Інтенсифікація процесу сушіння фруктово-ягідної сировини в завислому шарі

- досліджена кінетика процесу сушіння в завислому шарі нетрадиційної в сушильній промисловості фруктово-ягідної сировини;

- досліджена зміна хімічних показників плодів і ягід при сушінні;

- приведене математичне описання кінетики сушіння, що дозволяє з достатньою точністю розрахувати тривалість сушіння плодів і ягід до будь-якого вологовмісту;

- отримано рівняння в числах подібності для розрахунку коефіцієнта масовіддачі;

- отримана модель сушіння плодів і ягід, що базується на принципі суперпозиції і впливі коефіцієнта активності води на масовіддачу;

- запропоновані режими сушіння плодів і ягід у завислому шарі є науково обґрунтованими;

- експериментально підтверджена висока степінь інтенсифікації процесу сушіння плодів і ягід в завислому шарі. В зрівнянні зі стрічковими та тунельними сушарками, тривалість процесу сушіння в завислому шарі скорочується в 16 - 30 разів залежно від температури сушильного агента;

- значне скорочення тривалості сушіння дозволяють отримати поліпшені органолептичні й хімічні показники готового продукту при зменшенні витрати теплоти на процес сушіння.

Практичне значення отриманих результатів. Теоретичними та експериментальними дослідженнями і виробничими випробуваннями розроблено і практично підтверджено таке:

Публікації. Матеріали дисертації, одержані результати та рекомендації по їх використанню повністю відображені у 8-ми наукових роботах, опублікованих автором, з них 4 публікації у фахових виданнях, 1 стаття у науковому виданні, у тезах 2 доповідей наукових конференцій, 1 деклараційний патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел, що включає 113 найменувань (10 сторінок) та 5 додатків (41 сторінка). Роботу викладено на 123 сторінках, включаючи 59 рисунків (30 сторінок), 22 таблиць (13 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено загальну характеристику роботи - актуальність теми, зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету і завдання досліджень, наукову новизну, практичне значення та особистий внесок автора, представлена апробація дисертаційної роботи та її структура, подана кількість публікацій.

У першому розділі “Сучасний стан питання та основні задачі досліджень” на підставі аналізу літературних даних розглянуто стан ринку сухофруктів України та функціонально - технологічні особливості досліджуваних рослинних матеріалів.

Проаналізовано різні способи сушіння та зроблено їхній енергетичний аналіз (рис. 1). Сушарки в завислому шарі, серед відомих конвективних сушарок, мають нижчі показники енерговитрат - 4,8 МДж/кг. Також розглянуті методи розрахунку та математичні моделі тривалості сушіння. У теперішній час існують дві основні проблеми сушіння харчових матеріалів: підвищене енергоспоживання при сушінні та низька якість сушених продуктів. Показано, що способом рішення цих проблем є сушіння в розвитій стадії завислого шару.

У другому розділі “Аналіз об'єктів та методик досліджень” викладені відомості про об'єкти та методи досліджень. Наведено структурну схему, що відображає основні напрямки досліджень, взаємозв'язок етапів рішення поставлених завдань (рис. 2).

Об'єктами дослідження в роботі були насіннєві плоди і ягоди, що зростають на території України (табл. 1). Для всіх досліджень швидкість сушильного агента була постійною та рівною 5 м/с, питоме навантаження змінювалось від 50120 кг/м², температура сушильного агента змінювалась в межах від 80 до 120 ^оС. Дослідження проводились як за стандартними, так і оригінальними методами з використанням сучасних фізико-хімічних і технологічних методів дослідження. Промислову апробацію проводили на ВАТ “Одесхарчокомбінат”.

Таблиця 1. Об'єкти досліджень

Наведено методи аналітичного моделювання процесу сушіння в завислому шарі. Це дозволяє використати для розрахунку коефіцієнта масовіддачі рівняння одного виду з різними коефіцієнтами активності води а. Виходячи з умов рівноваги в системі тверде тіло - вологе повітря коефіцієнт а можливо визначити за законом Рауля, або використовуючи рівняння Кельвіна - Томсона. Залежність від режимних факторів отримана за допомогою методу аналізу розмірностей. Складено розмірну матрицю (табл. 2), в якій: V - швидкість повітря, м/с; t - температура продукту, ⁰С; T - температура теплоносія, ⁰С; L - розмір частинки, м; - в'язкість повітря м²/с; - густина повітря, кг/м³; P_пр - парціальний тиск водяної пари над продуктом, Па; р_в - парціальний тиск водяної пари в повітрі, Па.

Таблиця 2. Розмірна матриця

Отримане рівняння в числах подібності має вигляд:

(1)

де - коефіцієнт масовіддачі, с/м; k1, k2, k3 - показники степені.

В загальному вигляді рівняння в числах подібності - залежність числа Стантона (St) від чисел Гухмана (Gu), Ейлера (Eu) і Рейнольдса (Re):

(2)

Для розрахунку тривалості сушіння пропонується використати метод Філоненко - Грішина. Рівняння тривалості сушіння має вигляд:

(3)

де N - приведена швидкість сушіння, %/хв; W₁; W_k; W₂; W_p - відповідно початковий, критичний, кінцевий та рівноважний вологовміст; A та В - постійні коефіцієнти.

У третьому розділі ”Експериментальне моделювання” наведені результати експериментальних досліджень. Дослідження проведені на експериментальному стенді кафедри молока та сушіння харчових продуктів ОНАХТ (рис.3).

Дослідження впливу температури сушильного агента та потенціалу сушіння на кінетику сушіння показали, що чим вище температура нагріву повітря в калорифері, тим менше витрати теплоти на видалення вологи з матеріалу і менше витрати повітря в процесі сушіння. Тому сушіння проводили при максимально можливому нагріві повітря для даного матеріалу і даному способі сушіння, з огляду на те, що сушіння не тільки нестаціонарний процес тепломасообміну, на який витрачається велика кількість теплоти, але і відповідальний технологічний процес виробництва. Досліджувані продукти сушили при температурі сушильного агента 80, 90, 100, 110, 120 ⁰С. Наведені криві сушіння аронії при різних температурах сушильного агента (рис. 4).

З метою оптимізації питомого навантаження проведені дослідження на одиницю поверхні робочої камери 50, 80, 100 кг/м² (рис. 5). У періоді постійної швидкості сушіння спостерігається незначне зменшення швидкості сушіння в розвитій стадії завислого шару зі збільшенням питомого навантаження. Починаючи із критичного вологовмісту, швидкість сушіння практично не залежить від величини питомого навантаження. Використання більших питомих навантажень значно підвищує ефективність процесу. Витрати енергії на роботу радіального вентилятора не збільшуються зі зростанням питомого навантаження матеріалу, тому що швидкість (а, отже, і кількість) повітря залишається незмінною. У цьому полягає одне з переваг сушіння харчових матеріалів у завислому шарі. Тривалість сушіння досліджуваних матеріалів залежно від температури сушильного агента наведено в табл. 3.

Таблиця 3. Тривалість процесу сушіння досліджуваних матеріалів ?

? - ф х 60, с

Для режимних параметрів, обраних в експерименті, процес сушіння інтенсифікується в порівнянні з традиційними варіантами сушильного процесу в 3,3ч12 разів (табл. 4). Данні наведені для сушіння яблук.

Таблиця 4. Ступінь інтенсифікації процесу сушіння

Крім кінетичних характеристик визначені статичні характеристики ряду продуктів, а саме рівноважний вологовміст (W_p) як функція температури та відносної вологості повітря () (рис. 6), хімічного потенціалу, питомої термічної вологоємності (Cm) (рис. 7).

Коефіцієнти в рівнянні тривалості сушіння по методу Філоненко - Грішина визначались графічним способом. Послідовно визначались коефіцієнти А (рис. 9.), коефіцієнти швидкості постійного періоду сушіння N (рис.8.), коефіцієнти критичного вологовмісту W_к.

Отримані коефіцієнти в рівнянні тривалості сушіння по методу Філоненко - Грішина зведено в таблицю 5. Коефіцієнти отримані за допомогою програми Microsoft Excel.

Таблиця 5. Коефіцієнти рівняння тривалості сушіння

Вивчено вплив режимних параметрів на зміну хімічного складу досліджуваних продуктів. Доведено, що нетривале сушіння при температурі понад 100 ⁰С дозволяє одержати продукт кращий по кольору і з більшим вмістом поліфенольних речовин, а також знизити втрати термолабільних вітамінів.

Таблиця 6. Хімічний склад висушених продуктів

Втрати аскорбінової кислоти при сушінні в розвитій стадії киплячого шару з температурними режимами 80 - 90⁰С більше, ніж при 100 - 120⁰С. Таким чином, значне скорочення тривалості сушіння, при застосуванні високих температур зменшує сумарний вплив теплоти на матеріал.

Узагальнення експериментальних даних проведено в числах подібності.

Вихідними даними для обробки є експериментальні дані, отримані при сушінні груш, айви, яблук. Обробку дослідних даних представлено в логарифмічних координатах. В результаті послідовно отримано вплив кожного комплексу на процес (рис. 11, 12).

Швидкість сушильного агента в дослідах не змінювалась. Тому для числа Рейнольдса приймаємо відому степінь 0.5.

Для розрахунку числа Стантона отримане рівняння має вид:

(4)

Розбіжність між розрахунковими та експериментальними даними в межах 12 % (рис.13).

У четвертому розділі “Інженерні методи розрахунку та апробація результатів роботи ” наведені результати комп'ютерного моделювання, оптимізації сушильної установки у завислому шарі, пропозиції до впровадження.

Для розрахунку та оптимізації сушильної установки у завислому шарі визначено етапи комп'ютерного моделювання: вплив розміру частинок(d_е) і температури сушильного агента (t₁) на критичну швидкість повітря (х_кр); вплив вологовмісту продукту і розмірів капілярів (R_max) на коефіцієнт активності води; вплив температури сушильного агента на тривалість сушіння продукту (); визначення кінетичних коефіцієнтів; порівняння розрахункових та експериментальних даних; оптимізація температурних режимів сушіння (рис. 14).

Алгоритм розрахунку сушильної установки в завислому шарі представлено як сукупність окремих блоків. Використовуючи блок 4 алгоритму, одержуємо можливість моделювати гідродинамічні параметри апарату. Критична швидкість для часток продукту різних розмірів змінюється у широкому діапазоні температур сушильного агента (рис. 15). В 5-му блоці проводиться розрахунок кінетичних коефіцієнтів та часу сушіння продуктів, які досліджувались. У розгорнутому виді алгоритм розрахунку представлений на рис. 16. Останній блок алгоритму - перетворене рівняння 6, застосування якого дає можливість отримати не тільки час сушіння, а й кінетичні коефіцієнти. В розрахунку тривалості сушіння процес розглядався як квазістаціонарний. Для визначення властивостей води, тиску водяної пари над продуктом використані апроксимаційні рівняння.

Також одержуємо можливість моделювати такі параметри як активність води (рис. 17) та коефіцієнт масовіддачі (рис. 18). Ці величини є проміжними результатами комп'ютерного розрахунку по алгоритму рис. 16.

Комп'ютерне моделювання проведено за допомогою програми MathCAD. В алгоритмі для розрахунку коефіцієнта активності води використане рівняння Кельвіна - Томсона.

Побудовано криву сушіння для груш із використанням алгоритму (рис. 19). Оптимізація сушильної установки проведена з позиції мінімального енергоспоживання, тобто експлуатаційні витрати є функцією споживаної енергії на процес.

Оптимум функції, що складається з суми експлуатаційних витрат і капітальних витрат для обраного продукту (груш) припадає на 110 ⁰С (рис.20).

Особливість зневоднення продуктів, яка запропонована в роботі, дозволяє зберегти вміст вітамінів і інших біологічно-активних речовин в сухому продукті на високому рівні від початкової сировини. Продукт не містить консервантів і інших сторонніх речовин, що сприяє його споживанню людьми, страждаючими якими-небудь алергічними або іншими реакціями на консерванти і хімічні добавки.

До переваг застосування висушених плодів і ягід слід віднести: здатність надавати кінцевому продукту натуральний смак, колір і аромат; збереження продуктів протягом тривалого періоду без додаткових засобів хімічної обробки та скорочення витрат на транспортування і зберігання.

Сухофрукти можуть бути використані в наступних сферах: виробництво харчових концентратів для солодких блюд; виробництво продуктів швидкого приготування; виробництво продуктів дієтичного харчування; молочне виробництво; кондитерське виробництво; виробництво алкогольних і безалкогольних напоїв; лікувально-профілактичне і оздоровче харчування.

ВИСНОВКИ