автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение процесса комбинированной конвективно - СВЧ - сушки при производстве яблочных чипсов

На правах рукописи

ЛИТВИНОВ Евгений Викторович

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ КОНВЕКТИВНО - СВЧ - СУШКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЯБЛОЧНЫХ ЧИПСОВ

05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г о п:он 2013

Воронеж-2013

005061950

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Калашников Геннадий Владиславович

Официальные оппоненты - Магомедов Газибег Омарович

доктор технических наук, профессор, (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»), заведующий кафедрой Попов Виктор Михайлович доктор технических наук, профессор, (ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академій»), заведующий кафедрой

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Защита состоится «02» июля 2013 г. в Ю00 на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» http://www.vsuet.ru «31» мая 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «1» июня 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

на соискание ученой степени кандидата наук,

на соискание ученой степени доктора раук Д 2J2-.035.01,

профессор Г.В. Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование процесса сушки плодов - одна из важнейших задач для пищевой промышленности, что обусловлено низкой степенью переработки сырья. Моральный и физический износ промышленного пищеконцентратного и овоще-сушильного оборудования составляет не менее 80 %, что сдерживает применение прогрессивных технологий и расширение ассортимента. Используемое технологическое оборудование для переработки яблок, в основном, импортное и периодического действия. Оно характеризуется низкой энергетической эффективностью, небольшой производительностью, а также получением готового продукта недостаточно высокой пищевой ценности. Поэтому актуальным является создание перспективного машинно-аппаратурного оформления переработки плодов, создание эффективных способов и конструкций сушилок с использованием объемных видов подвода энергии различными энергетическими полями, в т.ч. на основе электромагнитных колебаний сверхвысоких частот.

Мировое производство яблок в 2012 г оценивается в 65,23 млн т. Этот объем на 4% выше, чем в предыдущем году и на 11% больше по сравнению со средним показателем за последние пять сезонов. Объем валового сбора яблок в Воронежской обл. составляет около 93,4 тыс. т., потери от валового сбора - 18,7 тыс. т. или 20 %, объем производства сушеных яблок - 0,46 тыс. т. (0,53 % от валового сбора) и производства продукции из яблок 7,5 тыс. т (8,02 % от валового сбора).

Яблочные чипсы являются высококачественным продуктом питания, обладают высокими диетическими и вкусовыми свойствами. Они сделаны из натуральных яблок путем сушки, без использования обжаривания и масла, по сравнению с картофельными чипсами. Благодаря ценным питательным свойствам данный яблочный продукт популярен на мировом рынке. В настоящее время продолжительность процесса сушки при производстве яблочных чипсов составляет 4-^4,5 часа.

Научное обоснование и внедрение новых инновационных способов сушки плодов с меньшими энергозатратами и перспективного оборудования представляет актуальную задачу. Использование СВЧ-энергоподвода для сушки растительного сырья позволяет существенно обеспечить энергосбережение при значительной интенсификации технологических процессов и в максимальной степени сохранить пищевую и биологическую ценность продукта.

Фундаментальные работы в области изучения СВЧ-энергии представлены И.В Лебедевым, Ю.Н. Пчельниковым, В.Т. Свиридовым. Работы по исследованию плодоовощного сырья, созданию методов определения теплофизических характеристик и их анализа, сушке яблок выполнены Г.М. Кондратьевым, A.B. Лыковым, А.Ф. Чудновским, Г.Н. Дульневым, Г.И. Красовской, М.А. Громовым, A.C. Гинзбургом, И.Т. Кретовым, Г.М. Никаноровым и др.

Повышение термодинамического совершенства сушильного оборудования представляет собой комплексную задачу, включающую обеспечение высокого качества готовой продукции, снижение металлоемкости, тепловой и электрической энергии, повышение экономической эффективности, обеспечение безопасности жизнедеятельности персонала и охраны окружающей среды.

Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса комбинированной конвективно-СВЧ-сушки при производстве яблочных чипсов, создание принципиально нового оборудования и высокоэффективного ресурсосберегающего способа получения яблочных чипсов, вследствии использования по-стадийных режимов влаго-тепловой обработки и повышения качества яблочных чипсов.

В соответствии с целью решались следующие задачи:

1. Изучение свойств яблок как объекта исследования, систематизация полученных данных и формулировка на их основе рабочих гипотез по использованию изучаемых сортов яблок при производстве чипсов. Определение структурно-механических, теплофизических, электрофизических свойств; органолептических показателей, а также активности воды и антиоксидантной активности, осуществление дифференциально-термического и термогравиметрического анализов.

2. Разработка математической модели процесса комбинированной конвективно-СВЧ-сушки яблок.

3. Изучение кинетических закономерностей процесса сушки яблок с использованием перегретого пара и СВЧ-энергии.

4. Определение рациональных технологических параметров по-стадийного процесса комбинированной конвективно-СВЧ-сушки яблок.

5. Выполнение сравнительной качественной оценки полученных яблочных чипсов.

6. Разработка ресурсосберегающего способа получения яблочных чипсов, конструкции аппарата непрерывного действия и аппаратурно-технологической схемы производства.

7. Составление методики инженерного расчета блоков и секций оборудования для конвективно-СВЧ-сушки яблок.

8. Выполнение теплового и эксергетического анализа предлагаемой технологии производства яблочных чипсов .

9. Проведение промышленной апробации результатов работы.

Научная новизна. На основании обобщения и анализа

данных, предложен ресурсосберегающий способ производства яблочных чипсов. Изучены кинетические закономерности комбинированной конвективной и СВЧ-сушки яблок. Предложена математическая модель по-стадийного осуществления процесса комбинированной непрерывной сушки.

В результате дифференциально-термического и термогравиметрического анализа яблок, определены характеристические температуры ступеней дегидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, сопровождающихся испарением влаги.

Получены кинетические характеристики дегидратации, изменения органических кислот и деструкции веществ яблок: энергия активации, показатель реакции, предэкспоненциапьный множитель и температурный коэффициент скорости реакции для различных стадий процесса и сортов «Антоновка», «Синап» и «Богатырь».

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе по-стадийной комбинированной конвективно-СВЧ-сушки.

Определен химический состав, качественные показатели, пищевая ценность и антиоксидантная активность исходных яблок и полученных яблочных чипсов.

Определена степень термодинамического совершенства отдельных блоков и разработана аппаратурно-технологическая схема производства яблочных чипсов, а также предложены направления совершенствования оборудования с целью сокращения эксергетических затрат.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2483571 и двумя положительными решениями по заявкам на предполагаемое изобретение (№ 2012104280, № 2012127498).

Практическая ценность. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, обоснованы рациональные конструктивные и режимные параметры процесса сушки яблок.

Предложен способ комбинированной конвективно-СВЧ-сушки яблок, при котором достигается равномерная обработка

продукта вследствие попеременного влаготеплового воздействия потоком пара, СВЧ-энергии и увлажнения, а также использования «мягких» температурных и «щадящих» режимов; повышение качества готового продукта за счет использования по-стадийного комбинированного осуществления конвективно-СВЧ-сушки с учетом кинетических закономерностей процесса рационального гидродинамического режима слоя дисперсного продукта, снижение отрицательного влияния термического процесса на термолабильный продукт и обеспечение высокой пищевой ценности готового продукта.

Спроектирован аппарат непрерывного действия для по-стадийной комбинированной конвективно-СВЧ-сушки растительного сырья.

Разработана аппаратурно-технологическая схема линии для производства яблочных чипсов.

Получен пищевой продукт с гармоничным сочетанием органолептических свойств чипсов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012), (Москва, 2011), (Курск, 2011); отчетных научных конференциях ВГТА за 2009-2011 гг; отчетных научных конференциях В ГУ ИТ за 2012 г.

Научная работа отмечена грамотой международного научно-технического семинара к 100-летию A.B. Лыкова «Актуальные проблемы сушки и термовлажносгной обработки материалов» и Комитета РосСНИО по проблемам сушки и термовлажностной обработки материалов (Москва, Воронеж, 2010).

Результаты работы демонстрировались на выставках и были награждены: сертификатом за участие в отборочном туре Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ (Белгород, 2011); дипломом за лучшую научную работу III Общероссийской студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2011»; двумя дипломами III Воронежского агропромышленного форума (Воронеж, 2011); грамотой на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (Воронеж, 2011); двумя дипломами на V Воронежском промышленном форуме (Воронеж, 2012); дипломом

29-й межрегиональной специализированной выставки «Пищевая индустрия» (Воронеж, 2012).

Работа выполнялась в рамках НИР «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования доя их реализации на основе новых теоретических и экспериментальных данных по гидродинамике, кинетике и тепломассообмену» в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт Г/К № 14.74.11.0980 от 05.05.2011 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, в т.ч. 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков и 22 таблицы. Список литературы включает 167 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и определены основные направления исследований. Обозначены проблемные моменты в процессе переработки яблок, охарактеризованы решаемые в работе задачи, научная новизна и практическая значимость выполняемых исследований.

В первой главе дана оценка плодов яблок, как объекта исследования, систематизированы литературные данные о современном состоянии и основных направлениях совершенствования техники и технологии производства яблочных чипсов. Рассмотрены современные способы, приведена классификация и обзор оборудования для сушки плодов. На основании представленного информационного материала сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены методики и результаты исследования свойств яблок сортов «Антоновка», «Синап» и «Богатырь»: структурно-механические (объемная и насыпная плотности, угол естественного откоса); теплофизические (коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости); электрофизические (диэлектрическая проницаемость, коэффициент

кг/м1

Рис. 1. Зависимость плотности пластин яблок от влагосодержа-иия:1 - насыпной; 2 - истинной

диэлектрических потерь), а также органолептические показатели,

активность воды и антиоксидантная активность. Для объектов исследования определены виды связи влаги с материалом на основе дифференциально-термического и термогравиметрического анализов.

В результате исследования структурно-механических свойств были получены зависимости плотности пластин яблок от влагосодержания, показанные для сорта «Антоновка» на рис. 1. Для сортов «Синап» и «Богатырь» полученные зависимости имеют аналогичный характер.

Истинная и насыпная плотности пластин яблок с уменьшением влагосодержания возрастают (рис. 1). Снижение истинной плотности с повышением влагосодержания сырья обусловлено уменьшением объема пространства между пластинами в слое.

Величина угла естественного откоса пластин яблок (рис. 2) возрастает с увеличением массовой доли влага, что объясняется действием молекулярных сил притяжения пленочной жидкости, находящейся на поверхности пограничного слоя единичной пластаны яблока. Угол естественного откоса при изменении относительной влажности от 7 до 85 % изменялся для поверхности: из перфорирован ного пластика в пределах от 38° до 53°; из перфорированного металла - от 35° до 50°.

С целью выявления закономерностей теплового воздействия на сырье был выполнен термический анализ яблок на термоанализаторе ТвА-ОБС фирмы МеШег-То1ес1о. Для анализа процесса удаления влаги из яблок использовали зависимость изменения массы в

Рис. 2. Влияние относительной влажности яблок на угол естественного откоса: 1 — перфорированный пластик; 2 - перфорированный металл

координатах «(-1§а) - (103/7)», позволяющую выделить четыре линейных участка для сортов «Антоновка», «Синап», «Богатырь», что свидетельствует о ступенчатом испарении влаги и различном характере связи влаги с материалом (рис. 3).

3.5

3

2.5

2

15

Яда !

0.5

О

2 2.2 26 26 З V 1А К 1шл---

Рис. 3. Зависимость -lga от величины 103/Т исследуемых сортов яблок

(1 - «Антоновка»; 2 - «Синап»; 3 - «Богатырь») при нагревании с темпом нагревания 3 К/мин

Для кинетического анализа термоаналитической кривой, полученной методом термогравиметрии в неизотермических условиях, использован дифференциальный метод.

В результате проведенных исследований определены характеристические температуры ступеней дегидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, определяемые пиками эндотермических эффектов, сопровождающихся испарением влаги с различным хараісгером связи с материалом и возможным отделением газообразных фракций (табл. I).

Таблица 1

Характеристические температуры процесса термолиза яблок

Температуры термических превращений образца «Антоновка» «Синап» «Богатырь»

Температура начала эндотермического эффекта, К 376 379 366

Температура пика эндотермического эффекта, К 392 396 392

Температура окончания эндотермического эффекта, К 476 475 458

Дифференциальная зависимость скорости процесса термолиза веществ яблок может быть записана в виде уравнения:

¿сі/сіт = А( 1-а)" ■ ехр(-Е/КГ). (1)

После преобразований имеем:

где Р = Е/ЯТ\ А = АТд /<70

Обработку экспериментальных данных осуществляли по одному из наиболее известных методов кинетического анализа термогравиметрических кривых, предложенного Вахрушкой и Вобори-лом. Энергия активации процесса дегидратации рассчитана по методу Фримена-Кэррола. Определены кинетические характеристики дегидратации, изменения органических кислот и деструкции веществ яблок в виде: энергии активации (Е), показателя реакции (п), предэкспоненциального множителя (А) и температурного коэффициента скорости реакции (у) для различных стадий процесса термолиза и сортов яблок (табл.2 - для сорта «Антоновка») с относительным отклонением до 15 %.

Таблица 2

Кинетические характеристики дегидратации, изменения органических кислот и деструкции веществ яблок сорта «Антоновка

№ Участок Е, кДж/моль п А У 5,%

1 I (точка А) 25,756772 1 3,486-10"5 1,18056 6,24

2 II (точка В) 49,56807 1,1 1,67-10"4 1,5407 9,85

3 III (точка С) 64,72 1,1 10,93-10" 2,0335 12,0

4 IV (точка О) 71,33 1,3 22-10"3 0,8578 0,14

Более высокие значения энергии активации процесса на конечном этапе (четвертый участок), обусловлены изменением структуры продукта в процессе его обезвоживания.

Значение коэффициента диэлектрических потерь с" в значительной степени зависит от влажности, т.к. вода играет основную роль

в процессе поглощения энергии при диэлектрическом нагреве. Уменьшение значения е" с повышением температуры яблок можно объяснить снижением е" воды при возрастании температуры, а также активными потерями воды, которые происходят в результате обезвоживания продукта.

В результате математической обработки экспериментальных данных с помощью ПЭВМ получено эмпирическое уравнение для определения е" пластин яблок в зависимости от влажности и температуры:

є — —0,6985 + 0,0426 ■ Т + 0,1713 ■ IV - 0,0001 ■ Т ,

(3)

В третьей главе предложено математическое описание процесса сушки частицы в форме параллелепипеда с линейными

размерами ¡¡,12,13, причем /3 > 1Х и /3 »12 (рис. 4).

Считаем, что поля температуры и влагосодержания симметричны относительно

серединных поверхностей и в этом случае можно ограничиться рассмотрением 1/4 пластины образца (рис.4).

Дифференциальные уравнения тепловлагопереноса в частице имеют вид:

к

С V"

Ч\

і е-а >г

I

и

Рис.4. Пластина прямоугольного сечения

ди/дт = АпУ2и + Л12У21,

8і/дт = А7,Ч2и + А.,Л2і + (йу/ср),

У2С/ =

о2и

д2и

■> 2 , сГг 9 / V / =— + —

дх ду

(4)

(5)

(6)

дх ду

Для потенциалов и и Г зададим граничные условия третьего рода, когда задается потенциал среды окружающей пластину и закон потенциалоотдачи между поверхностью тела и окружающей средой.

В начальный момент времени температура и влагосодержание равномерны по координатам

и(0, х, у) = и0; 1(0,х,у) = 10 (7)

Граничные условия:

При х = 0 Хт-ди/ду = а„ (и - ивоз ); х— = а (г- ,т ), (8)

ду

При х = ди/8у = 0; д//ду = 0, (9)

Пр иу = 0 Лт-ди/дх = ат(и-ивоз); х * = а (, _(10)

дх

При у = 12 ди / дх - 0; д(/дх = 0, (11)

Дифференциальные уравнения в безразмерном виде:

дО _ А„ д20 + д2ЦАп ( 10 -!т )(д71 | д2,' ^ (12)

Л22 дх2 ду2 А22 и0~ивоз дх2 д\'2

Н _ А2, р0 + д2и} | Э^ | сЫ ■// (13)

дт Ап 10-1воз ах2 ду дх ду2

Безразмерная интенсивность внутренних тепловых источников:

?,=?„• /(Р(а<!С + ГЕ а»,ё>(10 - '„ш ))■ ( 1 4) Начальные условия:

¿/(о,х,у) = Г, /(0;*;у)=1, (15) Приведем граничные условия к безразмерному виду:

При х = 0 дО/ду = В^ О ; д?/ду = Вг1, (16)

При х = Ь еб/8у = 0; дс/ду^О, (17)

где 6 = /у / ¡2 - параметрический критерий (отношение ширины к высоте частицы).

При у = 0 дО/дх = В,т - О ; д?/дх = Вг/, (18)

При у = 1 ди/дх = о; = 0, (19)

В результате численного решения определено распределение безразмерных влагосодержания 0 и температуры ? по сечению частицы (рис. 5)

В результате моделирования процесса комбинированной сушки слоя пластин яблок, перемещающегося через сушильную камеру длиной Ь, при помощи средств МаЛСас! были получены зависимости распределения температуры пластин яблок, температуры теплоносителя и парциального давления пара на выходе из слоя (рис. 6 - 9).

С'и 02

а) б) в) _ г)

Рис. 5. Распределение безразмерных влагосодержания О и температуры I по сечению частицы: а) зависимость V от х при у = 0.5 ;б) зависимость О от у при х = 0.5А ; в) зависимость / от х при у = 0.5 ; г) зависимость I от у при -х = 0.56.

Рис. 6. Распределение температуры пластин яблок по длине сушильной камеры: 1 -температура пластин; 2 — асимптотическая температура

Рис. 8. Распределение парциального давления пара в воздухе, выходящем из слоя пластин яблок, по длине сушильной камеры

Рис. 7. Распределение конечной температуры сушильного агента по длине сушильной камеры

0.2 0Л

О.-'»' —- Вт Рис. 9. Зависимость температуры от полезной мощносги СВЧ - генератора: 1 - асимптотическая температура слоя пластин яблок; 2 - средняя температура теплоносителя на выходе из слоя

По сравнительному анализу результатов аппроксимации расчетных и экспериментальных данных установлено, что их среднеквадратичное отклонение по абсолютному значению не превышало для температуры 2,5 % и для влагосодержания 9,5 %.

В четвертой главе экспериментально изучены кинетические закономерности процесса сушки яблок с использованием перегретого пара и СВЧ-энергии и определены рациональные технологические параметры по-стадийного процесса комбинированной конвекгивно-СВЧ—сушки на основе разработанной установки (рис. 10) и составленной методики проведения экспериментальных исследований по получению яблочных чипсов.

5 - форсунки; 6 - СВЧ-блок; 7 - вытяжной диффузор; 8 - рабочая камера;

9 - газораспределительная решётка; 10-парораспределитель; 11 - калорифер;

12 - паропровод; 13 - вентилятор; 14 - циркуляционный трубопровод;

15 - шкаф управления.

Для изучения взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс комбинированной конвективно-СВЧ-сушки при получении высушенных яблочных чипсов, и определения оптимальных режимов использован центральный композиционный униформ-ротатабельный метод планирования эксперимента.

В результате оценочных экспериментов и математического моделирования были выбраны следующие входные варьируемые параметры: мощность магнетронов Р, Вт; температура Т, К; скорость теплоносителя v, м/с и высота стоя пластин яблок Ь, м.

Экспериментальные данные изучения сушки яблок при использовании комбинированного конвекгивно-СВЧ-энергоподвода, изменения температуры и влажности продукта с течением процесса термической обработки позволили построить кривые сушки, скорости сушки, температурные кривые и оценить влияние технологических параметров: Р, Т, И и у (рис. 11-14).

: у / I V к/С 0.09 п р= ¿зо а* 1-итк 2-Т'ХЬ К )-Т.380К к-итк

1.5 2,1 2.7

Рис. 11. Кривые сушки (а), скорости сушки (б) и температурные кривые (в) яблок сорта «Антоновка» при температуре теплоносителя Т, К: 1 - 393; 2 - 386; 3 - 380; 4 - 376

а б в

Рис. 12. Кривые сушки (а), скорости сушки (б) и температурные кривые (в) яблок сорта «Антоновка» при скорости потока теплоносителя: 1 -у=2 м/с, 2 - у=4 м/с, 3 - \>=Ь м/с

Из анализа кривых видно, что имеет место три периода: прогрева, постоянной и убывающей скорости сушки. Интенсификация процесса влагоудаления на начальном этапе сушки яблок в значительной степени определяется скоростью потока теплоносителя и высотой слоя продукта. Следует отметить, что повышение СВЧ -мощности в периоде убывающей скорости сушки позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс, а чрезмерное увеличение подводимой СВЧ мощности может привести к возникновению большого градиента влаги, и, как следствие, образованию трещин и нарушению структуры пластин яблок.

по но ко

Рис. 13. Кривые сушки (а), скорости сушки (б) и температурные кривые (в) яблок сорта «Антоновка» при высоты слоя продукта: 1 41=0,16 м, 2 - 11=0,09 м, 3 - 11=0,02 м

а б в

Рис. 14. Кривые сушки (а), скорости сушки (б) и температурные кривые (в) яблок сорта «Антоновка» при мощности СВЧ - генератора: 1 -Р= 160 Вт, 2 - Р=480 Вт, 3 - Р=800 Вт

Анализ изменения гидравлического сопротивления слоя яблок в процессе сушки при температурах теплоносителя в интервале 313...393 К и скоростях в интервале 2...6 м/с указывает на экспоненциальное уменьшение АР в начале процесса сушки, которое обусловлено снижением влагосодержания продукта (рис. 15). В дальнейшем гидравлическое сопротивление слоя пластин яблок практически не менялось, что объясняется незначительным изменением массовой доли испаряемой влаги.

\

¥

а = (1.00 м ч = ЗЧМ кл/м1 Р = 4К0 Вт

1- -Т *• 393 К

2- -Т = ЗН6 К

.»- -Г = зно к

I- -Т « 376 К

Т = к А - Ц.чУ м

</ ЗЬ.06 кг/м : -Р - ¡60 Вт ' -Р 480 Вт I -/' ~ Ш Вт

По

Т-333 К Л О.ОО м д - ЗИМ с.-.'гг

лм/а».

» И (>

ч-. да п

В Г

Рис. 15. Изменение гидравлического сопротивления слоя пластин яблок от времени: а - при различной температуре теплоносителя; б - при различной скорости теплоносителя; в - при различной мощности СВЧ - генератора; г — при различной высоте слоя продукта.

Использование для сушки инертного агедгга в виде перегретого пара способствует повышению интенсивности тепло- и массообмена, и как следствие, влагоиспарению, а также повышает не только тепловую эффективность влагоудаления, но и улучшает качество готового продукта, уменьшая разложение ценных питательных веществ, т.к. отсутствует окислительная среда.

Отличительной особенностью использования СВЧ-энергии на следующей стадии сушки является равномерное выделение теплоты во всем объеме влажного продукта, что способствует отсутствию напряженно-деформируемого состояния пластин яблок. При этом температурный и влажностный градиенты совпадают по направлению, что способствует миграции влаги к поверхности. В процессе диэлектрической обработки отсутствует необходимость в поддержании высокого потенциала системы и расходе тепла на разогрев продукта. Применение по-стадийного СВЧ-воздействия позволяет регулировать температуру материала независимо от параметров окружающей среды. Использование комбинированной конвективно-СВЧ-сушки позволяет сократить расход энергии с обеспечением высокого качества.

Для обработки экспериментальных данных в качестве входных параметров приняты: Х[—температура теплоносителя, Т (К); х2 - скорость потока теплоносителя и (м/с); х3-мощность СВЧ

- генератора Р (Вт) и Х4 - высота слоя продукта, к (м), поступающего на сушку; выходных: у] (с) — время процесса сушки; у2 - производительность по испаренной влаге, кг/ч; уз-удельные энергозатраты на килограмм готового продукта, (кВт ч)/кг. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии:

у, = 7207,6-500-х,-316,6-х,- ЮЗЗ,4-х3 + 1291,7-х«- 420,7-х22-

- 420,73-хз2 - 345,73-х,2 (20) у2= 0,89 + 0,08-Х! + 0,05-х2 + 0,2-х, + 0,18-х, + 0,02-хгх, + 0,02-х2-хз

- -0,03-х3-х4 + 0,02-х,2 + 0,06х22 + 0,1-х32 + 0,018-х,2 (21) уз = 4,7 - 0,3-х, - 0,2-х2 - 0,8-Хз - 0,9-Х4 - 0,1 -х,-х, + 0,1-х,-Х4 - 0,1-х2х3 + + 0,05-хгх, + 0,4-х3-Х4 - 0,07-Х!2 - 0,16-х22 - 0,З х32 + 0,1 х,2 (22)

Определены рациональные технологические параметры по-стадийного процесса комбинированной конвективно-СВЧ-сушки пластин яблок: температура на первой стадии с конвективной сушкой Т = 382...386 К, для предварительной СВЧ-сушки Т = 382...386 К и завершающей СВЧ-сушки Т = 303...318 К, скорости теплоносителя в плотном слое V = 2,2.. .0,8 м/с, в псевдоожиженном слое V = 6.. .3,6 м/с. При этом достигается равномерность сушки по всему объему пластин

и интенсивное испарение влаги с их поверхности, что положительно влияет на качество готового продукта.

В пятой главе выполнен эксергетический анализ влаготепловой обработки яблок для ресурсосберегающей аппаратурно-технологической схемы производства яблочных чипсов (рис. 16 а) на основе составленной методики определения эксергетических затрат. С целью получения наиболее полной информации о процессе комбинированной конвектив! ю- СВЧ-сушке были составлены материальные, тепловые и эксергетические балансы тепломассообменных процессов.

Для оценки эффективности процесса комбинированной конвек-тивно-СВЧ-сушки яблочных чипсов выполнены сравнительные тепловые и эксергетические анализы переработки яблок по предлагаемому (с тороидальным аппаратом непрерывного действия, рис. 16 б) и базовому (фирмы Сауепсо) вариантам .

б

Рис. 16. Схема распределения материально-тепловых энергетических потоков (а) и эксергетическая диаграмма (б) ресурсосберегающей технологической схемы производства яблочных чипсов

Основные потери эксергии наблюдаются в контрольных поверхностях пароперег ревателя (В), конвективной сушки (Б) и блоках СВЧ-генераторов (Е, в). Это происходит от необратимости вследствие перехода электрической энергии в тепловую, падения давления пара при подаче внутрь контрольной поверхности теплообмена, конденсации пара и установления конечной разности температуры при нагреве теплоносителя.

Полезная эксергия энерготехнологической системы включает изменение эксергии продукта в процессах конвективной сушки, предварительной СВЧ-сушки, обработки сиропом и завершающей СВЧ-сушки, а также использование отработанного теплоносителя рециркуляционного контура и замкнутого цикла системы.

Эксергетический и тепловой КПД предлагаемой аппаратурно-технологической схемы производства яблочных чипсов на основе комбинированной конвективно-СВЧ-сушки составляет, соответственно: г]е = 95,52 %, пт = 98,72 %, и превышает показатель известных технологий (базовый вариант при полном использовании пара — г]е = 41,52 %, г]т = 86,45 % ), что свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства предлагаемой линии за счет организации комбинированной конвективно-СВЧ-сушки в соответствии с кинетическими закономерностями процесса, использования отработанных теплоносителей, рециркуляционнных контуров и осуществления работы энерготехнологической системы в замкнутом цикле.

В шестой главе представлено описание разработанного тороидального аппарата непрерывного действия (рис. 17) с комбинированным конвективно^СВЧ-энергоподводом.

<?.? 7 27 18 6 13 20 К 21 8 9 15

Рис. 17. Тороидальный аппарат для производства яблочных чипсов:

I - корпус, 2 - бункер заг рузки, 3 - бункер выгрузки, 4 - секция подогрева сырья, 5 — секция конвективной сушки, 6 - секция гидротермической обработки

плодов, 7 - секция предварительной СВЧ-сушки, 8 - секция завершающей СВЧ-сушки, 9 - секция охлаждения, 10, 13, 14-трубопроводы,

II - вентилятор, ¡2 - калорифер, 15 - защитный участок, 16 - секционные рабочие камеры с амортизирующими буферами, 17,18,19 - приводы с

вариаторами, 20 - теплообменник, 21 - СВЧ-блоки с магнетронами, волноводами и антенными излучателями, 22 - СВЧ-ловушка, 23 - насос.

Определена длина волноводной камеры для комбинированной конвективно-СВЧ-сушки яблок, составляющая / = 0,025 м, при длине секции L = 0,26 м, площади одной пластины яблока S = 1,8510 Л м2, плотности яблок р = 829 кг/м3 и частоте СВЧ-генератора/= 2450 Гц.

Разработана ресурсосберегающая аппаратурно-

технологическая линия производства яблочных чипсов (рис. 18).

12 3 Í 11 5

Рис. 18. Аппаратурно-технологическая схема линии для производства яблочных

чипсов: 1 - емкость для исходного сырья, 2 - роторный питатель с весовым механизмом, 3 - сортировочно-инспекционный транспортер, 4 - моечная машина, 5 - калиброватель, 6 - ориентатор, 7 - машина для удаления семенного гнезда с устройством резки сырья на пластины, 8 - сульфитатор, 9 - комбинированный тороидальный аппарат, 10 - расфасовочно-упаковочный автомат, 11 — комплекс оборудования для гидратации сырья.

Проект ресурсосберегающей линии производства яблочных чипсов с производительностью по исходному сырью 1,5 т/ч подтверждает ресурсоэффективность, выраженную в снижении затрат электроэнергии при сушке продукции на 1,591 тыс. р по сравнению с конвейерной сушильной установкой СД-150. Предполагаемая экономическая эффективность составит в среднем 0,20 р. на рубль капитальных вложений.

Условные обозначения

р -плотность, кг/м^; и-влагосодержание, кг/кг; р -угол естественного откоса; Т — температура, К; г -время, мин; К-универсальная газовая постоянная; у -температурный коэффициент скорости реакции;

е" -коэффициент диэлектрических потерь; Лт -коэффициент массопроводиости, кг/ (м - с); с/у -интенсивность внутренних тепловых источников; а - температуропроводность продукта, м2/с; е - коэффициент фазового превращения; х, — температура теплоносителя в сушильной камере, (К); Хг-скорость потока теплоносителя, (м/с); Хз-мощность СВЧ-генератора, (Вт); х4 - высота слоя продукта, (м); у!-время процесса сушки, с; Уг — производительность по испаренной влаге, кг/ч; уз—удельные энергозатраты на килограмм готового продукта, (кВтч)/кг;

г]е, т]т - соответственно, эксергетический и тепловой КПД;

Основные выводы и результаты

1. Изучены яблоки как объект исследований и проведена систематизация полученных данных для производства яблочных чипсов. Определены структурно-механические свойства: установлено, что насыпная и истинная плотности пластин яблок с повышением влагосодержания снижаются; величина угла естественного откоса пластин яблок возрастает с увеличением влажности. Методом нестационарного теплового режима определены теплофизические характеристики яблочных чипсов для интервала температур 293...353 К.. Выявлено, что с повышением температуры удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности яблочных чипсов возрастают. В интервале значений влажности 7...85 % при температурах 293...363 К коэффициент диэлектрических потерь е" с повышением температуры снижается, а при увеличении влажности продукта возрастает.

На основе выполненного термического анализа определены характеристические температуры ступеней дегидратации, изменения органических кислот, деструкции веществ яблок и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений при испарении влаги с различным характером связи с материалом, а также кинетические характеристики процесса термолиза в виде: энергии активации, показателя реакции и предэкспоненциального множителя, температурного коэффициента скорости реакции для различных стадий процесса термолиза и сортов яблок, позволяющие осуществить способ по-стадийной комбинированной конвективно-СВЧ-сушки.

2. Разработана математическая модель процесса комбинированной конвективно-СВЧ-сушки яблок позволяющая рассчитать изменение температуры и влагосодержания в процессе сушки. По сравнительному анализу результатов аппроксимации расчетных и экспериментальных данных установлено, что их среднеквадратичное отклонение по абсолютному значению не превышало для температуры 2,5 % и для влагосодержания 9,5 %.

3. Изучены кинетические закономерности процесса сушки яблок с использованием перегретого пара и СВЧ - энергии при

скорости подачи потока теплоносителя (у=0,3...6,0 м/с) и мощности магнетронов (Р=100...600 Вт/кг).

4. Определены рациональные режимы процесса по-стадийной комбинированной конвективно-СВЧ-сушки с учетом характера связи испаряемой влаги с материалом и энергозатрат.

5. Проведена сравнительная качественная оценка полученных яблочных чипсов. Определены активность воды и антиоксидантная активность яблок, общий химический состав, аминокислотный, минеральный и витаминный составы свежих и высушенных по предлагаемой технологии яблочных чипсов. Установлено, что высушенные яблочные чипсы обладают высокими органолептическими свойствами и пищевой ценностью.

6. Разработаны ресурсосберегающий способ получения яблочных чипсов, конструкция аппарата непрерывного действия, аппаратурно-технологическая схема и линия производства яблочных чипсов с методикой инженерного расчета блоков и секций.

7. Составлена методика инженерного расчета блоков и секций оборудования влаготепловой обработки яблок, позволяющая сконструировать аппарат непрерывного действия для производства яблочных чипсов.

8. Выполнены тепловой и эксергетический анализ предлагаемой технологии производства яблочных чипсов. Эксергетический и тепловой КПД предлагаемой аппаратурно-технологической схемы производства яблочных чипсов на основе комбинированной конвективно-СВЧ-сушки составляет, соответственно, т]е = 95,52 %, Пт = 98,72%, и превышает аналогичный показатель известных технологий (базовый вариант при полным использованием пара - ,,е=41,52%, пт= 86,45 %), что свидетельствует о

повышении степени термодинамического совершенства предлагаемой линии.

9. Проведены экспериментально-производственные испытания: способа получения яблочных чипсов на ООО «Пищекомбинат Россошанский», и СВЧ-сушке яблок на ЗАО «Центрально-Черноземная Плодово-Ягодная компания».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пат. К» 2483571 РФ, М ПК7 А 23 Ь 01/025, А 23 Ь 1/064. Тороидальный аппарат для производства плодоовощных чипсов {Текст] / Калашников Г.В., Литвинов Е.В.; заявитель и патентообладатель ВГУИТ - № 2012100586/12; Заявлено 10.01.2012; Бюл.№ 16,-2013.

2. Калашников, Г. В. Структурная модель расчета оборудования влаготепловой обработки сыпучих пищевых продуктов [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов, М. Н. Расгегаев// Вестник «ВГГА». - 2010. -№ 1.-С. 99-103.

3. Калашников, Г. К Программно-логический алгоритм управления процессами гидратации и сушки плодоовощного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, А. А. Шевцов, Е. В. Литвинов// Весшик «ВГТА». - 2011. -№ 1. -С. 89-93.

4 Калашников, Г. В. Кинетика СВЧ - сушки яблок [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов// Вестник «ВГУИТ». - 2012. - X» 2.- С. 40-42.

5. Калашников, Г. В. Анализ свойств яблок на основе применения термоаналитических методов [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Пищевая промышленность. Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 11. - С. 28-31.

6. Калашников, Г. В. Нестационарносгь тепловых полей пластины при пере-

менном влагогепловом вдадействии [Текст] / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов, М.Н. Рас-тегаев // Актуальные проблемы сушки и термовлажносгной обработки материалов, ГОУ ВПО «ВГЛТА». -Воронеж, 2010. -С. 210-212.

7. Калашников, Г. В. Алгоритм проектирования оборудоваїпм влаготешіовой обработки сыпучего растительного сырья (Текст] / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов, М.Н. Растегаев // Актуальные проблемы сушки и термовлажносгной обработки материалов, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2010. -С. 213-215.

8. Калашников, Г. В. Оборудование для гидратации и сушки пищевого растительного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, ЕВ. Литвинов // СЭТТ - 2011, Том 1. - Москва, 2011.-С. 429-431.

9. Лігтшінов, Е. В. Определение антиоксидантов в яблоках сорта «Антоновка» ампериметрическим методом [Текст] / Е.В. Литвинов // Материалы Международной па-учно-технической конференции «Производство продуктов для здоровья человека - как составная часть наук о жизни». - Воронеж, 2012. - С. 577-582.

10. Калашников, Г.В. Механизм влагоприращения при влаготспловой обработке продукта [Текст] / Г.В. Калашішков, Е. В. Литвинов, М. Н. Растегаев И Материалы Ш международной научно-техн. конф.: «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» В 3 т., Т.2. ВГТА - Воронеж, 2009. —С. 241-242.

11. Калашников, Г.В. Основные зависимости для интенсивности и скважности пара при осциллированной влаготепловой обработке продуктов [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов, М. К Растегаев // Материалы III международной научно-техн. конф.: «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности» В 3 т., Т.2. ВГГА - Воронеж, 2009. - С. 243-245.

12. Калашников, Г.В. Анализ ограничений при оптимизации влаготепловой обработки сыпучего пищевого растительного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов, М. Н. Растегаев // Матер. II Междунар. науч.-техн. конф: «Новое в технологии и технике пищевых производств» / ВГТА- Воронеж, 2010. - С. 479-482.

13. Калашников, Г.В. Особенности комбинированной влаготепловой обработки плодоовощного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов, М. Н. Растегаев // Матер. II Междунар. науч.-техн. конф: «Новое в технологии и технике пищевых производств» / ВІ ТА- Воронеж, 2010. - С. 482^83.

14. Калашников, Г.В. Оценка устойчивости системы при влаготепловой обработке плодоовощного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, АН. Остриков, Е. В. Литвинов, М. Н. Растегаев // Матер. П Междунар. науч.-техн. конф: «Новое в технологии и технике пищевых производств» / ВГГА- Воронеж, 2010. - С. 483-486.

15. Калашников, Г.В. Проектный расчет секций влаготеплового оборудования [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов, М. Н. Растегаев // Материалы ХЬУШ отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГТА за 2009 год: В 3 ч. Ч.2У ВІТА -Воронеж, 2010. -С. 147.

16. Калашников, Г.В. Конструкция секции СВЧ-сушки [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы международной научно-технической интерь-я^конференции («ЭПАХПП - 2011») «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» - Воронеж: ВГТА 2011. - С. 206-211.

17. Калашников, Г.В. Система управления процессом комбинированной СВЧ-сушки плодоовощного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы международной научно-технической интернет-конференции («ЭПАХПП — 2011») «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» -Воронеж: ВГГА 2011. - С. 449-453.

18. Калашников, Г.В. Физическая модель гидратации и сушки плодоовощного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы ХЫХ отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГТА за 2010 год: В 3 ч. Ч2J Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж, 2011. - С. 145.

19. Калашников, Г.В. Методика расчета комбинированного оборудования

непрерывного действия для влагогепловой обработки плодоовощного сырья с СВЧ-энергоподводом [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы Международной научно-практической конференции: «Техника и технологии: пупі инновационного развития»; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. - С. 76-78.

20. Калашников, Г.В. Энергосберегающая конвеетивно-СВЧ-сушка плодоовощного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Техника и технологии: пути инновационного развили [Текст]: материалы Международной научно-практической конференции; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. -С. 78.

21. Литвинов, Е. В. Тороидальный аппарат для производства чипсов из плодоовощного сырья [Текст] / Е.В. Литвинов // Всерос. науч. - практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: «Инновационные технологии и материалы (ЙТМ-2011)»: сб. докл.. Воронеж: ФГБОУВПО «ВГТУ», 2011.213 с.-с. 116-118.

22. Калашников, Г.В. Разработка экспериментальной установки для исследования влагогепловой обработки пищевого растительного сырья [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Лигвиноа П. С. Бабич // Материалы студенческой научной конференции за 2011 год [Текст]/ ВІТА,- Воронеж, 2011.-431 с.-с.369.

23. Калашников, Г.В. Определение характеристических температур яблок на основе дериватографической кривой [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы Ь отчетной научной конференции за 2011 год: В 3 ч. 4.2. / ВГУ ИТ-Воронеж. 2012. -160 с. - а 25.

24. Калашников, Г.В. Проектирование волноводной камеры комбинированной СВЧ-сушилки непрерывного действия (Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы Ь отчетной научной конференции за 2011 год: В 3 ч. 42. / ВГУИТ-Воронеж,2012.-160с.-с. 124-125.

25. Калашников, Г.В. Эксерго-экономический показатель эффективности для проектирования оборудования влагогепловой обработки [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям»: В 3 ч. Ч. 1У Воронеж, гос. ун-т инж. технол. - Воронеж, 2012. - 218 с. - с. 112-114.

26. Калашников, Г.В. Определение качественных характеристик яблочных чипсов при адаптации к машинным технологиям [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы международной научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям»: ВЗ ч.41./Воронеж.гос.ун-тинж.технол.-Воронеж,2012.-218с.-с. 154-157.

27. Калашников, Г.В. Энфгорссурсосберегаюшая линия производства плодоовощных чипсов [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов // Материалы международной научно-технической конференции ((Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям»: В 3 ч. ЧЗУ Воронеж, гос. ун-т инж. технол. - Воронеж, 2012. - 218 с. - с. 184-186.

28. Калашников, Г.В. Термический анализ местных сортов яблок [Текст] / Г.В. Калашников, Е. В. Литвинов, П. С. Бабич // Материалы студенческой научной конференции за 2012 год [Текст]/ Вор. гос. ун-т инж. технол.- Воронеж, 2012.-507 с.-с. 61.

Подписано в печать 31.05.2013 г. Формат 60x84 /16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ! ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технолошй» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

04201360550

На правах рукописи

ЛИТВИНОВ Евгений Викторович

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ КОНВЕКТИВНО - СВЧ - СУШКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЯБЛОЧНЫХ ЧИПСОВ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Г. В. Калашников

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................7

Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии сушки плодоовощного сырья................................................................12

1.1. Общая характеристика яблок..............................................12

1.1.1. Цитологическое исследование микроструктуры яблок..............15

1.1.2. Физико-химические характеристики яблок............................18

1.1.3. Технологические характеристики яблок...............................20

1.1.4. Сушеные плоды и предъявляемые к ним требования................22

1.2. Краткий обзор современной техники и технологии производства сушеных яблок...............................................................................24

1.3. Способы и аппараты для сушки пищевых продуктов с использованием СВЧ - энергоподвода.................................................................33

1.4. Особенности воздействия электромагнитного СВЧ-поля на качественные показатели пищевых продуктов.............................................42

1.5. Анализ существующих подходов к математическому описанию переноса теплоты и массы при сушке продуктов в СВЧ-поле.......................47

1.6. Анализ литературных данных...............................................55

Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования районированных сортов яблок..............................................................58

2.1. Свойства яблок как объекта конвективной и СВЧ сушки.............58

2.2. Определение свойств яблок для научно-практического анализа процесса сушки...................................................................................60

2.2.1. Определение угла естественного откоса.................................61

2.2.2. Определение истинной и насыпной плотности пластин яблок районированного сорта «Антоновка»........................................................63

2.2.3. Определение коэффициента диэлектрических потерь яблок.......65

2.2.4. Исследование теплофизических характеристик яблок...............68

2.2.5. Активность воды яблок.....................................................74

2.2.6. Дифференциально-термический и термогравиметрический анализы яблок........................................................................................76

Глава 3. Математическое моделирование процесса СВЧ - сушки яблок.89

3.1. Физическая модель влаготепловой обработки яблок...................89

3.2. Постановка задачи моделирования процесса сушки частицы прямоугольного поперечного сечения.........................................................92

3.3. Численное решение задачи...................................................96

3.4. Описание и алгоритм решения...............................................98

3.5. Результаты численного решения..........................................101

3.6. Моделирование процесса комбинированной сушки слоя яблок...........104

3.6.1. Постановка задачи.........................................................104

3.6.2. Программа моделирования процесса комбинированной сушки слоя яблок...................................................................................108

3.6.3. Анализ результатов моделирования.....................................111

Глава 4. Экспериментальная установка и методика осуществления

экспериментальных исследований..................................................114

4.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента... 114

4.2. Математическое планирование и обработка результатов эксперимента. Исследование кинетики процесса СВЧ-сушки.............................123

4.3. Исследование гидродинамики процесса сушки яблок...............131

4.4. Анализ и обработка результатов эксперимента........................131

4.5. Способ промышленного производства яблочных чипсов............134

4.6. Анализ качества готового продукта.......................................137

4.7. Определение антиоксидантов в яблоках сорта «Антоновка» ампери-метрическим методом.....................................................................140

Глава 5. Энергосберегающая технология производства фруктовых чипсов.......................................................................................144

5.1. Аппаратурно-технологическая схема производства яблочных чипсов на основе комбинированного конвективно - СВЧ - энергоподвода............145

5.2. Методика расчета эксергетических затрат процесса получения яб-

лочных чипсов..................................................................................149

5.3. Эксергетический анализ аппаратурно-технологических схем производства яблочных чипсов по предлагаемому и базовому вариантам...........155

Глава 6. Осуществление машинно-аппаратурной технологической схемы производства фруктовых чипсов...........................................167

6.1. Тороидальный аппарат для производства яблочных чипсов...........167

6.2. Структурная модель расчета тороидального аппарата для влаготеп-ловой обработки сыпучих пищевых продуктов.....................................174

6.3. Проектирование волноводной камеры комбинированной СВЧ-сушилки непрерывного действия......................................................177

6.4. Расчет блоков СВЧ-сушки и определение расхода сушильного агента. 180

6.5. Эксерго-экономический показатель эффективности для проектирования тороидального оборудования для влаготепловой обработки сыпучего растительного сырья.................................................................................................182

6.6. Аппаратурно-технологическая схема производства плодоовощных чипсов и переработки яблок......................................................................185

6.7. Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования тороидального аппарата непрерывного действия с комбинированным конвективно-СВЧ-энергоподводом в линии по производству яблочных чипсов....................190

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................198

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................215

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................216

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................226

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................239

ПРИЛОЖЕНИЕ 4................................................................257

ПРИЛОЖЕНИЕ 5................................................................272

ПРИЛОЖЕНИЕ 6................................................................288

ПРИЛОЖЕНИЕ 7................................................................300

ПРИЛОЖЕНИЕ 8................................................................312

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с1 - диаметр, м;

2) - коэффициент диффузии, м2/с; Е - энергия, Дж; к - высота слоя, м; т - масса, кг; г) - скорость, м/с;

е - коэффициент фазового превращения; коэффициент диэлектрических потерь; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); г - удельная теплота парообразования, Дж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Р, 0 - мощность внутренних источников теплоты, Вт; р - плотность, кг/м3; р -парциальное давление, Па; к - поглощение СВЧ - энергии;

а- коэффициент температуропроводности, м2/с; коэффициент теплообмена,

Вт/(м -К); степень превращения веществ;

^-коэффициенттеплопроводности, Вт/(м-К);

и - влагосодержание, кг/кг;

Т, ? - температура, К; °С;

СВЧ - сверхвысокая частота;

ЭМП - электромагнитное поле;

ГТО - гидротермическая обработка;

т - время, с, мин, ч;

А - разность, приращение;

Р - угол естественного откоса, град;

Безразмерные числа, критерии

Яе - число Рейнольдса; Ии - число Нуссельта; Аг - число Архимеда;

Lu - критерий Лыкова; Fe - критерий Федорова; Рп - число Поснова.

Индексы

max - максимум; min - минимум; н - начальное; к - конечное; кр - критическое; пр - продукт; Т - теплоноситель; ср - средняя;

ВВЕДЕНИЕ

Фрукты являются одним из наилучших источников витаминов, минеральных веществ и микроэлементов, которые нормализуют жизнедеятельность организма человека, имеют лечебные свойства и оказывают содействие профилактике заболеваний. По данным Российской академии медицинских наук норма потребления фруктов должна быть 90... 120 кг в год на человека. В России объем потребления фруктов значительно отличается от западного. Сегодня средний уровень потребления фруктов в России равен 32 кг (в Москве до 60 кг). Это в разы меньше, чем в других странах. Для сравнения в Австралии ежегодно на каждого человека приходится 135 кг фруктов, в США 126 кг.

Одним из самых популярных фруктов в России являются яблоки, составляющие треть нашего фруктового рациона - до 13 кг в год на человека.

Яблоки и продукты их переработки обладают ценными свойствами. В них содержатся: легко усваиваемые сахара, фруктовые кислоты, дубильные и ароматические вещества, придающие плодам приятный вкус, витамины, пектиновые вещества, обладающие способностью выводить из организма тяжелые металлы и ядовитые соединения, образуемые в кишечнике гнилостными бактериями.

По данным Минсельхоза на долю России приходится 23 % мирового импорта яблок (около 9 млн тонн за прошлый год). Недостаток потребности в продукции восполняется за счет ввоза яблок из Китая, Польши, Америки, Канады и Японии [164].

Однако большинство жителей России отдают предпочтение отечественным фруктам, так как они являются экологически чистыми, более богаты биологически активными веществами и витаминами, а также имеют низкую стоимость в сравнении с импортными.

В то же время, высокие потери продукции на всех стадиях товародвижения, слабая индустрия хранения и переработки плодов в местах их использования тормозят развитие отрасли в регионах (потери яблок в Воронежской области составляют примерно 20 % от валового сбора) [166, 167].

Рациональное решение вопросов по послеуборочной переработке фруктов: сушка, сортировка, упаковка и т.д., позволят существенно повысить конкурентоспособность продукции и получить больший доход.

Яблоки являются отличным сырьем для различных видов переработки. Из яблок получают мармелад, варят повидло, джем, варенье. Производят соки, сиропы и эссенции, квасы, сидр, яблочные вина.

Также, одним из видов переработки является сушка, в результате которой получаются не только сухофрукты, но и яблочные чипсы.

В данной работе в качестве объекта исследования предложено использовать яблоки местных районированных сортов «Антоновка», «Синап» и «Богатырь», которые соответствовали требованиям действующего ГОСТ 27572-87 «Яблоки свежие для промышленной переработки» [19].

Актуальность работы. Совершенствование процесса сушки плодов - одна из важнейших задач для пищевой промышленности, что обусловлено низкой степенью переработки сырья.

Мировое производство яблок в 2012 г оценивается в 65,23 млн т. Этот объем на 4% выше, чем в предыдущем году и на 11 % больше по сравнению со средним показателем за последние пять сезонов. Объем валового сбора яблок в Воронежской обл. составляет около 93,4 тыс. т., потери от валового сбора - 18,7 тыс. т., объем производства сушеных яблок - 0,46 тыс. т. (0,53 % от валового сбора) и производства продукции из яблок 7,5 тыс. т (8,02 % от валового сбора) [166,167].

Яблочные чипсы являются высококачественным продуктом питания, обладают высокими диетическими и вкусовыми свойствами. Они сделаны из натуральных яблок путем сушки, без использования обжаривания и масла, по сравнению с картофельными чипсами. Благодаря ценным питательным свойствам данный яблочный продукт популярен на мировом рынке. В настоящее время продолжительность процесса сушки при производстве яблочных чипсов составляет 4-^4,5 часа.

Фундаментальные работы в области изучения СВЧ-энергии представлены И.В Лебедевым, Ю.Н. Пчельниковым, В.Т. Свиридовым. Работы по исследованию плодоовощного сырья, созданию методов определения теплофизических характеристик и их анализа, сушке яблок выполнены Г.М. Кондратьевым, A.B. Лыковым,

А.Ф. Чудновским, Г.Н. Дульневым, Г.И. Красовской, М.А. Громовым, A.C. Гинзбургом, И.Т. Кретовым, Г.М. Никаноровым и др.

Повышение термодинамического совершенства сушильного оборудования представляет собой комплексную задачу, включающую обеспечение высокого качества готовой продукции, снижение металлоемкости, тепловой и электрической энергии, повышение экономической эффективности, обеспечение безопасности жизнедеятельности персонала и охраны окружающей среды.

Цель диссертационной работы: научное обеспечение процесса комбинированной конвективно-СВЧ-сушки при производстве яблочных чипсов, создание принципиально нового оборудования и высокоэффективного ресурсосберегающего способа получения яблочных чипсов, вследствие использования по-стадийных режимов влаготепловой обработки и повышения качества яблочных чипсов.

Научная новизна. На основании обобщения и анализа данных, предложен ресурсосберегающий способ производства яблочных чипсов. Изучены кинетические закономерности комбинированной конвективной и СВЧ-сушки яблок. Предложена математическая модель по-стадийного осуществления процесса комбинированной непрерывной сушки.

В результате дифференциально-термического и термогравиметрического анализа яблок, определены характеристические температуры ступеней дегидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, сопровождающихся испарением влаги.

Получены кинетические характеристики дегидратации, изменения органических кислот и деструкции веществ яблок: энергия активации, показатель реакции, предэкспоненциальный множитель и температурный коэффициент скорости реакции для различных стадий процесса и сортов «Антоновка», «Синап» и «Богатырь».

Выявлены, сформулированы и описаны основные закономерности тепло- и массообмена в процессе по-стадийной комбинированной конвективно-СВЧ-сушки.

Определен химический состав, качественные показатели, пищевая ценность и антиоксидантная активность исходных яблок и полученных яблочных чипсов.

Определена степень термодинамического совершенства отдельных блоков и разработанной аппаратурно-технологической схемы производства яблочных

чипсов, а также предложены направления совершенствования оборудования с целью сокращения эксергетических затрат.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2483571 и двумя положительными решениями по заявкам на предполагаемое изобретение (№ 2012104280, № 2012127498).

Практическая значимость. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, обоснованы рациональные конструктивные и технологические параметры режимов процесса сушки яблок.

Предложен способ комбинированной конвективно-СВЧ-сушки яблок, при котором достигается равномерная обработка продукта вследствие попеременного влаготеплового воздействия потоком пара, СВЧ-энергии и увлажнения; повышение качества готового продукта за счет использования по-стадийного комбинированного осуществления конвективно-СВЧ-сушки с учетом кинетических закономерностей процесса, рационального гидродинамического режима слоя дисперсного продукта, снижения отрицательного влияния термического процесса на термолабильный продукт и обеспечения высокой пищевой ценности готового продукта, а также использования «мягких» температурных и «щадящих» режимов.

Спроектирован аппарат непрерывного действия для по-стадийной комбинированной конвективно-СВЧ-сушки растительного сырья.

Разработана аппаратурно-технологическая схема и линия для производства яблочных чипсов.

Получен пищевой продукт с гармоничным сочетанием органолептических свойств чипсов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012), (Москва, 2011), (Курск, 2011); отчетных научных конференциях ВГТА за 2009-2011 гг; отчетных научных конференциях ВГУИТ за 2012 г.

Научная работа отмечена грамотой международного научно-технического семинара к 100-летию А.В. Лыкова «Актуальные проблемы сушки и термовлаж-ностной обработки материалов» и Комитета РосСНИО по проблемам сушки и термовлажностной обработки материалов (Москва, Воронеж, 2010).

Результаты работы демонстрировались на выставках и были награждены: сертификатом за участие в отборочном туре Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ (Белгород, 2011); дипломом за лучшую научную работу III Общероссийской студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2011»; двумя дипломами III Воронежского агропромышленного форума (Воронеж, 2011); грамотой на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (Воронеж, 2011); двумя дипломами на V Воронежском промышленном форуме (Воронеж, 2012); дипломом 29-й межрегиональной специализированной выставки «Пищевая индустрия» (Воронеж, 2012).

Работа выполнялась в рамках НИР «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования для их реализации на основе новых теоретических и экспериментальных данных по гидродинамике, кинетике и тепломассообмену» в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной Ро