Радиационно-конвективная сушка грушевых чипсов при импульсном энергоподводе Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

На этом заканчивается работа 1-го процессора.

Алгоритм процессоров от 1 до rank - 1 аналогичен предыдущему, только вначале процессор принимает строку, вычисленную на предыдущем процессоре.

Последний процессор отсылает предыдущему данные из второй строки и принимает от него значение для первой строки, после чего выводит итоговый массив в файл.

В результате получена компьютерная модель процесса массопереноса. На модели проведен затравочный эксперимент и определено оптимальное значение членов ряда. Модель идентифицирована по данным, полученным на опытно-экспериментальной установке.

ВЫВОДЫ

1. Разработан параллельный алгоритм, реализующий модель тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах.

2. Создана параллельная программа для моделирования на вычислительном кластере процессов тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах; программа написана на языке C с применением технологии MPI; исходная задача корректно решена проекци-

онным методом с использованием параллельных вычислений и может применяться в дальнейшем для моделирования процесса тепломассопереноса.

3. Полученное решение идентифицировано по экспериментальным данным; критерием определения оптимальной продолжительности теплового воздействия является момент времени т, при котором наступит наибольшая разность влажности между ядром и лузгой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кошевой Е.П., Косачев B.C., Фролов Р.Н. Постановка и решение задач тепломассопереноса в семени подсолнечника // Продовольственная индустрия Юга России. Ч. II. - Краснодар, 2000. - С. 193-194.

2. Белобородов B.B., Забровский Г.П., Вороненко Б.А.

Процессы массо- и теплопереноса масложирового производства. -СПб.: ВНИИЖ, 2000. - 429 с.

3. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галер-кина: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 352 с.

4. Цебренко К.Н. Применение распределенных вычислений для моделирования процесса экстракции в маслоэкстракционных установках // Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах: Материалы 9-й Междунар. конф.-семи-нара. - Владимир: ВГУ, 2009. - С. 406-408.

Поступила 22.11.11 г.

MODELLING PROCESS OF HEAT AND MASS TRANSFER IN CAPILLARY-POROUS BODY WITH USE OF PARALLEL CALCULATIONS

R.N. FROLOV, K.N. TSEBRENKO

Academy of Marketing and Social Information Technology,

5, Zipovskaya st., Krasnodar, 350010; ph./fax: (861) 278-22-82, e-mail: [email protected], [email protected]

The results of the modeling process of heat and mass transfer into capillary-porous body are discussed. The system of equations describing the process of heat and mass transfer into capillary-porous bodies was gotten. The parallel algorithm of counting model of heat and mass transfer during the process of drying out sunflower seeds was developed and carried out. This model is identified according to experiment data.

Key words: heat and mass transfer, parallel programming, processes modeling.

664.854

РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНАЯ СУШКА ГРУШЕВЫХ ЧИПСОВ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ЭНЕРГОПОДВОДЕ

А.Н. ОСТРИКОВ, Е.Ю. ЖЕЛТОУХОВА

Воронежский государственный университет инженерных технологий,

394036, г. Воронеж, пр-т Революции, 19; факс: (4732) 55-35-54, электронная почта: [email protected]

Исследована возможность применения переменного теплоподвода при сушке грушевых чипсов, позволяющая интенсифицировать процесс сушки, сократить его продолжительность, применять щадящие температурные режимы. Использование ступенчатого режима радиационно-конвективной сушки грушевых чипсов способствует улучшению качества готового продукта и повышению тепловой эффективности процесса.

Ключевые слова: радиационно-конвективная сушка, грушевые чипсы, кинетика процесса, скорость сушки, прогрев продукта.

Производство фруктовых чипсов - новое направле- рая исключает внесение консервантов и сохраняет все ние в пищевой промышленности России. Фруктовые полезные свойства свежих фруктов. чипсы изготавливают из кусочков яблок, груш, перси- Использование переменного теплоподвода при

ков, хурмы и др. по инновационной технологии, кото- сушке груши позволит интенсифицировать процесс

сушки, сократить его продолжительность, а применение щадящих температурных режимов, максимально адаптированных к основным кинетическим закономерностям, способствует снижению негативного воздействия на термолабильные вещества груши.

Цель настоящей работы - повышение тепловой эффективности процесса сушки грушевых чипсов за счет использования ступенчатого режима радиационно-конвективной сушки, снижение энергозатрат на получение готового продукта и улучшение его качества.

Процесс сушки груши исследовали в следующих диапазонах изменения технологических параметров: температура воздуха 298 K, скорость потока воздуха 0,3-1,575 м/с, толщина пластины груши 1,5 мм, расстояние от продукта до поверхности ИК-лампы 0,32 м.

Мытую грушу инспектировали, сортировали, затем нарезали тонкими дольками толщиной 1,5 мм и подвергали комбинированной радиационно-конвективной сушке. Нагрев груши осуществляли ИК-лучами с длиной волны в диапазоне 1,16-1,65 мкм и плотностью теплового потока 2,69-5,44 кВт/м2 при одновременном конвективном обдуве воздухом для удаления испаряемых из продукта водяных паров с начальной температурой 298 K. При анализе стационарных режимов радиационно-конвективной сушки груши установлено, что в периоде постоянной скорости сушки удаляется в основном капиллярная и осмотическая влага. При этом вся теплота, подводимая к долькам груши, затрачивается на интенсивное поверхностное испарение влаги, и температура продукта остается постоянной.

Период убывающей скорости сушки характеризуется увеличением температуры пластин груши, при этом удаляется осмотическая и адсорбционная влага. Этот период начинается в тот момент, когда влажность на поверхности груши становится равной первой критической. При этом температура этой поверхности увеличивается. Зона испарения влаги находится внутри пластины груши, а не на ее поверхности, поэтому влага из центральных слоев пластин груши доходит до зоны испарения в жидком виде, а от зоны испарения до поверхности она движется в парообразном состоянии.

В результате дифференциально-термического анализа и анализа кинетических закономерностей процесса радиационно-конвективной сушки груши был обоснован выбор ступенчатых режимов сушки. Для этого необходимо изучить характер связи влаги на участках, где осуществляется преобразование веществ при повышении температуры, и подобрать оптимальные температурно-скоростные режимы сушки груши исходя из данных о формах связи влаги в сырье. С этой целью был проведен дериватографический анализ груши.

Исследование закономерностей теплового воздействия на грушу осуществляли методом неизотермического анализа на комплексном термоанализаторе TGA-DSC фирмы Mettler-Toledo STARe в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 3 K/мин до 423 K. Прибор фиксирует изменение массы вещества и изменение температуры при контролируемой температурной обработке в определенной газовой среде. На основе дериватографического анализа был разработан ступенчатый режим сушки груши (табл. 1).

Таблица 1

Номер этапа

Температура продукта Т, K

Скорость воздуха v, м/с

Время, мин

310

320

330

340

1,7

1,5

1,2

0,8

0-7

7-15

15-30

30-45

Процесс радиационно-конвективной сушки груши разбивается на несколько различных по продолжительности этапов, на каждом из которых в зависимости от вида формы связи испаряемой из груши влаги подбирается свой рациональный режим радиационно-конвективной сушки груши. При этом температура и скорость теплоносителя (воздуха) принимали фиксированные значения, необходимые для своевременного и эффективного отвода испаряющихся из груши водяных паров.

На основе анализа кривых сушки груши при стационарных режимах экспериментально определили продолжительности четырех временных этапов ступенчатого режима сушки: 7, 8, 15 и 15 мин соответственно.

Кинетические закономерности 4-ступенчатого режима комбинированной радиационно-конвективной сушки грушевых чипсов представлены на рисунке. Анализ кривых сушки (а), скорости сушки (б), температурной кривой (в) и термограммы (г) процесса показывает, что имеют место три периода: прогрева, постоянной и убывающей скоростей сушки [1].

На первом этапе, который соответствует периоду прогрева, происходит нагрев наружных слоев и испарение влаги с поверхности груши. Температура поверхностного слоя с самого начала сушки возрастает, в толще продукта возникают температурные градиенты, уменьшающиеся к центру продукта. Поле влажности внутри пластин груши становится неоднородным: на поверхности влажность ниже, чем в глубине, т. е. появляется градиент концентрации влаги, возрастающий к центру продукта. Под действием этого градиента влага в жидком виде начинает перемещаться к поверхности продукта. При этом поток влаги преодолевает сопротивление продукта, которое снижает скорость ее продвижения, вследствие чего повышается температура долек груши (рисунок: в, г). По мере удаления физико-механической влаги скорость теплоносителя, как определяющий фактор интенсивности процесса, теряет свое значение. Поэтому на втором этапе сушку предпочтительнее вести при снижающейся скорости и повышающейся температуре теплоносителя.

На втором временном этапе, который соответствует периоду постоянной скорости, предварительно подсушенные пластины груши нагреваются ИК-лучами до температуры 320 К при одновременном обдуве воздушным потоком (рисунок: а, б). Увеличение температуры нагрева груши обусловлено тем, что на интенсивность удаления осмотической влаги наибольшее влияние оказывает температура как фактор, определяющий интенсивность внутреннего влагопереноса. Этот период сушки характеризуется постоянной температурой продукта (рисунок: в, г), при этом удаляется капилляр-

8

кг/кг

О

Ступенчатый режим - Т=310К; у=1,7м/с;т=7мин II- Т=320 К; у=1,5 м/с;т=8 мин ц- Т=330 К; у=1,2 м/с;т= 15мин V- Т=340 К; у=0,8 м/с;т= 15мин

\°

/этап Изг ап \ III з> т IV эгш

V

■ I - ■ | — ■ |

600

1200

1800

2400

3000

350

340

320

310

Ступенчатый режим | - Т=310К; у=1,7м/с;т=7мин II- Т=320 К; у=1,5 м/с;т=8 мин |||- Т=330 К; у=1,2 м/с;т= 15мин IV- Т=340 К; у=0,8 м/с;т= 15мин

IV эта /Нэп 07 \ в этап /этт

4 5

гс

8 КГ/КГ 9

ис

350

К

340

н

320

310

Ступенчатый режим | - Т=310К; \',г1,7м/с;тг 7мин II- Т=320 К: у= 1.5 м/с:т=8 мин

|||- Т=330 К; у=1,2 м/с;т= IV- Т=340 К; у=0,8 м/с;т= 15 мин 15 мин

1 этап 1 тл 'этап /V этап

иу

-—н 1— \ ■ ■ —|

600

1200

1800

2400 с 3000

ная влага. В этом периоде вся теплота, подводимая к долькам груши, затрачивается на интенсивное поверхностное испарение влаги, и температура продукта остается постоянной.

На третьем временном этапе, который соответствует первой (начальной) части периода убывающей скорости, груши нагреваются ИК-лучами до температуры 330 К при одновременном обдуве воздушным потоком. Этот период характеризуется снижением скорости сушки и увеличением температуры груши (рисунок: в,

г), при этом удаляется осмотическая и полиадсорбци-онная влага. Продукт нагревают до более высокой температуры, поскольку она оказывает определяющее влияние на интенсивность удаления полиадсорбцион-ной влаги.

На четвертом временном этапе, который соответствует второй (заключительной) части периода убывающей скорости, груши нагреваются ИК-лучами до температуры 340 К при одновременном обдуве воздушным потоком. В связи с тем, что на интенсивность уда-

Таблица 2

Показатель Груша свежая Грушевые чипс

Общая влага, % 84,64 і 0,04 6,83 і 0,04

Массовая доля сырого

протеина, % 0,62 і 0,02 0,060 і 0,04

Массовая доля крахмала, % 0,051 і 0,02 0,49 і 0,04

Зола, % 0,70 і 0,04 0,69 і 0,04

Углеводы (общий сахар), % 91,36 і 0,04 13,50 і 0,02

Содержание КО3-, мг/кг 25,18 і 0,04 18,09 і 0,04

Минеральные вещества, мг%:

натрий 31,78 і 0,02 14,07 і 0,04

калий 288,12 і 0,04 155,79 і 0,04

кальций 37,92 і 0,04 19,32 і 0,02

магний 25,02 і 0,02 12,71 і 0,02

железо 3,74 і 0,04 2,31 і 0,04

фосфор 32,57 і 0,04 16,80 і 0,02

Аминокислоты (незаменимые), мг/100 г:

валин 17,03 і 0,04 16,89 і 0,04

изолейцин 30,08 і 0,04 30,05 і 0,04

лейцин - -

лизин 7,08 і 0,04 6,12 і 0,04

метионин + цистин 34,19 і 0,04 32,07 і 0,04

треонин 14,7 і 0,04 11,79 і 0,04

фенилаланин + тирозин - -

Витамины, мг %:

тиамин 0,042 і 0,004 0,028 і 0,004

рибофлавин 0,050 і 0,004 0,032 і 0,004

Е 0,629 і 0,004 0,475 і 0,002

С 7,019 і 0,004 5,612 і 0,004

ниацин 0,162 і 0,004 0,107 і 0,004

ления моноадсорбционной влаги наибольшее влияние оказывает температура как фактор, определяющий интенсивность внутреннего влагопереноса, то продукт ИК-лучами нагревают до температуры 333 К. При этом также прекращается охлаждающее действие процесса

испарения с поверхности груши и температура этой поверхности увеличивается, стремясь к заданной температуре нагрева продукта, которая поддерживалась импульсным режимом работы ИК-лампы. Это приводит к уменьшению количества теплоты, передаваемой через поверхность груши из окружающей среды. Находясь в достаточно длительном контакте со стенками пор, пар успевает прогреться до температуры стенок и с поверхности груши уходит в ИК-камеру с температурой поверхности продукта.

По структуре грушевые чипсы представляют собой тонкие сухие румяные ломтики, имеющие естественный вкус груши. По окончании процесса на высушенные до конечной влажности 7-8% дольки груши наносят сахарный сироп с вкусовыми добавками.

Для определения биологической ценности грушевых чипсов были изучены общий химический, витаминный, минеральный и аминокислотный составы, а также содержание тяжелых металлов, пестицидов и микробиологические показатели чипсов и исходной груши (табл. 2). Исследование аминокислотного состава проводили на аминокислотном анализаторе Т 339 методом ионообменной хромотографии.

Полученные результаты (табл. 2) свидетельствуют о высокой пищевой ценности грушевых чипсов, обусловленной сохранностью ценных термолабильных веществ в связи с использованием мягких температурных режимов сушки и интенсивностью влагоудаления.

Тяжелые металлы и пестициды в готовом продукте не обнаружены, а микробиологические показатели соответствуют норме.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник технолога пищеконцентратного и овощесушильного производства / В.Н. Гуляев, Н.В. Дремина, З.А. Кац и др.; Под ред. В.Н. Гуляева. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. -

488 с.

Поступила 27.12.11 г.

RADIATION-CONVECTIVE DRYING PEAR CHIPS AT PULSED ENERGY RELEASE

A.N. OSTRIKOV, E.YU. ZHELTOUKHOVA

Voronezh State University of Engineering Technology,

19, Revolution av., Voronezh, 394036; fax: (4732) 55-35-54, e-mail: [email protected]

Possibility of use of variable heat-drying pear chips allowing to intensify drying process, reduce its duration, to use benign temperature regimes is investigated. The use step-mode radiation-convective drying of pear chips promotes improving the quality of the finished product and promotes the thermal efficiency increase of the process.

Key words: radiation-convective drying, pear chips, process kinetics, drying speed, product warming up.