Исследование и разработка безвакуумной технологии сублимационной сушки плодов с использованием электротехнологий

Принято, что газ вынужденно движется по трубе заполненной ягодами. Для движения газа характерен смешанный режим течения, который определен по критерию Рейнольдса (Re). Теплообмен сопровождается нагревом материала , который описывается уравнением (1) с переменным коэффициентом температуропроводности . Решение имеет вид (4). Для случая нагрева материала число уравнения (3) получено численно в математическом пакете программ Maple 9.

Плотность теплового потока от конвективного источника выражается законом Ньютона – Рихмана:

. (5)

В процессе сублимационной сушки происходит расход теплоты на сублимацию, которая определяется скоростью сублимации

(6)

Система дифференциальных уравнений тепло – и массопереноса в сферических координатах для ягод имеет вид:

(7)

Начальные условия: при u=u0 для

Граничные условия:

От системы дифференциальных уравнений выполнен переход к интегральному уравнению тепло – и влагообмена:

(8)

где - отношение объема к поверхности тела

Получено следующее решение:

(9)

где знак « - » соответствует оттоку теплоты.

Расчеты осуществлялись в математическом пакете программ Maple 9. Адекватность математической модели проверена, путем сравнения расчетных данных с экспериментальными по Фишера – Снедекора. Модель адекватна с надежностью 95%.

В четвертой главе изложено описание экспериментальной установки, методики экспериментальных исследований способа сушки и определения качественных показателей сушеных плодов.

Экспериментальные исследования проводили на установке УСС–НД-КЭ–З-01. На рисунке 10 показана принципиальная схема установки сублимационной сушки УСС-НД-КЭ-З-01 для обезвоживания ягод с комбинированным энергоподводом.

Установка состоит из камеры криогенного замораживания 23, сушильной камеры цилиндрической формы с источником ультразвука 7, ГХМ с вихревой трубой 24. В верхней части сушильной камеры расположен очиститель барабанного типа 20 с наружным электроприводом, включающий в себя электродвигатель 18 и два редуктора 17. В камере имеется спирально-конический циклон 1 для очистки инертного газа от кристаллогидратов.

В нижней части через затвор 11 камера соединена с выгрузным шнеком 13. Сушильная камера с УЗИ – энергоподводом и вводом инертного газа герметично соединена и включена в единую магистраль с компрессором 12. Режим подачи плодов контролируется и управляется субблоком управления (СУГХМ). Расход газа регулируется натекателем по сигналам СУАС.

Рисунок 10 Принципиальная схема установки УСС-НД-КЭ-З-01: 1 – Циклон спирально – конический; 2 – окно для выгрузки гидратов; 3 – дека для съема льда с конвейера; 4 – конвейер карусельного типа для перемещения гидратов; 5 – ролик; 6,11,22 – затворы; 7 – УЗИ излучатель; 8 –напуск инертного газа; 9 – бункер плавитель гидратов; 10 – привод шнека и конвейера; 12 – компрессор инертного газа; 13 – шнек выгрузки готового продукта; 14 – ременная передача; 15 – датчик давления и температуры; 16 – собирающая воронка; 17 – редуктор конический; 18 – привод; 19 – лоток для выгрузки гидратов; 20 –очиститель барабанный; 21 – лоток загрузочный; 23 – камера криогенного замораживания; 24 – газовая холодильная машина с вихревой трубой.

Для контроля рабочих режимов:

• по температуре - в сушильную колонну введен жгут с семью термопарами (ТП0, ТП100, ТП200, ТП300, ТП400, ТП500, ТП600), расположенными последовательно через каждые 100 мм, начиная с верхней части колонны с нулевой отметкой и заканчивая в нижней части на высоте 600 мм. Термопары подключены к субблоку управления (СУГХМ);
• по давлению - установка оснащена тремя датчиками ПМТ 6 (Р0, Р300, Р600), к которым подключены преобразователи 13ВТ3-003 и субблок управления агрегатом (СУАС);
• по влажности - в сушильную колонну опущен капроновый «чулок» для отбора пробы высушенных кусочков. Столб продукта, отобранного в капроновом «чулке», разрезали через каждые 100 мм на отметках 0, 100, 200, 300, 400, 500, 600, соответствующих уровням установки термопар ТП0, ТП100, ТП200, ТП300, ТП400, ТП500, ТП600 и определяли влажность по ГОСТ21103-75 в соответствующих точках W0, W100, W200, W300, W400, W500, W600.

Объект сушки. В качестве объектов сушки были взяты плоды рябины обыкновенной и аронии черноплодной, которыми заполнялась емкость питателя-дозатора.

Работа установки. Очищенные плоды через затвор 22 поступают в камеру криогенного замораживания, в которой происходит процесс взаимодействия сжатого газа с клеточной водой ягод при температуре -40 С. В результате взаимодействия образуются кристаллогидраты.

Продукт по загрузочному лотку 21 поступает в барабанный очиститель, где происходит отделение от кристаллогидратов. Данный процесс происходит при вращении барабана, скорость вращения барабана подобрана таким образом, чтобы ягоды находились в свободном падении (полете) внутри барабана. Это приводит к интенсификации процесса подсушки, так как увеличивается площадь воздействия инертного газа на каждую отдельно взятую ягоду, следовательно, уменьшается и вероятность слипания ягод между собой. Кристаллогидраты по лотку 21 расположенному снизу барабана направляются к конвейеру карусельного типа 4 и удаляются конвейером при помощи снимающей деки и выгрузного окна 2, откуда через затвор 6 попадают в бункер - плавитель 9. При нормальных условиях кристаллогидраты распадаются на воду и газ, который сжимается в компрессоре и подается в ГХМ с вихревой трубой 24. После разделения в трубе газовой холодильной машины холодный поток газа направляется в камеру криогенного замораживания. Теплый поток инертного газа подается на линию всасывания компрессора 12 для удаления остаточной влаги в сушильной камере.

Ягоды поступают в камеру криогенного замораживания, а затем в барабанный очиститель. Одновременно подают инертный газ при температуре 10 С в нижнюю часть сушильной камеры. При достижении продуктом в камере сушки уровня m100 включается источник УЗИ, под действием акустических колебаний процесс испарения жидкости с поверхности резко ускоряется. Инертный газ, проходя через слой продукта, отдает тепло ягодам для удаления остаточной влаги, в результате чего наблюдается понижение давления. С понижением давления интенсивность испарения увеличивается. В сортировальной камере происходит смешивание двух потоков, вследствие чего температура газа в сушильной камере понижается. Сублимированная влага взаимодействует с холодным инертным газом, процесс сопровождается с образованием гидратов. Газовая рабочая среда постоянно отсасывается компрессором через циклон, в котором освобождается от кристаллогидратов. В компрессоре инертный газ сжимается, в результате давление и температура газа повышаются. Процесс сушки идет непрерывно под воздействием ультразвука в принудительном потоке инертного газа. Электроэнергия, потребляемая установкой, тратится на перемещение инертного газа по системе с помощью компрессора, на работу ГХМ с теплофикационным циклом, а также на УЗИ.

Результаты замораживания и сушки плодов (по средним значениям влажности) отображены на рисунках 11, 12 и 13, 14, 15, 16.

Рисунок 11 Кривая замораживания плодов рябины обыкновенной

Рисунок 12 Кривая замораживания плодов аронии черноплодной

Рисунок 13 Кинетика процесса сублимационной сушки плодов рябины обыкновенной в среде инертного газа

Рисунок 14 Кинетика процесса сублимационной сушки плодов рябины в потоке инертного газа в поле УЗИ

Рисунок 15 Кинетика процесса сублимационной сушки плодов аронии черноплодной в среде инертного газа

Рисунок 16 Кинетика процесса сублимационной сушки плодов аронии в потоке инертного газа в поле УЗИ

Графический анализ рисунков 13 - 16, показывает, что процесс сублимационного обезвоживания можно разделить на 3 зоны: Н1 – зона сепарирования, Н2 – зона падения, Н – зона обезвоживания, делится еще на два участка: h1 - удаление свободной кристаллической влаги, h2 - удаление связанной влаги.

Важным критерием, по которому судят о работе оборудования, является качество конечного продукта. Для подтверждения целесообразности использования УСС-НД-КЭ-З-01 в технологии производства пищевых добавок из плодов нами было определено содержание аскорбиновой кислоты. По содержанию витамина С сублимированные плоды соответствуют требованиям, предъявляемым к высокопитательным пищевым продуктам.

Обработка экспериментальных данных проведена с использованием математического пакета Maple 9.0 и процессора электронных таблиц Excel в среде Windows. Результаты исследований по замораживанию аппроксимированы в виде неэлементарной функции полиномов третьей степени:

Рябина обыкновенная:

Арония черноплодная:

Результаты исследований по обезвоживанию продуктов аппроксимированы в виде неэлементарной функции полиномов четвертой степени:

Рябина обыкновенная:

Арония черноплодная:

Зависимости статистически проверены на адекватность по критерию Фишера - Снедекора. Модель адекватна реальному процессу с надежностью 95%.

В пятой главе приведены расчеты экономической эффективности от внедрения усовершенствованной технологии и разработанной установки с улучшенными качественными характеристиками. В основу расчета положено сопоставление приведенных затрат на единицу испаренной влаги при сравнении базовой установки УСС-НД-КЭ-Ж-01 и исследуемой УСС-НД-КЭ-З-01.

В результате расчета установлено, себестоимость продукции снижается на 12,24 руб./кг, экономия электроэнергии составляет 9%, годовой экономический эффект после внедрения установки УСС-НД-КЭ-З-01 превышает 562 тыс. руб. при сроке окупаемости капительных затрат менее, чем за 3,2 года.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что для повышения эффективности процесса сублимационного обезвоживания и снижения его энергоемкости перспективна «безвакуумная» технология производства сушеной плодово – ягодной продукции при условии соединения в единый цикл криогенного замораживания и сублимационной сушки при комбинированном энергоподводе.

2. На основе проведенных теоретических исследований предложен непрерывный способ «безвакуумной» сублимационной сушки плодов с предварительным криогенным замораживанием в едином цикле.

3. В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями кинетики процессов криогенного замораживания и сублимационного обезвоживания, для обеспечения высокой пищевой и биологической ценности высушиваемых плодов получены рациональные режимы проведения процесса:

• криогенное замораживание (tг = -40 )
• сублимационная сушка в ультразвуковом поле () в принудительном потоке газа (tг = 10 ).

4. Разработанные математические модели процессов криогенного замораживания и сублимационной сушки позволяют адекватно описывать процессы тепло - и массообмена в условиях комбинированного энергоподвода, строить изменение температуры и влажности продукта, рассчитывать время сушки при заданных условиях, управлять процессом сублимационной сушки без применения дорогостоящего эксперимента.

5. Разработан и изготовлен опытный образец энергосберегающей установки непрерывного действия для сублимационной сушки плодов производительностью по испаряемой влаге 20 кг/ч (УСС-НД-КЭ-З-01), снабженный системой управления, позволяющий реализовать «безвакуумную» технологию производства высококачественных продуктов.

6. Расчетный годовой экономический эффект составил 562 тыс. руб. при сроке окупаемости капительных затрат менее, чем за 3,2 года.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

Сокращения:

УЗИ – ультразвук;

КМ – компрессор;

ГХМ – газовая холодильная машина;

Индексы:

дис. – диссоциация;

г – газ инертный;

Обозначения:

Р – давление, МПа;

- коэффициент теплоотдачи, ;

- время, с;

t – температура, ;

- коэффициент теплопроводности, ;

W – влажность, %;

r – радиус плодов, м;

- плотность, ;

с – теплоемкость, ;

- скорость сушки, %/мин.

- коэффициент температуропроводности, ;

rf – теплота фазового перехода, ;

Н – высота колонны, мм;

Н1 – зона сепарирования, мм;

Н2 – зона падения, мм;

- коэффициент фазового превращения льда в пар;

u – влагосодержание;

- скорость сублимации, с-1;

Fo – число Фурье;

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кожевникова (Анисимова), К.В. Теория адекватного питания / К.В. Кожевникова, В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Г. Поспелова // Вестник №3 (6). - Ижевск, 2005 – С. 17-19

2. Кожевникова (Анисимова), К.В Новые методы исследований электротехнологических процессов при переработке сельскохозяйственной продукции/ К.В.Кожевникова, И.Г.Поспелова, Н.Ю.Литвинюк, И.Ш. Шумилова, В.В. Касаткин // Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии – 50 лет». - Ижевск, 2005 –С.240-246.

3. Кожевникова (Анисимова), К.В. Анализ существующих сушек / К.В Кожевникова, В.В. Касаткин, Н.Ю.Литвинюк //Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы Всероссийской научно-практической конференции. III том – Ижевск, 2006 –С. 107-110.

4. Кожевникова (Анисимова), К.В. Авангардное направление развития науки и техники ХХI века / К.В. Кожевникова, Н.Ю.Литвинюк// Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы Всероссийской научно-практической конференции. III том – Ижевск, 2006 –С. 190-194.

5. Кожевникова (Анисимова) К.В. Мембранные процессы / К.В. Кожевникова, Н.Ю. Литвинюк // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы Всероссийской научно-практической конференции. III том – Ижевск, 2006 –С. 194-202.

6. Кожевникова (Анисимова), К.В. Способ сублимационной сушки в потоке ксенона / К.В. Кожевникова, Н.Ю.Литвинюк, А.Б. Анисимов //Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы: материалы Всероссийской научно-практической конференции III том – Ижевск – 2007. – С. 80-82.

7. Анисимова, К.В Сохранение урожая круглый год / К.В. Анисимова, В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова // Картофель и овощи.- №8. – 2007. – С. 16.

8. Анисимова, К.В. Моделирование процесса криогенного замораживания плодов / К.В. Анисимова, Л.С. Воробьева, А.П. Ильин // Научный потенциал аграрного производства: материалы Всероссийской научно-практической конференции IV том – Ижевск – 2008. – С. 94 – 98.

9. Анисимова, К.В. Исследование «безвакуумной» сублимационной сушки плодов в поле УЗИ в потоке инертного газа / К.В. Анисимова, Н.Ю. Литвинюк, А.Б. Анисимов // Научный потенциал аграрного производства: материалы Всероссийской научно-практической конференции IV том – Ижевск – 2008. – С. 80 -85.

10. Анисимова, К.В. Способ криогенного замораживания для последующей сублимационной сушки в потоке инертного газа / К.В. Анисимова, Н.Ю. Литвинюк, А.Б. Анисимов // Хранение и переработка сельхозсырья. - № 9. – 2008. – С.39 – 41.

На правах рукописи

Анисимова Ксения Валериевна

исследование и разработка «безвакуумной» ТЕХНОЛОГИИ сублимационной сушки плодов с использованием эЛЕКТРОтехнологий

05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 24.09.08 г. Подписано в печать 29.09.08 г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman

Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1

Тираж 100 экз. Заказ 9331

Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА г. Ижевск, ул. Студенческая,11