автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка рациональных режимов производства сушеного быстровосстанавливаемого картофеля

ХАРКІВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ОРГАШЗАЦІЇ ХАРЧУВАННЯ

ЦУРКАН МИКОЛА МИХАЙЛОВИЧ

УДК 664.834

РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНИХ РЕЖИМІВ ВИРОБНИЦТВА СУШЕНОЇ ШВИДКОВІДНОВЛІОВАНОЇ КАРТОПЛІ

Спеціальність 05.18.12 - процеси та апарати харчових виробництв

АВТОРЕФЕРАТ дисертації па здобуття наукового ступеня кандидата технічних паук

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківській державній академії технології та організаі харчування Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент ПОГОЖИХ Микола Іванович, Харківська державна академія технолог та організації харчування, доцент кафедри енергетики та фізики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ПАХОМОВ Павло Леонідович, Харківська державна академія технолог та організації харчування, професор кафедри холодильної та торговельної техніки

кандидат технічних наук, доцент ПОПЕРЕЧНИЙ Анатолій Миквтовн1 Донецький державний університет економіки і торгівлі, доцент кафедри обладнання харчових виробництв

Провідна установа: Одеська державна академія харчових

технологій Міністерства освіти і науки України, м. Одеса, кафедра технології молока та сушіння.

Захист відбудеться " 19 " травня 2000 року об II00 годині на засідан спеціалізованої вченої ради Д 64.088.01 Харківської державної академії технолої та організації харчування за адресою : 61051, м. Харків, вул. Клочківська, 33 ауд.45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківської держави академії технології та організації харчування за адресою: 61051, м. Харків, ву Клочківська, 333.

Автореферат розісланий" /$ " квітня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Завдяки кліматичним особливостям та родючим зем-ям в Україні такі сільськогосподарські культури, як картопля, морква, буряк та пні дають високі врожаї. Україна посідає одне з перших місць у Європі за їх ви-обницгвом. Продукти харчування з картоплі та овочів є традиційними і користуються незмінною популярністю в населення завдяки високій харчовій та біоло-чній цінності.

Однак обсяг виробництва продуктів харчування та напівфабрикатів з овочів Україні значно поступається аналогічному виробництву в розвинутих країнах, вітовий досвід вказує на економічну доцільність промислової переробки проекції рослинництва на продукти харчування. Це дозволяє зберегти зібраний уро-ай, використати відходи виробництва на корм худобі, знизити частку нерег-зментованих відходів у побуті.

Ринок України та країн СНД усе більше заповнюється імпортними сушении напівфабрикатами високого ступеня готовності. Для одержання таких продук-в за кордоном використовуються досить дорогі технології та обладнання, ітчизняні овочесушильні заводи, побудовані у 1960-х роках, застаріли як ізично, так і морально, а якість продукції, яку вони випускають, не задовольняє івіть внутрішнього споживача. Для створювання прогресивних технологій /шіння та ефективних сушарок необхідно провести дослідження сучасних висо-зефективних способів сушіння овочів, що дозволяють значно підвищити якість таєної продукції та знизити енерговиграти на процес зневоднення.

Таким чином, розробка ефективних технологій та техніки сушіння у вироб-щгві високоякісної сушеної продукції з картоплі для України, як великого ви-)бника сільськогосподарської продукції, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисерта-йну роботу виконано відповідно до планів держбюджетних робіт ХДАТОХ за мовленням Міністерства освіти і науки України (тема № 2-98-01Б "Фізико-мічні та технологічні проблеми стану води в харчових продуктах").

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є теоретичне та експери-гнтальне обґрунтування раціональних режимів сушіння подрібненої картоплі гішаним теплопідводом (ЗТП-сушіння).

Виходячи з мети дисертаційної роботи, було сформульовано такі задачі (сліджень:

визначити групи основних факторів, що впливають на процес ЗТП-сушіння;

вивчити вплив технологічних технічних та процесних факторів на процес

ЗТП-сушіння;

дослідити кінетику та динамику процесу ЗТП-сушіння при змінних

режимах;

провести дослідження кінегихи нагрівання матеріалу у процесі зневодне ня;

дослідити вплив ступеня заповнення функціональної місткості (ФМ) кінетику ЗТП-сушіння;

визначити показники якості та раціональні режими ЗТП-сушіння картопл розробити технологічну схему й обладнання для виробництва сушек швидковідновлюваної картоплі;

провести впровадження результатів досліджень у практику.

Наукова новизна одержаних результатів.

Визначено групу факторів, що суттєво впливають на процес ЗТП-сушіння. Одержано емпіричне рівняння залежності коефіцієнта теплопередачі в відносного вологовмісту при ЗТП-сушінні.

■ Встановлено, що процес ЗТП-сушіння доцільно ділити на три періоди, двг яких є чутливими та критичними відносно як до зовнішніх, так і до внутрішн умов, які визначають процес в цілому.

Математичним моделюванням процесу та експериментальними до лідженнями доведено, що використання змінних режимів дозволяє оптимізува-температурний вплив на матеріал у процесі ЗТП-сушіння.

Визначено, що існує сувора залежність між розмірами частинок картоги ступенем заповнення функціональної місткості та продуктивністю сушарки.

Теоретично та експериментально обґрунтовано, що процес ЗТП-сушіні проходить зі зростанням ентальпії ''внутрішнього" агента сушіння, при цьо» здійснюється сталість ентальпії для всього потоку агента сушіння в об'ємі с шильної камери.

Практичне значення одержаних результатів полягає у: встановленні необхідності використовувати всгавки-турбулізатори, які з безпечують ефективне зневоднення матеріалу у функціональних місткостях, д. яких два геометричні розміри більше ніж на порядок перевищують третій;

визначенні раціонального розміщення функціональних місткостей у с шильній камері, котре полягає в їхньому чередуванні з визначеним періодом, д] розрахунку якого одержано емпіричну формулу;

знаходженні величин раціонального ступеня заповнення функціональн місткості, які залежать від її розмірів та від розмірів частинок зневоднюваної ка; топлі;

одержанні для інженерних розрахунків емпіричного рівняння тривалос ЗТП-сушіння та визначені залежності коефіцієнтів цього рівняння від режимів с шіння;

розробці програми розрахунків основних характеристик ЗТП-сушарки до

ЕОМ

з

розробці технологічної схеми, раціональних режимів та конструкції сушар-і для виробництва сушеної швидковідновлюваної картоплі з високими показними якості. • .

Реалізація результатів роботи. Проведено впровадження результатів дисер-ційної роботи на підприємстві “Промарк” м. Запоріжжя.

Особистий внесок здобувана в отриманні наукових результатів, які вислано в дисертації, полягає у: теоретичному обґрунтуванні, проведенні наукових ісліджень, плануванні експерименту та обробці експериментальних даних; уза-льненні отриманих результатів, формулюванні висновків і підготовці та публі-щії результатів досліджень.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, іговорювались і були схвалені на:

IX Міжнародній конференції "Удосконалення процесів та апаратів хімічних, ірчових та нафтохімічних виробництв”, Одеса, 1996р.; .

Всеукраїнській науково-практичній конференції "Стан і проблеми розвитку іргівлі і харчування в Україні", Харків, 1997 р;

Міжнароднародній науково-практичній конференції "Прогрессивные ресур-(сберегающие технологии и их обоснование в предприятиях питания", Харків, ’ >98 р. :

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових праць, тому числі: статей у наукових фахових виданнях, що затверджені ВАК України

5, тез доповідей на наукових коференціях - 2, патент на винахід -1.

Структура та обсяг робота. Дисертаційна робота складається зі вступу, ести розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 137 найме-г'вань, у тому числі 22 іноземних, і додатків. Роботу викладено на 211 сторінках,

>на містить 58 рисунків, 11 таблиць і 8 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, визначено мету та основні задачі сліджень, показано наукову новизну та практичне значення одержаних резуль-ітів. •

У першому розділі "Сучасний стан, шляхи розвитку основних способів тління та методів їх інтенсифікації" зазначається, що ефективність ро-боти ово-:сушильного підприємства визначається технологією попередньої під-готовки іровини та оснащенням сушарками, які працюють з використанням но-вих спо->бів зневоднення харчової сировини.

Проаналізовано сучасні уявлення про механізми тепломасообміну в про-:сах сушіння. Відмічено, що основним напрямком для інтенсифікації процесів геводнешія є створення додаткових рушійних сил тепломасопереносу, а також

створення умов, які підвищують величини коефіцієнтів переносу. Показано, І проведеними раніше дослідженнями ЗТП-сушіння встановлено багатофакторніс залежності інтенсивності процесу, при цьому вплив окремих факторів вивчено повною мірою.

Аналізом тенденцій у розвитку сушильної техніки визначено вимоги до с часного обладнання. Відмічено, що за економічних умов, котрі склалися в > раїні, пріоритетним напрямком е розробка та впровадження сушарок для фе мерських господарств та малих підприємств, які б відповідали до сучасних вим стосовно якості та технологічних властивостей продукції.

Другий розділ "Експериментальна частина. Організація, техніка та метод ки досліджень" містить відомості про організацію експериментальних робіт, пр ведених в основному на матеріально-технічній базі Харківської державної а* демії технології та організації харчування.

Матеріалом для досліджень ЗТП-сушіння була попередньо підготовлеї картопля. Кінетику сушіння вивчали у різних типах функціональних місткостей.

Наведено опис методик, які використовувались для проведення експер ментів, та програм для обчислювання експериментальних даних за допомого ЕОМ. Особливу увагу надано методу непрямого аналізу кінетики та динаміки с шіння, в основі якого лежить рівняння теплового балансу процесу. Доведено, и використання методики непрямого аналізу кінетики зневоднення дозволяє оде жати нерозривні дані про потоки тепла та маси безпосередньо у процесі сушіння

У третьому розділі "Вивчення факторів, що впливають на процес ЗТІ сушіння вологих матеріалів" виділено три групи факторів: технологічні, техніч та процесні.

Вивчення технологічних факторів проводили на картоплі одного сорту. С шіння зразків картоплі у вигляді пюре, стружки та кубиків проводили при темп ратурі сушильного агента 90 °С та швидкості його руху 10 м/с.

Результати проведених експериментів показали значні розходження у пр цесах сушіння зразків, котрі досліджувалися (рис. 1). Особливо це стосується к биків картоплі, які знаходились у сушарці 4 години, а кількість видаленої волої при цьому була меншою, ніж за інших випадків. Зниження до нуля швидкос сушіння вологого матеріалу на початку його гігроскопічного стану за відмінної від нуля по-тенціалу зовнішнього масообміну в агенті сушіння не має аналогів конвективному сушінні. Встановлено, що цей ефект пов'язаний із залежніст повітряного потоку через масообмінний отвір ФМ від потоку пари. Чим більн швидкість сушіння, тим більше інтенсивність обміну потоком повітря ФМ зовнішнім середовищем. Крім того, зі збільшенням розмірів частинок картоп порівняно з поперечними розмірами ФМ проходять суттєві зміни в уявленнях гц внутрішні характеристики масопереносу. Внесок індивидуальних характеристі кожного шматочка стає більш вагомим й інтегральна характеристика масі

провідності ФМ, як одного цілого, змінюється на результуючу масопровідність

усіх шматочків матеріалу. При цьому показано, що в разі, якщо внутрішні потоки маси, котрі виникають, не узгоджені з зовнішніми потоками характерними для ЗТП-сушіння, спостерігається зрив процесу, і зневоднення припиняється.

Криві сушіння картоплі у вигляді пюре та стружки мали типову для ЗТП-сушіння форму. При цьому тривалість сушіння картоплі у вигляді стружки до рівноважного вологовмісту 8 % майже у 2 рази менша за тривалість сушіння пюре до такого ж вологовмісту. Це пов'язано з механізмом обміну сушильного агента з об'ємом ФМ та зі ступенем заповнення ФМ, оскільки маса пюре була в 1,5 раза більшою за масу стружки.

На кінетику ЗТП-сушіння пюре з картоплі значний вплив має спосіб попередньої теплової обробки сировини (рис. 2), що пояснено зростанням вмісту вільного крохмалю в міжклітинному просторі. Однією із внутрішніх умов перебігу ЗТП-процесу є утворення пористої структури зневоднюваного матеріалу, а цьому заважає клейстеризація вільного крохмалю: матеріал стає більш пластичним та однорідним.

Технічні фактори обумовлюються характеристиками функціональної місткості. Геометрична форма та розміри ФМ не лише мають вплив на процес ЗТП-сушіння,

Рисі. Кінетика сушіння картоплі:

1 - пюре; 2 - стружка; 3 - кубики.

Рис. 2. Вплив попередньої обробки на кінетику сушіння картопляного пюре: обробка парою: 1-10 хв.; 2- 15 хв.; З- варіння, 15 хв.

але й визначають ефективність технічних рішень стосовно побудови ЗТП-сушарки.

По відхиленню експериментальних температурних кривих від типових проводили якісний аналіз області об'єму ФМ, де спостерігався процес “блокування” механізмів масообміну. Виходячи з припущення, що це пов'язано з відхиленням гідродинамічних умов обтікання певної частини тепломасообмінної поверхні ФМ, досліджували вплив вставок-турбулізаторів (рис. 3) на рівномірність зневоднення. Вставки-турбулізатори разміщувались між площиною ФМ та стінкою сушильної

Дослідженнями встановлено, що для ефективного зневоднення матеріалу у ФМ, в яких принаймі два геометричних розміри більше ніж на порядок перевищують третій, необхідно використовувати вставки-турбулізатори, які вирівнюють умови гідродинамічного обтікання поверхні ФМ. Найбільшого ефекту було досягнуто для дельтоподібних турбулізаторів (Рис.З, г)).

Для вивчення такого процесного фактору, як попередній підігрів матеріалу, ФМ поміщали в термошафу і вигримували протягом 10 хв. при температурі 95... 100 °С. Сушіння проводили при температурі агента сушіння 95 °С та швидкості агента сушіння 10 м/с. Кінетику зневоднення визначали стандартною методикою. Отримані результати апроксимували функцією:

(1)

де \У, відповідно поточний та початковий вологовміст, %; х - поточний час; хв.; к - кінетичний коефіцієнт, 1/хв.; п - кінетичний коефіцієнт.

З апроксимуючої функції визначали також залежність швидкості сушіння ю від вологовмісту.

камери.

Г)

Рис.З. Схема розміщення вставок-турбулізаторів: а), б), в) - циліндричні; г) - дельтоподібні.

\У = \У0 -ехр^кт)11 ].

Результати експериментів показали (рис. 4), що попередній підігрів мате-алу в ФМ дозволяє скоротати загальну тривалість сушіння в 1,3 рази (крива 2).

ЗО

24

18

12

0

оо,%/: [В.

2

1

IV,% ї

0 100 200 300 400

б)

Рис.4. Вплив попереднього підігріву на кінетику сушіння картопляних слойок: а) - кінетика сушіння; б) - швидкість сушіння.

Це відбувається завдяки значному зростанню швидкості сушіння <о на лотковому етапі зневоднення. Такий прийом дозволяє у 1,5...2,0 рази збільшити одуктивність ФМ, а вибір щодо його використання зумовлюється тільки зі учністю роботи обладнання.

Встановлено, що загальна тривалість сушіння з підвищенням температури агента сушіння до 110 °С скорочується в 2,5...3,0 рази (рис. 5). Це скорочення відбувається за рахунок значного зростання коефіцієнта к рівняння (1) зі зростанням температури агента сушіння.

Вивчено теплообмін при ЗТП-сушінні. Одержано емпіричне рівняння залежності коефіцієнта теплопередачі від відносного воло-говмісту при ЗТП-сушінні.

ис.5. Апроксимована кінетика сушіння за температури агента сушіння, °С: 1 - 60; 2 - 70; З -80; 4-90; 5 -100; 6 - 110.

Показано, що коефіцієнт теплопередачі змінюється за рахунок динамічної і ведінки коефіцієнта теплопровідності матеріалу, яка зумовлена рухом рідкої газоподібної вологи всередині ФМ. '

Встановлено, що весь процес ЗТП-сушіння можна умовно поділити на і] періоди: період нагріву матеріалу і зростання швидкості сушіння, період макс мальної швидкості сушіння та період падаючої швидкості сушіння. Перші д періоди є критичними та чутливими відносно як до зовнішніх, так і до внутрішн умов, які визначають процес ЗТП-сушіння в цілому. Саме ці періоди зумовлюю ефект "блокування" процесу та визначають загальну тривалість зневоднення.

У четвертому розділі "Вивчення кінетики та динаміки ЗТП-сушіння" оп сано результати досліджень кінетики та динаміки ЗТП-сушіння. Експ рименгально встановлено, що використання змінних режимів дозволяє опт мізувати процес сушіння змішаним теплопідводом з приводу мінімального тепл вого впливу на матеріал. При цьому загальна тривалість сушіння не залежить в того, чи була температура сушильного агента постійною, чи лінійно змінюваласі Досліджено вплив на кінетику сушіння лінійно-спадаючої (85...45 °С) лінійно-зростаючої (45...85 °С) температури сушильного агента відносно до ек перименту з постійною температурою сушильного агента (70 °С) (рис. 6). Всі новлено, що характер зневоднення у всіх трьох випадках має свої особливос"

і

0 --0,5

ОД ОД» 0,9*5 1^9 1#1 2Д5 0,1 0,53 0,96 1,Ю 1,8І 1,15 0,1 0,53 0,9« 1,39 1,82 2Д5

а) 1=70 °С б) 1=45...85 °С в) 1= 85...45 °С

Рис.6. Вплив температури на величини:--------- швидкості сушіння;

теплового балансу; • • • • середньої температури матеріалу

Максимальна швидкість сушіння зміщується по осі вологовмісту відносно до еі сперименту для 70 °С: за зростаючої температури - максимум припадає на меі ший вологовміст; за падаючої - на більший вологовміст.

Режим сушіння впливає також на характер зміни середньої температури м. теріалу. Інтегральний температурний вплив © (площа під кривою "температур; час") характеризує вплив процесу сушіння на якість готової продукції.

Г" / X • < •

( • • '*1 і Г

\ ♦ V*. / /♦ / 1* ві ц тлд.

Як показали розрахунки (табл. 1), мінімальне значення інтегрального тем-ературного впливу спостерігається для режиму зі зниженням температури су-шльного агента. Крім того, обидва змінні режими характеризуються більш низь-ою середньою температурою матеріалу 0„р за весь період зневоднення.

Таблиця І

Інтегральний температурний вплив на материал і середня температура

матеріалу.

Параметр Температура сушіння , °С

70 45...85 85...45

0, °С-хв. 3106 3050 2905

0™,°С 46,1 42,0 42,2

Також визначено, що для досліджених режимів характерним є часовий теп-звий дисбаланс між експериментально виміряним та теоретично розрахованим отоком тепла. Показано, що факт дисбалансу зумовлено поведінкою коефіцієнта гплопередачі при ЗТП-сушінні.

Математичний опис процесу зведено до системи лінійних диференційних івнянь, розв'язання якої є розв'язанням лінійного диференційного рівняння по-їдку п ( а - число рівнянь у системі, яке дорівнює числу середніх за об'ємом по-:нціалів переносу). Методика аналізу кінетики сушіння базувалась на рег-:сійному аналізі рівняння (2) першого, другого та третього порядків.

сій <12и (і"и л ,

а0и+аг —+ а2—у+...+ ап —= 0, (2)

<ІТ йх* (ІТ

; и =----------. безрозмірний вологовміст;

Wo-Wp

Wp - рівноважний вологовміст, %;

ап - коефіцієнти, алгебраїчно пов'язані з коефіцієнтами переносу.

Для одержання похідної и(т) від експериментальних значень використову-шось експоненційно-поліноміальне згладжування:

Р

и(х) = чр +Ди ехр( |]Ат хт), (3) ,

т=1

: іір, Л и - відповідно рівноважний та змінений за весь процес сушіння воло говміст;

ні • індекс додавання;

Р - ступінь поліному.

Проведеним математичним моделюванням доведено, що при ЗТП-сушіш діє не менше двох термодинамічних рушійних сил.

Встановлено, що ступінь заповнення ФМ та геометричні розміри матеріал (Ь, мм) впливають як на кінетику сушіння, так і на продуктивність сушарки. Дл аналізу цього впливу було впроваджено поняття ефективного порового простор П як частини об'єму ФМ, що вільна від продукту, та комплекси А=(ПЬ)0,5, В=Ш-

Зі зростанням А величина коефіцієнта п зменшується (рис. 7), що свідчит про вирівнювання пошарового зневоднення матеріалу, оскільки коефіцієнт ; близький за сенсом до критерію Кирпичова. Отримана залежність добр апроксимується лінійною функцією:

п = а2+Ь2-А, (4)

де аг, Ьг - коефіцієнти рівняння: а2= 1,80; Ь2 = - 0,89 -мм'0,5

Більш складну залежність від ефективного порового простору отримано дл коефіцієнта к Цей коефіцієнт відбиває ефективну масопровідність при ЗТП сушінні, тому спостерігається залежність як від ступеня заповнення ФМ, так і ві розмірів самих частинок матеріалу. Залежність має максимум (рис. 8), що вказу на раціональне заповнення ФМ, і апроксимується функцією:

к = С0 + С^Б + С2Б2 + С3Ю3 , (5)

де Со, Сі, С2, Сз - коефіцієнти рівняння: Со = 0,027 с'1; Сі = 0,026 с'^мм'1;

Сг = 0,014с‘ мм2; С3 = -0,027с'-мм'3.

Одержано залежність продуктивності ФМ від ступеня заповнення, який ви ражено комплексним параметром О (рис. 9). Продуктивність в діапазоні значен 0=0,4... 1,0 мм відповідає раціональному ступеню заповнення.

При незмінному значенні ефективного порового простору продуктивніст функціональної місткості в визначається розмірами частинок зневоднюваног матеріалу. З результатів (рис. 10) походить, що виконується зворотньо пропор ційна залежність між величиною Є та ефективним поровим простором. Особ ливість поведінки отриманої залежності має реальне практичне підтвердженії при ЗТП-сушінні картоплі в індивідуальних ФМ, оскільки на межі П -»• 0 величи на Ь -> да , а це означає, що весь об'єм ФМ повинен бути зайнятий одниг шматочком картоплі.

и

п X

X Ч*. X

Л А, 1 мм >

1.8

1.6 1,4 1,2

0 0,2 0,4 0,6

Рис.7. Залежність коефіцієнта п від комплексу А.

о,о«

0,04

0,02

М/п. □

ґ- о1 \ Б, мм

0 0,5 1,0 1,5

Рис. 8. Залежність коефіцієнта к від комплексу Б.

Рис. 9. Залежність продуктивності ФМ від комплексу Ю.

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

О 1 2 3 4 5 6 7

Рис. 10. Продуктивність ФМ в залежності від розмірів І шматочків картоплі при П: 1 - 0,2; 2 - 0,3; 3 - 0,4; 4 - 0,5.

Теоретично та експериментально встановлено, що ЗТП-сушіння проходить ростом ентальпії “внутрішнього” (у функціональній місткості ) сушильного 'ента при виконанні умови сталості його ентальпії І0 для всієї сушильної камери, ля цього проаналізовано дві моделі обміну ФМ теплом та масою з навколишнім :редовшцем.

Модель 1 описує випадок, коли ентальпія повітря, що виходить з ФМ та здходить всередину ФМ, постійні. Ця вимога буде виконуватися, якщо різниця іж секундними витратами ДМУ (кг/с) стоку та припливу ентальпії І (Дж/кг) зрівнюватиме тепловому потоку ч (Вт), що витрачається на сушіння. При цьому істема рівнянь має вигляд:

ІО = = І(<д , (І0 ) і (6)

Ч = ЛМУ ■ І0 , (7)

М „ = ? ~** Я • \у ', (8)

у 1000

де І, ^ - відповідно температура пароповітряної суміші, що виходить з . ФМ і температура сушильного агента, °С; сі, (1о - відповідно вологовміст пароповітряної суміші, що виходить з ФМ і вологовміст сушильного агента, г/кг;

Уі' - швидкість сушіння, кг/с.

За цього випадку (рис. II а)) приплив тепла з повітрям перевищує не обхідний для ЗТП-сушіння тепловий потік. Це означає, що відсутній теплообмії між сушільним агентом і теплообмінною поверхнею ФМ. Тоді стан поверхні теплофізичні характеристики та геометрична форма функціональної місткості ні повинні впливати на процес, але це суперечить експериментальним даним.

Модель 2 може бути реалізована, якщо припустити, що різниця в стоці т; припливі ентальпії ЛІ існує за рахунок збільшення ентальпії стоку, оскількі суміш отримує тепло через стінку ФМ. За цього випадку сушильний агеїг “готується” не тільки в калорифері сушильної камери, а й у самій функціональнії місткості. Через те, що вологовміст пароповітряної суміші, що виходить, не МОЖІ бути вищим за вологовміст насичення (відносний вологовміст ф=1), секунда витрати стоку ентальпії повинні бути в Z разів більше за ентальпію приплив; агента сушіння в ФМ. Виходячи з цього, система рівнянь має вигляд

q = MY • ДІ,

= d-do_ , v 1000 q = Mv-(Z.I(M(t,W)-I(td,d0)).

(9)

(10) (И)

За цього випадку (рис. 116)) істинні витрати стоку пароповітряної суміш дорівнюють добутку M„-Z, а приплив повітря в ФМ вважається таким, щ( дорівнює величині Mv. При цьому саме цей потік повітря в ФМ є єдиним пог линачем випареної вологи. Розрахунки з моделі 2 стверджують, що тепловиі потік, який надходить в ФМ з сушильним агентом, становить не більше за 10% вії необхідного для ЗТП-сушіння теплового потоку q, а майже весь тепловий потії надходить через теплообмінну поверхню ФМ.

Зроблено висновок, що потік агента сушіння всередину ФМ не може буті основним джерелом тепла при ЗТП-сушінні, а ентальпія пароповітряної суміші

о виходить з функціональної місткості, зростає через те, що суміш одержує пло через стінку ФМ.

325

300

200

100

1» Вт

3 м X

« " к * к и, «1дя.»д,

ОД

0.4

а)

0,6 0,8

Рис. 11. Теплові потоки для ФМ: 1 - з сушильним агентом; 2 - необхідний для процесу; 3 - з пароповітряною суміш'ю.

У п'ятому розділі "Раціональні режими виробництва сушеного швид-(відновлюваної картоплі" на основі досліджень показників якості сушеної кар-плі та продуктивності сушарки з використанням функціональних місткостей, іводигься опис вибору раціональних режимів виробництва сушеної картоплі.

Наведено результати досліджень впливу режиму сушіння на загальну по-істість сушеної картоплі. Встановлено, що максимальна швидкість обводнення . максимальна величина відновлюваності (Р«98 %) спостерігається для гамачків сушеної картоплі з розмірами 1x2 мм та 1,5x4,0 мм.

Дослідженнями гігроскопічних властивостей сушеної картоплі показано, що іксимальний рівноважний вологовміст становить близько 30 %. Достатньо низь-гй вологовміст вказує на можливість тривалого зберігання сушеної продукції у ичайній упаковці з полімерних матеріалів.

Експериментальними дослідженнями показано, що втрати вітаміну С під іс ЗТП-сушіння визначаються не стільки температурою сушильного агента, ільки середньою температурою матеріалу в процесі зневоднення. Знайдено, що середньому втрата вітаміну С для досліджуваних режимів сушіння становить ,0 %, що значно нижче, ніж за конвективного сушіння, де втрати досягають І... 25%.

Встановлено раціональні режими та розроблено метод їх визначення для гробництва сушеної швидковідновлюваної картоплі. Визначено основні значен-

і режимних параметрів процесу: температура сушіння , конструкція, розміри ^національних місткостей та період їх розміщення, навантаження сировини на

одну ФМ, вид та місце розміщення вставок-турбулізаторів, швидкість та схен руху сушильного агента ( табл. 2).

Таблиця

Раціональні режими виробництва сушеної швидковідновлюваної картоплі

Параметр Величина Доповнення

Температура, °С 85 90...70 стала змінна

Швидкість сушильного агента, м/с 4 критична

Функціональна місткість: розміри, мм; період, мм 500x500x30 30 конструкція: з відкид ною кришкою

Навантаження сировини на одну ФМ, кг; Розміри поперечного розрізу шматочків картоплі, мм 3,0 1,5x3,0 рівномірне розподілення об'ємі ФМ

Вставки-турбулізатори дельтоподібні рівномірне розподілення уздовж поверхні ФМ

Контур руху сушильного агента замкнений встановлення конденсаторе

У шостому розділі "Технологічна схема та сушильне обладнання для ви робницгва швидковідновлюваної картоплі" описано технологічну схему та кон струкцію сушильної установки для виробництва сушеної шввдковідновлюванс картоплі. Показано, що для виробництва сушеної картоплі способом ЗТП-сушінн немає необхідності в зміні стандартної технологічної схеми. Необхідним є тілью суворий контроль за розмірами шматочків картоплі на стадії подрібнення.

Описано основний робочий елемент - функціональну місткість, розміри яко вибрано, виходячи з вимог зручності роботи, а поперечний розмір - з раціональ них режимів сушіння.

Визначено конструктивні особливості ЗТГІ-сушарки. Показано, що замкне ний контур руху сушильного агента сприяє максимальній утилізації тепла, щі витрачається на сушіння.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз сучасних способів сушіння і техніки виробництва сушених харчо в их матеріалів підвищеної якості показав, що сушіння змішаним теплопідводом яке поєднує в собі високу економічність та якість готової продукції, є найбільц

ерспектйвним для впровадження у виробництво, особливо для фермерських гос-одарств та малих підприємств.

2. Виділено та вивчено три групи факторів: технологічні, технічні та про-есні, що впливають як на можливість здійснення ЗТП-сушіння так і на його три-алість. Показано, що консистенція та розміри частинок подрібненої картоплі уттєво впливають на тривалість ЗІТТ-сушіння, використання вставок-/рбулізаторів дозволяє поліпшити рівномірність зневоднення, а попередній ідігрів та підвищення температури сушильного агента скорочують тривалість щгіння відповідно в 1,3 та 2,5...З рази.

3. Встановлено, що весь процес ЗТП-сушіння поділяється на три періоди: гріод нагріву та зростаючої швидкості сушіння; період максимальної швидкості дпіння; період падаючої швидкості сушіння. При цьому перші два періоди є зитичними і чутливими як до внутрішніх, так і до зовнішніх умов, та визначають эоцес ЗТП-сушіння в цілому.

4. Експериментально встановлено, що використання змінних режимів за нійним законом при сталій амплітуді дозволяє оптимізувати процес сушіння осовно температурного впливу на матеріал. При цьому загальна тривалість про-:су не залежить від напрямку зміни температури, а середня температура ма-ріалу становить 42...46 °С

5. Проведеними дослідженнями встановлено, що ступінь заповнення функ-ональної місткості та геометричні розміри матеріалу впливають як на кінетику * тління так і на продуктивність ФМ. Отримано емпіричну формулу, за якою об-іслюєіься раціональна величина заповнення ФМ при заданих розмірах ма-ріалу. Встановлено раціональні розміри поперечного розрізу шматочків кар-плі (1,5 х 3,0 мм) та раціональне заповнення ФМ, що відповідає П = 0,2... 0,3.

6. Теоретичним аналізом та експериментальними дослідженнями доведено,

э ЗТП-сушіння проходить з ростом ентальпії “внутрішнього" сушильного агента

умови сталості величини ентальпії сушильного агента в цілому. При цьому ен-льпія пароповітряної суміші, що виходить з ФМ, зростає за рахунок потоку теп-через стінку ФМ.

7. На основі досліджень показників якості сушеної картоплі та продук-вності ФМ визначено параметри раціональних режимів виробництва сушеної зидковідновлюваної картоплі: температура агента сушіння (85 °С; або змінна ...70 °С) та його швидкість (4... 10 м/с); навантаження матеріалу на ФМ (3 кг); д та схема розміщення вставок-турбулізаторів (дельтоподібні з рівномірним зподіленням уздовж площини ФМ), контур руху агента сушіння - замкнений.

8. Розроблено технологічну схему та конструкцію сушарки для виробництва шеної швидковідновлюваної картоплі. Показано, що для ЗТП-сушіння немає обхідності в зміні стандартної технологічної схеми виробництва. Необхідним є іьки суворий контроль за розмірами шматочків картоплі на стадії подрібнення.

9. На основі отриманих у роботі емпіричних залежностей, розроблено пр граму для інженерних розрахунків ЗТТІ-сушарки з використанням ЕОМ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Погожих Н.И., Потапов В.А., Цуркан Н.М. Исследование сушки мат риалов смешанным теплоподводом вблизи критических режимов // Актуалі науково-методичні проблеми в підготовці спеціалістів вищої кваліфікації д торгівлі і харчування: Зб.наук.пр,- Ч.2.- Харків: ХДАТОХ., 1997. - С. 343-346.

2. Погожих Н.И., Потапов В.А., Цуркан Н.М. Изучение процесса СТ: сушки модельного тела при переменних режимах //Прогресивні ресур зберігаючі технології та їх економічна обгрунтованість у підприємствах харч вання. Економічні проблеми торгівлі: 36. наук. пр.-Ч.І.-Харків: ХДАТОХ, 199! С.108-111.

3. Цуркан Н.М., Потапов В.А., Погожих Н.И. Анализ кинетики СТП-суш при переменных режимах // Прогресивні ресурсозберігаючі технології та їх ек номічна обгрунтованість у підприємствах харчування. Економічні проблеї торгівлі: 36. наук. пр.-Ч.1.-Харків: ХДАТОХ, 1998.- С.117-120.

4. Цуркан Н.М., Погожих Н.И., Потапов В.А. Влияние степени заполнен функциональной емкости на кинетику СТП-сушки // Нові технології та удоскок лення процесів харчових виробництв: 36. наук. пр.-Харків: ХДАТОХ, 199! С.171-173.

5. Цуркан Н.М., Погожих Н.И., Потапов В.А. Экспериментальный мел определения эффективных теплообменных характеристик капиллярно-пористі тел. // Технології в машинобудуванні. Вісник Харків, держ. політехн. универст ту. 36. наук. пр. Вип. 89.-Харків: ХДІІУ, 2000. - С. 57-60.

6. Пат. № 2096962 Россия, МКИ 6 А 23 В 7/03. Способ сушки пищеві продуктов / Н.И. Погожих., В.А. Потапов, Н.М. Цуркан (Украина).- . 94033280/13; Заявлено 13.09.94: Опубл. 27.11.97. Бюл.№33.- 28 с.

7. Гришин М.А., Жуков В.В., Погожих Н.И., Потапов В.А., Цуркан Н.1 Исследование равновесного состояния влаги в сушеных продуктах методами Я1у // Тези доп. IX Міжнар. конф. "Удосконалення процесів та апаратів хімічних, ха чових та нафтохімічних виробництв",-Ч.2.-Одеса: ОДАХТ.-1996.-С. 102.

8. Погожих М.І.,Потапов В.А., Цуркан М.М. Інтенсифікація процесу ЗТ1 сушіння термостатуванням. //Тези доп. Всеукраїн. наук, практич. конф "Стан проблеми розвитку торгівлі і харчування в Україні",- Харків: ХДАТОХ, 199' С.48-49.

АНОТАЦІЯ

Цуркан М.М. Розробка раціональних режимів виробництва сушеної швид-:овідновлюваної картоплі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за пеціальністю 05.18.12 - процеси та апарати харчових виробництв. - Харківська іержавна академія технології та організації харчування Міністерства освіти і нау-и України, Харків, 2000.

Дисертацію присвячено теоретичному та експериментальному обґрун-■уванню раціональних режимів виробництва сушеної швидковідновлюваної кар-оплі, в основу якого покладено новий спосіб - сушіння змішаним теплопідводом ЗТП-сушіння). Визначено та досліджено групи факторів, що суттєво впливають іа кінетику ЗТП-сушіння: технологічні, технічні та процесні. Показано, що ггупінь заповнення функціональної місткості, її геометричні розміри, а також іаціональний розмір частинок подрібненої картоплі визначають як кінетику ;ушіння, так і продуктивність ЗТП-сушарки. Теоретично обґрун-товано та експе-іиментально підтверджено, що процес ЗТП-сушіння проходить з ростом ентальпії утильного агента всередині функціональної місткості. Отримано емпіричні формули для інженерних розрахунків основних параметрів су-шияьної установки. Та основі проведених досліджень розроблено технологічну схему та сушильну 'становку для виробництва сушеної швидковідновлюваної картоплі.

Ключові слова: сушіння змішаним теплопідводом, функціональна місткість, тупінь заповнення, сушена швидковідновлювана картопля.

АННОТАЦИЯ

Цуркан Н.М. Разработка рациональных режимов производства сушеного (ыстровосстанавливаемого картофеля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по лециальности 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств. - Харь-:овская государственная академия технологии и организации питания Министер-тва образования и науки Украины, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному обоснова-ппо рациональных режимов производства сушеного быстровосстанавливаемого :артофеля, в основу которого положен новый способ - сушка смешанным тепло-юдводом (СТП-сушка).

Определены и исследованы группы факторов, существенно влияющих на мнетику СТП-сушки: технологические, технические и процессные.

Показано, что размеры кусочков картофеля после измельчения существен-іьім образом влияют на СТП- процесс. Так, для образцов картофеля в виде куби-

ков 8x8x8 мм наблюдался следующий эффект: стремление к нулю скорости суш ки влажного материала в начале его гигроскопического состояния при отлично! от нуля потенциале внешнего массообмена в агенте сушки.

Экспериментально выявлено, что продолжительность сушки образцог бланшированных на пару в течение 10 мин., в 1,5 раза меньше, чем при варке ил! бланшировании на пару в течение 15 мин. При этом основной причиной увеличе ния продолжительности сушки является консистенция исходного сырья: пюр становится более пластичным и однородным. Аналогичное влияние оказывают н продолжительность процесса и пластифицирующие картофельное пюре добавки.

Установлено, что для эффективного обезвоживания материала в функцио нальных емкостях (ФЕ), для которых два геометрических размера более чем н порядок больше третьего, необходимо применять вставки-турбулизаторы, кото рые выравнивают условия гидродинамического обтекания потоком сушильнол агента тепловлагообменной поверхности. Исследования показали, что вставки турбулизаторы позволяют повысить равномерность обезвоживания по всему объ ему функциональной емкости. При этом степень обезвоживания находится в за висимости от вида и схемы размещения вставок-турбулизаторов. Наибольший эффект достигается с применением дельтообразных турбулизаторов.

Получено эмпирическое уравнение зависимости коэффициента теплопере дачи от относительного влагосодержания материала при СТП-сушке. Показано что изменение коэффициента теплопередачи происходит за счет динамическоп поведения эффективного коэффициента теплопроводности материала, обуслов ленного движением жидкой и газообразной влаги внутри ФЕ.

Установлено, что весь процесс СТП-сушки можно условно разделить на тр( периода: период нагрева материала и возрастающей скорости сушки; период мак симальной скорости сушки; период убывающей скорости. Первые два период: являются критичными и “чувствительными” в отношении как внешних, так I внутренних условий, определяющих процесс СТП-сушки в целом.

Экспериментально установлено, что применение переменных режимов по зволяет оптимизировать процесс сушки смешанным теплоподводом. Результата исследований показали, что общая продолжительность СТП-сушки не зависит от того, является ли температура сушильного агента постоянной или линейно ме няющейся. Показано, что минимальное интегральное температурное воздействие на материал наблюдается для режима с понижением температуры сушильном агента. Кроме того, переменные режимы характеризуются более низкой средне? температурой материала за весь период обезвоживания.

Показано, что степень заполнения функциональной емкости, её геометрические размеры, а также эффективный размер частиц измельченного картофеля определяют как кинетику сушки, так и производительность СТП сушилки. Найденс

ациональное соотношение между величиной эффективного перового лростран-гва и геометрическими размерами обезвоживаемых кусочков картофеля.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что процесс ТП-сушки происходит с увеличением энтальпии сушильного агента внутри ункциональной емкости. Энтальпия уходящей из ФЕ паровоздушной смеси воз-астает из-за того, что смесь получает тепло через стенку ФЕ. В этом случае шутренний” сушильный агент “подготавливается” не только в калорифере су-шльной камеры, но и в самой ФЕ.

Результаты по исследованию гигроскопических свойств сушеного картофе-

ч показали, что максимальное равновесное влагосодержание (при относительной важности воздуха 100 %) составило около 30 %. Достаточно низкое равновесное нагосодержание указывает на возможность длительного хранения сушеной проекции в обычной упаковке из полимерных материалов.

Исследования показали, что потери витамина С при СТП-сушке определятся не столько температурой сушильного агента, сколько средней температурой атериала в процессе обезвоживания. Выявлено, что в среднем потери витамина для исследованных режимов сушки составляют 7,0 %, что значительно ниже, ;м при конвективных способах обезвоживания.

Определены рациональные режимы производства сушеного быстровосста-датваемого картофеля: температура сушки; вид и размеры функциональной ем->сти; нагрузка сырья на одну ФЕ; вид и место размещения вставок-турбули-іторов; скорость и схема движения сушильного агента.

Получены эмпирические формулы для инженерных расчетов основных па-імегров сушильной установки. На основании проведенных исследований разра-этаиы технологическая схема и сушильная установка для производства сушено> быстровосстанавливаемого картофеля.

Ключевые слова: сушка смешанным теплоподводом, функциональная ем-эсть, степень заполнения, сушеный быстровосстанавливаемый картофель.

SUMMARY

Tsurkan N.M. Development of rational rates for production of dried quickreduced rtatoes. - Manuscript

The thesis for a candidate's degree by speciality 05.18.12 - processes and appa-tuses for food production. Kharkiv State Academy of Food Technology and Manage-ent Ukrainian Education and Science Administration, Kharkiv, 2000.

The dissertation is dedicated to theoretical and experimental verification of ra-зпаї rates for production of dried quickreduced potatoes, which is based on new ethod of drying - drying by mixed heattransfer (MHT-drying). The groups of factors, bich essentially affect kinetics of MHT-drying: technological, technical and process

factors are determined and investigated. This proves, that the degree of filling for faro tional container, its geometric sizes and effective size of potato pieces determine kine ics of MHT-drying and productivity of functional container. It is theoretically verif cated and experimentally confirmed, that MHT-drying process increases enthalpy < drying agents inside the functional container. Empirical formulae for engineering ca culation of basic parameters of dryer are obtained. Technological card and dryer f< production of dried quickreduced potatoes are developed on the basis of investigatio performed.

Key words: drying by mixed heattransfer, functional container, degree of fillinj dried quickreduced potatoes.

Підп. до друку 17.04.2000 p. Формат 60x84 1/16. Папір газет. Друк.офс. 0бл.-вид.1.0. Ум.друк.арк.1,16.Ум.фарб.відб.І,16. Тираж 100 прим. Замовл. № ЮЧ

ДОД ХДАТОХ, 61051, Харків-51, вул. Клочківська.ЗЗЗ