CC BY
6
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Информация об авторах Леонов Олег Альбертович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Метрология, стандартизация и управление качеством», Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), e-mail: oaleonov@rgau-msha.ru; https://orcid.org/0000-0001-8469-8052; Scopus Autor ID: 57209748174; Researcher ID: ABC-5873-2020, tel.: +79166825656
Шкаруба Нина Жоровна, докт. техн. наук, доцент, профессор кафедры «Метрология, стандартизация и управление качеством», Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), e-mail: shkaruba@rgau-msha.ru; https://orcid.org/0000-0002-2770-8442; Scopus Autor ID: 57210255441; ResearcherlD: AAF-6340-2019, tel.: +79166062359.
Гринченко Лаврентий Александрович, аспирант, ассистент кафедры «Метрология, стандартизация и управление качеством», Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), e-mail: аgrinchenko@rgau-msha.ru, tel.: +79055335537.
Пупкова Дарья Александровна, аспирант, ассистент кафедры «Метрология, стандартизация и управление качеством», Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), e-mail: bogolyubova@rgau-msha.ru; ttps://orcid.org/0000-0002-0273-2796; ResearcherlD: AAD-6559-2022, tel.: +79261022290.
DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-55 INVESTIGATION OF THE PARAMETERS OF THE DEHYDRATOR FOR THE IMPLEMENTATION OF CONVECTIVE DRYING OF MOISTURE-CONTAINING FOODS
E. N. Neverov, I. A. Korotkiy, A. K. Gorelkina, A. E. Zadesenets
Kemerovo State University, Kemerovo, Russia
Received 28.03.2023 Submitted 15.05.2023
The research was conducted on the equipment of the Research Equipment Sharing Center of Kemerovo State University, agreement No. 075-15-2021-694 dated August 5, 2021, between the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Minobrnauka) and Kemerovo State University (KemSU) (contract identifier RF—2296.61321X0032)
Summary
This article is devoted to a comprehensive study of the parameters of the dehydrator for the implementation of convective drying of moisture-containing food products. It is noted that for the implementation of convective drying it is necessary to maintain two main processes - uniform temperature distribution in the drying volume and the constancy of the distribution rate of the drying agent. The characteristic features of the drying cabinet are singled out and described, as well as the process of air distribution inside the dehydrator chamber and the measurement of temperature fields throughout the entire working volume. As a result of a technical study, the dependences of the flow rate of the drying agent were established. On the basis of research, the dependences of temperatures on the time of drying both with and without the product and their influence on a uniform temperature field are revealed.
Abstract
Introduction. The study of dehydration processes is one of the important directions of the development of technologies of the agro-industrial complex. At the same time, special attention should be paid to the latest developments in the field of equipment for drying agricultural products, as well as energy-saving processes used in this area. The expansion and improvement of qualitative drying processes is essential in the production of plant raw materials, which leads to an increase in production and an increase in the quality of the resulting product. An object. The object of research is a RAWMID oven and samples of extra class bananas. Materials and methods. The research was carried out in the «Scientific and Educational Center of the Department of Heat and Cooling Engineering» of Kemerovo State University using the equipment of the KemSU Collective Use Center. Results and conclusion. The obtained thermograms of the temperature distribution in the working volume of the drying chamber indicate a fairly uniform temperature distribution in the working volume of the chamber, but there are deviations of the order of 10 ° C at 40, 50 and 60 ° C, and
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
at 70 ° C the temperature value does not reach the set value. There is a fairly uniform increase in temperature, both in the chamber and inside the product during the drying process, which is controlled by chromel-copel thermocouples. An uneven distribution of the drying agent inside the chamber was revealed due to the presence of stagnant zones in which the air velocity does not exceed 0.1 m/s and well-blown zones in the working volume of the chamber, the air velocity in them exceeds 1.0 m/s, which significantly reduces the efficiency of the drying process due to uneven heating of the product by heated drying agent and leads to complication of the design of the device in the maintenance of the mechanism for moving trays with the product. Based on visual inspection, it should be noted that the finished product is in no way inferior to the product produced using mass production. The residual humidity in the finished product is no more than 30%, which has a positive effect on the quality characteristics and significantly increases the shelf life of the finished product. These studies have a complex of technological research in the field of drying plant products and can be recommended for use as technological solutions in the agro-industrial complex.
Key words: convective drying, uniform temperature distribution, constancy of the temperature field, technological parameters of the dehydrator, uniform drying.
Citation. Neverov E. N., Korotkiy I. A., Gorelkina A. K., Zadesenets A. E. Investigation of the parameters of the dehydrator for the implementation of convective drying of moisture-containing foods. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2023. 2(70). 466-479 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-55.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
УДК 664.854
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ДЕГИДРАТОРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Е. Н. Неверов, доктор технических наук, профессор И. А. Короткий, доктор технических наук, профессор А. К. Горелкина, доктор технических наук, профессор А. Е. Задесенец, магистрант
ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», г. Кемерово
Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием КемГУ в рамках соглашения № 075-15-2021-694 от 05.08.2021, заключенного между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Кемеровский государственный университет» (уникальный идентификатор контракта RF—2296.61321X0032)
Дата поступления в редакцию 28.03.2023 Дата принятия к печати 15.05.2023
Актуальность. Изучение процессов дегидрации является одним из важных направлений развития технологий агропромышленного комплекса. При этом особое внимание стоит уделять новейшим наработкам в сфере оборудования для сушки продуктов АПК, также как и энергосберегающим процессам, применяемым в данной области. Расширение и улучшение качественных процессов сушки является неотъемлемым при производстве растительного сырья, что ведет к увеличению производства и повышению качеств получаемого продукта. Объект. Объектом исследований является сушильный шкаф фирмы RAWMID и образцы бананов класса экстра. Материалы и методы. Исследования проводились в «Научно-образовательном центре кафедры «Теплохладотехника» Кемеровского государственного университета с использованием оборудования Центра коллективного пользования КемГУ. Результаты и выводы. Полу-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ченные термограммы распределения температур в рабочем объеме сушильной камеры свидетельствуют о достаточно равномерном распределении температур в рабочем объеме, но присутствуют отклонения порядка 10 °С при 40, 50 и 60 °С, а при 70 °С значение температуры не достигает заданного. Наблюдается достаточно равномерный рост температуры как в камере, так и внутри продукта в процессе сушки, контроль которой произведен хромель-копелевыми термопарами. Выявлено неравномерное распределение сушильного агента внутри камеры, связанное с наличием застойных зон, скорость воздуха в которых не превышает 0,1 м/с, и хорошо обдуваемых зон в рабочем объеме камеры, скорость воздуха в них превышает 1,0 м/с, что значительно снижает эффективность процесса сушки из-за неравномерного прогрева продукта нагретым сушильным агентом и приводит к усложнению конструкции аппарата введением механизма перемещения лотков с продуктом. На основании визуального контроля следует отметить, что готовый продукт ничем не уступает продукту, произведенному при помощи серийного производства. Остаточная влажность в готовом продукте составляет не более 30 %, что положительно сказывается на качественных характеристиках и значительно увеличивает срок хранения готового продукта. Приведенные исследования обладают комплексом технологических исследований в области сушки растительной продукции и могут быть рекомендованы для использования в качестве технологических решений в агропромышленном комплексе.
Ключевые слова: конвективная сушка, равномерное распределение температур, постоянство температурного поля, технологические параметры дегидратора, равномерная сушка, дегидраторы.
Цитирование. Неверов Е. Н., Короткий И. А., Горелкина А. К., Задесенец А. Е. Исследование параметров работы дегидратора для реализации конвективной сушки влагосодержащих пищевых продуктов. Известия НВ АУК. 2023. 2(70). 466-479. DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-55.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении или анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились с представленным окончательным вариантом и одобрили его.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Введение. Сушка является энергетическим процессом удаления из сырья влаги. Сырые фрукты и овощи, высушенные до более низкой влажности, имеют более длительный срок хранения, но должны быть упакованы во влагозащищенную тару. Процесс сушки в пищевой промышленности можно разделить на две стадии. Первой стадией является нагрев продукта, затем происходит испарение свободной влага из межклеточных пространств между его поверхностью и свободной зоной [3, 4, 6, 12] По мере испарения влаги с поверхности она перемещается от центра к периферии. В это время важно, чтобы температура сушки была равна скорости испарения воды с поверхности и скорости переноса влаги из внутренних слоев. В противном случае на поверхности объекта сушки может образоваться корка, препятствующая процессу сушки, а влага из более глубоких слоёв может вызвать изменение сенсорных свойств и разрушение биологически активных веществ.
Во втором периоде связанная влага испаряется. Температура сушки должна быть увеличена, так как скорость испарения воды с поверхности уменьшается, а температура внутри продукта во время этой фазы увеличивается [10, 13-15].
Конвективная сушка широко используется в технологии переработки сельскохозяйственной продукции. Сушка является достаточно трудоемкой и энергоёмкой операцией. В настоящее время существует большое количество способов сушки пищевого сырья и их главное отличие между собой заключается в способе удаления влаги из продукта. Сушильные камеры имеют различные режимы работы, поэтому важным требованием к ним является равномерное распределение температуры в
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
объеме. Это необходимо для стабилизации пространственных и временных характеристик сушильной камеры и обеспечения синхронной сушки продуктов или материалов, распределенных в рабочем объеме. Геометрические характеристики сушильной камеры могут сделать невозможным равномерное распределение сушильного агента в рабочем объеме [2, 4]. Это особенно верно в случае конвективной сушки, когда воздух принудительно перемещается внутри объема. Пространственная формализация температурного поля в рабочем объеме сушильной камеры позволяет спроектировать технологический процесс таким образом, чтобы обеспечить равномерность сушки продуктов, распределенных внутри рабочего объема, при отсутствии равномерного распределения температуры в сушильном агрегате.
Конвективная сушка является самым распространенным способом сушки и используется как в промышленных целях, так и в бытовых. Главным отличием от других типов сушилок является простота конструкции и передача тепла высушиваемому объекту за счет энергии нагретого сушильного агента: воздуха или парогазовой смеси [5, 79, 11, 16, 17].
Цель работы. Цель настоящего исследования заключалась в определении технологических особенностей работы дегидратора RAWMID Modern RMD-10 и изучение процесса сушки с изменением температуры в объекте.
Задачи. Для исследования параметров работы сушильного шкафа и процесса сушки пищевых продуктов были поставлены следующие задачи:
• определить геометрические и технологические параметры дегидратора;
• исследовать поле температур в рабочем объеме дегидратора при различных температурных режимах эксплуатации;
• исследовать поле скоростей в рабочем объеме дегидратора;
• определение эффективности сушки продукта, а именно изменение температуры внутри продукта и его массы во время проведения сушки.
Материалы и методы. Используемый для исследований дегидратор RAWMID Modern RMD-10 имеет ряд особенностей, таких как широкий диапазон установки температуры, от 35 °С до 70 °С с шагом изменения температуры 5 °С, что дает возможность получения сухофруктов с сохранением всех полезных веществ; равномерное распределение сушильного агента по всему объёму камеры для достижения равномерного процесса сушки. Габаритные размеры представлены на рисунке (рисунок 1).
Забор воздуха осуществляется через вентиляционное окно вентилятором, расположенным в задней стенке, а выход воздуха обеспечивается за счет щелеоб-разных отверстий, расположенных вверху дегидратора и одного прямоугольного отверстия, находящегося с левой стороны лицевой дверцы (рисунок 1). Электронагревательные элементы расположены за крыльчаткой вентилятора для равномерного нагрева поступающего воздуха. Используемая технология сушки в данном аппарате и его конструкция на основе вышеперечисленных факторов может не обеспечить равномерного нагрева и распределения воздуха, что в значительной мере определяет процесс сушки.
Для определения поля температур использовали хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи, стационарно установленные в рабочем объеме дегидратора (рисунок 2).
В состав измерительного комплекса также входил восьмиканальный ПИД - регулятор ТРМ148, преобразователь интерфейса АС-4, а также персональный компьютер с установленным специализированным программным обеспечением OWEN Process Manager.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 1 - Чертеж дегидратора в разрезе: А - щелеобразные отверстия для выхода воздуха расположенные вверху дегидратора Б - Прямоугольное отверстие для выхода воздуха расположенное с левой стороны лицевой
двери дегидратора
Figure 1 - Drawing of the dehydrator in section: A - slit-like air outlet holes located at the top of the dehydrator B - rectangular air outlet located on
the left side of the front door of the dehydrator
Рисунок 2 - Схема расположения термопар по рабочему объему камеры дегидратора
Figure 2 - Diagram of the location of thermocouples in the working volume
of the dehydrator chamber 470
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Для проведения эксперимента были установлены хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи по всему рабочему объему дегидратора (рисунок 1). После этого посредством термоэлектрических преобразователей проводится контроль температуры с записью получаемых данных в память компьютера до выхода сушильного шкафа на заданный температурный режим, который составлял 40 ° . После выхода дегидратора на стационарный режим работы он отключается до выравнивания температуры в рабочем объеме с температурой окружающей среды. Затем повторяли исследования при других заданных температурных режимов в рабочем объеме дегидратора. Всего было исследовано 4 температурных режимов работы дегидротора - 40 °С, 50 °С, 60 °С и 70 °С.
На основе показаний с термопар строится график зависимости (рисунок 6) температуры в разных частях камеры от времени проведения эксперимента. На графике показаны линии температуры в камере сушильной установки, а именно в центре, по верхним и нижним углам камеры, задней и передней стенки для снятия среднеобъемной температуры.
Следующим этапом для определения работы сушильной установки были исследованы параметры скорости воздуха.
Для проведения эксперимента был использован измерительный комплекс, который включал в себя: крыльчатый анемометр RELEON, для снятия показаний скорости воздуха в ходе проведения замеров, компьютер с установленной программой RELEON LITE для получения и фиксации показаний, снятых с анемометра, программа Mathcad для обработки полученных данных и построения графических матриц скоростей воздуха.
Для проведения эксперимента была изготовлена система фиксации и позиционирования анемометра в одном положении и осуществления замеров с закрытой крышкой дегидратора. После фиксации анемометр ставился в различных точках сушильной камеры для получения объемных значений скорости воздуха. Скорость воздуха замеряется по двум координатным осям, а именно по оси Z (рисунок 3) на удалении 5, 10, 15, 20, 25 и 30 см от задней стенки камеры, в которой находится непосредственно вентилятор с электронагревательными элементами, и по оси Y (рисунок 4) на удалении 6, 12, 18, 24, 30 и 36 см от пола дегидратора по направлению вверх. Все данные фиксируются, после чего происходит переход к следующему режиму работ.
Рисунок 3 - Схема расположения анемометра при замерах скорости воздуха в рабочем объеме дегидратора по оси Z: 1 - расположение анемометра на виде спереди; 2 - расположение анемометра на виде сбоку
Figure 3 - The layout of the anemometer when measuring the air velocity in the working volume of
the dehydrator on the Z axis: 1 - the location of the anemometer in the front view; 2 - location of the anemometer on the side view
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 4 - Схема расположения анемометра при замерах скорости воздуха в рабочем объеме
дегидратора по оси Y:
1 - расположение анемометра на виде спереди; 2 - расположение анемометра на виде сбоку
Figure 4 - The layout of the anemometer when measuring the air velocity in the working volume
of the dehydrator along the Y axis: 1 - the location of the anemometer in the front view;
2 - the location of the anemometer in the side view
План эксперимента заключительной части исследования для изучения процесса сушки с контролем изменения температуры и массы бананов, подвергаемых процессу сушки, построен на основе изложенной методики и не противоречит полученным авторами данным, основанным на кинетических параметрах, которые отображаются через кривые сушки чеснока и представляют зависимости влагосодержания от времени сушки конвекцией [4, 5].
После того, как определили изменение температуры в пустом дегидраторе, следующим направлением явилось определение температуры бананов при различных положениях термопар и режимах работы сушильного шкафа.
Бананы, выбранные для процесса сушки, - это удлиненные, съедобные плоды -ботанические ягоды. Бананы вырастают крупные - до 250 грамм каждый, и в связке бывает до 7 ягод. Они имеют насыщенный желтый цвет, плотную кожуру, обычно имеют удлиненную и изогнутую форму с мягкой мякотью. Мякоть бананов светло-желтая, сочная, сладкая на вкус. Мякоть бананов очень богата крахмалом, а также она имеет пониженное содержание сахаров и очень большое количество витаминов. Калорийность у бананов довольно высокая - 94,5 ккал на 100 грамм.
Сушка бананов также обоснована, как и сушка любых фруктов и овощей. Она позволяет значительно увеличить срок годности продукта, при этом не теряются полезные вещества и витамины, также в значительной мере позволяет уменьшить затраты на транспортировку бананов. Кроме того, сушеные бананы или банановые чипсы представляют собой пищевой продукт с достаточно широким диапазоном возможного применения в пищевой технологии [12].
В исследованиях использованы бананы, соответствующие ГОСТ Р 51603-2000 класса экстра. Плоды имели следующие геометрические характеристики: наибольший поперечный диаметр (3-4 см), длина не менее 20 см, количество плодов в кисти от 4 до 8 штук. Следующий этап заключается в удалении кожуры у бананов и нарезании продукта на слайсы толщиной по 5мм при помощи кухонного слайсера, после чего полученные слайсы размещались на поддоны и поочередно располагались в дегидраторе. Для получения данных были использованы 8 термопар, 7 из которых находились в продукте, а одна - вне продукта. Схема расположения термопар представлена на рисунке 5.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Исследование конвективного способа сушки пищевых продуктов, основанного на материале [1], являлось заключительной частью исследования и показало зависимости изменения массы продукта от продолжительности сушки, которые представлены на диаграмме 9. Контроль масс проводили через каждые 30 минут.
Рисунок 5 - Схема расположения термопар в сушильной камере с продуктом
Figure 5 - Arrangement of thermocouples in the drying chamber with the product
Результаты и обсуждение. На первом этапе работы было исследовано распределение температуры в рабочем объеме дегидратора без продукта. После проведения замеров по полученным данным строились термограммы, приведенные на рисунке 6.
На полученном графике наглядно видно, что в первые 3 минуты работы дегидратора температура оставалась неизменной. Спустя 6 минут с начала измерений температура достигла своего максимума, можно сделать вывод о том, что максимальная температура отличается от заданной в среднем на 5 °С. Дальше заметен резкий спад температуры, что говорит об отключении нагревающих тэнов. Вентилятор работает без нагрева в течение 30 секунд, после чего включается нагревающий элемент и далее цикл повторяется. Аналогичные исследования были произведены для температур 50, 60 и 70 °С. Графики представлены на рисунке 6. Для 50 и 60 °С графики не имеют особых отличий, а при 70 °С не было замечено перепадов температуры, что можно объяснить работу дегидратора при постоянном нагреве ТЭНов. Для выявления погрешности в измерениях была проведена градуировка термопар и все отклонения были учтены при построении графиков.
Представленные на рисунке 6 термограммы распределения температур в рабочем объеме дегидратора свидетельствуют в целом о достаточно равномерном поле температур в сушильном агрегате. Неравномерность показаний датчиков температур составила для термопар 2^8 в пределах 4^5 °С. Только термопара 1, расположенная в застойной зоне (в переднем правом верхнем углу), выбивалась из показаний других термопар в среднем на 7 ° в большую сторону. Таким образом, для равномерного процесса сушки следует в течение продолжительности процесса (6^12 часов) один, два или три раза поменять лотки местами.
Основываясь на представленных исследованиях [9], где при конвективном способе сушки система дифференциальных уравнений в частных производных дополняется условиями неоднозначности в виде граничных условий третьего рода и для описания динамики процесса используются уравнения, изложенные в [6]. Основной характеристикой процесса
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
сушки была выбрана скорость движения воздуха в рабочем объеме камеры. Для проведения сравнений использованы полученные решения характеристических уравнений в системе Maple 9.5. Приведенное исследование подтвердило пригодность применения данного метода для оценки конвективного способа сушки. В связи с чем проведенные исследования по сушке бананов и полученные скорости движения воздуха в заданных координатах рабочего объема сушильной камеры были обработаны в программе Mathcad, что позволило получить на выходе объемные поля скоростей распределения воздуха, привязанные к системе координат рабочего объема камеры (рисунок 7).
в)
г)
Рисунок 6 - Графики зависимости температуры воздуха в камере от времени сушки: а - при 40 °С; б - при 50 °С; в - при 60 °С; г - при 70 °С
Figure 6 - Graph of the dependence of the air temperature in the chamber on the drying time: a - at 40 °C; b - at 50 °C; c - at 60 °C; d - at 70 °C
На основе показаний, снятых с термопар, строится график зависимости (рисунок 8) температуры внутри продукта от времени проведения сушки. Термопары в количестве 7 шт. устанавливались в центр продукта для снятия среднеобъёмной температуры, и 1 термопара проводила замеры внутри камеры для определения зависимости изменения температуры внутри продукта и непосредственно в самой камере.
После окончания процесса сушки при температурном режиме 50 °С были получены данные изменения температур. На приведенном ниже графике (рисунок 8) наглядно видно, что температура вне продукта отличается от температуры внутри продукта, это видно по термопаре 1, которая расположена в правом верхнем углу камеры (застойной зоне). С течением времени температура в продукте продолжает расти, пока дегидратор не выходит на рабочий температурный режим, при котором происходит
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
кратковременное отключение нагревательных элементов, примерно на 120 минуте исследования. Далее цикл повторяется с интервалом в 10 минут, при этом температура в продукте продолжает расти, приближаясь к заданной температуре сушки.
б)
в)
г)
Рисунок 7 - Поля скоростей в дегидраторе на удалении 5 см от задней стенки: а) поля скоростей, векторы которых направлены по оси Y на расстоянии 6 см от пола дегидра-тора по направлению вверх (вверх); б) поля скоростей, векторы которых направлены по оси Z на
расстоянии 5 см от задней стенки в направлении дверки дегидратора (по оси вентилятора); в) суммарное поле скоростей векторы которых находятся в координатах Y-Z изображенное в 2D виде; г) 3D проекция поля скоростей векторы которых находятся в координатах Y-Z изображенное в 3D виде
Figure 7 - Velocity fields in the dehydrator at a distance of 5 cm from the rear wall: a) velocity fields whose vectors are directed along the Y axis at a distance of 6 cm from the floor of the dehydrator in the upward direction (up); b) velocity fields whose vectors are directed along the Z axis at a distance of 5 cm from the rear wall in the direction of the dehydrator door (along the fan axis); c) the total velocity field whose vectors are in Y-Z coordinates depicted in 2D form; d) 3D projection of the velocity field whose vectors are in Y-Z coordinates depicted in 3D
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 8 - Графики изменения температуры в продукте при температурном режиме 50, 60 и 70 °С Figure 8 - Graphs of temperature changes in the product at a temperature of 50, 60 and 70 °C
476
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Следующий температурный режим был 60 Т. На начальном этапе значительных отличий от графика на 50 °С нет. Дегидратор вышел на режим только на 350 минуте сушки, что объясняется тем, что температура выше и необходимо больше времени, чтобы в продукте установилась нужная температура. Далее цикл с включением и выключением электронагревающих элементов повторяется каждые 10 минут. График изменения температуры на 60 °С представлен выше.
Заключительный режим на 70 °С график представлен на рисунке 8. При этом температурном режиме дегидратор не входил в рабочее состояние, а температура продолжала расти весь процесс сушки, так и не достигнув заданной. Это можно объяснить тем, что нагревающие элементы не выключались и сушильный аппарат работал на максимальной мощности.
Как показывают графики изменения температуры внутри продукта (рисунок 8), первым этапом после загрузки является прогрев продукта. На данном этапе происходит удаление влаги с поверхности продукта при помощи постепенно нагревающегося сушильного агента. На графиках этот процесс длится примерно 120 минут с момента начала сушки.
На следующей стадии происходит испарение влаги после полного прогрева продукта по всей толщине. На данной стадии сушки происходит испарение связанной влаги внутри продукта. Данный процесс является основным и длится на протяжении всего процесса сушки.
Описываемый процесс сушки, представленный выше, можно отнести к достаточно «мягкому», т. к. в рабочем объеме установки создаются небольшие температуры и скорости движения воздуха, что нашло подтверждение в литературном источнике [6]. На начальном этапе потеря влаги в продукте осуществляется крайне медленно, в этот сравнительно малый промежуток времени температура во всех измеряемых точках материала увеличивается. Поэтому эта стадия процесса сушки называется начальной стадией или стадией прогрева продукта. После стадии прогрева влагосодержание материала уменьшается с течением времени по линейному закону, следовательно, скорость сушки будет постоянной. Температура поверхности продукта в течение этого времени не изменяется и равна температуре адиабатного насыщения воздуха. По полученным экспериментальным данным и выше изложенным рисункам (рисунок 8) наглядно видны отличия в виде неравномерной скорости сушки после стадии прогрева. Полученные закономерности отличаются от типичных температурных кривых влажных материалов для поверхностных и центральных слоев, представленных в источнике [6], это связано с циклическим отключением электронагревательных элементов при достижении заданного температурного режима. Во время отключения происходит охлаждение сушильного агента, и как вследствие и самого продукта. Также значительное влияние оказывает наличие застойных зон распределения сушильного агента по рабочему объему камеры.
Во время проведения сушки был исследован процесс изменения массы продукта. Замеры массы проводились при разных температурах, 50, 60 и 70 °С; с интервалом в 30 минут. На 50 °С сушка занимала 12 часов для бананов. При 60 °С и 70 °С сушка продолжалась в течение 9 часов. На рисунке 9(а) представлен график изменения массы продукта. После его преобразования получена зависимость изменения относительной массы бананов от продолжительности сушки рисунок 9(б). Важно отметить, что экспериментальные значения времени сушки отличаются от характеристики конвективного способа сушки, приведенного в [18], т.к. в начале процесса сушки большая часть удельных энергозатрат уходит на нагрев конструкции сушильного аппарата и его внутреннего объема, а также наличие потерь тепла в связи с негерметичностью конструкции.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
240 210 180
_ 150
J;
Э "0
I
90 60
за о
Рисунок 9 - Графики изменения массы продукта при температурном режиме 50, 60 и 70 °С а) изменение массы продукта в течении процесса конвективной сушки при температурном режиме 50, 60 и 70 °С; б) изменение относительной массы в течении процесса конвективной сушки при температурном режиме 50, 60 и 70 °С
Figure 9 - Graphs of product changes at temperatures of 50, 60 and 70 °C a) change in the mass of the product during the process of convective drying at temperatures of 50, 60 and 70 °C; b) change in relative mass during the process of convective drying at temperatures of 50, 60 and 70 °C
Выводы. В ходе исследования проводилось изучение особенностей работы де-гидратора, основанного на методе конвективной сушки. Результаты анализа исследований в форме многократных замеров процесса работы сушильной установки позволили сделать ряд выводов.
1. При выходе на режим температура в рабочем объеме дегидратора очень интенсивно растет и заметно превышает заданную величину, после чего отключаются электронагревающие элементы и температура падает ниже заданного значения. Создается цикл изменения температур, вследствие чего заданный температурный режим непостоянен, что оказывает существенное влияние на процесс сушки продукта.
2. Следует отметить, что в рабочем объеме дегидратора поле скоростей распределено очень неравномерно - присутствуют хорошо обдуваемые и застойные зоны, в которых скорость воздуха близка к нулю. Это оказывает значительное влияние на процесс сушки. Поэтому для равномерной сушки продукта при полной загрузке дегид-ратора необходим алгоритм перестановки поддонов с размещенными на них объектами сушки. Таким образом, реализация подобных алгоритмов позволит получать продукт со стабильными показателями и более высокого качества. Подобный подход применим как для эксплуатации малых дегидраторов, так и крупных сушильных установок.
Библиографический список
1. Алтухов И. В., Очиров В. Д. Анализ способов сушки пищевых продуктов // Вестник ИрГСХА. 2009. № 36. С. 16-21.
2. Беззаботов Ю. С., Ивченко Е. О. Оценка эффективности низкотемпературной сушки на основе энергетического анализа процессов в элементах сушильной установки // Электронный сетевой политематический журнал "Научные труды КубГТУ". 2020. № 1. С. 37-45.
3. Ёкубов М. М. Процесс сушки. Конвективная и кондуктивная сушка // Science and Education. 2022. № 6. https://cyberleninka.ru/article/n7protsess-sushki-konvektivnaya-i-konduktivnaya-sushka.
4. Инновационные конструкции и технологии сушки плодоовощной продукции / Э. С. Иванова, Ю. В. Родионов, О. А. Зорина [и др.] // Наука в центральной России. 2021. № 1 (49). С. 43-53.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
5. Исследование массоотдачи в конвективной сушилке / С. К. Протасов, А. А. Боровик, А. И. Вилькоцкий, Н. П. Матвейко // Химическая промышленность. 2015. Т. 92. № 5. С. 243-246.
6. Лыков А. В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968.
7. Определение теплофизических характеристик тропических фруктов для их использования при производстве сухих молочных продуктов / И. А. Короткий, Е. Н. Неверов, А. А. Владимиров [и др.] // Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 2. С. 220-231.
8. Оптимизация технологии вакуумной сушки сельскохозяйственного сырья растительного происхождения / Л. В. Лифенцева, А. Н. Расщепкин, Е. Н. Неверов [и др.] // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2022. № 2 (208). С. 82-89.
9. Павлов И. О., Воронова Е. В. Анализ результатов математического моделирования тепломассообмена в процессе сушки // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4 (36). С. 137-141.
10. Процесс сушки измельченного растительного материала в барабанной сушилке / В. А. Юнин, А. М. Захаров, Н. Н. Кузнецов, А. В. Зыков // Известия НВ АУК. 2020. № 1 (57). https://cyberleninka.ru/article/n/protsess-sushki-izmelchennogo-rastitelnogo-materiala-v-barabannoy-sushilke.
11. Скрипников Ю. Г., Бочаров В. А. Результаты исследований по выбору метода и времени сушки плодоовощного сырья // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. 2010. № 1. С. 85-89.
12. Студенникова С. Г. Динамическая модель конвективной сушки бананов с максимальной энергоэффективностью // Вестник молодёжной науки России. 2020. № 2.
13. Энергетика и кинетика процессов дегидратации растительного сырья / О. Г. Бурдо, С. Г. Терзиев, А. К. Бурдо [и др.] // Проблемы региональной энергетики. 2022. № 3 (55). С. 111-129.
14.Энергоснабжение, технологические машины и оборудование агропромышленного комплекса: монография / Е. Н. Неверов, И. А. Короткий, И. А. Бакин [и др.]. Кемерово: Кемеровский государственный университет, 2022. 168 с.
15.Analysis of energy consumption during convective drying of fruits and berries / I. Korot-kiy, E. Neverov, L. Lifentseva, A. Raschepkin // E3S Web of Conferences: 14th International Scientific and Practical Conference on State and Prospects for the Development of Agribusiness, IN-TERAGROMASH 2021. Rostov-on-Don: EDP Sciences, 2021. Vol. 273.
16.Drying characteristic, enzyme inactivation and browning pigmentation kinetics of controlled humidity-convective drying of banana slices / F. Sarpong, X. Yu, C. Zhou [et al.]. 2018. Vol. 54. No 10. P. 3117-3130.
17. Szadzinska J., Mierzwa D. The influence of hybrid drying (microwave-convective) on drying kinetics and quality of white mushrooms. 2021. Vol. 167. P. 108532.
Информация об авторах Неверов Евгений Николаевич, заведующий кафедрой техносферной безопасности Кемеровского государственного университета (РФ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6), профессор, доктор технических наук, ORCID: 0000-0002-3542-786X, тел. 89235215385, e-mail: neverov42@mail.ru Короткий Игорь Алексеевич, заведующий кафедрой теплохладотехники Кемеровского государственного университета (РФ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6), профессор, доктор технических наук, ORCID: 0000-0002-7623-0940, тел. 89832165854, e-mail: krot69@mail.ru
Горелкина Алена Константиновна, профессор кафедры техносферной безопасности Кемеровского государственного университета (РФ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6), профессор, доктор технических наук, ORCID: 0000-0002-3782-2521, тел. 89133079935, e-mail: alengora@yandex.ru Задесенец Александр Евгеньевич, магистрант Кемеровского государственного университета (РФ, 650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6), ORCID: 0009-0006-9301-6512, тел. 7(913)-076-78-03, zadese-nets00@bk.ru.
