автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Инфракрасная сушка термолабильного растительного сырья на примере зеленных культур

На правах рукописи

АФОНЬКИНА Валентина Александровна

ИНФРАКРАСНАЯ СУШКА ТЕРМОЛАБИЛЬНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ НА ПРИМЕРЕ ЗЕЛЕННЫХ КУЛЬТУР

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 ЯНЗ 2015

Челябинск-2014

005557551

005557551

Работа выполнена на кафедре «Электротехника и автоматика» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Попов Виталий Матвеевич

Официальные оппоненты: Рудобашта Станислав Павлович,

доктор технических паук, профессор, профессор кафедры «Теплотехника, гидравлика и энергообеспечение предприятий» ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева»

Алтухов Игорь Вячеславович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Энергообеспечение и теплотехника» ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный

аграрный университет»

Защита состоится «20» февраля 2015 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» http://www.csaa.ru.

Автореферат разослан «26» декабря 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Плаксин

Алексей Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день основная задача сельхозтоваропроизводителей - находить новые способы и средства переработки сырья в целях сокращения энергозатрат на производство, улучшения качества и уменьшения потерь нереализованной свежей продукции.

Зеленные культуры, реагируя на повышение температуры переработки разрушением целевых компонентов, представляют класс термолабильных. Однако более 70% товаропроизводителей этого не учитывают, используя экстенсивные и устаревшие технологии переработки - естественную сушку и сушку конвективным способом. Ряд недостатков (низкий КПД, появления микро- и макрофлоры, неравномерность обработки, высокое энергопотребление, биохимические изменения, снижающие качество сырья) делают актуальными исследования по нахождению новых способов и технологий переработки биологического сырья на хранение. В предыдущих исследованиях подробно рассмотрены различные способы сушки сырья, среди которых использование инфракрасного (ИК) излучения выделяется как менее энергоемкий и более экологичный способ. Однако при разработке установок с использованием ИК-излучения ученые выбирают традиционные источники - лампы и ТЭНы, не всегда учитывая взаимосвязь спектральных характеристик излучателя и сырья и термолабильность.

Таким образом, разработка экологически безопасных, ресурсосберегающих сушильных ИК-установок в рамках реализации межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ (приказ Минсельхоза РФ от 25 июня 2007 г. №342 «О концепции развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года») относится к приоритетному направлению развития науки и техники и является актуальной.

Цель работы: повышение эффективности ИК-сушки термолабильного растительного сырья на основе применения низкотемпературных пленочных электронагревателей за счет снижения энергозатрат, уменьшения потерь сырья и повышения качества конечного продукта.

Задачи исследования:

1. Установить взаимосвязь спеетральных оптических характеристик зеленных культур (на примере укропа и петрушки) и низкотемпературных пленочных электронагревателей с конструктивно-технологическими параметрами сушильной установки.

2. Разработать методику определения оптических характеристик растительного сырья с помощью логарифмической амплитудно-волновой характеристики.

3. Разработать транспортерно-каскадную ИК-установку непрерывного действия на основе применения низкотемпературных пленочных электронагревателей с обоснованием конструктивно-технологических параметров для сушки зеленных культур.

4. Дать энергетическую и экономическую оценку использования пленочных электронагревателей в установке для сушки зеленных культур.

Объект исследования: процесс сушки зеленных культур в установке ИК-типа с применением пленочных электронагревателей.

Предмет исследования: взаимосвязь спектральных оптических характеристик растительного сырья и источника ИК-излучения с конструктивно-технологическими параметрами установки для сушки зеленных культур.

Анализ научно-технической литературы позволил сформулировать рабочую гипотезу: использование низкотемпературных инфракрасных пленочных электронагревателей в конструкции установок для сушки термолабильного растительного сырья позволит создать установки со сниженным энергопотреблением и выходом готовой продукции высокого качества.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Впервые определены спектральные оптические характеристики зеленных культур и пленочных электронагревателей в инфракрасном диапазоне электромагнитного излучения, позволяющие согласовывать оптические характеристики ИК-генераторов с поглоща-тельной способностью зеленных культур при выборе оптимальной технологии сушки.

2, Предложен теоретический метод определения коэффициента затухания мощности излучения в продукте с помощью логарифмической волновой характеристики.

3. Впервые предложено, апробировано и обосновано использование низкотемпературных инфракрасных пленочных электронагревателей в конструкции ИК-установок для сушки термолабильного сырья.

4. Разработана ИК-установка непрерывного действия транс-портерно-каскадного типа для сушки термолабильного растительного сырья, обеспечивающая снижение энергозатрат на 1 кг испаренной влаги и сохранение высокого качества сухопродукта, новизна которой подтверждена патентом РФ.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов. Предложенный теоретический метод определения коэффициента затухания излучения позволяет оценить поглощательную способность сырья и сделать выбор ИК-излучателя, обеспечив рациональное распределение энергоресурсов. Полученные взаимосвязи позволяют дать рекомендации по проектированию сушилок с применением низкотемпературных пленочных электронагревателей (НЭП) и режимам сушки термолабильного сырья.

Результаты исследований определили конструктивно-технологические параметры разработанного, апробированного и внедренного в ООО НТЦ «АгроЭСБ» (г. Челябинск) опытного образца установки транспортерно-каскадного типа для ИК-сушки зеленных культур. В ГНУ ЮУНИИПОК Россельхозакадемии (г. Челябинск) внедрены рекомендации по ИК-сушке растительного сырья с применением НЭП. Результаты работы используются в учебном процессе и стали базой для проведения научных исследований по определению влияния режимов сушки на качество сельскохозяйственного сырья на кафедре «Электротехника и автоматика» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО ЧГАА (г. Челябинск, 2010-2014 гг.); Международной агропромышленной научно-практической конференции «Перспективы развития возобновляемой и малой энергетики АПК» в рамках деловой части программы выставки «Агрорусь» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития» (КрасГАУ, г. Красноярск, 2012 г.); зарубежных конференциях «Научная индустрия европейского континента» и «\/§с1а а угшк» -2013/2014» (г. Прага, 2013-2014 гг.).

Сушильная установка была представлена на конкурсе Законодательного собрания Челябинской области в номинации «Научно-исследовательский проект», получен диплом победителя (г. Челябинск, 2012 г.), на IV Всероссийском инновационном форуме «Творчество и инновации молодежи», получены дипломы II степени (г. Челябинск, 2012 г.); выставке УРФО «Агро-2013» (г. Челябинск) и выставке «Золотая осень-2013» (г. Москва), где получены золотые медали. В рамках ХО ООО НТЦ «АгроЭСБ» получены и реализованы гранты Минэкономразвития Челябинской области и программы «СТАРТ-2013» на общую сумму 1,5 млн рублей.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 зарубежные статьи и 2 патента на полезную модель РФ.

" Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 131 наименования и 8 приложений. Содержание работы изложено на 168 страницах, включая 38 рисунков, 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы проблемная ситуация, научная проблема, определены направления исследований, кратко отражены основные положения, выносимые на защиту, представлена общая характеристика работы.

Первая глава «Современное состояние вопроса сушки термолабильного сырья» отражает анализ отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы, посвященной методам и технологическим схемам сушки растительного сырья.

Исследованиями и разработкой способов сушки продукции растениеводства занимались П. А. Ребиндер, А. В. Лыков, А. С. Гинзбург, С.М. Липатов, Ю. Л. Кавказов, Т.К. Филоненко, П.Д. Лебедев, В. Н. Карпов и другие. Главной целью исследований была интенсификация технологического процесса с использованием электрофизических методов воздействий. В основе этих технологий — нетрадиционные носители энергии: переменное электромагнитное поле сверхвысокой и низкой частоты, инфракрасное излучение и т. п.

Весьма перспективным было признано использование для сушки ИК-излучения, благодаря важным отличиям его от классических методов нагрева. Данный способ позволяет в щадящем режиме обезвоживать сырье излучением специально подобранной длины волны. Однако применение ИК-излучения для сушки термолабильного сырья сопряжено с рядом трудностей: размещение излучателей относительно продукта, снижение температуры на поверхности излучателей без потери плотности потока, энергосбережение, сохранение качества сырья и др. Таким образом, разработка новых энергосберегающих технологий и технических средств сушки термолабильного сырья является актуальной задачей.

На основе выполненного анализа были определены объект и предмет исследования, поставлена цель, обозначены задачи и сформирована рабочая гипотеза исследования.

Во второй главе «Теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров установки для сушки зеленных культур инфракрасным излучением» рассмотрены общие принципы проектирования оптической техники для сушки растительного сырья. Анализ известных методик показал, что принципиальным вопросом в процессе проектирования сушилок стала производительность в ущерб качеству и энергосбережению. Существенные потери энергии при использовании методов оптической электротехнологии связаны с преобразованием ее в другой вид и во многом зависят от спектральных характеристик обрабатываемых объектов и генераторов оптического излучения. В связи с этим вопрос определения оптических характеристик пары «сырье - излучатель» при разработке ИК-установок играет немаловажную роль.

Основной оптической характеристикой сырья является коэффициент экстинции гг Это величина, характеризующая эффективность поглощения электромагнитного излучения (ЭМИ). ИК-лучи, согласно электромагнитной теории света, являются электромагнитными колебаниями и подчиняются всем законам излучения тел. На основе этого в диссертационной работе нами впервые предложено для оценки оптической восприимчивости сырья (на примере укропа и петрушки) в ИК-диапазоне использовать методику построения логарифмических амплитудно-частотных характеристик и ввести в рассмотрение логарифмическую волновую характеристику (ЛВХ).

ЛВХ, характеризуя коэффициент затухания, поможет определить те длины волн, на которых сырье обладает наивысшей поглощающей способностью.

Качественные показатели сырья в общем технологическом процессе ИК-сушки являются объектом управления, который можно представить в виде «черного ящика», обладающего собственной спектральной чувствительностью ех, промежуточные этапы преобразований в котором менее важны, чем соотношения между сигналами на его входе и выходе (рисунок 1).

ДФ

Фо ех Ф

Рисунок 1 - Связь энерготехнологических параметров с объектом управления

Теоретическое соотношение, связывающее сигналы на его входе и выходе, является передаточной функцией. Передаточная функция сырья, подверженного воздействию ЭМИ, - это выражение, характеризующее затухание излучения в продукте по мощности:

^=1018^-, (1)

где Ьа- коэффициент затухания излучения, дб;

Ф - поток излучения, не воспринятый продуктом, Вт/м2; Ф0 - поток излучения, упавший на продукт, Вт/м2. Лучистый поток, упавший на продукт, определяется как

СО

Ф0 =еА\т(\Т)аХ, (2)

о

где А - площадь тела излучения, м2; X - длина волны излучения, мкм; е - степень черноты тела излучения;

>п(\Т) - спектральная энергетическая светимость, Вт/м2 мкм. Численное значение спектральной энергетической светимости определяется по формуле Планка:

Л у V

А,5 \ехт -1/

где С, и С2- первая и вторая постоянные уравнения Планка; Г-температура поверхности тела излучения, К. Поток излучения, прошедший сквозь сырье и переотразившийся в пространство, определяют как

ф = ф0-фэ, (4)

где Фэ - эффективный поток, Вт/м2.

Величину эффективного потока излучения, поглощенного сырьем, рассчитывают по формуле:

Ф,=гА jm(XT)■z(k)dX, (5)

Ь

где А - площадь приемника ИК-излучения, м2;

е(Х) - спектральная чувствительность приемника; X,,, \ - верхняя и нижняя границы длин волн потока излучения, воспринимаемого приемником, мкм.

На ЛВХ абсциссой является коэффициент затухания ¿^ выраженный в децибелах, ординатой - длины волн в логарифмическом масштабе (рисунок 2, 3). Логарифмическая мера отношения мощностей обусловлена необходимостью качественного анализа спектральных характеристик сырья в широком диапазоне.

1,104070073 0,925149526 0,798803028 0,701050541 0,621308553 0,553961677 0,495669906 0,444284331 0,398340488

-24,2 -24,1 -24 -23,9 -23,8 -23,7 -23,6 -23,5 -23,4 -23,3 -23,2 Рисунок 2 - Логарифмическая волновая характеристика укропа

1,1247 80636 0,954307754 0,8322057 0,737006632 0,658969773 0,592842253 0,535465774 0,484792552 0,439418885 0,398340488 ,8

4г> дб

Рисунок 3 - Логарифмическая волновая характеристика петрушки

Анализируя ЛВХ укропа и петрушки, полученные из выражения (2), определяем четыре области, где коэффициент затухания Ьа излучения в сырье уходит в отрицательную область и имеет максимальное значение. Пики характеристик, соответствующие максимальной поглощательной способности ИК-излучения сырьем, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Расчетные данные по коэффициенту затухания мощности ИК-излучения в сырье Ld шах

Укроп Петрушка

Ld max, дб lgX X, мкм Ld шах, дб igX X, мкм

-24,05 1,10 12,50 -23,90 1,10 12,50

-23,98 0,93 8,70 -23,81 0,95 9,00

-23,85 0,50 3,10 -23,78 0,73 5,30

-23,80 0,44 2,75 -23,60 0,48 3,00

Условием применимости данной методики косвенной оценки спектральных характеристик сырья является согласование их с параметрами ИК-излучателя при его выборе, а также выявление длин волн излучения, при которых исключается вероятность перегрева термолабильного сырья, что позволит сократить время сушки и получить продукт высокого качества с наименьшими энергозатратами.

При разработке сушильных ИК-установок со сниженным энергопотреблением конструктивные параметры камеры играют важную

роль. Основными показателями становятся количество теплоты (2 и коэффициент облученности ср, определяющие, какая часть полного излучения, идущего от генератора ИК-излучения, попадает на поверхность-приемник.

Нами разработана методика расчета конструктивных параметров каскадных сушильных установок. В данной методике установлена взаимосвязь количества теплоты, эффективно используемой в процессе ИК-сушки, коэффициента облученности сырья, конструктивных параметров сушильной камеры и ИК-излучателя. Объединяет в себе зависимости данных параметров качественной сушки выражение для определения количества тепла (6):

и оо)

е=4,9е

пр

Я, (6)

где (2 — количество тепла, передаваемого излучением от плоскости 1 к плоскости 2 в результате их взаимного излучения и поглощения, Дж; Г, и Т2 - абсолютные температуры поверхностей тела 1 и тела 2, К; епр - приведенная степень черноты системы; /г1, Р2 - площади поверхностей тела 1 и тела 2, м2; Ф,_, и ф2_, - средние на поверхности коэффициенты облученности тела 1 на тело 2 и тела 2 на тело 1;

величина #= Ф,.,^,31 ф,.,^, называется взаимной излучающей поверхностью тела 1 и тела 2 и определяется выражением (7):

где у, и ф2-углы, составленные направлением излучения с нормалями к площадкам с//^ и

г - расстояние между площадками. Выражение для определения коэффициента облученности между поверхностями имеет вид

71 ¿2 Г

и показывает, какая часть полного излучения, идущего с поверхности 1 в пространство, попадает на поверхность 2 или какая доля всего излучения, посту пающего на площадку 1 из пространства, идет с поверхности 2.

Коэффициент облученности - это своего рода КПД сушильной установки, поэтому при проектировании последней необходимо стремиться к максимальному его значению. Из выражения (8) становится понятно, что важной задачей при определении оптимальных конструктивных параметров ИК-установки является определение размеров излучателей, взаимное расположение их в сушильной камере и расстояния от излучателей до сырья.

При проведении расчетов коэффициента облученности ср можно принять, что каскад сушильной камеры имеет форму призмы в соответствии с рисунком 4.

Рисунок 4 - Вспомогательная схема для расчета оптимальных конструктивных параметров каскадов сушильной установки

Выражение (8) для определения среднего коэффициента облученности между противоположными поверхностями ^ и Р2 после применения двойного интегрирования и решения интеграла выразится следующей зависимостью:

2 аЬтс

Ь^а2 + И2 ■ агсЛап

- + а

л1ь2+И2 х

2

х агсЛап -ЬИ агсЯап — - агс1ап — -—1п ^

к

2 + а2 +

ъгу

Л 2 (а2+И2){ь2+к2)

Полученное уравнение отображает зависимость габаритных параметров каскада сушильной установки (а - длина; Ь - ширина; И - высота) и дает возможность разработать камеру с параметрами, при которых коэффициент облученности будет стремиться к максимуму, делая процесс сушки более коротким по времени, а следовательно, и менее энер-

гоемким. Данная методика расчета справедлива только в случае плоского источника, что конкретизировало выбор типа ИК-излучателя, его геометрические размеры, исключив точечные источники: ИК-лампы и ТЭНы. Для получения верного равенства выражение (9) рассчитывалось при постоянной величине Ь (ширина, определяемая типоразмер-ным рядом излучателя). Результаты расчета сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты расчета конструктивных параметров каскада сушильной установки

а - длина облучаемой зоны, м Ь - ширина, м И - высота каскада, м

1,3 0,51 0,3

Спектральные характеристики сырья, биотехнические условия нагрева укропа и петрушки, полученные конструктивные параметры каскада стали факторами, определившими выбор генераторов ИК-излучения в конструкции сушильной установки, которыми стали низкотемпературные пленочные электронагреватели (рисунок 5, таблица 3).

Рисунок 5 - Внешний вид напыленного плоского пленочного электронагревателя

Таблица 3 - Технические характеристики генератора ИК-излучения -напыленного низкотемпературного пленочного электронагревателя

Напряжение, В 220

Удельная мощность, Вт/м2 350

Размер нагревателя, м 0,51x1,3

Толщина напыленного резистивного слоя, нм 45

Коэффициент черноты, е 0,96

Температура нагрева, °С 50

Факторов обоснования несколько. Во-первых, напыленные пленочные электронагреватели (НЭП) обладают высокой степенью черноты е, которая реализована тем, что в качестве резистивного нагревающего и излучающего элемента используют термостойкую электроизоляционную пленку с нанесенным на всю ее поверхность слоем нихрома. Степень черноты нихрома очень близка к степени черноты абсолютно черного тела, что позволяет НЭП даже при низких температурах нагрева обладать максимальной плотностью излучения.

Во-вторых, согласно теоретически полученным спектральным характеристикам НЭП (рисунок 6, точка а), было установлено, что нагреватель обладает максимальным коэффициентом эффективного использования энергии при длине волны излучения 9 мкм и темперагуре нагрева 48 °С. Это позволяет паре «сырье — нагреватель» работать энергоэффек-тивно, селективно и с учетом термолабильности данного сырья.

В-третьих, НЭП представляет собой равномерно излучающую поверхность, а возможность варьирования толщины резистивного слоя позволяет создавать нагреватели требуемой мощности в широких пределах заданных геометрических размеров.

~*-Т=303 —Т-323

о --4-----

О 5 . Ю 15

Длина волны Л, мкм

Рисунок 6 - Спектральные характеристики низкотемпературных пленочных электронагревателей в зависимости от температуры нагрева

В третьей главе «Программа и методики исследования процесса сушки термолабильного сырья инфракрасным излучением (на примере зеленных культур)» показано, что программой экспериментов предусматривалось: исследование характера зависимости времени и качества сушки от спектральных оптических характеристик сырья и генераторов ИК-излучения - НЭП; определение режимов сушки термолабильных культур на примере укропа и петрушки и обоснование конструктивных параметров установки для ее реализации; определение органолептических характеристик и содержания

витамина С сухопродукта; оценка энергетической и экономической эффективности установки. В качестве базового варианта использовалась сушильная установка «Урал-4».

Спектральные оптические характеристики для укропа и петрушки с начальной влажностью 80% определялись с помощью ИК-Фурье спектрометра BRUKER Optics на базе Южно-Уральского государственного университета. Закладываемый в кюветы продукт подготавливался по стандартной методике, характеристики в виде интерферограмм получали с помощью программного обеспечения спектрометра и человеко-машинного интерфейса.

С целью установления взаимосвязи спектральных характеристик сырья и излучателя НЭП на основе оценки вольтовой интегральной чувствительности излучения, а также определения режимов сушки нами была разработана лабораторная установка (рисунок 7) с использованием оптического инфракрасного датчика. Для повышения эффективности и расширения функциональных возможностей установки для исследования режимов сушки сельскохозяйственного сырья была разработана система автоматического управления процессом.

1 - оптический датчик; 2 - стекло; 3 - изоляционный материал; 4 — продукт сушки; 5 - пленочный электронагреватель; 6 - активная зона

Предлагаемая система автоматического управления позволяет задавать параметры, при которых необходимо проводить процесс сушки с максимальной интенсивностью и не допустить снижения качества сырья в ходе процесса. Точно допустимые температурные режимы, а также настройки САУ, при которых она будет способна анализировать полученные данные и контролировать процесс сушки

Рисунок 7 - Экспериментальная установка

в реальном времени, было предусмотрено установить на основании экспериментально полученных динамических характеристик нагрева и охлаждения пленочных электронагревателей.

Оценка качества сухопродуктов проводилась в два этапа. Первый этап с использованием стандартного метода определения органолеп-тических показателей сухопродукта. Сущность метода заключается в оценке внешнего вида, цвета, консистенции, запаха и вкуса. Оценка проводилась по 5-балльной шкале и была отражена в дегустационном листе. Второй этап заключался в определении содержания в зеленных культурах витамина С и соответствие его ГОСТ Р52622-2006, а также сравнении качества полученных сухопродуктов с сухопродуктами известных торговых марок, маркированных ГОСТ. Оценка качества выполнялась лабораторией ГНУ ЮУНИИПОК Россельхозакадемии г. Челябинск и подтверждена протоколом.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» проведен анализ экспериментальных данных.

Любое сырье обладает четко выраженной селективностью к поглощению ИК-излучения. Поэтому для практических целей в условиях выбора ИК-излучателя необходимо пользоваться спектральными характеристиками, которые отражают взаимодействие продукта с лучистой энергией во всем используемом диапазоне длин волн, что нами и было сделано.

Максимальное поглощение ИК-излучения сырьем приходится на четыре области: 3, 6; 9 и 12-13 мкм. По уравнению Вина четыре значения пиковой интенсивности соответствуют ряду поверхностных температур источника: 692 °С; 210 °С; 48 °С; -30 °С и -50 °С. Согласно биотехническим условиям нагрева термолабильного сырья, для ИК-сушки подходит только одна область излучения - 9 мкм (48 °С), так как температуры 692 °С и 210 °С вызовут биохимические изменения и снизят пищевую ценность. Область минусовых температур соответствует сублимационному виду сушки, который не подходит для зеленных культур из-за неизбежности разрыва тканей тонколистой массы. Полученные впервые опытным путем спектральные характеристики укропа и петрушки подтверждают ранее предложенную (глава 2) методику определения коэффициента затухания излучения в сырье с помощью ЛВХ (рисунок 10), что позволяет говорить о ее применимости при составлении технологических регламентов сушки растительного сырья.

0,45 0,44 У 3 0,43

1 1 0,42 4 8 0,41

Л °'4

* е- 0,39

0,38

Ш

ттткшшлапи

¿^""Чн:

- Щ щ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Длина волны, мкм

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента пропускания укропа от длины волны в инфракрасной области спектра

К « о,' § в

II0'

О К Л

* о 0,

1

1 1 V Л ■Л, »V/ V" 1Л/

п \ У

1 "Л

I™ N V«!

V

о 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Длина волны, мкм

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента пропускания петрушки от длины волны в инфракрасной области спектра

»1 Пегрушка спектрометр

н и

»2 Укроп спекгрометр а »3 Укроп теория »4 Петрушка теория

-в-

0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,4 0,39

- а 1......................1.....

1

—1/\--- р2

жт 4----------

.......................л..................1... —.....

25,00

-23,2 -23,3 -23,4 -23,5 -23,6 -23,7 -23,8 -23,9 -24 -24,1 30,00

§1 ¡1

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 Длина волны, мкм

1 - петрушки, полученные теоретическими методами; 2-петрушки, полученные с помощью спектрометра; 3 — укропа, полученные теоретическим методом; 4 - укропа, полученные с помощью спектрометра

Рисунок 10 - Спектральные оптические характеристики сырья

Установленные закономерности изменения оптических характеристик использовались при выборе пленочных электронагревателей и режимов сушки. Согласовав спектральные характеристики

сырья (рисунок 10) и нагревателя (рисунок 6) по длине волны излучения 9 мкм, с помощью лабораторной установки (рисунок 7) проверили селективность работы пары «сырье - излучатель», корректность подобранного режима и установили зависимость длительности процесса от расстояния между излучателем и сырьем на основании зависимости изменения поглощательной способности сырья по мере его высыхания (рисунок 11).

Из полученной зависимости видно, что на удаленности в 5 см влажное сырье на 80% поглотило излучение подобранной длины волны, время цикла до достижения конечной влажности 8% составило 80 минут, при этом замечалось замедление процесса из-за образования «водного тумана» над поверхностью сырья. При удаленности в 10 см поглощение составило 76%, однако переходный процесс был более равномерным, а окончание сушки отмечено на 60 минутах. Удаленность в 15 см показала худший результат поглощением в 60 % и незаконченностью переходного процесса.

Затраты энергии, контролируемые в ходе эксперимента, при наиболее рациональном удалении излучателя от сырья 10 см составили 0,9 кВт-ч на 1 кг испаренной влаги, что на 28 % ниже ближайших аналогов ИК-установок.

5

о I---------------------------------------

0 20 40 60 80 100 Время, мин

Рисунок 11 - Изменение оптических характеристик сырья в процессе сушки при трех вариантах удаленности излучателя от продукта: 5 см, 10 см, 15 см

Анализ динамических характеристик НЭП в режимах нагрева и охлаждения (рисунки 12-13) позволил сделать следующие практические выводы:

- НЭП можно отнести к безынерционным нагревателям, с монотонным переходным процессом, что дает возможность управлять ими по длине волны в автоматическом режиме;

- время выхода нагревателя в каскаде установки на рабочую температуру сушки для зеленных культур составляет 1 мин 36 с;

- прерывистый режим сушки позволит не только управлять градиентом температуры, но и получить экономию энергии.

о60 «•50

Й зо

120 § 10

н о

т

5 10

Время, мин

15

60

и 50

я

к 40

га 30

и 20

а> Н 10

0

0,4 1,05 1,12 Время, мин

1,25

Рисунок 12 - График динамики нагрева напыленного пленочного электронагревателя Р = 350 Вт/м2

Рисунок 13 - График динамики

охлаждения напыленного пленочного электронагревателя

Р =350 Вт/м2

УД

Анализ результатов экспериментальных исследований позволил определить технологический регламент сушки укропа и петрушки, с применением которого были получены образцы сухопродуктов. Качество образцов оценивалось по содержанию в них витамина С в соответствии с ГОСТ Р 52622-2006 химико-диагностической лабораторией ГНУ ЮУНИИПОК Россельхозакадемии и подтверждено протоколом. Анализ показал, что образцы, высушенные предложенным способом, соответствуют ГОСТ и по содержанию целевого компонента (витамина С) превышают образцы сухопродуктов известных торговых марок и высушенных на базовом варианте установке «Урал-4» от 20 до 60%.

В пятой главе '(Разработка инфракрасной установки для сушки термолабильного сырья с оценкой энергетической и экономической эффективности» представлены материалы и инженерные расчеты по разработке установки транспартерно-каскадного типа для сушки термолабильных культур ИК-излучением. Экспериментальные исследования подтвердили корректность расчетных данных, что позволило разработать конструкторскую документацию и изготовить опытный образец сушилки (рисунок 14) с оптимизированными параметрами (таблица 3) для зеленных культур.

Рисунок 14-Внешний видтранспортерно-каскадной сушильной установки ИК-типа непрерывного действия

Таблица 4 - Конструктивно-технологические параметры установки для сушки зеленных культур

Габариты (длина, высота, ширина), м 1,70x1,50x0,6

Тип Транспортерно-каскадная непрерывного действия

Напряжение питания, В 220

Мощность, кВт 1

Удельная мощность ИК-излучателей, Вт/м2 350

Тип излучателя НЭП

Высота подвеса излучателя, м 0,01

Рабочая температура программируемая, °С 30-60

Количество каскадов, шт. 4

Время сушки (плавно регулируемое), мин 8-60

Производительность, кг исп. влаги/ч 0,9

Время сушки, контроль температуры и влажности осуществляется через программируемые регуляторы и систему датчиков, имеющих человеко-машинный интерфейс

Опытный образец сушильной установки на примере зеленных культур характеризуется более высокой технико-экономической эффективностью за счет уменьшения затрат энергии на 1 кг испаренной влаги на 28 % и улучшения органолептических показателей готового продукта на 60 % по сравнению с базовым вариантом установкой «Урал-4». Годовой экономический эффект составляет 85 тыс. рублей в расчете на установку с производительностью по испаренной влаге 0,9 кг/ч.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На сегодняшний день из множества различных способов и технологий сушки растительного сырья использование инфракрасного (ИК) излучения ученые выделяют как менее энергоемкий и более экологичный способ. Однако при разработке установок с использованием ИК-излучения исследователи не всегда учитывают взаимосвязь спектральных оптических характеристик излучателя и сырья, а также такое свойство, как термолабильность. Использование низкотемпературных инфракрасных пленочных электронагревателей в конструкции установок для сушки растительного сырья позволит разработать технологию, учитывающую термолабильность и позволяющую получить сухопродукт высокого качества при снижении энергозатрат на его получение.

2. Исследование оптических характеристик термолабильного растительного сырья зеленных культур и генераторов ИК-излучения -низкотемпературных пленочных электронагревателей - дало возможность установить их взаимосвязь и определить, что пара «сырье - излучатель» способна работать селективно на длине волны 9 мкм (48 °С), решая тем самым актуальную научно-техническую задачу - уменьшение энергоемкости процесса сушки путем исключения потерь излучения рассеиванием и переотражением.

3. Методика теоретического определения коэффициента затухания мощности излучения, разработанная на основе применения логарифмической волновой характеристики и впервые апробированная в данной работе, позволяет оценить оптические характеристики термолабильного сырья без использования сложной техники ИК-спектроскопии и анализировать селективность поглощения инфракрасного излучения сырьем в широком диапазоне длин волн.

4. Методика определения селективности работы пары «излучатель - сырье» с помощью датчика интегральной чувствительности позволяет оценить не только поглощательную способность сырья, но и изменение влажности продукта по мере его высыхания.

5. Полученные опытным путем графические зависимости спектральных оптических характеристик сырья (впервые на примере укропа и петрушки) подтверждают корректность разработанной теоретической методики и позволяют определить коэффициенты поглощения и пропускания укропа и петрушки, необходимые для составления технологического регламента сушки.

6. Оценка качественных показателей полученных образцов су-хопродукта по остаточному содержанию витамина С показала, что образцы соответствуют ГОСТ и обладают высокими органолептиче-скими характеристиками.

7. Полученные конструктивно-технологические параметры и полностью автоматизированный процесс сушки с контролем основных параметров сушки помогли получить технико-экономическую эффективность. В предлагаемом варианте сушильной установки затраты энергии на килограмм испаренной влаги при сушке зеленных культур составили 0,9 кВтч, что на 28% экономичнее ближайших аналогов, органолептические показатели качества сухопродукта соответствуют ГОСТ и выше аналогов по содержанию витамина С в среднем на 60%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ . 1. Попов, В. М. Использование пленочных электронагревателей (ПЛЭН) в технологическом процессе сушки растительного и дикорастущего сырья [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина // Вестник Крас-ГАУ. —2011. —№ 12.-С. 216-218.

2. Попов, В. М. Методика выбора ИК-излучателей при проектировании установок для сушки термолабильных культур [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина//Известия СПбГАУ.-2013. -№ 32. -С. 238-242.

3. Попов, В. М. Применение инфракрасных пленочных электронагревателей в конструкции сушильных установок каскадного типа [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина // Известия СПбГАУ.-2012.-№26.-С. 387-391.

4. Попов, В. М. Сушка термолабильных культур в ПК-диапазоне с учетом оптических свойств продукта [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина //' Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер.: Энергетика.-2012.-Вып. 17.-№26(294).-С. 17-20.

Публикации в других изданиях

5. Афонькина, В. А. Теоретические аспекты обоснования выбора пленочных ИК-излучателей для сушки термолабильных культур [Текст] / В. А. Афонькина // Вестник ЧГАА. - 2012. - Т. 62. - С. 5-9.

6. Попов, В. М. Возможность использования энергии возобновляемых источников при эксплуатации пленочных ИК-нагревателей в различных сферах АПК [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, С. Ю. Вахрушева // Материалы 1Л1 междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки — агропромышленному производству». — Челябинск : ЧГАА, 2013. - Ч. V. - С. 232-238.

7. Попов, В. М. Инновационные энергосберегающие оптические технологии и технические средства в АПК [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина // Экология и природопользование. Т. 3.: Избр. труды междунар. симп. по фундамент, и прикл. проблемам науки. - М.: РАН, 2012.-С. 69-74.

8. Попов, В. М. Инфракрасная сушка гранулированных органо-минеральных удобрений на основе птичьего помета с применением пленочных нагревателей ПЛЭН [Текст] / В. М. Попов, А. А. Кечкин, В. А. Афонькина//Материалы Ьмеждунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки — агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2011. —Ч. V. — С. 175-181.

9. Попов, В. М. Инфракрасная сушка зеленных культур [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина // Межвузовский науч. сборник «Энергообеспечение и энергосбережение на предприятиях АПК». - Уфа, 2011.-№ 6.-С. 72-74.

10. Попов, В. М. Использование пленочных электронагревателей для повышения эффективности послеуборочной обработки семян рапса [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина [и др.] // Материалы 1Л1 междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2013. - Ч. V. - С. 238-243.

11. Попов, В. М. Использование пленочных электронагревателей для повышения эффективности процесса сушки мелкосеменных культур [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина // Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития. — Красноярск : КрасГАУ, 2012.-№ 2. - С. 144-146.

12. Попов, В. М. Исследование спектральных характеристик пленочных электронагревателей в технологическом процессе сушки зеленных культур [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, А. А. Кечкин // Материалы Ь междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки —агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2011. - Ч. V. - С. 171-174.

13. Попов, В. М. Мелкосемянные культуры как объект ИК-сушки [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина // Материалы Ы междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». — Челябинск : ЧГАА, 2012. — Ч. V. — С. 159—164.

14. Попов, В. М. Поиск рационального энергосберегающего способа сушки рапсового семени [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина [и др.] // Материалы X междунар. науч.-практ. конф. «V§da a vznik» - 2013/2014». - Прага : Publishing House «Education and Science» s.r.o, 2014. -4. 32. - C. 30-33.

15. Попов, В. M. Применение инфракрасных пленочных электронагревателей в предварительной подготовке семян сельскохозяйственных культур к электросепарации [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, М. Т. Сковородников [и др.] // Материалы IX междунар. науч.-практ. конф. «Научная индустрия европейского континента». — Прага : Publishing House «Education and Science» s.r.o, 2013. - 4. 33. - C. 73-75.

16. Попов, В. M. Проблемы проектирования и эксплуатации электротехнологических установок [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина // Материалы LII междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск : ЧГАА, 2013. - Ч. V. -С. 227-232.

17. Попов, В. М. Сушка овощей и фруктов пленочными лучистыми электронагревателями [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина//Материалы XL1X междунар. науч.-техн. конф. «Достижения науки-агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАУ, 2010. -Ч. 2. - С. 374-378.

18. Попов, В. М. Теоретическое обоснование конструктивных параметров инфракрасной электроустановки для сушки термолабильных культур [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина [и др.] // Электротехнические системы и комплексы. — Магнитогорск : МГТУ им. Г. И. Носова, 2012. -№ 20. - С. 343-349.

Авторские свидетельства, патенты

19. Пат. 102771. Российская Федерация, RU F 26 В 3/30. Сушильная установка [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, А. А. Кечкин. — № 2010140666 ; заявл. 04.10.10 ; опубл. 10.03.1, Бюл. № 7.

20. Пат. 122758. Российская Федерация, RU F 26 В 9/06. Сушильная установка [Текст] / В. М. Попов, В. А. Афонькина, Е. И. Шукшина, А. В. Горбатько. - № 2012106499 ; заявл. 10.04.07 ; опубл. 10.12.12, Бюл. № 34.

Подписано в печать 08.12.2014. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 269

Отпечатано в ИПЦ ФГБОУ ВПО ЧГАА 454080, г. Челябинск, ул. Энгельса, 83