автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:СВЧ-сушка моркови и растительного сырья

У

Российская академия сельскохозяйственных наук

(РАСХН)

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

(ВИЭСХ)

На правах рукописи

ЛОЕНКО ВАСИЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 621.385.6:052.812

СВЧ-СУШКА МОРКОВИ И РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.20.02. - электрификация сельскохозяйственного

производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Г. А Шарков

Научный консультант: кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.В. Шевцов

Москва-1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЧ-ЭНЕРГИИ

ДЛЯ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ 14

1.1. Физические основы процесса СВЧ-сушкн 14

1.2. Эффективность процесса сушки с СВЧ-энергоподводом 17

1.3. Анализ СВЧ-сушилок 23

1.4. Заключение по главе. Цель и задачи исследований 27

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСТИТЕЛЬНОГО 28 СЫРЬЯ

2.1. Исследование диэлектрических характеристик растительных материалов на частоте 2450 МГц методом согласованной нагрузки 28

2.2. Исследование диэлектрических характеристик материалов на

частоте 915 МГц методом комбинированной передающей линии 39

2.3. Исследование электро- и теплофизических характеристик измельченной моркови при воздействии СВЧ-энергии на частоте 2450 МГц 49

2.4. Выводы по второй главе 59

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СВЧ-СУШКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ 60

3.1. Моделирование процесса испарения влаги при СВЧ-нагреве капиллярно-пористого коллоидного материала 60

3.2. Учет критерия карамелизации в процессе сушки моркови 71

3.3. Анализ процесса сушки с СВЧ-энергоподводом 75

3.4. Выводы по третьей главе $1

4. ЭКСПЕРМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СУШКИ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ 82

4.1. Методики и экспериментальное оборудование для исследования процесса сушки с СВЧ-энергоподводом 82

4.2. Исследование кинетики нагрева и охлаждения растительных материалов на примере укропа 91

4.3. Влияние параметров установки на скорость и длительность сушки растительных материалов 94

4.4. Влияние исходной влажности на скорость сушки моркови 97

4.5. Влияние скорости СВЧ-сушки на качество растительного

продукта lvi

4.6. Исследование режимов сушки высоковлажного зерна сои 105

4.7. Определение массы образца и степени загрузки СВЧ-камеры 108

4.8. Определение удельной мощности внутренних источников 111

4.9. Выводы по четвертой главе 114

5. РАЗРАБОТКА РАБОЧИХ ОРГАНОВ СВЧ- СУШИЛОК 115

5.1. Энергетический баланс комбинированного процесса сушки 115

5.2. Выбор варианта сушилки с СВЧ-энергоподводом 119

5.3. Разработка и испытание лабораторной СВЧ-вакуумной установки 120

5.4. Разработка и испытание СВЧ-конвективной сушилки 128

5.5. Оценка экономической эффективности СВЧ-сушилок 139

5.5.1. Технико-экономическая эффективность лабораторной СВЧ-вакуумной установки 139

5.5.2. Технико-экономическая эффективность комбинированной СВЧ-конвективной сушилки 142

5.6. Выводы по пятой главе 144

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 146

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148

ПРИЛОЖЕНИЯ 159 1. Алгоритм настройки измерительного стенда

2. Программы paciera диэлектрических, теплофизических констант и статистической обработки

3. Программа paciera функции W2

4. Положительное решение

5. Программа расчета энергетического баланса

6. Расчет параметров комбинированной сушилки

7. Техническое задание на проведение ОКР

8. Акт обследования уровней излучений ЭМП СВЧ-конвективной сушилки

9. Акты внедрения

ВВЕДЕНИЕ

По данным Института питания РАН, средняя годовая норма потребления овощей должна составлять на одного человека 135 кг. Потребление моркови на человека должно составлять 12 кг в год. Причем необходимо обеспечить население этой ценной продукцией не только в сезон заготовки и не только в зонах выращивания, но и в течение всего года во всех регионах страны [1]. Однако климатические условия в нашей стране определяют крайне не равномерное поступление урожая. Так, до 1 августа с открытого грунта поступает 10...11% всего урожая овщей, в том числе 30% огурцов, в то время как в августе - сентябре урожай огурцов оставляет 70% [2].

Из растительных продуктов питания морковь одна из ценных овощных кулыур, широко распространенных в СНГ. Ежегодно ее посевы составляют более 100 тыс. га, т.е. более 10% всех площадей, отводимых под овощные культуры. Она играет важную роль в жизни человека, обладая богатым содержанием необходимых для организма веществ, стала неотъемлемой частью его питания. Так, потребление 18-20 грамм моркови восполняет суточную потребность человеческого организма в каротине, столь необходимом для нормального функционирования сердца, печени, органов пищеварения, дыхательных путей, роговицы глаза и слезных желез. Содержание в моркови витамина С в количестве 5 мг/100 г массы играет важную роль для органов кровообращения и обладает антитоксическим действием к ядовитым веществам. Энергетическая ценность моркови составляет 138 кДж. Низкое содержание белка отнюдь не уменьшает ее питательной ценности, т.к. белок моркови более богат незаменимыми аминокислотами, чем животного происхождения. Кроме перечисленного морковь также богата витаминами Вь В2, РР, сахарами и другими важными для организма веществами. Особенно ценна и важна морковь в диетическом и детском питании, как стимулятор роста молодого организма [1,2].

Однако в настоящее время нормы потребности в моркови удовлетворяются далеко не полностью и неравномерно в течение года. Это в значительной мере связано с существенными потерями при хранении, достигающими порой до 30-50% от закладываемой на хранение моркови [3].

Поэтому для обеспечения круглогодичного снабжения населения необходимо значительно повысить сохранность продукции. Между тем на пути этому возникает ряд сложностей:

• морковь относится к слаболежким продуктам, т.к. оболочка покрывающая корнеплод слабо защищает его от излишней потери влаги, проникновения микроорганизмов, механических повреждений при уборке и транспортировке, а также закладке на хранение, что приводит к преждевременному увяданию, потере тургора, порче и поражениям болезнями;

• современные способы хранения свежей моркови и растительного сырья предусматривают создание специальных микроклиматических условий, которые часто не поддерживаются в заданных пределах. Так при повышенной температуре хранения морковь прорастает. По мере прорастания она теряет массу, устойчивость к вирусам и болезням;

• на лежкоспособность свежей моркови влияют сроки уборки, погодные условия в течение срока вегетации, тип почвы, севообороты, степень зрелости, условия хранения и др. факторы;

• подготовленная к реализации продукция довольно продолжительное время находится в помещениях магазинов, зачастую не соответствующим требованиям к хранению, в связи с чем до потребителя она доходит с большим процентом порчи.

Одним из путей решения вышеуказанных проблем, а также расширение ассортимента продукции, является производство сухих овощей и фруктов, порошкообразных или мелкоизмельченных продуктов, концентратов, позволяющих круглогодичное обеспечение населения плодоовощной продукцией. Воз-

можность длительного хранения без создания специального микроклимата, недефицитная тара в процессе расфасовки, малая масса, высокая транспортабельность, являются важными показателями при решении вопроса обеспечения населения продуктами питания и перспектив развития овощесушильной промышленности.

Сушку, как один из способов консервирования продуктов, человечество применяет с древнейших времен. Так, индейцы Северной Америки, используя энергию солнца, сушили рыбу, травы и другие продукты растительного происхождения. В России сушка стала широко распространяться в конце XIX начала XX века в качестве промысла на небольших кустарных заводах. В советское время значительный подъем производство сушеной продукции получило в 30-е годы благодаря исследованиям, проведенным под руководством профессора A.B. Лыкова [4]. За истекший период существенно возросло производство сухих пищевых концентратов-полуфабрикатов, фруктов и овощей.

Кроме того, на практике часто возникает необходимость в оперативной и достоверной оценке качества и энергетической питательности растительных продуктов и кормов. Образцы, предназначенные для контроля качества растительного сырья, продуктов и кормов, чаще всего должны быть обезвожены или выделены путем экстракции. Сушка сочных корнеплодов и растительных образцов, а также определение их влажности стандартным общепринятым методом высушивания (при температуре 375 °К) как правило, длится от 6 до 36 часов [5], а время экстракции до 30 суток в зависимости от назначения материала [6]. Остальные показатели, необходимые для оценки качества, биологической ценности и энергетической питательности растительных образцов, могут быть определены в высушенных и размолотых образцах за 0,5-2 часа. Поэтому существующие способы обезвоживания образцов по времени несовместимы с ускоренными современными методами химического анализа и ИК~ спектроскопии [6].

В настоящее время в связи с дефицитом невозобновляемых природных источников энергии, а также сокращением их добычи, в большинстве технологических процессов переработки сельскохозяйственной продукции все большее применение находит электрическая энергия и энергосберегающие технологии. Чрезвычайно важным и перспективным направлением в сельскохозяйственном производстве и перерабатывающей промышленности является использование энергии электромагнитного поля (ЭМП) высокой и сверх высокой частоты (ВЧ и СВЧ) [7]. Это обусловлено тем, что по сравнению с традиционными способами нагрева при СВЧ-энергоподводе значительно сокращается продолжительность технологических процессов: сушки, варки, стерилизации, размораживания и т.п. Кроме того, обработка в СВЧ-поле не снижает пищевой ценности продуктов, способствует более полному сохранению витаминов и обеспечивает высокое санитарное состояние готового продукта [3].

СВЧ-нагрев позволяет осуществить безотходные энергосберегающие технологии, увеличить выпуск готовой продукции, улучшить санитарно-гигиенические условия труда. Использование ЭМП СВЧ в тепловых процессах позволяет снизить на 25-40% удельный расход энергии, обеспечить выход качественного готового продукта, а также создать условия для автоматизации производств. При этом удается снизить площади производственных помещений до 40% и сократить на 10-50% численность обслуживающего персонала

1Ъ В].

По данным Европейской экономической комиссии средний КПД сушильных установок составляет 30-33%. Повышение КПД сушильных установок вдвое позволило бы сэкономить ежегодно до 60 млн.тонн условного топлива. Сказанное подчеркивает важность экономии топливно-энергетических ресурсов в процессах сушки [9].

В Концепции развития механизации, электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства России на период до 2000 г. определены

приоритетные направления по разработав и производству новых видов электротехнического и электротеплового оборудования, создание на их основе высокоэффективных электротехнологий по хранению и переработке сельскохозяйственной продукции, сушки с использованием ВЧ и СВЧ-энергии [3]. Так как применение СВЧ-нагрева позволяет резко интенсифицировать процессы тепло и массообмена. Сушка является тем процессом, в котором преимущества СВЧ-энергии проявляются наиболее ярко. За последние годы предложены различные варианты сушильных установок с использованием СВЧ-энергии как в «чистом виде», так и в различных сочетаниях с другими способами энергоподвода: конвективным, инфракрасным, с использованием разрежения [7, 8].

Однако, учитывая относительно высокие цены на СВЧ-технику, при использовании диэлектрического нагрева в технологических процессах, следует учитывать критерии ее применимости:

• при переработке скоропортящихся продуктов;

• при переработке продуктов, в которых необходимо максимально сохранить ферменты, витамины, вкусовые качества;

• когда переработка другими способами приводит к неудовлетворительным результатам;

• при необходимости ускорения процесса, и его автоматизации.

Однако создание СВЧ-установки для сушки растительных продуктов сдерживается главным образом из-за недостаточного объема проведенных фундаментальных исследований на моркови, сое, зеленных и других растительных продуктах.

Исследования в указанном направлении начаты в 1987 г. Они проводились по координационному плану НИР ВИЭСХа в соответствии с поручением СМ СССР и Постановлениями ГКНТ СССР (№ 121 от 9.04.82, № 552 от 11.04.91), а также научно-техническими программами 0.51.21, О.Сх.71, СВЧ-агро на 1992...1996 гг. и др. Планами НИР ВИЭСХа на 1987...1997 гг. Работа прово-

далась в соответствии с договором № 147 от 17 марта 1988 года с Управлением новой техники для перерабатывающих отраслей АПК Госагропрома СССР, - «Разработка опытного образца СВЧ-установки для сушки моркови и других растительных продуктов для перерабатывающих отраслей АПК» (НИР с ТЗ на ОКР, разработка, изготовление и испытание опытного образца).

Цель работы. Обоснование высокоинтенсивных режимов сушки моркови и других растительных продуктов со сверхвысокочастотным и конвективным энергоподводом и разработка конструкции сушилки.

В первой главе. Проведен анализ физических способов сушки моркови и других растительных продуктов и показано, что существующие методы не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к способу, а использование электромагнитного поля СВЧ с этой целью, сдерживается главным образом из-за недостаточного изучения процесса воздействия СВЧ-поля на растительное сырье, в отсутствии научно обоснованных норм воздействия СВЧ-энергии на растительные материалы, позволяющих интенсифицировать процесс фильтрации влаги из сырья.

Во второй главе. Изложены методики измерения диэлектрических свойств (комбинированным способом передающей линии) и определения электро- и теплофизических характеристик для растительных материалов. Представлены результаты экспериментальных исследований диэлектрических констант измельченной моркови и растительного сырья овощных культур от влажности, плотности и температуры на частотах 1,0; 2,45; ГГц. На частоте 0,915 и 2,45 ГГц установлены зависимости диэлектрических свойств моркови, петрушки, укропа и др. материалов. Впервые представлены зависимости электро- и теплофизических характеристик измельченной моркови от влажности на частоте 2,45 ГГц.

В третьей главе. Проведен анализ термического действия СВЧ-обработки на измельченную морковь и установлена его зависимость от биотропных факторов. Разработана математическая модель процесса комбинированной сушки. Обоснованы дозы СВЧ-обработки растительного сырья и режимы, интенсифицирующие процесс сушки.

В четвертой главе. Изложены программа и методики проведения экспериментальных исследований. Проведены исследования кинетики нагрева и охлаждения растительных продуктов и установлено влияние непрерывного и импульсного СВЧ-воздействия на интенсификацию процесса сушки. Показано, что качество растительной продукции существенно зависят от дозы СВЧ-воздействия и времени сушки.

В пятой главе. Обоснованы параметры рабочих органов СВЧ-конвективной установки для сушки моркови и растительного сырья. Приведены результаты производственных испытаний СВЧ-сушилок для растительных материалов. Проведена оценка экономической эффективности технологии сушки с СВЧ-конвективным подводом энергии и при разрежении.

Научная новизна исследований.

• Разработаны теоретические основы интенсификации процесса СВЧ-сушки моркови и других растительных продуктов, с учетом критерия караме-лизации и протекающих при этом теплофизических процессах.

• Разработана математическая модель процесса комбинированной СВЧ-конвективной сушки коллоидных, капиллярно-пористых материалов.

• Получены диэлектрические и теплофизические характеристики измельченной моркови и других растительных продуктов от влажности, плотности и температуры.

• Обосновано влияние СВЧ-энергии при комбинированном энергоподводе на скорость процесса сушки моркови и качество получаемой продукции.

• Предложены конструкции СВЧ-сушилок растительного сырья, обоснованы параметры установок для интенсификации процесса сушки.

Практическая ценность диссертации. Заключается в создании научных положений, позволяющих проектировать эффективные СВЧ-устройства для сушки растительного сырья. Разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы СВЧ-конвективной и СВЧ-вакуумной сушилок. Обоснованы оптимальные режимы сушки моркови, укропа, петрушки, сои.

Реализация результатов исследований. Р