CC BY
67
УДК 664.8.047:536.24
Профессор И.Ю. Алексанян, доцент Ю.А. Максименко, аспирант Ю.С. Феклунова
(Астраханский гос. техн. ун-т) кафедра технологических машин и оборудования, тел. 8-903-349-12-12
Совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии
Представлены результаты комплекса экспериментально-аналитических исследований кинетики сушки. Проанализировано влияние основных факторов на эффективность процесса. Результаты исследований необходимы для разработки математических моделей, адекватных реально протекающим физическим явлениям, и управления режимами с целью рациональной эксплуатации сушильной техники для обезвоживания сырья растительного происхождения.
There are presented the results of experimental and analytical studies of the drying kinetics and the influence of basic factors on the efficiency of the process. The results of the research needed for the development of mathematical models that are adequate to actually occurring physical phenomena and control regimes with a view to the rational exploitation of drying equipment for dehydration of raw materials of vegetable origin.
Ключевые слова: моделирование технологических процессов, автоматизация технологических процессов, тепломассообмен, сушка, распылительная сушка, растительные экстракты, тепломассоперенос.
Анализ современного состояния и перспектив развития производства кусковых и порошковых форм сухих плодоовощных продуктов доказал высокую рентабельность выпуска данных продуктов. Актуальной научно-технической задачей на сегодняшний день является рационализация и интенсификация процесса сушки плодоовощных продуктов и полуфабрикатов для эффективной переработки сырья в условиях предприятий малой и средней мощности.
В качестве экспериментальных образцов при изучении кинетики конвективной сушки были использованы плодоовощные продукты без существенного нарушения их клеточного строения (сырье - кубики со стороной 3,0, 4,5 и 6,0 мм): морковь (сорт «Витаминная»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); яблоко (сорт «Антонов-
Для обеспечения равномерного объемного подвода сушильного агента, регулировки его температурных и расходных характеристик с целью моделирования процесса сушки измельченных плодоовощных продуктов использовалась экспериментальная сушильная установка, разработанная на базе сушильного аппарата Ezidri Snackmaker FD500 (производитель Hydraflow Industries Limited), который был специально адаптирован для проведения экспериментальных исследований.
(С) Алексанян И.Ю., Максименко Ю.А., Феклунова Ю.С., 2014
В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки при проведении экспериментальных исследований приняты: температура теплоносителя Тс.а., К, и характерный размер (длина стороны кубика) продукта Н, мм. Исследования кинетики сушки проводились по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. В табл. 1 приведены факторы, влияющие на эффективность процесса сушки и уровни их варьирования.
Таблица 1
Факторы и уровни их варьирования
Уровни Факторы
Т с.а., К К, мм
1 343 3,0
2 353 4,5
3 363 6,0
Границы варьирования факторов (табл. 1) установлены с учетом технологических ограничений и возможности технического осуществления процесса сушки. Скорость потока теплоносителя ш, м/с, при проведении исследований для фиксированных значений Н устанавливалась на основании предварительных расчетов из условия существования псевдоожиженного слоя при порозности £ = 0,75. Остальные факторы приняты постоянными и установлены в результате аналитических расчетов и серии предварительных постановочных экспериментов [6].
В качестве целевой функции выбрали эффективность процесса, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3-мин) [1]:
уу _ П1сух.прод
V -Т ' ( ]
суш.камеры с
где гпсух.прод - масса сухого продукта (при конечной влажности Шк, кг/кг), кг; Т^суттт, к я мертчт рабочий объем сушильной камеры, м3; 1с - экспериментальное время сушки, соответствующее достижению конечной влажности продукта Шк, мин.
Конечная влажность 1¥н устанавливается в ходе дополнительного исследования гигроскопических характеристик объекта сушки. Для сырья растительного происхождения в среднем можно принять Шк = 0,05 кг/кг [5]. С учетом начальной Щ, и конечной влажности Шк, кг/кг, высушиваемого продукта:
г\ - Ж/ Л
/77 _ , = /77
под'гдга . га^.гдга
\ а
где Шнач.прод. - начальная масса высушиваемого продукта, кг.
Принимая во внимание, что в процессе сушки свойства продукта изменяются, определение рабочего объема сушильной камеры при проектировании целесообразно проводить для исходных характеристик продукта. При сушке в псевдоожижен-ном слое рабочий объем сушильной камеры (объем псевдоожиженного слоя) с учетом порозности 8 можно определить аналитически:
шнач.прод.
т т _ ^нач.прод. _ Рнач.прод.
*суш.камеры ~ (1_£) ~ (1_£) >
где V,
нач.прод
- начальный объем высушиваемого продукта, м3; р„.
ач.прод
- начальная
плотность высушиваемого продукта, м3/кг; е - порозность псевдоожиженного слоя.
Порозность псевдоожиженного слоя для выполнения инженерных расчетов с достаточной точностью можно принять £ = 0,75 [2].
После преобразований зависимость целевой функции (1) принимает вид:
I =
Р
(а^лдгй
Тп
'\_-WT 1-Жё
"О
Т.
■Ш
(2)
где Сн - начальная концентрация сухих веществ в продукте, кг/кг; Ск - конечная концентрация сухих веществ в продукте, кг/кг.
В табл. 2 представлены определенные по формуле (2) численные значения эффективности процесса сушки для ряда исследуемых продуктов.
Таблица 2
Значения эффективности процесса сушки П, кг/(м3-мин)
Тс.а. 9 К Кубики из моркови Кубики из яблока (сорт Кубики из тыквы (сорт
к мм (сорт «Витаминная») «Антоновка») «Волжская серая 92»)
3,0 1,397008 0,530663 0,456172
343 4,5 1,158494 0,409053 0,383599
6,0 1,010601 0,363602 0,337567
3,0 1,696366 0,560986 0,544463
353 4,5 1,397008 0,478891 0,468843
6,0 1,187456 0,409053 0,401866
3,0 2,159012 0,727205 0,675134
363 4,5 1,759195 0,613579 0,562612
6,0 1,397008 0,478891 0,456172
На основе данных экспериментально-аналитических исследований (табл. 2) для исследуемых продуктов получены аппроксимирующие линейно-степенные функциональные зависимости эффективности сушки от влияющих на процесс факторов:
/ {к,Тп.а^) = {а1 -И2 + Ь1 ■И + с1 }-Тп.а2 + (с/7 -И2 +е1 ■ И + /, Тп.а.+ + (§"7 ■ + к1 ■ И + /, )
где ап, Ьп, сп, dп, еп, кп, 1П - эмпирические коэффициенты (табл. 3).
Оценка достоверности аппроксимации И2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,95. Увеличение показателя степени параметров в полиноме не влияло на величину И2.
Таблица 3
Значения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей
эффективности сушки
Коэффициент Продукт
Кубики из моркови (сорт «Витаминная») Кубики из яблока (сорт «Антоновка») Кубики из тыквы (сорт «Волжская серая 92»)
ап -57,071777777778 33,981111111111 17,042888888889
Ьп 0,295995 -0,491674333333 -0,240673
Сп 0,000442094 0,001848666 0,000780532
С1п 39704,0453333334 -25070,8857777779 -12259,6393333334
еп -209,934672666668 355,489918 170,288711
& -0,265833884 -1,310712698 -0,539182072
& -6883885,93755558 4618398,84800003 2205868,44933335
кп 36873,8139710003 -64296,0827466669 -30186,6497713335
(и 41,315425086999 233,08314538 93,791452935
На рис. 1, 2 в качестве примера представлены поля значений эффективности сушки для исследуемых продуктов.
Рис. 1. Поле значений эффективности сушки кубиков из жоркови (сорт «Витаминная»)
Рис. 2. Поле значений эффективности сушки кубиков из тыквы (сорт «Волжская серая 92»)
По уравнению (3) с помощью опции «maximize» в среде Mathcad Professional были определены рациональные значения варьируемых параметров и максимум искомой (целевой) функции П (табл. 4).
Таблица 4
Рациональные значения варьируемых параметров и максимум целевой функции
Параметр Продукт
Кубики из моркови (сорт «Витаминная») Кубики из яблока (сорт «Антоновка») Кубики из тыквы (сорт «Волжская серая 92»)
П, кг/(м3-мин) 2,159012 0,727205 0,675134
h, мм 3,0 3,0 3,0
Тс.а., К 363 363 363
Анализ характера полей значений эффективности (рис. 1, 2) показал, что увеличение температуры сушильного агента значительно интенсифицирует тепломас-сообменные процессы при сушке. Отмечается рост целевой функции при сокращении продолжительности обезвоживания.
Анализ качественных показателей сухих плодоовощных продуктов в результате комплекса экспериментов позволил рекомендовать верхний предел температуры теплоносителя 90 °С, превышение которого в большинстве случаев приводит к недопустимому перегреву продукта (выше 60 °С) и потере качества сухой продукции. Очевидно, что для обеспечения интенсивности сушки необходимо поддерживать температуру теплоносителя по возможности более близкой к предельно допустимому уровню [ 1, 3, 4].
В ходе комплекса экспериментально-аналитических исследований отмечено, что при конвективной сушке в псевдоожиженном состоянии (£ = 0,55...0,75) интенсивное перемешивание частиц продукта в потоке сушильного агента в определенной степени выравнивает температуру воздуха и частиц в рабочем объеме сушильной камеры. При этом исключаются местные перегревы и подгорания продукта. Экспериментальные исследования процесса сушки в развитой стадии кипящего слоя (£ > 0,75) подтвердили возможность применения повышенных температур теплоносителя до 110 - 120 °С.
Характер полей значений эффективности (рис. 1, 2) свидетельствует, что при увеличении степени измельчения продукта тепломассообменные процессы при сушке протекают более интенсивно. Отмечается рост целевой функции ввиду более развитой площади поверхности контакта высушиваемого материала с теплоносителем и, как следствие, сокращения времени обезвоживания.
Полученные функциональные зависимости целесообразно использовать для расчета рациональных параметров процесса сушки при проектировании и эксплуатации сушильной техники для обезвоживания сырья растительного происхождения. Рекомендованные рациональные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок и управлять режимами. Дальнейшее развитие получает продолжение экспериментальных исследований
и обобщение результатов с целью определения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей для других перерабатываемых продуктов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексанян, И.Ю. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка. Теория. Практика. Моделирование [Текст] / И.Ю. Алексанян, А.А. Буйнов: монография. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004.- 380 с.
2. Алексанян, И.Ю. Математическое моделирование тепломассопереноса при распылительной сушке растительных экстрактов [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, Ю.С. Феклунова // Вестник АГТУ. -2013. -№ 1,- С. 9-13.
3. Гинзбург, А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов [Текст] / А.С. Гинзбург.- М.: Пищевая промышленность, 1975.- 527 с.
4. Лыков, А.В. Теория сушки [Текст] / А.В. Лыков. - М.: Энергия, 1968. - 471 с.
5. Максименко, Ю.А. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии плодоовощных продуктов с водой [Текст] / Ю.А. Максименко // Вестник АГТУ. -2012.- № 1 (53).- С. 41 - 45.
6. Попов, Г. А. Оценка степени соответствия метода решения задачи ее априорным характеристикам [Текст] / Г.А. Попов, Е.А. Попова / / Вестник АГТУ. -2012.- № 1,- С. 62 - 68.
REFERENCES
1. Aleksanyan, I.YU. High-intensity drying of foodstuff. Penosushka. Theory. Practice. Modeling of [Text] / I.Yu. Aleksanyan, A.A. Buynov: monograph. - Astrakhan: Publishing house of AGTU, 2004. - 380 p.
2. Aleksanyan, I.YU. Mathematical modeling of a heatmass transfer at raspylitelny drying of plant extracts [Texts] / I.Yu. Aleksanyan, Yu.A. Maksimenko, Yu.S. Feklunova // AGTU Bulletin.-2013.-№ 1. - P. 9-13.
3. Ginzburg, A.S. Bases of the theory and technology of drying of foodstuff [Text] / A.S. Ginzburg. - M.: Food industry, 1975. - 527 p.
4. Lykov, A.V. Theory of drying of [Text] / A.V. Lykov. - M.: Energy, 1968. - 471 p.
5. Maksimenko, Yu.A. Termodinamika of an internal mass transfer at interaction of fruit and vegetable products with water [Text] / Yu.A. Maksimenko / / AGTU Bulle-tin.-2012. - № 1 (53).-P. 41-45.
6. Priests, G.A. Otsenk of degree of compliance of a method of the solution of a task to its aprioristic characteristics [Text] / G.A. Popov, E.A. Popova / / AGTU Bulle-tin.-2012. - No 1. - P. 62-68.
