автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Оптимизация режимов сушки сырокопченых колбас на основе эксергетического анализа процесса

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

Ил правах рукописи

Ноздрнн Вадим Станиславович

И

е

УДК 637.523:519.872.7

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ СУШКИ СЫРОКОПЧЕНЫХ КОЛБАС НА ОСНОВЕ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССА

Специальное!ь 05.1л. - Проценты и апи.ф.ны (мшевыч прейшс/.ст

Автореферат диесер!ации на соискание >чсной стслаш кандидата технических наук

Москва -1996 г.

Работа выполнена в Московской Государственной академии прикладной биотехнологии (МГАПБ J,

доктор технических наук, профессор A.B. Лыкова

кандидат технических наук, JI.B. Куликовская

доктор технических наук, профессор H.H. Мизерецкий

кандидат технических наук, Е.М. Агарев

Ведущее предприятие: Открытое Акционерное Общество

" Царицыно"

* Защита диссертации состоится " 2 &'/и^О/О- "199£г. в 'г часов на заседании диссертационного Совета К 063.46.01 в Московской Государственной академии прикладной биотехнологии по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПБ.

Автореферат разослан ".

Научный руководитель

Научный консультант Официальные оппоненты

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат-технических наук, доцент

Забашта А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшей задачей, стоящей перед мяс-эй промышленностью, является обеспечение населения высококачвст-энными продуктами питания, среди которых особое место занимают прокопченые колбасы. Сырокопченые колбасы являются деликатесным родуктом, который характеризуется высокой питательной ценностью длительным сроком хранения. Высокая пищевая ценность, длитель-зя стойкость, при.хранении- определяют объемы производства этих родуктов как для местного потребления, так и для транспортировки отдаленные районы. Следует, однако, отметить, что увеличение Зьемов производства сырокопченых колбас сдерживается трудоемкос-ью и длительностью их изготовления. - _

В последние годы, благодаря исследованиям Рогова И.А., Хо-эльского В.В., Слепых Г.М., Цветковой H.H., Шеффнера Э., Хаге-эрна В., Оппеля И. и других, разработаны пути интенсификации роизводства сырокопченых и сыровялевдх колбас. Среди них следует гметить ускорение созревания фарша путем направленного использо* эния бактериальных стартовых культур, Сахаров и других добавок, зкращение продолжительности сушки, а также введение в рецептуру злков сои, казеината натрия и молочной сыворотки.

Несмотря на это, производство сырокопченых колбас является рудоемким процессом, требующим больших энергетических затрат. Узким местом" производства сырокопченых колбас является прсц-эсс' ушки. Длительность процесса удаления влаги снижает проигЕсди-эльность сушильных камер, а постоянно растущая стоимость энерго-эсктелей увеличивает себестоимость готовой продукции.- В связи с тим снижение энергозатрат при обеспечении высокого качества го-эвого продукта является актуальной проблемой производства зырс-

эпченых.колбас.. - - ■ - ..... '

Основу процесса сушки составляют внешний и внутренний массо-эренос. Анализ научно-технической информации показал, что иссле-эвашпо закономерностей массопереноса били посвящены работу. мно-их авторов. Большой Еклад в изучение массопереноса Енеслп A.B. иков, A.C. Гинзоург, В.В. Красников, A.B. Лыкова, H.H. ЗДздрец-ий, -Б.С. Еабакин-.

Однако, информация об оптимизации процессов внешнего й внут-еннего массопереноса при суаке колбасных изделий при минимальных вергетических затратах отсутствует. отсутатвукт такхе езздьния / ' ~

о математическом описании оптимальных процессов сушки сырокопче них колбас при минимальных энергозатратах. Вышеизложенное опреде ляет актуальность настоящей работы, ее цель и задачи.

Цель и задачи исследований. Целью данной работы являете оптимизация режимов сушки сырокопченых колбас й минимизавд энергозатрат.

Для достижения поставленной цели требовалось:

- разработать экспериментальную установку для проведет' исследований процесса сушки в широком диапазоне параметров вог душого потока;

- изучить свойства различных веществ, характеристики которь близки к свойствам исследуемого продукта и, на этой основе, выс рать модельную среду для исследования кинетики сушки;

- создать прибор для мределения распределения влагосодержа ния по толщине колбасного оатона;

- исследовать влияние параметров воздушного штока и свойст продукта на процесс сушки сырокопченых колбас;

- используя многофакторный анализ, разработать математичес кую модель, позволяющую рассчитывать и прогнозировать оптимальны режимы сушки; .

- на основе эксергетического анализа разработать математи ческую модель, обеспечивающую минимизацию энергозатрат при опта мальных режимах сушки колбас.

Научная новизна. Предложена модельная среда для'йсследовани процесса сушки, свойства которой, близки к свойствам обьекта ис следования.

Изучено .влияние внешних факторов на кинетику процесса сушки Определены доминирующие факторы, позволяющие изучить закономер ности внутреннего массопереноса, а также его связь с всздействи ем внешней среда.

Разработана математическая модель, на основе которой рассчи тывайтся и прогнозируются оптимальные режимы сушки.

На базе анализа эксергий воздушных потоков разработана мате матическая модель, позволяющая минимизировать энергозатраты пр оптимальных режимах сушки сырокопченых колбас.

Разработан прибор для измерения распределения вдагосодержа ния по диаметру Оатона.

Практическая ценность работы. На основании теоретических и ;сперименталышх- исследования создана методика инженерного рас-та процесса сушки сырокопченых колоас. Разработанная математи-ская модель позволяет оптимизировать процесс сушки сырокопченых доас при получении продукта высокого качества.

Математическая модель, основанная на эксергетическом анализе оцесса обеспечивает минимизацию энергетических затрат при про-еодетве сырокопченых колоас. ........

Спроектирован и изготовлен опытный образец приоора для кон-оля кинетики внутреннего иэссопереноса.^

Реализация результатов работы в промышленности позволит почить экономический эффект, равный ■ 325000 кВт*ч энергии в год я сушильной камеры емкостью &320 кг влажного продукта.

Апробация работы. основные результаты работы изложены в че-рех докладах, представленных на Региональную научно-техническую нференцию "Современные проолемы вентиляции и экологической бе-пасности промышленных .„и сельскохозяйственных "зданий."(Оанкт-тербург, 1992 г.), на Республиканскую научно-техническую кон-ренцию "Проблемы энергетики теплотехнологии в отраслях АПК, рераОатыЕащих растительное сррье."(Москва, 1994 т.), на Между-редную научно-техническую конференцию "Прикладная биотехнология пороге XXI века." (Москва, 1995 г.).

Публикации, основные положения диссертации опубликованы в 6 чатных работах.

Обьем и структура диссертации. Диссертация- изложена на 181 ранице - машинописного текста и состоит из введения, четырех зв, выводов, списка использованной литературы ( 164 наимено-ния) и.приложений. Работа содержит 58. рисунков, м таблицы, приложения.

Автор защищает. :

1. Математическую модель, описывающую внешний и внутренний ссоперенос при заданных-режимах сушки.. -• - .•

2.' Математическую модель оптимизации параметров воздушного тока в сушильной камере.

3. Результаты экспериментальных'и аналитических исследований оптимизации режимов сушки и. минимизации энергозатрат..

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосчвана актуальность работы, показана научна новизна и практическая ценность ее для мясной промышленное? страны. Изложены цель .и задачи исследования, приведены основны научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Анализ современного состояния теории и прак теки сушки сырокопченых'колбас." приведен обзор и дан анализ ра бот, посвященных исследованию процесса сушки, а также рассмотре ш публикации, содержащие сведения о сушке сырокопченых колбас.

Показано, что в разработке теории сушки большую роль сыграл научные исследования A.B. Лыкова. В связи с тем, что процесс суш ки представляет собой тепло-массообмен, особое внимание уделен основам теории переноса теплоты и массы в различных телах. Ис следования тепло- и массообмена. в капиллярно-пористых телах поз водили A.B. Лыкову разработать фундаментальную теорию сушки

Анализ научных исследований, выполненных различными авторам за последние 20 лет, позволили детально ознакомиться с особенное тями их работ и определить пути научного поиска.

Из публикаций, посвященных совершенствованию технологии про изводства сыровяленных колбас следует отметить работы Рогов. И.А., Хорольского В.В., Цветковой H.H., Слепых Г.М.. Использу; влияние отдельных факторов на качество сырокопченых и сыровялены колбас, авторы показали возможности интенсификации производств колбас.

Из работ, выполненных в последнее Еремя следует отметит: исследования Лыкоьой A.B., Обливиной В.Н., Агарева Е.М., Стефан чука В.И.. В этих работах исследованы термодинамические параметр: массопереноса в мясных и колбасных изделиях, раскрыта специфик микроклимата камер-сушилок колбас, обоснованы условия для созда ния рациональных воздушных потоков в камерах, а также определен эффективные размеры сопел в них-.

Воздействию относительной влажности воздуха, величины РН скорости Еоздуха и его температуры на качество колбасных издали; посвящены исследования Штибинга А., Ределя В.,' Клеттнера П.-Ж. Анализ itTiix работ показал, что .они акцентированы исключительно а решение 'проблемы улучшения органолептикеских свойств продукта.

Анализ литературных данных показал, что процесс сушки може'

ыть описан как системой дифференциальных уравнений, так и кри-ериалънши зависимостями. Следует однако, отметить, что аналити-еский метод описания" кинетики сушки не позволяет-достаточно точ-:о описать этот процесс, что обусловлено целым рядом допущений, ринимаемых в условиях однозначности. Использование критериальных ависимостей требует в каждом конкретном случае знания численных наченмй критериев, BI', Fo', Lu, Ко,. Рп, определение которых редставляет значительные трудности из-за отсутствия конкретных изических величин, входящих в них. -

A.M. Бракниковым предложен метод аналитического расчета рас-ре деления влажности по ■ тол^ике батона. 'Им предложены уравнения ;ля определения коэффициента диффузии влаги, а также коэффициента лагообмена, что 'позволило определять оптимальные значения от-осительной влажности воздуха при сушке. Такой подход дает воз-южность достаточно точно списать начальную стадию процесса суш-:и. Следует отметить, что .существующие метода описания кинетики ушки не позволяют прогнозировать и оптимизировать процесс сушки.

• Проблеме термодинамического совершенства технических систем зосвящен 1 -целый- ряд "" работ. Большой интерес " представляют ^следования Бродянского .В.М., Верхивкера Г.П., Калининой Е.И., Калинина Н.В., Сорина М.В., посвященные термодинамической 'Пткмизашт технических систем, где они изучают вариантный, труктурный и структурно-вариантный подход к решению задачи оптимизации. Также интересны их работы по технико-экономическим ксергетическим расчетам и по изучению осооенностей и классифи-:ации эксергетич^ских номограмм и диаграмм.

Однако,, в.доступной'нам литературе отсутствуют данные как об ксергетическом анализе сушильных установок, являющихся термо-даамическими системами, так и воздушных потоков, представля&шк -■оОой рабочее тело. в. них. определенный интерес представляют ноле дования Прохорова В.И. и Шилклопера С.М., в которых рассмат-мваются принципы определения эксергии потека влажного воздуха. [а основе функционального анализа эксергии потоков влажного воз-уха, воды и льда,' ими разработаны номограммы для определения «сергии влажного воздуха. •

Эти исследования, однако, не связаны с анализом эксергий юздушных потоков в сушильной камере. Не установлена связь между оптимальными процессами сушки.и .минимумом энергетических затрат, определяемых на основе эксергетического анализа воздушных пото-

ков.

С учетом вышеизложенного обоснованы цеди и задачи кселедова

ЕЕЯ.

Во второй главе "Методика исследования" описана эксперимен тальная установка, а также изложена методика проведения зкспери ментов по определению влияния внешних и - внутренних факторов н кинетику процесса сушки.

Экспериментальная часть,,работы выполнена на кафедре физик Московской Государственной академии прикладной биотехнологии. • Дл проведения экспериментальных исследований была создана установка схема которой представлена на рисунке I.

Она состоит из термоизолированной камеры <Д) вместимость 0,16 куб.м,- в которой размещались исследуемые образцы колбасны. изделий. Термоизолированный корпус камеры для сушки колбас ос нащен холодильным агрегатом (2), предназначенным для поддержана, заданных температур в рабочем обьеме камеры.

Для контроля температуры в камере использовали термогра типа М-16А с биметаллическим чувствительном элементом (3).

Изменения относительной влажности воздуха в рабочем обьем( камеры регистрировали гигрографом М-21А (4).

Настройку термографа и гигрографа производили зспирационны! психрометром МВ-4М, отвечающим требованиям эксперимента..

Циркуляцию воздуха в рабочем обьеме камеры осуществляли < использованием вентилятора Вй-2 с числом оборотов 2000 в минут? (5). Для изменения скорости движения воздушного потока в камер« использовали сменные крыльчатки.

Скорости воздушных потоков у образцов в камере измеряли анемометром ПА-1 с погрешностью измерения - 3 '%. Увлажнение воздух; в камере производили специальным устройством, оснащенным емкость» с водой (6). Подсушку воздуха в камере производили силикагелем, помещаемым в специальную емкость (7)". Температуру в камере регулировали электромагнитным реле ЗРДТ (8), в цепь которого включе! контактный термометр типа ТПК (9). Для обеспечения работы электромагнитного, реле использовали блок питания (10).

. Потерю массы образцов, помещенных в камеру контролировал!' техническими весами типа В А-4 .с допустимой погрешностью 10 мг. Е связи с тем, что на скорость перемещения влаги в образце существенное влияние оказывает концентрация водородных ионов, ее величину измеряли милливольтметром типа РН-150.

Рис.1 Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования кинетики процесса сушки колоас.

Для контроля за распределением и изменением влагосодержзния. »ми^ спроектирован и изготовлен'специальный'прибор, состоящий из юора датчиков, помещаемых нз фиксированную глубину. Приоор ос-яцен специальным устройством, позволяющим измерять влагссодерка-ге в нескольких образцах. Индикатор работает на постоянном токе диапазоне напряжений от I до у вольт. Напряжение в цепи измеря-[ авометром Ц4352 с погрешностью измерения Для измерения

шы тока в цепи .прибора. использовали миллиамперметр М У06 с [ассом точности 1,5.

В ходе эксперимента изучали' особенности внешнего и внутрея->го. массопереноса при сушке колбасных изделий. При разработке тодики исследований учитывали их взаимосвязь в процессе сушки.

Принимая во внимание экономические соображения, а также

технические трудности проведения всех экспериментов на натуральном Сырье, нами изучена возможность использования для этой цел: модельных сред. Рассмотрение физических свойств различных Еещест] позволило сделать выбор тех из них; сочетание свойств которых близки к свойствам колбасного фарша. Таким образом, эксперимент] проводили в основном на модельных средах, а контрольные исследования - .на натуральных образцах.

Для исследования использовали модельную среду, свойства которой близки к свойствам мясного фарша. В состав модельной сред входили следующие компоненты : тесто (40 %), древесные опилки ( ' %), целлюлоза измельченная ( 5 %), песок ( 42 %), соль (3 %) масло моторное ( 3 %).

Мясопродукта, с- точки зрения теории тепло- и массообмен классифицируются как-коллоидные капиллярно-пористые тела. Тесто модельных образцах имитирует коллоидные свойства фарша. Опилки ■Песок создают пористую структуру среды.

В связи с тем, что мясо является биополимером, введение среду измельченной целлюлозы - позволяет придзть ей полимерны свойства. Моторное масло в модельных средах создает необходиму жирность. Соль добавляли в количествах, определяемых технологи ческой -инструкцией.

Воздействие внешних факторов на кинетику сушки учитывал влиянием относительной влажности, скорости движения и температур воздуха в процессе сушки. Влияние внутренних факторов определял влагосодержанием, величиной'РН, а так же проводимостью капилля ров.

Для определения влияния относительной влажности воздуха г ' кинетику сушки использовали уравнение движущей силы влагообменг которое устанавливает соотношение между относительной влажност! воздуха и активностью воды в пограничном слое и имеет вид':

Г ф •> •

хдв=Й*(1-^) (1:

В процессе исследования 'определяли зависимость скорости суп ки, а также -изменения разности влагосодержаний между центром поверхностью батонов от движущей силы процесса. Скорости сушки, также -изменения разности влагосодержаний рассчитывали по урава ниям соответственно' :

Ус= (2)

- ) (3)

-д_-

На основании результатов исследований строили графики зави-олости скоростей сушки и изменения разности влагосодержаний, щроксимируя их с максимальным коэффициентом корреляции.

- Влияние скорости воздуха на кинетику сушки определяли, ис-эльзуя зависимость движущей силы процесса при различных скорос-' к движения воздуха, изменяющихся в пределах 0,1-1 м/с в раз-ячные. периоды сушки. Результаты экспериментов выражали в виде ээффициентов к зависимостям скоростей сушки, а также изменения азности влагосодержаний между центром и поверхностью батона от зижущей силы.

Для определения влияния температуры. воздуха на кинетику' суш-I, температуру воздушного потока изменяли от 10 до 30°С в раз-ячные. периоды сушки. При обработке экспериментальных данных ис-эльзовался стандартный подход, описанный ранее.

В связи с тем, что на кинетику сушки существенное влияние называет влагосодержание, при разработке математической модели зобходимо было ввести коэффициенты, учитывающие этот фактор. Для 1ределения коэффициентов использовали уравнение вида :

Уэ-

Кч?= --(4)

Ух * ку * кг

На кинетику процесса 'сушки 'значительное влияние оказывает элый ряд и других факторов : степень измельчения фарша, содержа-яе жира, наличие стартовых культур, рецептура, вид колбасной Золочки и другие. Учесть влияние всех, этих факторов невозможно, ¡даако, наиболее'весомыми-по нашему мнению показателями, харак-зризующими свойства сырья и особенности переноса массы влаги в зм, является величина РН, а также проводимость капилляров кол-зсного фарша. '

Концентрация водородных ионов позволяет, по характеру измен* ния величины РН определить необходимые данные, учитывающие влш ние этого фактора в математической модели. Для учета влияния в< личины РН на кинетику процесса сушки необходимо проанализировав зависимость изменения РН от скорости -сушки и температуры.

В связи с тем, что сушка' колбас сопровождается изменение диаметров их капилляров,' а следовательно и их проводимостью, математической модели необходимо учесть влияние и этого фактор; Установлено, что проводимость' капилляров в значительной мере зг висит от влагосодержания.

Для достоверного описания внутреннего массопереноса больше значение имеет представление о характере распределения влагосс держания по диаметру колбасного батона. Принимая во внимашш пг раболический характер! распределения влагосодержания по толщш батона, этот параметр в любой точке батона определяли по уравш кию вида :

К(г)=А*г*+«ц (5)

где А расчитывают по уравнейию : Щ-Wn

А=1Т" <6>

В третьей главе "Анализ результатов экспериментальных ис следований" описывается структура математической. модели процесс и результаты исследований по определению влияния различных фа* торов на кинетику сушки.

При разработке математической. модели процесса рассмотре* только необходимые для,расчета кинетики сушки параметры: скоросч сушки и изменения разности влагосодержаний между центром и <пс верхностыо батона. В основу математической модели положен комг лексный метод описания процесса сушки., что потребовало разрабс тать аналитические зависимости для определения влияния различи! факторов на .его кинетику, в течение всего процесса сушки.

С этой целью нами'предложена система уравнений вида:

Vc = Vx « Kv * Kt * * Kph * Kd (-7)

Первое уравнение (Ч) учитывает влияние на кинетику сушки: икущей силы, скорости, воздушного потока, температуры среда, ¡агосбдержания продукта, изменения величины FH и других факто-'В. too позволяет рассчитывать скорость сушки.

На основании анализа физической картины процесса необходимо :есть изменение разности влагосодержаний между центром и поверх-стью батона от вышеперечисленных^ факторов. С этой целью ис--льзовали второе уравнение (8). Численные значения величин, ха- "• «тёризующих влияние внешних факторов определяли эксперименталь-влияние внутренних факторов рассчитывали аналитически.

Анализ этой модели показал,, что она позволяет не только кзгнозировать распределение влагосодержания В зависимости от жимов сушки в течение всего процесса, но также является осно-й для оптимизации сушки.

. Исходя из структуры математической модели и методики иссле-1вания, выявление всех. вышеперечисленных факторов на кинетику шки проводили на колбасных батонах диаметром 50 мм. с содержали жира 34%. Степень измельчения фарша составляла 3-4 мм. На-!льнне значения РН, активности воды и влагосодержания составляли 'ответственно 5,6; 0,96 и 98%.

Для выявления влияния внешних факторов на кинетику сушки >ми было проведено три серии опытов, в течение которых относи-льную влажность воздуха изменяли в дизпззоне от 75% до 90%, :орость воздуха,. в диапазоне от 0,1.до I м/с,. температуру в каре -"от 10 до 30°С на разных временных участках.. Измерения продали в начале процесса, далее один раз в 2-3 суток. Такой под->д в выборе диапазонов параметров воздушного , потока, обусловлен» ' Нашему мнению, наиболее благоприятными условиями внутреннего и :ешнего массопереноса.

Для обработки результатов исследований нами была использова-I программа "Аппроксиматор", позволяющая по полученным экспери-нтальным данным построить графики зависимости различных величин на этой основе установить их математическое выражение.

Результаты эксперимента по выявлению влияния движущей силы • юцесеа на кинетику сушки'представлены на рисунке 2.

1а 1>

2

Ух=0,07*ХДВ*ЕХР(0,02*ХДВ) Ух=9,88-18Й,38/ХДВ УтИх=Хдв/ (5,13-0,02*Хдв+4,49*1СГ4*Хдв2)

Рис. 2 Влияние движущей силы на кинетику процесса сушки.

Анализ данных показал, что зависимость, скорости сушки о движущей силы изменяет свой характер. Это обусловлено запаздыва нием процесса диффузии по отношению к общей скорости сушки, связи с этим целесообразно в математической модели преобразоват эту зависимость. С этой целью построены графики, отражающие ха рактер изменения ^скорости сушки при разных значениях движуще: силы.

Для определения движущей силы устанавливали зависимость ак тивности воды поверхностного слоя продукта от его влагдсодержани (Рис. 3).

Изучение влияния скорости воздуха на кинетику процесса сушк при' одинаково изменяющихся относительной влажности воздуха и ег< температуре в аналогичных временных бериодах позволили определит: численные значения вторых членов уравнений математической модел:

и построить их графики (рис. 4).

В ..экспериментах оценивали - влияние" температуры на кинетику сушки. Это было обусловлено необходимостью определить значения величин, входящих в третьи члены уравнений математической модели. Результаты этих исследований представлены на рисунке 5.

А?»

А

к

т и в н о о т ь

в о

д

ы

0,95

0,90

0,85

0,80

А«=0,ЭЗ*№п/(2,29+№)

10

1— 20

— 30

н 40

— 50

1— 60

1

70

Благосодержанив продукта

1-!-1—'

80 ЭО 100

( % 1

Рис.3 Зависимость активности воды поверхностного слоя продукта от его влагосодержания.

Анализ физической сущности сушки показал необходимость выявить влияние на кинетику процесса внутренних факторов. С этой целью исследовали характер влияния влагосодержания на скорость сушки и изменение разности влагосодержаний. Результаты исследований ■ представлены на рисунке 6. ......

- . Как видно,' при влагосодержании вше 82% коэффициент влияния влагосодержания равен I. При влагосодержании меньше 82%, этот коэффициент резко' уменьшается, что обусловлено перемещением зоны испарения в глубь ба,тона. Установлено, что с понижением влагосодержания существенно снижается скорость сушки. Кривая 2 рисунка 6 представляет-характер изменения разности влагосодержания.

Чтобы определить пятые члены уравнений математической модели, в ходе-экспериментов изучали влияние величины РН на кинетику сушки. Результаты- этих исследований представлены на рисунке 7.

XV, КУ"

В л и я н и е

о к

о р

о с т и

1,5

1,0 .

0,5

1 К7=УВ/(0,08+0,87*УВ-0И9*У1Г)

2 КУ'=1,38»УВ0,34

+ Скорость сушки * Изменение разности V

—I-1—

0,4 0,5

I

0,7

О 0,1

Скорость воздуха (м/с )

Рис.~4 Влияние скорости воздуха на кинетику сушки.

V

I

1,0

и*

в л и я н и е

т е и п е Р а т У Р ы

I и=о,гг «1,08

г ^'=7,85 *ю"4п2,32

+ Скорость сушки * Изменение разности V

15

— 20

— 25

Температура воздуха ( С ) Рис.5 Влияние температуры на кинетику сушки.

—»

30

Рис.6 Влияние влагосодержания продукта на кинетику сушки.

Из графика видно, что с увеличением скорости изменения РН, скорости сушки и изменения разности влагосодержания увеличиваются; Это обусловлено изменением влагоудерживаицей способности фарша. Установлено, что при скорости изменения РН ниже 0,1, ее влияние на кинетику сушки не' существенно. При скорости изменения вел личины РН 0,15, скорость сушки увеличивается примерно в 1,5 раза. Аналогичное влияние этот фактор оказывает и на разность влагосо-держаний..

Из анализа этих зависимостей Еытекает, что для оптимизации режимов сушки следует стремиться уменьшить величину РН.

Особенности внутреннего массоперёноса определяются рядом других факторов; изменяющихся в. зависимости от. режимов сушки, учесть которые чрезвычайно трудно. Для получения математической модели, адекватной любому реальному процессу сушки, наш определена обобщенная кривая сушки (рис.8).

Отклонения реального процесса от обобщенного учитываются. коэффициентами, входящими в последние- члены уравнений структуры модели.

КрЬ, КрИ'

в .

л

и 2,5 . я н и е

2

в е л . и Ч 1,5 и н ы

р 1 Н

" 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 Изменение величины РН ( 1/сут )

.Рис.7 Влияние скорости изменения РН на кинетику сушки.

Рис.8 Обобщенная кривая сушки.

1 КрЬ=2,35-0,12/УрЬ

2 • Кр!/=-0,58+17,

Разработанная наш математическая модель сушки позволяет рассчитывать и прогнозировать . распределение -влагосодержзния по голщине батона в широком диапазоне параметров воздушной среды.

В главе четвертой "Оптимизация режимов сушки." рассматривается результаты экспериментальных и аналитических исследований, обеспечивающих получение продукта высокого качества при.гяшималь-зых энергетических затратах.

В. качестве критерия оптимизации нами выбран массообменный критерий Кирпичева. Такое решение обусловлено тем, что он характеризует соотношение между интенсивностью внешнего массообмана и внутреннего массопереноса.

I

К1я1=--(9)

Ara

Известно, что критерий Кирпичева изменяется от О при бесконечно медленном процессе до 2 при максимальном градиенте влаго-содержания. Возрастание Kim обусловлено тем. что коэффициент ■ диффузии убывает значительно быстрее по сравнению с интенсивностью сушки в данный промежуток времени. Принимая параболический характер распределения влагосодержания, Kim рассчитывали, по формуле вида:

2(Wu-Wn)

Klm=--(IÜ)

Wo

Рассчитав значение критерия Кирпичева при соответствующих условиях сушки, устзнгюлтвали максимально . допустимое значение его, удовлетворяющее оптимальным условиям производства. Таким образом, можно найти целую область допустимых режимов.

На рисунке 9 представлена зависимость оптимального значения массообменного критерия КирпичеЕа по времени сумки, выбранная на' основе анализа качества продукта при разных режимах,

В этой же главо изложены результаты исследовенай экезргяй воздушных потоков при допустимых режимах сушки колбас. Для расчета эксергий воздушных потоков, была разработана математическая модель, основу которой легли-зависимости,; полученные Прохоровым В.И. и Щилклопером С.М. для льда, воды и воздуха.

Предлагаемая нами математическая модель учитывает: термичес-

кую составляющим эксергии, характеризую^®. затраты работы на изменение температуры воздушного потока; влэжностную составляющим, определяющею энергозатраты на изменение относительной влажности воздуха, а так же механическую составляющих), описываюцюю отношение полных давлений потока воздуха и окружающей среды.

К1и=-0, ЭО+0,32*1-0,'03*т;2+7,71 *10"4*г3-8,63*10~б*'С4 К1П1 4

о

п т и и а л ь н о е

н а ч. е н и е

■ К1га

Рис.9 Изменение оптимального значения массообменного "критерия Кирпичева по времени сушки.

Таким образом, математическая'модель может быть представлена уравнениями вида: '

ед=Тос*(срс+(Зв*Срр)*(ж^г - I - Ьп (II)

(12) (13)

1,4 1,2

.1 0,8 0,6

0,4 О,; О

Срок сушки ( сут ■)

е*=Тос*Нп*[(0,622+йв)*1л + йв*Ы

е^Тос^Бп* (0,622+йв) *Ьп ^

В связи с тем, что в уравнения модели входит ряд неизвестных зеличин, наш выполнены - аналитические ""исследования, 'результаты {оторых представлены на рисунках Ю, II.

О 10 20 00 40 50 60 70 80 90 100 Относительная влажность воздуха - ! % 1

№0.10 Зависимость влагосодержзния от влажности воздуха.

Рассчитывая эксергии воздушных'потоков, определяли минимальна затраты ее при допустимых режимах сущи. В этойяеглаве при-' еден расчет энергозатрат оборудования сушильной камеры при раз-ичных допустимых режимах сушки. Показана взаимосвязь затрат эк-зргии с затратам! энергии. На основании полученных-данных выби-зли режимы, характеризующиеся минимальными * энергозатратами.

Таким образом, сочетание двух взаимосвязанных моделей опта-, азации процесса сушки и эксе'ргетаческого вялша воздушных пото-эв дает возможность минимизировать энергетические затраты в провесе сушки.

Предварительная экономическая оценка внедрения разработанных, атематических моделей показала,, что экономия энергии составит злее 300 тыс. квт*ч. в год для сушилки, емкостью 5320 • кг тажного продукта.

Рис.11 Зависимость теплоемкостей от температуры.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного анализа литературных данных пс теории и практике сушки показана необходимость оптимизации и снижения энергозатрат в процессе сушки сырокопченых колбас, как наиболее. "узкого места" в их технологии. '

2. Разработана методика исследования процесса. сушки сырокопченых колбас с целью его оптимизации. Создана экспериментальна; установка по изучению влияния внешних и внутренних факторов н; кинетику сушки. Спроектирован, создан и применен прибор для определения распределения влагосодержания по толщине батона. '

3. Разработана "модельная среда"' и показано, что механиз? переноса влаги в ней в процессе сушки адекватен переносу влаги 1 мясной фарше сырокопченых колбас.

4. Сформулирована структура математической модели кинетига сушки, в которой учитывается влияние относительной влажности скорости, температуры воздушного штока, а также величины влагосодержания колбасного батона, величины РН и других факторов. За-

исимости между этими параметраш даются в виде_. алгебраических равнений и графиков.

5. На основе комплексного изучения закономерностей внешнего I внутреннего массопереноса определены основные принципы построе-ия и создана математическая модель, ..зюывагацая кинетику процесса сушки. сырокопченых колбас, которая описывается системой урав-:ений: (7), (8).

редложенная математлческая модель позволяет прогнозировать оп-имальные режимы сушки сырокопченых' колбас в широком диапазоне йраметров воздушного потока. ■ "

5. С целью оптимизации режимов сушки разработана математи-еская модель эксергетического анализа воздушных потоков, учиты-ающая термическую, влажностную и механическую составляющее эк-ергш. Математическая модель представлена уравнениями: (II),. 12), (13).

¿пользование этой модели позволит обеспечить минимум энерго-. атрат при оптимальных режимах сушки.

-7. Экономические'расчета показали, что использование предло-енных математических моделей позволит экономить более 325 ткс. вт*ч энергии в год для сушилки, емкостью 5320 кг влажного про-укта.

По материалам диссертации опубликованы следующие рабсты:

1. Лыкова A.B., Стефанчук В. И., .Ноздрин B.C., Аксельрод .Л.. Пути оптимизации процесса метеорологических параметров оздушной среды при сушке мясопродуктов., - //Материалы научно-эхнической конференции "Современные проблемы вентиляции и эколо-ической безопасности промышленных и сельскохозяйственных зда-ий.", Санкт-Петербург, 1992 г., -С. 175-177.

2. Лыкова A.B., Ноздрин B.C. Оптимизация процесса сушки элбас., //Мясная промышленностьt 1993 г., КЗ, -С. 20-21.

3. Лыкова A.B., Ноздрин B.C., Влияние оболочки на длитель-г эсть сушки колбас., //Мясная промышленность, 1993 т., " Кб,' з. 19.

4. Лыкова A.B., Ноздрин B.C. Использование модельных сред ля изучения массообченных процессов при сушке сырокопченых кол-

бас., //Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Проблемы энергетики тенлотехноллпш в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье.",. Москва, 1У94 г., -С. 70-71.

5. Лыкова A.B., Ноздрин B.C. Оптимизация режимов сушки сырокопченых колбас на основе. эксергетического анализа процесса.. Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Проблемы энергетики теплотехнологии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье.", 'Москва, 1994 г., -С. 71-72. t •■ 6. Лыкова A.B., Коздршг B.C. Математическая модель для расчета кинетики процесса сушки сырокопченых колбас.-, //Материалы международной научно-технической конференции "Прикладная биотехнология на пороге XXI века.", 13-15 апреля, Москва, 1995г., продолжение, -С. 175.

Условные обозначения

Wo - начальное влагосодержание, №ц - влагосодёржание в центре батона, Wn - влагосодержание на поверхности батона, I - интенсивность сушки, Am - коэффициент диффузии, Kim - массообменный критерий Кирпичева, Vc - скорость сушки, Vx - скорость сушат, обеспечиваемая движущей силой,. Kv - коэффициент, учитывающий влияние скорости воздуха на скорость сушки, Kt - коэффициент, учитывающий влияние температуры на скорость 'сушки, ,Kw - коэффициент, учитывающий влияние влагосодержания на скорость сушки, Kph - коэффициент, учитывающий влияние РН на скорость сушки, Кй - коэффициент, учитывающий влияние проводимости капилляров на кинетику сушки, V?W - изменение разности влагосодержаний, VvWx - изменение разности влагосодержаний за счет движущей силы, Kv' - коэффициент, учитывающий влияние скорости воздуха на разность, влагосодержаний,-Kt' - коэффициент, учитывающий влияние температуры hs разность влагосодержаний, Kw' - коэффициент, учитывающий влияние влагосодержания на изменение разности влагосодержаний, Kph' -коэффициент, учитывающий влияние РН на изменение разности влагосодержаний, Но- радиус батона, г - расстояние от центра батона дс расчетной точки, W(r)-- влагосодеркание в точке г, Уэ - экспериментальная скорость сушки, vW - разность влагосодержаний, ф" -относительная влажность воздуха, Аш - активность воды поверхностного слоя продукта, Хдв - движущая сила процесса, х - -время, R -

'ниверсальная гззсьая постоянная, ?л - гьссгпя ц^тзяинчл ух-;-.-.:-■о..пара, Toc- температура окружйюшей среды, Те -- т :кп*рг.ту оздушного потока, ctoc - влагосодержанке окружающей ер-гда. -л лагосодержание воздушного потока.