CC BY
46
УДК 664.а°47(045) DOI: 10.24411/0235-2486-2019-10104
О возможности управления процессом сублимационной сушки в вакууме по параметрам среды
В.А. Воскобойников, д-р техн. наук; В.К. Андреев, канд. техн. наук Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева
Реферат
Процесс обезвоживания замороженных материалов обычно осуществляют при различных параметрах среды и материала. Качественные характеристики готовой продукции в значительной степени зависят от продуманной схемы контроля режимных параметров, которые необходимо поддерживать в определенном диапазоне (величина давления пара, температура различных зон материала, интенсивность энергоподвода, температура поверхности конденсатора и др.) Особенностью реализации сушки термолабильных влагосодержащих предварительно замороженных материалов является контроль температуры достаточно продолжительного процесса сушки. При этом контроль температуры поверхностного и центрального слоев материала при помощи малогабаритных термоэлементов требует профессионального и кропотливого труда. Поэтому производственники часто сталкиваются либо с недосушкой термолабильного материала, либо с его «пережогом», что в целом, вызывает повышенный расход дорогостоящего материала и сдерживает широкое промышленное освоение метода обезвоживания замороженных объектов. Контролирование процесса сушки предварительно замороженных продуктов по параметрам среды, в том числе и в вакууме, позволяет избежать указанных трудностей, сократить потери материалов и автоматизировать процесс получения готовой продукции с заданной влажностью, что особенно важно для биоматериалов и витаминосодержащих термолабильных продуктов. Наряду с указанными достоинствами разработка основного технологического оборудования нового поколения при использовании данного метода позволяет уменьшить время досушивания материала, если при разработке оборудования предусмотреть возможность отключения десублимато-ра от сушильной камеры и тем самым повысить градиент концентрации влаги на заключительном этапе процесса.
Ключевые слова
вакуумный насос, десублиматор, параметры внешней среды, рабочая камера, сублиматор Цитирование
Андреев В.К., Воскобойников В.А. (2019) О возможности управления процессом сублимационной сушки в вакууме по параметрам среды // Пищевая промышленность. 2019. № 7. С. 70-72.
About process control vacuum freeze drying on environmental parameters
V.K. Andreev, Candidate of Technical Sciences; V.A. Voskoboynikov, Doctor of Technical Sciences Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazeva
Abstract
The process of dewatering frozen materials is usually carried out at various parameters of the environment and material. The quality characteristics of the finished product largely depend on a well-thought-out scheme for monitoring operational parameters that need to be maintained within a certain range (vapor pressure, temperature of different zones of the material, energy supply intensity, condenser surface temperature, etc.). The implementation feature of drying thermolabile moisture-containing pre-frozen materials is temperature control is quite a long drying process. At the same time, control of the temperature of the surface and central layers of the material with the help of compact thermoelements requires professional and hard work. Therefore, production workers often face either the lack of drying of a thermolabile material or its "burnout", which, in general, causes an increased consumption of expensive material and hinders the widespread industrial development of the dehydration method of frozen objects. Controlling the drying process of pre-frozen products according to the parameters of the environment, including vacuum, allows you to avoid these difficulties, reduce material losses and automate the process of obtaining finished products with a given humidity, which is especially important for biomaterials and vitamin-containing thermolabile products. Along with these advantages, the development of the main technological equipment of the new generation allows using this method to reduce the time it takes to dry the material if the equipment is designed to be able to disconnect the desublimator from the drying chamber and thereby increase the moisture concentration gradient at the final stage of the process.
Key words
sublimator, desublimator, working chamber, vacuum pump, environmental parameters Citation
Andreev V.K., Voskoboynikov V.A. (2019) About process control vacuum freeze drying on environmental parameters // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost. 2019. № 7. P. 70-72.
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Введение. Для расчета процессов сублимационного обезвоживания влагосо-держащего сырья в вакууме и разработки систем управления этими процессами необходимо располагать оперативными сведениями о скорости удаления влаги из пищевых объектов на различных этапах сушки. Широко известно, что при осуществлении всех известных видов сушки, включая и сублимационные, отмечаются два периода: этап постоянной скорости сушки ^и /dt=const) и этап падающей скорости ^и / dt =const). В период постоянной скорости величина изменения влагосодержания в единицу времени определяется количеством подводимой энергии в зону фазового превращения «лед - пар», что, в свою очередь, ограничивается значением температуры поверхностного слоя материала и допустимой степенью изменения термолабильных характеристик нативного состояния объекта сушки. В период падающей скорости уменьшение влагосодержания в единицу времени дополнительно ограничивается увеличением сопротивления обезвоженного слоя монолитного или гранулированного материала [1].
Разработанный Камовниковым Б.П. [2] алгоритм управления энергоподводом по экстремальным температурам объекта не решает проблем, связанных с получением в промышленных сублимационных установках готовой продукции требуемого качества. После завершения процесса требуется проводить отбраковку пересушенной («пережог») либо недосушенной продукции с повышенным влагосодержанием.
В соответствии с гипотезой Гуйго Э.И. [3] процессы сублимации и десублимации систем «лед-пар» и «пар-лед» сопровождаются наличием взрывов и антивзрывов, обусловленных изменением плотности пара и льда соответственно в сублиматоре и десублиматоре, а также последующей релаксацией значений парциального давления пара в различных зонах сублимационных установок. Эта гипотеза подтверждена работами Лебедева Д.П. [4], в которых установлены характерные линейные размеры зон релаксации парциального давления водяного пара. По данным автора при сублимации чистого льда величина размера этих зон не превышает 0,001 м.
Таким образом, можно предположить, что релаксированный пар попадает в разреженный поток неконденсирующихся газов от поверхности объекта до расположения всасывающего патрубка вакуумного насоса.
Обычно для создания надежных автоматических систем управления использу-
ют весовые устройства, которые в сочетании с температурными данными позволяют минимизировать количество брака. однако создание, монтаж и эксплуатация весовых устройств в установках с производительностью более 50 кг исходного сырья за цикл являются достаточно сложной и дорогостоящей задачей. Поэтому измерение параметров сред и оснащение крупномасштабных сублимационных установок приборами для этих целей является перспективным направлением при расширении производства высококачественных сублимированных продуктов питания.
В одной из первых работ Подольским М.В. [5] описан метод высушивания препаратов крови в специальных флаконах с турбинками, которые вращались при воздействии на них водяных паров, а число оборотов турбинки после предварительной тарировки позволяло охарактеризовать кинетику обезвоживания биоматермалов. На основании проведенных исследований автор установил влияние величины давления неконденсирующихся газов на интенсивность обезвоживания и показал эффективность использования инфракрасных нагревателей в качестве энергопередающих устройств.
Существует возможность оценки интенсивности вакуум-сублимационной сушки путем измерения величины теплового потока, отводимого при помощи дополнительного холодильника при десублимации водяного пара. При проведении
измерений температура поверхности дополнительного холодильника поддерживалась равной температуре поверхности основного десублиматора установки [6]. Сигнал тепломера измерялся при помощи вторичного прибора, например микровольметра, шкала которого была градуирована в единицах измерения скорости удаления влаги. Автором была разработана и экспериментально проверена методика сравнения скорости сушки и данных, полученных с помощью тепломера. Результаты сравнения представлены на рис. 1.
С целью измерения локальных значений парциального давления водяных паров в лабораторных и промышленных сублимационных установках при величинах общего давления от 0,1 до 10 мм рт. ст. нами разработаны, изготовлены и испытаны кулонометрические влагомеры периодического и непрерывного действия [7]. Изучение характера изменения парциального давления водяных паров проводилось на установке периодического действия с производительностью 10 кг/цикл, на установке непрерывного действия с производительностью 0,2 кг/час по испаренной влаге, а также на промышленной установке типа «марк 1» фирмы «Атлас» (Дания) с производительностью 300 кг сырья за цикл. Результаты измерений (рис. 2) показали, что разность парциальных давлений водяных паров в сублимационной камере и в десубли-маторе в ходе процесса обезвоживания говяжьего мяса постоянно уменьшалась,
Рис. 1. Кривые кинетики сушки свекольного сока при квазипостоянном и переменном давлении парогазовой среды ('): 1, 2 - температура поверхности и центрального слоя; 3, 3' - влажность продукта; 4, 4' - интенсивность обезвоживания; 5 - температура поверхности нагревателя
ISSN 0235-2486 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ 7/2019 71
Рис. 2. Поле парциальных давлений водяного пара в вакуум-сублимационной промышленной установке типа «Марк-1А»:
1 - влагосодержание репчатого лука; 2 - общее давление в сублиматоре; 3 - парциальное давление пара в сублиматоре (т. А); 4 - парциальное давление пара в десублиматоре (т. Б); 5 - парциальное давление в вакуумпроводе (т. В).
а на заключительном этапе досушивания даже становилась отрицательной. Аналогичные результаты были получены при сублимационной сушке творога, лука и других продуктов на отечественной установке УСС-5. Увеличение градиента давления пара в направлении движения может достигаться на заключительной стадии (досушивания) объекта путем отключения десублиматора и ведения процесса по схеме «сублимационная камера - вакуумный насос». Естественно, что увеличение градиента парциального давления на заключительной стадии процесса обезвоживания объекта увеличивает роль конвективной составляющей массопереноса.
Выводы. Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что при наличии оперативных данных представляется возможным дополнительно включить параметр парциально-
го давления водяных паров в систему управления процессом вакуумной сублимационной сушки в промышленных масштабах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Семенов, Г.В. Вакуумная сублимационная сушка/ Г. В. Семенов. - М: Дели плюс, 2013.
2. Камовников, Б.П. Вакуум-сублимационная сушка пищевых продуктов/Б.П. Камовников, Л.С. Малков, В. А. Воскобойников. -М.: Агропромиздат, 1985.
3. Гуйго, Э.И. Сублимационная сушка пищевых продуктов/Э. И. Гуйго, Н.К. Журавская, Э. И. Каухчешвили. - М.: Агропромиздат, 1977.
4. Лебедев, Д. П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме/Д.П. Лебедев, Т.Л. Перельман. - М.: Энергия, 1973.
5. Подольский, М.В. Исследование кинетики процесса сублимационного высушивания препаратов крови. Автореферат канд. дисс. МТИПП. - М., 1963.
6. Герасимов С.В. Некоторые вопросы управления сублимационными установками периодического действия/ С.В. Герасимов [и др.] // Сборник научных трудов. - НПО «Пищепромавтоматика». - Одесса, 1976. -вып. 15.
7. Воскобойников В. А. Научные основы криотехнологических методов производства инстант-продуктов (исследование, технические решения и внедрение)/В.А. Воскобойников. - Москва, 1992.
REFERENCES
1. Semenov, G.V. Vakuumnaja sublimacion-naja sushka/ G. V. Semenov. - M: Deli pljus, 2013.
2. Kamovnikov, B. P. Vakuum-sublimacionnaja sushka pishhevyh produktov / B. P. Kamovnikov, L. S. Malkov, V.A. Voskobojnikov. - M.: Agropromizdat, 1985.
3. Gujgo, Je. I. Sublimacionnaja sushka pishhevyh produktov/ Je.I. Gujgo, N. K. Zhuravskaja, Je.I. Kauhcheshvili. - M.: Agropromizdat, 1977.
4. Lebedev, D. P. Teplo- i massoobmen v processah sublimacii v vakuume/D.P. Lebedev, T.L. Perel'man. - M.: Jenergija, 1973.
5. Podol'skij, M. V. Issledovanie kinetiki processa sublimacionnogo
Vysushivanija preparatov krovi. Avtoreferat kand. disc. MTIPP. - M., 1963.
6. Gerasimov S. V. Nekotorye voprosy upravlenija sublimacionnymi ustanovkami periodicheskogo dejstvija / S.V. Gerasimov [i dr.] / Sbornik nauchnyh trudov. - NPO «Pishhepromavtomatika». - Odessa, 1976. -vyp. 15.
7. Voskobojnikov V. A. Nauchnye osnovy kriotehnologicheskih metodov proizvodstva instant-produktov (issledovanie, tehnicheskie reshenija i vnedrenie)/V.A. Voskobojnikov. -Moskva, 1992.
Авторы
Воскобойников Владимир Александрович, д-р техн. наук Андреев Владимир Константинович, канд. техн. наук, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, 127550, Россия, Москва, ул. Тимирязевская, д. 49 andreev_v_k@mai1.ru, voskoboynikov_v_a@mai1.ru
Authors
Vladimir A. Voskoboynikov, Doctor of Technical Sciences
Vladimir K. Andreev, Candidate of Technical Sciences,
Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named
after K.A. Timiryazeva, 49, Timiryazev str., Moscow, Russia, 127550,
andreev_v_k@mail.ru, voskoboynikov_v_a@mail.ru
