CC BY
12
ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 664.8.037.5
Исследование процесса кристаллизации влаги
при концентрировании вишневого сока
В. Ю. Овсянников,
канд. техн. наук, доцент;
Я. И. Кондратьева,
магистрант;
Н. И. Бостынец,
студентка;
А. Н. Денежная,
студентка;
Ю. С. Краминова,
студентка
Воронежский государственный университет инженерных технологий
Плодовые соки — важнейший продукт питания современного человека, поскольку они обеспечивают поставку в организм необходимого комплекса биохимических и физиологически активных веществ: витаминов, макро- и микроэлементов, полифенолов, а также важнейших аминокислот, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека.
Потребление вишневого сока во всем мире постепенно увеличивается. Это объясняется его полезностью, высокой диетической ценностью как для профилактического, спортивного, так и детского питания. Кроме того, достаточно высокая рентабельность и технологичность его получения обеспечивает возможность быстрого и эффективного внедрения прогрессивных достижений науки и техники в пищевую промышленность и, как следствие, закономерное получение достаточно высокой прибыли [1, 2].
Применение современных методов концентрирования жидких пищевых сред, основанных на передовых достижениях науки и техники, создает благоприятные перспективы для получения высококачественных концентратов при переработке достаточно больших объемов плодового сырья при минимальных трудовых затратах. Расширение производства натуральных и концентрированных соков и улучшение их качества на крупных высокомеханизированных предприятиях осуществимо только на основе внедрения новой высоко-
производительной и энергоэффективной техники и передовых технологий, одна из которых — концентрирование жидких пищевых сред вымораживанием [3-5].
Процессы концентрирования пищевых жидкостей методом холодильного концентрирования особенно целесообразно использовать в случаях, когда разделяемая смесь содержит компоненты крайне неустойчивые даже к незначительному повышению температуры, к числу которых относятся, в первую очередь такие аминокислоты, как лизин, триптофан и цистин, которые претерпевают значительные структурные изменения молекулярной цепочки даже при температурах вакуумного выпаривания 333-343 К; сахара, красящие и ароматические вещества.
Разработка процессов низкотемпературного разделения воды в виде льда и растворенных веществ вишневого сока создает возможность получения пищевых функциональных продуктов с высокой пищевой ценностью за счет использования принципиально новых технологических схем и высокоэффективного оборудования для комплексной переработки растительного сырья, снижения выбросов в окружающую среду, а также реализации практически безотходных технологий.
Исследование влияния различных режимов вымораживания влаги из вишневого сока позволяет наглядно оценить эффективность указанного процесса, а также
ПИВО и НАПИТКИ
5^ 2015
Рис. 1. Зависимость удельного
количества вымороженного льда дл , кгл/(м3-с) при удельной площади поверхности теплообменных элементов / = 83,0 м2/м3 и начальном содержании СВ в продукте СВн = 12,4 % от температуры кипения хладагента в испарителе Т0, К и расходе исходного продукта Q-10-5 м3/с
Рис. 2. Зависимость удельного
количества вымороженного льда дл , кгл /(м3-с) при удельной площади поверхности теплообменных элементов f= 83,0 м2/м3, расходе исходного продукта Q = 2-10-5 м3/с от температуры кипения хладагента в испарителе Т0 , К и начальном содержании СВ в продукте СВ , %
Рис. 3. Зависимость удельного
количества вымороженного льда дл , кгл/(м3-с) при температуре кипения хладагента в испарителе Т = 256 К, начальном содержании СВ в продукте СВн=12,4 % от удельной площади поверхности теплообменных элементов f, м2/м3 и расходе исходного продукта Q•10-5 м3/с
Рис. 4. Зависимость содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, 5л , % при расходе исходного продукта Q = 2-10-5 м3/с и начальном содержании СВ в продукте СВн=12,4 % от температуры кипения хладагента в испарителе Т0, К и удельной площади поверхности теплообменных элементовf, м2/м3
Рис. 5. Зависимость содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, 5л , % при температуре кипения хладагента в испарителе Т0= 256 К, расходе исходного продукта Q=210-5 м3/с от удельной площади поверхности теплообменных элементов f, м2/м3 и начальном содержании СВ в продукте СВн ,%
Рис. б. Зависимость содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, 5л , % при температуре кипения хладагента в испарителе Т0 = 256 К, удельной площади поверхности теплообменных элементов f= 83,0 м2/м3 от расхода исходного продукта Q•10-5 м3/с и начального содержания СВ в продукте СВн,%
определить величину потерь целевых компонентов сока в процессе концентрирования [6, 7].
Исследования концентрирования вымораживанием вишневого сока проводились на льдогенераторе «В1ехта^к V41 е1ес^ошк», оснащенном насосной системой циркуляции вишневого сока, трубопроводами, арматурой и приборами для изменения расхода вишневого сока, циркулирующего в льдогенераторе, температуры
кипения хладагента в испарителе льдогенератора, давления нагнетания и всасывания компрессора холодильной установки.
По экспериментальным данным были построены графические зависимости удельной цикловой производительности по вымороженному льду и содержания сухих веществ (СВ) в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда от температуры кипения хладагента в испарителе льдогенератора, пло-
щади поверхности теплообменных элементов, отнесенной к единице полезного объема аппарата, расхода сока, подаваемого в аппарат и начального содержания СВ в исходном соке (рис. 1-6).
Анализ полученных зависимостей показал, что изменение соответствующих параметров процесса концентрирования вишневого сока вымораживанием влаги оказывает идентичное влияние на удельное количество вымороженного льда.
5^ 2015 ПИВО и НАПИТКИ 37
ППри уменьшении температуры кипения хладагента в испарителе льдогенератора величина удельного количества вымороженного льда монотонно увеличивается (см. рис. 1 и 2) по зависимости, близкой к линейной. Это может быть объяснено интенсивным переходом значительного количества слабо связанной с сухим веществом сока воды в лед из-за высоких значений температурного напора между циркулирующим соком и теплооб-менной поверхностью испарителя льдогенератора.
Изменение величины удельного количества вымороженного льда от расхода вишневого сока, прокачиваемого через аппарат (см. рис. 1), носит выраженный нелинейный характер.
Повышение скорости движения продукта в аппарате обусловливает увеличение количества вымораживаемого льда из-за повышения значений коэффициентов тепло- и массоотдачи при более интенсивном омывании как оребренных теплообменных элементов, так и слоя льда, выделяющегося на них (см. рис. 3).
Исследование влияния удельной площади поверхности тепло-обменных элементов на удельное количество вымороженного льда (см. рис. 3) показало, что при ее увеличении до 72,0-75,0 м2 / м3 наблюдается пропорциональное повышение образования удельного количества вымороженного льда, после чего выделение твердой фазы заметно снижается при дальнейшем увеличении удельной площади поверхности теплообмен-ных элементов, что объясняется невозможностью отвода избыточной теплоты кристаллизации холодильным агрегатом льдогенератора.
Изучение влияния начального содержания СВ в исходном соке на величину удельного количества вымороженного льда (см. рис. 2) показало, что увеличение содержания СВ в исходном соке вызывает монотонное снижение удельного количества вымороженного льда.
Зависимость содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, образовавшегося при вымораживании вишневого сока, от режимов
работы вымораживающей установки представлены на рис. 4-6.
Анализируя зависимость содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, от температуры кипения хладагента в испарителе льдогенератора (см. рис. 4), следует отметить, что снижение температуры кипения хладагента обусловливает монотонное нелинейное увеличение содержания СВ, отводимых с вымороженным льдом, что может быть объяснено возникновением квазистационарных условий формирования кристаллической структуры льда с захватом части жидкой фазы и нарушением условий диффузионного «отторжения» СВ сока от фронта кристаллизации при значительных величинах температурного напора.
В процессе вымораживания вишневого сока при температуре кипения хладагента более 258,0 К наблюдалось минимальное содержание СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда.
Характер изменения зависимости содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, от удельной площади поверхности теплообмен-ных элементов (см. рис. 4, 5) также нелинейный.
Увеличение удельной площади поверхности теплообменных элементов вызывает повышение содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда при концентрировании вишневого сока.
Анализ зависимости содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, от расхода сока, подаваемого в вымораживающую установку (см. рис. 6), показал, что оно носит выраженный линейный характер. При увеличении расхода сока в рабочем пространстве вымораживающей установки величина СВ сока, отводимых с вымороженным льдом, пропорционально повышается.
Влияние начального содержания СВ в вишневом соке на величину содержания СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда (см. рис. 5, 6), также нелинейное. При повышении начального содержания СВ
в вишневом соке содержание СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, увеличивается.
Таким образом, анализ полученных графических зависимостей, отражающих специфические особенности кристаллизации льда, вымороженного из вишневого сока при его концентрировании, показал, что характер кристаллизации льда на теплообменной поверхности испарителя льдогенератора не противоречит теоретическим основам указанного процесса и отражает его физическую сущность.
При этом отмечено, что температура кипения хладагента в испарителе установки и начальное содержание растворимых СВ в исходном вишневом соке оказывают наиболее значимое влияние на характер протекания процесса холодильного концентрирования вишневого сока.
Интенсивность кристаллизации льда на теплообменной поверхности льдогенератора максимальна в начальный период, когда слой ледяной фазы на ней относительно невелик и содержание растворимых СВ в вишневом соке мало, а также при улучшении условий обтекания теплообменных поверхностей испарителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Овсянников, В. Ю. Определение режимов концентрирования яблочного сока вымораживанием / В. Ю. Овсянников // Хранение и переработка сельхозсы-рья. — 2012. — № 7. — С. 16-18.
2. Овсянников, В. Ю. Концентрирование яблочного сока в барабанной вымораживающей установке /В. Ю. Овсянников, Я. И Кондратьева, Н. И. Бостынец // Хранение и переработка сельхозсы-рья. — 2014. — № 4. — С. 41-44.
3. Пат. 2221202 Российская Федерация, МКИ 7 F 25 С 1/14, 1/ 00. Кристаллизатор для непрерывного вымораживания и получения чешуйчатого льда/С. Т. Анти-пов, В. Ю. Овсянников, А. Н. Рязанов. — Заявл. — 30.10.2002, № 2002129080/12, опубл. в Б. И., 2004, № 1.
4. Пат. 2206839 Российская Федерация, МКИ 7 F 25 С 1/14. Установка для вымораживания и получения чешуйчатого льда/С. Т. Антипов, В. Ю. Овсянников, А. Н. Рязанов. — Заявл. — 01.11.2001, № 2001129629 / 13, опубл. в Б. И., 2003, № 17.
38 ПИВО и НАПИТКИ
5 • 2015
Технология
5. Пат. 2220385 Российская Федерация, МКИ 7 F 25 С 1/14. Установка для получения чешуйчатого льда /С. Т. Антипов, В. Ю. Овсянников, А. Н. Рязанов. — Заявл. — 05.04.2002, № 200210877/ 3, опубл. в Б. И., 2003, № 36.
6. Антипов, С. Т. Разработка модели анализа и прогноза основных характеристик процесса криоконцентрирова-ния / С. Т. Антипов [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2001. — № 4. — С. 36-38.
7. Антипов С. Т. Термодинамические особенности процесса концентрирования жидких сред вымораживанием / Анти-пов С. Т. [и др.] // Современные наукоемкие технологии. — 2014. — № 5-1. — С. 159. &
Исследование процесса кристаллизации влаги при концентрировании вишневого сока
Ключевые слова
вишневый сок; вымораживание; кристаллизация влаги.
Реферат
Исследован процесс кристаллизации влаги при концентрировании вишневого сока методом вымораживания на льдогенераторе, оснащенном системой циркуляции продукта. По результатам эксперимента получены зависимости изменения удельной цикловой производительности по вымороженному льду и содержания сухих веществ (СВ) в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда от температуры кипения хладагента в испарителе льдогенератора, площади поверхности теплообменных элементов, отнесенной к единице полезного объема аппарата, расхода сока, подаваемого в аппарат, и начального содержания СВ в нем. Анализ полученных зависимостей показал, что при уменьшении температуры кипения хладагента в испарителе льдогенератора величина удельного количества вымороженного льда монотонно увеличивается по зависимости, близкой к линейной, а изменение величины удельного количества вымороженного льда от расхода вишневого сока, прокачиваемого через аппарат, носит выраженный нелинейный характер. Содержание СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, в зависимости от температуры кипения хладагента в испарителе льдогенератора нелинейно монотонно повышается вследствие нестационарных условий формирования кристаллической структуры льда с захватом части жидкой фазы при значительных величинах температурного напора. В процессе вымораживания вишневого сока при температуре кипения хладагента более 258,0 К наблюдалось минимальное содержание СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда. При повышении начального содержания СВ в вишневом соке содержание СВ в растворе, полученном при расплавлении вымороженного льда, увеличивается. Отмечено, что наиболее значимое влияние на характер протекания процесса холодильного концентрирования вишневого сока оказывают температура кипения хладагента в испарителе установки и начальное содержание растворимых СВ в исходном вишневом соке. Полученные результаты позволяют выявить практические рекомендации при концентрировании вымораживанием вишневого сока при различных режимах работы концентрирующей установки и различном начальном содержании СВ в соке.
Авторы
Овсянников Виталий Юрьевич,
канд. техн. наук, доцент;
Кондратьева Яна Игоревна, магистрант;
Бостынец Наталья Игоревна, студентка;
Денежная Анастасия Николаевна, студентка;
Краминова Юлия Сергеевна, студентка
Воронежский государственный университет
инженерных технологий,
394018, Воронеж, проспект Революции, д. 19,
Study of the Process of Crystallizing the Moisture with the Concentration of the Cherry Juice
Key words
cherry juice; freeze concentration; the crystallization of the moisture.
Abstract
The process of crystallizing the moisture with the concentration of cherry juice is investigated by the freezing out method at the ice producer, equipped with the system of the circulation of product. According to the results of experiment are obtained the dependences of a change in the specific cyclic productivity on frozen out ice and the contents of dry matter in the solution, obtained with the melting of frozen out ice from the boiling point of refrigerant in the vaporizer of ice producer, the surface area of heat exchange elements, in reference to the unit of the working volume of apparatus, the expenditure of juice, supplied to the apparatus and the initial content of dry matter in it. The analysis of obtained dependences showed that with the decrease of the boiling point of refrigerant in the vaporizer of ice producer the value of a specific quantity of frozen out ice monotonically increases in the dependence of close one to the linear, and a change in the value of a specific quantity of frozen out ice from the expenditure of the cherry juice, pumped through the apparatus bears the expressed nonlinear nature. The content of dry matter in the solution, obtained with the melting of frozen out ice from the boiling point of refrigerant in the vaporizer of ice producer nonlinearly monotonically rises as a result of the no stationary conditions for the formation of the crystal structure of ice with the seizure of the part of the liquid phase with the significant magnitudes of the temperature head. In the process of freezing cherry juice at a boiling point of refrigerant more than 258.0 K the minimum content of dry matter in the solution, obtained with the melting of frozen out ice, was observed. With an increase in the initial content of dry matter in the cherry juice the content of dry matter in the solution, obtained with the melting of frozen out ice, increases. Is noted, that the most significant effect on the nature of the flow of the process of the refrigerators concentration of cherry juice they have the boiling point of refrigerant in the vaporizer of installation and the initial content of the dry solutes in the initial cherry juice. The obtained results make it possible to reveal practical recommendations with the concentration by freezing cherry juice with different regimes of the work of the concentrated installation and different initial content of dry matter in the juice.
Authors
Ovsyannikov Vitali Yurjevich,
Candidate of Technical Science, Associate Professor;
Kondratieva Yana Igorevna, Student;
Bostryinets Natalia Igorevna, Student;
Denezhnaya Anastasija Nikolaevna, Student;
Kraminova Julia Sergeevna, Student
Voronezh State University of Engineer Technologies,
19 Pr. Revolutsii, Voronezh, 394018, Russia,
5 • 2015 ПИВО и НАПИТКИ 39
