Введение к работе
Актуальность работы. Решение проблемы обеспечения населения РФ качественными и экологически безопасными продуктами питания требует развития перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса на основе совершенствования существующих и создания новых энергосберегающих экологически чистых технологий. Сокращение потерь, сохранение качества и пищевой ценности сельскохозяйственной продукции при хранении является большой народнохозяйственной задачей.
Основными способами подготовки масличного сырья к длительному хранению является очистка от сора и сушка семян до влажности, безопасной для хранения. Свежеубранные масличные семена отличаются повышенной неустойчивостью при хранении, поэтому требуют немедленной обработки перед закладкой на хранение. При этом, чем равномернее высушены семена (при прочих равных условиях), тем более продолжительное время они могут храниться, не подвергаясь самосогреванию и порче, тем эффективнее выполнение ряда последующих подготовительных процессов и процессов, непосредственно связанных с извлечением и качеством масла.
Необходимо применять самые передовые методы послеуборочной обработки семян подсолнечника. Анализ механико-технологических параметров серийно выпускаемых сушилок показал, что эти установки предназначены, в основном, для обработки зерновых культур. Производимая сушильная техника не отвечает всем технологическим особенностям процесса сушки семян подсолнечника. Поэтому решение задач по обоснованию и разработке процесса, технологии, конструкции и рекомендаций для сушильной техники, предназначенной для сушки семян подсолнечника, является одной из актуальным. Решение их может гарантировать снижение потерь семян при послеуборочной обработке и обеспечить качественную сохранность материала.
Одним из современных и эффективных способов обработки свежеубранных семян является инфракрасная сушка, которая в сочетании с очисткой обеспечивает сохранность семян в течение определенного времени. Перспективы использования инфракрасной сушки свежеубранных семян подсолнечника объясняются тем, что этот способ сушки отличается достаточно высокой интенсивностью, экономичностью, отвечает экологическим требованиям и позволяет сохранить питательные и посевные качества семян.
Процесс современной науки и техники неразрывно связан с развитием и использованием математики, с процессами математического моделирования явлений природы. Составление математических моделей с целью совершенствования процесса обжарки и сушки масличных семян для их дальнейшего качественного хранения является важнейшей проблемой.
Теоретические основы тепло- и массообмена в процессах сушки пищевого растительного сырья и их аппаратурное оформление отражены в работах А.В. Лыкова, М.В. Лыкова, П.Д. Лебедева, А.С. Гинзбурга, А.М. Голдовского, В.В. Белобородова, Б.А. Вороненко, В.В. Красникова, В.Е. Куцаковой, П.Г. Романкова, В.Ф. Фролова, Е.П. Кошевого, Г.К. Филоненко, И.А. Рогова и др.
Работа проводилась в соответствии с тематическим планом НИР СПбГУНиПТ по теме НИР кафедры «Техника мясных и молочных производств» «Развитие научных основ и совершенствование оборудования мясных, молочных и других пищевых производств» (№ гос. регистрации 01.2.007.035504).
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка теории интенсивного объемного влагоудаления из свежеубранных семян подсолнечника при инфракрасном излучении с электроподводом с длиной волны 1,5-3,0 мкм на основе математического моделирования.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- исследование основных характеристик семян подсолнечника как объекта сушки;
- изучение механизма и основных закономерностей процесса сушки семян подсолнечника;
- создание экспериментального стенда для исследования процесса сушки и обжарки семян подсолнечника ИК излучением;
- экспериментальное исследование кинетики процесса сушки семян подсолнечника при инфракрасном излучении с электроподводом длиной волны 1,5-3,0 мкм;
- экспериментальное исследование процесса обжарки ядер и семян подсолнечника;
- анализ влияния основных параметров на эффективность обжарки ядер и семян подсолнечника инфракрасным излучением;
- анализ влияния основных параметров на эффективность сушки семян подсолнечника инфракрасным излучением длиной волны 1,5-3,0 мкм;
- разработка математической модели процесса сушки семян подсолнечника при инфракрасном излучении с электроподводом длиной волны 1,5-3,0 мкм в виде аналитических решений соответствующих краевых задач совместного тепло- и массопереноса;
- разработка способа инфракрасной сушки семян подсолнечника;
- разработка конструкции сушилки производительностью 650 кг/ч по исходному сырью;
- аналитические исследования зависимости температуры рабочего агента по высоте аппарата, содержащего панели с инфракрасными газовыми горелками “Унифицированная”, разработка конструкции аппарата для нагрева рабочего агента для распылительной сушилки АО1-РЧ 500 кг/исп. влаги;
- проведение апробации предполагаемого способа сушки семян подсолнечника в производственных условиях.
Научная новизна. Установлены кинетические закономерности процесса сухой обжарки ядер и семян подсолнечника на нержавеющей сетке инфракрасным излучением длиной волны 1,5-3,0 мкм в зависимости от плотности теплового потока ИК излучения, высоты слоя продукта, расстояния от ИК-излучателя до слоя продукта.
Установлены кинетические закономерности процесса сушки семян подсолнечника на тефлоновой ленте инфракрасным излучением длиной волны 1,5-3,0 мкм в зависимости от начального влагосодержания семян подсолнечника, плотности теплового потока ИК излучения, высоты слоя семян подсолнечника, расстояния от ИК-излучателя с функциональной керамической оболочкой до слоя продукта.
Разработана математическая модель процесса сушки семян подсолнечника инфракрасным излучением, в виде аналитического решения системы совместного тепло- и массопереноса, дающая возможность прогнозировать необходимые значения температуры и влагосодержания в масличном семени, время, необходимое для получения искомых конечных значений температуры и влагосодержания, интенсивность тепловой обработки.
Определены оптимальные параметры сушки семян подсолнечника инфракрасным излучением длиной волны 1,5-3,0 мкм.
Разработана математическая модель процесса нагрева рабочего агента газовыми инфракрасными горелками для сушильного аппарата в виде аналитического решения.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны способ и устройство для инфракрасной сушки семян подсолнечника.
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана оригинальная конструкция малогабаритной сушилки для семян подсолнечника при ИК излучении длиной волны 1,5-3,0 мкм.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ №2433364 «Способ инфракрасной сушки семян», №2453782 «Устройство для инфракрасной сушки семян», положительным решением патента №2011119414.3 «Устройство инфракрасной сушки».
Основные положения работы, выносимые на защиту: экспериментальное исследование процесса обжарки ядер и семян подсолнечника; экспериментальное исследование кинетики процесса сушки семян подсолнечника при инфракрасном излучении с электроподводом длиной волны 1,5-3,0 мкм; анализ влияния основных параметров на эффективность сушки семян подсолнечника и обжарки ядер и семян подсолнечника инфракрасным излучением; разработка математических моделей процесса сушки и обжарки семян подсолнечника в виде уравнений регрессии; разработка математических моделей процесса сушки семян подсолнечника инфракрасным излучением в виде аналитических решений соответствующих задач совместного тепло- и массопереноса; разработка способа инфракрасной сушки семян подсолнечника; разработка конструкции сушилки производительностью 650 кг/ч по исходному сырью.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ (2010-2012 гг.), XI международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья» (Геленджик, 2011г., 2012 г.), X-ой Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности» (Минск, 2011г.), V Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2012 г.), Международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» (Воронеж, 2012 г.).
Работа отмечена премией Правительства Санкт-Петербурга, как победитель конкурса грантов для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получены 2 патента Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 160 наименований. Приложения к диссертации представлены на 37 страницах.
