35УДК 631.5
Врагов Андрей Андреевич Vragov Andrey Andreevich
Лаборант laboratory assistant Институт перспективных технологий Institute of Advanced Technologies г. Новосибирск Novosibirsk
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СУШКИ ФРУКТОВ В ПОДСОБНЫХ ХОЗЯЙСТВАХ
ANALYSIS OF THE EXISTING METHODS AND MEANS OF DRYING FRUIT IN HOUSEHOLDS
Аннотация: В статье рассматриваются основные аспекты cушки фруктов и овощей, как эффективные, проверенные тысячелетиями способы консервирования и длительного хранения в соответствующих условиях всех питательных и лечебных свойств фруктов, ягод и овощей. Потреблять сухофрукты диетологи рекомендуют всем людям в зимне-весеннее время года в среднем по 40-50 граммов в день. Доля данной продукции на рынках Европы составляет 10-15% от общего объема потребления плодоовощной продукции.
Abstract: The article discusses the main aspects of drying fruits and vegetables, as effective, proven for thousands of years, methods of conservation and long-term storage under appropriate conditions of all the nutritional and medicinal properties of fruits, berries and vegetables. Nutritionists recommend that all people consume dried fruits in the winter-spring season, an average of 40-50 grams per day. The share of these products in the European markets is 10-15% of the total consumption of fruits and vegetables.
Ключевые слова: конвенционная сушка, воздушная сушка, инфракрасная сушка, вакуумная сублимация.
Key words: conventional drying, air drying, infrared drying, vacuum sublimation.
Сушка - теплофизический процесс, направленный на удаление влаги из продукта. Однако данный процесс материалов является одновременно и технологическим процессом, во время которого необходимо не только удалить лишнюю влагу, но и сохранить полезные вещества, витамины, ароматические и вкусовые качества продукта.
Сегодня существует много высокотемпературных автоматизированных аппаратов для сушки фруктов. Однако их применение нерентабельно при небольших объемах переработки свежесобранных фруктов в условиях личных крестьянских и фермерских хозяйств, что связано с большими капитальными вложениями, высокими энергозатратами. Недостатками этих сушильных установок являются: загрязнение фруктов и окружающей среды токсичными продуктами горения топлива; неравномерность нагрева фруктовой массы и высокая скорость сушки, что приводит к пересушиванию, деформации и растрескиванию материала; большие расходы энергоносителей. Применение природной сушки фруктов на открытом воздухе в условиях естественного освещения требует значительных затрат труда и имеет низкую производительность.
В этой связи необходимость разработки технических средств сушки фруктов на основе альтернативных источников энергии, обеспечивающих энерго-ресурсосохранение, выполнение
экологических требований, обуславливает актуальность темы работы.
При переработке фруктов применяют природный и принудительный конвективный способ сушки сельскохозяйственной продукции [1,2], что обусловлено методами передачи тепла, особенностями материалов, видами связи влаги с материалом, энергозатратами.
Естественная сушка - наиболее простой и распространенный конвективный способ обезвоживания фруктового сырья в личных крестьянских хозяйствах. При естественной сушке обезвоживание сырья происходит на открытом воздухе в условиях естественного освещения, без воздействия человека на интенсифицирующие процессы (температуры продукта и сушильного агента - воздух, влажность и т.п.).
Недостатками естественной сушки по сравнению с искусственной являются
- большая продолжительность процесса, зависящая от географического расположения, состояния неба, часа, времени года и состояния внешней окружающей среды. При естественной конвективной сушке материал высушивается до равновесной влажности.
- также высушенная продукция имеет низкое содержание питательных веществ, витаминов, сильное загрязнение.
- несмотря на простоту и дешевизну, естественная сушка ограничена мелкими объемами переработки фруктового сырья.
В случае искусственного принудительного камерного способа сушки фруктового сырья необходимо выбирать правильно метод сушки и конструкцию сушильного аппарата в соответствии с техническими условиями на процесс.
В зависимости от способа подвода тепловой энергии к фруктовому сырью применяют следующие методы сушки: конвективная, кондуктивная, терморадиационная, сушка при нагревании токами высокой частоты (СВЧ), сублимационная, комбинированная [3].
Искусственный способ сушки растений материалов осуществляется в специальных аппаратах (сушильных установках или
камерах), по конструктивному исполнению бывают: камерные, ленточные, конвейерные, шахтные, лотковые, вальцевые, стеллажные, коридорные, контактно-вальцевые (СВЧ).
По конвективному способу сушки тепло передается от источника тепловой энергии к поверхности сушки, с помощью теплоносителя. В качестве теплоносителя используют воздух, водяной пар, дымовые газы. Этот метод наиболее распространен, на нем основана работа подавляющего большинства камерных и шахтных сушильных установок.
Однако такому методу сушки присущ также ряд недостатков:
- большие энергетические затраты (для удаления одного килограмма влаги из фруктового сырья и превращения его в пар необходимо затратить от 1,6 до 2,5 кВтч электроэнергии);
- трудность контроля процесса сушки в газовом и псевдосжиженном слое, поскольку невозможен отбор проб и визуальный осмотр в процессе сушки;
- небольшое отклонение (повышение) температуры приводит к карамелизации сахара во фруктовом сырье.
Кондуктивный метод сушки основывается на передаче теплоты высушиваемому материалу в результате контакта с нагретой поверхностью [5].
В случае кондуктивной сушки термодиффузия и диффузия за счет разности концентрации влаги одинаково направлены, что способствует интенсификации процесса в первом периоде сушки, а во втором периоде снижается интенсивность сушки за счет разности температур.
Высокое качество конечного продукта достичь не удается из-за неравномерного влагосодержания в материале; продукт, контактирующий с нагретой поверхностью, пересушивается, что
приводит к деформации и растрескиванию материала. Вальцевые и лотковые сушильные установки, основанные на этом способе сушки, являющиеся металлоемкими, имеют большие затраты электроэнергии (от 1,5 до 1,7 кВт-ч на 1 кг удаленной влаги).
При терморадиационном методе сушки фрукты получают теплоту от инфракрасных лучей. Сушка инфракрасными лучами сопровождается сильным нагревом поверхности материала, в результате чего создается значительный температурный градиент, препятствующий перемещению влаги изнутри материала на поверхность. Необходимо здесь прерывистое облучение, при котором в период облучения поверхность материала быстро нагревается и обезвоживается, а в период удаления влаги от внутренних слоев материала перемещается к внешним.
Несмотря на ряд преимуществ (простота конструкции конвейерных и коридорных сушильных установок, гибкость управления процессом и т.п.), сушка инфракрасными лучами в чистом виде не получила достаточного распространения вследствие неравномерного нагревания материала, низкого КПД генераторов инфракрасного излучения и значительного расхода электрической энергии. 1,9 кВт-ч на 1 кг удаленной влаги.
Сублимационный метод сушки (молекулярный способ сушки) является одним из наиболее эффективных в процессе сушки фруктов. Его можно разделить на две стадии: в первой с помощью глубокого вакуума влага вымораживается и выходит на поверхность, во второй -за счет интенсивного подвода тепла осуществляется испарение влаги (лед, минуя жидкое состояние, превращается в пар). Большого распространения эта технология не получила из-за сложности конструкции туннельных сушильных установок, низкой производительности, высоких капиталовложений, затрат на
производство, расхода электрической энергии (от 3 до 3,9 кВт-ч на 1 кг удаленной влаги).
Диэлектрический метод сушки, основанный на диэлектрических свойствах воды и сухого вещества (влажный материал гораздо более склонен к нагреву, чем сухой). В процессе сушки более влажный материал нагревается сильнее, чем более сухой. Нагрев основан на явлении поляризации (расположение в определенном направлении) молекул фруктов. Во время сушки фрукты помещают между электродами нагревательного конденсатора, причем эти электроды имеют разноименные заряды. Под действием электрического поля высокой напряженности происходит регулируемый нагрев материала. Испарение влаги происходит по всему объему материала и внутри частицы возникает градиент давления, что ускоряет перенос влаги. Для удаления испаряющейся влаги необходимо непрерывно продувать воздух через слой фруктового сырья. Охлаждение просушенного сырья производится в охладителях. Преимущества сушки токами высокой частоты по сравнению с конвективной и контактной сушкой заключаются в возможности регулирования и поддержания определенной температуры, а также характеризуется значительной интенсификацией процесса сушки. Все это требует большого количества электроэнергии (от 2,5 до 5 кВт-ч на 1 кг удаленной влаги). Недостатками сушильных установок СВЧ являются сложность оборудования, металлоемкость, экологическая опасность в результате вреда воздействия микроволнового излучения на человека. Эти установки требуют для обслуживания специализированного персонала и постоянного контроля фона СВЧ излучения, а также использования высокого напряжения, что опасно для обслуживающего персонала.
Поэтому внедрение новых методов и прогрессивных технологий в процесс сушки фруктов является важнейшей задачей повышения эффективности работы сушильных установок [4]. К нему предъявляются жесткие требования к: качеству высушенных фруктов (сохранение лабильных компонентов, питательных веществ, витаминов, ароматических и вкусовых качеств продукта); возможности сушки фруктового сырья с разным диапазоном влажности; использование сушильного оборудования для сушки разнообразного фруктового сырья; высоких технико-экономических и технико-технологических параметров по сравнению с аналогами; минимальной массы, габаритных размеров и высокой прочности мобильных сушилок; простоты, высокой надежности и безопасности сушильного оборудования; возможности автоматизированного контроля за процессом сушки; уменьшение потребления энергии. Перечисленные характеристики являются неотъемлемым требованием для усовершенствования или разработки новой конструкции сушильного оборудования.
Следовательно, для личных крестьянских и малых фермерских хозяйств остается актуальным вопрос разработки энерго- и материалосберегающих сушилок, которые при сохранении качества продукта использовали доступные альтернативные источники тепловой энергии, например солнечной.
Анализ существующих средств и способов сушки фруктов показал, что наибольшее распространение в личных крестьянских и фермерских хозяйствах получили сушильные аппараты камерного типа с конвективным способом подвода теплоты. На основе анализа установлено, что сушильные аппараты не обеспечивают соответствующие нормы расхода энергии; характеризуются низким термическим КПД и повышенной удельной материалоемкостью.
Поэтому сушки небольших объемов фруктов целесообразно проводить в сушилках на основе солнечной энергии (солнечных сушилках), которые обеспечивают равномерность нагрева фруктов и энергосберегающий режим сушки, что не приводит к деформации и растрескиванию материала. Использование солнечных сушилок особенно рационально для условий личных крестьянских и фермерских хозяйств, где необходимо сушить небольшие партии фруктов.
Выбор солнечных сушилок определяется масштабом производства, климатическими особенностями местности, видом высушиваемого материала и стоимостью дополнительной энергии. Подвод теплоты к материалу может производиться от сушильного агента конвективным способом или солнечно-радиационным излучением. Поэтому их разделяют на конвективные и радиационные.
В частности, Х. Ю. Ойнас [6] приводит тепличного типа солнечную сушилку, имеющую рамную конструкцию, в боковых стенках которой имеются воздушные щели. Над сушащимся материалом установлены прозрачные пленки, образующие вентиляционное воздушное пространство. Под самим объектом сушки находится воздуховод, через который с помощью вентилятора подаётся воздух (вентилятор работает в режиме нагнетания или всасывания). Прозрачные пленки в солнечную погоду могут быть свернуты в рулон.
Недостатками конвективного тепличного типа сушилки являются прямое воздействие солнечных лучей на высушиваемый материал и опасность его нагревания до температуры, превышающей допустимые пределы.
Для сушки кусков и измельченных материалов используют сушилку, в которой тепло подводится терморадиационным и кондуктивным способами [6].
В частности, В. И. Аниськов [7] приводит кондуктивно-радиационную солнечную сушилку, имеющую сушильную камеру, снаряженную электрическим источником тепловой энергии, воздушным каналом, один конец которого соединен с воздушным патрубком, а другой через воздуховод с вентилятором и вытяжным каналом. Солнечный нагреватель выполнен в виде параболоцилиндра с покрытием рабочей поверхности (поверхность выполнена из материала, имеющего высокую отражательную способность в инфракрасной области спектра солнечного излучения с большим коэффициентом пропускания в видимой области спектра), имеет шарнирно закрепленную в верхней части камеры систему слежения за Солнцем возможностью дальнейшего изменения ее угла наклона. Для перемещения объекта сушки от загрузочного к разгрузочному каналу используется транспортер.
Недостатками кондуктивно-радиационной сушилки являются сложность конструкции, трудность контроля процесса сушки, так как невозможен отбор проб и визуальный осмотр в процессе сушки.
Исследователь А. Б. Адамович [8] для сушки различных материалов (фруктов, овощей, грибов, лекарственных растений и т.п.) предлагает радиационную сушилку, в состав которой входят воздухонагреватель и установлена на основе сушильная камера с сетчатым поддоном для объекта сушка. В свою очередь воздухонагреватель имеет вид металлического каркаса, соединенного подвижно, через узлы подвешивания, обтянутого прозрачной лицевой и отражающей тыльной и боковой пленкой.
Внутри самого каркаса есть вертикально расположенный поглотитель, неподвижно соединенный с рамой. Основание сушильной камеры выполнено в плоскости азимутального ориентирования, что позволяет возвращаться камере с воздухонагревателем. Аккумулятор-поглотитель выполнен из листа неметаллического нагревательного элемента, помещенного в термостойкий, влагонепроницаемый и теплоизоляционный материал.
Недостатками радиационной сушилки является прямое влияние солнечных лучей на высушиваемый материал, неравномерность нагрева фруктовой массы. Высокая скорость сушки приводит к пересушиванию, деформации и растрескиванию материала.
Автор Б. И. Казанджал [9], для сушки сельскохозяйственных продуктов и других материалов рекомендует конвективную сушилку, в которой пластины поглотителя выполнены, как одно целое, с перфорированными полками для передачи тепла за счет теплопроводности. Сами пластины установлены таким образом, что образуют направляющие щели. Для предварительного нагрева воздуха от солнечного излучения используется канал между прозрачной панелью и дополнительной пластиной.
В целях обеспечения равномерности высыхания на всех поглотителях подача воздуха регулируется за счет изменения ширины щели вследствие горизонтального перемещения полок.
Недостатком конвективной сушилки является значительный расход тепла на нагрев конструктивных элементов сушильной камеры.
Следовательно, рассматриваемые варианты конструктивных решений солнечных сушилок не предусматривают средств управления переменным потоком входящей солнечной энергии с целью уменьшения перепадов температуры сушки в течение суток.
Соответственно солнечная сушилка должна состоять из наклонного воздушного коллектора с вентилятором переменной производительности, поворотного устройства или плоского зеркального концентратора для усиления утреннего и вечернего солнечных потоков и теплового аккумулятора для резервирования избыточной теплопроизводительности в солнечный полдень.
Таким образом, технические решения в указанных публикациях используют только отдельные свойства солнечной энергии без учета большого количества пространственно-временных соотношений между ее параметрами. Следовательно, актуальный вопрос разработки конструкции солнечной сушилки для использования в личных крестьянских и фермерских хозяйствах нужно решать с учетом теоретических положений солнечной энергетики и последних достижений гелиотехники.
Библиографический список:
1. Гришин М. А. Установки для сушки пищевых продуктов: справочник /- М. : Агропромиздат, 1989. - 215 с.
2. Кац З. А. Производство сушеных овощей-картофеля и плодов / - М. : Пищевая промышленность, 1976. - 194 с.
3. Лебедев П. Д. Расчет и проектирование сушильных установок / - М. : Энергия, 1963. - 320 с.
4. Муштаев В. И. Сушка дисперсных материалов /- М.:Химия, 1988. - 252с.
5. Красников В. В. Кондуктивная сушка / - М. : Энергия, 1972. -
288 с.
6. Пат. 2038554 Fi Российская Федерация, МП СТ26В3/28. Устройства для сушки разных материалов / Хейкки Ойнас; заявитель
и патентообладатель Хейкки Ойнас. - № 5001063; заявл. 04.07.91; опубл. 27.06.95, Бюл. №1.
7. Пат. 2105942 Российская Федерация, МПК F26В3/28 Гелиосушилка / Анискив В. И., Адамович А. Б., Байдаков С. Г., Косов
A. В., Костылев А. М. ; заявитель и патентообладатель Научно-производственное объединение "Гранат". - № 9510938; заявл. 02.03.95; опубл. 27.02.98, Бюл. №2.
8. Пат. 2109225 Российская Федерация, МПКF24j2/26. Гелиотермический преобразователь / Бергамбеков Л. Б., Вергазов С.
B., Захаров А. М. ; заявитель и патентообладатель Беграмбеков Л. Б -№ 96115224 ; заявл. 25.07.96 ; опубл. 20.04.98, Бюл. № 2.
9. Пат. 2042092 RU Российская Федерация, МПСТ26В3/28. Гелиосушилка / Касаджан Б. И. ; заявитель и патентообладатель Касаджан Б. И. - № 9510938. ; - заявл. 23.04.92 ; опубл. 20.08.95, Бюл. № 3.
