Ресурсосберегающие методы управления ик-энергоподводом в процессах производства оздоровительного чая

где n1 – показания первого микроамперметра; n2 – показания второго микроамперметра; – толщина слоя, м.

Коэффициент пропускания можно определить по формуле

.

(36)

Коэффициент отражения

.

(37)

Для исследования ресурсосберегающих методов и режимов в процессах термообработки лекарственных растений была использована лабораторная установка, принципиальная схема которой приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Принципиальная схема установки лабораторного типа для изучения взаимодействия «излучатель-растение» в процессе термообработки лекарственных растений: 1 – облучатель; 2 – сосуды с сетчатым дном; 3 – камера сушильная; 4 – вентилятор высокого давления; 5 – электродвигатель; 6 – потенциометр ПС-01; 7 – потенциометр ПП-63; 8 – комплект электроизмерительный К-505; 9 – винт регулировочный

Установка состоит из облучателя, сушильной камеры, центробежного вентилятора и пульта с пусковой и измерительной аппаратурой. Конструкция лабораторной установки предусмотрена так, что облучатель легко снимается, а на его место может быть установлен другой. В качестве источников излучения применялись серийно изготавливаемые, такие как ТЭНы, силитовые излучатели, керамические излучатели, ламповые излучатели типа ЗС, ИКЗ, ИКЗК, КИ и КГ, а также излучатели, изготовленные в лабораторных условиях на основе нихрома и слюдопластовых электронагревателей.

Расстояние между источниками инфракрасного излучения и обрабатываемым растением можно изменять при помощи винта 9.

Центробежный вентилятор высокого давления 4 с электроприводом на базе двигателя постоянного тока 5 расположены под сушильной камерой 3.
При помощи данной установки были проверены теоретические положения по энергосбережению путем применения ИК-облучения для термообработки слоя листьев растений, превышающего глубину проникновения ИК-излучения, с постоянным вертикальным перемещением и послойным отбором готового продукта.

Для изучения процессов термообработки лекарственных растений нами
проводились также исследования на экспериментальных установках лабораторного типа, которые изготавливались на основе серийно выпускаемых промышленностью ИК-влагомеров.

Для проведения замеров электротехнических параметров: напряжения, тока, мощности, расхода электрической энергии, – использовались как отдельные электроизмерительные приборы, так и электроизмерительный комплект К-505. Измерение температуры нагрева перерабатываемого сырья осуществлялось хромель-копелевыми термопарами диаметром 0,5 мм, подключенными к регистрирующему самопишущему потенциометру ПП-01. Температура нагревания излучателей устанавливалась регулятором напряжения, измерение температуры нагрева излучателя производилось при помощи термопар, подключенных к потенциометру ПП-63, и контролировалось оптическим пирометром ОППИР-09.

Облученность лекарственных растений измерялась при помощи альбедометра, подключенного к гальванометру ГСА, а также определялась расчетным путем из формулы Н.Н. Ермолинского, которая показывает зависимость между плотностью мощности и облученностью:

.

(38)

Выразив значение облученности из выражения (38), получаем

,

(39)

где Р/ F – плотность мощности, Вт/м2; – КПД источника излучения; КПИф- коэффициент использования потока ИК-излучения; А= (0,90-0,96) – условный коэффициент поглощения лекарственных растений. Его значения будут действительны для растений влажностью от 20 до 80 %.

С увеличением начальной влажности растений выбор коэффициента поглощения осуществляется в большую сторону.

Значение КПИф и отражены в работах В.Н. Карпова и справочной литературе.

Связь между облученностью Е и предельной температурой Тmax проверяли по формуле, предложенной Тиллером и Гарбером,

,

(40)

где Т0 – температура окружающего воздуха; А – поглощательная способность; – коэффициент теплопередачи конвекцией; F – площадь поверхности, участвующая в теплообмене между сырьем и воздухом.

В пятой главе приведены основные результаты экспериментальных исследований по подтверждению эффективных методов и средств управления ИК-энергоподводом в процессах переработки лекарственных растений в оздоровительный чай.

С целью установления закономерностей по управлению дискретными методами ИК-энергоподвода в электротехнологии оздоровительного чая была использована теория тепломассообмена. Из теории сушки известно, что соотношение между периодом облучения и периодом паузы (отлежки) определяется величиной коэффициента диффузии влаги мате­риала аm; чем меньше коэффициент диффузии влаги, тем должен быть больше период паузы.

Зависимость коэффициента аm от температуры и влагосодержания мо­жет быть описана уравнением, предложенным академиком Я.М. Миниовичем, справедли­вым для капиллярно-пористых коллоидных тел растительного происхожде­ния

,

(41)

где Т – температура процесса, К; – влагосодержание лекарственных растений, кг/кг; 0 – плотность лекарственных растений, кг/м3.

Выражение (41) было использовано для построения номограммы, изображенной на рисунке 11, по ко­торой определяется выбор эффективных режимов прерывного ИК-облучения в процессах термообработки лекарственных растений.

Взаимосвязь параметров прерывного ИК-облучения лекарственных растений, по аналогии с теорией повторно-кратковременных режи­мов работы электрооборудования, может быть определена соответствием

(42)

где ато – относительный коэффициент диффузии влаги.

Рисунок 11 – Номограмма для определения эффективного режима прерывного ИК-облучения в процессах термообработки лекарственных растений: 1 – завяливание; 2 – сушка; 3 – обжаривание (карамелизация углеводов)

Относительный коэффициент диффузии влаги лекарственных растений опреде­ляется как

, (43)

где – среднее значение коэффициента диффузии влаги растительного сырья для конкретного теплофизического процесса, м2/ч; – коэффициент диффузии влаги растительного сырья при максимальной температуре процессов термообработки t=180°С, м2/ч.

Номограмма построена по средним значениям параметров основных технологических процессов, представленных в таблице 1.

Определение продолжительности облучения по номо­грамме обеспечивает более рациональное использование энергии излучения для удаления влаги из материала (температурный градиент будет не замед­лять, а ускорять подвод влаги к поверхности тела, способствуя ее испаре­нию), дает большую экономию энергии по сравнению с непрерывным режи­мом (в 1,5-2 раза при сушке), а также позволяет повысить качество про­дукта (некоторых видов лекарственных растений, содержащих эфирные масла) за счет снижения средней температуры процесса термообработки.

Таблица 1 – Основные параметры процессов термообработки лекарственных растений

Процесс	Параметры
	Влажность растений до обработки W1, %	Влажность растений после обработки W2, %	Установленная температура процесса t уст, °С	Коэффициент диффузии влаги am, м2/ч	Среднее значение коэффициента диффузии влаги amср, м2/ч	Относительный коэффициент диффузии влаги am0, о.е.
Завяливание	85-60	75-50	25-30	2,2-6,8	4,8	0,005
Сушка	75-50	15-10	40-60	6,9-28	17,4	0,02
Карамелизация	15-10	5-3	100-180	152-935	543,5	0,58

На рисунке 12 приведены экспериментальные кривые сушки листьев иван-чая при различных методах ИК-энергоподвода.

Рисунок 12 – Экспериментальные кривые сушки листьев иван-чая при различных методах ИК-энергоподвода

Анализ кривых сушки листьев иван-чая в сопоставимых условиях различными методами ИК-энергоподвода показывает, что наибольшую эффективность имеет широтно-прерывный метод с понижением уровня энергоподвода в каждом последующем цикле. При съеме влаги с W1=75 % до W2=15 % время процесса укладывается в 40 минут. При других методах энергоподвода при таком влагосъёме на процесс сушки затрачивается значительно большее время.

Основные результаты экспериментальных исследований были получены на трехкамерной установке производственного типа, приведенной на рисунке 13.

Рисунок 13 – Общий вид трехкамерной ИК-установки производственного типа

Исследования оптических свойств зеленых растений в ИК-диапазоне из­лучения показали, что зеленые растения обладают максимальной поглоща­тельной способностью в диапазоне 2,8-3,2 мкм. Проницаемость листьев лекарственных растений (рис. 14) при облучении коротковолновым ИК-излучением в 2- 3 раза выше, чем при облучении длинноволновым и средневолновым ИК-излу­чением. Однако при увеличении толщины слоя листьев это различие значительно сглаживается и на глубинах 20-30 мм разница между прони­цаемостью "светлых” и “темных” ИК-излучателей составляет лишь 1,5-9 %. Аналогичная картина наблюдается и при анализе терморадиационных характеристик моркови.

Поэтому для процессов завяливания, сушки и карамелизации углеводов листьев лекарственных растений и плодов моркови оптимальной принята область спектра от 3 мкм и более, так как в этом диапазоне наблюдается интенсивное поглощение (90 %) энергии ИК-излучения, а следовательно, для влагоудаления в процессах тер­мообработки целесообразно использовать средне- и длинноволновые ИК-из­лучатели.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований и требований нормативных материалов по проектированию электротермиче­ского оборудования разрабатывались, исследовались и совершенствовались ИК-облучатели, применяемые в процессах термообработки лекарственных растений.

На основе шести трубчатых слюдопластовых электронагревателей был разработан, изготовлен и испытан трёхфазный ИК-облучатель мощностью 2100 Вт, изображенный на рисунке 15.

Рисунок 14 – Терморадиационные характеристики листьев лекарственных растений: 1 – коротковолновый ИК-излучатель (max=1,4–1,6 мкм); 2 – средневолновый ИК-излучатель (max=2,0–3,0 мкм); 3 – длинноволновый ИК-излучатель (max=6– 8 мкм)

Для получения равномерного поля излучения от трёхфазного ИК-облу­чателя нами при проектировании был использован графоаналитический ме­тод размещения линейных ИК-излучателей в плоскости камеры по кривой Аньези. Достоинство этого метода размещения ИК-излучателей заключается в универсальности, простоте и надежности.

Рисунок 15 – Общий вид трехфазного ИК-облучателя на основе трубчатых слюдопластовых электронагревателей

Сравнительные экспериментальные исследования двух “тёмных” ИК-об­лучателей в сопоставимых условиях показали, что термический КПД ИК-об­лучателя, выполненного на основе трубчатых слюдопластовых электронагре­вателей, на 10–20 % выше ИК-облучателя, выполненного на основе электро­нагревателей из открытых нихромовых спиралей (рис. 16).

Рисунок 16 – Экспериментальные кривые нагрева сырья при облучении длинноволновыми ИК-электронагре­вателями: 1 – ИК-облучатель на основе открытых нихромовых электронагре­вателей; 2 – ИК-облучатель на основе трубчатых слюдопластовых электронагре­вателей

Эффективность принципов объемного облучения была проверена на многоярусной установке лабораторного и производственного типов. В камере многоярусной установки производственного типа, размером в поперечном сечении 11 м, были размещены четыре плоских ИК-облу­чателя. Конструкция установки позволяла оперативно заменять ИК-излуча­тели. Максимальная мощность всех излучателей – 30 кВт. Максимальная производительность по удалению влаги – 30 кг/ч. В промежутке между двумя плоскими излучателями размещалось от двух до пяти кассет с сырьем, а в камере – от трех до пятнадцати кассет. Методика определения толщины слоя сырья в кассете и послойного перемещения кассеты с сырьем в зависимости от начальной влажности изложена в трудах В.Н. Карпова с позиции закона Бугера.

В шестой главе приведены результаты внедрения исследований в производство оздоровительного чая и технико-экономическое обоснование ресурсосберегающей электротехнологии.

В 1993 году на базе лаборатории "Электротехнология дикорастущих" в Иркутском сельскохозяйственном институте (ИСХИ, ныне ИрГСХА) была построена мини-фабрика по производству оздоровительного чая из дикорастущих и культивируемых лекарственных растений Западного Прибайкалья. Программой научно-исследовательских работ по организации производства оздоровительного чая в условиях Иркутской области предусматривался комплекс биологических, инженерных и медицинских аспектов. Биологическая часть исследований проводилась силами сотрудников и студентов агрономического факультета и факультета охотоведения. Инженерная часть исследований проводилась силами сотрудников и студентов факультетов электрификации и механизации сельскохозяйственного производства. Медицинская часть исследований проводилась на базе Иркутского городского центра народной медицины под руководством заслуженного врача России И. А. Лившица.

Разрешение на производственный эксперимент и реализацию оздоровительного чая широкому кругу населения было получено после разработки, оформления и утверждения технических условий (ТУ) на чай “Байкальский”, а также после сос­тавления к ТУ и утверждения “Общих правил заготовки и хранения лекарст­венных растений”.

В течение десяти лет (с 1993 по 2003 г.) мини-фабрика специализировалась по производству оздоровительного чая и реализации его широким кругам населения. Техно­логическое оборудование было размещено в закрытом отапливаемом помещении с площадью 100 м2 и в полузакрытом не отапливаемом помещении с площадью 300 м2. Тех­нология производства оздоровительного чая состояла из трех основных этапов:

1) заготовка сырья;

2) переработка сырья;

3) контроль качества, упаковки и реализации.

В этой связи при мини-фабрике были организованы три специализированные бригады.

Заготовка сырья велась в учебно-опытных хозяйствах ИрГСХА «Молодежное» и “Голоустное”, а также на территории Прибайкальского национального природного парка.

Процесс переработки растительного сырья в полуфабрикат велся бри­гадой специалистов-технологов по производству чая.

Контроль за качеством оздоровительного чая по органолептическим показате­лям и содержанию токсичных элементов проводился в лабораториях сани­тарно-эпидемиологической службы, после чего продукт герметично упаковы­вался.

Учебно-научно-производственная лаборатория «Электротехнология дикорастущих» и мини-фабрика семь раз принимали участие в международных выставках-ярмарках Иркутского меж­дународного выставочного комплекса “Сибэкспоцентр”, являлись дипломан­тами выставки-ярмарки “Ресурсы Приангарья-96”.

Годовой экономический эффект от внедрения многоярусной производственной ИК-ус­тановки, работающий в режиме прерывного облучения по отношению к аналогичной установке, работающей в ре­жиме непрерывного облучения, составляет 107596 рублей (в ценах января 2009 г.). Эффект обусловлен экономией энергии (92474 кВтч в год на одну установку мощностью 30 кВт). Годовой экономический эффект от внедрения в цех по производству оздоровительного чая четырёх многоярусных производственных ИК-установок по сравнению с сопоставимыми по мощности установками типа «Суховей-2М», изготавливаемых серийно, составил 300014 рублей. При расчете годового экономического эффекта не отражено сбережение ресурсов лекарственных растений в технологии получения оздоровительного чая за счет высокого выхода активно действующих веществ и минимизации использования сырья.

Основные выводы