энергосбережение при переработке бурых водорослей
Камчатский государственный технический университет Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
«КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Новизна и актуальность идеи.
Водоросли – макрофиты, являются ценным сырьем для производства продуктов питания, лекарственных препаратов и биологически активных добавок.
В последнее время в Европе возросло использование водорослей в пищу. Так, например, во Франции 5 наименований водорослей разрешены к употреблению в пищу наряду с обычными овощами. Их используют при производстве сыров, макаронных изделий, сухих супов, солений, бисквитов, напитков, десертов. На основе водорослей также готовят разнообразные соусы.
Их так же используют в хлебобулочном и кондитерском производстве. Виды родов Saccharina и ламинарию включают в рецептуры молочных и кисломолочных продуктов, а так же мягкого сыра с ламинарией.
Бурые водоросли являются единственным источником получения альгинатов, поскольку содержат от 20 до 40% альгиновой кислоты. Известно, что альгинаты благодаря стабилизирующим свойствам используются при получении майонезов и соусов. Показана целесообразность их сочетания с жирами и белками, а также участие ферментов водорослей в созревании соусов.
У берегов России ламинариевые водоросли произрастают в промысловых объемах, многие их них можно добывать для использования в пищевой промышленности. В настоящее время в пищу широко используют в основном S. japonica. Её направляют на производство консервов, в состав которых включают другие компоненты, такие как рыбу, моллюски, беспозвоночные, овощи, растительное масло, специи, а также соль и сахар. Для приготовления различных видов кулинарных блюд используют ламинарию в свежем, мороженном и сушеном виде.
Как известно, сырые бурые водоросли отличаются высоким содержанием влаги и растворимых форм белка, углеводов, минеральных веществ, что является субстратом для развития микроорганизмов и сокращает срок хранения и использования водорослей в пищевых целях.
Основные способы заготовки водорослей - охлаждение, замораживание и сушка.
Охлажденные водоросли хранятся в холодильной камере с температурой от 0 до минус 2°С в течение 7 суток.
Продолжительность хранения замороженных бурых водорослей при температуре минус 18°С составляет 9 месяцев. Полученный продукт по своим качественным показателям максимально приближен к свежим водорослям, но для его хранения и транспортировки необходимо обеспечивать стабильный температурный режим. Последнее достигается с помощью холодильных установок. Это влечет за собой увеличение энергозатрат, что увеличивает себестоимость продукции.
Сушка - самый распространенный способ заготовки водорослей. Для длительного хранения водорослей без снижения их качества необходимо сократить содержание в них влаги до 18-20%.
В странах Азии, получил широкое распространение способ сушки водорослей на открытом воздухе. Продолжительность сушки при таком способе составляет 2 суток. Вследствие неблагоприятных погодных условий данный способ сушки в районах Охотского и Берегового морей не получил широкого распространения.
Для сушки морских водорослей в слоевищах на судах и береговых перерабатывающих предприятиях используют сушильные установки камерного и туннельного типов. Опыт использования данных сушильных установок показал, что в камере сушки не обеспечивается равномерность системы воздухораспределения, значения коэффициентов теплоотдачи и скорости сушки низкие. В результате этого длительность сушки слоевищ составляет от 10 до 14 часов. Другими серьезными недостатками данных установок являются большие затраты ручного труда, повышенная металлоемкость и громоздкость конструкций сушилок.
Для сушки шинкованных водорослей, используют барабанные, транспортерные и конвейерные сушилки. В данных установках предусматривается отвод влаги от ламинарии воздухом с температурой около 140 °С. Высокие температуры воздуха приводят к снижению качества готовой продукции. В первую очередь происходит снижение на 50% содержания альгинатов в готовой продукции, по сравнению со свежим сырьем.
Хорошую эффективность сушки шинкованной морской капусты показали сушильные установки с взвешенно-закрученными потоками теплоносителя. Морская капуста, высушенная в данных сушильных установках, имеет хороший внешний вид и максимально сохраняет свой химический состав и физические свойства. Однако значительным недостатком данного способа является высокие энергетические затраты.
В таблице 1 представлены основные параметры воздуха для различных видов сушки ламинариевых. Анализ приведенных в ней данных показывает, что установки для сушки морских водорослей как в пластинах, так и шинкованных, имеют один общий недостаток – высокие энергетические затраты на технологический процесс сушки. Так, например, в туннельных, ленточных и конвейерных сушилках на одну тонну готовой продукции расходуется 1,8 тонн условного топлива, а в сушилках с взвешенно-закрученными потоками – 0,7 т. у.т. Другим недостатком представленных сушилок является отсутствие рекуперации теплоты отработанного теплоносителя.
Таблица 1. Основные параметры воздуха в различных сушильных установках
Вид сушки | Рабочие параметры воздуха | τ, мин | W % | tпр, °C | Расход условного топлива на т. готовой продукции, т. у.т./т | |||
t, °C | ω, м/с | φ, % | α, Вт/м2К | |||||
Туннельные, ленточные, конвейерные сушилки | 50÷90 | 2-4 | 15 | 30÷35 | 600÷840 | 16÷20 | 40÷90 | 1,8 |
Барабанные сушилки | 120÷140 | 3-6 | 10 | 30÷45 | 10÷20 | 16 | 100÷110 | 1 |
Сушилки с взвешенно-закрученными потоками | 100 | 6÷8 | 10 | 50÷70 | 15 | 16 | 80 | 0,7 |
Примечание: t – температура воздуха, ω – скорость воздуха; φ – относительная влажность воздуха; α – коэффициент теплоотдачи; τ - продолжительность сушки; W - конечное влагосодержание продукта; tпр - температура продукта при сушке.
На основании вышесказанного можно сделать вывод, что существует необходимость создания новой технологии и новых установок для сушки ламинарии в пластинах, позволяющих получить сушенную морскую капусту высокого качества при более низких энергозатратах по сравнению с существующими сушилками.
Результаты первого года работы.
Целью проведения экспериментальных исследований по сушке ламинарии было получение данных, которые позволят определить оптимальный режим сушки, обеспечивающий максимальное качество продукции, с наименьшими энергетическими затратами.
Нами были проведены экспериментальные исследования по определению параметров процесса сушки водорослей с использованием теплового насоса, а так же определены параметры действительного цикла теплонасосной установки в зависимости от режима работы. Исследования проводились на специально разработанном экспериментальном стенде сушильной установки (рис. 1, рис. 2). Были выбраны два режима работы установки, обеспечивающие различные температуры воздуха.
Объектом сушки является Saccharina (Laminaria) bongardiana, добытая в период с августа по сентябрь 2011 г. в Авачинской бухте. Перед сушкой водоросли хранились в охлажденном состоянии при температуре 0÷2 °С, сроком до 7 суток.
Высушивалась пластинчатая часть растения. Слоевища развешивались поштучно на специальных клетях, которые в свою очередь размещались в сушильной камере. Клети были снабжены сетчатыми зажимами, позволяющими фиксировать слоевища в вертикальном положении.
Как уже отмечалось выше, сушильная установка может работать в двух режимах. Режим № 1 предусматривает использование, как теплового насоса, так и электрокалорифера, для обеспечения заданных параметров воздуха в процессе сушки пластин. Режим №2, для обеспечения заданных параметров воздуха, используется только тепловой насос.
Эксперименты по сушки ламинарии проводили при скорости воздуха от 1 м/с до 4 м/с и температуре от 60 °С до 80 °С. Определялись скорости сушки при различных параметрах воздуха.
Начальное содержание воды в слоевищах составляет 80-85%. Сушка водорослей осуществляется до влагосодержания до 18-20%, при температуре воздуха не более 80 °С.
Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментального стенда и схема размещения датчиков, приборов защиты и регулирования экспериментального стенда.
I, II – компрессор; III – конденсатор водяной; IV – расширительный бак; V – бак аккумулятор; VI – насос циркуляционный; VII – электрокалорифер; VIII – сушильная камера; IX – клети с продукцией; X – воздушный конденсатор; XI – вентилятор; XII – воздушный испаритель; XIII – кондесатоотводчик; XIV – смотровое стекло; XV – фильтр-осушитель; XVI – линейный ресивер; PD – двухблочное реле давления; NS – частотный регулятор; PE – датчик давления; TE – датчик температуры; PI – манометр; GE – расходомер; ME – датчик влажности воздуха; BV – датчик скорости потока; DE – измеритель массы; К1…К16 – запорные вентиля; РД1 – регулятор давления «до себя»; ТРВ1 – электронный расширительный клапан.
Рисунок 2. Внешний вид экспериментального стенда
Продолжительность конвективной сушки составляет 3-5 часов и делится на два периода: период постоянной скорости, наблюдается от влагосодержания 85% до 50 %, период убывающей скорости – от влагосодержания 50 % до 18%, сушка при постоянной скорости сушки осуществляется в течение 1-2 часов, а сушка при убывающей – 2-4 часа.
Регулирование производительности теплового насоса осуществлялась, как путем изменения расхода воздуха через конденсатор и испаритель, так и перенастройкой системы автоматизации и регулирования теплового насоса.
Основные показатели работы теплового насоса определяются по тепловым балансам конденсаторов и испарителя. Проводился энергетический и эксергетический анализ теплового насоса.
Анализ различных моделей одноступенчатых тепловых насосов показал, что в настоящее время в качестве рабочих веществ в большинстве тепловых насосах могут использоваться различные холодильные агенты R22, °С, R142, R404a, R407a.
Анализ компрессорного оборудования различных производителей показал, что максимально допустимые температуры конденсации при работе теплового насоса находятся в интервале от 60°С до 80°С в зависимости от вида холодильного агента, Так например, максимально допустимая температура конденсации для R22 - 60°С, R134a - 75°С, R°С, R404a - 60°С, R407a – 68°С. для. Как видно из рисунка 3 максимально допустимые температуры конденсации
Учитывая, что температура сушильного агента является одним из важных параметров, влияющих на интенсивность сушки различной продукции, при использовании теплового насоса для нагрева воздуха, при температуре конденсации 75 °С можно получить воздух с температурой около 60 °С.
Известно, что для сушки ламинарии температура сушильного агента должна быть не менее 80°С. При использовании парокомпрессионного теплового насоса достижение заданных температур воздуха можно осуществлять за счет дополнительного его подогрева. В таблице 2 представлены результаты расчетов по дополнительному расходу тепла в сушильной установке с тепловым насосом.
Анализ приведенных данных в таблице 2 показывает, что использование теплового насоса в технологии сушки ламинарии позволяет получить экономию тепловой энергии от 41% до 75%. Теоретические данные были проверены на экспериментальном стенде сушильной установки, на базе теплового насоса, в котором в качестве рабочего вещества использовался R22 и R134a. В результате проведенных исследований экономия тепловой энергии составляет 37% для R22, а для R134a экономия энергии составляет 62%.
Таблица 2. Энергетический анализ сушильной установки на базе теплового насоса для сушки ламинарии с использованием различных холодильных агентов
Холодильный агент | Расход тепла на нагрев воздуха в ТН, на 1 кг продукта, кВт | Расход тепла на нагрев воздуха в теплообменном аппарате, на 1 кг продукта, кВт | Общее количество теплоты на нагрев воздуха, на 1 кг продукта, кВт | Темпера конденсации, °C | Экономия энергии, % |
R22 | 2,9 | 4,1 | 7 | 60 | 41 |
R134a | 4,7 | 2,3 | 7 | 75 | 67 |
R142 | 5,3 | 1,7 | 7 | 80 | 75 |
R404а | 2,9 | 4,1 | 7 | 60 | 41 |
R407a | 3,8 | 3,2 | 7 | 67 | 54 |
Экспериментальные данные хорошо согласуются с аналитическими исследованиями по энергетической эффективности использования тепловых насосов в технологиях сушки морских водорослей.
Техническим эффектом применения теплового насоса в технологии сушки бурых водорослей является уменьшение энергетических затрат направленных на нагрев воздуха до заданных параметров.
Эффект достигается, тем что при использовании теплового насоса осуществляется рекуперация скрытой теплоты парообразования и теплоты отработанного воздуха, что отсутствует в существующих сушильных установках.
В результате проведенных в первый год исследований получены данные, позволяющие сделать следующие выводы:
· применение теплового насоса в процессе сушки водорослей позволяет нагреть воздух до температуры 60 °С, дальнейшее повышение температуры должно осуществляться в дополнительном теплообменном аппарате;
· экономия тепловой энергии в сушильной установки на базе теплового насоса по сравнению с традиционными сушилками составляет от 41% до 75%, в зависимости от используемого холодильного агента;
· рекомендуемый холодильный агент для использования в сушильных установках на безе парокомпрессионного теплового насоса – R134a;
· использование разработанной экспериментальной сушильной установки на базе теплового насоса позволила сократить время технологического процесса в 3-5 раз.
Уровень коммерциализации проекта.
Потенциал экономии энергопотребления сушильными установками составляет порядка 80%. Использование парокомпрессионного теплового насоса за счет рекуперации теплоты отработанного воздуха позволяет экономить до 62% тепловой энергии, в зависимости от режима работы и используемого холодильного агента.
Экономический анализ использования разработанной экспериментальной установки для сушки ламинарии в слоевищах, в условиях Камчатского региона показывает, что срок окупаемости данного проекта составит около двух летне-осенних сезонов, общей продолжительностью 7 месяцев.
Планируется создание монтажного цеха на 4-8 рабочих, способного выпускать от 1 до 3 сушильных установок в месяц, в зависимости от технического задания условий заказчика. Данные сушильные установки могут как для сушки ламинарии, так и для сушки других пищевых продуктов.
Так же планируется создание малого предприятия численностью до 10 человек по переработке ламинарии производительностью 10 тонн готовой продукции в месяц.
Основные риски:
1. Конкурентная борьба с продукцией зарубежных компаний.
2. Риск реализации продукта, снижение потребности в изделии.
Меры по снижению рисков: совершенствование материально-технической базы предприятия, а так же расширения ассортимента выпускаемой готовой продукции.
Срок превращения в конечный продукт и выход его на рынок.
1. (1-2 год) Проведение НИОКР. Создание экспериментального стенда сушильной установки; получение экспериментальных данных по сушке ламинарии в слоевищах; исследования работы сушильной установки в различных режимах работы при использовании различных холодильных агентов; эксергетический анализ сушильной установки; комплексное обоснование оптимальных режимов ее работы; разработка системы автоматического управления сушильной установкой; разработка программного обеспечения по моделированию процесса сушки и побору оптимальной конфигурации сушильной установки.
2. (3-4 год) Защита авторских прав, путем получения патентов: «Способ сушки морской капусты»; «Сушильная установка»; «Система автоматизации сушильной установки»; «Лабораторный стенд по изучению процесса сушки»; «Устройство для развешивания морских водорослей в слоевищах», а так же регистрация программы для ЭВМ. Разработка технической документации ТУ на продукт «Капуста морская сушенная Камчатская». Разработка проектной документации для производства модельного ряда сушильных установок на базе ТН производительностью от 10 до 200 кг/час готовой продукции. Создание и испытание полупромышленного образца сушильной установки. Поиск инвесторов.
3. (5-6 год) Выпуск опытной партии сушенной морской капусты в слоевищах, расширение производственных мощностей, разработка новой продукции из морских водорослей. Выпуск промышленных образцов сушильных установок на базе теплового насоса.
Конечными результатами нашего проекта является новая энергосберегающая технология сушки морской капусты, позволяющая получить продукт более высокого качества при более низкой себестоимости, а так же модельный ряд сушильных установок на базе теплового насоса.
План второго года проведения работ:
1. Разработка системы автоматического управления сушильной установки.
2. Получение экспериментальных данных по сушке ламинарии в слоевищах, с целью построения действительных кривых сушки в зависимости от периода добычи водорослей.
3. Определение физико-химических показателей сушенной морской капусты в зависимости от периода добычи сырья и технологического режима сушки.
4. Комплексное обоснование оптимальных режимов сушки морской капусты.
5. Разработка программного продукта по моделированию процесса сушки морской капусты и расчета основного оборудования сушильной установки.
, 1983 г. рожд., 7-65 моб., E-mail: *****@***ru
Научный руководитель: , проф. к. т.н., зав. каф. холодильных и энергетических установок КамчаКТУ
Научный руководитель
