Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные тенденции в переработке плодоовощного сырья: характеристика сырья и продуктов, проблемы и перспективы производства 14
1.1 Общая характеристика плодоовощного сырья и сухих дисперсных продуктов 14
1.2 Перспективы промышленной переработки и сушки плодоовощного сырья 20
1.3 Перспективы производства и области использования тыквенного порошка 25
1.4 Анализ современных технологий переработки плодоовощного сырья 28
1.5 Анализ способов и конструкторских решений для производства сухих дисперсных материалов
из плодоовощного сырья 32
ГЛАВА 2. Исследование механизма внутреннего тепломассопереноса при распылительной сушке пюре из тыквы 54
2.1 Экспериментальное исследование процесса распылительной сушки пюре из тыквы 54
2.2 Исследование кинетики конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы 67
2.3 Анализ механизма внутреннего массопереноса при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы 75
ГЛАВА 3. Разработка рациональных режимов и интенсификация тепломассообменных процессов при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы 78
3.1 Анализ влияния основных факторов на производительность при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы 78
3.2 Разработка рационального режима конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы 82
ГЛАВА 4. Исследование физико-химических характеристик тыквенного концентрата и термодинамический анализ закономерностей его взаимодействия с водой
4.1 Механизм взаимодействия концентратов из тыквы с водой
4.2 Термодинамический анализ внутреннего массопереноса при взаимодействии концентратов из тыквы с водой
4.3 Теплофизические и структурно–механические характеристики концентратов из тыквы
4.4 Терморадиационные и оптические характеристики концентратов из тыквы
4.5 Исследование кинетики влагопоглощения тыквенным порошком
ГЛАВА 5. Математическая модель тепломассопереноса и расчет температур в высушиваемой частице при конвекттивно радиационной распылительной сушке пюре из тыквы 122
ГЛАВА 6. Практическое применение результатов научных и проектно-технических решений 132
6.1 Тестирование режимных параметров конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы 132
6.2 Установка конвективно-радиационной распылительной сушки 138
6.3 Рекомендации по практическому использованию результатов исследований 143
Основные выводы и результаты 146
Список литературы
- Перспективы производства и области использования тыквенного порошка
- Исследование кинетики конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы
- Разработка рационального режима конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы
- Терморадиационные и оптические характеристики концентратов из тыквы
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность развития пищевой
промышленности связана с решением проблем несбалансированности питания
населения, недостатка функциональных продуктов питания, снижения
себестоимости производства пищевых продуктов массового потребления. На сегодняшний день отмечается рост спроса на натуральную плодоовощную продукцию, обеспечивающую потребность в белках, углеводах, витаминах, минеральных веществах и других важнейших элементах пищи. Продукты промышленной переработки плодов, овощей, ягод и др. активно используются при производстве и пищевых продуктов массового потребления, в том числе для повышения их пищевой и биологической ценности.
В современных условиях развития АПК России большой интерес представляют нетрадиционные технологии переработки плодоовощного сырья, производство концентратов, сухих продуктов и т.п. Внедрение и эффективное функционирование данных технологий ограничено отсутствием надежных способов и аппаратов для сушки. Таким образом, актуальна задача поиска новых и рационализации существующих методов получения сухих дисперсных материалов при переработке плодоовощного сырья.
Среди объектов переработки особой популярностью и распространением пользуется тыква, в виду богатого химического состава и масштабного выращивания в сельскохозяйственных регионах РФ. Доступность и относительно невысокая стоимость сырья обусловили широкое распространение продуктов переработки тыквы, в частности тыквенного порошка в рецептурах пищевых продуктов массового спроса.
Разработка эффективной промышленной технологии сушки пюре из тыквы при производстве качественного тыквенного порошка, создание эффективных конструкторских решений для сушки актуально и представляет практический интерес для внедрения на предприятиях различной мощности, специализирующихся на переработке плодоовощного сырья.
Диссертационная работа выполнена в рамках Перечня критических
технологий Российской Федерации, утвержденного Президентом Российской
Федерации В.В. Путиным 21 мая 2006г. Пр-842 (п. «Технологии экологически
безопасного ресурсосберегающего производства и переработки
сельскохозяйственного сырья и продуктов питания»), Федеральной целевой
программы «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.), а также в соответствии с координационным планом Научно-
исследовательской работы кафедры «Технологические машины и оборудование»
ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».
Цель работы и задачи исследований. Целью работы является совершенствование процесса конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы путем изучения и анализа физико-химических свойств продукта, анализа процессов тепломассообмена, разработки рациональных режимов обезвоживания и конструкции сушильной установки.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
-
Определить пути совершенствования тепломассообменных процессов при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы на основе анализа технологии, требований к сырью и качеству готовой продукции, способов и конструкторских решений для сушки.
-
Исследовать особенности механизма внутреннего тепломассопереноса при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы.
-
Разработать рациональный способ конвективно-радиационной сушки пюре из тыквы с учетом влияния основных факторов на процесс сушки, получить расчетные зависимости кинетики влагоудаления и удельной производительности сушилки от влияющих факторов для их использования в инженерных расчетах.
-
Исследовать терморадиационные, оптические, теплофизические и гигроскопические характеристики концентратов из тыквы. Проанализировать термодинамические закономерности статического взаимодействия концентратов из тыквы с водой.
-
Разработать математическую модель процесса конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы.
-
На основе анализа результатов проведенных экспериментально-аналитических исследований по интенсификации тепломассообмена предложить конструкторские решения для реализации разработанного режима сушки.
-
Разработать рекомендации по практическому использованию результатов исследования.
Положения, выносимые на защиту:
Функциональные зависимости теплофизических, структурно-механических и гигроскопических характеристик концентратов из тыквы от влажности и температуры продукта для диапазонов их изменения в процессе конвективно-радиационной распылительной сушки.
Расчетные зависимости скорости влагоудаления, удельной производительности сушилки, удельной влагонапряженности рабочего объема сушильной камеры от температуры сушильного агента и плотности теплового потока инфракрасного излучения.
Рациональные режимы конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы.
- Конструкции распылительных установок для сушки.
Научная новизна. Получены уравнения зависимости гигроскопических,
структурно-механических и теплофизических характеристик концентратов из
тыквы от влажности и температуры. Установлены и математически описаны
закономерности взаимодействия концентратов из тыквы с водой на основе
термодинамического анализа процесса сорбции влаги. Установлены
кинетические закономерности процесса конвективно-радиационной
распылительной сушки пюре из тыквы, получены математические зависимости удельной производительности, удельной влагонапряженности объема сушильной камеры и кривых скорости от влияющих факторов. Определены факторы, влияющие на удельную производительность, установлены диапазоны их варьирования с учетом технологических ограничений. Проведен анализ тепломассообменных процессов и выявлены особенности механизма внутреннего
тепломассопереноса при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы. Исследованы температурные поля в продукте при обезвоживании путем численной реализации математической модели тепломассопереноса при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы.
Практическая ценность. Установлен рациональный режим конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы с начальной температурой Тпрод = 298 К, начальной влажностью 0,92 кг/кг и размером частиц дисперсной фазы пюре 1..3 мкм до конечной влажности Wк = 0,05 кг/кг с удельной производительностью по сухому порошку П = 1,140 кг/(м3ч) и удельной влагонапряженностью рабочего объема сушильной камеры В = 12,399 кг/(м3ч):
Плотность теплового потока Ер = 3,6 кВт/м2;
Исходная температура сушильного агента Тс.а. = 473 К;
Удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги Qс.а. 20кг/кг.
Способ распыления должен обеспечивать начальный диаметр частиц 20..30 мкм.
Температура отработавшего сушильного агента 353 К.
Разработаны программные продукты для аналитического расчета сорбционно-структурных, дисперсных и термодинамических характеристик при взаимодействии продуктов растительного происхождения с водяным паром (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2014613311, Россия; Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2015619010, Россия; Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2015619046, Россия).
Предложены рациональные конструкции установок распылительной сушки (Патент на полезную модель 154840; Патент на полезную модель 150305; Заявка на полезную модель №2015120308).
Основные результаты и рекомендации внедрены и используются при организации технологических процессов на ФГБНУ «ВНИИООБ», ООО «АСТРАХАНСКАЯ КОНСЕРВНАЯ КОМПАНИЯ», ООО НПП «пЕДАнт», ООО «БИОПРОФИЛАКТИКА», ООО «АСТРБИОПРОДУКТ» и др.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и
обсуждены на научных конференциях: Международная научная конференция
Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности
«АСТИНТЕХ-2012». Участник молодежного научно-инновационного конкурса»
(«У.М.Н.И.К.») (Астрахань, 2012г.); 58 научно-практическая конференция
профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного
технического университета (Астрахань, 2014г.); III Межрегиональная
конференция молодых ученых и инноваторов «ИННО-КАСПИЙ» (Астрахань, 2012г.); Всероссийская молодежная конференция «Инновации и технологии Прикаспия» (Астрахань, 2012г.); V Международная научно-практическая конференция «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты» (Воронеж, 2015г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ, 1 статья, 4 тезиса материалов конференций, получены 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, получено 2 патента РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 177 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 55 рисунков, список литературы из 235 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения представлены на 28 страницах.
Перспективы производства и области использования тыквенного порошка
Продукты переработки растительного сырья занимают важное место в структуре питания населения и активно используются при производстве продуктов быстрого приготовления, соков и напитков, пюре, концентратов, джемов, конфитюров, киселей, муссов, приправ, специй, соусов, выпечки, диетических препаратов, десертов, молочных и кисломолочных продуктов, мясных изделий и колбас, продуктов спортивного и специального питания, биологически-активных добавок и др., а также востребованы в кормовой промышленности, фармацевтике, парфюмерии (например, крема, шампуни, мыло и др.), косметике и других областях. Маркетинговой анализ внешнего и внутреннего рынка плодоовощных консервов, концентратов и других продуктов переработки сырья растительного происхождения представлен в ряде исследований. По данным «Анализа рынка плодовых и ягодных консервов в странах СНГ», подготовленного BusinesStat в 2015 г, в период с 2010 г. по 2014 г. продажи плодовых и ягодных консервов в странах СНГ выросли на 14,6%: с 613,8 до 703,7 тыс. т. Рост наблюдался на протяжении всего периода, в среднем ежегодно он составлял 3,5%.
Наибольший объем продаж плодовых и ягодных консервов среди стран СНГ приходился на Россию, доля которой в совокупном показателе колебалась от 69,1 до 70,9%. Самый высокий уровень покупки плодовых и ягодных консервов на душу населения в 2010-2014 гг. также наблюдался также в России. В 2014 г. на одного жителя страны приходилось 3,43 кг проданных плодовых и ягодных консервов.
С 2010 г. по 2014 г. стоимостный объем импорта плодовых и ягодных консервов в страны СНГ вырос на 40,9% и в 2014 г. составил 500,3 млн. долларов США. Рост показателя происходил ежегодно на 4,6-16,6%. По данным исследования российского рынка консервированных овощей, проведенного специалистами компании IndexBox в мае 2011 г., объем предложения в 2010 г. на 11% превысил аналогичный показатель уровня 2009 г. Темпы роста рынка постепенно достигнут 10-12% и будут сохраняться на этом уровне.
Производство овощных консервов, так же как и их потребление, обладают ярко выраженной сезонностью. Пиковые показатели объема российского производства достигаются в июне. Данная ситуация накладывает определенные ограничения на производителей. Так, в первом квартале года мощности загружены не очень значительно – можно говорить о частичном простое оборудования. В сезон, напротив, мощности перегружены.
Таким образом, выраженная сезонность и относительно медленная оборачиваемость продукции являются основными проблемами отрасли. Срок хранения для овощных консервов обычно составляет от полугода до полутора лет. С точки зрения потребления максимальный объем продаж овощных консервов приходится на зимние месяцы, особенно на январь. Спады в сезон свежих фруктов и овощей закономерны. Впрочем, по наблюдениям специалистов, летом увеличиваются продажи консервов, которые потребители традиционно берут с собой на дачу. Производители регионального масштаба зачастую не имеют возможности выпускать широкую номенклатуру продукции, которую можно было бы распределить по сезонам для снижения амплитуды колебаний загрузки производственных мощностей. Компании, относящиеся к данной группе, вынуждены «работать на сезон».
Для российских компаний вопрос о сырье остается одним из самых важных. Небольшие компании и предприятия регионального значения в основном опираются на собственную сырьевую и производственную базу. Компании, ориентированные на федеральный уровень, комбинируют продукцию в своих продуктовых или марочных портфелях, частично используя отечественную базу, частично размещая заказы на производство своей продукции на зарубежных предприятиях – в Польше, Болгарии, Венгрии, Китае и других странах.
Сегмент зарубежных производителей концентратов из плодово-ягодного сырья представлен только европейскими странами и включает семь компаниями из пяти стран: Польши, Италии, Латвии, Австрии и Франции. Соотношение производителей представлено на рисунке 1.1. Следует отметить, что Франция представлена на рынке тремя торговыми марками такими, как «DLP-Geimex», «Georges Monin S.A.S» и «GUIOT», в то время как остальные страны лишь одной [124].
Среди отечественных производителей наиболее широко представлен ассортимент концентратов, содержащих экстракт плодово-ягодного сырья, из Астраханской области. Его доля составляет 31,8%, или 14 торговых позиций. Наименьшее количество торговых позиций, а соответственно наименьшую долю на розничном рынке концентратов, имеют московские производители. Их доля в структуре составляет лишь 2,3% от общего объема продукции, предоставленной российскими производителями. Соотношение сиропов отечественного производства отмечено на рисунке 1.3 [124]. Рисунок 1.3 – Структура ассортимента концентратов, представленных отечественными производителями на рынке Структура ассортимента рынка концентратов из плодово-ягодного сырья по производителям В последние годы в странах ЕС заметно увеличилось валовое производство тыквы и достигло, например, в Италии 350 тыс. т., Франции, Германии – 70 тыс. т., Испании – 50 тыс. т [201].
Крупные производители сухого тыквенного порошка ООО «Престиж» (г. Санкт-Петербург), ООО «Новосиб-Ноосфера» (г. Новосибирск), КФХ Славгородский (г. Белгород), ТД «Мазурин» (Калужская область, г. Боровск), ООО «АНТ-ПРОМ» (Украина, г. Харьков), Jiangsu Dingneng Foods Co., Ltd., Xian Nutragreenlife Biotechnology Co., Ltd., Changsha Vigorousech Co., Ltd., (Китай), Activz (США); тыквенной муки Компания ООО «Виктория» (г. Великий Новгород), ООО «Специалист» (г. Бийск), ЗАО «Европа-Биофарм НПО» (г. Волгоград), ООО «Аромавита» (Московская обл, п. Курилово); тыквы сушеной (гранулы или кусочки) Магазин здорового питания Diamart (г. Москва), ТОО «Технопарк-2030» (Казахстан, г. Алматы), HAOQU (Китай, Гонконг, Макао, Тайвань).
Высокая биологическая и пищевая ценность тыквенного порошка в значительной степени обусловлена ее уникальным минеральным составом (порошок из тыквы содержит более 50 макро- и микроэлементов, среди которых лидирующие позиции занимают цинк, железо, магний, фосфор, кальций, селен).
Тыквенный порошок является богатым источником полноценного и легкоусвояемого растительного белка, содержание которого достигает 40% [67, 87 и др.]. Белковый состав порошка из тыквы характеризуется высоким содержанием заменимых и незаменимых аминокислот, необходимых для крепкого иммунитета, нормального и полноценного функционирования человеческого организма. Входящая в состав тыквенного порошка аминокислота аргинин, находящая применение в качестве компонента спортивного и функционального питания [67, 87 и др.]. Комплекс аминокислот глутамина, фенилаланина и глицина, входящий в состав порошка из тыквы, наилучшим образом способствует улучшению функционального состояния нервной системы, улучшению памяти, настроения, повышению работоспособности, устранению усталости и депрессии [67, 87 и др.].
Аминокислота лизин, которой богат тыквенный порошок, способствует эффективному усвоению кальция, и также как и аминокислоты метионин и треонин, входящие в состав этого полезного продукта, принимает участие в естественном синтезе коллагена, необходимого для упругости и эластичности кожи, стенок кровеносных сосудов, хрящевой ткани. Входящая в состав тыквенного порошка аминокислота изолейцин необходима для образования белка крови гемоглобина, а также как и метионин играет важную роль в естественной выработке инсулина поджелудочной железой. Содержащаяся в порошке из тыквы аминокислота лейцин принимает активное участие в углеводном обмене, а также в значительной степени активизирует регенерацию кожного покрова и костной ткани [67, 87 и др.].
Содержащийся в тыквенном порошке цинк играет ключевую роль во многих процессах [67, 87 и др.], происходящих в организме человека: синтез инсулина и пищеварительных ферментов, углеводный, белковый, жировой обмены, формирование иммунитета, процесс кроветворения.
Исследование кинетики конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы
Параметры рабочего режима распыления (таблица 2.1) и характеристики факела распыла (таблица 2.2) установлены в ходе комплекса предварительных экспериментов, которые проводились с целью определения устойчивого режима распыления.
Рабочая зона сушильной камеры (рисунок 2.2) образована жестко зафиксированными в сушильной камере 1 вертикальными прямоугольными перегородками 5 (разрез А-А), которые установлены круговым массивом вокруг оси сушильной камеры 1 с образованием одинаковых щелевых зазоров и угол между перегородками равен = 360/n = 45, где n = 8 – количество перегородок (разрезы В-В и Г-Г). Перегородки 5 жестко закреплены на внутренней поверхности сушильной камеры 1 с помощью креплений 4, 6 и стержневых крепежных элементов 11 для придания жесткости конструкции (разрезы Б-Б, В-В и Д-Д).
Для подачи нагретого воздуха в зону сушки – поток II (рисунок 2.3) использовался электрокалорифер СФО-20/10 УХЛЗ (максимальный расход сушильного агента Qс.а. = 1200м3/ч) модернизированный за счет установки дополнительных нагревательных элементов. Температура сушильного агента определялась на входе в рабочую камеру при помощи хромель-копелевой термопары 10 (ХК(L) ТП-011, номинальные статические характеристики прибора по ГОСТ Р 8.585-2001, допускаемая основная погрешность – не более 0,5 К), которая подключалась к стандартному переносному мультиметру.
Для качественного распыла продукта и исключения контакта потока II сушильного агента с корнем факела распыла предусмотрен конический отбойник 3, который способствует равномерному распределению потока II по сечению и высоте рабочей зоны (рисунки 2.2 и 2.3). Благодаря вводу сушильного агента в рабочую зону через щелевые зазоры между перегородками 5, распыленные частицы продукта, увлекаемые потоками теплоносителя, начинают вращаться относительно оси сушильной камеры 1 и совершают движения по нисходящей спиралевидной траектории. Таким образом, достигается активный вихревой аэродинамический контакт продукта и сушильного агента в сушильной камере, что позволяет увеличить время пребывания распыленных частиц продукта в сушильной камере.
Спиралевидная траектория движения частиц определяет большее время контакта продукта с сушильным агентом в сушильной камере по сравнению с традиционным прямолинейным движением вниз. Равномерный подвод сушильного агента через щелевые зазоры между перегородками 5 (поток II) позволяет выровнять температуру сушильного агента в рабочей зоне сушильной камеры 1, в результате чего достигается увеличение интенсивности процесса сушки (рисунки 2.2 и 2.3). Сушильный агент (поток II), проходя через пространство между перегородками, разделяется на несколько перекрещивающихся потоков, которые отталкивают распыленные частицы от поверхности перегородок 5 и, следовательно, от стенок сушильной камеры 1. Перекрещивающиеся потоки сушильного агента компенсируют центробежную силу, действующую на частицы в процессе их спиралевидного движения. Таким образом, исключается налипание частиц продукта на внутреннюю поверхность сушильной камеры 1, обеспечивается интенсивное обтекание частиц сушильным агентом и увеличивается интенсивность процесса сушки. Время пребывания витающих частиц продуктов в сушильной камере устанавливалось в ходе предварительных экспериментов.
Распыленные частицы продукта при контакте с сушильным агентом и за счет инфракрасного энергоподвода от излучателей 12 высыхают и отбираются через узел выгрузки 8, отработавший сушильный агент и часть продукта отводится через систему отсоса 7 (рисунки 2.2 и 2.3). Внизу сушильной камеры через газоход 7 потоки направлялись в циклон для разделения на поток отработавшего сушильного агента V и готовый сухой порошок продукта IV. В ходе экспериментов производился отбор проб частиц высушиваемого продукта из зоны сушки путем их улавливания на поверхность гидрофобного материала по средством пробоотборников 9, установленных по высоте сушильной камеры и в газоходе 7. Для обеспечения радиационного инфракрасного энергоподвода в рабочую зону сушки по высоте сушильной камеры 1 установлены секции, состоящие из трубчатых галогенных КГТ-220-1000 излучателей 12, снабженных отражателями из полированного алюминия 13 для обеспечения диффузного потока облучения (рисунки 2.2 и 2.3). Излучатели 12 и отражатели 13 жестко закреплены на внутренней поверхности камеры 1 с помощью креплений 14. Режим работы излучателей регулировался посредством тиристорного регулятора, связанного с приборами контроля напряжения и силы тока на щите управления.
С учетом результатов экспериментально-аналитических исследований плотности теплового потока при различном напряжении, расстоянии от излучателей, количестве и сочетании трубчатых галогенных излучателей КГТ-220-1000 представленных в работах [7, 11, 17, 161 и др.] для принятого в экспериментальной установке расположения излучателей на расстоянии 0,1 м от излучателей (среднее расстояние от излучателя до распыленных частиц материала) получена аппроксимирующая функциональная зависимость плотности теплового потока Ep, кВт/м2 от напряжения U, кВт:
Значения эмпирических коэффициентов функциональной зависимости плотности теплового потока Ep(U) ae be Ce de 2,9053 -1369,5237 224492,2472 -9557095,4427 Аналогичным образом, с учетом [7, 11, 17, 161 и др.] для принятого в экспериментальной установке расположения излучателей КГТ-220-1000 на расстоянии 0,1 м от излучателей получена аппроксимирующая функциональная зависимость плотности теплового потока Ер, кВт/м2 от длины волны излучения X, мкм: Ер{Х) =а \Хъ + Ъ \Х2 + с \Х + d\ (2.2) где а\, Ъ\, с\, d\– эмпирические коэффициенты (таблица 2.4), не имеющие физического смысла, полученные при статистической обработке экспериментальных данных. Размерность коэффициентов равна отношению размерности функции к размерности аргумента. Таким образом, размерность а\ - [(кВт/м2)/мкм3]; Ъ\ - [(кВт/м2)/мкм2]; с\– [(кВт/м2)/мкм]; d\ - [кВт/м2]. Величина достоверности аппроксимации составляла R2=0,99.
В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки при проведении экспериментальных исследований с учетом [7, 11, 17, 112, 114, 153, 161 и др.] были приняты: температура сушильного агента Тс.а., К и плотность теплового потока Ер, кВт/м2. Границы варьирования факторов (таблица 2.5) установлены с учетом технологических ограничений и возможностей технической реализации экспериментального процесса сушки. В ходе постановочных экспериментов установлено, что диапазон варьирования плотности теплового потока Ер = 2,8..3,6 кВт/м2 при изменении Tea. = 423..473 К обеспечивает получение качественных образцов сухого порошка при значениях удельной производительности экспериментальной установки по испаренной влаге сопоставимых с удельной производительностью промышленных установок распылительной сушки.
Увеличение Ер 3,6 кВт/м2 приводит к подгоранию распыленных частиц и снижению качества готового сухого порошка, при этом рост удельной производительности незначителен. Снижение Ер 2,8 кВт/м2 нецелесообразно, так как приводит к резкому сокращению удельной производительности.
Разработка рационального режима конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы
Для практического применения на основе полученных результатов в ходе анализа гигроскопических свойств и термодинамики взаимодействия водяного пара и исследуемого материала, с использованием установленных функциональных зависимостей разработаны программные продукты и получены свидетельства на объекты интеллектуальной собственности: - Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2014613311, Россия. Расчет гигроскопических и термодинамических характеристик при взаимодействии продуктов растительного происхождения с водяным паром [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Л.М. Титова, А.В. Синельщиков, Ю.С. Феклунова, Э.Р. Теличкина. Заявлено 13.02.2014, зарег. 25.03.2014;
Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2015619010, Россия. Определение внутренней структуры полидисперсного материала и расчет его сорбционно-структурных характеристик [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Н.П. Васина, А.В. Синельщиков, Ю.С. Феклунова, Н.А. Бочкова, Л.М. Титова. Заявлено 22.05.2015, зарег. 21.08.2015;
Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2015619046, Россия. Программа расчета дисперсных характеристик полидисперсных материалов как объектов сушки [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Н.П. Васина, А.В. Синельщиков, Ю.С. Феклунова, Н.А. Бочкова, Л.М. Титова. Заявлено 22.05.2015, зарег. 21.08.2015. При использовании экспериментальных значений теплофизических характеристик (ТФХ) при проектировании технологических процессов и установок, моделировании возможны значительные погрешности, т.к. условия проведения опытов отличаются от реальных производственных режимов. В частности, любой метод определения ТФХ в лабораторных условиях не моделирует непрерывный процесс тепломассообмена, при котором параллельно протекают биологические и физико-химические процессы, обусловливающие изменение ТФХ. Изучение, систематизация и обобщение ТФХ концентратов из тыквы необходимо для дальнейшего научного анализа кинетики и динамики тепломассообменных процессов, их моделирования и оптимизации.
Для оценки влияния ТФХ на характер и продолжительность обезвоживания, были получены зависимости плотности р, удельной теплоемкости с, коэффициента температуропроводности а и коэффициента теплопроводности X от температуры и влажности
В качестве экспериментальных образцов были использованы: порошки распылительной сушки, полученные в ходе экспериментальных работ на опытно-промышленной сушильной установке (Приложение 3 «Акт проведения экспериментальных работ»), тыквенное пюре и приготовленные из порошка тыквенные концентраты различной влажности (Приложение 2 «Акт проведения экспериментальных работ»). Кроме того, определялись характеристики образцов нативной тыквы (без нарушения природного клеточного строения) для оценки влияния процессов измельчения тыквы при приготовлении тыквенного пюре, на показатели ТФХ.
Тыквенное пюре с размером частиц 1..3 мкм приготавливалось с использованием стадий дробления, протирки и гомогенизации на технологической установке приготовления эмульсий и суспензий модели УПЭС 0,15/3,0 (в производственном помещении ООО «КАСПРОФИТ»).
При обезвоживании, для исключения потери качества высушиваемого материала, температура материала не должна превышать 55 - 60С [7, 56, 57 и др.]. Таким образом, для определения зависимостей ТФХ от температуры принят верхний предел варьирования Т = 333 К. Нижний предел Т = 293 К, соответствует температуре хранения концентратов из плодоовощного сырья. Диапазон варьирования влажности W соответствует реальному изменению W в процессе обезвоживания (таблица 4.4). Конечная влажность тыквенного порошка 0,05 кг/кг, соответствует влаге мономолекулярной адсорбции, которая принята на основании результатов исследований (п. 4.1) и рекомендована для последующего длительного хранения. Начальная влажность тыквенного пюре 0,92 кг/кг соответствует влажности нативной тыквы.
Из анализа данных литературных источников [57] и ряда исследовательских работ [17, 196, 153 и др.] следует, что изменение температуры продуктов в диапазоне 293К - 333К не приводит к значительному изменению плотности материалов растительного происхождения. С повышением температуры плотность незначительно в пределах погрешности увеличивается. Исследования плотности растительных материалов проведены при Т = 293К.
От степени измельчения плодов и овощей непосредственно зависит степень пористости єп и, соответственно, физическая плотность продуктов р, кг/м3. Под степенью пористости еп, % (или м3/м3) принято понимать отношение объема пустот в продукте к общему объему продукта.
В качестве экспериментальных образцов использовались: плодоовощные продукты без нарушения клеточного строения, пюре со средним характерным размером частиц 100мкм (при приготовлении использовались стадии дробления и протирки) и пюре с размером частиц 1-3 мкм (при приготовлении использовались стадии дробления, протирки и гомогенизации).
Терморадиационные и оптические характеристики концентратов из тыквы
На основе анализа конструкций распылительных и комбинированных сушилок [136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143 и др.], принимая во внимание результаты собственных комплексных экспериментальных исследований, совместно с сотрудниками кафедры «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» предложена установка конвективно-радиационной распылительной сушки. Конструктивные особенности предлагаемого устройства запатентованы (Патент на полезную модель 154840 РФ, МПК F26B17/10, F26B3/12). Распылительная сушилка [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Н.П. Васина, Ю.С. Феклунова, О.Е. Губа; Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное 138 образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «АГТУ»).- 2014148752/06; заявл. 03.12.2014; опубл.: 10.09.2015, Бюл. № 25; Заявка на патент №2015120308. Распылительная сушилка [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Ю.С. Феклунова, Э.Р. Теличкина, О.Е. Губа; Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «АГТУ»).- заявл. 28.05.2015).
Техническая задача – создание устройства конвективно-радиационной распылительной сушки с вихревым аэродинамическим контактом продукта и сушильного агента в сушильной камере, позволяющего увеличить время пребывания распыленных частиц продукта в сушильной камере и исключить налипание частиц продукта на внутреннюю поверхность сушильной камеры.
Технический результат – увеличение интенсивности процесса сушки за счет усовершенствования конструкции устройства. На рисунках 6.3 и 6.4 изображены предлагаемое устройство и схема распределения потоков в сушилке. Устройство (рисунок 6.3) имеет сушильную камеру 1 цилиндрической формы; патрубок для ввода сушильного агента 2; распылитель 3 установленный по оси камеры 1; патрубок для ввода сушильного агента 4, расположенный тангенциально к поверхности сушильной камеры; система отсоса 5; циклон 6, сборники сухого продукта 7. В полости сушильной камеры 1 установлены и жестко зафиксированы вертикальные прямоугольные перегородки 8 круговым массивом вокруг оси сушильной камеры 1 с образованием одинаковых щелевых зазоров и угол между перегородками равен = 360/n, где n – количество перегородок (разрез В-В). Перегородки 8 жестко закреплены на внутренней поверхности сушильной камеры с помощью креплений 9 и10 и стержневых крепежных элементов 11 для придания жесткости конструкции (разрезы Б-Б и Г-Г). Для обеспечения радиационного инфракрасного энергоподвода в рабочую зону сушки по высоте сушильной камеры 1 установлены секции, состоящие из трубчатых галогенных КГТ-220-1000 излучателей 12, снабженных отражателями из полированного алюминия 13 для обеспечения диффузного потока облучения. Излучатели 12 и отражатели 13 жестко закреплены на внутренней поверхности камеры 1 с помощью креплений 14.
Устройство работает следующим образом. Исходный продукт, подвергаемый сушке, подается распылителем 3 в объем сушильной камеры 1. Ввод сушильного агента осуществляется по патрубкам 2 и 4. В сушильной камере 1 осуществляется комбинация прямотока и перекрестного тока при контакте сушильного агента и продукта, за счет дополнительной перекрестной подачи сушильного агента в щелевые зазоры между перегородками 8. Распыленные частицы продукта при контакте с сушильным агентом и инфракрасным излучением (рисунок 6.4) высыхают, отбираются через систему отсоса 5, отделяются от потока отработавшего сушильного агента в циклоне 6 и отбираются через сборники сухого продукта 7.
Благодаря вводу сушильного агента через патрубок 4 по касательной к окружности сушильной камеры 1 и наличию в ней вертикальных прямоугольных перегородок 8, осуществляется дополнительная равномерная подача сушильного агента в щелевые зазоры между перегородками, при этом распыленные частицы продукта, увлекаемые потоками теплоносителя, начинают вращаться относительно оси сушильной камеры и совершают движения по нисходящей спиралевидной траектории. Таким образом, достигается активный вихревой аэродинамический контакт продукта и сушильного агента в сушильной камере, что позволяет увеличить время пребывания распыленных частиц продукта в сушильной камере.
Спиралевидная траектория движения частиц определяет большее время контакта продукта с сушильным агентом в сушильной камере по сравнению с традиционным прямолинейным движением вниз, что позволяет либо уменьшить высоту сушильной камеры при заданной производительности, либо увеличить интенсивность процесса и производительность установки. Вертикальные прямоугольные перегородки 8 и сушильная камера 1 выполнены одинаковыми по высоте для равномерного подвода сушильного агента и выравнивания температуры сушильного агента в сушильной камере 1, в результате чего достигается увеличение интенсивности процесса сушки.
Сушильный агент, проходя через пространство между перегородками 8, разделяется на несколько перекрещивающихся потоков, которые отталкивают распыленные частицы от поверхности перегородок и, следовательно, от стенок сушильной камеры. Перекрещивающиеся потоки сушильного агента компенсируют центробежную силу, действующую на частицы в процессе их спиралевидного движения. Таким образом, исключается налипание частиц продукта на внутреннюю поверхность большого цилиндра сушильной камеры, обеспечивается интенсивное обтекание частиц сушильным агентом и увеличивается интенсивность процесса сушки.
Предлагаемое устройство позволяет увеличить интенсивность процесса сушки за счет комбинирования конвективного и радиационного энергоподвода при активном вихревом аэродинамическом контакте продукта и сушильного агента в сушильной камере. Максимальные значения производительности по качественному сухому порошку П = 1,140 кг/(м3ч) и удельной влагонапряженностью рабочего объема сушильной камеры В = 12,399 кг/(м3ч) могут быть достигнуты при комбинированной конвективно-радиационной распылительной сушке пюре из тыквы с начальной влажностью Wн = 0,92 кг/кг при Тс.а. = 473 К; Ер = 3,6 кВт/м2; Qс.а. 20кг/кг; начальный диаметр распыленных частиц 20..30 мкм и др.
Кроме того, при участии сотрудников ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» кафедры «Технологические машины и оборудование» предложена конвективная распылительная сушилка с контуром гомогенизации, которая позволяет увеличить интенсивность процесса сушки и повысить качество готового продукта (Патент на полезную модель №150305). Для эффективной работы (П = 1,140 кг/(м3ч) и В = 12,399 кг/(м3ч)) предлагаемой конструкции при обезвоживании гомогенизированного пюре из тыквы с начальной влажностью Wн = 0,92 кг/кг рекомендовано использовать следующий режим: Тс.а. = 523 К; Тпрод = 328 К; Qс.а. 20кг/кг; начальный диаметр распыленных частиц 20..30 мкм и др. Конструкции могут быть рекомендованы для трудносохнущих вязких пищевых материалов.