CC BY
41
УДК 664.144
А. В. Ревина, Ванли Кончу Морис *
Астраханский государственный технический университет ( Республика Камерун)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМБИНИРОВАННОЙ СУШКИ ОВОЩНЫ1Х ПРОДУКТОВ
Промышленная переработка сырья биологического происхождения представляет собой сложный комплекс последовательно выполняемых и взаимосвязанных механических, теплофизических, биотехнологических и других специфических процессов и требует в условиях жёсткой конкуренции на рынке повышения эффективности тепло- и массообмена с выработкой качественных, полноценных и безопасных в санитарном отношении пищевых продуктов.
Среди факторов питания, имеющих важнейшее значение для поддержания здоровья, работоспособности и активного долголетия, особая роль принадлежит полноценному и регулярному снабжению организма человека всеми необходимыми витаминами, минеральными веществами, микроэлементами, в том числе минорными компонентами пищи, которые организм человека не синтезирует.
Для Российской Федерации вопросы переработки и обеспечения населения плодовоовощной продукцией актуальны, поскольку большая часть территории не имеет благоприятных климатических условий для выращивания овощей и плодов.
Одним из малоисследованных сырьевых источников питательных веществ являются баклажан, тыква, свекла и т. п. Ареал возделывания этих культур занимает почти всю южную и среднюю полосы России.
Однако промышленное внедрение и надежное функционирование линий по их переработке сдерживается отсутствием комплексных исследований по оптимизации технологических процессов на отдельных стадиях, таких как обезвоживание, предварительное замораживание, измельчение, гранулирование и т. д. Специфика химического состава продукта, относительно большая влажность, а также особенности механизма внутреннего тепломассопереноса затрудняют использование традиционных способов обезвоживания и ставят задачу поиска новых методов, позволяющих повысить эффективность проведения процесса обезвоживания и получить конечный продукт высокого качества. Рекомендованы рациональные способы сушки и конструкции для их осуществления, различные виды энергоподвода с акцентом в сторону объемных способов, возможностью их комбинации, применения осциллирующих режимов.
В частности, способы радиационной сушки в гранулированном и замороженном состоянии, радиационной сушки в осциллирующих режимах и конвективной досушки в дольках (тонком слое), наносимых на
игольчатые носители для уменьшения адгезии, обеспечивают высокую интенсивность сушки, «мягкие» температурные режимы, непрерывность процесса сушки, хороший съем с рабочей поверхности, повышение качества сухой продукции.
Результаты изучения кинетики сушки получены на разработанных экспериментальных установках (рис. 1, 2) с помощью вероятностностатистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. В качестве целевой функции выбран съем сухого продукта с единицы площади (объема) рабочей поверхности в единицу времени У, кг/(м2-ч).
Рис. 1. Установка для ИК-сушки:
1 - корпус; 2 - смотровое окно;
3 - ёмкость для исходного продукта;
4 - насос для подачи продукта;
5 - вакуумный насос; 6 - манометр;
7 - панели ИК-излучателей; 8 - щеточный распылитель; 9 - термопара;
10 - пластина; 11 - игольчатый носитель; 12 - весы; 13 - цифровой измеритель ёмкости; 14 - потенциометр;
15 - щит управления; 16 - коллимационная труба
Рис. 2. Конвективная сушилка:
1 - циркуляционный трубопровод;
2 - сушильная камера; 3 - калорифер;
4 - термометр сопротивления; 5 - весы; 6 - сухой термометр; 7 - мокрый термометр; 8 - заслонки; 9 - вентилятор;
10 - пускатель; 11 - позиционный переключатель; 12 - показывающий мост;
13 - дифференциальный манометр;
14 - диафрагма; 15 - амперметр 2-й секции; 16 - вольтметр 2-й секции;
17 - ЛАТР 2-й секции; 18 - амперметр 1-й секции; 19 - вольтметр 1-й секции; 20 - ЛАТР 1 секции; 21 - анемометр цифровой переносной
Установлены основные факторы, влияющие на интенсивность сушки: толщина слоя I; диаметр гранул ё, м; плотность теплового потока Е, кВт/м2; длина волны 1^, мкм, соответствующая максимальной интенсивности излучения; температура подаваемого продукта ¿см, К; скорость сушильного агента V, м/с; температура сушильного агента Т или 4, К, при конвективной сушке. Г раницы варьирования факторов выбраны с учетом технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки. Диапазоны варьируемых факторов: Е = 1,34-6,2 кВт/м; к = (1-3)10- м; и = 100-220 В; 1тах = 1,39*1,5 мкм; Т = 333-373 К; V = 1,2-5 м/с.
Эксперименты проводились по полному многоуровневому многофакторному плану и по многоуровневому однофакторному плану, при
фиксации всех побочных параметров для уточнения влияния отдельных факторов на эффективность сушки, составления полной формализованной математической модели и окончательной отработки режимов. В результате серии экспериментов получены кривые сушки (рис. 3, 4), математическая обработка которых позволила рассчитать адекватные аппроксимирующие зависимости целевой функции от варьируемых факторов.
0.72
0.64
0.56
0.43
0.4
0.32
0.24
0.16
•к.
‘V
1
3_/ V N
4 / V >
ч '* 2 ч
V \ / \
ч 1 \
Рис. 3. Кривые ИК-сушки:
X тах = 1,42 мкм (и = 140 В), I = 2 мм:
1 - Е = 3,1; 2 - 2,358; 3 - 1,4; 4 - 0,91 кВт/м2
360 600 840 1080 1320 1560 1800 2040 2280 2520 2760
т,с
Рис. 4. Кривые сушки при конвективной досушке:
1 - 4 = 333 К; V = 1,2 м/с; 2 - (с = 353 К;
V = 1,2 м/с; 3 - /с = 333 К; V = 3,4 м/с;
4 - ^ = 353 К; V = 3,4 м/с
Получена зависимость целевой функции от варьируемых факторов при радиационной сушке при двухстороннем энергоподводе (рис. 5):
• (I-103)2 +
У (Е, I, X) = 1,33 • «
+
(I-103) +
(0,815 • X -1,2225 )• Е3 +
+ (1,66125 • X- 2,491875)- Е2 +
+ (-13,03 • X +19,2377> Е +
+ (7,52 • X -11,0981)
(5,22625 • X - 7,839375> Е3 +
+ (- 52,0875 • X + 78,13125) • Е2 +
+ (123,945 • X -184,684^ Е +
+ (- 64,9825 • X + 96,77075)
+ (0,65375 • X - 0,980625 )• Е3 +
+ (13,82375 • X-20,735625)^Е2 +
+ (-59,30125 • X + 88,199575^ Е +
+ (37,9175 • X-56,03015).
Средняя относительная погрешность ± 5,6 %, средняя относительная погрешность аппроксимации ± 0,05 %.
Таким образом, определены рациональные режимы сушки, которые рекомендованы для практического использования.
Рис. 5. Удельный съем сухого продукта:
Xтах = 1,42 мкм; Е, I - номера шагов (ДЕ, ДЇ) по осям Е, кВт/м2, и Ї, мм: Е = 0,67+3,1, Ї =1+3; размер шага: отношение диапазона варьирования к числу шагов
Отметим, что тепловой поток, равный и выше 2,73 кВт/м2, создавать нецелесообразно, так как поверхность продукта начинает подгорать и стекловаться при влажной сердцевине, что приводит к ухудшению качества сухих продуктов и уменьшению удельного съема У вследствие повышения сопротивления влагообмену «застеклованной» поверхности.
При ИК-сушке отмечено наличие максимума У при и = 140 В, что обусловлено смещением длины волны излучения (X тах ) максимума интенсивности в спектре ИК-генератора к длине волны 1,42 мкм, соответствующей полосе поглощения влаги. Применение светлых излучателей при и >140 В для сушки продуктов нерационально из-за их термопластичности и локального подгорания. Зависимость съема сухого продукта от толщины слоя или массы нанесенного продукта имеет довольно сложный экстремальный характер. Здесь наблюдаются два максимума. Увеличение I выше 3 мм приводит к быстрому спаду У, по-видимому, из-за перехода слоя из оптически тонкого в оптически бесконечный, уменьшения эффекта объемных энергоподвода и испарения влаги ввиду ограниченной про-пускательной способности продуктов, являющихся сильно рассеивающими излучение средами. Нижний предел I = 1 мм обусловлен техническими возможностями нарезки долек. Экстремальный вид зависимости обусловлен взаимным влиянием двух факторов на целевую функцию У - понижением продолжительности сушки при уменьшении толщины слоя и возрастанием съема сухого продукта при повышении удельной массы нанесенного продукта. Резкое возрастание скорости сушки при низкой влажности обусловлено удалением осмотической (структурной) влаги (связанной энтропийно), которая становится свободной при подгорании продукта и разрушении клеточных оболочек и мицелл. В связи с этим целесообразно применение комбинации инфракрасной и конвективной сушки в тонком или кипящем слое на конечном этапе.
Проведены исследования радиационно-кондуктивной сушки гранул и пластин свеклы в нативном и замороженном состоянии.
Диапазоны варьирования факторов выбраны с учетом технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки: Е = 0,86-4,7 кВт/м2; к = 0,001 м; й = 0,004-0,008 м; = 1,16- 1,61 мкм;
и = 100-220 В; Т = 255, 298 К.
Математическая обработка результатов экспериментов позволила получить адекватные аппроксимирующие зависимости целевой функции от варьируемых факторов:
Радиационная
сушка
гранул свеклы:
У (Е (й, X) =
(9,7680196 -104 • X2 - 2,6646859 105 • X + ^
+1,7441934 105
+
+
657,683429 • X2 +
+1,7892 68 1 03 • X -1,161694 103
• Е 2
- 3,176233-105 • X2 + 8,625555-105 • X -
Л
(
+
-5,680289 105 2,163487 •Ю3 • X2
ч-5,844639•Ю3 • X + 3,816714•Ю3,
•Е
+
2,654413105 • X2 -7,233786105 • X + + 4,741766 105
+
(-1,824 -103 • X2 +
+ 4,93 6-103 • X - 3,194-103
У (Е (Т, X) =
Радиационная
сушка
пластин свеклы:
5,0879713 • X2 -14,2974817 • X +
Л
+ 9,7992309
•Т+
+
+
33,619883 • X2 -■94.411053 • X + 65.49338
• Е 2
+
(
+
\
17.421771 • X2 + 49,10585 • X-33,819393
-122,629235 • X2 + ч+ 346,472103 • X - 241,06689,
13,988556 • X2 - 39,541166 • X + + 27,328752
•Т+
•Е
+
Л
•Т+
+
^106,519 • X2 - ^
- 304,417 • X + 216,592
Средняя относительная погрешность составляет ± 1,2 %; средняя относительная погрешность аппроксимации - ± 0,05 %. Исследование влияния основных факторов на интенсивность процессов сушки позволи-
ло определить рациональные режимы сушки, которые рекомендованы для практического использования.
Зависимость целевой функции от теплового потока имеет максимум Е = 1,71 кВт/м2 при Т = 298 К и на границах варьирования при Т = 255 К. Зависимость целевой функции от начальной температуры продукта Т показывает, что максимальная интенсивность достигается при Е = 4,1 кВт/м2, 1 = 1,45 мкм и Т = 255 К. При максимизации целевой функции по полученным эмпирическим уравнениям отмечено наличие максимума У при Е = 2,56 кВт/м2, й = 0,004 м, 1 = 1,45 мкм (V = 140 В). Увеличение Е > 3 кВт/м2 не приводит к существенному повышению съема сухого продукта, к тому же здесь наблюдается локальное подгорание, плавление и перегрев продукта.
Съем сухого продукта может достигать У = 26 кг/(м2-ч), что значительно превышает лучшие мировые образцы аналогичных способов сушки подобного рода продуктов.
Проанализированы особенности тепломассопереноса для свеклы при сушке в тонких слоях и в гранулах. На основе проведенных экспериментов по изучению кинетики сушки получены кривые скорости радиационно-кондуктивной сушки (рис. 6, 7), позволяющие вывести функциональные зависимости для продолжительности обезвоживания в любой зоне.
Рис. 6. Кривые сушки замороженных пластин свеклы при П= 140 В; к = 1 мм
Рис. 7. Кривые сушки долек свеклы в нативном состоянии при V = 140 В; к = 1 мм
Проведена аппроксимация кривых сушки и скорости сушки предложенным И. Ю. Алексаняном многозонным методом с учетом энергии связи и вида связи влаги с материалом. Границы зон определяются точками перегиба кривых скорости сушки и хорошо согласуются с результатами исследований основных термодинамических закономерностей взаимодействия свеклы с водой.
Анализ кинетики сушки показывает, что скорость при обезвоживании в предварительно замороженном состоянии выше, чем в нативном. Это объясняется вымораживанием части влаги и, как следствие, уменьшением ее связи с материалом, что ускоряет процесс обезвоживания. Кроме того, при фазовом переходе вода-лед происходит увеличение объема влаги (особенно структурной, энтропийно связанной), что приводит к разрыву клеточных оболочек, высвобождению структурной влаги, денатурации клетчатки и уменьшению энергозатрат на влагоудаление. К тому же снижается температура сушки, а следовательно, термовоздействие, уменьша-
ется возможность значительной на первоначальном этапе обезвоживания усадки, сохраняются органолептические показатели, химический состав, форма и в итоге повышается качество готовой продукции. Разница в скорости между замороженным и нативным продуктом уменьшается при увеличении плотности теплового потока, вследствие сокращения периода сублимации, поэтому, очевидно, есть оптимум в зависимости интенсивности процесса от теплового потока при увеличении которого, с одной стороны, скорость растет, а с другой - уменьшается период сублимации и скорость уменьшается.
На кривых скорости сушки наблюдается аномальный рост скорости при низкой влажности в процессе высокоинтенсивной сушки или периодические пики с участками постоянной скорости в течение всего процесса, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри клеток вследствие либо резкого, либо периодического разрушения полупроницаемых оболочек клеток при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, создании существенных градиентов общего давления и, как следствие, резком снижении энергии связи влаги с материалом. Осмотический и структурный характер связи, в отличие от теплового связывания воды химическими и молекулярными силами, определяется величиной энтропии, т. е. такую влагу можно считать энтропийно связанной. Это доказывает значительное влияние энтропийной составляющей свободной энергии.
Сделанные выводы подтверждают рациональность режимов сушки в предварительно замороженном состоянии с точки зрения интенсификации тепло- и массообмена.
Получено 15.02.05
INVESTIGATION OF MAIN FACTORS INFLUENCE ON COMBINED DRYING EFFECTIVENESS OFVEGETABLE PRODUCTS
А. V. Revina, Vanli Konchu Moris
Main factors influence on drying effectiveness was determined to work out rational operating conditions. Rational means of plant products drying in preliminary frozen state were recommended for the use of combined methods of energy supply and oscillating operating conditions. Promising value was proved for preliminary freezing out of moisture to reduce energy consumption and to improve quality of ultimate product, sublimation is being integrated with heated-air drying oscillating operating conditions of drying biopolymer products in the terms of heat mass transfer intensification. Equations of drying rates are derived for various zones and approximating relationships of kinetic drying coefficients from different factors which can be used for mathematical simulation of dehydration and establishing oscillating operating conditions.
