автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с использованием энергосберегающих электротехнологий

На правах рукописи

ПОСПЕЛОВА ИРИНА ГЕННАДИЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДЕН 2009

Санкт-Петербург - Пушкин 2008

003457352

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» в ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Владимир Вениаминович Касаткин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Марина Михайловна Беззубцева

кандидат технических наук, доцент Михаил Алексеевич Трутнев

Ведущая организация: ООО «Специальное конструкторское

технологическое бюро Продмаш» г. Ижевск

Защита состоится 2008г. В^^асов на заседании

диссертационного совета Д 220.060.cfe в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, ауд. 2-719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан <<Му> ¿¿Ме&г^ир 2008г. Размещен на сайте www.spbgau.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

В.А. Смелик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Среди продуктов питания, обладающих защитными функциями, превалирующее значение имеют плоды, ягоды, овощи и их соки. По данным Всемирной организации здравоохранения содержание в ежедневном рационе 700...800 г. плодов и овощей позволит сократить риск возникновения онкологических, сердечно-сосудистых и некоторых возрастных заболеваний почти на 50 %. Но ярко выраженная сезонность сельскохозяйственного производства овощного и плодово-ягодного сырья, сложность сохранения высоких биологических свойств без специального оборудования не позволяет его использовать на протяжении всего года. Удаление влаги из растительного сырья путем сушки до влажности 8...8,5 % предоставит возможность его длительного хранения в обычных условиях.

Существенный недостаток обычных методов сушки - неравномерная усадка (большая на поверхности и меньшая внутри материала), ведущая к непропорциональному изменению формы материала и даже к разрушению. По сравнению с другими методами сушки сублимация дает равномерную усадку, поэтому материал имеет более пористую, быстро восстанавливающуюся структуру - в течение 5... 15 мин в зависимости от вида сырья.

К основным преимуществам метода сублимационной сушки, делающим его промышленное применение весьма перспективным, относятся следующие:

• минимальные биологические и физико-химические изменения в продукте, связанные с обработкой при низких температурах;

• снижение массы продуктов, за счет уменьшения конечной влажности;

• значительное увеличение сроков хранения сублимированных продуктов при положительных температурах;

• упрощение реализации продуктов в торговой сети, в связи с ненадобностью холодильных установок.

Перспективы развития сублимационной техники связаны с переходом к установкам непрерывного действия, с повышением эффективности сублимационного оборудования за счет интенсификации процесса обезвоживания.

Цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортированием в едином вакуумном цикле и использовании энергосберегающих электротехнологий.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

• провести анализ технологий и оборудования для производства высококачественных сушеных мелкокусковых полуфабрикатов;

• исследовать вакуумное измельчение, сортирование и скорозамораживание растительных материалов на примере картофеля и яблок, высушиваемых с применением СВЧ- и УЗИ - полей в принудительном фильтрационном потоке газа;

• разработать математические модели процессов скорозамораживания с последующей сублимационной сушкой и рассчитать оптимизированную

3

энергоемкость сушки мелкокусковых растительных материалов на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;

• исследовать кинетику скорозамораживания и сублимационной сушки обрабатываемых материалов на вакуум-сублимационных установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;

• обосновать технико-экономическую эффективность разработанной технологии и оборудования.

Научная новизна. В результате работы:

• разработан непрерывный способ сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортировкой в едином вакуумном цикле;

• разработаны математические модели процессов скорозамораживания с последующей сублимационной сушкой и рассчитана оптимизированная энергоемкость сушки мелкокускового материала с комбинированным энергоподводом. Получены аналитические зависимости параметров для квазистационарных условий непрерывного процесса сублимационного обезвоживания с предварительным измельчением и сортировкой;

• обоснованы основные технологические параметры и режимы работы установки с комбинированным энергоподводом для непрерывного измельчения, самозамораживания при сортировке и сублимационной сушки кусочков плодов и овощей, ранее не применяемые в сельском хозяйстве.

Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:

• разработана математическая модель, которая позволяет рассчитывать установки типа УСС-НД-КЭ-И;

• разработан и испытан лабораторный образец непрерывно действующей сублимационной установки с производительностью 1 кг/ч по испаряемой влаге УСС-НД-КЭ-И-01, обеспечивающей эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

• использование опытного образца в учебном процессе.

Реализация результатов исследований

Работа основана на обобщении результатов исследований соискателя, выполненных самостоятельно и в содружестве с инженерами, учеными, технологами и специалистами Научно-исследовательского института вакуумного электронного машиностроения (Ижевск), Специального конструкторского технологического бюро «Продмаш» (Ижевск), ЗАО «Родная Любава» (Ижевск) и ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Для разработки исходных требований технологии сублимационной сушки на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом на кафедре МПСХП ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА был создан опытный образец установки «УСС-НД-КЭ-И-01» и внедрен в производство ЗАО «Родная Любава», на котором соискателем исследована кинетика сублимационной сушки кусочков

фруктов и овощей. После апробации образца и получения положительных результатов, разработана техническая документация на установку «УСС-НД-КЭ-И-02», производительностью 10 кг/ч, и передана на проектирование в ООО «СКТБ-Продмаш» г. Ижевска.

На защиту вынесены следующие положения:

• способ непрерывной сублимационной сушки, с предварительным измельчением на кубики фруктов и овощей и их сортировкой в вакуумной среде, введением СВЧ и УЗИ - энергоподвода с принудительным потоком газа через слой мелкокускового продукта на стадии сублимации и УЗИ энергии с принудительным потоком газа на стадии удаления остаточной влаги;

• физические механизмы непрерывного измельчения, сортировки, сублимационного обезвоживания мелкокускового материала диэлектрическим методом с УЗИ интенсификацией в потоке газа и их математическое описание;

• высокоинтенсивная технология непрерывной сублимационной сушки, с предварительной сортировкой измельченных фруктов и овощей, в едином вакуумном цикле при комбинированном энергоподводе.

Объем и структура диссертации

Работа изложена на 139 листах основного текста, в своем составе имеет: титульный лист, содержание, введение, 5 разделов, в том числе 41 рисунок и 17 таблиц, общие выводы, список использованной литературы из 177 источников и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, рассмотрены состояние вопроса, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ технологий и оборудования для производства высококачественных сушенных мелкокусковых полуфабрикатов.

Проведенный анализ позволил установить:

• принципиальное преимущество совмещения измельчения и сортировки с сублимационной сушкой плодоовощного материала в едином вакуумном цикле;

• необходимость дальнейших исследований процессов сублимационной сушки с предварительным измельчением и сортировкой фруктов и овощей;

• необходимость разработки новой технологии и образцов сушильного оборудования с использованием измельчения, сортировки, УЗИ и СВЧ-энергоподвода и потока инертного газа;

• выводы и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлена усовершенствованная технология для производства мелкокусковых сушеных фруктов и овощей без операции бланширования.

Для этого выдвинута гипотеза: заключение овощерезки и сортировки в герметичной камере, обеспечение подвода материала и удаление фракций разделения (сход и проход) через шлюзовые затворы, предназначенные для поддержания вакуума.

Исследования сушки в вакууме нарезанных кубиками картофеля и яблок осуществляли на установке (рисунок 1), разработанной соискателем.

Работает сушилка следующим образом.

Вакуумное самозамораживание. Нарезанный плодоовощной материал немедленно загружается через лоток (17) в барабанную сортировку (16), которая находится внутри вакуум-сублимационной камеры (1). Дверь камеры (10) герметично закрывается, и включается откачка воздуха с помощью вакуумного насоса (3). Давление в камере медленно опускается и стабилизируется около 30 Па, в это время начинается сортировка кубиков. Продукт при этом самозамораживается за счет того, что расходует внутреннюю энергию на испарение влаги с поверхности кубиков.

1-камера вакуум-сублимационная; 2-десублиматор; 3-насос вакуумный; 4-машина холодильная; 5 - трубопровод вакуумный; 6 - вакуумметр, 7 - термометр; 8 - натекатель воздуха; 9-датчик ПМТ-6; 10-дверь камеры; 11-панель управления; 12-испаритель холодильной машины; 13 - СВЧ генератор; 14 - лоток с УЗ излучателем для стандартных кубиков; 15 - лотокдляобрезей; 16-барабаннаясортировка; 17-лотокзагрузочный

Рисунок 1 Компоновочная схема лабораторной вакуумной установки

Сублимационная сушка. Прошедшие сортировку стандартные кубики падают на лоток с УЗИ источником (14). Далее включается СВЧ нагрев (13), давление в камере увеличивается и устанавливается около 60.. .70 Па. При этом в камере идет сублимационная сушка. Через определенный промежуток времени, который зависит от массы заложенного на сушку продукта и мощности СВЧ излучения, давление в камере начинает падать, по чему можно определить, что сублимация свободной влаги закончилась. Прекращается СВЧ нагрев и включается натекатель рабочего газа (8) температурой в пределах от +10°С до +40°С, за счет чего давление в камере увеличивается до 100 Па.

Удаление остаточной влаги в продукте осуществляется конвективно-звуко-вакуумным способом. Через какое-то время давление плавно начинает опускаться и устанавливается в пределах около 30 Па. Это означает, что процесс сушки закончен. Отключается УЗИ, вакуумная система, и идет наполнение камеры воздухом. При достижении давления в камере в пределах атмосферного, дверь открывается, и лоток с сублимированным продуктом вынимается для исследований.

На установке были выполнены исследования вакуумного самозамораживания мелкокускового плодоовощного материала с последующей его сублимационной сушкой (рисунки 2,3). В результате чего, установлено, влияние размеров кусочков и общей массы продукта на время полного самозамораживния, а также влияние способа подвода энергии на время, скорость, энергоемкость сушки и качество конечного продукта (пищевая ценность, внешний вид и способность к восстановлению).

При обработке в вакууме 10 мин

Без обработки в вакууме 10 мин

I___

Рисунок 2 а - сравнительные срезы картофеля; б - сравнительные срезы яблок

кубики 7x7x7 мм

кубики 13x13^13 мм

Время обработай, мин

Рисунок 3 Влияние размеров продукта на время самозамораживания на примере картофеля

В результате исследований выявлены основные параметры, от которых зависит сушка мелкокускового плодоовощного сырья на вакуумных установках:

у=Лпя,р„тя,в./ач,уан,/„^„), (1)

где Пб - частота вращения барабана сортировки; Рк- давление в камере; Таг - температура агента сушки; В - ширина кубика материала; /свч.; Мсвч - частота и мощность СВЧ-излучателя; /уз, Л^уз - частота и мощность УЗ-излучателя.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований непрерывного сублимационного способа сушки с предварительной сортировкой измельченных фруктов и овощей при комбинированном энергоподводе.

Количество испаряемой влаги (т) в процессе вакуумного самозамораживания и сублимационной сушки под действием СВЧ- и УЗИ-энергий и принудительного потока газа в едином вакуумном цикле на установке непрерывного действия может быть представлено в виде:

т = т] +т1+т}+т4, (2)

где т, - количество испаренной влаги в процессе вакуумного самозамораживания при сортировке; от2 - количество испаренной влаги под действием СВЧ - энергии; тг - количество испаренной влаги под действием принудительного потока газа; - количество испаренной влаги под действием УЗИ - энергии.

Вакуумное самозамораживание. Для увеличения площади воздействия вакуума на каждый кубик плодоовощного сырья в процессе самозамораживания,

а также для получения готового продукта однородного по качеству необходимо производить процесс сортировки.

Положение кубиков на круговой траектории определяется углом отрыва а, образуемым радиусом барабана сортировки, проходящим через центр кубиков с вертикальным диаметром барабана.

Втр_

ш

Л

Рисунок 4 Траектория движения кубиков при водопадном режиме работы сортировки и силы, действующие на кубики продукта

В любой точке круговой траектории радиуса барабана сортировки Яб кубик находится под действием силы тяжести в и центробежной силы С

С = (3)

где и-масса кубиков, кг.

Анализируя положение частицы на рисунке 4, частота вращения барабана должна быть такой, чтобы кубик под действием центробежной силы не увлекался в круговое движение, а мог лишь подниматься на определенную высоту (точка А5) и под действием силы тяжести перекатываться вниз [144, 158].

<®

где К - коэффициент кинематического режима, К— 0,1.. .0,2.

С целью повышения качества производимой продукции обоснованы параметры и режимы предлагаемого сортирующего устройства.

Доля испаренной влаги при вакуумном самозамораживании (ах) составляет примерно 12...14 % и определяется формулой [148, 152]:

щ _ РвЯг^т + [рвсвп0т + р„с„т(1 - П0 )}уг

га Л,П0г(б,+г)

(7)

В результате испарительного самозамораживания конечная температура (Т*) кусочка понижается, и ее значение определяется формулами [69,99,152, 166]:

. РлГс ,

-1П-

Тг =-

РвСЛ К-Л +

П 0сл

Я, = Ло

Г Рвг \Рлгс \ (1-П0)с0

рА

1 - ехр

с„ Т„

(8)

(9)

(10) (П)

Z = Рлгс ~ Рвг > (12)

AT = T„-TV. (13)

Конечная влажность кубика (W) в % при испарительном самозамораживании определяется формулой:

(1-П„к ■ (14)

Сушка под действием СВЧ и УЗИ энергий в фильтрационном потоке газа

Уравнение энергии для двух сред, движущихся с различными скоростями, с учетом испарения влаги из материала и с внутренним источником тепла, имеет вид [90, 99,105,152]:

+ + = Л)У2Т, + N„, (15)

яг ат

Для пористого материала и парогазовой смеси принимаем Т, ~ T¡ = Т.

Слой материала на участке 0<х <Я, состоит из кубиков с сублимирующимся льдом.

Считаем температуру на границе х = Н, криоскопической. Плотность внутренних источников тепла связана с местом подвода УЗИ и СВЧ-энергий к материалу (рисунок 5).

Юм* □ □ (

к.

<-К ,-S. l

Рисунок 5 Схема расчета сушильной камеры

Плотность мощности определяем выражением:

N„ = N^ е s + N3e"™ , 0 < д: < jc0 ,

*«-* J£L(;¡W)

Ы„ = Ыде'1 +N3 , x0ix<H,,

N

д 2 F„S

3 F0R

N„=IFy.

Скорость кубиков определяется формулой:

©

' [р0(1-П0)+/алпД1-ПК" Расход агента сушки определяется формулой:

G, = ypivjl. 9

(16)

(17)

(18)

(19)

(20) (21)

Количество испарившейся влаги определяем в соответствии с (2)

т2. =т2 +/я3 +т. (ТсЬ = УАр. (22)

I

При этом убыль плотности составит:

Ар = ^) Ш, (23)

и> I

где принимается:

Х] = 0, Х1 = Х0, х0 ¿х <, Н,, х =

Убыль плотности определяет текущую влажность кубиков, которая рассчитывается по формуле:

ЦгЮ^Щх^---100, (24)

АЛ1" "о)

где IV (*,)- влажность на границе х = х1.

Разработаны принципиальная схема и формализованное представление энергоемкости непрерывного процесса сублимационной сушки с предварительным измельчением и сортировкой фруктов и овощей в едином вакуумном цикле на установках непрерывного действия.

Таблица 1 Формализованное изображение процесса работы сушилки

4ц1 Чп2 Чф 4> Чи 41я Ч2х Чзу

Овощи / фрукты (целые) <7/ Чи Параллельно всему процессу

Подвод Питание Насос & Резка д2 421

Вакуумная система Система холода Система управления

Подвод Питание Резательная машина

Подвод Питание Насос Д Самозамораживание при сортировке дз Чи

Подвод Питание Сортировка 432

[ Вакуум-насос Компрессор Шкаф управления

Подвод Питание СВЧ Д Суржа 441

Подвод Питание УЗИ 442

Подвод Питание Термостат 443 ! Питание Питание Питание

Подвод Питание Затвор Выгрузка 95 451

§ § о

Овощи / фрукты Чб! 1 а о

(кубики сублимированные) С С

Математическое описание и аналитическое решение задачи расчета энергоемкости для квазистационарного случая сублимационного обезвоживания, позволяющие рассчитать оптимизированную энергоемкость, определять количество испаряемой влаги, изменение температурного поля в высушиваемом материале в зависимости от различных технологических параметров: Т2, с^А, Д Исвч. А'га Я Н, в, и,, пб, с0, р0.

В четвертой главе изложены методики проведения экспериментов исследуемого способа сушки и определения качественных показателей сушеных кубиками фруктов и овощей.

Экспериментальные исследования способа сушки проводили на установке УСС-НД-КЭ-И-01 (рисунок 6).

1 - охлаждаемый элемент дсублимагора; 2 - окно для выгрузки льда; 3 - дека для съема льда с конвейера; 4 - конвейер карусельного типа для перемещения льда; 5 - ролик; 6,11,24 -вакуумные затворы; 7 - УЗ излучатель; 8 - напуск агента сушки; 9 - бункер плавитель льда; 10 - привод шнека и конвейера; 12 - насос подачи агента сушки; 13 - термостат; 14 -вакуумный насос; 15 - шнек выгрузки готового продукта; 16 - ременная передача; 17 - датчик давления и температуры; 18 - собирающая воронка; 19-редуктор конический; 20-привод сортировки; 21-лоток обрезей; 22 - сортировка барабанная; 23-лоток загрузочный; 25-резательная машина

Рисунок б Принципиальная схема установки сублимационной сушки мелкокусковых растительных материалов типа УСС-НД-КЭ-И непрерывного действия с комбинированным

энергоподводом

Описание установки. Установка состоит из сушильной камеры цилиндрической формы с источниками СВЧ и УЗИ полей. В верхней части сушильной камеры расположена резательная машина (25) для измельчения фруктов и овощей и сортировка барабанного типа (22). В камере имеется собственный десублиматор (1), а также через шиберный затвор к установке подключен вакуумный насос (14). В нижней части через вакуумный затвор (11) сушильная камера соединена с выгрузным шнеком (15). Плоды подаются в резательную машину и измельчаются. Режим подачи плодов контролируется и управляется субблоком управления системы измельчения (СУСИ). Кубики плодов в процессе сортировки охлаждаются и замерзают за счет интенсивного испарения влаги в вакууме. Далее самозамороженные кусочки с подсохшим верхним слоем летят вниз - в сушильную камеру. Агент сушки (инертный газ, воздух) на стадии удаления остаточной влаги подается в нижнюю часть сушильной камеры из баллона через термостат (13). Расход газа регулируется натекателем по сигналам субблока управления вакуумным агрегатом (СУАВ).

Объект сушки. В качестве объектов сушки были взяты картофель и яблоки, которыми заполнялась сушильная камера.

Работа установки. В условиях установившегося вакуума в камере включаются конденсаторы (десублиматоры), подаются плоды, измельчаются в резательном устройстве и падают в сортировку, где происходит сортирование вороха по заданному размеру для равномерной сушки материала. При этом происходит процесс испарительного самозамораживания под давлением ниже 100 Па при температуре десублиматоров -35°С. Эти условия позволяют кусочкам во время сортировки и полета в сушильную камеру замерзнуть и одновременно образовать сухую корочку, предотвращающую кусочки от слипания.

Одновременно через натекатель производится подача агента сушки (инертного газа, воздуха), нагретого до температуры от +20 до +40°С. Количество подаваемого газа регулирует СУАВ, так чтобы давление в верхней части камеры не поднималось выше 100 Па. На практике СУАВ контролировал параметры на уровне (0), где давление колебалось в пределах 1200±10 Па, на уровне (300) в пределах 500±10 Па и на уровне (600) - 30±5 Па. При достижении продуктом в камере сушки уровня (500) включается СВЧ, на уровне (0) включается УЗИ, и при заполнении сушильной камеры продуктом до отметки (600 - верхний уровень) в нижней части установки вводится в действие шнек электроприводом и начинается выгрузка сублимированного продукта. Происходит непрерывный процесс сушки в СВЧ и УЗИ-полях и принудительном потоке газа. Уровень сушимого криоматериала в сушильной колонне поддерживается системой управления на уровне (600).

Результаты сушки кусочков яблок и картофеля представлены в таблицах 2 и 3 и отображены (по средним значениям влажности) на рисунках 7 и 8.

Таким образом, результаты экспериментов показали, что при использовании операции сортировки влажность в верхних слоях продукта была ниже в среднем на 8 %, это позволяет увеличить скорость сушки и повысить качество готового продукта.

Таблица 2 Параметры кинетики процесса сушки кусочков картофеля без сортировки при температуре напускаемого газа 40°С

Высота Н, мм 600 500 400 300 200 100 0

1 опыт 76,1 64,8 48,1 28,1 16,1 12,0 8,1

IV, 2 опыт 76,0 65,1 48,0 28,2 16,0 12,0 8,1

% 3 опыт 76,0 64,9 47,9 27,8 15,9 11,9 8,2

среднее 76,0 64,9 48,0 28,0 16,1 12,0 8,1

т,°с -33±0,1 -24±1 -21±2 12±3 29±2 34±1 40±0,1

Р, Па 30*5 100±5 290±10 500±10 750±10 980±10 1200±10

—•— влажность, % -ш— температура, град С —давление, Па Рисунок 7 Кривые процесса сушки кусочков картофеля без сортировки

Таблица 3 Параметры кинетики процесса сушки кусочков картофеля с сортировкой при температуре напускаемого газа 40°С

Высота Н, мм 600 500 400 300 200 100 0

1 опыт 75,8 59,4 43,4 25,8 14,7 11,0 8,1

V/, 2 опыт 75,9 59,4 433 25,8 14,6 11,0 8,0

% 3 опыт 75,9 59,6 43,3 25,7 14,5 11,1 8,0

среднее 75,9 59,5 43,3 25,8 14,6 11,0 8,0

т,°с -33±0,1 -24±1 -21 ±2 10±3 25±2 34±1 40±0,1

Р, Па 30±5 97±5 280±10 .500±10 735±10 950±10 1200±10

100

г?

■а

Ь

п

и «

о. &

Высота Н, мм

1250

1000

- влажность, % -»—температура, град С давление, Па |

Рисунок 8 Кривые процесса сушки кусочков картофеля с сортировкой

Выведена аппроксимированная математическая модель влажности Ж в зависимости от времени сушки т в установках типа УСС-НД-КЭ-И-01, имеющая вид:

IV'= а+ р/х+ уе0,01"

О -п,)л'

, _л -а т-ц, +ксД

РзМй+г)

у = Рв ■(>,•*• П, + \рвсеП„ + р0с„(1 -П„)>• АТ + _1)ц

/ОаП0т(2,+г)

где V/* - безразмерная влажность, х = х / Н - безразмерная величина

-+4 яВД/1,

(25)

(26)

(27)

(28)

Экспериментально получены коэффициенты а, р, у (таблица 4), зависящие от продукта и способа сушки, а также теоретически рассчитаны значения коэффициентов а, р, у (таблица 5).

Таблица 4 Значения коэффициентов а, р, у для яблок и картофеля по экспериментальным данным

Объект сушки № Конвективный свч КВЗД

а Р У а А У а Р У

1 Яблоки 1.1 -7,3 -131,5 154,1 -35,9 80,1 129,8 -12,8 633,5 65,3

1.2 -7,2 -131,3 153,8 -35,7 79,9 129,7 -12,8 633,4 65,4

1.3 -7,6 -131,0 153,9 -35,7 80,0 129,8 -12,9 633,5 65,4

ср. -7,4 -131,3 154,0 -35,8 80,0 129,8 -12,8 633,5 65,4

2Картофель 2.1 -7,6 -131,1 154,0 -35,8 79,8 129,9 -12,7 633,3 65,5

2.2 -7,7 -131,2 154,2 -35,8 79,9 129,7 -12,8 633,4 65,3

23 -7,6 -131,4 154,3 -35,7 80,1 129,7 -12,6 633,5 65,3

СР2 -7,6 -131,2 154,2 -35,8 79,9 129,8 -12,7 633,4 65,4

Таблица 5 Теоретически рассчитанные коэффициенты а, /?, у для яблок и картофеля

Конвективный СВЧ КВЗД

Объект сушки а' Р' У' а' Р У ' а' Р У'

1Яблоки -7,4 -131,3 153,9 -35,9 80,1 129,7 -12,8 633,5 65,3

2 Картофель -7,5 -131,3 154,2 -35,8 80,2 129,7 -12,6 633,2 65,4

Расхождения между значениями, полученными экспериментально и рассчитанными по формулам 25...28 не превышают3 %.

Анализ результатов экспериментов показал, что в процессе сублимационного обезвоживания с использованием комбинированного энергоподвода (СВЧ и УЗИ — энергий и принудительного потока газа) позволяет снизить энергоемкость процесса и сохранить пищевую ценность продукта (сохранность витамина С до 90...94 %).

В пятой главе приведена технико-экономическая оценка усовершенствованной установки непрерывной сублимационной сушки фруктов и овощей. В таблице 6 показаны технические характеристики установки непрерывного действия с усовершенствованным процессом сушки УСС-НД-КЭ-И-02 и установки периодического действия Иней-17.

Таблица 6 Сравнительные характеристики сублимационных установок

Характеристика установки Сублимационная установка

Иней-17 УСС-НД-КЭ-И-02

Время сушки (среднее), ч 20...30 2,0... 2,5

Удельный расход энергии по

удаляемой влаге (энергоемкость),

кВт • ч/кг 4,5 1,0

Остаточная влажность, % 8,5 8,0... 8,5

Температура обработки продукта,

°С -35... +40 -35...+40

Объем производства в год на одной

установке, кг 6000 24000

Срок окупаемости

капитальных затрат, год - 2,34

Годовой экономический эффект,

руб. - 1247269,2

Анализ табличных результатов показывает, что использование сублимационной установки с комбинированным энергоподводом непрерывного действия для получения сушеных мелкокусковых плодоовощных продуктов энергоэкономичнее в 4,5 раза, чем применение кондуктивной сублимационной сушилки периодического действия. Годовой экономический эффект после внедрения разрабатываемой установки в производство превысит 1247269,2 руб. при сроке окупаемости капительных затрат 2,34 года.

выводы

1. Установлено, что выпуск высококачественной сушеной плодоовощной продукции быстрого приготовления, имеющей длительные сроки хранения и удобной в использовании, сдерживается из-за отсутствия современных высокопроизводительных энергосберегающих технологий сушки и оборудования. Высшая категория качества готового продукта, сохраняемость биологически активных веществ, витаминов и органолептических свойств, значительный уровень энергосбережений, может обеспечить применение сублимационной сушки в вакууме на установках непрерывного действия.

2. Исследованы условия проведения технологических операций измельчения и сортировки в вакууме при самозамораживании (Р = 10...30 Па, Т, = -16...-30°С) и показана возможность их совмещения с сублимационной сушкой фруктов и овощей.

3. Разработан способ организации процесса непрерывной сублимационной сушки включающий:

• измельчение и сортировку продукта в вакууме (V = 7x7x7,13x13x13 мм3, Р=10...30 Па);

• сушку мелкокускового продукта в полях СВЧ энергии (ЫСВч= 3...10 кВт, /свч= 2450 МГц) и УЗИ (Ыузи= 5...10 Вт, /узи = 18 + 2 кГц) при принудительном и направленном фильтрационном потоке газа.

4. Представлены физические модели процессов сортировки и сублимационной сушки, и даны их математические описания в едином вакуумном цикле применительно к установке непрерывного действия. Разработано формализованное представление энергоемкости и математическая модель расчета оптимизированной энергоемкости технологии сублимационной сушки мелкокусковых растительных материалов на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом.

5. Разработан и изготовлен опытный образец установки непрерывного действия для сублимационной сушки измельченных фруктов и овощей с производительностью по испаряемой влаге 1 кг/ч (УСС-НД-КЭ-И-01), снабженный системой управления, позволяющий реализовать технологию получения сушеных (влажностью 8,0...8,5 %) мелкокусковых продуктов с содержанием витаминов близких к исходному продукту (не менее 94 %).

6. Установка УСС-НД-КЭ-И-01 передана в ЗАО «Родная Любава» и внедрена для производства наполнителей в молочные продукты, что позволит повысить их качественные показатели и пищевую ценность.

7. По результатам исследований оформлены технические задания и переданы «СКТБ - Продмаш» для разработки рабочей конструкторской документации на ряд промышленных установок производительностью 10, 50 кг/ч по испаряемой влаге. Разработана установка УСС-НД-КЭ-И-02 производительностью по испаряемой влаге 10 кг/ч. При объеме сушки 24000 кг в год измельченного плодоовощного сырья годовой экономический эффект составит 1247269,2 руб.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

1. Обозначения:

v - линейная скорость кубиков на круговой траектории, м/с; По, П - пористости соответственно кубика и слоя криокубиков;

св, с0у с ,, с,, с2 - теплоемкости соответственно воды, сухого вещества кубика, льда, криокубика и парогазовой среды над слоем кубиков, Дж/(кг °С);

рв, ра, рл, р\, рг- плотности соответственно влаги, сухого вещества кубика, льда, криокубика и парогазовой среды над слоем кубиков, кг^м3;

г, гс - удельные теплоты соответственно испарения и сублимации, Дж/кг; Q, - удельная теплота замерзания воды, Дж/кг',

Л, и R2 - радиусы соответственно фронта испарения при температуре начала замораживания (криоскопическая температура) и фронта испарения в момент, когда вся влага заморожена, м;

В - сторона кубика, м;

ДТ - снижение температуры от начального значения до температуры замерзания, °С; Т., Т„, Т,, V соответственно температуры начальная, криоскопическая, криокубика и парогазовой среды над слоем кубиков, °С;

а = (т^+тз+т^/т - доля испаренной влаги; г - продолжительность сушки, ч; Р - удельная поверхность, м}/м3; Hi - зона сублимации льда, м\

\ X,-теплопроводности соответственно криокубика и парогазовой среды, Вт'(м"С); Ид t N3 - удельные мощности СВЧ и УЗ- энергий соответственно, подводимых к материалу, Вт/м ,

Ысвч, Муз - мощности соответственно СВЧ и УЗИ источников, Вт; q - энергоемкость подвода и преобразования энергии к технологическому процессу; G2 - расход агента сушки, м/ч;

S - глубина проникновения СВЧ - энергии в материал, м;

а - удельный декремент затухания системы, с';

соо - круговая частота собственных колебаний системы, с';

£о - амплитуда колебаний УЗ-излучателя, м;

Fo - площадь поперечного сечения, м2;

ЯН-радиус и высота сушильной камеры, м\

I- интенсивность звука, Вт/м2;

Fh- площадь излучающей поверхности, м1;

0 - расход материала (криокубиков), кг/ч;

у - коэффициент, учитывающий общую площадь поверхности испарения, л;2; V2 - оператор Лапласа, м2; I- интенсивность испарения, кг/ч; b - эмпирический параметр, кг/(м ч-°С).

2. Индексы:

в - вода; л - лед.

3. Сокращения:

СУАВ - субблок управления агрегатом вакуумным; СУСН - субблок управления системой нагрева; СУСХ - субблок управления системой обеспечения холода, СУСИ - субблок управления системой измельчения;

УСС-НД-КЭ-И - установка сублимационной сушки непрерывного действия с комбинированным энергоподводом и измельчением;

КВЗДС - конвективно-вакуумно-звуко-диэлекгрическая сушка

17

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Шумилова, И.Ш. Методы оценки эффективности мер по энергосбережению / И.Ш. Шумилова, В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова, Н.И. Собин // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. -Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 - Т.П. - С. 591 - 594.

2. Шумилова, И.Ш. Энергетика технологического процесса / И.Ш. Шумилова, В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова, Н.И. Собин // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 - Т.Н. - С. 594 - 597.

3. Шумилова, И.Ш. Использование диаграмм при расчете технологических параметров сушки / И.Ш. Шумилова, В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова, Н.И. Собин // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 - Т.П. - С. 598 - 601.

4. Арсланов, Ф.Р. К вопросу о сохранении витаминов в перерабатываемой плодоовощной продукции при сублимировании / Ф.Р. Арсланов, И.Г. Поспелова // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 - Т.Н. - С. 508 -512.

5. Касаткин, В.В. Новые методы исследований элеюротехнологических процессов при переработке сельскохозяйственной продукции / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Ш. Шумилова, И.Г. Поспелова, КВ. Кожевникова// Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии - 50 лет». - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА,

2005-С. 240-246.

6. Касаткин, В.В. Теория адекватного питания / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Г. Поспелова, К.В. Кожевникова // ВЕСТНИК Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. - Ижевск : 2005. № 3 (6). - С. 17-19.

7. Касаткин, В.В. Развитие и применение сублимационной сушки в переработке сельскохозяйственной продукции / В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова // Высшему аграрному образованию в Удмуртской Республике 50 лет. Итоги и перспективы: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: РИО ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005. - С. 138 -141.

8. Арсланов, Ф.Р. Способы охлаждения пищевых продуктов / Ф.Р. Арсланов, И.Г. Поспелова, Л.Я. Лебедев, Н.Ю. Литвинюк, В.В. Касаткин // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006 - Т.Ш. - С. 22 - 26.

9. Арсланов, Ф.Р. Сортирование резаного картофеля в разряженной среде / Ф.Р. Арсланов, И.Г. Поспелова, Л.Я. Лебедев, А.В. Храмешин, С.П. Игнатьев // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА,

2006-Т.Ш - С. 26-29.

10. Положительное решение о выдаче патента России по Заявке № 2007103504: Установка непрерывного действия для измельчения и сублимационной сушки кустообразных материалов / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, Л.Я. Лебедев, А.В. Храмешин, И.Ш. Шумилова, Ф.Р. Арсланов, И.Г. Поспелова, М.В. Касаткина.

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

12. Касаткин, В.В. Тепломассообмен в сублимационных сушильных установках непрерывного действия с СВЧ- и УЗИ- источниками при непрерывном потоке газа / В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк, И.Г. Поспелова, И.В. Возмищев И Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - №10. - С.75-77.

13. Касаткин, В.В. Восстановление сублимированных продуктов / В.В. Касаткин, И.Г. Поспелова // Научный потенциал - аграрному производству: материалы всероссийской научно-практической конференции. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2008 - T.1V. - С. 186 -188.

На правах рукописи Поспелова Ирина Геннадиевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ

05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 24 09.08 г. Подписано в печать 29.09.08 г. Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84"16. Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 9329 Изд-во ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА г. Ижевск, ул. Студенческая, 11