CC BY
43
/ввм 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2015. № 2 (60)
УДК 664.8.047:536.24
Ю. А. Максименко, Н. Э. Пшеничная, Ю. С. Феклунова, Э. Р. Теличкина
РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ КОНВЕКТИВНО-РАДИАЦИОННОЙ РАСПЫШИТЕЛЬНОЙ СУШКИ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Цель исследований - рационализация сушильного процесса на основе экономически целесообразных режимов сушки для обеспечения наибольшей производительности при минимальной потере качества продукции. Доказано, что эффективное обезвоживание исследуемых продуктов (пюре из тыквы (сорт «Волжская серая 92» и водные экстракты алтея и имбиря) с начальной температурой продукта 298 К при радиационно-конвективной распылительной сушке возможно для следующих диапазонов режимных параметров: плотность теплового потока - 2,8-3,6 кВт/м2; исходная температура сушильного агента - 423-493 К; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги - не менее 20 кг/кг; размер частиц распыленного экстракта - 20-30 мкм. Установленные режимные параметры позволяют организовать эффективное обезвоживание плодоовощных пюре и растительных экстрактов в распыленном состоянии. Разработанные режимы протестированы и рекомендованы для практического внедрения на предприятиях различной мощности, специализирующихся на переработке сырья растительного происхождения.
Ключевые слова: тепломассообменные процессы, радиационно-конвективная распылительная сушка, сырье растительного происхождения, сушильный агент, режимы сушки.
Введение
В современных условиях развития агропромышленного комплекса России интерес представляют нетрадиционные технологии переработки сырья растительного происхождения, производство концентратов, сухих пищевых и кормовых кусковых, порошковых и гранулированных продуктов. Продукты промышленной переработки плодов, овощей, ягод, лекарственных растений и трав активно используются при производстве пищевых продуктов массового потребления. Применение сухих порошковых форм длительного хранения экономически оправдано и технологически рационально [1, 2].
Совершенствованию энергоемкой операции сушки уделяется значительное внимание, т. к. именно обезвоживание в большей степени определяет стоимость готового продукта и, кроме того, оказывает влияние на качественные показатели товарной продукции [1, 2].
С учетом вышесказанного нами было проведено комплексное исследование конвективно-радиационной распылительной сушки растительных материалов на разработанной экспериментальной установке. Задачей исследования являлась рационализация сушильного процесса с точки зрения организации экономически целесообразных режимов сушки для обеспечения наибольшей производительности при минимальной потере качества продукции.
Объекты и методы исследований
В ходе комплекса экспериментов на экспериментальной установке были получены кривые распылительной сушки для исследуемых материалов и дана оценка влиянию на целевую функцию (эффективность сушки) изменения основных факторов, согласно методике, подробно описанной в [3-5].
В качестве экспериментальных образцов были использованы:
- пюре из тыквы (сорт «Волжская серая 92»); процесс приготовления включал в себя стадии дробления, протирки и гомогенизации; начальная влажность перед сушкой составляла Wн = 0,92 кг/кг;
- водные экстракты алтея и имбиря, полученные по традиционной технологии, включающей следующие стадии: измельчение сырья, подготовка экстрагента (очищенная вода); получение первичной вытяжки; отстаивание; фильтрация; вакуум-выпаривание; начальная влажность экстрактов перед сушкой составляла Wн = 0,95 кг/кг.
В качестве целевой функции при рационализации, с учетом рекомендаций [3-5], была выбрана эффективность сушки, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3-ч):
П = V,
где GWк - производительность установки по сухому продукту - порошку, кг/ч; V - рабочий объем сушильной камеры, м3.
= (1 - )/(1 - ),
где GWн - производительность установки по исходному продукту, кг/ч; Wк - конечная влажность, достигаемая при сушке, кг/кг.
Конечная влажность для всех материалов принята Wк = 0,05 кг/кг на основании предварительных исследований гигроскопических характеристик [6, 7].
При непрерывном установившемся процессе распылительной сушки длина пробега высушиваемых капель (частиц), а значит, и общая продолжительность процесса определяются объемом сушильной камеры. Таким образом, фактически рабочий объем сушильной камеры является функцией времени сушки тс. Зависимость рабочего объема сушильной камеры в экспериментальной установке от времени сушки тс для начального размера распыленных частиц 20-30 мкм была установлена экспериментально.
В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки при проведении экспериментальных исследований, были приняты: температура сушильного агента Гс.а, К, и плотность теплового потока Ер, кВт/м2. Границы варьирования факторов установлены с учетом технологических ограничений и возможностей технической реализации экспериментального процесса сушки. Остальные факторы, в том числе начальная температура продукта 298 К, приняты постоянными и установлены в результате аналитических расчетов и серии предварительных постановочных экспериментов.
Текущая влажность образцов W, кг/кг, в ходе процесса для построения кривых сушки определялась по методу высушивания отобранных проб до постоянной массы в соответствии с ГОСТ 28561-90. Относительная ошибка при определении W не превышала еW = 7,3 %. По кривым сушки для различного сочетания значений влияющих факторов было определено экспериментальное время сушки тс исследуемых продуктов до принятой конечной влажности Wк.
Результаты исследований
В ходе исследований были получены следующие результаты.
1. Установлена зависимость целевой функции от факторов:
П (Гел, Ер) = ■ С + Ъ • Гса + ) Ер2 +
+ * Тс.а2 + ^ * Тс.а + Л ) Ер + * Тс.а2 + К " Тс.а + К X
где ачп Ъ„, ет в„, /„, Н„, к„ - эмпирические коэффициенты. Достоверность аппроксимации Я2 составляла не менее 0,95. Размерность эмпирических коэффициентов равна отношению размерности функции к размерности аргумента (или произведения аргументов).
2. Построены поля значений удельной производительности (рис. - на примере пюре из тыквы).
Поле значений удельной производительности при сушке пюре из тыквы
ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2015. № 2 (60)
3. Определены рациональные значения варьируемых параметров и максимум целевой функции П (табл.).
Рациональные значения варьируемых параметров и максимум П, кг/(м3-ч)
----Параметр Продукт ___ П, кг/(м3-ч) Тс.а, К Ер, кВт/м2
Пюре из тыквы 0,722-1,140 423-473 2,8-3,6
Водный экстракт алтея 0,484-0,752 443-493 2,8-3,6
Водный экстракт имбиря 0,484-0,752 433-483 2,8-3,6
В ходе исследований доказано, что эффективное обезвоживание пюре из тыквы с = 0,92 кг/кг и водных экстрактов алтея и имбиря с Wн = 0,95 кг/кг при начальной температурой продукта 298 К при радиационно-конвективной распылительной сушке с удельной производительностью по сухому порошку П до принятой WR возможно для следующих диапазонов варьирования режимных параметров (табл.): плотность теплового потока Ер = 2,8-3,6 кВт/м2; исходная температура сушильного агента Тс.а = 423-493 К; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги Qа > 20 кг/кг; размер частиц распыленного экстракта 20-30 мкм.
Анализ характера полей значений удельной производительности (рис., табл.) показал, что с ростом плотности теплового потока и температуры сушильного агента существенно интенсифицируются тепломассообменные процессы, что определяет рост функции при сокращении времени сушки.
Тестирование установленных режимных параметров для исследуемых продуктов и комплекс дополнительных исследований влияния варьируемых факторов на производительность сушилки проведены на установке распылительной сушки Ohkawara Kakohki OL/OC-L8. При проведении экспериментальных работ оборудование работало стабильно, получены опытные образцы для последующих исследований.
Выводы
В ходе исследований установлено, что определенные режимные параметры позволяют организовать эффективное обезвоживание плодоовощных пюре и растительных экстрактов в распыленном состоянии. Следует отметить, что достигаемые значения эффективности установок по сухим порошкам сопоставимы с удельной производительностью промышленных сушилок, следовательно, при соблюдении условий масштабного перехода и при уточнении параметров в ходе пусконаладочных работ, разработанные режимы можно рекомендовать для практического внедрения на предприятиях различной мощности, специализирующихся на переработке сырья растительного происхождения. Рекомендованные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок после их модернизации, в частности РС-10Ф, РС-20 и т. д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексанян И. Ю. Распылительная сушка растительных экстрактов. Теория. Практика. Моделирование / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, О. А. Петровичев: моногр. Germany, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing GmbH&Co.KG, 2011. 162 c.
2. Максименко Ю. А. Моделирование и совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии / Ю. А. Максименко // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 2. С. 19-24.
3. Максименко Ю. А. Анализ влияния основных факторов на эффективность процесса сушки сырья растительного происхождения / Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова, Э. Р. Теличкина // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2014. № 2 (58). С. 97-101.
4. Губа О. Е. Исследование кинетики распылительной сушки меланжа с учетом влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена / О. Е. Губа, Ю. А. Максименко // Естественные и технические науки. М., 2014. № 7 (75). С. 72-74.
5. Алексанян И. Ю. Совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Ю. С. Фек-
лунова // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. Воронеж, 2014. № 3. С. 48-53.
6. Максименко Ю. А. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии плодоовощных продуктов с водой / Ю. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2012. № 1 (53). С. 41-45.
7. Максименко Ю. А. Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия пектина и воды / Ю. А. Максименко, О. А. Петровичев, Р. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2007. № 2 (37). С. 185-188.
Статья поступила в редакцию 12.09.2015
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Максименко Юрий Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; amxs1@yandex.ru.
Пшеничная Надежда Эдуардовна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Технологические машины и оборудование»; 1305julia@mail.ru.
Феклунова Юлия Сергеевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование»; 1305julia@mail.ru.
Теличкина Эльвира Рафаэлевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет»; аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование»; elkarneeva@rambler.ru.
Y. A. Maksimenko, N. E. Pshenichnaya, Y. S. Feklunova, E. R. Telichkina
DEVELOPMENT OF RATIONAL MODES OF CONVECTIVE-RADIATIVE SPRAY DRYING OF VEGETABLE ORIGIN PRODUCTS
Abstract. The aim of the study is a rationalization of the drying process on the economically viable modes of drying to ensure the maximum performance with minimal loss of the product quality. It is proved that effective dehydration of the products examined (pureed pumpkin (brand "Volzhskaya seraya 92" and water althea and ginger extracts) with the initial product temperature 298 K at radial and convective spray drying is possible for the following ranges of the operating parameters: heat flux density - 2.8-3.6 kW/m2; input temperature of the drying agent - 423-493 K; specific consumption of drying agent per 1 kg of evaporated moisture not less than 20 kg/kg and the particle size of the sprayed extract - 20-30 micrometers. The set mode parameters allow you to organize effective dehydration of fruit and vegetable purees and plant extracts in sprayed condition. The developed modes are tested and recommended for practical implementation at the enterprises of various capacities, specialized in the processing of raw materials of vegetable origin.
Key words: heat and mass exchange processes, radial and convective spray drying, raw materials of vegetable origin, drying agent, modes of drying.
REFERENCES
1. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Petrovichev O. A. Raspylitel'naia sushka rastitel'nykh ekstraktov. Teoriia. Praktika. Modelirovanie [Spray dryer for plant extracts. Theory. Practice. Modeling]. Germany, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing GmbH&Co.KG, 2011. 162 p.
ISSN 1812-9498. BECTHHK AfTY. 2015. № 2 (60)
2. Maksimenko Iu. A. Modelirovanie i sovershenstvovanie teplomassoobmennykh protsessov pri konvek-tivnoi sushke rastitel'nogo syr'ia v dispergirovannom sostoianii [Modeling and improvement of heat and mass exchange processes at convective drying vegetable raw materials in dispersed condition]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2013, no. 2, pp. 19-24.
3. Maksimenko Iu. A., Feklunova Iu. S., Telichkina E. R. Analiz vliianiia osnovnykh faktorov na effektiv-nost' protsessa sushki syr'ia rastitel'nogo proiskhozhdeniia [Analysis of the effect of the basic factors on effectiveness of the drying process of the vegetable raw materials]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, no. 2 (58), pp. 97-101.
4. Guba O. E., Maksimenko Iu. A. Issledovanie kinetiki raspylitel'noi sushki melanzha s uchetom vliianiia osnovnykh faktorov na intensivnost' teplomassoobmena [Study of the kinetics of spray drying of mélange taking into account the effect of the basic factors on intensity of heat and mass exchange]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki, Moscow, 2014, no. 7 (75), pp. 72-74.
5. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Feklunova Iu. S. Sovershenstvovanie teplomassoobmennykh protses-sov pri konvektivnoi sushke rastitel'nogo syr'ia v dispergirovannom sostoianii [Improvement of heat and mass exchange processes while convective drying of the vegetable raw materials in dispersed state]. Tekhnologii pishchevoi ipererabatyvaiushcheipromyshlennosti APK-produkty zdorovogopitaniia. Voronezh, 2014, no. 3, pp. 48-53.
6. Maksimenko Iu. A. Termodinamika vnutrennego massoperenosa pri vzaimodeistvii plodoovoshchnykh produktov s vodoi [Thermodynamics of internal mass transfer at interaction of fruit and vegetable products with water]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2012, no. 1 (53), pp. 41-45.
7. Maksimenko Iu. A., Petrovichev O. A., Maksimenko R. A. Gigroskopicheskie kharakteristiki i termodinamika vzaimodeistviia pektina i vody [Hydroscopic characteristics and thermodynamics of inter-action of pectin and water]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2007, no. 2 (37), pp. 185-188.
Maksimenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; amxs1@yandex.ru.
Pshenichnaya Nadejda Eduardovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; 1305julia@mail.ru.
Feklunova Yuliya Sergeevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; 1305julia@mail.ru.
Telichkina Elvira Rafaelevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; elkarneeva@rambler.ru.
The article submitted to the editors 12.09.2015
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
