автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение качества сушки плодоовощной продукции малой и средней влажности за счет создания и использования электрических конвейерных установок микроволновой сушки

9 1 ? Г "1'!

С ! Г.!:) ^

На правах рукописи

Я8ЧУН0БСКАЯ СВЕТЛАНА ВИКТОРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СУШКИ ПЛОДООВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ МАЛОЙ И

СРЕДНЕЙ ВЛАЖНОСТИ ЗА СЧЁТ СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНВЕЙЕРНЫХ УСТАНОВОК МИКРОВОЛНОВОЙ СУШКИ

Специальность 05.20.02. - Электрификация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 1998

Работа выполнена в Саратовском государственном агрошженер-ном университете.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Р. М. ДОЛГОПЯТОВ;

кандидат технических наук, доцент А.В.ЛЬБЩЫН.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент

A.П.ЧЕТВЕРИКОВ

кандидат технических наук, доцент

B.И.КОСТНЖ.

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности (ВНШКШ).

Защита диссертации состоится 20 мая 1998 г. б 12.00 час. на заседании диссертационного Совета К 120.04.02 Саратовского государственного агроинженерного университета по адресу: 410740. г.Саратов, ул.Советская, 60.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан _ 1998 г.

Учёный секретарь

диссертационного Совета,

доктор технических наук, »

профессор Н.П.ВОЛОСЕЕИЧ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Технологии и оборудование сушки плодоовощной продукции (овощей, фруктов, зелени и т.д.) нашли в последние десятилетия самое широкое применение в сельскохозяйственной и пищеперерабатывающей промышленности. Развитие этой отрасли позволит обеспечить:

- безотходное хранение плодоовощной продукции;

- производство пищи быстрого приготовления ("fast food");

- производство высокоценных компонентов диетического и детского питания;

- производство пищевых добавок, безвредных пищевых красителей для мясо- и рыбоконсервной, кондитерской промышленности.

Однако развитие этих перспективных направлений обезвоживания (пущод) плодоовощной продукции сдерживается высокой энергоёмкостью процесса на существующем оборудовании и относительно низким качеством сушёной плодоовощной продукции.

В этой связи задачи кардинального улучшения качества сушёной плодоовощной продукции, снижения энергоёмкости процесса сушки яе-ляютс-я актуальными и практически значимыми.

Решить эти задачи мшено применением современных злектротех-нологий сушки и созданием принципиально нозых установок, использующих энергию электромагнитных полей сверхвысокой частоты. Благодаря селективному и объёмному характеру нагрева продукта, они могут обеспечить высококачественную и эффективную сушку плодоовощной продукции, в первую очередь, средней и малой влажности. Поэтому научные исследования, направленные на разработку электротехнологий и установок микроволновой сушки плодоовощной продукции, обеспечивающих высокое качество готового продукта, актуальны и имеют большое народно-хозяйственное значение. Решению этой проблемы и посвящена диссертационная работа.

Исследования, результаты которых представлены з диссертации, выполнялись в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в СКИФ "Агроприбор" по заказу Главнауки МСХП РФ в рамках тем:

- "Разработка технологий и организационно-технологической схемы сушки с помощью СБЧ энергии овощей и зелени с изготовлением опытного образца установки СВЧ сушки и испытанием его в ГПЗ "Память Ильича" (Московской области)" (договор №29.021-94 от 23.03.94 г.);

- "Разработка технологий и организационно-технологической схемы сушки с помощью СВЧ энергии плодов, ягод и зелени в условиях Чернозёмной зоны Российской Федерации с изготовлением опытного образца установки СВЧ-сушки и испытанием его в Российской зональной плодово-ягодной опытной станции" (договор №29.025-94 от 30.09.94 г.).

Цельа работы является разработка современных злектротехноло-гий обезвоживания плодоовощной продукции за счёт создания и использования конвейерных установок микроволновой сушки, обеспечивающих высокое качество готового продукта.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:

- выявить взаимосвязь показателей качества сушёной плодоовощной продукции с параметрами техпроцесса сушки, установить наиболее рациональные области значений параметров процесса и сравнить на этой оскоЕе различные технологии и оборудование обезвоживания;

- изучить специфику физики процессов микроволновой сушки, выявить факторы, в наибольшей степени влияющие на однородность энерговыделения в объектах сушки, и, исходя из этого, обосновать основные принципы построения установок микроволновой сушки;

- разработать теорию рабочего процесса и методику расчета конвейерных установок шкровагшовси сушки;

- выполнить лабораторные и производственные исследования установок микроволновой сушки для подтверждения достоверности теоретических предпосылок и определения рациональных технологических параметров процессз сушки плодоовощной продукции;

- оценить технико-экономическую эффективность разработанного оборудования и качество готовой продукции.

Практическая значимость проведённых исследований (и диссертационной работы в целом) состоит в том, что на их базе удалось:

- разработать параметрический ряд промышленных установок микроволновой сушки с высокими технико-экономическими параметрами, существенно превышающими достигнутые ранее в традиционных установках конвекционной, инфракрасной сушки, сушки в псевдокипящем слое и т.п.;

- разработать промышленные технологии микроволновой сушки, предназначенные для получения продуктов высшей категории качества (сушёных овощей, фруктов, зелени, грибов с начальной влажностью

не более 400&);

- создать научно-технический задел для создания следующего поколения оборудования - установок комбинированной сушки, в которых сочетаются преимущества различных методов обезвоживания.

Реализация результатов исследований. Результатом проведенных исследований явилась разработка параметрического ряда электрических конвейерных установок микроволновой сушки плодоовощной продукции малой и средней влажности УСК-6, УСК-12, УСК-18, УСК-24, внедрённых впоследствга в производство Саратовской НПФ "Диполь" и выпущенных малой серией в количестве 30 штук. Смонтированные и введённые в эксплуатацию установки этой серии используются в настоящее время на различных сельскохозяйственных и пшцеперерабаты-ващих предприятиях Российской Федерации. Среднегодовая экономия электроэнергии, достигаемая за счёт использования этих установок по сравнению с традиционно используемыми в промышленности установками конвекционной сушки, составляет порядка 5*10° кВтлчас, что при существующих ценах на электроэнергии даёт суммарный годовой экономический зфЬект 1.75 млрд. руб.

Объектом исследований является процесс Елаговыдедения из плодоовощной продукции при воздействии на него электромагнитного поля СБЧ.

Предметом исследования является электрическая конвейерная установка микроволновой сушки сельскохозяйственной продукции, разработанная с целью повышения качества готовой продукции и ипие-ния энергоемкости техпроцесса сушки.

Методика исследования. На первом этапе в соответствии о выбранной системой критериев проведен сравнительны« анализ сутцеств'/-юацгс технологий и оборудования сушки. Выбрано основное направление на создание конвейерных установок микроволновой сушки о электродинамической системой на базе совокупности желобковых волноводов.

На втором этапе проведён ряд теоретических исследований, направленных на обеспечение максимально достижимой изотропии энерговыделения в процессе сушки, что, как показали указанные исследования, и обеспечивает предельное снижение энергоемкости и повышение качества готовой продукции.

В процессе решения практических задач использовались как стандартные, так и нестандартные подходы к расчету проходящей, отражённой и погло:цаемой энергии электромагнитной волны СБЧ, а

также разработанная в рамках диссертации модель, связые&ощзя равномерность энерговыделения с параметрами движения объектов через систему электромагнитных полей. При анализе распределения полей в электродинамической системе использовалась система уравнений Максвелла. При проведении экспериментальных исследований применялись типовые методики "холодных измерений", методы измерения КСВН, затухания, метод "бисерного зонда". Теоретические расчёты и обработка результатов экспериментов выполнялись о помощью ЭВМ.

Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных исследований сформулированы научно обоснованные принципы построения высокопроизводительных промышленных установок микроволновой сушки плодоовощной продукции. Выявлена взаимосвязь показателей качества сушёной продукции с режимами обработки её микроволновым полем; установлено, что наибольшее влияние на сохраняемость полезных веществ и витаминов и другие характеристики качества готоесй продукции оказывает величина анизотропии Еыделекия энергии е объеме обрабатываемого продукта. Найдены рациональные соотношения геометрических рззмероз секций электродинамической системы на базе келобковых волноводов, обеспечивающие минимальную анизотропию распределения интенсивности высокочастотных полей в .зоне сушки. Предложена конфигурация трансформаторов типов колебаний, а также поглощающих камер, обеспечивающих совместно соблюдение биологических норм на уровень электромагнитного излучения из открытого канала электродинамической системы, что позволило организовать непрерывное движение потока обрабатываемых объектов через рабочую камеру установки. Получены аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь параметров движения потока объектов через электродинамическую систему с однородностью знерговыделенкя в ккх по оси движения, и выведен ращ^ональныи закон движения потока объектов. Разработана математическая модель, описывающая распространение электромагнитного излучения через диэлектрические объекты, на базе которой определены рациональные параметры потока обрабатываемых продуктов, позволяющие минимизировать энергоёмкость процесса и анизотропию сушки, обеспечить высокое качество готового продукта.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на двух международных научно-технических конференциях в городах Минске (19Э6 г.) и Угличе ((1937 г.), а таюке на научных конференциях СГАУ (1997 г.), СГТУ (1997 г.) и СПИ (1997 г.) в Са-

рзтове.

Публикация результатов. По результатам исследований опубликовано 4 работы, в том числе 2 научно-технических статьи.

Объём и структура работы. Диссертация состоит кз введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем 170 страниц, кз ник 146 стр. основного текста, 50 рисунков. 18 таблиц и 13 приложений. Список литературы представлен 114 наименованиями, в том числе 33 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы, показана актуальность проблемы.

8 первой глазе приведены обзор и анализ современных технологий сушки сельскохозяйственной продукции и оборудования для их реализации. Сравнительный анализ, проведённый з соответствии с разработанной в диссертационной работе системой критериев, позволил. выделить два оснобных класса технологий и оборудования сушки. К первой группе можно отнести конвективные технологии, теория которых разработана школой А.В.Лыкова и развита в работах В.М.Смольского, П.Д.Лебедева, Г.К.Фклоненко, ¡O.A.Михайлова, А.С.Гинзбурга, А.Г.Тёмкина и др. Второй класс технологий к сбору-доЗсшИл обе8вОл.нвS.HKл базируется на радиационных воздействиях на объекты сушки; среди этих технологий видное место занимают микроволновые технологии. Значительную роль в их развитии сыграли работы И.Ф.Бородина, И.А.Рогова, Ю.С.Архангельского, а также целого ряда зарубежных и отечественных авторов, в которых, с одной стороны, рассмотрены физические процессы, протекающие в диэлектрических объектах под действием электромагнитных волн СЗЧ, а о другой стороны - предлагаются различные варианты конструкций оборудования микроволновой сушки.

Из проведённого анализа видно, что наиболее перспективными следует считать микроволновые технологии, однако серьёзным препятствием для их развития являются выявленные в процессе анализа недостатки конструкций промышленного оборудования микроволновой сушки, которое строилось, преимущественно, на базе электродинамических систем типа многомодовых сверхразмерных резонаторов; в них высокая неоднородность интенсивности электромагнитного поля усугублялась спонтанным изменением его распределения при введении

в резонатор диэлектрических объектов сушки. Исходя из этого, были сформулированы изложенные выше цель и задачи исследования.

Во второй главе проведено теоретическое обоснование основных параметров и конструктивных схем установок микроволновой сушки плодоовощной продукции малой и средней начальной влажности. Анализ связи основных параметров качества готового продукта с параметрами технологического процесса сушки позволил установить, что наиболее влияющим на однородность сушки, на органолептические характеристики готоеого продукта и сохраняемость в процессе обезвоживания полезных веществ и битзминов оказывает величина и характер анизотропии выделения микроволновой энергии. В этой связи основной теоретической задачей, различные аспекты которой рассмотрены и решены в настоящей главе, являлась задача предельного снижения указанной анизотропии. Рассмотрены различные подходы к решению этой задачи.

С электродинамических позиций была сделана попытка предельного снижения анизотропии распределения интенсивности поля в системе. В работе показано, что наилучшие результаты в этом плане могут быть получены при создании электродинамической системы (ЭДС) установки на базе одномодовых желобксвых волноводов, состыкованных между собой в плоскостях, параллельных направлению распространения в них бегущих электромагнитных волн. Поля в желобко-еом волноводе описываются системой уравнений:

Ех = E0sin(nx/ai)sin(kyy),

Еу = (я/ajky) E0cos(7íx/ai)cos(kyy),

■ Нх = - (7í/3iky)H0cos(jrx/3i)cos(kyy), (i)

Ну = H0sin(Ttx/ai)sin(kyy),

Kz = _ 3 * t ((if/si) тку ) /kykz] *h0sin (tdc/3í ) cos(kyy),

где Eo, H0-E0kz/(ó|i - амплитудные коэффициенты; ky, k2 - волновые числа по осям у кг; р. - магнитная проницаемость среды; ai- расстояние между пластинами желобка.

Это соответствует типу колебаний Кц, являющемуся основным типом волн для желобковых волноводов. При этом в каждом из желоб-

коеых волноводов (рис.1) обеспечивается практически идеальная однородность поля по оси у (поскольку эта ось совпадает с направлением распространения бегущей волны) и по оси х (в силу специфики распределения электрических компонент электромагнитного поля для типа Нц) (рис.2).

Исключение составляла однородность распределения энергии по оси 2 (направлению движения продукта), причём электродинамическими методами устранить эту неоднородность не представлялось возможным, поскольку максимум поля в желобковом волноводе располагается в области его желоба. В этой связи была поставлена и решалась задача о поиске наиболее рациональных законов движения потока объектов сушки по оси 2 через расположенные параллельно секции ЭДС.

Показано, что для различных практических задач равномерность сушки (малая анизотропия энерговыделения) по оси г может быть принципиально достигнута при двух законах поступательного движения объектов супки черев ЭДС: реверсном движении с постоянной величиной модуля скорости (за исключением точек реверса) и непрерывном однонаправленном движении о постоянной скоростью. Поскольку второе является частным случаем первого (о амплитудой качания Ы»), теоретическое рассмотрение проводилось для варианта реверс-ног о движения.

С учетом периодичности распределения интенсивности электрического поля по оси з (рис. За,б) выражение для количества энергии, получаемой единицей массы продукта при прохождении км расстояния по оси 2, рзЕного одному периоду ЗДС 20, может быть записано в виде: 2+2о

V =(екТ/М) 5 А(г№, (2)

г

где (11+1) 2о

г = Р0/ I А(2)ё2, (3)

пг0

к = (Ро-Р)/Ро = 1-1СГ0-1с\ (4)

а = -101е(Р/Ро), (5)

И = рЗуТ, (6)

А ~ Р0 ~ (7)

Здесь Р0 - мощность на входе в секцию, Р - мощность на выходе из секции, « - диэлектрические потери в секции, р - плотность диэлектрика, Б - площадь поперечного сечения потока продуктов, V -

Гио.1. Вкешний вид секции ЭДС на базе желобкового волновода (1 - рабочий канал, 2 - желоб волновода, 3,4 - фланцы для соединения с источником микроволновой энергии и секций между собой).

Рис.2. Конфигурация электрических и магнитных компонент электромагнитной волны типа Нц в желобковом волноводе.

г0/В 20/3 г0/2 2г0/3 5г0/6

^/6 гс/3 г0/2 2г0/3 5г0/6 г0 г Рис.3. Распределение С8Ч поля з поперечном сечении (по оси г) в одиночной секции (а) и в электродинамической системе из нескольких секций (б); - ширина секции.

абсолютное значение скорости движения потока объектов сушки, Е -напряжённость электрического поля.

При условии изотропии диэлектрических свойств в области расположения потока объектов сушки с учётом (3) - (7) выражение (2) принимает вид:

е (ЫО-О-^) 2+2о (1-10-°-^)

^(2-2+2.) = - 5 А(г№ = - Ро. (8)

При прохождении п периодов системы (секций ЭДС) продукт получит энергию

п(1-10"0Лс()

Исг-г+гс?) = -Ро, О)

рЗу

а при прохождении произвольного расстояния по оси 2 (от до го)

£(1-10_0Лс<) 2г

= - I А(г)(1г. (10)

рБу г<

Расчёт по выражению (10) позволил установить вид зависимости максимального перепада энерговыделения от относительной амплитуды реверсного движения \\Zzo (рис. 4).

Для случая нулевой амплитуды (объект неподвижен) перепад энерговыделения по длине объекта (по оси г) максимален; для амплитуды, кратной периоду ЭДС, он отсутствует (что, правда, не касается концевых элементов продукта); для однонаправленного движения с постоянной скоростью энерговыделение однородно по всей оси г, поскольку все элементы потока продуктов в своём поступательном движении проходят через поле одной к ток жэ конфкгурации.

Достигнутая за счёт выбора типа и геометрических размеров ЭДС однородность интенсивности поля по оси у не исключает анизотропии энерговыделения по этой оси при конечных значениях величины высокочастотных потерь.

С целью установления связи анизотропии энерговыделения с величиной диэлектрической нагрузки, обусловленной наличием в ЭДС потока объектов сушки, была построена математическая -модель (рис.5), описывающая процесс взаимодействия СВЧ поля с диэлектри-

\а(2)

А" (г)

О 1/6 1/3 1/2 2/3 5/6 1 Ь/Н0

Рйо.4. Отношение максимального и минимального уровней выделения энергии в едшпгчном объеме ^'щахА'тт з зависимости от соотношения двойной амплитуды качания Ь ре-версного движения и периода ЭДС ^ для случая одной секции (.А) и системы секций (Л*).

У1 УО У2 У

Рис.5. Схематическое изображение поперечного сечения потока обрабатываемых объектов (а) и график распределения з них погонных высокочастотных потерь для обобщённой задачи определения анизотропии энерговыделения по оси У-

ческим объектом. Для представленной модели можно записать выражения, описывающие величину потерь на участках (yi, уо), (ys, Уо), ЛУ: у0

«(у<-у0) = s 4(у)ау, (и)

' Уо

«(у,~у0) - I 4(y)dy, (12)

Ул.

« i i(y)dy = ¿;(УО)ЛУ, (13)

где с,(у) - произвольная функция дифференциального распределения потерь по оси у.

Поскольку в Еыбранной электродинамической системе мощность подавалась в секцию ЗДС с двух сторон (от двух источников микроволновой энергии), мощность, выделяемая в интервале Ду, являлась суммой двух мощностей:

Ку = W. (14)

ч.

где РШУ = Ъ tsr)di-(1_10-0.l5tv.

Vi

*(1+10"0ЛС$СУв)йу+22$ Cy)di'3j_ (16)

Для случая изотропного характера распределения потерь по оси у:

;(У) = «о/(у2-У1) - Const, (17)

выражения (15) и (16) упрощаются и могут быть представлены в виде Ра= ро*10 yv-ч. (1-10 )(1+10 0ЛСуГ^Г+2у7^Г->), (18)

Pu= 1 (1+10"°-1 ) . (19)

Расчёт на ЭВМ нз базе полученной математической модели позволил установить., точные значения анизотропии энерговыделения для

различных значений суммарных диэлектрических потерь в системе (рис. б).

Приведённые во второй главе расчеты позволили обосновать конструкцию электрической конвейерной установки микроволновой сушки и основные параметры реализуемого на ней техпроцесса, а тайке обосновать выбор параметров и конструктивных особенностей отдельных входящих в неё узлов и электрических блоков:

- трансформаторов типов колебаний, преобразующих волну типа Ню на выходе источника микроволновой энергии в волну типа Нц в регулярной области желобкового волновода;

- поглощающих камер, обеспечивающих уровень биологических норм по уровню излучения в зоне обслуживания установи!;

- источников микроволновой энергии, с которых мощность инжектируется в ЗДС установки;

- электропривода транспортёра;

- системы приточно-вытяжной вентиляции с предварительным подогревом воздуха.

В третьей главе описывается экспериментальная установка, а также приводятся методики и результаты экспериментальных исследований процесса микроволнового обезвоживания.

Разработанная экспериментальная установке содержала практически все элементы (узлы, электронные блоки), входящие з разработанную впоследствии промышленную установку микроволновой сушки (схематически изображённую на рис. 7), и позволила провести серию экспериментов, в основном подтвердивших полученные во второй главе теоретические зависимости.

Важным элементом представленных в этой главе исследований являлись "холодные измерения", позволившие установить зоны изменен;« диэлектрических параметров потока объектов сушки и их влияние на собственно электродинамические характеристики ЩДС. Так, удалось установить корреляцию между геометрическими размерами потока высушиваемых объектов, их плотностью и влажностью, о одной стороны, и, о другой стороны, величиной диэлектрических потерь, вносимых ими в ЭДС. Также удалось определить уровень отражений мощности от продукта как функцию массы загрузки технологических поддонов (на которых продукт проходит через ЭДС установки) и их влажности и определить зоны значений параметров продуктов, при которых отражение минимально.

Важным выводом из результатов "холодных измерений" является

0.2 0.4 0.5 0.8 1 Уо/('/2"У1)

Результаты расчёта зкерговыделения в слое с раЕксмер-но распределёнными потерями для случаев суммарных потерь в слое соответственно 1, 3, 6 и 10 дБ.

Рис.7. Схематическое изображение установки сушки овощей: 1 -электродинамическая система; 2, 3 - источники СВЧ мощности; 4 - транспортёр; 5 - поглощающие камеры, выполняющие одновременно функции переходных элементов приточно-вытяжной вентилящш.

О

Рис.6.

установленный факт, что диэлектрические потери, вносимые объектом сушки в ЗДС, практически не изменяются от начальной влажности (300...40СЖ по отношению массы Елаги к массе сухого остатка) до примерно 100...150%, причём на этом участке они существенно превышают собственные потери ЗДС. На конечном участке сушки от упомянутых 100...150% до кондиционной влажности сухого продукта (порядка 10%) диэлектрические потери, вносимые продуктом, существенно снижаются, и для малых масс загрузки (8...9 кг/м2) могут опуститься ниже уровня собственных потерь ЗДС. При этом за счёт перераспределения энергоЕыделения между объектами сушки и элементами ЗДС существенно снижается эффективность взаимодействия микроволнового излучения с продуктом и увеличивается энергоёмкость процесса.

Полученные результаты позволили обоснованно подойти к выбору массы загрузки продуктов ка транспортер (технологические поддоны) и получить увеличение энергоёмкости сушки на конечном участке процесса не более чем на 30___40%. В целом энергоёмкость процесса, рассчитанная по итогам "холодных измерений", составляла не более 1.9 кЗт*час/кг на конечном участке сушки при энергоёмкости ка начальном участке порядка 1.35 кЕт*час/кг. В целом по всему диапазону влажностей энергоёмкость не превышала 1.55...1.6 кВт*час/кг.

При проведении испытаний экспериментальной установки в рабочем режиме варьировались следующие параметры технологического процесса (табл.1).

Таблица 1

Диапазон варьирования входных параметров.

Наименование параметра Обозначение Размерность диапазон варьирования

от ДО

Скорость конвейера V см/мин 3 20

Масса загрузки поддона ш кг 0.3 2.0

Температура Еоздуха Т °С 40 90

Расход воздуха Ч м3/час 3*103

Суммарная микроволновая мощность Р кВт 1.3 7.8

- ía -

Проведенные исследования позволили определить основные интегральные параметры процесса: скорость сушки, её энергоёмкость, разброс влажности продукта в процессе сушки и по его завершению. Полученные результаты по энергоёмкости процесса (1.5...1.55 кВтлчас) подтвердили правильность представленных выше теоретических расчётов.

Измерения времени сушки и температуры продукта на выходе установки (60...90 мин., 70...80°С) позволили сделать предположение о высокой сохраняемости продуктов в процессе микроволновой сушки.

Важным элементом проведенных в данной главе исследований явились эксперименты, выполненные в обеспечение работ по модернизации источника микроволновой энергии, позволившие значительно повысить его надёжность за счёт облегчения температурного и электрического режимов работы входящего в них силового высоковольтного трансформатора.

Для минимизации температуры обмоток трансформатора экспериментально отрабатывались варианты их охлаждения ненаправленным и направленным Бездушными потоками. При экспериментальной отработке конфигурации Еоздуховсдов охлаждения удалось в несколько итераций снизить температуру обмоток в стационарном режиме со 160°С сначала до ICO...110, а в окончательном варианте до 50...60°С.

Причиной электрической перегрузки вторичной обмотки являлось отсутствие в конструкции (из экономических соображений) отдельного трансформатора питания накала магнетрона. В результате в момент подачи анодного напряжения магнетрон с холодным катодом был ещё заперт, что формировало пик перенапряжения в начале первого рабочего полупериода синусоиды, который медленно спадал по мере нагрева катода. Для решения этой проблемы было принято схемотехническое решение, позволившее существенно снизить амплитуду и длительность пика перенапряжения вторичной обмотки трансформатора к б несколько раз увеличить долговечность но-точкнка микроволновом энергии.

На бззе полученных в настоящей главе результатов удалось также отработать основные элементы технологии микроволновой сушки, уточнить границы рационального изменения параметров процесса, что позволило приступить к разработке промышленных образцов электрических конвейерных установок микроволновой сушки сельскохозяйственной продукции.

Четвёртая глава посвящена результатам производственной про-

верки разработанного НПЗ? "Диполь" параметрического ряда установок микроволновой сушки (УСК-о, УСК-12, УСК-13, УСК-24), анализу их технико-экономических показателей (в сравнении о наиболее широко используемыми установками конвекционной сушки), а также анализу показателей качества получаемых на них сушёных овощей и фруктов. Технические параметры этих установок приведены в табл.2.

Таблица 2

Технические параметры разработанных установок микроволновой сушки.

Наименование установки УСК-6 УСК-12 УСК-18 УСК-24

Производительность по сырью: кг/чао т/сезон 12 50 24 100 36 150 43 200

Производительность * по готово;,г/ продукту: кг/час т/сезон 2.5 10 5 20 7.5 30 10 40

Потребляемая мощность, кБА 22 38 55 72

Габаритные размеры, м - длина - ширина - высота 8.6 О Л О. X 1.2 10.7 3.1 1.2 12.3 3.1 1'.2 14.9 3.1 1 . С

*Для условного продукта с начальной влажностью 30% (400%).

Обобщение результатов сравнения интегральных параметров установок тина УСК и установок конвективной сушки, в котором, в частности, приводятся данные по экономии электроэнергии при переходе на микроволновые технологии обезвоживания, сведены в табл.З.

Особо тщательно проверялись параметры качества полученной с помощью микроволновой сушки готовой продукции. Одновременно проверялись и сравнивались с упомянутыми выше параметры качеотза продукции, высушенной с помощью конвективных технологий. Проверка проводилась на базе двух специализированных исследовательских организации: поволжского НИИ Животноводства к Биотехнологий (НгСШВ) и Есерсссийского НИИ консервной и овощесушильной промышленности (БККИКОП). При высоком уровне оргаколеитических характеристик (соответствующих зысшей категории ГОСТ 28432-30, ГОСТ 28502-90,

Таблица 3

Техника-экономические показатели установок микроволновой сушки плодоовощной продукции.

Тип установки УСК-6 УСК-18 Типовая установка конвективной сушки КСК-45

Энергоёмкость процесса (по влаге), кВт*чзс/кг 1.62 1.47 . 3.1

Потребление энергии на единицу условного готоеого продукта, к8т*час/кг 6.5 5.9 12.4

Стоимость электроэнергии (на единицу продукта), руб/кг* 2275 2065 4340

Экономия на электроэнергии (по сра знению с конвективной сушилкой), руб/КГ 2065 2275 _

Сезонная экономия, млн, руб. 18.585 61.42 -

*При цене электроэнергии 350 руб/кБт*чзс.

ГОСТ 28510-80 и т.д.) полученные с помощью микроволновых технологий сушёные оеощи, фрукты и зелень характеризовались высокой (91-58%) сохраняемостью полезных веществ и зктшиноз (табл.4).

Таблица 4

Сохраняемость полезных веществ и витаминов (данные независимой экспертизы ЕНШКОП).

Полезные компоненты ПрИ коне6ктиеной сушке, % При микроволновой сушке на разработанных установках, %

Сахар 50-60 92+96

Крахмал 55+65 91+94

а-каротин 50-65 93+97

Витамин с 60-70 92+95

Поливитамины 50-70 ' 95+98

Полученные результаты характеризуют практическую значимость проведённых исследований, позволивших создать современное ресурсосберегающее высокотехнологичное оборудование, обеспечивающее одновременно существенное повышение качества получаемой на нем продукции.

■ ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что увеличение выпуска высококачественной сушёной плодоовощной продукции быстрого приготовления, имеющей длительные сроки хранения и удобной в использовании, сдерживается из-зз отсутствия современных высокопроизводительных и низкознер-гоёмких оборудования и технологий сушки. Высшая категория качества готсеого продукта, высокая сохраняемость полезных вещестз и витаминов, отличные органолептические характеристики обеспечиваются применением микроволновых электротехнологий сушки. Такие свойства готового продукта достигаются за счёт объёмного характера нагрева, селективности энерговыделения, широких возможностей по регулированию технологического режима.

2. Показано, что в основу конструкции установок микроволновой сушки должен быть положен модульный принцип построения электродинамической системы из однотипных секций с двусторонним инжектированием знергин з ЗДС, непрерывность потока обрабатывае^^ых продуктов при их транспорт!фовке на ¡конвейере, съём влаги потоком подогретого воздуха.

3. Обоснован выбор конфигурации электродинамической системы установок микроволновой сушки ка базе регулярного желобкового волновода, работающего на моде колебании Нц. Осуществлен выбор геометрических размеров трансформаторов типов колебаний, преобразующих электромагнитную волну Ню в колебания типа Нц желобкового волновода при минимально возможном уровне высших типов колебаний. Рациональная длина трансформатора типов колебаний должна составлять от 4 до 6 длин волн.

4. Выявлена взаимосвязь параметров установки к режимов сушки плодоовощной продукции с показателями качестЕЗ готового продукта. Установлено, что в наибольшей степени на показатели качества готового продукта влияет однородность выделения микроволновой энергии по объему сушимого продукта.

5. Разработана мзтематическая модель, и проведён с использо-

ванием ЭВМ анализ связи неоднородности знерговыделения в поперечном сечении потока движущихся через электродинамическую систему объектов сушки с величиной и распределением их собственных диэлектрических потерь. Максимальная погрешность полученных результатов не превышает 7%.

6. Теоретически обоснован рациональный закон движения объектов сушки через ЭДС установки микроволновой сушки. Показано, что минимальная неоднородность знерговыделения обеспечивается при равномерном однонаправленном их движении.

7. Решены вопросы повышения надёжности источников микроволновой мощности установки микроволновой сушки. Удалось значительно снизить температуру обмоток питающего трансформатора, в 6 раз уменьшить амплитуду пика перенапряжения при включении магнетронов.

8. Обоснованы параметры системы приточко-ЕЫтяжной вентиляции, обеспечивающей аффективный съём влаги, выведенной на поверхность потока объектов сушки под действием микроволнового излучения. Определены рациональные диапазоны параметров системы: температура подогретого воздуха - 70...90°С, расход - 1...2*103 м3/час, скорость воздушного потока - 1.8...3.6 м/с.

9. Разработан принцип регулирования параметров установок микроволновой сушки, обеспечивающий её универсальность при сушке продуктов с разным начальным влагосодержачием. Предложено регулировать скорость движения объектов сушки через ЭДС установки в диапазоне 0 = 4-^1 изменением напряжения на якоре приводного двигателя конвейера.

10. Разработаны электрические конвейерные установки микроволновой сушки, обеспечивающие высокие технико-экономические параметры сушки плодоовощной продукции. Предложены ресурсосберегающие, экологически чистые технологии сушки различных видов продукции: лука, чеснока, картофеля, зелени, лекарственных траз. ~

И. Разработанные установки внедрены в производство в ряде сельскохозяйственных и пищеперерабатываощих предприятий Российской Федерации. Результаты производственных испытаний показывают их высокую технико-экономическую эффективность, надёжность и долговечность. Так, энергоёмкость процесса с-уики в сравнении с конвективными установками снижена в 1.8... 2.2 раза, экономия анергии в расчёте на одну установку составляет -300 Шт*час/год, срок окупаемости составляет 6...10 месяцев. При этом обеспечивается

высокое качество готового продукта, сохраняемость полезных веществ и витаминов увеличивается до 91...98%, что подтверждено данными независимой экспертизы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Язчуповский В.Я., ЛьвицынА.В., Малярчук В.А., Язчуковс-кая C.B. Решение задачи преобразования и транспортировки электромагнитных СВЧ колебаний применительно к оборудованию микроволновой сушки диэлектрических объектов.//Межнузовск. научн. сборн. : "Вопросы преобразовательной техники," частотного электропривода и управления".- Саратоз, 1Q96.-C.47-58.

2. Долгопятов P.M., Явчуновская C.B., Малярчук В.А., Поляк В.Е., Явчуновский В.Я. Методология и реализация комбинированной сушки овощей, использующей микроволновые и конвективные механизма обезвоживания продуктов.//Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: Международная конференция: Тезисы докладов, 16-17 февраля 1996 г. Минск, БелНШМСХ, 1996. С. 27.

3. Явчуновская C.B. Микро- и макроподходы при описании физических процессов, протекающих в диэлектрике под воздействием интенсивного электромагнитного поля СВЧ диапазона.//Спектроскопия и физика молекул. Проблемы преподавания физики : Труды II Саратовской межвузовской конференции,- Саратов. 1997. С.52-55.

4. Язчуновский В.Я., Долгопятов P.M., Явчуновская C.B. Автоматизированный комплекс микроволновой сутки с.х. продукции.//Автоматизация сельскохозяйственного производства: Международная на-учно-технич. конференция: Тезисы докладов, 14-16 мая 1997 г. Углич, ВНИШСХ, 1997. С. 123.

Подразделение оперативной полиграфии Саратовского ЦНТИ.

г. Саратов,ул. Вавилова, 1/7

Подписано в печать 23.03.98 Формат 60x90x15.

Бумага типографская. Печать осЬсетная.

Усл.печ.л. 1,0

Тираж 100. Заказ 142.