Содержание к диссертации
Введение
Г л а в а 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки пищевых продуктов под воздействием СВЧ-энергии 10
1.1. Общая характеристика семян кориандра 10
1.2. Способы и аппараты для сушки пищевых продуктов с использованием СВЧ-энергоподвода 14
1.3. Особенности воздействия СВЧ-энергии на пищевые продукты 24
1.3.1. Взаимодействие электромагнитного СВЧ-поля с пищевыми продуктами 24
1.3.2. Влияние СВЧ-нагрева на качественные показатели пищевых продуктов 30
1.4. Анализ существующих подходов к математическому описанию переноса теплоты и массы при сушке продуктов с СВЧ-энергоподводом 32
1.5. Цель и задачи исследования 40
Г л а в а 2. Изучение характеристик семян кориандра как объекта сушки 42
2.1. Исследование гигроскопических свойств семян кориандра 42
2.1.1. Изучение изотерм десорбции семян кориандра 42
2.1.2. Выявление форм связи влаги в семенах кориандра методом дериватографического анализа 47
2.2. Определение теплофизических характеристик семян кориандра 51
2.3. Определение электрофизических свойств семян кориандра 57
Г л а в а 3. Исследование процесса сушки семян кориандра в аппарате с комбинированным энергоподводом 62
3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента 62
3.2. Планирование и обработка результатов эксперимента 66
3.3. Влияние различных факторов на кинетику сушки семян кориандра 69
3.3.1. Исследование зависимости кинетики сушки от начального влагосодержания 69
3.3.2. Определение зависимости кинетики сушки от температуры сушильного агента 72
3.3.3. Влияние СВЧ-мощности на кинетику сушки 74
3.3.4. Выявление зависимости кинетики сушки от расхода сушильного агента 77
3.3.5. Изучение влияния высоты слоя на кинетику сушки 79
3.4. Воздействие СВЧ-энергии на качественные показатели семян кориандра 82
Г л а в а 4. Математическое моделирование процесса СВЧ-сушки семян кориандра 85
4.1. Разработка общей структуры математического описания процесса сушки семян кориандра 85
4-2- Математическое описание кинетики сушки в периоде убывающей скорости 87
4.3 Расчет продолжительности процесса сушки на основе эквивалентного влагосодержания 92
4.4 Экспериментальная проверка полученной математической модели 93
4.4.1. Проверка уравнения взаимосвязи тепло- и массобмена 93
4.4.2. Сопоставление теоретической и экспериментальной температурной кривой сушки 95
4.4.3. Экспериментальная проверка адекватности математической модели 96
Глава 5. Практическая реализация научных и проектно-технических решений 98
5.1. Экспериментальная проверка способа определения прочности связи влаги с веществом 98
5.2. Разработка конструкций аппаратов с СВЧ-энергоподводом 101
5.2.1. СВЧ-установка для сушки сыпучих материалов 101
5.2.2. Сушилка для сыпучих материалов 104
5.3. Рекомендации по выбору режимов СВЧ-сушки семян кориандра 108
5.4. Расчет экономической эффективности СВЧ-установки... ПО
5.4.1. Эффективность применения СВЧ-энергоподвода... 110
5.4.2. Расчет материальных затрат и экономического эффекта при реализации проекта 112
Основные выводы и результаты 117
Библиографический список
- Способы и аппараты для сушки пищевых продуктов с использованием СВЧ-энергоподвода
- Планирование и обработка результатов эксперимента
- Математическое описание кинетики сушки в периоде убывающей скорости
- Разработка конструкций аппаратов с СВЧ-энергоподводом
Введение к работе
В последние годы в России повышается спрос на кориандр. Это связано, во-первых, с ростом популярности восточных национальных кухонь, где кориандр используется в качестве специй. Во-вторых, с повышением спроса на эфирные масла, используемые в альтернативной медицине, в парфюмерной промышленности и фармацевтике вместо синтетических заменителей.
Объем торговли семенами кориандра оценивается приблизительно в 40 тыс. т. Крупными экспортерами кориандра на мировой рынок являются: Марокко, Египет, Австралия, Индия, Болгария, Румыния и Россия.
Одним из основных параметров, по которым оценивается качество плодов кориандра, является его цвет. Наличие плодов цвета, несоответствующего требованиям, вызывает значительное снижение стоимости. Неудовлетворительный цвет кориандра обычно вызывается повышенной влажностью. Влажность также может вызвать развитие плесени, ядовитой для человека, сокращает длительность хранения и т.д.
Обеспечение конкурентоспособности кориандра на мировом рынке возможно за счет совершенствования технологии и способа сушки.
Сушка - весьма сложный комплекс тепловых, диффузионных, биологических и химических явлений, особенно при интенсивных режимах. Интенсификация сушки невозможна без знания ее закономерностей, без глубоких предварительных исследований, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. Процесс сушки сопряжен с рядом специфических трудностей, среди которых основными являются: малая скорость процесса, неравномерность нагрева и влагоудаления, пожароопасность и др. Конечной целью сушки является получение качественного продукта, удовлетворяющего условиям хранения и транспортировки [27, 53,58].
Повышение эффективности сушильного оборудования представляет собой комплексную задачу, включающую обеспечение высокого качества продукции, снижение расходов материалов, тепловой и электрической энер гии, уменьшение капитальных и текущих затрат, обеспечение безопасности жизнедеятельности персонала и охраны окружающей среды.
В настоящее время в России для сушки кориандра используются в основном шахтные и барабанные сушилки, имеющие ряд существенных недостатков и не удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к качеству готового продукта и экономичности работы. В связи с этим возникает необходимость в применении новых более совершенных технологий и способов сушки.
В последнее время, вследствие многих достоинств, проявляющихся при взаимодействии с пищевыми продуктами, широкое распространение в различных технологических процессах получила энергия электромагнитных колебаний сверхвысоких частот.
Принцип преобразования СВЧ-энергии в теплоту основан на эффективном поглощении влагой нагреваемого продукта подводимой к нему СВЧ-энергии. При этом теплота генерируется во всем объеме обрабатываемого продукта, а подводимая СВЧ-энергия практически полностью поглощается им независимо от его формы и массы.
Процесс тепловой обработки пищевых продуктов в электромагнитном поле характеризуется высокой скоростью нагрева и небольшой продолжительностью, что сокращает длительность воздействия на продукт повышенных температур и способствует сохранению питательной ценности, в частности, термолабильных витаминов, повышению качества и увеличению выхода готовой продукции.
Интенсифицирование технологического процесса без снижения экономической эффективности работы сушильного аппарата, обеспечение высокого качества готового продукта с требуемой остаточной влажностью, возможно осуществить путем сочетания конвективного и СВЧ-энергоподвода-.
За последние годы предложены различные варианты сушильных установок с использованием СВЧ-энергии в чистом виде, а также в различных комбинациях с другими методами энергоподвода.
Важным фактором, определяющим качество готового продукта, является равномерность воздействия СВЧ-энергии на весь объем загружаемого продукта, а также использование рациональных режимов сушки.
Повышение равномерности распределения СВЧ-энергии по объему рабочей камеры, правильный выбор температурного режима сушки позволяют значительно интенсифицировать процесс, снизить энергозатраты и получить продукт высокого качества.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию комбинированной сушки семян кориандра и совершенствованию на этой основе сушильных аппаратов с СВЧ-энергоподводом.
Способы и аппараты для сушки пищевых продуктов с использованием СВЧ-энергоподвода
Идея использования СВЧ-энергии для нагрева пищевых продуктов была впервые предложена в США инженером П.Б. Спенсером. В 1945 г. Спенсер получил патент на использование микроволн в приготовлении продуктов питания, а в 1949 г. по его патенту в США были произведены первые микроволновые печи для быстрой разморозки стратегических запасов продуктов. В 1962 г. японская фирма SHARP наладила массовое производство бытовых микроволновых печей [3]. Первая непрерывно действующая установка для термообработки различных пищевых продуктов была создана в 1964 г. Начиная с 1964 г., в США проводятся широкие исследования по разработке СВЧ-установок конвейерного типа, предназначенных для обезвоживания, блан-шировки, варки, пастеризации, дефростации различных продуктов. Наибольших успехов в создании СВЧ-установок в США добилась фирма «Cryodry», которая проводит широкое математическое и компьютерное моделирование СВЧ-нагрева на различных продуктах, разрабатывает и изготавливает оборудование.
В России работы по промышленному применению СВЧ-энергии ведутся на предприятиях электронной промышленности и в ряде научно-исследовательских институтов. В 1966 г. организован Международный институт по применению СВЧ-энергии в промышленности [3].
Классификация СВЧ-установок представлена на рис. 1.3 [85]. За определяющие признаки, положенные в основу классификации, приняты мощность, исполнение, способ действия и технологическое назначение СВЧ-установки.
Принципиальными компонентами нагревательных СВЧ-установок являются рабочая камера закрытой формы со стенками из материалов, хорошо проводящих электричество, и генератор СВЧ-энергии, которая подается в камеру [86].
Магнетрон состоит из трех основных частей: катода, анодного блока, содержащего объемные резонаторы, и устройства, служащего для вывода сверхвысокочастотной энергии в нагрузку. Однако в коротковолновом диапазоне (12,5 см) и при мощностях свыше 1 кВт они обладают рядом недостатков, обусловленных особенностью их работы, и не выпускаются мощностью свыше 10 кВт.
Рис. 1.5. Магнетрон «Хина- 600»
Наибольшие успехи достигнуты в создании многолуче вых клистронов. Клистроны, разработанные отечественной промышленностью (рис. 1.6) позволяют значительно увеличить долговечность и выходную мощность в коротковолновом диапазоне (12,5 см) при тех же, что и у магнетронов, величинах КПД и напряжениях. Однако даже многолучевые много-резонаторные клистроны уступают магнетронам по габаритам, весу, стоимости.
Выпускаемые отечественной промышленностью источники СВЧ-излучения — амплитроны принципиально схожи с магнетронами и имеют в основном те же недостатки. Широкое применение СВЧ-энергия получила в процессах сушки. За последние годы предложены различные варианты сушильных установок с использованием
Многолучевой клистрон СВЧ-энергии в чистом виде, а также в раз-непрерывного действия КУ-383 личных комбинациях с другими методами энергоподвода. На рис. 1.7 приведена схема установки для сушки картофельных чипсов в поле СВЧ на конечной стадии технологического процесса (фирма «Cober», США). Сушилка мощностью 50 кВт состоит из двух парал 18 лельных тоннелей, изготовленных из нержавеющей стали с общей системой горячего воздухоснабжения. Каждый тоннель питается от магнетрона мощностью 25 кВт на частоте 915 МГц. На конце тоннеля устанавливается ловушка, в которой затухает энергия, не поглотившаяся продуктом.
Фирмой «Cryodry Corp» разработано оборудование для сушки мелкой лапши, которое состоит из двух генераторов на магнетронах мощностью 25 кВт каждый, работающих на частоте 915 МГц. Генераторы питают двухкамерную сушилку производительностью 1 т/ч. Для обеспечения равномерного прогрева продукт проходит через камеры на двух непрерывных перфорированных нейлоновых лентах [3].
На рис. 1.8 приведена конструктивная схема гигавака для вакуумной сушки измельченных пищевых продуктов и порошков. Сушилка представляет собой герметичную цилиндрическую камеру, с торцов закрытую крышками. Внутри расположен ленточный транспортер из радиопрозрачного материала. Данная конструкция позволяет осуществлять интенсивную сушку при невысоких температурах [88].
СВЧ-сушка с разряжением большой производительности (1,5...2,5 т/ч) осуществлена в установке «Мивак», имеющей две модификации: горизонтальную с конвейерной системой (рис. 1.9 а) и вертикальную (рис. 1.9 б). В установке горизонтального типа может быть осуществлен процесс сушки самых различных пищевых продуктов, фруктов, овощей и зерна, а установка вертикального типа используется преимущественно для сушки сыпучих материалов. Данная сушилка позволяет снизить массовую долю влаги от 20 % до 14 %, причем процесс протекает при температуре 33...35 С, что обеспечивает высокое качество обработанной продукции [88].
Планирование и обработка результатов эксперимента
Исследования влияния режимных параметров при сушке семян кориандра на скорость первого периода проводились нами на экспериментальной установке представленной на (рис. 3.1).
На основании литературных данных из множества факторов, влияющих на процесс сушки, для исследования были выбраны следующие: начальное влагосодержание семян кориандра U, температуру Тса сушильного агента, расход 0са сушильного агента, удельную СВЧ-мощность Рул. Величина относительной влажности сушильного агента в зависимости от температуры составляла 5...30 %. Высота слоя семян кориандра была принята величиной постоянной (/2=600 мм).
Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса сушки семян кориандра и конструктивными характеристиками сушильной установки. Критерием оценки влияния различных факторов на процесс сушки семян кориандра была выбрана скорость первого периода сушки N\, 1/с. Выбор критерия оценки обусловлен необходимостью получения эмпирической модели для скорости сушки в первом периоде.
Для постановки опытов было применено центральное композиционное униформ-ротатабельное планирование и выбран полный факторный эксперимент типа 24 [33].. Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в таблице 3.2.
При обработке экспериментальных данных для уровня значимости q=0,05 применялись следующие статистические критерии [4, 33, 34]: проверка однородности дисперсий - критерий Кохрена, представляющий отношение наибольшей из дисперсий к сумме их всех; проверка отдельных коэффициентов регрессии на значимость - критерий Стьюдента, который брался из соответствующих таблиц в зависимости от уровня значимости и числа степеней свободы; адекватность математической модели - критерий Фишера.
После статистической обработки данных, приведенных в таблице 3.2, с учетом значимости коэффициентов была получена математическая модель скорости сушки семян кориандра в первом периоде. N} = (133,263 - 402,6396 U - 0,7582 Т +1,6854 -U + 2 5 (ЗЛ + 0,000023-r-P + 0,000081-g-P + 0,000935-7/2)-10 5 Анализ уравнения регрессии позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс сушки. На скорость первого периода сушки наибольшее влияние оказывает влагосодержание материала, и в меньшей степени - расход сушильного агента.
Как видно из графика, данная зависимость имеет линейный характер.
Следует отметить, что начальное влагосодержание семян кориандра влияет на соотношения периодов постоянной и убывающей скоростей сушки. С ростом влагосодержания увеличивается величина критического влагосо-держания и увеличивается доля периода убывающей скорости сушки. Отмеченная закономерность объясняется различной связью влаги с белками и крахмалом семян [15]. Гигроскопичность белкового комплекса семян выше, чем гигроскопичность крахмала, а скорость сушки белков ниже. В семенах с высокой начальной влажностью количество более прочно связанной влаги больше. И хотя скорость сушки в начале процесса довольно велика из-за удаления влаги крахмала, первый период быстро заканчивается, и дальнейший характер протекания процесса определяется сушкой белкового комплекса. Поскольку сушка белка происходит с меньшей скоростью, наступает период убывающей скорости.
Анализ температурных кривых (рис. 3.4) показал, что увеличение начального влагосодержания приводит к увеличению температуры материала. Это связано с повышением коэффициента диэлектрических потерь є" с увеличением влагосодержания, как показано в главе 2.
Таким образом, высокое начальное влагосодержание вещества приводит не только к увеличению длительности сушки, и длительности температурного воздействия на термолабильные компоненты, но и к более высоким температурам материала в процессе сушки. Из этого следует, что сушку семян кориандра с высоким начальным влагосодержанием следует проводить при более мягких режимах.
Полученные кривые свидетельствуют о том, что температура является наиболее существенным фактором, влияющим на скорость сушки семян кориандра.
Следует отметить, что температура сушильного агента оказывает влияние на соотношения периодов постоянной и убывающей скоростей сушки. С повышением температуры наблюдается снижение критического влагосодер-жания. Это объясняется тем, что увеличение температуры интенсифицирует внутреннюю диффузию влаги, а также увеличением доли связанной влаги, испарение которой происходит в первый период сушки.
Математическое описание кинетики сушки в периоде убывающей скорости
Анализ существующих подходов к математическому описанию сушки семян кориандра (глава 1) показывает, что на основе только одного из подходов к моделированию сложных взаимосвязанных явлений, протекающих при сушке (применение законов диффузии, термодинамики или химической кинетики), не удается удовлетворительно описать в целом одной моделью все периоды сушки - постоянной и падающей скорости. Это обстоятельство можно объяснить тем, что механизм движения влаги в продукте и физическая картина явлений, наблюдаемых при сушке, в эти периоды, как показано в [27, 58], различны. Кроме того, при математическом описании конвективной сушки с дополнительным источником энергоподвода в виде СВЧ-нагрева возникают дополнительные трудности. Эти трудности обусловлены сложностью математического описания количества энергии, которое поглощается поликомпонентным по составу веществом, которым являются семена кориандра.
При математическом описании процесса сушки следует исходить из приведенного [27, 28] определения этому процессу. Как утверждает А.С. Гинзбург, сушка должна рассматриваться «в широком плане как гетерогенная реакция, обусловленная целым комплексом химических, физико-химических, биохимических и реологических процессов, кинетика которых наряду с кинетикой переноса энергии и вещества определяет механизм и скорость протекания процессов сушки». Сегодня по нашим данным [13] не накоплено достаточного количества знаний об этих процессах, протекающих при сушке, что не позволяет полно и комплексно их описать. Однако, можно утверждать, что все эти процессы при сушке можно описать уравнениями химической кинетики [13].
На основании изложенного, математическое описание сушки семян кориандра с комбинированным энергоподводом проведем отдельно для периода постоянной скорости сушки, используя эмпирическую модель, и периода убывающей скорости, применяя законы химической кинетики.
Центральное место в математическом описании сушки занимает моделирование скорости процесса и температуры материала, позволяющие ответить на главные вопросы инженерного расчета — определить продолжительность процесса и затраты теплоты на удаление влаги.
Сравнивая различные подходы к описанию скорости первого периода (глава 1), следует отметить, что наиболее надежной математической моделью для инженерного расчета является описание процесса в форме уравнения регрессии, полученного обработкой экспериментальных данных: JVj =/0 2,... ), (4.1) где Ni - скорость первого периода сушки, с"1; х\, х2,...хп - фактор процесса.
Как показывает анализ выполненных исследований, подбирая формулу и необходимое количество эмпирических коэффициентов уравнения регрессии, удается получить с необходимой для инженерных расчетов точностью формулу для определения скорости первого периода сушки.
Температуру материала Т при умеренных температурах сушильного агента (менее 373 К) принимают равной температуре мокрого термометра. При комбинированном энергоподводе температура материала из-за СВЧ-нагрева будет непрерывно повышаться. Так как повышение температуры в первый период незначительно, то ее средние значение определим в виде: Т = Ти+а0+ аххх + а2х2 +... + апхп, (4.2) где а0, щ, а2,.. .аа - эмпирические коэффициенты; х\, х2,.. .хп - фактор процесса; Тм - температура мокрого термометра.
Для математического описания сушки второго периода часто пользуются следующим приемом: скорость второго периода N2(U) представляют в виде произведения: N2(U) = Nrxv(U), (4.3) где \/(Ц) - некоторая передаточная функция от влагосодержания продукта. Эту функцию в теории сушки принято называть относительной скоростью второго периода сушки [27, 58].
Интенсивность нагрева материала во втором периоде сушки обычно оценивается температурным коэффициентом или относительным (безразмерным) температурным коэффициентом сушки.
Как показывают экспериментальные исследования [13, 27], относительный температурный коэффициент сушки В является функцией влагосодержания и от других факторов не зависит.
Таким образом, математическая модель кинетики сушки второго периода будет включать уравнение (4.3) и уравнение вида [58]: В = Ж.М (4.4) dU AT J
Для получения в явном виде математической модели кинетики сушки в периоде убывающей скорости необходимо провести дополнительно теоретические и экспериментальные исследования.
Разработка конструкций аппаратов с СВЧ-энергоподводом
Капитальные вложения на создание и внедрение проекта определим по следующей формуле: К = Км + Кв + Ки + Кс + Кп + Кд-К0, . (5.2) где Км — балансовая стоимость основного оборудования, дополнительно устанавливаемого по проекту, руб.; Кв - стоимость вспомогательного и резервного оборудования, руб.; Ки - затраты на создание дополнительной инфраструктуры, руб.; Кс - стоимость зданий и служебных помещений, дополнительно необходимых при реализации проекта, руб.; Кп - предпроизводственные затраты, включающие расходы на проектирование и разработку, руб.; Кд - стоимость демонтажа основных производственных фондов, руб.; К0 - экономия капиталовложений за счет реализации оборудования, технических средств, демонтируемых при реализации проекта, руб. Принимаем величину Км = 125 тыс. руб. Величины Кв и Ки определим по упрощенным нормативам: Кв = 0,2КМ; (5.3) КИ = 0,1КМ. (5.4) После подстановки величины Км окончательно получим: Кв = 0,2-125000 = 25 тыс. руб.; Ки = 0,1-125000 = 12,5 тыс. руб. Определим затраты на дополнительную производственную площадь, занимаемую проектируемой сушильной установкой по следующей формуле: КС = ЦГТ, (5.5) где Цг-- стоимость 1м производственной площади, руб.; Г - дополнительная производственная площадь, необходимая для реализации проекта, м2. Кс = 2500-15 = 37500 руб. Затраты на проектирование определим, исходя из трудоемкости проектных работ по следующей зависимости: . Кп = (0,8 - 0,9)-Км. (5.6) Кп = 0,8-125000 = 100 тыс. руб. Подставляя найденные значения в формулу (1), окончательно получим: К = 125000 + 25000 + 12500 + 37500 + 100000 + 10000 - 50000 = = 260 тыс. руб.
Расчет экономии текущих затрат при реализации проекта Количество сэкономленной электроэнергии определяем, исходя из следующей зависимости: эл. — П 1мес.э (?. ) где п - число месяцев в году; Эыес. - экономия электроэнергии за 1 мес. при сравнении с конвективной сушилкой, кВт/мес. Ээл. = 12-11500 = 138 тыс. кВт/год. Экономия обусловленная повышением качества продукции определяется по формуле: 36 = (42-) (5.8) где Ці - цена продукции до повышения ее качества, руб./т; Цг - цена продукции после повышения ее качества, руб./т; Вг — объем реализации продукции после внедрения проекта, т Эб = (25000-24000)-635 = 635000 руб. Экономия, обусловленная повышением уровня надежности оборудования определяется по формуле: Эн=(О,-02)-У, (5.9) где Oi - количество внезапных внеплановых остановок оборудования в год до внедрения проекта; Ог - количество внезапных внеплановых остановок оборудования в год после внедрения проекта; У - ущерб предприятия, вызванный одной внеплановой остановкой оборудования, руб.
Эн= (6-3)-8000 = 24 тыс. руб. Для расчета годового экономического эффекта пересчитаем рассчитанные выше показатели экономии текущих затрат в денежный эквивалент, учитывая расценки на потребляемые предприятием производственные ресурсы.
Экономия электроэнергии в денежном эквиваленте составит величину, определяемую по формуле: эл.экв. эл. эл.э vy.lUJ где Сэл. - стоимость 1 кВт электроэнергии, руб. Ээл.экв. = 0,85-138000 = 117300 руб. Складывая полученные по формулам (5.8), (5.9), и (5.10) результаты, окончательно получим: Эт = 635000 + 24000 + 117300 = 776300 руб. Иэ - стоимость дополнительно потребляемых энергоресурсов, тыс р/год, Иат - дополнительные расходы на содержание, текущий ремонт и амортизацию оборудования и технических средств, тыс р/год. Затраты на содержание персонала определяются по формуле: И3 = Зпл (1 + Кот + Ксо) + Нч, (5.12) где Зпл - оплата труда дополнительного персонала, тыс р/год; Кот - коэффициент, учитывающий затраты на охрану труда и технику безопасности; Ксо - коэффициент, учитывающий платежи в социальные фонды; Нч-налоговые платежи в местный бюджет исходя из минимальной заработной платы и нормативной ставки налога. И3=48000-( 1+0,1+0,4)+720=72720 руб. Дополнительные расходы на текущий ремонт, содержание и амортизацию оборудования определяем по формуле Иат=(Км+Кв+Ки)Нар/100, (5.13) где Нар - норматив расхода на текущий ремонт, содержание и амортизацию. Иат=(125000 + 25000 + 12500)-14/100=22750 руб. Определим дополнительные текущие расходы исходя из ранее рассчитанных по формулам (14), (15), (16).
