Исследование процесса распределения температуры при сушке винограда путем моделирования Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 664

Исследование процесса распределения температуры при сушке винограда путем моделирования

М. Т. ЮСУПОВ

Андижанский машиностроительный институт, Республика Узбекистан

Совершенствование технологического процесса сушки винограда на основе результатов компьютерного моделирования и оптимизации обеспечивает получение продуктов улучшенного качества. Для получения математической модели процесса сушки сделаем следующие допущения: при сушке винограда его геометрическую форму принимаем шарообразной, а зависимость диаметра от средней влажности описываем линейным уравнением следующего вида:

d = dk + - dk)

X Хк

О = р4лД2(Х - ХК).

2. Математическое описание температуры первой оболочки винограда:

1

к Хн - V

Для определения математического описания температуры кожицы винограда рассмотрим тепловой баланс, где разница между приходящим (д ) и уходящим теплом (д ) характеризует скорость накопления тепла в виде:

—2 =_

2 (4<ар/3-4—П^3Вну^/3)с Х

X МлД2^ - д + Sq - —- ОIГ].

3. Для определения температуры в последующих оболочках, т. е. температуры г-ых оболочек имеем:

двх = 2пЩ - ^/(1/4 - 1/4+1); двых = 2^('ж - ^Л/а/^, - 1/4+,).

= д - д .

1 вх 1 вых

Приходящее тепло определяется классическим уравнением

двх = а4пЯ2((В - (н).

Из оболочки материала тепло уходит в следующую оболочку путем теплопередачи, для этого случая можно записать

дв

_ 2лЦ?н - ?1)

1

(4лД3 /3 - 4лД3 /3) с

^ нар ■ внутп ■ '

[а4п#2(?В - О + Sq - 2пХ(?н ——— - О/Г], В ^ 1/41 - 1/42

В итоге получим нижеследующее выражение:

——* =_—_X

Л (4<ар /3 - ^^нутр /3) С

■ 2лА,—■ - Гж) 1—— -1/4+

■ Sq - 1 - —2) ]

1/4+1 - 1/4,

+2

Для определения температуры среднего слоя имеем: 4(5 _ 1 . г - ?ж)

+ Sq]

+1

1/41 - 1/42

Как известно, количество тепла определяется из следующего уравнения:

= тс

1. Подставляя значения двх и двых в уравнение = = д - д , получим:

вх вых

—?тС = а4п 02(, - Г ) + - 2п— — -

а4П^('В Гн) + ^ 1/4-1/4.

или для определения температуры кожицы винограда имеем:

(4лД3/3) с 1/4, - 1/4,

х [ + sq - 2п—(2+1 -Ц.

1/4,+ 1 - 1/4/+2

Цель зоны предварительной ИК-обработки — достижение максимального значения коэффициента влагоотдачи за счет образования микротрещин на поверхности или максимального разрушения кожицы винограда путем оптимальной импульсной ИК-обра-ботки. В данной зоне управляемый процесс протекает в кожице винограда. При этом можно не учитывать сушку винограда из-за кратковременности процесса. Для данной зоны наибольшее значение имеет исследование распределения температуры в слоях материала, так как увеличение температуры до 70 °С и выше снижает показатели качества продукта.

Результаты теоретических исследований зоны предварительной ИК-обработки (рис. 1-4) на компьютерной модели показывают, что для обработки винограда со средним диаметром 4 = 8 мм, оптимальным значением плотности первого ИК-облучения

х

х

X

100

Т, °с

80

60

40

20

50

100

150

200

250

300

= 30 с,

Ь = 8 мм, Ту = 70 °С, д = 21 кВт/м2, т, = 45 с, твыд = д2 = 3 кВт/м2, т2 = 25 с Рис. 1. Распределение темперартуры по времени в зоне предварительной ИК-импульсной обработки при d = 8мм

100

Т, °С

80

60

40

20

50

100

150

200

250

300

с! = 16 мм, Ту = 70 °С, д1 = 25,5 кВт/м2, т1 = 45 с, тв1

30 с,

100

Т, °С

80

60

40

20

Г"

50

100

150

200

250

300

с! = 12 мм, Ту = 70 °С, д1 = 23,5 кВт/м2, т1 = 45 с, твыд = 30 с, д2 = 6,5 кВт/м2, т2 = 25 с Рис. 2. Распределение темперартуры по времени в зоне предварительной ИК-импульсной обработки при d = 12 мм

100

Т, °С

80

60

40

20

п

50

100

150

200

250

300

д2 = 7,8 кВт/м2, т2 = 25 с Рис. 3. Распределение темперартуры по времени в зоне предварительной ИК-импульсной обработки при d = 16мм

является q1 = 21 кВт/м2 с продолжительностью 45 с; второго ИК-облучения — q2 = 3 кВт/м2 с продолжительностью 25 с. При такой обработке среднее значение температуры материала на выходе из зоны составляет t х = 69,92 °С. Соответственно для d = 12 мм имеем q1 = 23,5 кВт/м2, q2 = 6,5 кВт/м2, ^ = 67,96 °С; для d = 16 мм — q1 = 25,5 кВт/м2, q2 = 7,8 кВт/м2, t = 62,46 °С; для d = 20 мм — q1 = 27,5 кВт/м2, qB2ЬI= 9 кВтМ ^ = 59,1 °С.

Цель зоны конвективной ИК-сушки — высушивание винограда до заданной влажности. Процесс сушки в данной зоне характеризуется распределением влаги в мякоти винограда. За счет испарения влаги материал охлаждается, что снижает скорость сушки, это компенсируется за счет поддержания на заданном значении температуры винограда путем подвода тепла оптимальным значением импульсного ИК-об-лучения.

Результаты теоретических исследований зоны конвективной ИК-сушки показывают, что для сушки

с! = 20 мм, Ту = 70 °С, д1 = 27,5 кВт/м2, т1 = 45 с, твыд = 30 с, д2 = 9 кВт/м2, т2 = 25 с Рис. 4. Распределение темперартуры по времени в зоне предварительной ИК-импульсной обработки при d = 20мм

винограда со средним диаметром d = 8 мм требуемым оптимальным значением плотности первого ИК-об-лучения является q1 = 1,15 кВт/м2 с продолжительностью 24 ч, соответственно второго ИК-облучения — q2 = 0,53 кВт/м2 с продолжительностью 48 ч, третьего ИК-облучения — q3=0,15 кВт/м2 с продолжительностью 72 ч и четвертого ИК-облучения — q4 = 0,01 кВт/м2 с продолжительностью 292 ч. При такой обработке среднее значение температуры материала на выходе из зоны составляет t = 69,5 °С. Соответственно для

вых ' ^

имеем d = 12 мм: q1 = 1,5 кВт/м2, q2 = 0,7 кВт/м2, q3 = 0,35 кВт/м2, q4 = 0,05 кВт/м2, ^ых = 69,26 °С; для d = 16 мм: q1=2,3 кВт/м2, q2 = 0,8 кВт/тм2, q3 = 0,45 кВт/м2, q4=0,12 кВт/м2, =68,39 °С; дляd=20 мм: ql=3 кВт/м2, q2 = 0,9 кВт/м2, 0^= 0,55 кВт/м2, q4 = 0,2 кВт/м2, ^ых = = 68,81 °С. вых

Анализ полученных результатов говорит о возможности интенсификации процесса сушки винограда, при этом продолжительность процесса сушки может быть уменьшена до 12—14 сут.

0

0

0

0

0

0

0

0

т, с

т, с

Литература

1. Гинзбург, А. С. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов / А. С. Гинзбург, И. М. Савина. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. — 280 с.

2. Левитин, И. Б. Применение инфракрасной техники в народном хозяйстве / И. Б. Левитин. — Л.: Энергоиздат, 1981. — 264 с.

3. Лыков, А. В. Теория сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов пищевой промышленности / А. В. Лыков, Л. Я. Ауэрман. — М.: Пищевая промышленность,1976. — 287 с.

4. Рогов, И. А. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов / И. А. Рогов, С. В. Некрут-ман. — М.: Пищевая промышленность, 1976. — 210 с.

5. Ильясов, С. Г. Методы определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов / С. Г. Ильясов, В. В. Красников. — М.: Пищевая промышленность, 1972. — 175 с.

6. Ильясов, С. Г. Применение метода одновременного измерения терморадиационных характеристик к исследованию оптических свойств капиллярно-пористых коллоидных тел / С. Г. Ильясов, В. В. Красников. — М.: Труды МТИП, 1988. — С. 49-56.

7. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин. — М.: Химия, 1971. — 784 с.

8. Джураев, Х. Ф. Промышленные испытания способа сушки дыни по схеме вяление — конвективная сушка / Х. Ф. Джу-раев. — Хранение и переработка сельхозсырья. — 2002. — № 3. — С. 36-37.

References

1.

Ginzburg A. S., Savina I. M. Massovlagoobmennye kharakteristiki pishchevykhproduktov [Mass-moisture exchange characteristics of food products]. Moscow, Legkaya i pishchevaya promyshlennost' Publ., 1982. 280 p.

2. Levitin I. B. Primenenie infrakrasnoi tekhniki v narodnom khozyaist-ve [Application of infrared technology in the national economy]. Leningrad, Energoizdat, 1981. 264 p.

3. Lykov A. V, Auerman L. Ya. Teoriyasushkikolloidnykh kapillyarno-poristykh materialov pishchevoi promyshlennosti [The theory of drying colloidal capillary-porous materials ofthe food industry]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost' Publ., 1976. 287 p.

4. Rogov I. A., Nekrutman S. V Sverkhvysokochastotnyiiinfrakrasnyi nagrev pishchevykh produktov [Ultrahigh-frequency and infrared heating of food products]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost» Publ., 1976. 210 p.

5. Hyasov S. G., Krasnikov VV Metody opredeleniya opticheskikh i ter-moradiatsionnykh kharakteristik pishchevykh produktov [Methods for determining the optical and thermoradiation characteristics of food products]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost' Publ., 1972. 175 p.

6. Il'yasov S. G., Krasnikov VV [Application ofthe method ofsimul-taneous measurement of thermoradiation characteristics to the study of the optical properties of capillary-porous colloidal bodies]. Moscow, Trudy MTIP, 1988, pp. 49-56. (In Russ.)

7. Kasatkin A. G. Osnovnye protsessy i apparaty khimicheskoi tekh-nologii [Basic processes and apparatuses of chemical technology]. Moscow, Khimiya Publ., 1971. 784 p.

8. Dzhuraev Kh. F. [Industrial tests of the melon drying method according to the scheme drying — convection drying]. Khranenie ipererabotka selkhozsyrya, 2002, no. 3, pp. 36-37. (In Russ.)

Исследование процесса распределения температуры при сушке винограда путем моделирования

Ключевые слова

ИК-облучение; компьютерное моделирование; конвективная сушильная установка.

Реферат

В статье представлены результаты исследования процесса распределения температуры при сушке винограда путем компьютерного моделирования и внедрения энергосберегающей ИК-конвективной сушильной установки. Для получения математических моделей сделаны следующие допущения: при сушке винограда его геометрическую форму принимали шарообразной и изучили зависимость диаметра от средней влажности, которая описывается линейним уравнением. В результате получили математическую модель для определения температуры среднего слоя исходного материала. Зона предварительной ИК-обработки предназначена для достижения максимального значения коэффициента влагоотдачи, что достигается за счет образования микротрещин на поверхности или максимального разрушения кожицы винограда. В данной зоне управляемый процесс протекает в кожице винограда, при этом можно не учитывать сушку винограда из-за кратковременности процесса. Результаты теоретических исследований зоны предварительной ИК-обработки на компьютерной модели продемонстрированы на рисунках. Целью зоны конвективной ИК-сушки является высушивание винограда до заданной влажности. Процесс сушки в данной зоне характеризуется распределением влажности в мякоти винограда. За счет испарения влаги материал охлаждается, что снижает скорость процесса сушки. Это компенсируется поддержанием на заданном значении температуры винограда путем подвода тепла оптимальным импульсным ИК-облучением. В результате исследований получены оптимальные значения плотности облучения и продолжительности сушки для первого, второго, третьего и четвертого ИК-облучения, что говорит о возможности интенсификации процесса сушки винограда.

Автор

Юсупов Мухторжон Тожибоевич

Андижанский машиностроительный институт,

170119, Республика Узбекистан, г. Андижан, ул. Бабура, д. 56,

[email protected]

Investigation of the Process of Temperature Distribution when Drying Grapes by Modeling

Key words

IR-emitation; computer modeling; convective drying setting.

Abstract

This article presents the results of the study of the process of temperature distribution during drying of grapes on computer modeling and the introduction of an energy-saving IR convective dryer. To obtain mathematical models, the following assumptions were made: when drying the grapes, its geometric shape was taken spherical and the dependence of the diameter on the average moisture content, which is described by a linear equation, was studied. As a result, we obtained a mathematical model for determining the temperature of the middle layer of the starting material. The zone of preliminary IR processing is designed to achieve the maximum value of the moisture yield coefficient, which is achieved due to the formation of microcracks on the surface or the maximum destruction of the grape skin. In this zone, the controlled process takes place in the skin of the grapes. In this zone, you can not take into account the drying of grapes due to the short-term process. The results of theoretical studies of the pre-IR processing zone on the computer model are shown in the figures. The purpose of the zone of convective IR drying is drying the grapes to a predetermined humidity. The drying process in this zone is characterized by the distribution of moisture in the pulp of the grapes. Due to evaporation of moisture, the material cools, which reduces the speed of the drying process. This is compensated by maintaining the temperature of the grapes at a given value, by supplying heat with the optimal value of pulsed IR irradiation. We have obtained the required optimum values of the irradiation density and the drying time for the first, second, third and fourth IR irradiation. Analysis of the results of the computer models shows the possibility of intensifying the drying process of grape materials.

Author

Yusupov Mukhtorzhon Tozhiboevich

Andijan Machine Building Institute,

56 Babur str., Andijan, 70119, Republic of Uzbekistan,

[email protected]