Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Постановка задач исследований 7
1.1. Вакуумное сублимационное обезвоживание при различных видах энергоподвода 7
1.2. Анализ существующий конструкций вакуум сублимационных сушильных установок с СВЧ- энергоподводом 19
1.3. Анализ существующих моделей процесса сублимационного обезвоживания 25
1.4. Обоснование выбора форменных элементов крови убойных животных как объекта сушки 34
1.5. Цели и задачи исследований 40
Глава 2. Определение рецептурного состава продукиа. Исследование его свойств как объекта вакуум-сублимационной сушки 42
2.1. Подбор компонентов и оптимизация рецептурного состава исследуемого продукта на основе форменных элементов крови 42
2.2. Определение криосконической температуры и количества вымороженной влаги 46
2.3. Определение теплофизических характеристик исследуемого продукта 50
2.4. Определение электрофизических характеристик исследуемого продукта Глава 3. Моделирование процесса вакуум-сублимационной сушки высокопористого материала в сверхвысоко частотном поле 67
3.1. Общий анализ процесса 67
3.2. Общая формулировка модели тепло- и массообмена 70
3.3. Объем и пористость материала в процессе сушки 78
3.4. Удельное массосодержаиие льда в процессе сушки 82
3.5. Моделирование СВЧ нагрева 86
3.6. Численный анализ модели 3.6.1. Сетка разностной аппроксимации 90
3.6.2. Разностная схема для вычисления температуры, влагосодержания и давления 92
3.6.3. Численный анализ удельного
массосодержания льда 97
3.7. Анализ и интерпретация машинного эксперимента 102
Глава 4. Исследование процесса вакуум-сублимационной сушки в сверхвысокочастотном поле 106
4.1. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 106
4.2. Изучение процесса замораживания исследуемого продукта 109
4.3. Изучение кинетики процесса
вакуум-сублимационной сушки 112
4.3.1. Влияние начальной влажности продукта на продолжительность обезвоживания 114
4.3.2. Влияние способа замораживания на продолжительностьсублимационного обезвоживания 116
4.3.3. Влияние напряженности электромагнитного поля на продолжительность сублимационного обезвоживания.
4.4. Исследование качественных показателей полученного продукта 120
4.4.1. Пищевая ценность 120
4.4.2. Биологическая ценность 124
4.5. Проверка адекватности разработанной математической модели 126
Глава 5. Практическое применение результатов исследований 127
5.1. Разработка способа получения сублимированных пищевых продуктов и установка для его осуществления 127
5.2. Разработка способа получения сублимированных пищевых продуктов с заданными свойствами 131
5.3. Разработка сублимационной сушилки непрерывного действия с СВЧ- энергоподводом 137
5.4. Способ автоматического управления процессом вакуум-сублимационной сушки пищевых продуктов сверхвысокочастотном поле 140
5.5. Расчет экономической эффективности 145
5.5.1. Расчет производительности сублимационной установки 145
5.5.2. Расчет стоимости затрат электроэнергии 146
5.5.3. Расчет капитальных вложений 147
5.5.4. Расчет текущих затрат 149
5.5.5. Расчет экономического эффекта 150
Основные выводы и результаты 152
Список использованной литературы
- Анализ существующий конструкций вакуум сублимационных сушильных установок с СВЧ- энергоподводом
- Определение криосконической температуры и количества вымороженной влаги
- Влияние начальной влажности продукта на продолжительность обезвоживания
- Разработка сублимационной сушилки непрерывного действия с СВЧ- энергоподводом
Введение к работе
На сегодняшний день при переработке животных на мясокомбинатах страны ежегодно собирают до 400 тыс. т цельной пищевой крови из которых по официальным данным только 3 % направляют на пищевые и медицинские цели [85]. Обострившиеся социально-экономические и экологические проблемы в стране ставят задачу строжайшей экономии полезных пищевых ресурсов, привлечения новых идей в практическую пищевую инженерию.
В настоящее время согласно статистике института питания РАМН, 70 % населения страны страдает железодефицитными состояниями. Это одно из самых распространенных в мире алиментарно-зависимых состояний, встречающееся в основном у детей раннего возраста, подростков и женщин. Дефицит железа в организме приводит к снижению иммунного статуса, повышению восприимчивости к инфекционным и другим заболеваниям, нарушению психомоторного развития [12].
В такой ситуации целенаправленное обогащение продуктов препаратами железа - актуальная научно-практическая задача. В этом аспекте особенно ценны железосодержащие компоненты природных веществ, которые обладают значительно более высокой усвояемостью в организме, чем другие его формы. Значительная доля легкоусвояемого белка и железа обуславливает интерес к крови убойных животных, в особенности к тяжелой ее фракции -форменным элементам как источнику для производства продуктов антианемического действия, лечебно-профилактические свойства которых объясняются содержанием биологически активных гемовых форм железа.
Поэтому в данном свете на первый план выступает один из наиболее качественных видов консервирования пищевых продуктов - вакуум- сублимационная сушка, которая позволяет обеспечить максимальное сохранение большинства первоначальных свойств продуктов в процессе их длительного хранения. Основным препятствием для широкого внедрения сублимацион-
ной сушки в пищевую промышленность является сравнительно высокая стоимость получаемых продуктов за счет длительности и энергоемкости процесса. Решение проблем, связанных с устранением перечисленных недостатков, является актуальной задачей.
Как известно характер СВЧ-нагрева позволяет резко интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, так как прогрев продукта происходит но всему объему. Сушка является тем процессом, в котором преимущество СВЧ-энерпш проявляются наиболее ярко, при этом предпочтение отдается установкам непрерывного действия. Поэтому применение сверхвысокочастотного нагрева для интенсификации процесса вакуум- сублимационной сушки пищевых продуктов является перспективным направлением на пути устранения вышеперечисленных недостатков в совокупности с организацией процесса в непрерывном режиме.
Целью данной диссертационной работы является развитие теории и техники вакуум- сублимационной сушки в свервысокочастотиом поле продукта лечебно-профилактического действия на основе форменных элементов крови убойных животных.
Анализ существующий конструкций вакуум сублимационных сушильных установок с СВЧ- энергоподводом
Математические модели, используемые при изучении процессов сублимационной сушки, весьма разнообразны, и их подробный анализ может послужить темой отдельного исследования. Не ставя перед собой такой масштабной задачи, выделим некоторые общие модельные представлення, являющиеся наиболее характерными для того или иного типа моделей.
Начиная наш анализ с эмпирических моделей, отметим, что вследствие сложности, недостаточной изученности и затруднений в теоретическом описании процессов вакуум- сублимационного обезвоживания модели этого типа весьма широко применяются для исследования данных процессов. Часто такие модели представляют собой эмпирические корреляции, определяющие интенсивность сушки с учетом различных параметров процесса. Рассмотрим в качестве примера критериальное уравнение, полученное Л.Л. Улумиевым для процесса вакуум- сублимационного обезвоживания материала при терморадиационном подводе тепла [34]: где Re - модифицированный критерий Рейнольдса, характеризующий rims / родинамические условия процесса (безразмерная скорость сушки), Re = —; П S- интенсивность сушки, кт/(м -с); /- характерный размер материала, м; ;/ -динамический коэффициент вязкости парогазовой среды, кт/(м-с); Гс и 7Л, 26 температура среды и материала, К; Ттл - температура излучателя, К; Р0сы -общее давление в сублимационной камере, Па; Р0 - давление насыщенного пара в тройной точке, Па; IVи \VK-текущая и конечная влажность материала, %; А, а, Ь, с, d - множитель и показатели степеней при параметрических критериях, зависящие от физико-химических свойств объекта сушки. По сути, А, a, b, cud- это эмпирические параметры, определяемые, как правило, путем статистических экспериментов.
Не ставя под сомнение теоретическую и практическую значимость этой модели, укажем некоторые недостатки, характерные для моделей такого рода. Во-первых, на основе рассматриваемой модели весьма трудно проследить общие закономерности процесса сублимации и совсем невозможно получить представление о внутреннем (для материала) тепло- и массообмене. В сущности, данное уравнение представляет собой статическую модель процесса, которую для практического применения необходимо «достраивать» динамической моделью и прочими дополнительными условиями. Во-вторых, значительные затруднения может вызвать определение входящих в уравнение эмпирических параметров и решение вопроса о применимости модели к исследованию какого-либо конкретного процесса сублимационного обезвоживания. Перейдем теперь к анализу теоретических моделей процесса сублимационного обезвоживания.
Пожалуй, наиболее характерным примером теоретических моделей с сосредоточенными параметрами являются так называемые кинетические модели сушки. Впервые термин «кинетика» к исследованию процессов сушки применил А.В. Лыков. Физическая кинетика сушки, по А.В. Лыкову, есть раздел теории сушки, изучающий изменение среднего влагосодержания и средней температуры тела с течением времени [55]. Основная задача физической кинетики сушки - определение интенсивности сушки (плотности потока массы через единицу площади поверхности материала) и длительности суш 27 ки в зависимости от технологических свойств материала и технических характеристик сушильной установки. А.В. Лыковым предложено основное уравнение кинетики сушки, справедливое для любого влажного тела и при любом способе сушки (кондуктив-ном, конвективном, вакуумном, сублимационном и др.): 0 = S-rc(l + Rb), (1.8) где q - плотность потока энергии, сообщаемой объекту сушки, Вт/м2; гс -скрытая теплота фазового перехода, Дж/кг; Rb - число Ребиндера, определяемое отношением количества теплоты, затраченной на нагревание объекта сушки, к количеству теплоты, расходуемой на сублимацию и испарение влаги из материала.
Данное уравнение можно классифицировать как статическую модель сушки. Авторы [40] дополняют ее динамической моделью, имеющей в случае одномерной задачи вид СІТ где 7 - плотность сухого скелета материала, кт/м ; Ru - определяющий геометрический размер поля влагосодержаний, м; її - среднее по размеру R„ влагосодержание материала, кг влаги/кг сух. вещ.; г - текущее время сушки, с.
Физический смысл уравнения (1.7) состоит в том, что оно устанавливает соотношение между затратами внешней энергии на нагревание тела и на фазовый переход в нем. Однако это уравнение не дает представлений ни о способе подвода внешней энергии к объекту сушки, ни о характере массопереноса пара внутри тела и вне его.
Па основе уравнения (1.8) Б.П. Камовниковым [40] получено уравнение, учитывающее особенности тепло- и массопереноса при вакуум- сублимационной сушке:
Определение криосконической температуры и количества вымороженной влаги
Криоскопическая температура или температура замерзания раствора имеет важное значение при определении теплофизических характеристик влажных продуктов и проведении теплотехнических расчетов холодильного оборудования [65, 73, 92].
Экспериментальные исследования криоскопической температуры продукта на основе ФЭ крови в зависимости от концентрации сухих веществ проводились по методике, описанной в [65].
Известно, что изменение криоскопической температуры пропорционально концентрации растворенных веществ в растворителе и подчиняется закону Рауля [3, 65, 73, 92]: t4,=-cC0, (2.4) где tKp - криоскопическая температура, С; є - криоскопическая постоянная, зависятая от свойств растворителя, кгС/моль; С() - относительная молярная концентрация сухих веществ, моль/кг.
Криоскопическая постоянная определяется по формуле: с = —, (2.5) где R - универсальная газовая постоянная (8,319 Дж/моль-К); Т - абсолютная температура замерзания растворителя (для воды Т=273,1б К); г, - удельная теплота кристаллизации растворителя (для воды гл=335 кДж/кг [92]). Значит, криоскопическая постоянная для водных растворов: с = 1,853 кгС/моль Относительная молярная концентрация может быть определена по формуле: где 7р - масса растворенных веществ; 7U - общее количество воды; ц. - молярная масса растворенных веществ.
Из анализа (2.4) и (2.6) видно, что на криоскопическую температуру оказывает влияние величина концентрации и молярная масса продукта. В ходе эксперимента было установлено понижение криоскопическои температуры при увеличении концентрации сухих веществ в образцах. Молярную массу растворенных веществ можно определить из соотношений (2.4) и (2.6) по формуле:
Экспериментальные исследования показали, что зависимость криоскопическои температуры от концентрации сухих веществ в исследуемом про дукте несколько отличается от прямолинейной. Противоречия с законом Рауля здесь нет, так как концентрация сухих веществ в продукте определялась на рефрактометре, который дает величину процентного содержания сухих веществ в растворе, то есть отношение массы сухих веществ к массе всего продукта:
Под количеством вы мороженной влаги понимается отношение количества воділ, превратившейся в лед при данной температуре к суммарному количеству воды и льда, содержащемуся в продукте при той же температуре [3, 65, 73, 92]. На основе закона Рауля [92] получено уравнение для расчета количества вымороженной воды: (0 = \ h-P (2.10) где о - количество вымороженной воды, кг/кг; t -температура продукта, С. Подстановка (2.9) в (2.10) дает формулу для расчета количества вымороженной воды в зависимости от концентрации сухих веществ в исследуемом продукте:
На рис. 2.2 представлена зависимость (2.11) для различных концентраций сухих веществ в исследуемом продукте па основе ФЭ крови убойных животных. Она имеет важное практическое значение при выборе температуры сублимации, для определения оптимальных режимов сушки и используется в теплотехнических расчетах.
Научное обоснование способа сушки и правильное понимание механизма переноса теплоты и влаги, определяется в основном теплофизически-ми характеристиками обрабатываемого материала.
К числу теплофизических характеристик относят коэффициент температуропроводности а м /с, коэффициент теплопроводности Л Вт/(м-К), удельная теплоемкость с Д.ж/(кг-К).
Теплофизические характеристики исследуемого продукта являются функциями состояния и свойств вещества, зависящие от многих факторов, к которым следует отнести химический состав и структуру. При этом важное значение имеет характер изменения теплофизических характеристик от основных параметров влажного материала.
Существующие методы определения теплофизических характеристик влажных материалов довольно сложны и делятся на две группы: стационарного и нестационарного потока тепла.
В стационарных методах [32] поток теплоты, проходящий через исследуемый образец на протяжении всего опыта должен оставаться постоянным по величине и направлению, при этом, температурное поле остается постоянным. Однако эти методы длительны и требуют очень строгого выполнения граничных
Влияние начальной влажности продукта на продолжительность обезвоживания
Из кривых сушки видно, что начальная влажность в незначительной степени влияет на продолжительность сушки ( 33 мин. при начальной влажности \VC=82,5 % и 40 мин. при Wc=::l 18 %). Это объясняется малой разницей в количестве испаряемой влаги, так как масса воды в продукте практически равна или немного больше массы сухих веществ. Также, увеличение количества испаряемой влаги в более влажном продукте компенсируется увеличениєм продолжительности сушки менее влажного препарата в связи со снижением выделяемой в нем энергии за счет внутренних источников тепла.
Продолжительность периода вакуумной досушки (удаляется невымо-роженная влага, период падающей скорости сушки - после точки перегиба выпуклостью к оси ординат), при различной концентрации сухих веществ в исследуемом продукте, практически не различается. Это объясняется тем, что на данном этапе сушки суммарная поверхность сублимации высушиваемых образцов продукта разной начальной влажности практически одинакова.
Для сравнительного анализа эффективности процесса сушки проведены экспериментальные исследования (рис. 4.7) при различных способах замораживания. Как видно из приведенных графиков временной интервал процесса сушки при самозамораживании до заданной влажности резко отличается, даже если исключить время предварительного замораживания одного из образцов.
Поэтому общая продолжительность цикла обезвоживания при использовании испарительного замораживания сокращается на 60...65 %.
Рассмотрим механизм обезвоживания исследуемого продукта правильной цилиндрической формы диаметром 10 мм и массой 50 г., предварительно замораживаемого в камере холодильного стола ПС 280-70 "Frigera" с начальной влажностью 96 % до конечной температуры -30 С. В случае испарительного замораживания свободная влага интенсивно испаряется из образца (удаляется 12...17% влаги), при этом температура продукта непрерывно снижается (кривая 2, рис. 4.7). Далее начинается сублимация льда с поверхности, температура продукта снижается и достигает (-30 С). После включения магнетронов самозамороженный продукт практически мгновенно прогревается по всему объему, вследствие чего процесс сублимации значи-тельно интенсифицируется. В течении периода постоянной скорости сушки происходит интенсивная сублимация влаги (удаляется порядка 55...60 % влаги), температурный градиент по толщине материала (температура в нижнем слое -10 ... -20 С, на поверхности -12...-23 С) практически отсутствует. Скорость сушки при испарительном замораживании в первом периоде немного больше чем у предварительно замороженного образца, вследствие более развитой поверхности сублимации.
В процессе сушки предварительно замороженного образца (кривая 1 рис.4.7) наблюдается ярко выраженный период прогрева (период развития объемной сублимации), кривая сушки обращена вогнутостью к оси абсцисс. Этот период характеризуется непродолжительной по времени сублимацией влаги с геометрической поверхности высушиваемого образца, в след за чем происходит развитие зоны сублимации по толщине образца и начинается объемное испарение влаги в образующиеся щели, микротрещины и полости продукта.
Период вакуумной досушки (удаляется невымороженпая влага, период падающей скорости сушки) при различном способе замораживания практически не различается. Это связано с тем, что к данному моменту суммарная площадь поверхности сублимации образцов выравнивается и становится практически одинаковой.
Разработка сублимационной сушилки непрерывного действия с СВЧ- энергоподводом
Применение микропроцессорной техники для непосредственного управления технологическими процессами сушки в перерабатывающих отраслях ЛПК получило меньшее распространение, чем, например, в энергетике, несмотря на то, что именно на этом направлении можно ожидать значительного экономического эффекта за счет применения микропроцессорной техники.
В качестве основной и важнейшей функции, которую должен осуществлять процессор в системе управления процессом сушки, является функция нахождения и наиболее точного поддержания оптимального технологического режима сушки, а также его оперативной коррекции в условиях случайных возмущений.
В данном случае поиск оптимального режима предлагается осуществлять непосредственно на объекте. Этот метод поиска не требует построения сложной физико-математической модели управляемого процесса. Необходимо лишь экспериментально убедиться в существовании для этого процесса оптимальных условий и составить алгоритм управления в соответствии с заданной программой преобразования получаемой информации о ходе сушки.
Предлагаемая схема управления процессом вакуум-сублимационной сушки пищевых продуктов представлена на рис.5.5. Схема содержит экстру-дер L, вакуум-сублимационную камеру 2 с насадкой в форме сопла Лаваля 3 и источниками СВЧ энергии 4, 5, 6 (магнетронами), двухступенчатую холодильную машину 7, вакуум-насос 8, делительно-упаковочное устройство 9, шлюзовой затвор 10 для выгрузки готового продукта из сушилки и выносной десублиматор 11, линию подачи исходного продукта 12, датчики: давления 15, 16, 17, расхода 18; температуры 19, влажности 20; вторичные приборы 21-26; микропроцессор 27; преобразователи 28-37; исполнительные механиз мы 38-47; приводы сушилки М 1, М 2 и М 3.
Для определения конечной влажности высушиваемого продукта служит датчик 20, структурная схема которого (рис.5.6) содержит следующие элементы: основной аттенюатор 2, подключенный к магнетрону 1 СВЧ (сверхвысокочастотного) нагрева продукта, измерительный аттенюатор 3, первый вращатель 4 плоскости поляризации, излучающий рупор 5, участок трубопровода с движущимся в нём высушиваемым продуктом 6, выполненный из электрически "прозрачного" вещества, приёмный рупор 8, второй вращатель 9 плоскости поляризации, детекторные секции 10 и 11, дифференциальный усилитель 12 и индикатор 13. Кроме того, управляющие входы вращателей 4 и 9, соединены с первым и вторым выходами блока управления
Способ [Заявка ЛІ 2003106151/ 06 (006532)]осуіцествляется следующим образом. После достижения в сублимационной камере 2 необходимых режимных параметров процесса (остаточного давления 40-50 Па и температуры -40 С) с помощью датчиков 15-20 и вторичных приборов 21-26 соответственно информация о ходе процесса вакуум-сублимационной сушки передается в микропроцессор 27, в который предварительно вводят ограничение на температуру продукта (например, смеси крови убойных животных с растительными порошками) на входе сушилки в предматричной зоне экстру-дера (например 35-40 С), давление в зоне ввода влажного продукта в сушилку 13 (620-650 Па) и в зоне образования структуры продукта 14 (40-100 Па), влажность конечного продукта (4-5 %).
Перед началом процесса получения экструдированного продукта микропроцессор 27 через преобразователь 28 передает сигнал на исполнительный механизм 38 для подачи исходного продукта в экструдер 1. Одновременно микропроцессор передает сигнал через преобразователь 29 на исполнительный механизм 39 привода М 1 для осуществления вращения шнека экструдера 1 с необходимом частотой для достижения заданного давления в предматричной зоне, информация о котором передается в микропроцессор 27 с помощью датчика 15 и вторичного прибора 21. При достижении продуктом зоны его выхода из матрицы экструдера 1 в вакуум-сублимационную камеру сушилки 2 происходит интенсивное испарение влаги из продукта, что позволяет обеспечить в этой зоне давление выше тройной точки воды (т.е. 610 Па и 0 С), за счет создания парового затвора в кольцевом зазоре между жгутом продукта.и соплом Лаваля 2 в его узкой части, для исключения возможности блокировки выходного отверстия матрицы эктрудера 1 самозамороженным продуктом. Информация о давлении в этой зоне передается в микропроцессор с помощью датчика 16 и вторичного прибора 22, и при отклонении которого в сторону понижения давления ниже тройной точки (610 Па и 0 С) микропроцессор 27 передает корректирующий сигнал через преобразователь 25 исполнительному механизму 40 на повышение температуры греющих элементов экструдера 1, для увеличения интенсивности влагоиспарения из продукта, до предельно допустимого значения температуры продукта в его предматричной зоне (например 35-40 С), информация о котором передается в микропроцессор 27 датчиком 19, а при недостижении давления выше тройной точки в зоне 13 входа продукта в сушильную камеру, микропроцессор 27 передает корректирующий сигнал через преобразователь 31 исполнительному механизму 41 на увеличение мощности источников СВЧ-энергии 4 зоны формирования окончательной структуры продукта 14 для повышения интенсивности влагоиспарения из продукта, с целью повышения остаточного давления в этой зоне, тем самым снижая количество отводимых водяных паров из зоны 13. В случае недостижения давления выше тройной точки воды в зоне 13, микропроцессор 27 передает корректирующий сигнал через преобразователь 32 исполнительному механизму 42 привода вакуум-насоса 8 для снижения его производительности и, соответственно, повышения остаточного давления в сублимационной камере до предельно допустимого (50-100 Па), информация о котором передается в микропроцессор 27 с помощью датчика 17 и вторичного прибора 23. Последующая сублимационная сушка продукта осуществляется под действием источников СВЧ-энергии 5 при максимальной их мощности, которая регулируется микропроцессором 27 посредством преобразователя 31 и исполнительного механизма 31.
