CC BY
27
УДК 621.365.46: 664.83/85.039.51 Б01 10.21685/2072-3059-2018-2-12
В. М. Попов, В. А. Афонькина, В. Н. Левинский, В. И. Майоров
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ МАШИНЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТИПА ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ ВЫСОКОВЛАЖНОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В СРАВНЕНИИ С АНАЛОГОМ
Аннотация.
Актуальность и цели. Предприятия сельскохозяйственных отраслей и пищевой промышленности остро нуждаются в передовых технологиях и эффективных перерабатывающих машинах для сохранения продукции. Одним из традиционных способов сохранения является снижение влажности биологического сырья и готовых продуктов. Для обработки высоковлажных продуктов применяются машины тепловой и радиационной сушки.
Материалы и методы. Представлена машина цилиндрического типа для инфракрасной сушки высоковлажного биологического сырья, описан технологический процесс. Отличительной особенностью машины для сушки является использование низкотемпературных пленочных электронагревателей и конструкция корпуса. Проведено экспериментальное сравнение представленной машины с радиационно-конвективным аналогом, выполнены замеры энергопотребления и органолептическая оценка высушенного материала. Для исследований в качестве материала для сушки применялся томат как наиболее яркий представитель высоковлажного биологического сырья.
Результаты. В результате проведенных экспериментов выполнена всесторонняя оценка машины цилиндрического типа для сушки высоковлажного биологического сырья в сравнении с аналогом. Зафиксировано фактическое энергопотребление, количество испаренной влаги, количество брака готовой продукции, дана органолептическая оценка образцов, а также заключение лабораторных испытаний Московской государственной академии ветеринарной медицины и биотехнологии имени К. И. Скрябина.
Выводы. Выбранный тип инфракрасных излучателей и геометрическая форма корпуса обеспечивают круговое воздействие инфракрасного излучения и исключают необходимость перемешивания сырья, что повышает качество готового продукта и упрощает конструкцию машины. Исследования показали, что использование низкотемпературных пленочных электронагревателей для сушки высоковлажного биологического сырья возможно, при этом витамины и ценные вещества не разрушаются, а сроки хранения готовой продукции увеличиваются. Согласно полученному заключению образцы готовой продукции полностью соответствуют международным стандартам. Экспериментальное сравнение с радиационно-конвективным аналогом подтвердило высокую энергоэффективность машины цилиндрического типа для инфракрасной сушки.
Ключевые слова: машина для сушки, машина для инфракрасной сушки высоковлажного сырья, ИК-излучатель, биологическое сырье, высоковлажное сырье, энергоэффективность, аналог.
© 2018 Попов В. М., Афонькина В. А., Левинский В. Н., Майоров В. И. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.
V. M. Popov, V. A. Afon'kina, V. N. Levinskiy, V. I. Mayorov
DETERMINATION OF ENERGY EFFICIENCY OF A CYLINDRICAL TYPE MACHINE FOR INFRARED DRYING OF A HIGHLY MOBILE BIOLOGICAL RAW MATERIAL IN COMPARISON WITH ANALOG
Abstract.
Background. Enterprises of agricultural industries and the food industry are in dire need of advanced technologies and efficient processing machines for the preservation of production. One of the traditional ways of conservation is to reduce the moisture content of biological raw materials and finished products. Machines for thermal and radiation drying are used for processing high-moisture products.
Materials and methods. The article presents a cylindrical type machine for infrared drying of high-moisture biological raw materials, the technological process is described. A distinctive feature of the drying machine is the use of low-temperature film heaters and the construction of the housing. An experimental comparison of the presented machine with a radiation-convective analogue was performed, energy consumption measurements and an organoleptic evaluation of the dried material were performed. For research as a material for drying, tomato was used as the brightest representative of high-moisture biological raw materials.
Results. As a result of the conducted experiments, a comprehensive evaluation of a cylindrical type machine for drying high-moisture biological raw materials in comparison with an analogue was carried out. The actual energy consumption, the amount of evaporated moisture, the quantity of finished products, the organoleptic evaluation of the samples, and the conclusion of laboratory tests of the Moscow State Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology named after K.I. Skrya-bin were recorded.
Conclusions. The selected type of IR emitters and the geometric shape of the housing provide a circular effect of infrared radiation and exclude the need for mixing of raw materials, which increases the quality of the finished product and simplifies the design of the machine. Studies have shown that the use of low-temperature film electric heaters for drying high-moisture biological raw materials is possible, while vitamins and valuable substances are not destroyed, and the shelf life of finished products increases. According to the received conclusion, the samples of finished products fully comply with international standards. An experimental comparison with a radiation-convective analog confirmed the high energy efficiency of a cylindrical-type machine. For infrared drying.
Key words: drying machine, infra-red drying machine for high-moisture raw materials, infra-red radiating element, biological raw materials, high-moisture raw materials, energy efficiency, analogue.
Введение
Проблема снижения влажности сырья и материалов актуальна для многих отраслей экономики. Особенно важное значение она имеет для сельского хозяйства и пищеперерабатывающих отраслей, так как снижение влажности непосредственно связано с повышением сохраняемости и увеличением сроков хранения плодоовощной и прочей продукции. В последние десятилетия для решения этой задачи были разработаны многочисленные технологии снижения влажности различных продуктов, а использование последних достижений в машиностроительной и электротехнической отраслях позволяет
усовершенствовать старые и создавать принципиально новые, более эффективные машины для сушки продуктов.
Машины для сушки сельскохозяйственной продукции классифицируются по целому ряду признаков, важнейшим среди которых является способ подвода тепла к влажному материалу. По этому признаку можно выделить конвективные машины для сушки (высушиваемый материал омывается потоком предварительно нагретого сушильного агента), машины для контактной сушки (осуществляется непосредственный контакт высушиваемого материала с нагреваемой поверхностью), машины для радиационной сушки (высушивание происходит под воздействием инфракрасного (ИК) излучения либо электромагнитного поля высокой и сверхвысокой частот) [1].
При сушке высоковлажного биологического сырья (овощи, фрукты, мясо, рыба и т.п.) весьма перспективно использовать инфракрасное излучение, имеющее ряд важных отличий от классических методов нагрева. Во-первых, не требуется наличия теплоносителя, способствующего загрязнению обрабатываемого продукта. Во-вторых, продукт не перегревается вблизи теплопередающих поверхностей, так как тепловыделение происходит в объеме продукта, и его температура выше температуры стенок машины для сушки. В-третьих, интенсивность нагрева не зависит от агрегатного состояния продукта, а только от его оптических и диэлектрических свойств. При использовании ИК-нагрева интенсивность процесса сушки увеличивается в 1,5-2,0 раза с одновременным снижением энергозатрат в 1,5 раза, однако применение этого способа сушки высоковлажного биологического сырья сопряжено с рядом трудностей, главной из которых является оптимальное размещение ИК-излучателя относительно продукта [2].
ИК-излучатель является одной из основных частей машины для инфракрасной сушки. Эффективность установок данного типа во многом зависит от свойств и эксплуатационного режима выбранного ИК-излучателя [3]. При разработке машины для инфракрасной сушки был выбран низкотемпературный пленочный электронагреватель (НЭП), так как ИК-излучатель этого типа способен обеспечить высокую плотность потока в диапазоне длин волн от 8 до 9,5 мкм [4, 5]. Кроме того, пленочный электронагреватель - единственный ИК-излучатель, допускающий изменение своей геометрической формы.
С учетом свойств и особенностей пленочного ИК-излучателя при разработке конструкторской документации машины для сушки за основу взят цилиндрический корпус, а электронагреватель размещен на его стенках [6].
Техническим результатом предлагаемой машины для инфракрасной сушки является:
- повышение качества высушиваемого продукта за счет одновременного воздействия ИК-излучения со всех сторон;
- снижение энергетических затрат, так как энергия излучения электронагревателя концентрируется в заданной локальной области.
На основании разработанной конструкторской документации машины для сушки цилиндрической формы изготовлен опытный образец рис. 1 [7, 8].
На данном образце проведено два эксперимента с целью оценки применимости инфракрасной сушки высоковлажного биологического сырья (на примере томатов) и с целью определения энергоэффективности разрабатываемой машины для сушки в сравнении с аналогами.
1. Методика и материалы
Для проведения первого этапа экспериментов использовался 1 кг томатов, размер каждого не превышал 3 см в диаметре. Томаты поместили в емкость объемом 10 л, тщательно вымыли, после чего была произведена сортировка и выбраковка: для эксперимента были отобраны экземпляры, имеющие одинаковый размер и правильную форму, не поврежденные, без помятостей и гнили. Отобранные томаты были разрезаны на четвертинки и взвешены, общий вес составил 0,930 кг.
Рис. 1. Опытный образец машины для сушки
Порезанные томаты были помещены в прогретую машину. Сушка продолжалась 52 ч, выход готового продукта составил 0,120 кг. Полученному продукту была дана органолептическая оценка - по всем показателям «отлично». Для дальнейших лабораторных испытаний готовый продукт был отправлен в Московскую государственную академию ветеринарной медицины и биотехнологии имени К. И. Скрябина. По итогам испытаний было выдано заключение: «сушеный томат» в объеме проведенных испытаний соответствует требованиям Стандарта ЕЭК ООН ББР-19, регламентирующего сбыт и контроль товарного качества сушеных томатов [9, 10].
После полученных положительных результатов первого этапа экспериментов был проведен второй этап, направленный на определение энергоэффективности разрабатываемой машины для сушки в сравнении с аналогами. В качестве аналога была выбрана радиационно-конвективная машина для
сушки «УРАЛ» (рис. 2). В табл. 1 рассмотрены технические характеристики опытного образца и машины для сушки «УРАЛ».
Рис. 2. Машина для сушки «УРАЛ»
Таблица 1
Технические характеристики опытного образца и машины для сушки «УРАЛ».
Наименование технического параметра «УРАЛ» Опытный образец машины для сушки
Номинальное напряжение, В 220 220
Объем рабочей камеры, м3 0,06 0,15
Способ загрузки материала лотки подвес
Количество нагревательных элементов, шт. / мощность, Вт 4 / 350 1 / 380 1 / 100
Установленная мощность, Вт 1400 500
Подготовительные операции с продуктом проводились согласно методике проведения первого эксперимента, единственным отличием стало количество использованного продукта - 4,2 кг, которые после всех этапов подготовки были поделены на две равных части по 2,142 кг.
Первая часть была помещена на два сетчатых лотка установки «УРАЛ», а вторая часть была помещена в опытный образец машины для сушки. Обе установки были предварительно прогреты и выведены на рабочий режим. Температура в установке «УРАЛ» не регулируется, но дополнительно в машине был установлен регулируемый контроллер температуры с выносным датчиком для измерения температуры воздуха в камере. На обеих машинах для сушки задавалась температура воздуха в пределах 27-32 °С. В процессе проведения эксперимента постоянно измерялись три параметра: температура воздуха в камере, температура нагревателя и температура продукта.
2. Результаты
Значения температуры, полученные в результате измерений во время проведения эксперимента, приведены на температурно-временных графиках рис. 3, 4, конечные результаты экспериментов представлены в табл. 2.
Рис. 3. Температурно-временной график при сушке томатов в установке «УРАЛ»
Рис. 4. Температурно-временной график сушки томатов в опытном образце машины
Результаты экспериментов сушки высоковлажного биологического сырья (на примере томатов)
Таблица 2
Параметр Общие значения для сушилок
^помещения +19
ф 62 %
УРАЛ Опытный образец машины для сушки
Начало Конец Начало Конец
т, кг 2,142 0,185 2,142 0,192
Жн, кВт • ч 0 12,8 0 6,3
Количество испаренной влаги 1,957 1,95
Брак, % 50 3
3. Обсуждение
Из температурно-временного графика на рис. 3 видно, что сушка проходила при высокой температуре нагревателя (250 °С), при этом температура в камере периодически, но незначительно превышала температуру продукта, а ближе к концу процесса сушки эти параметры выходили на одинаковые значения. И несмотря на регулирование температурного режима, заметна большая инерционность процесса сушки.
Из рис. 4 видно, что почти на всем протяжении сушки температура камеры равна или ниже температуры продукта, при этом весь процесс сушки проходил в режиме низких температур (не более 60 °С). Анализ результатов:
1. Для машины сушки «УРАЛ»: время сушки томатов составляет 9,6 ч, при этом затрачено 12,8 кВт • ч электроэнергии; количество испаренной влаги - 1,957 кг. Органолептическая оценка: цвет - 2, вкус - 3, запах - 3, текстура - очень твердая, согласно Стандарту ЕЭК ООН-19 соответствует пониженному содержанию влаги.
2. Для опытного образца: время сушки томатов в спроектированной машине составляет 42 ч, при этом затрачено 6,3 кВт • ч электроэнергии; количество испаренной влаги - 1,655 кг. Органолептическая оценка: цвет - 5, вкус - 5, запах - 5, текстура - твердая, но гибкая, что согласно Стандарту ЕЭК ООН-19 соответствует нормальному содержанию влаги.
Заключение
Сушка высоковлажного биологического сырья с использованием низкотемпературного пленочного электрического нагревателя, расположенного в корпусе цилиндрической формы, возможна, что подтверждено лабораторными испытаниями, и соответствует установленному стандарту.
Сравнение с аналогом - машиной для сушки «УРАЛ» - показало, что по результатам экспериментов опытный образец превосходит аналог по орга-нолептической оценке, по количеству брака и более чем в 2 раза по энергетическим затратам на сушку одинакового объема высушенной продукции.
Библиографический список
1. Анатазевич, В. И. Сушка пищевых продуктов : справочное пособие /
B. И. Антазевич. - М. : ДеЛи, 2000. - 294 с.
2. Чернышев, С. В. Разработка и научное обоснование технологии сушеных томатов : дис. ... д-ра техн. наук / Чернышев С. В. - Кишинев, 2011. - С. 16-28.
3. Карпов, В. Н. Энергосбережение в оптических электротехнологиях АПК. Прикладная теория и частные методики / В. Н. Карпов, С. А. Ракутько. - СПб. : СПбГАУ, 2009. - 100 с.
4. Пат. 2010115793 Российская Федерация, 100353 ЯИ Н05В 3/36. Пленочный электронагреватель / Полевой Б. Г., Попов В. М. ; заявл. 20.04.2010 ; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34.
5. Афонькина, В. А. Инфракрасная сушка термолабильного сырья на примере зеленных культур : дис. ... канд. техн. наук / Афонькина В. А. - Челябинск, 2014. -
C. 54-62.
6. Левинский, В. Н. Разработка сушильной установки высоковлажного биологического сырья с применением пленочных электронагревателей / В. Н. Левин-ский, В. М. Попов, В. А. Афонькина // Агрокомплекс-2016 : материалы науч.-
практ. конф. в рамках XXVI Междунар. специализированной выставки. - Уфа, 2016. - Ч. III. - С. 34-39.
7. Попов В. М. Инфракрасная сушильная установка высоковлажного биологического сырья / В. М. Попов, В. А. Афонькина, В. Н. Левинский, Е. И. Шукшина // Научные проекты Южно-Уральского аграрного университета. - Челябинск, 2016. -С. 73-75.
8. Пат. 2596918 Российская Федерация. Установка для сушки высоковлажных материалов / Попов В. М., Афонькина В. А., Шукшина Е. И., Левинский В. Н., Майоров В. И. ; заявл. 26.05.2015 ; опубл. 10.09.2016, Бюл. № 25.
9. Попов В. М. К вопросу об инфракрасной сушке томатов / В. М. Попов, В. А. Афонькина, В. Н. Левинский // Достижения науки - агропромышленному производству : материалы 55 Междунар. науч.-техн. конф. - Челябинск : Изд-во ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2016. - С. 267-274.
10. Стандарт ЕЭК ООН DDP-19, касающийся сбыта и контроля товарного качества сушеных томатов от 09 ноября 2007 г. - М., 2007.
References
1. Anatazevich V. I. Sushka pishchevykh produktov: spravochnoe posobie [Food drying: reference guide]. Moscow: DeLi, 2000, 294 p.
2. Chernyshev S. V. Razrabotka i nauchnoe obosnovanie tekhnologii sushenykh tomatov: dis. d-ra tekhn. nauk [Development and scientific substantiation of dried tomato technology: dissertation to apply for the degree of the doctor of engineering sciences]. Kishinev, 2011, pp. 16-28.
3. Karpov V. N., Rakut'ko S. A. Energosberezhenie v opticheskikh elektrotekhnologiyakh APK. Prikladnaya teoriya i chastnye metodiki [Energy saving in optical electrotechnol-ogies of agrarian and industrial complex. Applied theory and particular techniques]. Saint-Petersburg: SPbGAU, 2009, 100 p.
4. Pat. 2010115793 Rossiyskaya Federatsiya, 100353 RU H05B 3/36. Plenochnyy elek-tronagrevatel' [Patent 2010115793 of the Russian Federation, 100353 RU H05B 3/36. Film electric heater]. Polevoy B. G., Popov V. M.; appl. 20.04.2010; publ. 10.12.2010, Bul. № 34.
5. Afon'kina V. A. Infrakrasnaya sushka termolabil'nogo syr'ya na primere zelennykh kul'tur: dis. kand. tekhn. nauk [Infrared drying of thermolabile raw materials on the example of green cultures: dissertation to apply for the degree of the candidate of engineering sciences]. Chelyabinsk, 2014, pp. 54-62.
6. Levinskiy V. N., Popov V. M., Afon'kina V. A. Agrokompleks-2016: materialy nauch.-prakt. konf. v ramkakh XXVI Mezhdunar. spetsializirovannoy vystavki [Agrokompleks-2016: proceedings of the scientific and practical conference within the XXVI International specialized exhibition]. Ufa, 2016, part III, pp. 34-39.
7. Popov V. M., Afon'kina V. A., Levinskiy V. N., Shukshina E. I. Nauchnye proekty Yu-zhno-Ural'skogo agrarnogo universiteta [Bulletin of South-Ural State Agro University]. Chelyabinsk, 2016, pp. 73-75.
8. Pat. 2596918 Rossiyskaya Federatsiya. Ustanovka dlya sushki vysokovlazhnykh mate-rialov [Patent 2596918 of the Russian Federation. Installation for drying high-moisture materials]. Popov V. M., Afon'kina V. A., Shukshina E. I., Levinskiy V. N., Mayorov V. I.; appl. 26.05.2015; publ. 10.09.2016, Bul. № 25.
9. Popov V. M., Afon'kina V. A., Levinskiy V. N. Dostizheniya nauki - agropromyshlen-nomu proizvodstvu: materialy 55 Mezhduna. nauch.-tekhn. konf. [Achievements of science - agro-industrial production: proceedings of the 55th International scientific and engineering conference]. Chelyabinsk: Izd-vo FGBOU VO Yuzhno-Ural'skiy GAU, 2016, pp. 267-274.
10. Standart EEK OON DDP-19, kasayushchiysya sbyta i kontrolya tovarnogo kachestva sushenykh tomatov ot 09 noyabrya 2007 g. [EEK OON DDP-19 standard concerning the marketing and control of the commercial quality of dried tomatoes dated 9th of November, 2007]. Moscow, 2007.
Попов Виталий Матвеевич
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой энергообеспечения и автоматизации технологических процессов, Южно-Уральский государственный аграрный университет (Россия, г. Челябинск, пр. Ленина, 75)
E-mail: ntc-es@mail.ru
Popov Vitaliy Matveevich
Doctor of engineering sciences, associate
professor, head of the sub-department
of energy and process automation,
South-Ural State Agro University
(75 Lenina avenue, Chelyabinsk, Russia)
Афонькина Валентина Александровна
кандидат технических наук, доцент, кафедра энергообеспечения и автоматизации технологических процессов, Южно-Уральский государственный аграрный университет (Россия, г. Челябинск, пр. Ленина, 75)
E-mail: Afva82@mail.ru
Afon 'kina Valentina Aleksandrovna Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of energy and process automation, South-Ural State Agro University (75 Lenina avenue, Chelyabinsk, Russia)
Левинский Василий Николаевич
лаборант, кафедра энергообеспечения и автоматизации технологических процессов, Южно-Уральский государственный аграрный университет (Россия, г. Челябинск, пр. Ленина, 75)
E-mail: lv_74rus@mail.ru
Levinskiy Vasiliy Nikolaevich Laboratory assistant, sub-department of energy and process automation, South-Ural State Agro University (75 Lenina avenue, Chelyabinsk, Russia)
Майоров Владимир Иванович
доктор юридических наук, профессор, кафедра административного и финансового права, Тюменский государственный университет (Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, 6)
E-mail: 1955715@rambler.ru
Mayorov Vladimir Ivanovich Doctor of juridical sciences, professor, sub-department of administrative and financial law, Tyumen State University (6 Volodarskogo street, Tyumen, Russia)
УДК 621.365.46: 664.83/85.039.51 Попов, В. М.
Определение энергоэффективности машины цилиндрического типа для инфракрасной сушки высоковлажного биологического сырья в сравнении с аналогом / В. М. Попов, В. А. Афонькина, В. Н. Левинский, В. И. Майоров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2018. - № 2 (46). - С. 131-139. - DOI 10.21685/20723059-2018-2-12.
