автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Исследование и разработка "безвакуумной" технологии сублимационной сушки плодов с использованием электротехнологий

На правах рукописи

Анисимова Ксения Валериевна

0034БЭБ11

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА «БЕЗВАКУУМНОЙ» ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ПЛОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 т.?, 2329

Ижевск 2009

003469611

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Литвинюк Надежда Юрьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беззубцева Марина Михайловна

кандидат технических наук, доцент Владыкин Иван Ревович

Ведущая организация - Государственное учреждение зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В.Рудницкого (НИИСХ Северо-Востока им. Н.В.Рудницкого )

. оо

Защита состоится « ДдГ» 2009 г. в 45 часов на заседании

диссертационного совета КМ220.030.02 в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА» по адресу: 426069, г.Ижевск, ул.Студенческая, 9-225.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Ижевской государственной сельскохозяйственной академии».

Автореферат разослан «¿-7» 2009 г.

Размещен на сайте www.izhgsha.ru

Ученый секретарь диссертационного совета уСУ^-у^Ъу^ Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Для нормальной жизнедеятельности человека огромное значение имеет система питания, создающая необходимые предпосылки для оптимального развития организма, поддержания его работоспособности, обеспечения долголетия.

Важнейшим условием сохранения здоровья является полноценное и регулярное снабжение организма всеми необходимыми микронутриентами: витаминами и минеральными веществами. Массовые обследования, проводимые Институтом питания РАМН, свидетельствуют о недостаточном потреблении витаминов и некоторых минеральных веществ у значительной части населения России.

Одним из путей повышения качества продуктов питания и совершенствования структуры питания населения является введение в рацион новых нетрадиционных видов растительного сырья, содержащих в своем составе комплекс белков, липидов, минеральных веществ, витаминов и обладающих высокими питательными, вкусовыми и лечебно-профилактическими свойствами. К наиболее перспективным видам нетрадиционного сырья относятся рябина обыкновенная и арония черноплодная.

Но ярко выраженная сезонность сельскохозяйственного производства овощного и ягодного сырья, сохранение высоких биологических свойств при хранении без специального оборудования не позволяют его использовать на протяжении всего года. Удаление влаги из растительного сырья путем сушки до влажности 4...4,5 % предоставит возможность хранения его в обычных условиях длительное время. Вслед за развитием отрасли в целом совершенствуются привычные и появляются новые методы производства сушеных продуктов. Большинство из них в разной степени сохраняют свойства исходного сырья. Поэтому, в таких условиях на первый план выходит степень натуральности, срок хранения и состав полезных макро- и микроэлементов в получаемой продукции.

По сравнению с другими методами сушки сублимация позволяет наиболее полно сохранить питательные и биоактивные вещества, цвет и аромат.

Цель работы состоит в исследовании и разработке «безвакуумной» технологии сублимационной сушки плодов с предварительным криогенным замораживанием и использованием электротехнологий.

В соответствии с поставленной целью предоставляется возможность решить следующие задачи:

- исследовать процессы криогенного замораживания плодов рябины обыкновенной и аронии черноплодной;

- исследовать кинетику сублимационной сушки плодов под действием ультразвука в среде инертного газа;

разработать математические модели процессов криогенного замораживания и сублимационной сушки плодов под действием ультразвука в среде инертного газа;

- исследовать кинетику криогенного замораживания и сублимационной сушки обрабатываемых материалов на разработанной установке непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;

- обосновать технико-экономическую эффективность разработанной технологии и оборудования.

Объект исследования: электротехнологический процесс «безвакуумной» сублимационной сушки плодов.

Предмет исследования: механизмы гидратообразования, восстановления рабочего газа и сушки в условиях ультразвукового воздействия на установках сублимационной сушки непрерывного действия.

Научную новизну работы составляют:

- непрерывный способ получения сублимированных плодов с рациональными режимами процессов криогенного замораживания и «безвакуумной» сублимационной сушки при комбинированном энергоподводе;

- кинетические закономерности процессов криогенного замораживания и сублимационного обезвоживания плодов рябины обыкновенной и аронии черноплодной, позволяющие получать продукты высокого качества;

- математические модели процессов криогенного замораживания и сублимационной сушки плодов при комбинированном энергоподводе.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

• разработан и испытан опытный образец экспериментальной непрерывно действующей установки УСС-НД-КЭ-3-01 производительностью 20 кг/ч по испаренной влаге, обеспечивающий эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

• использование опытного образца в учебном процессе Ижевской ГСХА, Санкт-Петербургского ГАУ.

Реализация результатов исследований. Работа является продолжением исследований вопросов теории и практики сублимационной сушки, связана с решением прикладных вопросов технологии и проектирования новых образцов сушильного оборудования.

Для разработки исходных требований к технологии сублимационной сушки на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом на кафедре ТОППП ФГОУ ВПО Ижевской государственной сельскохозяйственной академии была разработана установка «УСС-НД-КЭ-3-01», на которой аспирантом исследованы кинетические закономерности сублимационного обезвоживания с предварительным криогенным замораживанием.

На защиту вынесены следующие положения:

способ «безвакуумной» сублимационной сушки плодов с предварительным кристаллогидратным замораживанием в среде инертного газа, с введенными ультразвуковыми колебаниями на стадии сублимации и досушки и принудительным потоком газа через слой замороженного продукта;

физический механизм криогенного замораживания и его математическое описание;

- физический механизм непрерывного процесса сублимационного обезвоживания плодов под действием ультразвука в потоке инертного газа, его математическое описание;

высокоинтенсивная технология непрерывной «безвакуумной» сублимационной сушки, с предварительным криогенным замораживанием, и комбинированным энергоподводом в едином цикле.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства», Ижевск, 2005 год; «Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве», Ижевск, 2006; «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы», Ижевск, 2007; Всероссийский конкурс научных работ аспирантов и молодых ученых, Казань, 2007; «Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования», Санкт-Петербург, г.Пушкин, 2008; «Региональный рынок потребительских товаров: особенности и перспективы развития, качество и безопасность товаров и услуг», Тюмень, 2009;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 2 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 111 страницах основного текста, содержит 36 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 151 наименование, в том числе 12 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель исследований, раскрывается научная новизна, отмечена практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проанализировано современное состояние энергосберегающей техники и технологии сушки плодов. Развитие теории и практики сублимационной сушки связано с именами таких ученых, как A.B. Лыков, A.A. Гухман, A.M. Бражников, Г.Б. Чижов, A.C. Гинзбург, Э.И. Каухчешвили, Э.И. Гуйго, Н.К. Журавский, Б.П. Камовников, А.З. Волынец, П.А. Новиков, Д.П. Лебедев, A.B. Воскобойников и других.

Проведенный анализ позволил установить:

• перспективность применения плодов рябины обыкновенной и аронии черноплодной в качестве пищевой добавки полифункционального назначения.

• принципиальное преимущество «безвакуумной» сублимационной сушки плодов под действием УЗИ в потоке инертного газа с предварительным криогенным замораживанием;

• необходимость дальнейших исследований процессов сублимационной сушки с предварительным криогенным замораживанием плодов;

• необходимость разработки технологии и оборудования с использованием криогенного замораживания, УЗИ и потока инертного газа;

• задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлена технология для получения высококачественных сушеных плодов, в связи с этим выдвинута гипотеза о соединении в единый цикл технологии кристаллогидратного замораживания плодов с сублимационной сушкой в ультразвуковом поле.

Криогенное замораживание осуществляли на установке (рисунок 1), разработанной аспирантом.

Рисунок 1 Компоновочная схема лабораторной установки замораживания: 1-танк для хранения хладагента, 2-загрузка ягод, 3-система подачи двуокиси углерода, 4-сетка, 5-манометр, 6-термопара с мультиметром

Рисунок 2 Компоновочная схема лабораторной установки сублимационной сушки: 1- сушильная камера, 2-ягоды замороженные, 3-компрессор. 4-измеритель многоканальный с термопреобразователем сопротивления, 5-сетка, 6 - весы.

Установка работает следующим образом. Из баллона I через редукторы высокого давления по газопроводу газообразная двуокись углерода поступает в криогенную камеру, где происходит контактное замораживание плодов при давлении 0,1-0,3 МПа и температуре -35...-40°С в течение 15 мин. Затем вентиль баллона 1 закрывается, поступление С02 в камеру прекращается. В камере происходит падение давления, что свидетельствует о дальнейшем протекании процесса образования кристаллогидратов - твёрдых кристаллических веществ, напоминающих по внешнему виду спрессованный снег. Образуются путём внедрения в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды и молекул газа. Они более рыхлые, чем обычный лед, неупорядоченное кристаллообразование мешает правильному росту кристаллов обычного льда, в результате не улетучиваются

ароматические вещества, лучше сохраняется структура и химический состав продуктов. После стабилизации положения стрелки манометра 5 процесс считается завершенным. Контроль над температурой продукта производили хромель-копелевой термопарой с мультиметром М86СЮ 6.

Вынутый из криогенной камеры замороженный продукт немедленно пересыпается в сушильную камеру (рисунок 2), которая работает следующим образом.

Компрессором 3 инертный газ подается в нижнюю часть сушильной камеры. Включается пьезоэлектрический излучатель с ультразвуковым концентратором, в результате чего влага начинает испаряться. В материале поддерживается значительная разность температур. Инертный газ, проходя через слой материала, отдает тепло продукту для удаления остаточной влаги, наблюдается понижение давления в верхней части колонны, с понижением давления интенсивность испарения увеличивается. При достижении требуемой конечной влажности процесс сушки прекращается и продукт выгружается.

В процессе сушки замерялись убыль массы плодов, изменение температуры и давления двуокиси углерода при прохождении через слой материала. Температура инертного газа, подаваемого в сушильную камеру, регулируется ГХМ. Для регистрации убыли массы использовались электронные автоматические весы.

На установке (рисунок 1) были выполнены исследования кинетики процесса криогенного замораживания ягод с последующей сублимационной сушкой.

На рисунке 3 приведены сравнительные срезы ягод при криогенном и шоковом замораживании, которое реализуется в воздушной среде, при теплообмене между теплонесущей средой и хладагентом.

Рисунок 3 а - сравнительные срезы ягод рябины обыкновенной; б - сравнительные срезы ягод аронии черноплодной.

По ним видно, что при замораживании в потоке низкотемпературного инертного газа нарушение структуры наблюдается значительно меньше, образуются более мелкие кристаллы льда не повреждающие оболочку клетки.

- -в,0091* * »ЛЖ-),5725х

rjiLÍSil.

v - + Q,W6¿ - 1.2АШ.

R' -

IÍ023I - 0.4588S" - lí,: R:= 0.9967

Время, мин • криогенное ' шоковое

Рисунок 4 Термограмма процесса замораживания аронии черноплодной

- (,0284)» + !

.30 ЯЫШфЩ^иг

• криогенное • шоковое

Рисунок 5 Термограмма процесса замораживания рябины обыкновенной

В результате изучения процесса замораживания аронии черноплодной (рисунок 4) установлено, что при криогенном замораживании по сравнению с шоковым, длительность процесса сокращается на 45,5%, а при замораживании ягод рябины обыкновенной (рисунок 5) время замораживания уменьшается на 41,7%. Процесс замораживания плодов аронии черноплодной по сравнению с плодами рябины обыкновенной происходит быстрее, это связано с различным содержанием сухих веществ. Продолжительность замораживания сокращается с уменьшением содержания сухих веществ.

На установке (рисунок 2) были выполнены исследования кинетики процесса сушки плодов при различных способах энергоподвода (рисунки 6,7).

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 « Время, мин

03 —•— Кривая сублимационной конвективной сушки

-■■■»- Кривая сублимационной звуко-конвективной сушки —*— Кривая скорости конвективной сушки -»е-Кривая скорости звуко-конвективной сушки

Рисунок 6 Кривые сушки и

скорости сушки плодов рябины обыкновенной при различных способах энергоподвода

200

180

ч' 160

140

1 120

5" 100

f 80

о g 60

и 40

$ 20

£ 0

ь

о

^

м

а:

! -•••...

_ .......^

О 12 24 36 48 60 72 84 96 108 Время, мин. Кривая сублимационной конвективной сушки Кривая сублимационной звуко-конвективной сушки —Кривая скорости конвективной сушки --Х- Кривая скорости звуко-конвективной сушки

Рисунок 7 Кривые сушки и скорости сушки плодов аронии черноплодной при различных способах энергоподвода

Проанализировав способы энергоподвода можно сделать вывод, что наиболее рациональным является комбинированный энергоподвод, который позволяет интенсифицировать процесс сублимационной сушки на 40 - 45 % для плодов рябины обыкновенной и на 45 - 50% для плодов аронии черноплодной.

Конвективно-ультразвуковая сушка плодов проводилась двуокисью углерода в диапазоне температур 0 - 20'С (рисунки 8,9).

16 24 32 40 48 56 64 72 Время, мин

—-^ОС -*-рЮС -»-(=2ОС Рисунок 8 Кривые сушки плодов рябины обыкновенной при различных температурах инертного газа

16 24 32 40 48 56 64 72 Время, мин.

-*-[=0С - • ■ ■ 1= 10 С -*- 1=20 С Рисунок 9 Кривые сушки плодов аронии черноплодной при различных температурах инертного газа

При сушке тем или иным способом тепловой обработки решающее значение имеет оценка качественных показателей готового продукта. Для сушки плодов основным показателем, определяющим качество продукта, является витамин С. Поэтому при исследованиях оценивали этот показатель в зависимости от тепловых нагрузок и временных характеристик процесса сушки.

В третьей главе приведена математическая модель процесса криогенного замораживания и сублимационной сушки плодов в поле УЗИ в среде инертного газа.

Рассмотрен процесс охлаждения ягоды в среде с постоянной температурой и с постоянным коэффициентом теплоотдачи а на его поверхности. В начальный момент времени т = 0 все точки ягоды радиусом го=0,004 (м) имеют одинаковую температуру ^ = 20 °С. Предполагается, что форма высушиваемого материала максимально приближена к форме шара, 9 = 1-1г избыточная температура для любой точки ягоды с постоянным коэффициентом температуропроводности а. Тогда дифференциальное уравнение теплопроводности ягоды в сферических координатах при отсутствии внутреннего источника тепла имеет вид [57, 89, 91,95, 138]:

89 (дг9 2 89}

— = а—г +--, (1)

дт \дг г дг)

с граничными условиями третьего рода:

на поверхности шара при г=г0 в центре шара при г=0 из условий симметрии задачи

. =0

дг,

и начальным условием: г = 0 & = i90 = ta - 1г для 0 < г < га Решение уравнения (1) получено методом разделения переменных и имеет вид

я .^(sinjU - ¡л cos« )sin(u R.) _ . ,

g = Z / - ч n exp[-^Fo], (2)

».1 [jin -sin/in cos jujti^R

n & n r r aT - л

где 9 = —, R = —, Fo = — - критерии Фурье.

5o »"о

Число p„=(2«-l)- из формулы (2) является корнем трансцендентного уравнения

^ = (3)

Bi -1

где Bi = - число Био. Я

При распределении тепла в центре ягоды, величина Я=0. Тогда

согласно первому замечательному пределу отношение — =1, для

А Л

ограниченного числа корней .

С учетом вышеизложенного выражение (2) запишется в виде

* = (4)

Наибольшую трудность при расчетах представляет фазовый переход, который сопровождается выделением энергии в виде тепла при переходе из жидкой фазы в твердую. Эта задача решена через энтальпию, а выделение энергии в процессе кристаллизации льда учтено при расчете усредненного коэффициента теплоемкости взвешенного состояния вещества, величина которого входит в усредненный коэффициент температуропроводности а.

Процесс моделирования проведен в среде газа двуокиси углерода при температуре -35... -40°С.

Далее рассмотрен процесс сублимационного обезвоживания в потоке инертного газа при температуре 10 °С с учетом подводимого УЗИ.

Принято, что газ вынужденно движется по трубе заполненной ягодами. Для движения газа характерен смешанный режим течения, который определен по критерию Рейнольдса (Не). Теплообмен сопровождается нагревом материала /(г), который описывается уравнением (1) с переменным

коэффициентом температуропроводности а(т). Решение имеет вид (4). Для случая нагрева материала число fi уравнения (3) получено численно в математическом пакете программ Maple 9.

Плотность теплового потока от конвективного источника выражается законом Ньютона - Рихмана:

qk{r )=а(/,-/(г)). (5)

В процессе сублимационной сушки происходит расход теплоты на сублимацию, которая определяется скоростью сублимации

Ч, = rj ' Р'г' (6)

Система дифференциальных уравнений тепло - и массопереноса в сферических координатах для ягод имеет вид [85]:

<

Гд1_

дт dwi ~дт d\v -~дт

■ = а-

d2t 2 dl) г

—- +---+£—■

дг г дг) с

dw Э?

3V

- = ы...

. дг d2w дгг

2 + —

г

dw,

+ ai

/

ё! 1 8г1+ г

dt_ дг

+ £

Sit',.

зГ'

(7)

2

+ —

г

ЗиЛ г

— + а1 дг) "

дЧ_ 2

З/-2 + г '

Начальные условия: при г = 0 н,=и'Л для 0 < г < г0 Граничные условия: - + (г)- (г)= О

От системы дифференциальных уравнений выполнен переход к интегральному уравнению тепло - и влагообмена:

4 ,

— яг

гдсл = =

F 4лг

<5r(r) = /• ^ + cPRv - J-= dr ах

■ - - отношение объема к поверхности тела

(8)

Получено следующее решение:

r,pRu о г.

(9)

где е/(г) = д, (г) - «у,, знак « -» соответствует оттоку теплоты.

Расчеты осуществлялись в математическом пакете программ Мар1е 9.

В четвертой главе изложено описание экспериментальной установки, методики экспериментальных исследований способа сушки и определения качественных показателей сушеных плодов.

Экспериментальные исследования проводили на установке УСС-НД-КЭ-3-01. На рисунке 10 показана принципиальная схема установки сублимационной сушки УСС-НД-КЭ-3-01 для обезвоживания ягод с комбинированным энергоподводом.

Установка состоит из камеры криогенного замораживания 23, сушильной камеры цилиндрической формы с источником ультразвука 7, ГХМ с вихревой трубой 24. В верхней части сушильной камеры расположен очиститель барабанного типа 20 с наружным электроприводом, включающий

II

в себя электродвигатель 18 и два редуктора 17. В камере имеется спирально-конический циклон 1 для очистки инертного газа от кристаллогидратов.

В нижней части через затвор 11 камера соединена с выгрузным шнеком 13. Сушильная камера с УЗИ - энергоподводом и вводом инертного газа герметично соединена и включена в единую магистраль с компрессором 12. Режим подачи плодов контролируется и управляется субблоком управления (СУГХМ). Расход газа регулируется натекателем по сигналам СУАС.

Рисунок 10 Принципиальная схема установки УСС-НД-КЭ-3-01: 1 - Циклон спирально - конический; 2 - окно для выгрузки гидратов; 3 - дека для сьема льда с конвейера; 4 - конвейер карусельного типа для перемещения гидратов; 5 - ролик; 6,11,22 - затворы; 7 - УЗИ излучатель; 8 -напуск инертного газа; 9 - бункер плавитель гидратов; 10 - привод шнека и конвейера; 12 - компрессор инертного газа; 13 - шнек выгрузки готового продукта; 14 - ременная передача; 15 - датчик давления и температуры; 16 -собирающая воронка; 17 - редуктор конический; 18 - привод; 19 - лоток для выгрузки гидратов; 20 -очиститель барабанный; 21 - лоток загрузочный; 23 - камера криогенного замораживания; 24 - газовая холодильная машина с вихревой трубой.

Для контроля рабочих режимов: • по температуре - в сушильную колонну введен жгут с семью термопарами (ТП0, ТП,0о, ТП200, ТП300, ТП40о, ТП500, ТП60о), расположенными последовательно через каждые 100 мм, начиная с верхней части колонны с нулевой отметкой и заканчивая в нижней части на высоте 600 мм. Термопары подключены к субблоку управления (СУГХМ);

• по давлению - установка оснащена тремя датчиками ПМТ 6 (Р0, Рзоо, Рбоо), к которым подключены преобразователи 13ВТЭ-003 и субблок управления агрегатом (СУАС);

• по влажности - в сушильную колонну опущен капроновый «чулок» для отбора пробы высушенных кусочков. Столб продукта, отобранного в капроновом «чулке», разрезали через каждые 100 мм на отметках 0, 100, 200, 300, 400, 500, 600, соответствующих уровням установки термопар ТПо, ТПюо, ТП2оо, ТП3оо, ТГЦоо, ТП5оо, ТП60о и определяли влажность по ГОСТ21103-75 в соответствующих точках \У1(Ю, ^200, ^зоо, №500, W6M.

Объект сушки. В качестве объектов сушки были взяты плоды рябины обыкновенной и аронии черноплодной, которыми заполнялась емкость питателя-дозатора.

Работа установки. Очищенные плоды через затвор 22 поступают в камеру криогенного замораживания, в которой происходит процесс взаимодействия сжатого газа с клеточной водой ягод при температуре -40 С. В результате взаимодействия образуются кристаллогидраты.

Продукт по загрузочному лотку 21 поступает в барабанный очиститель, где происходит отделение от кристаллогидратов. Данный процесс происходит при вращении барабана, скорость вращения барабана подобрана таким образом, чтобы ягоды находились в свободном падении (полете) внутри барабана. Это приводит к интенсификации процесса подсушки, так как увеличивается площадь воздействия инертного газа на каждую отдельно взятую ягоду, следовательно, уменьшается и вероятность слипания ягод между собой. Кристаллогидраты по лотку 21 расположенному снизу барабана направляются к конвейеру карусельного типа 4 и удаляются конвейером при помощи снимающей деки и выгрузного окна 2, откуда через затвор 6 попадают в бункер - плавитель 9. При нормальных условиях кристаллогидраты распадаются на воду и газ, который сжимается в компрессоре и подается в ГХМ с вихревой трубой 24. После разделения в трубе газовой холодильной машины холодный поток газа направляется в камеру криогенного замораживания. Теплый поток инертного газа подается на линию всасывания компрессора 12 для удаления остаточной влаги в сушильной камере.

Ягоды поступают в камеру криогенного замораживания, а затем в барабанный очиститель. Одновременно подают инертный газ при температуре 10' С в нижнюю часть сушильной камеры. При достижении продуктом в камере сушки уровня тюо включается источник УЗИ, под действием акустических колебаний процесс испарения жидкости с поверхности резко ускоряется. Инертный газ, проходя через слой продукта, отдает тепло ягодам для удаления остаточной влаги, в результате чего наблюдается понижение давления. С понижением давления интенсивность испарения увеличивается. В сортировальной камере происходит смешивание двух потоков, вследствие чего температура газа в сушильной камере понижается. Сублимированная влага взаимодействует с холодным инертным газом, процесс сопровождается с образованием гидратов. Газовая рабочая среда постоянно отсасывается компрессором через циклон, в котором

освобождается от кристаллогидратов. В компрессоре инертный газ сжимается, в результате давление и температура газа повышаются. Процесс сушки идет непрерывно под воздействием ультразвука в принудительном потоке инертного газа. Электроэнергия, потребляемая установкой, тратится на перемещение инертного газа по системе с помощью компрессора, на работу ГХМ с теплофикационным циклом, а также на УЗИ.

Результаты замораживания и сушки плодов (по средним значениям влажности) отображены на рисунках 11,12 и 13, 14, 15, 16.

20 15 10

и 5 £ 0 | -5

(Ц

I -10

<и

I- -15

-20

-25

-30

Время, мин.

—*— теоретическая кривая ■■■»— экспериментальная кривая

Рисунок 11 Кривая замораживания плодов рябины обыкновенной

1 0

I -10 >

- -15

-20

-25

-30

Время, мин.

—•— экспериментальная кривая

теоретическая кривая

Рисунок 12 Кривая замораживания плодов аронии черноплодной

Г: Н 0 !'* и 300 -IЮ 500 600

?

Г Высота Н, мм

- Влажность V/, %

- Скорость сушки*10 2, %/мм

- Температура среды, С Давление Р* 10 -4, Па

[ ^ ¡ОО„2в0 300 400 500 600

Высота Я, мм

Влажность экспериментальная, % -Ж- Скорость сушки*10 2, %/мм,

Давление Р* 10-4, Па, ■л - Температура среды, С

Влажность теоретическая,%

Рисунок 13 Кинетика процесса сублимационной сушки рябины обыкновенной в среде инертного газа

Рисунок 14 Кинетика процесса сублимационной сушки рябины обыкновенной в потоке инертного газа в поле УЗИ

—«— Влажность W, % » Температура среды, С

Давление Р* 10 -4,Па -Ж- Скорость сушки* 10 2, %/мм -■г - Влажность теоретическая,%

Температура среды,С

Давление Р* 10 -4, Па -Ж- Скорость сушки* 10 2,%/мм

Рисунок 15 Кинетика процесса сублимационной сушки плодов аронии черноплодной в среде инертного газа

Рисунок 16 Кинетика процесса сублимационной сушки плодов аронии в потоке инертного газа в поле УЗИ

Графический анализ рисунков 13 - 16, показывает, что процесс сублимационного обезвоживания можно разделить на 3 зоны: Hi - зона сепарирования, Н2 - зона падения, Н - зона обезвоживания, делится еще на два участка: h, - удаление свободной кристаллической влаги, h2 - удаление связанной влаги.

Важным критерием, по которому судят о работе оборудования, является качество конечного продукта. Для подтверждения целесообразности использования УСС-НД-КЭ-3-01 в технологии производства пищевых добавок из плодов нами было определено содержание аскорбиновой кислоты. По содержанию витамина С сублимированные плоды соответствуют требованиям, предъявляемым к высокопитательным пищевым продуктам.

Обработка экспериментальных данных проведена с использованием математического пакета Maple 9.0 и процессора электронных таблиц Excel в среде Windows. Результаты исследований по замораживанию аппроксимированы в виде неэлементарной функции полиномов третьей степени:

Рябина обыкновенная:

0,1343 • (г +1)3 -1,5079 ■ (г +1)2 + 0,7864 • г + 21,4534, приО <т< 5

7"(г) = 40,15• (г — 4)г -2Д5-г + 10,55, ирм5 < г < 8

0,0028 • (т - 7)3 + 0,033 ■ (г - 7)2 - 3,2356 • г + 21,7664, при% < г < 19

Арония черноплодная:

i0,25• (г +1)' -2,4286• (г +1)2 +1,8214■ г + 22,2214,приО<т<4

Т(т) = 0,05■ (г- З)2 -1,87• г + 7,36, при4 < т < 7

0,0057■ (г -6)' + 0,0286• (г-6)2 -3,5908• г +19,9160, npul < г < 17

Результаты исследований по обезвоживанию продуктов аппроксимированы в виде неэлементарной функции полиномов четвертой степени:

Рябина обыкновенная: = + -0,093• Я, + 70,9,при0 < Я, < 200

IV(Нг) = -0,002• Нг + 62,2, приО < Яг < 100

ЩН) = -0,225•(— +0 +3,9833-Г— + 0 -22,858-Г—+ 0 +0,3614-Я+ 81,183,

и оо ; 1юо ) 1юо )

приО < Я < 600

Арония черноплодная:

Г(Я,) = 1,95-^ + ^ -0,1285-Я, +78,05,пры0 < Я, < 200

IV (Н2) = -0,019 • Я2 + 69,9, приО < Н2 <\ 00

IV(Н) = -0,2553+ 1) + 4,4237• Г—— + 0 -24,325-Г—+ 0 + 0,3385-Я + 88,31, 1д00 ) 1,100 ] 1^100 )

приО < Я < 600

Адекватность математической модели проверена, путем сравнения расчетных данных с экспериментальными по Фишера - Снедекора. Модель адекватна с надежностью 95%.

В пятой главе приведены расчеты экономической эффективности от внедрения усовершенствованной технологии и разработанной установки с улучшенными качественными характеристиками. В основу расчета положено сопоставление приведенных затрат на единицу испаренной влаги при сравнении базовой установки УСС-НД-КЭ-Ж-01 и исследуемой УСС-НД-КЭ-3-01.

В результате расчета установлено, что себестоимость продукции снижается на 12,24 руб./кг, экономия электроэнергии составляет 9%, годовой экономический эффект после внедрения установки УСС-НД-КЭ-3-01 превышает 562 тыс. руб. при сроке окупаемости капительных затрат менее, чем за 3,2 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ специальной литературы показал, что для повышения эффективности процесса сублимационного обезвоживания и снижения его энергоемкости перспективна «безвакуумная» технология производства сушеной плодово - ягодной продукции при условии соединения в единый цикл криогенного замораживания и сублимационной сушки при комбинированном энергоподводе.

2. На основе проведенных теоретических исследований:

• предложен непрерывный способ «безвакуумной» сублимационной сушки плодов с применением предварительного криогенного замораживания и использованием пьезоэлектрического излучателя ультразвуковой частоты при конструировании сушильной камеры.

• определен режим работы пьезоэлектрического излучателя (Рузг= 8кВт,у = 18 ± 2кГц) при сублимационной сушке.

3. В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями кинетики процессов криогенного замораживания и сублимационного обезвоживания, для обеспечения высокой пищевой и биологической ценности высушиваемых плодов получены рациональные режимы проведения процесса:

• криогенное замораживание (1г = -35...-40 °С,)

• сублимационная сушка в ультразвуковом поле (Ь = 13 0 -140Д б, V = 18 ± 2кГц, РУЗГ=&кВт) и принудительном потоке газа (/., =10 °С).

4. Разработанные математические модели процессов криогенного замораживания и сублимационной сушки позволяют адекватно описывать процессы тепло - и массообмена в условиях комбинированного энергоподвода, строить изменение температуры и влажности продукта, рассчитывать время сушки при заданных условиях, управлять процессом сублимационной сушки без применения дорогостоящего эксперимента.

5. Разработан и изготовлен опытный образец энергосберегающей установки непрерывного действия для сублимационной сушки плодов производительностью по испаряемой влаге 20 кг/ч (УСС-НД-КЭ-3-01), снабженный системой управления, позволяющий реализовать «безвакуумную» технологию производства высококачественных продуктов.

6. Расчетный годовой экономический эффект составил 562 тыс. руб. при сроке окупаемости капительных затрат менее, чем за 3,2 года.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ Сокращения: Индексы:

УЗИ - ультразвук; дис. - диссоциация;

КМ - компрессор; г - газ инертный;

ГХМ - газовая холодильная машина;

Обозначения;

Р - давление, МПа;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м'°с;

г - время, с;

I- температура, "С;

Л - коэффициент теплопроводности,

Вт / м°С;

РУ-влажность, %;

г - радиус плодов, м;

р - ПЛОТНОСТЬ, И/.«1; с - теплоемкость, дж1к?С.; ^ - скорость сушки, %/мин.

¿Т

а - коэффициент температуропроводности, ,и! /с; г^- теплота фазового перехода, джЫг : Я - высота колонны, мм; НI - зона сепарирования, мм; Н2 - зона падения, мм; е - коэффициент фазового превращения льда в пар;

IV - влажность, кг^кг0 м еь „; 9 - скорость сублимации, с1; Ео - число Фурье;

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Издания, указанные в перечне ВАК:

1. Литвинюк, Н.Ю. Способ криогенного замораживания для последующей сублимационной сушки в потоке инертного газа / Н.Ю. Литвинюк, К.В. Анисимова, А.Б. Анисимов // Хранение и переработка сельхозсырья. - № 9. - 2008. - С.39 - 41.

2. Анисимова, К.В. Математическое моделирование процесса сублимационной сушки плодов в поле ультразвука в потоке инертного газа / К.В.Анисимова, А.П.Ильин, Л.С.Воробьева // Вестник Алтайского ГАУ. - 2008. - С.62 - 64.

Другие издания:

3. Касаткин, В.В. Теория адекватного питания / В.В.Касаткин, Н.Ю.Литвинюк, И.Г.Поспелова, К.В.Кожевникова (Анисимова) // Вестник №3 (6). - Ижевск, 2005 - С. 17-19.

4. Касаткин, В.В. Новые методы исследований электротехнологических процессов при переработке сельскохозяйственной продукции / В.В.Касаткин, Н.Ю.Литвинюк, И.Ш. Шумилова, И.Г.Поспелова, К.В. Кожевникова (Анисимова) // Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». - Ижевск, 2005 -С.240-246.

5. Касаткин, В.В. Анализ существующих сушек / В.В. Касаткин, Н.Ю.Литвинюк, К.В. Кожевникова (Анисимова) // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы Всероссийской научно-практической конференции. III том - Ижевск, 2006-С. 107-110.

6. Литвинюк, Н.Ю. Авангардное направление развития науки и техники XXI века / Н.Ю.Литвинюк, К.В. Кожевникова (Анисимова) // Научное обеспечение реализации

национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы Всероссийской научно-практической конференции. III том - Ижевск, 2006 -С. 190-194.

7. Литвинюк, Н.Ю. Способ сублимационной сушки в потоке ксенона / Н.Ю.Литвинюк, К.В. Кожевникова (Анисимова), А.Б. Анисимов //Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы: материалы Всероссийской научно-практической конференции III том - Ижевск - 2007. - С. 80-82.

8. Касаткин, В.В. Как сохранить урожай круглый год / В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова, К.В. Анисимова // Картофель и овощи.- №8. - 2007. - С. 16.

9. Воробьева, Л.С. Моделирование процесса криогенного замораживания плодов / Л.С. Воробьева, К.В. Анисимова, А.П. Ильин // Научный потенциал аграрного производства: материалы Всероссийской научно-практической конференции IV том -Ижевск - 2008. - С. 94 - 98.

10. Анисимова, К.В. Исследование «безвакуумной» сублимационной сушки плодов в поле УЗИ в потоке инертного газа / К.В. Анисимова, А.Б. Анисимов, Н.Ю. Литвинюк // Научный потенциал аграрного производства: материалы Всероссийской научно-практической конференции IV том - Ижевск - 2008. - С. 80 -85.

Подписано в печать 21.04.09 г. Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ 9331 Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА г. Ижевск, ул. Студенческая,! 1