
Поставленные задачи решались современными методами исследования путем разработки, испытания и внедрения в производство процессов и новых конструкций аппаратов, а также созданием учебной лаборатории экспериментального изучения физических свойств пищевых растительных продуктов.
Научная концепция. В основу научного решения проблемы совершенствования технологии и оборудования для сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром положен системный подход, позволяющий вскрыть общие закономерности процессов и разработать научно-обоснованные способы расчета и проектирования оборудования для сушки и тепловой обработки.
Научные положения, выносимые на защиту: обоснование принципа рационального выбора перегретого пара в качестве теплоносителя при сушке и тепловой обработке пищевого растительного сырья; предложен комплекс проблемно-ориентированных методов системного анализа и принятия решений, включающий структуризацию процессов сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья, построение моделей и обоснование рациональных параметров методами математического моделирования; обоснование принципов интенсификации тепло- массообмена при сушке и тепловой обработке пищевого растительного сырья; - обоснован принцип, положенный в основу описания процессов сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья; обоснованы подходы к варьированию технологических параметров на основе изучения изменения по казателей качества готового продукта и оценки энергетической эффективно сти, разработаны структурные схемы систем регулирования и управления про цессами сушки, обжарки и получения взорванных зерен; - обоснование принципа рационального сочетания процессов варки и сушки для повышения тепловой эффективности и создания на их основе ново го поколения комбинированных варочно-сушильных аппаратов.
Научная новизна. В работе изучена возможность и доказана перспективность и целесообразность использования перегретого пара для тепловой обработки пищевого растительного сырья, сформулирована и экспериментально подтверждена модель нагрева продуктов в первом периоде процесса сушки, позволяющая рассчитать не только среднеобъемные значения температуры и влагосодержания материала, но и его продолжительность.
Выявлены, сформулированы и математически описаны новые теоретические и экспериментальные данные по гидродинамике, тепломассообмену, кинетике, моделированию процессов сушки и тепловой обработки растительного сырья перегретым паром.
Раскрыты механизмы внутреннего и внешнего переноса тепла и массы в высокотемпературных процессах сушки, обжарки и сброса давления.
Получены кинетические закономерности, позволяющие рассчитать продолжительность процессов тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром.
Установлен эффект интенсивного нагрева частиц продукта в периоде прогрева, обусловленный пленочной конденсацией пара.
Теоретически обоснованы и экспериментально определены рациональные режимы процесса сброса давления для производства взорванных зерен. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработан способ и обоснован механизм удаления влаги при сбросе давления.
Разработаны методы расчета процессов сушки в нестационарных режимах управления технологическими параметрами и создано информационное обеспечение для реализации новых способов управления, обеспечивающих наименьшие потери энергии при работе сушилок.
Выявлены, сформулированы и математически описаны гидродинамические и кинетические закономерности процесса обжарки зерен кофе перегретым паром.
На единой методологической основе предложена стратегия многоканального управления процессами сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром, разработаны программно-логические алгоритмы функционирования систем оптимального управления с учетом ограничений по управляемым переменным, обусловленных получением готового продукта высокого качества.
Разработаны научные основы проектирования сушильных установок, способных адаптироваться к условиям оптимальных режимов сушки в широком диапазоне изменения случайных факторов.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 23 авторскими свидетельствами и 2 патентами.
Практическая ценность и реализация результатов исследований в промышленности. Э кспериментальные исследования, результаты математического и физического моделирования, а также анализ работы обжарочных и варочных аппаратов, сушилок и установок для получения взорванных зерен позволили предложить новые способы сушки пищевого растительного сырья перегретым паром, способы производства взорванных зерен методом сброса давления; разработать методики инженерных расчетов этих процессов; создать оборудование и технологии сушки, основанных на полном использовании энергии перегретого пара.
Предложены способы сушки пищевого растительного сырья при использовании в качестве теплоносителя перегретого пара, а также способы производства взорванных зерен, обеспечивающие экономию энергетических и материальных ресурсов.
По конструкторской документации, разработанной при непосредственном участии автора ЦКБ производственным объединением «Знамя Октября» (г. С.-Петербург), изготовлены опытно-промышленные образцы аппарата для получения взорванных зерен, которые прошли производственные испытания и приняты межведомственной комиссией.
По конструкторской документации, разработанной при непосредственном участии автора, заводом «Водмашоборудование» (г. Воронеж) была изготовлена двухблочная сушильная установка, которая, успешно пройдя производственные испытания на Грязинском пищекомбинате, была продана Новочеркасской свиноводческой ферме и Домодедовскому пищевому комбинату.
Разработана конструкторская документация на аппарат для получения взорванных зерен, которая была передана Оргеевскому производственному объединению (Молдова) для изготовления опытно-промышленного образца.
Предложены конструкции установок для сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья в неподвижном и псевдоожиженном слое; аппарата для обжарки зерен кофе перегретым паром и установок для получения взорванных зерен.
Аппараты и установки эксплуатируются на пищекомбинатах Российской Федерации, а предложенные методики исследований и расчетов используются в конструкторских бюро и научно-исследовательских институтах.
Предложены технологические режимы процесса обжарки зерен кофе перегретым паром.
Разработаны алгоритмы управления процессом сушки круп, получения взорванных зерен, позволяющие обеспечить стабильное поддержание задан- ных технологических режимов, синхронную и ритмичную работу предлагаемых видов оборудования.
Суммарный экономический эффект от внедрения этих разработок составляет 1762 тыс. руб.
Работа участвовала в конкурсе инновационных проектов в рамках 3-ей специализированной выставки «Продторг» (5-7 июня 2002 г.) и награждена дипломом.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам «Технологическое оборудование», «Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств», «Технологическое оборудование предприятий пищекон-центратной промышленности», «Физико-механические свойства сырья и готовой продукции».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на отчетных научных конференциях Воронежской государственной технологической академии в 1975...2003 г.; на I, II и III Всесоюзных научно-технических конференциях «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования технологических процессов» (г. Москва, 1982, 1986, 1990 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Оптимизация процессов сушки» (г. Харьков, 1983 г.); на III Всесоюзной научной конференции «Современные машины и аппараты химических производств «Химтехни-ка-83» (г. Навои, 1983 г.); на республиканской научно-технической конференции молодых ученых республик Закавказья по актуальным проблемам Продовольственной Программы (г. Тбилиси, 1982 г.); на Всесоюзной научной конференции «Процессы и оборудование для гранулирования продуктов микробиологического синтеза» (г. Тамбов, 1984 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологии сушки сельскохозяйственных и пищевых продуктов» (г. Полтава, 1984 г.), на Меж- республиканской научно-технической конференции молодых ученых по состоянию и перспективам мало- и безотходной технологии и использованию вторичных материальных ресурсов (г. Тбилиси, 1985 г.); на V и VI Всесоюзных научно-технических конференциях «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов» (г. Москва, 1985, 1989 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции «Процессы и аппараты для микробиологических производств» (г. Грозный, 1986 г.); на Всесоюзном совещании «Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии «Химтех-ника-86» (г. Сумы, 1986 г.); на республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по ускорению и создания и освоения новой техники, технологии и повышения качества готовой продукции пищевой промышленности (г. Тбилиси, 1987 г.); на Всесоюзной научной конференции «Разработка и совершенствование технологических процессов, машин и оборудования для производства, хранения и транспортировки продуктов питания» (г. Москва, 1986 г.); на республиканской научно-технической конференции «Разработка прогрессивных способов сушки различных материалов и изделий на основе достижений теории тепло- и массообмена» (г. Черкассы, 1987 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование техники и технологии в пищевой промышленности и общественном питании» (г. Тбилиси, 1988 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции «Техника псевдоожижения (кипящего слоя) и перспективы ее развития» (г. Ленинград - Поддубская, 1988 г.); на XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов института технической теплофизики (ИТТФ) АН УССР (г. Киев, 1988 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Пути интенсификации технологических процессов и оборудования в отраслях агропромышленного комплекса» (г. Москва, 1988 г.); на II научно-технической конференции «Разработка и внедрение безотходных технологий, использование вторичных ресурсов» (г. Киров, 1989 г.); на I национальной научно-технической конференции с международным уча- стием «Применение псевдокипящего слоя и флюидизированных систем в пищевкусовой и биотехнологической промышленности» (г. Пловдив, Болгария, 1989 г.).
Диссертационная работа выполнена на кафедре машин и аппаратов пищевых производств (МАНИ) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ГОУ ВПО) Воронежской государственной технологической академии (ВГТА). Экспериментальные исследования процессов тепловой обработки и сушки круп, а также ввод в эксплуатацию аппарата осуществлялся автором на Грязинском птицекомбинате; процесс обжарки зерен кофе на Грязинском пищекомбинате и Домодедовском экспериментальном заводе пищевых концентратов; процесс получения взорванных зерен методом сброса давления в лабораториях ВГТА, в производственных условиях Ленинградского пищекомбината, Куйбышевского производственного объединения ликероводочной промышленности.
Представленная диссертационная работа обобщает новые результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром, проведенных непосредственно автором и при его участии под руководством профессора А.Н. Острикова. Автор выражает благодарность научному консультанту профессору А.Н. Острикову за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность коллективам Грязинского пищекомбината, кафедры МАПП и технологического отдела ВНИИПП и СПТ за поддержку и эффективное сотрудничество.
Теплообмен в процессах сушки круп и овощей перегретым паром
Данные о целесообразности использования перегретого пара для тепловой обработки пищевых продуктов [63, 122, 182, 196] ограничены. Возможное снижение пищевой ценности и органолептических свойств готового продукта при применении теплоносителя с высокой температурой сдерживает использование перегретого пара для тепловой обработки пищевого растительного сырья.
Йошида Т. и Хиодо Т. [200] успешно высушивали ломтики картофеля перегретым паром с температурой 250 С. При этом был получен продукт с меньшим окислительным потемнением, с низким содержанием влаги и более высоким содержанием качественными показателями по сравнению с продуктом, высушенным воздухом при одинаковых параметрах процесса сушки.
Лазар М.Е. [173] высушивал морковь и картофель перегретым паром атмосферного давления с температурой 143... 177 С и скоростью 2,6...3,6 м/с.
Качество картофеля было удовлетворительным при температуре перегретого пара менее 143 С, при более высокой температуре картофель заметно пригорал. Увеличение скорости перегретого пара при сушке кусочков картофеля не приводило к повышению скорости сушки. Скорость сушки оставалось постоянной.
Исследования, проведенные Лундом и др. [177], подтвердили целесообразность сушки овощей перегретым паром.
Исследованием возможности сушки овощей, фруктов и круп занимался также Зазулевич Б.В. [122]. Отмечено, что картофель, свекла, морковь и яблоки в среде перегретого пара имели меньшую усадку, сохраняют ценные водорастворимые вещества и витамины. Не все виды продуктов можно подвергать обработке перегретым паром. Сушка вишен, винограда и слив перегретым паром показала отрицательный результат. При сушке риса использовали крупу после замачивания и сваренную до полу готовности. Сушка проходила быстро, и полученный продукт требовал минимального времени варки до полной готовности. В период прогрева пар конденсировался на поверхности продукта и нагревал его до температуры насыщения. Этот нагрев частично заменяет гидротермическую обработку, а процесс сушки при температурах свыше 100 С обеспечивает получение продукта, готового к употреблению в пищу без продолжительной варки. Таким образом, можно объединить варку и сушку в одном аппарате, это упростит технологический процесс, сократит длительность технологического цикла и потребность в варочном оборудовании.
Известен способ производства быстроразвариваемых сушеных продуктов из картофеля и овощей [2], по которому бланширование, термическую обработку и сушку проводят конвективным путем: перегретым паром при его движении относительно продукта со скоростью. 0,5...5,0 м/с с постепенным снижением температуры теплоносителя от 423...573 до 378...383 К в течение 30... 60 мин, при этом бланширование проводят в течение 1...5 мин, термическую обработку — 4..Л мин сушку - 25...45 мин.
Исследованиями [63, 122] установлено изменение объема крупинок в процессе варки перегретым паром, что вызывает изменение поверхности конденсации слоя. Эти изменения рассматривались как функции влагосодержания продукта. Анализ зависимостей процесса показывает, что в периоде прогрева поверхность слоя практически не изменялась. Для обеспечения эффективного начала процесса можно использовать стационарный режим в плотном слое без дополнительного перемешивания продукта, а импульсную обработку в псев-доожиженном слое необходимо применять при влагосодержаниях продукта более 0,30...0,33 кг/кг.
Снижение конденсации пара в периоде прогрева обусловлено повышением температуры слоя конденсата и конденсация прекращается при достижении конденсатом температуры 373 К. Быстрый прогрев конденсата на поверхности круп не обеспечивает в процессе варки достаточного количества конденсата, что обусловливает необходимость дополнительного подвода влаги для нормального протекания процесса варки круп.
В результате обработки экспериментальных данных было получено критериальное уравнение теплообмена при конденсации пара в периоде прогрева: Nu = AKa(Prs/PrKp)bRel(H/dJz, (1.8) где А, а, Ь, с, z - экспериментально определяемые коэффициенты для следующих видов круп:
При импульсной обработке круп перегретым паром были использованы локальные коэффициенты теплоотдачи при конденсации пара соответственно для плотного и псевдоожиженного слоев.
Теоретические и экспериментальные исследования форм связи влаги пищевого растительного сырья
Разработка высокоэффективных сушильных установок невозможна без комплексного анализа пищевого растительного сырья. Основные характеристики пищевого растительного сырья можно классифицировать по следующим группам: - сорбционно-структурные характеристики (изотермы сорбции - десорб ции, кривые распределения пор по радиусам), характеризующие внутреннее диффузионное сопротивление в процессе обработки перегретым паром; - тепловые и термодинамические характеристики (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, коэффициент фазового превращения и теплота парообразования), характеризующие термическое сопротивление; - гигротермические характеристики (термограммы и теплоты смачивания), определяющие виды и энергию связи влаги с материалами; - структурно-механические свойства (адгезионно-когезионные свойства, форма, размер частиц), влияющие на выбор гидродинамического режима; - технологические характеристики - допустимая температура нагрева материала и др.
Кинетика обезвоживания определяется медленно протекающей внутренней диффузией влаги и внутренним теплообменом. Поэтому при анализе свойств пищевого сырья, обусловливающих продолжительность обезвоживания, необходимо учитывать диффузионное и термическое сопротивления.
Интенсивность влагопереноса зависит от механизма переноса влаги, структуры пористого пространства материала и внешних температурно-влажностных и гидродинамических условий. Механизм переноса влаги определяется ее фазовым состоянием и характеристическим размером пор, по которым происходит перенос влаги. При перемещении влаги в виде жидкости механизм переноса протекает под действием разности капиллярных потенциалов. При переносе массы в газообразной фазе механизмы переноса определяется диаметром пор материала и соизмеримости с длиной свободного пробега молекул пара. Именно такая пористая структура материала определяет сопротивление поверхностной влаги. Пористая структура материала характеризуется суммарным объемом пор, их размерами, величиной удельной поверхности и кривой распределения пор по радиусам. Удельная поверхность материала определяется поверхностью его пор и зависит от количественного содержания пор различных размеров, т.е. от распределения объема пор по радиусам.
Механизм переноса влаги и теплоты в материале зависит так же от форм связи влаги с материалом. Связь влаги с материалом характеризуется энергией связи, на разрушение которой требуется затратить дополнительную теплоту, соизмеримую с теплотой парообразования.
При выборе конструкции аппарата необходимо адгезионно-когезионные свойства материала характеризуемые адгезионно-когезионным коэффициентом, определяющим степень подвижности слоя материала.
Термическое сопротивление материала и массовая доля теплоты, которую следует подвести к материалу в процессе сушки перегретым паром, определяются тепловыми характеристиками и термодинамическими параметрами: коэффициентами теплопроводности Я, температуропроводности а, теплоемкостью ср, теплотой парообразования и коэффициентом фазового превращения.
В зависимости от интенсивности энергии связи влаги с материалом различают химическую, физико-химическую и физико-механическую формы свя зи влаги. В процессе обезвоживания большинства пищевого растительного сырья необходимо удалять физико-механическую и адсорбционно-связанную влагу. Величина энергии связи влаги с материалом определяет свободную энергию одного моля адсорбированного вещества и определяется по уравнению П.А. Ребиндера [109] E = -RTlg(p. (2.1)
По этому уравнению рассчитаны энергия связи влаги с различными пищевыми продуктами. Для получения более достоверных данных и изучения влияния температуры на теплоту испарения эксперименты проводили при различных температурах (табл. 2.1).
Удельная теплота испарения, измеренная в широком интервале влагосо-держаний пищевых материалов (до влагосодержания, соответствующих стыковому состоянию влаги), практически равна теплоте испарения жидкостей со свободной поверхности. Теплота испарения капиллярно-связанной влаги невелика и составляет несколько процентов от суммарной теплоты испарения.
При удалении влаги из неоднороднопористых материалов величина удельной теплоты испарения зависит от радиусов пор (рис. 2.1 и 2.2). Чем более тонкопористый продукт, тем более ощутима эта зависимость, так как с уменьшением радиуса пор уменьшается давление над мениском. Не наблюда ется четкой границы между теплотой испарения капиллярно-связанной влаги и влаги полимолекулярной адсорбции. По мере испарения адсорбционно-связанной влаги до влагосодержания, соответствующего заполнению монослоя, кривые плавно поднимаются вверх. При дальнейшем уменьшении влагосодержания наблюдается крутой значительное увеличение теплоты испарения.
Экспериментальная установка и гидродинамические закономерности виброкипящего слоя свекловичного жома
Для исследования гидродинамики виброкипящего слоя свекловичного жома перегретым паром атмосферного давления использовалась экспериментальная установка (рис. 3.1). Она включает в себя опорные стойки 1, вентилятор 2, электродвигатель 3, заслонку 4 для регулирования скорости пара, пароперегреватель 5, патрубок 6 для ввода пара, переходник 7. К переходнику 7 приварена опора, на которой закреплен вибропровод 8 газораспределительной решетки 9, расположенной в рабочей камере 10. Загрузка жома осуществляется ротационным питателем 11, а выгрузка - через камеру 12. В состав установки входят также регулирующий шибер 13, рециркуляционный трубопровод 14 и окно 15, через которое производится удаление избытка отработанного теплоносителя.
Контрольно-измерительная система установки включает электронный ртутный термометр 16, /-образный манометр 17, диафрагму 18, потенциометр 19 и щит управления 20, на котором смонтированы приборы контроля и управления рабочей установки.
В качестве парогенератора 21 используется автоклав марки АВ-2.
Пароперегреватель имеет форму параллелепипеда размером 500x500x300 мм. В его боковых стенках выполнены 16 отверстий, в которые вставлены восемь Сообразных электронагревателей (ТЭНов) мощностью по 2 кВт.
Рабочая камера изготовлена из нержавеющей стали толщиной 3 мм и имеет форму параллелепипеда размером 500x120x450 мм. Для визуального наблюдения за процессом сушки камера снабжена дверью со встроенным термостойким стеклом. В рабочей камере находится газораспределительная решетка, в качестве которой использована сетка с квадратными отверстиями размером 4x4 мм. Решетка закреплена на опорной рамке, которая соединена рычагом с виброприводом. Место входа рычага в установку герметизировано термостойкой тканью, обеспечивающей минимальные потери пара в окружающую среду.
Вибропровод газораспределительной решетки включает в себя электродвигатель, клиноременную передачу и эксцентриковый механизм. Частота ко лебаний решетки регулируется установкой различных по диаметру шкивов, а амплитуда колебаний регулируется смещением двух дисков эксцентрикового механизма друг относительно друга. Газораспределительная решетка установлена горизонтально и совершает колебания по вертикали.
Подача жома в рабочую камеру осуществляется при помощи ротационного питателя, который вращается прерывисто. Время между поворотами лопастей ротора регулируется с помощью реле времени, что позволяет изменять количество подаваемого в рабочую камеру жома. Выгрузка материала производится периодически. Заданная удельная нагрузка на газораспределительной решетке поддерживается с помощью регулирующего шибера, установленного перед камерой выгрузки. Нагрузку на решетку определяли методом взвешивания продукта.
Отработанный перегретый пар по рециркуляционному трубопроводу направлялся в пароперегреватель и возвращался на сушку.
Для предотвращения уноса мелкой фракции материала на входе в рециркуляционный трубопровод установлена сетка с квадратными отверстиями размером 0,5x0,5 мм.
Система автоматического управления температурой перегретого пара на входе в рабочую камеру включает в себя электроконтактный ртутный термометр, универсальное реле марки «УКТ-4У2» и исполнительное устройство (электромагнитный пускатель марки ПМЕ 012-УЗВ). Показания температуры перегретого пара, подводимого в рабочую камеру, контролировали с помощью шеститочечного самопишущего потенциометра КСП-4. Датчиками измерения температуры служили хромель-копелевые термопары.
Измерение расхода пара осуществляюсь с помощью измерительной диафрагмы, установленной в рециркуляционном трубопроводе. Причем для уменьшения влияния турбулентности потока теплоносителя на показания его расхода длина прямого участка перед диафрагмой была больше шести диаметров трубопровода. Диафрагма соединена с двумя манометрами типа ТНМП-52, измеряющими перепад давления в диапазоне от - 2 до + 2 кПа.
Гидравлическое сопротивление слоя материала измеряли [/-образным манометром с точностью ± 1 мм водяного столба.
Экспериментальная установка позволяет получать температуру перегретого пара на выходе из пароперегревателя до 473 К. Скорость пара в рабочей камере можно изменять от 0,5 до 5 м/с. Амплитуду и частоту колебаний газораспределительной решетки можно менять соответственно в пределах от 3 до 11 мм и от 8 до 17 Гц.
Для проведения исследований по гидродинамике виброкипящего слоя свекловичного жома установка вначале прогревалась воздухом, а затем из парогенератора в нее подавался насыщенный пар. После чего установка выводилась на заданный температурный режим.
Для определения гидравлического сопротивления и порозности виброкипящего слоя использовался жом с начальным влагосодержанием U= 0,11...0,9 кг/кг. Удельная нагрузка на газораспределительную решетку менялась в пре-делах q = 12,5...42 кг/м . Амплитуда и частота колебаний решетки составляла соответственно А = 3... 11 мм,/= 8... 17 Гц.
На рис. 3.2 и 3.3 изображены зависимости перепада давления перегретого пара в виброкипящем слое свекловичного жома влажностью U = 0,86 кг/кг от скорости пара при различных амплитудах и частотах колебаний газораспределительной решетки. Анализ кривых показывает, что увеличение амплитуды колебаний способствует интенсивному снижению перепада давления, чем их частота. Повышение амплитуды колебаний ведет к выносу из слоя мелких частиц свекловичного жома с отработанным перегретым паром.
Исследование физико-механических свойств жома с влагосодержанием и = 0,86 кг/кг при удельной нагрузке q = 42 кг/м2 позволило установить напряжение сдвига х- 340 Па, которое учитывает внутреннее трение между частицами. При v„ vKp (рис. 3.2, кривая 1) сопротивление слоя составляет АР = ISO Па, тогда суммарный перепад составит ЛРоб = 520 Па. При переходе слоя в виброкипящее состояние по кривой 1 (рис. 3.2) АР = 430 Па. Очевидно, что снижение перепада обусловлено вибрационным воздействием, направленным на преодоление внутреннего трения в слое жома. Ввиду со сложностями аналитического описания зависимости определения силы сопротивления частиц в слое, возникающей от колебательных воздействий получена эмпирическая зависимость перепада давления от амплитуды и частоты колебаний. ДРвиб=к(Аю)052, (3.1) где к - коэффициент, зависящий от влажности свекловичного жома; к = 285 для С/= 0,11 кг/кг; к = 235 для /= 0,75 кг/кг; к = 205 для U= 0,86 кг/кг; к =190 для 17= 0,9 кг/кг; А - амплитуда колебаний решетки, м; со- угловая частота колебаний решетки, с"
Основные закономерности тепло- и массообмена процесса сушки овощей перегретым паром
Важнейшие органолептические показатели, характеризующие качество варено-сушеных круп - цвет, вкус, запах, консистенция и развариваемость. Ор-ганолептическую оценку круп, высушенных перегретым паром (табл. 5.5), проводили путем осмотра и дегустации. Развариваемость варено-сушеных круп и восстанавливаемость для круп определяли как время (мин), необходимое для доведения их до готовности к употреблению при кулинарной обработке.
На ее поверхности не должна образовываться пленка растворимых веществ. Ее появлению способствует поступающая из центральных слоев к поверхности частицы влага. Они образуют плотную пленку под влиянием температуры.
Варено-сушеные крупы, как показывает анализ табл. 5.5, по органолеп-тическим и физико-химических показателям качества соответствовали требо ваниям ТУ 18 РСФСР 595-74 «Крупы и горох варено-сушеные»; ТУ 18 РСФСР 555-73 «Рис варено-сушеный»; ТУ 18 РСФСР 85-74 «Концентраты пищевые. Крупы, не требующие варки».
Получению высокого качества варено-сушеных круп способствовал нагрев не выше температуры мокрого термометра. Неравномерность готового продукта по влажности составляла 0,4...0,8 %. Крупы, высушенные перегретым паром, имели более светлый цвет по сравнению с заводскими образцами вследствие отсутствия окисленных питательных веществ.
В связи с опасением за сохранность пищевой ценности и вкусовых дан ных круп, а также с целью более полного и глубокого анализа качества круп, высушенных перегретым паром, были определены в межкафедральной научно-исследовательской лаборатории Воронежского технологического института и лабораториях Всесоюзного научно-исследовательского института комбикормовой промышленности и содержания белков, жиров, крахмала и витаминов Bi и В2.
Количество белка рассчитывали по белковому азоту, умножая его на фактор пересчета для белков круп 6,25. Количество азота устанавливали по методу Кьелъдаля [87, 104], являющемуся для биологических объектов арбитражным.
Основной усвояемый полисахарид круп - крахмал. Его долю в продукте находили по методу Бертрана [104, 228].
Содержание витаминов В і (тиамин) и В2 (рибофлавин) в крупах определяли по ОСТУ 59-20-77 на премиксы для сельскохозяйственных животных и птицы, а жира - по ГОСТ 13496.15-75 [228].
Все эти показатели определяли в исходных образцах круп, в крупах, высушенных перегретым паром, и в крупах, полученных в заводских условиях на Грязинском пищекомбинате (табл. 5.6).
Общее содержание ценных питательных веществ в экспериментальных образцах круп, высушенных перегретым паром, выше, чем в заводских. Сушка круп перегретым паром привела к существенным сдвигам в их углеводном комплексе главным образом в результате деполимеризации сложных углеводов и в первую очередь крахмала. Содержание жира в рисовой крупе увеличилось в 1,33 раза, в гречневой - в 1,3, в пшеничной - в 1,14 раза. Повысилось также содержание белка. Это объясняется значительно меньшей продолжительностью процесса сушки вареных круп перегретым паром. Быстрое повышение температуры продукта до температуры насыщения уже в период прогрева приводит к тому, что содержащаяся в материале влага перемещается к его поверхности в основном в виде пара, который не является переносчиком водорастворимых веществ. Это способствует лучшей сохраняемости водорастворимых веществ в крупах при их сушке перегретым паром.
Известно [45, 99], что при воздействии высокой температуры на продукт, изменяется белково-утлеводный комплекс. Часть сахара вступает в реакцию с аминокислотами, образуя меланоидиновые соединения, которые снижают биологическую ценность продукта. В связи с этим необходимо выявить влияние перегретого пара, используемого для сушки вареных круп, на изменение аминокислотного состава круп, качественное и количественное содержание которого определяет полноценность белка.
Аминокислотный состав определяли в исходных крупах, крупах, высушенных перегретым паром, и в варено-сушеных крупах, полученных по заводской технологии на Грязинском пищекомбинате. Для этого использовали средние образцы из одной и той же партии круп для обоих способов сушки. Подготовку проб и определение их аминокислотного состава вели по методу жидкостной ионообменной хроматографии [117] с последующим анализом на автоматическом аминоанализаторе HD 120 Е. Качественное определение аминокислот производили по положению пиков на графике, количественное - по площади соответствующих пиков (табл. 5.7).
В образцах круп обнаружены практически все аминокислоты. Разница в аминокислотном составе исследуемых круп объясняется физиологическими особенностями и видовой спецификой зерновых культур.
Сушка перегретым паром более эффективна, так как общее содержание аминокислот в крупах, высушенных перегретым паром, выше, чем в заводских образцах. Она максимально сохраняет незаменимые аминокислоты. Так, при сушке перловой крупы перегретым паром содержание треонина увеличивается в 1,16 раза, валина - в 1,35, лейцина - в 1,28, фенилаланина - в 1,55 раза. Однако это увеличение менее заметно при анализе аминокислотного состава гречневой крупы.
