Интенсификация тепломассообмена при сушке свеклы в нативном и замороженном состоянии

Ванли Кончу Морис

Интенсификация тепломассообмена при сушке свеклы в нативном и замороженном состоянии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Ванли Кончу Морис АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Астрахань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Интенсификация тепломассообмена при сушке свеклы в нативном и замороженном состоянии»

Автореферат диссертации на тему "Интенсификация тепломассообмена при сушке свеклы в нативном и замороженном состоянии"

На правах рукописи

Ванли Кончу Морис

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ СУШКЕ СВЕКЛЫ В НАТИВНОМ И ЗАМОРОЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2005

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование»

Научный руководитель доктор технических наук

Алексанян И.Ю.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Селиванов Н.В.

кандидат технических наук, доцент Семенов А.Е.

Ведущая организация - ООО «Каспрыбтестцентр>

Защита состоится «30» июня 2005г. в 12 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д. 307.001.03 в Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ауд.5.308.

Тел. для справок: (8512) 559-282, факс (8512) - 25-73-68

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан «о£» 2005г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное состояние отечественной промышленности характеризуется недостаточным материально-техническим обеспечением, разрывом связей в различных сферах. Целесообразность развития агропромышленного комплекса на основе совершенствования и создания новых безотходных, экологически безопасных технологий и оборудования не вызывает сомнений.

Овощная продукция и, в частности свекла, является традиционным и важным компонентом в рационе питания человека, содержащим комплекс витаминов, минеральных веществ и других биологически активных соединений.

Учитывая дефицит свежих овощей во многих, особенно отдаленных северных и пустынных районах, актуальны вопросы их качественного консервирования, одним из рациональных способов которого является сушка, являющаяся энергоёмким заключительным технологическим этапом. Для разработки энергосберегающей, экологически безопасной сушильной технологии, новых конструкций аппаратов, интенсифицирующих тепломассообмен необходимо создание комбинированных сушилок, переменных осциллирующих режимов и оптимальных схем сушки, совмещения процесса сушки с другими процессами, такими как замораживание, гранулирование и т. д., решение задачи прогнозирования явлений и повышения качества готовой продукции.

Традиционные способы обезвоживания в большинстве случаев неприемлемы для термолабильных пищевых продуктов, вследствие строгих температурных и технологических ограничений при обезвоживании.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров», под руководством профессора, доктора технических наук И.Ю. Алексаняна в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование». Отдельные исследования проводились в Московском государственном университете пищевых производств.

Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования тепломассообмена и оптимизация процессов сушки свеклы в нативном и замороженном состоянии.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

- выявить перспективные направления интенсификации тепломассообмена путем совершенствования способов предварительной обработки продуктов перед обезвоживанием, нанесения на рабочие органы, сушки и конструкторских решений сушильных установок;

- изучить основные теплофизические (ТФХ), физико-химические (ФХС), структурно-механические (CMC)), оптические (ОХ), терморадиационные (ТРХ), гигроскопические свойства и характеристики, а также механизм взаимодействия свеклы с водой в различном агрегатном состоянии на основе экспериментальных и теоретических исследований;

- рассчитать распределение поглощенной энергии в слое продукта на базе исследования инфракрасного (ИК) и комбинированного подвода энергии;

- определить рациональные режимы влагоудаления, изучив влияние основных факторов на интенсивность сушки свеклы в нативном, гранулированном и замороженном состоянии;

- проанализировать механизм внутреннего тепломассопереноса при сушке свеклы в дольках, гранулированном и замороженном состоянии;

- изучить температурные поля в зависимости от параметров процесса сушки на основе моделирования тепломассообмена в процессе сушки;

- выработать рекомендации по практическому использованию результатов исследований, предложить варианты конструкторских решений для реализации рациональных способов предварительной обработки продуктов перед обезвоживанием и сушки свеклы.

СТРУКТУРА РАБОТЫ

Объект исследования. Тепловые и массообменные процессы при сушке гранул и долек свеклы в нативном и замороженном состоянии.

Методика исследований. Исследование тепломассопереноса при сушке свеклы проводилось на основе теоретических и экспериментальных исследований кинетики процесса, гигроскопических характеристик свеклы и термоди-

намических закономерностей ее взаимодействия с водой в различном агрегатном состоянии на базе литературных данных с целью подтверждения теоретического анализа, решения дифференциальных уравнений тепломассопе-реноса и численного расчета температурных полей в процессе сушки.

Достоверность результатов исследования. Полученные результаты согласуются с известными научными достижениями в области тепломассопе-реноса и базируются на применении классических методов исследований и расчетов процессов. Предложенные рекомендации, инженерные и конструкторские решения выработаны с учетом перспектив развития и опыта проектирования процессов и аппаратов, экспериментальных данных, полученных автором и другими исследователями. Адекватность зависимостей, полученных с использованием обоснованных оригинальных физико-математических методик расчета, и достоверность экспериментальных данных оценивалась с помощью методов статистической обработки результатов измерений и пакетов современных компьютерных программ.

Научная новизна.

Получены зависимости энергии связи влаги с материалом от влияющих факторов с учетом определенных термодинамических параметров и особенностей статического взаимодействия свеклы с водой в различном агрегатном состоянии.

Получены адекватные уравнения связи ТФХ, ФХС, CMC, TPX и ОХ с режимными параметрами сушки свеклы в области обычных и низких температур.

Разработана физическая модель и математическая зависимость распределения поглощенной энергии в слое продукта при ИК-энергоподводе на основе оптических свойств.

Получены уравнения кривых и кинетических коэффициентов радиацион-но-кондуктивной сушки и скорости сушки для различных периодов обезвоживания нативной и замороженной свеклы в гранулах и дольках с использованием многозонного метода для выбора рационального способа и моделирования процесса влагоудаления.

На основе физико-математического моделирования тепломассообмена с расчетом и анализом полей температур в процессах сушки на основе оригинального численно-аналитического метода выявлены особенности механизма внутреннего тепломассопереноса для свеклы в нативном и замороженном состоянии в гранулах и тонком слое.

Даны рекомендации по интенсификации тепломассообмена и разработаны рациональные режимы сушки свеклы.

Практическая значимость работы. Результаты исследований предназначены для выбора рационального способа консервирования свеклы, энергосберегающих сушильных технологий, эффективных технологических режимов сушки и совершенствования сушильного оборудования.

Разработаны и обоснованы рациональные схемы и режимные параметры процессов предварительной обработки (нарезка, гранулирование, замораживание) и радиационно-кондуктивной сушки свеклы, а также устройства для их осуществления. Получены аппроксимирующие уравнения для удельной производительности в зависимости от влияющих факторов.

Внедрение результатов работы позволяет:

- уменьшить продолжительность и энергоемкость сушки свеклы при максимальном сохранении качественных показателей;

- уменьшить габаритные размеры и материалоемкость сушильного оборудования;

- выбрать рациональный способ сушки и конструкцию для его осуществления в технологии консервирования овощных продуктов.

Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:

1. Варианты интенсификации тепло- и массопереноса при сушке свеклы.

2. Адекватные аппроксимирующие зависимости ТРХ и ОХ свеклы от параметров процесса. Модель и зависимость распределения объемной плотности поглощенной энергии по глубине оптически тонкого слоя с целью выбора и обоснования способа подвода энергии.

3. Зависимости энтропийной составляющей внутренней энергии для свеклы и отрицательное значение термоградиентного коэффициента при низком содержании сухих веществ.

4. механизма внутреннего тепломассолереноса, Адекватные аппроксимирующие зависимости удельного съема сухого продукта от влияющих факторов, разработка и обоснование рационального способа комбинированной сушки свеклы с предварительным замораживанием и гранулированием.

5. Расчет полей температур в зависимости от параметров процесса на основе оригинальной методики и ее программного обеспечения.

6. опытно-промышленные гранулятор и сушильная установка с комбинированным энергоподводом для плодов и овощей в дольках и гранулах.

Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации. Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично, либо в соавторстве, в том числе: определение актуальности, цели и задач исследований, проведение экспериментов и обобщение результатов теоретических и опытных данных, численно-аналитическая реализация моделей процессов обезвоживания, разработка рекомендаций по практическому использованию результатов работы.

Результаты исследований опубликованы коллегиально при равноправном участии автора.

Реализация результатов исследований. Разработанная схема и режимные параметры сушки свеклы позволили выработать рекомендации по усовершенствованию экспериментальной установки для исследования процессов ИК сушки и модернизации опытно-промышленной установки для гранулирования и сушки овощных продуктов, внедренной для кормовых продуктов на «Мясокомбинате Астраханский» (ООО «Парад»), и планируемая к внедрению в 00 0 «Биотехсинтез» и, где анализ и проверка полученных в работе результатов, показали целесообразность их использования в рамках региональной программы «Создание в Астраханской области комплекса по переработке плодов и овощей, утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров».

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях: II Всероссийской научно-технической конференции - выставке с ме-

ждународным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г. Москва, 2004 г.), IV Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» в Вологодском ПТУ (г. Вологда, 2004г.), Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания» (г Барнаул, 2004 г.) Результаты исследований экспонировались на II Всероссийской научно-технической конференции - выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г. Москва, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 141 странице машинописного текста, включая 10 таблиц, 43 рисунка, 16 страниц приложений, список литературы из 98 наименований работ Российских и зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении определены пути совершенствования способов консервирования свеклы, обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований.

В первой главе «Пути повышения эффективности процессов концентрирования и сушки продуктов растительного происхождения в замороженном состоянии на начальном этапе обезвоживания» изучено современное состояние и перспективы интенсификации тепломассопереноса при производстве концентрированных и сухих продуктов. Анализ основополагающих работ по сушке и способам предварительной обработки (нарезки, гранулирования, замораживания) А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, И.А. Рогова, П.Д. Лебедева, Антипова СТ., С.Г. Ильясова, Ю.М. Плаксина, И.Ю. Алексаняна намечены пути интенсификации процесса сушки и совершенствования конструкторских решений грануляторов и сушильных установок. Выбраны рациональные схемы и варианты проведения процесса сушки с акцентом в сторону объемных и комбинированных способов энергоподвода и конструкций для их осуществления.

Во второй главе «Теплофизические характеристики свеклы и основные термодинамические закономерности ее взаимодействия с водой»

приведены результаты экспериментально-аналитического изучения статического взаимодействия свеклы с водой в различном агрегатном состоянии, изложены результаты экспериментально-аналитических исследований ТФХ и CMC свеклы как объекта сушки.

Изучена истинная и физическая плотность и пористость (кратность) свеклы. На основе экспериментальных исследований и литературных данных получены аппроксимирующие зависимости для плотности и кратности свеклы от влажности при условии незначительной усадки материала в процессе высокоинтенсивной сушки.

ТФХ свеклы изучались методом регулярного режима. На базе результатов экспериментов, анализа литературных данных с использованием формул аддитивности получены зависимости теплоемкости с,, коэффициента тепло-

проводности А и температуропроводности а от влажности (или концентрации сухих веществ) и температуры продукта.

Удельная массовая теплоемкость с использованием правила аддитивности при 293<Т<353 К; 0< w <0,9 кг/кг: с,Ди',Г) = (4,6'Г -38)-(1-h) + 4190-w. Коэффициент теплопроводности: A(w,T) = -3,9607• 10"7 -Т' + 4,01823• КГ1 • Т1 -0,13119• Т + 0,198• + 0,387• ич-14,021. Коэффициент температуропроводности: а(с,t ) = Л(c,t )/[Ct(c,t) р(с)]. При температурах ниже криоскопической (254<Т<273 К; 0,3< w <0,9 кг/кг) удельная массовая теплоемкость:

с,((и>,7") = -15,47879 - Г2 + 8126,72121 - Г + 2,88-101 • w-1,.6596672 ■ 10й; коэффициент температуропроводности:

а( И-,Т) = ((0,000438-Т2 -0,290625 Т + 52,724188)■ w-0,00065 • Г2 + + 0,4484 • Г - 67,68935 МО"8.

Плотность продукта при различных влажностях по формуле аддитивности: Р = Р„ Pjift. (l-w)+/0„ w), где кг/м3 - истинная плотность вещества, р. - плотность воды, w -влажность продукта. Кратность

я = У"р"л' где V,, - объем монолита К.

вещества. Начальная пористость

свеклы /7=0,06. Кратность

D „ п ** Т"1' Д, =1/(1-Я) = 1,06.

Рис.4 Поле коэффициента теплопроводности " v 4 '

Процесс сушки протекает практически без изменения объема структуры и объема из-за высокой интенсивности. Текущая плотность: p{c) = p„m-cmjc, где ршч- 1075 кг/м3; снач = 0,14 кг/кг- соответственно начальная плотность и содержание сухих веществ.

Полученные результаты использованы для дальнейшего анализа процесса сушки, решения дифференциальных уравнений тепломассопереноса и численного расчета температурных полей при сушке в тонком слое.

Анализ изотерм сорбции, полученных тензометрическим методом, позволил установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения ГиббсаТельмгольца (1), изменения энтропии и внутренней энергии по влажности Up при Р,Т= const (рис.2). На изотермах сорбции свеклы (рис.1) можно выделить четыре характерных участка (зоны), разделенных точками перегиба, что обусловлено изменением вида и энергии связи влаги с материалом и наличием клеточных оболочек в продуктах растительного происхождения, предполагающих превалирование осмотического механизма сорбции Поскольку сушка проводится до значения рекомендуемой конечной влажности, соответствующей адсорбционной связи влаги с материалом, влаги «монослоя», то для свеклы 1/р=0,1 кг/кг.

Уравнение Гиббса - Гельмгольца АЕ = АЕ-Т Д5 (1), где дЕ Д5- изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии по ирпри Р,Т=соп$1 Продифференцировав (1) получим [ ЭД^ 1 (дЛ€у

ди„

Р )т е

д и,

т | ЭДЛ (2),

те \диг)тР

где

Гэде!

Э£/„

- изменение внутренней энергии (теплового эффекта) сорбции

Энергия связи влаги с материалом с = -

ЭДР Э и.

= -Я Т 1пА (3)

91 02 03 04 03 Об 07 0£ 09 уг/кг

01 01? 028 037 0« 0^ 064 0 73 0 82 0Л1 I С1 V?, кг/кг

Рис 1 Изотермы сорбции свеклы 1 - при Т=293К, 2 - при Т=323К

Рис 2 Свободная Г.связанная

К Л,

)и

внутренняя

ЭДЕ

эи

р Зтр

энер-

»» »лг гия в зависимости от влажности Ч\10

при сорбции свеклы

(1,2,3 - Г=293 К, 1',2',3' - Т=323 К)

Рис 3 Термоградиентный коэффициент 5Р массопереноса в зависимости от влажности 1/Ур свеклы 1- Г = 273 К, 2 - 7 = 393 К

хг/уг

Количество тепла для испарения 1 кг влаги с учетом энтропийной составляющей в области положительных температур

,г'+г.„ + =3118,4581 • 10' - 2286,66 Т -55,(5 )■ ЯТ1п А„ +55,(5)Г

Э(Д5)

эи. '

(4)

Количество тепла для испарения 1 кг замороженной влаги равно удельной теплоте сублимации (при небольшом диапазоне температур принимаем среднее значение): г = ?„„„„,, = 2869,2• 10' Дж/кг.

При достижении криоскопической температуры количество тепла для испарения 1 кг замороженной влаги равно сумме удельных теплот сублимации, плавления льда (£. = 344900 Дж/кг) и парообразования, в зависимости от соотношения влаги в твердом и жидком состоянии, характеризуемого коэффициентом фазовых превращений (лед - вода) е1, который можно с достаточной точностью принять равным 0,5, вследствие невозможности его точного определения: г = ег г'+(1 - е, )7„......„......+ £.

Разность химических потенциалов Д//, как дифференциальное изменение свободной энергии Гельмогольца АР равна = . Термоградиентный коэффициент $ _[ д&М | | ди | (5) Аппроксимация гигроскопиче-

{дт)а (эд^Л-ских характеристик позволила получить зависимости:

1пАи. ={щТ + Ь1)р р+{с,Т + с1,)\

д и,

т.р

(2о,Г + Ь, ){/„ + (2с,Г + )

М =4(2а,Т + Ь,)ир+(2с1Т + с1,)ир , т2

61 )и (а,т +Ь,Т)

где а„Ь,,с,,с( -эмпирические коэффициенты, полученные экспериментально-аналитически для каждой зоны и представленные в таблице 1; /'- порядковый номер зоны (участка изотермы).

Величина термоградиентного коэффициента бр имеет отрицательное значение не только при малой влажности, что обусловлено явлением теплового скольжения при эффузионном переносе пара в разветвленной сети микрокапилляров, но и при высоких влажностях (рис.3), что свидетельствует о перемещении влаги против потока тепла. Скорость такого термоосмотического движения пропорциональна градиенту температуры УТ и обусловлена взаимодействием молекул пара и продукта, эффектом "защемленного" воздуха, расширяющегося при росте температуры и вытесняющего пар и воду в большей степени в более нагретых областях, что создает обратный поток влаги.

Полученная зависимость энтропийной составляющей энергии свидетельствует о наличии полупроницаемых клеточных оболочек, значительной гибкости макромолекул, структурном и осмотическом механизме их взаимодействия с водой. Установлено, что для интенсификации процесса сушки подобных продуктов целесообразно диспергирование (нарезка, измельчение, гранулирование, экструдирование, кипящий слой и т.п.), применение поверхностных (со стороны отвода влаги) или объемных способов энергоподвода. В третьей главе «Экспериментально-аналитическое изучение инфракрасного энергоподвода в процессе сушки» обоснован ИК энергоподвод для свеклы. В спектрофотометрической лаборатории МГУПП исследованы

где А\ - спектральная полусферическая величина, осредненная по спектральному составу падающего потока; ЛА - конечный спектральный шаг. Для оценки эффективности ИК-генератора установлено распределение по толщине слоя объемной плотности поглощенной энергии излучения ш = Цх,Щ.

С этой целью вычислены оптические интегральные характеристики, справедливые для оптически тонкого слоя. На основе обработки экспериментальных результатов и литературных данных получены зависимости для ТРХ и ОХ от влажности на различной глубине х. В действительности происходит сушка слоя конечной оптической толщины, где часть теплового потока пропускается структурой, многократно отражается от рабочей поверхности или поверхности продукта и вновь проникает в продукт. По дифференциально-разностному методу Ильясова С.Г.можно получить распределение по толщине слоя объемной плотности поглощенной энергии излучения \м=Цх, И/,Д1.

, Анализ ТРХ и ОХ продуктов с различной влажностью, а также распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения IV по глубине слоя (рис.9) позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-генераторов КГТ (КИ,КГ)-220-1000 при варьируемом напряжении и оптически тонкий слой, наиболее рациональный для высокоинтенсивной сушки, где требуется объемный равномерный прогрев продукта. Объемная плотность поглощенной при облучения на подложке:

\р(-1{ Ф,х)х)-

1 +

К гпм-

;!/ = /?.. (иОЫ-ф'.-ОО.

(6)

где / -толщина слоя, м; Е„- плотность падающего потока, Вт/м ; И - коэффициент эффективного ослабления м"1; отражательная способность оптически полубесконечного слоя.

К примеру, отражательная интегральная способность оптически полубесконечного слоя при 1^=0,1-0,86 кг/кг; Дпах=1.45 мкм:

ПЛУЧ) = 0,007Ш0,434\ Цх,Щ=(7.05 И/-6.139) -(х-103)4+(43.4554-■49 6737 №) (х-103)3+(11.9542-10 9224 Щ (х 1СР/+(349.1395 №-315.4189) (х-1С?)+ +(1196.3939-943.9395Щ, (7)

где х - глубина слоя.

Получены аппроксимирующие уравнения интегральных ОХ и IV

Рис.9. Плотность поглощенной энергии для оптически тонкого слоя для 1 - при 10%; 2 - при И/= 86% свеклы (6,7).

Эти зависимости используются в дальнейшем для реализации математической модели процесса высокоинтенсивной сушки в тонком слое, а также для оценки эффективности ИК-генераторов.

Ввиду того, что экспериментальное изучение полей энергетической освещенности (ПЭО) непосредственно в процессе сушки весьма затруднительно, установлена целесообразность использования скорректированных для условий реальных процессов высокоинтенсивной сушки и конструктивных особенностей сушилок аналитических методов расчета ПЭО, разработанных Плаксиным ЮМ и др , на основе которых аналитически рассчитано распределение поверхностной плотности теплового потока, создаваемого ИК-ге-нераторами.

В четвертой главе «Исследование влияния основных факторов на эффективность сушки» приведены результаты изучения кинетики сушки на экспериментальной установке (рис 10) с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. В качестве целевой функции выбран съем сухого продукта с единицы площади рабочей поверхности в единицу времени

Проведены исследования радиационно-кондуктивной сушки гранул и пластин свеклы в нативном и замороженном состоянии.

Рис 10 Установка для изучения

ИК сушки 1-корпус, 2-смотровое окно, 3-емкость для исходного продукта, 4-насос для подачи продукта, 5-вакуумный насос, 6-манометр, 7-панели ИК - излучателей, 8-щеточный распылитель, 9-термопара, 10-пластина, 11-игольчатый носитель, 12-весы, 13-цифровой измеритель емкости, 14-лотенциометр, 15-щит управления, 16-коллимационная труба

Основные факторы, влияющие на интенсивность сушки: толщина слоя / или (м), диаметр гранул с1, плотность теплового потока Е (кВт/м2), длина волны Л/т., (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения,

Рис.11. Кривые сушки замороженных пла- Рис.12. Кривые сушки долек свеклы в на-стин свеклы при ife 140В, Л =1 мм тивном состоянии при и- 140В, Л = 1 мм

Диапазоны варьирования факторов выбраны, исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки:

Рассматривая зависимость П от теплового потока (рис.14, а), видно, что кривые интенсивности имеют максимум Е=1,71 кВт/м2 при Г=298К, и на границах варьирования при Т =255К. Зависимость П от начальной температуры продукта (7) показывает, что максимальная интенсивность достигается при Е= 4,1 кВт/м2, Я = 1,45 мкм и Т= 255К, При максимизации целевой функции по полученным эмпирическим уравнениям отмечено наличие максимума П при Е= 2,56 кВт/м2, с/ = 0,004 м, Л = 1,45 мкм <¿7=140 В). Увеличение Е > 3 кВт/м2 не приводит к существенному повышению съема сухого продукта, к тому же здесь наблюдается локальное подгорание, плавление и перегрев продукта.

Съем сухого продукта может достигать П = 26кг/м2 час, что значительно превышает образцы аналогичных способов сушки подобного рода продуктов.

Проанализированы особенности тепломассопереноса для свеклы при сушке в тонких слоях гранулах. На основе проведенных экспериментов по изучению кинетики сушки получены кривые скорости радиационно-кондуктивной сушки (рис. 15-17), позволяющие вывести функциональные зависимости для продолжительности обезвоживания в любой зоне. Проведена аппроксимация кривых сушки и скорости сушки предложенным Алексаняном И.Ю. многозонным методом с учетом энергии связи и вида связи влаги с материалом. Границы зон определяются точками перегиба кривых скорости сушки и хорошо согласуются с результатами исследований основных термодинамических закономерностей взаимодействия свеклы с водой (гл 4).

Значения критических влажностей (концентраций) и скоростей сушки в точках перегиба (рис.15-17) обусловлены изменением характеристик продуктов, энергетики и вида связи влаги с материалом, а также структурно-механическими изменениями, взаимосвязанными с интенсивностью процесса сушки и определяемыми характеристиками продуктов.

Анализ кинетики сушки показывает, что скорость при обезвоживании в предварительно замороженном состоянии выше, чем в нативном, что объясняется вымораживании части влаги и, как следствие уменьшением ее связи с материалом, что ускоряет процесс обезвоживания. Кроме того, при фазовом переходе вода-лед происходит увеличение объема влаги (особенно структурной, энтропийно связанной), что приводит к разрыву клеточных оболочек, высвобождению структурной влаги, денатурации клетчатки и уменьшению энергозатрат на влагоудаление. К тому же снижается температура сушки, а следовательно термовоздействие, уменьшается возможность значительной на первоначальном этапе обезвоживания усадки, сохраняются органолептические показатели, химический состав, форма и в итоге повышается качество готовой продукции. Разница в скорости между замороженным и нативным продуктом уменьшается при увеличении плотности теплового потока, вследствие сокращения периода сублимации, поэтому очевидно есть оптимум в зависимости интенсивности процесса от теплового потока, при увеличении которого с одной стороны скорость растет, а с другой стороны уменьшается период сублимации и скорость снижается.

На кривых скорости сушки наблюдается аномальный рост скорости при низкой влажности в процессе высокоинтенсивной сушки или периодические пики с участками постоянной скорости в течение процесса, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри клеток, вследствие либо резкого, либо периодического разрушения полупрони-

цаемых оболочек клеток при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, создании существенных градиентов общего давления, и, как следствие, резком снижении энергии связи влаги с материалом. Осмотический и структурный характер связи в отличие от теплового связывания воды химическими и молекулярными силами определяется величиной энтропии, т.е. такую влагу можно считать энтропийно связанной Это доказывает значительное влияние энтропийной составляющей свободной энергии.

Сделанные выводы подтверждают рациональность режимов сушки в предварительно замороженном состоянии с точки зрения интенсификации тепло и массообмена. Полученные уравнения скорости сушки для различных зон и аппроксимирующие зависимости кинетических коэффициентов сушки от различных факторов использованы в дальнейшем для реализации математической модели процесса обезвоживания и определения рациональных режимов.

<ПУ (1Г

Рис 15 Скорость сушки пластин свеклы

в замороженном состоянии 0=140В;й= 1 мм, 1 —£=1,14 кВт/м2,2 — 5=1,69 кВт/мг; 3 - £=2,05 кВт/м2.

Лг

КГ В1

кп

0Л

о и « и го д*«!)

Рис 16 Скорость сушки пластин свеклы в нативном состоянии 1Ы40В, /т= 1 мм, 1 - £=1,14 кВт/м2,2 - £=1,69 кВт/м2, 3 - £=2,05кВт/м2.

При зональной аппроксимации кривых сушки получим зависимости для скорости сушки в виде (с/п/с/г), = (А, + В, и'/'5, где при ИК- энергоподводе: Д = (а„ Е3 + Ь,1 + с„ Е + с!,,) + (а,г Р + Ь,2 Ег + Се Е + с!е) >1 + а,3 Ё3 + +Ь,3 Ег+ +с,3 Е + бв\

В, = (а,4 Е3 + Ь14 Ег + с,4 Е + с114) Л* + (а,5 Е + Ь,5 Ег + с,5Е + Ь,5) Л + аЛ Е® + +Ь,в Е2 + +с,е Е + с/,6

Аналогично получены зависимости влажности (концентрации) границ зон.

Рис 17. Скорость сушки гранул свеклы С=140В, аЬ0,004м; 1 - £= 1,14 кВт/м2, 2 - £ = 1,69 кВт/м2; 3 - Е = 2,05 кВт/м2

Перемещение влаги к поверхности через сеть микрокапилляров или пленочный каркас осуществляется, в основном, в виде пара, диффундирующего через утоньчающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости или стенки капилляров и клеток, при увеличении градиента давления пара в слое, что приводит к росту скорости диффузии пара через "закрытые" жидкостными ме-

нисками капилляры, где на одном мениске происходит испарение жидкости, а на другом - конденсация равного количества пара, при очень малом перепаде температуры вдоль капиллярной поры, т.е. испарение и конденсация происходили бы при одинаковой температуре, а количество испарившейся и сконденсировавшейся жидкости равно. Такой перенос пара внутри "закрытой поры" термодинамически равнозначен переносу жидкости. На мениске или пленке изменяется температура при изменении давления, что обуславливает большую интенсивность испарения по сравнению с конденсацией (отвод энергии) с одной стороны пленки и, наоборот (подвод энергии), с другой. Т.е. диффузия пара происходит в виде последовательных эквимолярных процессов испарения и конденсации пара на жидких пленках, менисках, стенках клеток при малых градиентах концентрации и температуры, в пользу чего говорит отсутствие при высокоинтенсивной сушке усадки, которая неизбежна при существенных градиентах влажности. Под действием градиента давления влага может перемещаться как в виде пара, так и, частично, в виде парожидкостной эмульсии. Однако преимущественное значение градиента давления не исключает движение влаги и, в основном пара, под действием градиента температуры.

В пятой главе «Численный расчет полей температур при сушке на-тивных и предварительно замороженных продуктов» реализована математическая модель процесса радиационно - кондуктивной сушки пластин свеклы в нативном и замороженном состоянии в тонком слое. Ввиду сложности экспериментального определения полей температур при высокой интенсивности процесса сушки и трудности аналитического решения системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса при переменных коэффициентах использовано численное решение уравнения переноса теплоты с учетом массопереноса, термодинамических параметров, динамики изменения комплекса свойств и характеристик продуктов, фазовых переходов и внутренних источников теплоты при разнородных краевых условиях. Дифференциальное уравнение переноса теплоты при одномерной задаче в случае объем -ного энергоподвода в общем виде

ОТ дх\ дх) Э Т

(8)

Подставляя вместо ЭШИ дифференциальное изменение средней по слою влажности ЭРу"/^, а также с достаточной точностью принимая коэффициент фазовых превращений (т.к. перенос влаги в процессе высокоинтенсив-

ной сушки происходит в основном в виде пара при относительной изотропности структуры), после преобразования (8)(далее знак среднего и варьируемые параметры будем опускать) получим:

где - коэффициент температуропроводности.

Начальные условия с учетом равномерного распределения температуры в начальный момент времени, соответствующий 1Уяач: Т(х, №тч) = Т0 При односторонней сушке на подложке реализуются однородные граничные условия

(9)

1-го рода: Т(хкон, = ЦЩ. На поверхности продукта со стороны влагоотвода граничные условия 3-го рода: -л^Е,,^,,, +«

Падающий тепловой поток с учетом отраженного от поверхности внутри слоя теплового потока излучения:

1 +

(10)

Решением уравнения переноса теплоты (9) при заданных краевых условиях является функция I = Цх, т(или Щ, Еп,). Для численного решения дифференциального уравнения параболического типа в частных производных при заданных начальных и разнородных граничных условиях применен метод конечных разностей по неявной схеме. Расчеты проводились для каждой зоны сушки. Анализ полученных при оптимальных режимах температурных полей показывает, что практически по всей толщине слоя разность температур не превышает 1...5 К, что обусловливает очень малые температурные градиенты в процессе обезвоживания. Скачок Г наблюдается ввиду очень малых А и а только в пограничном слое за счет непосредственного контакта с греющей поверхностью. Результаты расчетов полей температур при различных способах и режимах сушки (рис.18) в зависимости от начальной температуры, концентрации сухих веществ, структуры, пористости свеклы в области положительных и отрицательных температур представлены в диссертационной работе в графическом и табулированном виде. Предложенный метод позволяет рассчитывать поля температур на основе экспериментальных кривых высокоинтенсивной сушки в тонком слое при различных режимных параметрах в реальных условиях. Графическая аппроксимация температурных полей при оптимальных режимах показывает, что распределение Г по глубине слоя имеет экстремальный характер. Отмечены малые температурные градиенты в процессе обезвоживания, что подтверждает обоснованность сделанных допущений. Температура в течение комбинированной сушки не превышает Т= 350 К при всех исследованных режимах, что обусловливает "мягкие" режимы сушки.

В течение процесса наблюдаются периодические всплески температуры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения при изотермических участках, которые свойственны удалению свободной влаги Некоторое повышение температуры в пограничном (от поверхности вглубь продукта) слое свидетельствует о пропускательной способности ИК - излучения, объемном поглощении энергии, и более интенсивном испарении влаги на поверхности продукта, что приводит к снижению граничной температуры Все это подтверждает предположения и выводы о механизме обезвоживания

В разделе «Рекомендации по практическому использованию результатов исследований» приведены варианты конструкций грануляторов и сушилок, разработанных на основе теоретических, экспериментальных и конструкторских исследований, проведенного анализа и инженерных соображений с учетом технологических свойств и требований к готовому продукту, анализа патентной литературы, а также достоинств и недостатков традиционных конструкций сушильных установок В результате рекомендован рациональный для ряда продуктов способ радиационной сушки в гранулированном и замороженном состоянии Этот способ обеспечивает высокую интенсивность сушки, «мягкие» температурные режимы, непрерывность процесса сушки, хороший съем с рабочей поверхности, повышение качества сухой продукции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Сравнительный анализ путей интенсификации тепломассопереноса при сушке овощей, способов предварительной обработки продуктов перед обезвоживанием и конструкций сушилок позволил рекомендовать рациональные схемы и варианты проведения процесса сушки овощных продуктов в на-тивном и замороженном состоянии в гранулах и дольках, а также эффективные сушильные установки

2 Результаты изучения статики процесса сорбции и сушки, выявление особенностей взаимодействия свеклы с водой показали целесообразность предварительной обработки продукта перед сушкой (измельчение, экструди рование, гранулирование, нарезка, замораживание) для уменьшения нетрадиционно значительной величины энтропийной составляющей свободной энергии, обусловленной наличием микрокаппиляров, ячеек, клеточных полупроницаемых оболочек в структуре свеклы, и частичного вымораживания связанной влаги при разрушении клеточных оболочек, что значительно повышает интенсивность сушки, создает "мягкие1 режимы и приводит к существенному повышению качества готовой продукции Обоснование применения объемных способов энергоподвода или подвода энергии со стороны отвода влаги подтверждается явлением термоосмотического эффекта и аномальным отрицательным значением термоградиентного коэффициента в диапазоне высоких влажностей

3 Анализ кинетики сушки показывает, что скорость при обезвоживании в предварительно замороженном состоянии выше чем в нативном, что объясняется вымораживании части влаги и, как следствие уменьшением ее связи с материалом, что ускоряет процесс обезвоживания Кроме того при фазовом переходе вода-лед происходит увеличение объема влаги (особенно структурной, энтропийно-связанной), что приводит к разрыву клеточных оболочек, высвобождению структурной влаги, денатурации клетчатки и уменьшению энергозатрат на влагоудаление К тому же снижается температура сушки, а следо-

вательно термовоздействие, уменьшается возможность значительной на пер-вональном этапе обезвоживания усадки, сохраняются органолептические показатели, химический состав, форма и в итоге повышается качество готовой продукции. Разница в скорости между замороженным и нативным продуктом уменьшается при увеличении плотности теплового потока, вследствие сокращения периода сублимации, поэтому очевидно есть оптимум в зависимости интенсивности процесса от теплового потока, при увеличении которого с одной стороны скорость растет с другой стороны уменьшается период сублимации и скорость снижается.

4. Разработана физическая модель и математическая зависимость распределения поглощенной энергии в слое продукта при ИК-энергоподводе на основе оптических свойств, обосновано применение комбинированного ИК-кондуктивного энергоподвода.

5. Разработаны и обоснованы рациональные схемы и режимные параметры процессов предварительной обработки (нарезка, гранулирование, замораживание) и радиационно-кондуктивной сушки свеклы, а также устройства для их осуществления. Получены аппроксимирующие уравнения для удельной производительности процесса в зависимости от влияющих факторов.

6. На основе теоретического и экспериментального анализа и физико-математического моделирования тепломассообмена с расчетом и анализом полей температур в процессе сушки на основе оригинального численно-аналитического метода выявлены особенности механизма внутреннего теплообмена и массопереноса структурной и осмотической влаги при сушке и сублимации свеклы в нативном и замороженном состоянии в гранулах и тонком слое, определяющее значение градиента давлений, как движущей силы процесса.

7. Разработанная схема и режимные параметры сушки свеклы позволили выработать рекомендации по усовершенствованию экспериментальной установки для исследования процессов ИК сушки и модернизации опытно-промышленной установки для гранулирования и сушки овощных продуктов, внедренной для кормовых продуктов на «Мясокомбинате Астраханский» (ООО «Парад»), и планируемая к внедрению в 0 0 0 «Биотехсинтез» и 0 0 0 «Парад», где анализ и проверка полученных в работе результатов, показали целесообразность их использования в рамках региональной программы.

Основные положения диссертации опубликованы в работах 1-5:

1. Алексанян И.Ю., Попова СБ., Ванли К. М. Изучение влияния основных факторов на эффективность процесса сушки свеклы с предварительным замораживанием. / Материалы II Всероссийской конференции - выставки с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». М.: МГУ пищевых производств, 2004. с. 237239.

2. Алексанян И.Ю., Лысова В.Н., Ванли К. М., Зарипов Р.Н. Пути повышения эффективности процессов концентрирования и сушки продуктов животного и растительного происхождения в замороженном состоянии на начальном этапе обезвоживания/ Материалы IV Международной конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем». Вологда: ВолГТУ, 2004. с. 326 -329.

3. Попова СБ., Ванли К. М., Ревина А.В. Изучение статики сушки овощных продуктов для выбора рационального способа обезвоживания / Материалы II Всероссийской конференции - выставки с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». М.: МГУ пищевых производств, 2004. с. 215-219.

4. Ревина А.В., Алексанян И.Ю., Ванли К. М. Экспериментально-аналитическое изучение инфракрасного энергоподвода в процессе сушки плодоовощных продуктов / Материалы Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания». Барнаул: АлтГТУ,. 2004. с. 150-157.

5. Ревина А. В., Ванли К. М.. Исследование влияния основных факторов на эффективность комбинированной сушки овощных продуктов //Вестник АГ-ТУ. Научный журнал, 2005. № 2. с. 297-303.

В печати:

Попова СБ., Ванли К. М. Исследование инфракрасного энергоподвода при сушке свеклы на основе изучения терморадиационных и теплофизических характеристик // Известия вузов. Пищевая технология. 2005. № 4. По списку ВАК.

Тип АГТУ заказ № 354 Тира* 100 3 06 05

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Ванли Кончу Морис

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И СУШКИ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ЗАМОРОЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

1.1 .Перспективы производства и области использования свеклы

1.2.Состояние и пути совершенствования способов сушки и гранулирования свеклы

ГЛАВА II

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕКЛЫ И ОСНОВНЫЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ВОДОЙ

2.1.Механизм взаимодействия различных продуктов с водой

2.2.Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии свеклы с водой.

2.3.Определение теплофизических характеристик свеклы

2.3.1. Определение коэффициента температуропроводности

2.3.2. Определение коэффициента теплопроводности

ГЛАВА III

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ

ИНФРАКРАСНОГО ЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ

3.1. Выбор ИК-генератора на основе исследования терморадиацинных и оптических характеристик продукта

3.2. Выбор оптимального расположения ИК-генераторов

ГЛАВА IV

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУШКИ

4.1. Влияние основных факторов на эффективность сушки 4.2. Анализ кинетики радиационно - кондуктивной сушки

ГЛАВА V

ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР ПРИ СУШКЕ НАТИВНЫХ И

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ЗАМОРОЖЕННЫХ ПРОДУКТОВ

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИПОЛЬЗОВАНИЮ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Введение диссертация по физике, на тему "Интенсификация тепломассообмена при сушке свеклы в нативном и замороженном состоянии"

Современное состояние отечественной промышленности характеризуется недостаточным материально-техническим обеспечением, разрывом связей в различных сферах. Целесообразность развития агропромышленного комплекса на основе совершенствования и создания новых безотходных, экологически безопасных технологий и оборудования не вызывает сомнений.

Учитывая дефицит свежих овощей во многих, особенно отдаленных северных и пустынных районах, актуальны вопросы их качественного консервирования, одним из рациональных способов которого является сушка, являющаяся энергоёмким заключительным технологическим этапом. Для разработки энергосберегающей, экологически безопасной сушильной технологии; новых конструкций аппаратов, интенсифицирующих тепломассообмен необходимо создание комбинированных сушилок, переменных осциллирующих режимов и оптимальных схем сушки, совмещения процесса сушки с другими процессами, такими как замораживание, гранулирование и т. д., решение задачи прогнозирования явлений и повышения качества готовой продукции.

Традиционные способы обезвоживания в большинстве случаев не приемлемы для термолабильных пищевых продуктов, вследствие строгих температурных и технологических ограничений при обезвоживании.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

СТРУКТУРА РАБОТЫ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ СУШКЕ СВЕКЛЫ В НАТИВНОМИ ЗАМОРОЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

ЦЕЛЬ - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СУШКИ СВЕКЛЫ В НАТИВНОМИ ЗАМОРОЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНЫХ И НАУЧНЫХ ПРОБЛЕМ СУШКИ ОВОЩНЫХ ПРОДУКТОВ

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ТРЕБОВАНИЙ К ПРОЦЕССУ И ОБЪЕКТУ СУШКИ

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕКЛЫ С ВОДОЙ В РАЗЛИЧНОМ АГРЕГАТНОМ

ИЗУЧЕНИЕ КОМПЛЕКСА СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК

ФХС, CMC, ТФХ, ТРХ И ОХ) ОБЪЕКТА СУШКИ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ

ИЗУЧЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО -ЭНЕРГОПОДВОДА ПРИ СУШКЕ СВЕКЛЫ

РАСЧЕТ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУШКИ СВЕКЛЫ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ

АНАЛИЗ ДАННЫХ ПО КИНЕТИКЕ СУШКИ СВЕКЛЫ В ТОНКОМ СЛОЕ И В ГРАНУЛАХ В НАТИВНОМ И ЗАМОРОЖЕННОМ СОСТОЯНИИ. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА СУШКИ

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОГО ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО КОМБИНИРОВАННОГО РЕЖИМА СУШКИ

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ.

С ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ КОНСТРУКЦИИ

СУШИЛКИ, ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ И ПЕРСПЕКТИВНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫИ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Эти выводы согласуются с опытами по изучению кинетики сушки при различных условиях облучения. К тому же металлические и керамические излучатели У могут создавать довольно низкие тепловые потоки (до 1 кВт/м ) и обладают большой тепловой инерцией, что создает значительные трудности в инженерных решениях аппарата. Целесообразно использование излучателей с кварцевыми трубками (нихромовая спираль в кварцевой трубке, N = 600 Вт, галогенные лампы, типа КГТ или КИ-220-1000), имеющих высокую энергетическую освещенность объектов облучения, большой срок службы при стабильности лучистого потока, очень малую термическую инерцию, простоту устройства цоколей и выгодную линейную форму, отсутствие необходимости специального охлаждения цоколей, высокий КПД и механическая прочность и стойкость по отношению к воздействию воды, агрессивных сред и т.д. [27].

Поисковые эксперименты по изучению кинетики сушки свеклы, показали, что применение ламп КГТ-220-1000 более эффективно по сравнению с нихромовыми спиралями в кварцевых трубках при одних и тех же тепловых потоках. Исследована зависимость выхода сухого продукта от напряжения на лампах КГТ-220-1 ООО. В результате получено максимум съема свеклы при U=140B, Amax=l,45 мкм [27].

Эта длина волны соответствуют полосам поглощения влаги в спектрах пищевых продуктов. Интегральные ТРХ вычислялись по отношению к ИК-излучателям типа КИ (КГ, КГТ) -220-1000 при U = 220,140 и 110 В при /=1,8 мм; 3,8 мм; 1,7 мм; Змм. Результаты вычислений по формуле(3.14) приведены в табл.3.1. Данные по спектрам излучателей при номинальном и отличном от него напряжениях взяты из источников [27,31,39].

Для вычислений в (3.14) подставим вместо £,„ безразмерную величину относительной интенсивности излучения R\u =——, где Rlu- спектральная max

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сравнительный анализ путей интенсификации тепломассопереноса при сушке овощей, способов предварительной обработки продуктов перед обезвоживанием и конструкций сушилок позволил рекомендовать рациональные схемы и варианты проведения процесса сушки овощных продуктов в нативном и замороженном состоянии в гранулах и дольках, а также эффективные сушильные установки.

2. Результаты изучения статики процесса сорбции и сушки, выявление особенностей взаимодействия свеклы с водой показали целесообразность предварительной обработки продукта перед сушкой (измельчение, экструдирование, гранулирование, нарезка, замораживание) для уменьшения нетрадиционно значительной величины энтропийной составляющей свободной энергии, обусловленной наличием микрокаппиляров, ячеек, клеточных полупроницаемых оболочек в структуре свеклы, и частичного вымораживания связанной влаги при разрушении клеточных оболочек, что значительно повышает интенсивность сушки, создает "мягкие" режимы и приводит к существенному повышению качества готовой продукции. Обоснование применения объемных способов энергоподвода или подвода энергии со стороны отвода влаги подтверждается явлением термоосмотического эффекта и аномальным отрицательным значением термоградиентного коэффициента в диапазоне высоких влажностей.

3. Анализ кинетики сушки показывает, что скорость при обезвоживании в предварительно замороженном состоянии выше чем в нативном, что объясняется вымораживании части влаги и, как следствие уменьшением ее связи с материалом, что ускоряет процесс обезвоживания. Кроме того при фазовом переходе вода-лед происходит увеличение объема влаги (особенно структурной, энтропийно-связанной), что приводит к разрыву клеточных оболочек, высвобождению структурной влаги, денатурации клетчатки и уменьшению энергозатрат на влагоудаление. К тому же снижается температура сушки, а следовательно термовоздействие, уменьшается возможность значительной на первональном этапе обезвоживания усадки, сохраняются органолептические показатели, химический состав, форма и в итоге повышается качество готовой продукции. Разница в скорости между замороженным и нативным продуктом уменьшается при увеличении плотности теплового потока, вследствие сокращения периода сублимации, поэтому очевидно есть оптимум в зависимости интенсивности процесса от теплового потока, при увеличении которого с одной стороны скорость растет с другой стороны уменьшается период сублимации и скорость снижается.

7. Разработанная схема и режимные параметры сушки свеклы позволили выработать рекомендации по усовершенствованию экспериментальной установки для исследования процессов ИК сушки и модернизации опытно-промышленной установки для гранулирования и сушки овощных продуктов, внедренной для кормовых продуктов на «Мясокомбинате Астраханский» (ООО «Парад»), и планируемая к внедрению в ООО «Биотехсинтез» и ООО «Парад», где анализ и проверка полученных в работе результатов, показали целесообразность их использования в рамках региональной программы.

Полученные результаты согласуются с известными научными достижениями в области тепломассопереноса и базируются на применении классических методов исследований и расчетов процессов. Предложенные рекомендации, инженерные и конструкторские решения выработаны с учетом перспектив развития и опыта проектирования процессов и аппаратов, экспериментальных данных, полученных автором и другими исследователями. Адекватность зависимостей, полученных с использованием обоснованных оригинальных физико-математических методик расчета, и достоверность экспериментальных данных оценивалась с помощью методов статистической обработки результатов измерений и пакетов современных компьютерных программ.

Внедрение результатов работы позволяет:

- уменьшить габаритные размеры и материалоемкость сушильного оборудования;

Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично, либо в соавторстве (указано в ссылках), в том числе: определение актуальности, цели и задач исследований, проведение экспериментов и обобщение результатов теоретических и опытных данных, численно-аналитическая реализация моделей процессов обезвоживания, разработка рекомендаций по практическому использованию результатов работы.

Результаты исследований опубликованы коллегиально при равноправном участии автора.

Разработанная схема и режимные параметры сушки свеклы позволили выработать рекомендации по усовершенствованию экспериментальной установки для исследования процессов ИК сушки и модернизации опытно-промышленной установки для гранулирования и сушки овощных продуктов, внедренной для кормовых продуктов на «Мясокомбинате Астраханский» (ООО «Парад»), и планируемая к внедрению в ООО «Биотехсинтез» и, где анализ и проверка полученных в работе результатов, показали целесообразность их использования в рамках региональной программы «Создание в Астраханской области комплекса по переработке плодов и овощей, утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров».

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Ванли Кончу Морис, Астрахань

1. Авраменко В.Н. и др. Инфракрасные спектры пищевых продуктов /В.Н. Авраменко, Н.П. Есельсон, А.А.Заика. М.: Пищевая промышленность, 1974.- 174 с.

2. Алексанян И.Ю., Кабанец Н.Н. Буйнов А.А. Термодинамические и массо-влагообменные характеристики рыбных гидролизатов./ Электрофизические методы обработки пищевых продуктов: Материалы 5-ой Всесоюзной н. техн. конф./ М., 1985., ДСП., с. 261-262

3. Алексанян И.Ю., Антошкин О.В., Синяк С.В. Совершенствование технологии экспандированных гранулированных продуктов. Изв. Вузов «Пищевая технология»№4 - Краснодар., 2004, 7 с.

4. Алексанян И.Ю., Дульгер Н.В., Лысова В.Н. Численно-аналитический метод расчета эволюции полей температур с учетом динамики размораживания. Вестник Международной академии холода № 4 Ст.-Петербург, Москва, 2004, с.25-28

5. Алексанян И.Ю., Максименко Ю.А. Совершенствование технологии сухих концентратов на основе отходов спиртового производства Изв. Вузов «Пищевая технология»№4 Краснодар., 2004, 7 с.

6. Алексанян И.Ю., Попова С.Б., Синяк С.В. Исследование процессов сушки гранулированных продуктов растительного происхождения. Вестник АГТУ. сборник науч. трудов. Механика. Астрахань. АГТУ, 2004,. 8 с.

7. Алексанян И.Ю., Попова С.Б., Синяк С.В. Инженерные аспекты исследования и производства экспандированных гранулированных пищевых и кормовых продуктов. Изв. Вузов «Пищевая технология» №5 - Краснодар., 2004, 7 с.

8. Антипов С. Т., Валуйский В. А., Меснянкин В. Н. Тепло-массобмен при сушке в аппаратах с вращающимся барабаном. Воронеж, 2001. - 308 с.

9. А.С.1396303 СССР, МКИ5 А 23 В 7/02/ № 4020748/13; заяв. 11.02.86г.; опубл.1510.93г., Бюл. №37-38

10. Атаназевич В.И. Сушка пищевых продуктов. М.:, 2000 - 198 с.

11. Биохимическая термодинамика /Под ред. М.Джоунса: пер. с англ. М: Мир, 1982 -440 с.

12. Богомолова Р.Т. Огород во славу Божию. Изд-е 2-е. М, 2002, 381 с.

13. Бражников A.M. Исследование и разработка основ аналитической теории процессов термической обработки мясопродуктов. Автореферат дис. к.т.н. М., 1973.-23 с

14. Бражников A.M. Исследование и разработка основ аналитической теории процессов термической обработки мясопродуктов. // Холодильная техника, 1976, №11. с.7-8

15. Бражников A.M. Теория термической обработки мясопродуктов. М.: Агропромиздат, 1987. - 272 с

16. Брунауэр С. и др. Адсорбция газов и паров / С. Брунауэр, Р.Эммет, Е.Теллер, М.: Иностранная литература, 1948 - 849 с

17. Буйнов А.А. Исследование процессов пеносушки рыбных пищевых гидролизатов: Автореф. дис. канд.техн. наук, М, 1977. - 29 с, ДСП.

18. Буйнов А.А. и др. Гигроскопические свойства рыбных белковых гидролизатов, высушенных во вспененном состоянии / Буйнов А.А., Гинзбург А.С., Сыроедов В.И.// Известия вузов СССР. Пищевая технология. 1977. - № 5 с.87-90.

19. Буйнов А.А. и др. Термодинамика рыбных гидролизатов /Буйнов • А.А., Гинзбург А.С., Сыроедов В.И. // Известия вузов СССР. Пищевая технология. 1982 - №6, с. 87-90.

20. Вода в пищевых продуктах // Под ред. Р.Б.Дакуорта: пер. с англ. М.: Пищевая промышленность - 1980 - 575 с.

21. Воловик П.Н., Вербицкий Б.И., Луцик Ю.П. Инфракрасная сушилка для плодов и овощей. / Всесоюзная н.-техн. конф. «Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и с.-х. Сырья. М.: 1989. - с.393-394.

22. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии . М: Химия, 1976. 512 с.

23. Гамаюнов Н.И. Исследование сорбированной влаги на органических материалах //. Торфяные и водные ресурсы Верхневолжья и их использование.- Калинин., Калининский Гос. Ун-т, 1980.- с. 19 42.

24. Гал С. Последние достижения в области методов определения изотерм сорбции

25. Дакуорт Р.Б., Гал С. Вода в пищевых продуктах пер. с англ. М; Пищевая промышленность, 1980, с.ПО-125.

26. Гинзбург А. С. Мустяца В. Т., Бежерь Ю. К. См. 130., с. 22—24.

27. Гинзбург А.С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности-М.: Пищевая промышленность, 1966 408 с.

28. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1975 - 527 с.

29. Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические характеристики картофеля, овощей и плодов. М.: Агропромиздат, 1987, 272 с.

30. Гинзбург А.С. и др. Теплофизические характеристики пищевых продуктов /А.С. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская. М.: Пищевая промышленность, 1985, - 336 с.

31. Гинзбург А.С. и др. Спектральные характеристики генераторов излучения и облучаемых материалов /А.С. Гинзбург, В.В. Красников, Н.Г. Селюков. Электротермия В.48.1965.

32. Гинзбург А.С. Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 280 с.

33. Гришин А.М., Погожин М.И. // Тезися доклада 2-ой Всесоюзной научной конф. «Проблемы индустрии общественного питания страны», Харьков.: 1989г.- с.592-593.

34. Дранников А. В. Исследование процесса сушки свекловичного жома перегретым паром. Автреферат дис. на соискание степени кандидата технических наук. -Воронеж, 2003.-22 с.

35. Евдокимов А. В. Повышение энергетической эффективности процесса сушки зерна пшеницы конденсированным воздухом. Автореферат дис. на соискание степени кандидата технических наук. - Воронеж, 2004. - 22 с.

36. Егоров Г.А., Щеголева А.И. Термодинамические характеристики влажного крахмала пшеницы. / Известия вузов СССР. Пищевая технология 1974.-№ 4. -с. 21-24.

37. ИК сушка - перспектива развития сушильной отрасли/Клямкин Н.К.//Техн. и оборуд. Для села,- 1999.- с. 20-21. - Рус.

38. Ильясов С. Г., Красников В. В. В кн.: Тепломассообмен — ММФ. Минск: ИТМО, 1988, с. 52—54.

39. Ильясов С.Г, Красников В.В. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов,- М.: Пищевая промышленность.; 1978.- 359 с.

40. Калашников Г. В. Развитие процессов влаготепловой обработки пищевого сырья (теория, технология и техника). Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. - Воронеж,2004. - 43 с.

41. Каргин В.А. Структура и механические свойства полимеров,- М.: Наука, 1979 -449 с.

42. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники,- М.: Химия, 1976.- 511 с.

43. Киселев А.В., Древина В.П. Экспериментальные методы в адсорбции молекулярной хроматографии. М.: МГУ, 1979, - 447 с.

44. Корнюхин И.П. Условия сорбционного равновесия и их анализ / Инженерно-физический журнал 1979. -т.37 - № 3 - с.456-464.

45. Корягин А. А., Филин В. Я- Новая сушильная техника. М. ЦИНТИХимнефтемаш, 1983.

46. Лебедев П.Д. Высокотемпературная сушка материалов под действием внутреннего градиента давлений пара./ Труды МЭИ.-вып.ЗО.1958.-е 169-178

47. Лыков А.В. Теория сушки.-М.: Энергия, 1968. 471 с.

48. Лыков А.В. Тепломассобмен. М.:Энергия, 1978 478 с.

49. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн.2: Учеб. для вузов/ С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под. ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. М.: Высш. шк., 2001. - 680 с.

50. Оно С., Кандо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. -М.: Иностранная литература, 1963. 205 с.

51. Определение констант сушки и их зависимости от условий воздушной сушки лука в тонком слое. //Drying Technol.-1999. 17, №1-2. - с. 299-315.- Англ.

52. Пап Л. Концентрирование вымораживанием. Пер. с венгерского. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. -96 с.

53. Патент 2122324 Россия МПК6А 23 В 7/02/ №98106733/ Заявл. 16.04.98г. опубл. 27.11.98г. Бюл. №33.

54. Патент РФ №1781523 5 F 26 В 11/04 1990г.

55. Патент 96013494/13 Россия МПК6 А 2313/02/заяв. 04.03.96г. опубл. 10.10.98г. Бюл.№28.

56. Патент 2043785 Россия МКИ6 F 26 В 3/30/ № 5051986/06 заяв. 29.06.92г. опубл. 10.03.95г. Бюл.№25.

57. Патент 93012800/13 Россия МКИ6 А 13 В 7/02 F 263/30 №93012800/13 заяв. 11.03.93г. опубл. 27.02.97г. Бюл.№6.

58. Патент РФ №2084786 6 F 26 В 17/04 1994г.

59. Патент РФ №2034489 6 А 23 В 7/02, F 26 В 3/30 1993г.

60. Патент СССР №1537991 5 F 26 В 17/10,9/06 1987г.

61. Патент РФ №1515015 4 F В 11/04 1987г.

62. Патент РФ №2002422 5 А 23 В 7/02, F 26 В 5/04 1991г.

63. Патент 2002422 Россия МКИ5 А 23 В 7/02, F 26 В 5/04/ № 5004048/13; заяв. 29.07.91г. опубл. 15.11.93г. Бюл.№ 41-42.

64. Патент США 5433020 МКИ F 26 В 5/04 / №53679; заявл. 23.04.93г., опубл. 18.07.95г. МКИ.

65. Питерских Г. П. В кн.: Сушильное оборудование и теория процесса сушки М.: ВНИИХиммаш, 1984, с. 38.

66. Патент США 4948609 МКИ А 33 Р 1/14 М 23 В 4/033 №155611; заявл. 12.02.88г., опубл. 14.08.90г. МКИ 426/321.

67. Патент РФ №2126941 6 F 26 В 5/04 1996г.

68. Патент РФ №2003934 5 F 26 В 5/04 1991г.

69. Патент РФ №2134855 6 F 26 В 9/06, 5/04 1998г.

70. Патент РФ №2027964 6 F 26 В 5/04,3/347 1992г.

71. Патент РФ №1838733 5 F 26 В 3/28 1991г.

72. Попков С.П. Файнберг Р.З. Взаимодействие целлюлозных материалов с водой. -М.: Химия, 1976,-211 с.

73. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. -М.: Пищевая промышленность, 1974 583 С.-214

74. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976. - 212 с.

75. Сажин Б. С., Сажин В.Б. Научные основы техники сушки-М.: Наука, 1997.-448 с.

76. Сажин Б. С., Чувнило Е. А. Типовые сушилки со взвешенным слоем материала. Обзорная информация. Сер. ХМ-1.М.:ЦИНТИХимнефтемаш.1975.

77. Способ сушки овощей и фруктов: Пат. 2133094 Россия, МПК6 А 23 В 7/02/ -№96100461/13; Заявл. 4.1.96; Опубл. 20.7.99, Бюл. №20.

78. Сушильные аппараты и установки. Каталог Ниихиммаш. М.: Изд. ЦИНТИхимнефтемаш, 1992. - 80 с.

79. Тагер А.А. Физико-химия полимеров 3-е изд., перераб. и доп. - М: Химия, 1978 -544 с.

80. Технология пульсирующей микроволновой вакуумной сушки пищевых продуктов. //Drying Technol.-1999.-17, №3. с. 395-412.- Англ.

81. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М: Высш.школа, 1985. - 544 с.

82. Тихонов А.И., Самарский А.А. Уравнения математической физики М: Наука, 1966 - 724 с.

83. Установка для исследования термодинамических характеристик пищевых продуктов. // Рогов И.А., Буйнов А.А., Кабанец Н.Н., Кулагин В.Н., Фатьянов С.В. Рациональное использование белка в мясной и молочной промышленности. М., 1985 - с.5-14. ДСП.

84. Установка для непрерывной вакуумной сушки жидких и пастообразных продуктов: Пат. 2134855 Россия, МПК6 F 26 В 9/06/ №98106668/06; Заявл. 10.4.98; Опубл. 20.8.99, Бюл. №23.

85. Устройство для сушки растительных пищевых продуктов: Заявка 96103494/13 Россия, МПК6 А 23 В 7/02 №96103493; Заявл. 4.3.96; Опубл. 10.10.98, Бюл.№28

86. Федоров В.Г. Теплометрия в пищевой промышленности. М: Пищевая промышленность, 1980. 298 с.

87. Химический состав пищевых продуктов. //Под ред. И.М. Скирихина, М.Н. Вомарева. М.: Агропромиздат, 1987. - 360 с.

88. Р.Хорн Морская химия. М., 1972, - 145 с.

89. Хургин Н.К.и др. Адсорбция паров воды химотринсином и лизоцином. / Хургин Н.К., Росликов В.Л., Клячко - Гурвич А.А. Биохимия. - М., 1972, - т 57, с - 485-492.

90. Шамшин А. С. Разработка и научное обоснование способа конвективной сушки зародышевых хлопьев пшеницы в осциллирующих режимах. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж, 2004. - 20 с.

91. Шаршов В.Н. Вакуумный способ сушки материалов и установка для его осуществления. //Материалы науч. конф. Воронеж, 1995г.- Воронеж, 1995.- с.136-138.

92. Шохина В.Н., Афанасьев Г.А., Карков В.А., Мельников В.В. Инфракрасная сушка продуктов питания //Тезисы междун. Науч. Коф. «Развитие научного академ. В.Н. Вавилова». Саратов. 1997г.- с. 122-123.

93. Щуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ М: Мир, 1982. - 255 с.

94. Яшков В. В., Блиничев В. Н., Клочков М. В. Изв. вузов Химия и хим. технол., 1983, т. 26, № 2, с. 1493—1494.

95. Iura G., Harkins N. A rapbur adsorption method for the determination of the aread ofa solid without the assuption of the molecular arce, nitrogen an other moleculs the suridce of a solid. J. Amer. Chem. Soc., 1964, 66, N0.5., p. 1966-1970.

96. Ling G.N, Hydration of macromolecule. Ifln: Water and ague-ous solutions. - New York: Wiley, 1972, p. 663-750.

97. Me. Laren A.D., Rowen J.W. Sorption of Water vapor by proteins and polymers: A. Review. Polymer Science, 1951, N0.7, p. 2 89-291.

98. Panling L. The adsorption of water by protein. J. Ancer. Chem. t. Sos., 1945, vol. 67. NO. 4, p.555-557.

99. Water Activity: Influens on Food Quality: / ed. by L.B. Rock-land, G.E. Stewart -New York: Academic Press, 1981-218 p.

100. Worner H., Standish N. Analyst, 1989, v. 114, N I, p.-l 15—116.

101. Harrison W. В., Hanson M. P. Microwave processing, materials. Symposium. Reno: 1988, p. 279—286.

102. Lumpp C. Galvano— organo — trait, surface, 1989, v. 58, N 595, p. 393.

103. Fischer K. In: Industrilanlagen GmbH. Berlin: S. A., 1984 p. 4. промышленности. M.: Агропромиздат.;. 1985.

104. Hujimoto Masuro, Takahashi Hiroshi. Производство порошкообразных пищевых продуктов с применением вакуумной сушилки непрерывного действия типа TS /Сейто Гидзюцу Кэнюо Кайси. //Proc. ves. Soc. Jap. Sugar refin technology. -1991 -ЗЗ-с.77-80

105. Sigg Philipp, Koch Alex. Непрерывная вакуумная cyuiKa//Chem. Technol. Eur. -1995. 2№3 - c.32-34

106. Kovacova Sona. Прогрессивные способы сушки плодов и овощей//-1990-41, №10.-с.539-541

107. DonsiC., Ferrari С., OlivieriL. Сушка с.-х. Продуктов в двухкомпонентном псевдоожиженном слое.- 1987. Amsterdam etc., 1988.-С.277-286.

108. Теплофизические характеристики свеклы в температурных диапазонах выше иниже криоскопической точки

109. Эаэи;имас>ь уделыюй теплоемкости от температуры при с • 0,1 кг/кг3500 1300 D•■с 25001. J 2000о 15001. Xш р 1000с QJ 5001. Ж