Разработка технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с использованием СВЧ - и УЗ-излучений

На правах рукописи

ПОСПЕЛОВА ИРИНА ГЕННАДИЕВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ

СУШКИ ФРУКТОВ И ОВОЩЕЙ с ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

СВЧ- и УЗ-излучений

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2009

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Владимир Вениаминович Касаткин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Марина Михайловна Беззубцева

кандидат технических наук, доцент

Иван Ревович Владыкин

Ведущая организация: Государственное учреждение зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока им. (НИИСХ Северо-Востока им. )

Защита состоится «05» ноября 2009 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА -315.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА, а с авторефератом на сайте www. *****

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать г. Ижевск. ул. Студенческая, Диссертационный совет. Телефон/

Автореферат размещен на сайте и разослан «03» октября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди продуктов питания, обладающих защитными функциями, превалирующее значение имеют плоды, ягоды, овощи и их соки. По данным Всемирной организации здравоохранения содержание в ежедневном рационе 700…800 г плодов и овощей позволит сократить риск возникновения онкологических, сердечно-сосудистых и некоторых возрастных заболеваний почти на 50 %. Но ярко выраженная сезонность сельскохозяйственного производства овощного и плодово-ягодного сырья, сложность сохранения высоких биологических свойств без специального оборудования не позволяет его использовать на протяжении всего года. Удаление влаги из растительного сырья путем сушки до влажности 8…8,5 % предоставит возможность его длительного хранения в обычных условиях.

Существенный недостаток обычных методов сушки – неравномерная усадка (большая на поверхности и меньшая внутри материала), ведущая к непропорциональному изменению формы материала и даже к разрушению. По сравнению с другими методами сушки сублимация дает равномерную усадку, поэтому материал имеет более пористую, быстро восстанавливающуюся структуру – в течение 5…15 мин в зависимости от вида сырья.

К основным преимуществам метода сублимационной сушки, делающим его промышленное применение весьма перспективным, относятся следующие:

·  минимальные биологические и физико-химические изменения в продукте, связанные с обработкой при низких температурах;

·  снижение массы продуктов, за счет уменьшения конечной влажности;

·  значительное увеличение сроков хранения сублимированных продуктов при положительных температурах;

·  упрощение реализации продуктов в торговой сети, в связи с ненадобностью холодильных установок.

Перспективы развития сублимационной техники связаны с переходом к установкам непрерывного действия, с повышением эффективности сублимационного оборудования за счет интенсификации процесса обезвоживания.

Цель работы состоит в исследовании и разработке технологии сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортированием в едином вакуумном цикле и использовании энергосберегающих электротехнологий.

Задачи исследования.

·  провести анализ технологий и оборудования для производства высококачественных сушеных мелкокусковых полуфабрикатов;

·  исследовать вакуумное измельчение, сортирование и скорозамораживание растительных материалов на примере картофеля и яблок, высушиваемых с применением СВЧ - и УЗИ - полей в принудительном фильтрационном потоке газа;

·  разработать математические модели процессов скорозамораживания с последующей сублимационной сушкой и рассчитать энергоемкость сушки мелкокусковых растительных материалов на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;

·  исследовать кинетику скорозамораживания и сублимационной сушки обрабатываемых материалов на вакуум-сублимационных установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом;

·  обосновать технико-экономическую эффективность разработанной технологии и оборудования.

Объектом исследования является электротехнологический процесс сублимационной сушки мелкокусковых фруктов и овощей.

Предметом исследования являются механизмы измельчения, сортирования в вакууме и сублимационной сушки под воздействие СВЧ, УЗИ полей и конвективного энергоподвода на установках непрерывного действия.

Научную новизну работы составляют:

·  непрерывный способ сублимационной сушки фруктов и овощей с предварительным измельчением и сортировкой в едином вакуумном цикле;

·  математические модели процессов скорозамораживания с последующей сублимационной сушкой и расчетная энергоемкость сушки мелкокускового материала с комбинированным энергоподводом;

·  разработана установка непрерывного действия с предварительным измельчением, сортированием и сублимационной сушкой в вакууме кускообразных материалов, новизна которой подтверждена патентом РФ;

·  кинетические закономерности скорозамораживания и сублимационной сушки картофеля и яблок, обрабатываемых на вакуум-сублимационных установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом.

Практическая ценность работы определяется следующими основными

результатами:

·  разработан и испытан лабораторный образец непрерывно действующей сублимационной установки с производительностью 1 кг/ч по испаряемой влаге УСС-НД-КЭ-И-01, обеспечивающей эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

·  использование результатов работы в научном и учебном процессе ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА.

Реализация результатов исследований. Работа является продолжением исследований вопросов теории и практики производства высококачественных сушеных полуфабрикатов и связана с решением прикладных вопросов технологии и проектирования новых образцов сублимационного оборудования.

Для разработки исходных требований технологии сублимационной сушки на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» в ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА был создан опытный образец установки «УСС-НД-КЭ-И-01», на котором соискателем исследована кинетика сублимационной сушки кусочков фруктов и овощей, с предварительным измельчением и сортированием в вакууме. Результаты исследований апробированы и внедрены на предприятии Агрызского района Республики Татарстан.

На защиту вынесены следующие положения:

·  способ непрерывной сублимационной сушки, с предварительным измельчением на кубики фруктов и овощей и их сортировкой в вакуумной среде, введением СВЧ и УЗИ - энергоподвода с принудительным потоком газа через слой мелкокускового продукта на стадии сублимации и УЗИ энергии с принудительным потоком газа на стадии удаления остаточной влаги;

·  физические механизмы непрерывного измельчения, сортировки, сублимационного обезвоживания мелкокускового материала диэлектрическим методом с УЗИ интенсификацией в потоке газа и их математическое описание;

·  высокоинтенсивная технология непрерывной сублимационной сушки, с предварительной сортировкой измельченных фруктов и овощей, в едином вакуумном цикле при комбинированном энергоподводе.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях: «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения», Ижевск, 2005 год; «Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства», Ижевск, 2005 год; «Высшему аграрному образованию в Удмуртской Республике 50 лет. Итоги и перспективы», Ижевск, 2005 год; «Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве», Ижевск, 2006 год; «Научный потенциал – аграрному производству», Ижевск, 2008 год; Всероссийский конкурс молодежных инновационных проектов «Зворыкинская премия II тур» 2009 год.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 2 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК, и приравненных к ним патент РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 138 листах основного текста, в том числе 47 рисунков и 21 таблица. Список использованных источников из 177 наименований, в том числе 11 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, отмечена практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проанализировано современное состояние технологий и оборудования для производства сушенных фруктов и овощей. Развитие теории и практики сублимационной сушки связано с именами таких ученых, как И, , Задрин, Э. К. и других.

Проведенный анализ позволил установить:

·  принципиальное преимущество совмещения операций измельчения и сортировки с сублимационной сушкой плодоовощного материала в едином вакуумном цикле;

·  необходимость дальнейших исследований процессов сублимационной сушки с предварительным измельчением и сортировкой фруктов и овощей;

·  необходимость разработки новой технологии и образцов сушильного оборудования с использованием измельчения, сортировки, УЗИ и СВЧ-энергоподвода и потока газа;

·  выводы и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлена усовершенствованная технология сублимационной сушки мелкокусковых фруктов и овощей без операции бланширования.

Исследования сушки в вакууме нарезанных кубиками картофеля и яблок осуществляли на лабораторной установке (рисунок 1).

Работает сушилка следующим образом.

Вакуумное самозамораживание. Нарезанный плодоовощной материал загружается через лоток (17) в барабанную сортировку (16), которая находится внутри вакуум-сублимационной камеры (1). Дверь камеры (10) герметично закрывается, и включается откачка воздуха с помощью вакуумного насоса (3). Давление в камере в течение 10…15 мин опускается и стабилизируется около 30 Па, в это время начинается сортировка кубиков. Продукт при этом самозамораживается за счет того, что расходует внутреннюю энергию на испарение влаги с поверхности кубиков.

Рисунок 1 - Компоновочная схема лабораторной вакуумной установки: 1 - камера вакуум-сублимационная; 2 - десублиматор; 3 - насос вакуумный; 4 - машина холодильная; 5 - трубопровод вакуумный; 6 - вакуумметр,  7 - термометр; 8 – натекатель воздуха; 9 - датчик ПМТ-6; 10 -дверь камеры; 11 - панель управления; 12 -испаритель холодильной машины; 13 - СВЧ генератор; 14 - лоток с УЗ излучателем для стандартных кубиков; 15 - лоток для обрезей; 16 – барабанная сортировка; 17 – лоток загрузочный

Сублимационная сушка. Прошедшие сортировку стандартные кубики падают на лоток с УЗИ источником (14). Далее включается СВЧ нагрев (13), давление в камере увеличивается и устанавливается около 60…70 Па. При этом в камере идет сублимационная сушка. Через определенный промежуток времени, который зависит от массы заложенного на сушку продукта и мощности СВЧ излучения, давление в камере начинает падать, по чему можно определить, что сублимация свободной влаги закончилась. Прекращается СВЧ нагрев и включается натекатель рабочего газа (8) температурой в пределах от +10°С до +40°С, за счет чего давление в камере увеличивается до 100 Па.

Удаление остаточной влаги в продукте осуществляется конвективно-звуко-вакуумным способом. Через какое-то время давление плавно начинает опускаться и устанавливается в пределах около 30 Па. Это означает, что процесс сушки закончен. Отключается УЗИ, вакуумная система, и идет наполнение камеры воздухом. При достижении давления в камере в пределах атмосферного, дверь открывается, и лоток с сублимированным продуктом вынимается для исследований.

На установке были выполнены исследования вакуумного самозамораживания мелкокускового плодоовощного материала с последующей его сублимационной сушкой (рисунки 2, 3). В результате чего, установлено, влияние размеров кусочков и общей массы продукта на время полного самозамораживния, а также влияние способа подвода энергии на время, скорость, энергоемкость сушки и качество конечного продукта (пищевая ценность, внешний вид и способность к восстановлению).

При обработке в вакууме 10 мин

а б

Без обработки в вакууме 10 мин

а б

Рисунок 2 - а - сравнительные срезы картофеля; б - сравнительные срезы яблок

 

Рисунок 3 - Влияние размеров продукта на время самозамораживания на примере картофеля и яблок

В результате исследований выявлены основные параметры, от которых зависит сушка мелкокускового плодоовощного сырья на вакуумных установках:

, (1)

где nб - частота вращения барабана сортировки; Рк - давление в камере; Таг - температура агента сушки; В - ширина кубика материала; ƒСВЧ, NСВЧ - частота и мощность СВЧ-излучателя; ƒУЗ, NУЗ - частота и мощность УЗ-излучателя.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований непрерывного сублимационного способа сушки с предварительной сортировкой измельченных фруктов и овощей при комбинированном энергоподводе.

Вакуумное самозамораживание. Для увеличения площади воздействия вакуума на каждый кубик плодоовощного сырья в процессе самозамораживания, а также для получения готового продукта однородного по качеству необходимо производить процесс сортировки в вакууме. Для этого необходимо подобрать частоту вращения барабана сортировки таким образом, чтобы за время нахождения кубиков продукта в сортировке он успел самозаморозиться.

Анализируя положение частицы на рисунке 4, частота вращения барабана должна быть такой, чтобы кубик под действием центробежной силы не увлекался в круговое движение, а мог лишь подниматься на определенную высоту (точка А5) и под действием силы тяжести перекатываться вниз [144, 158].

, (2)

где K - коэффициент кинематического режима, K = 0,1…0,2.

С целью повышения качества производимой продукции обоснованы параметры и режимы предлагаемого сортирующего устройства.

Доля испаренной влаги при вакуумном самозамораживании (α1) составляет примерно 12…14 % и определяется формулой [148, 152]:

. (3)

В результате испарительного самозамораживания конечная температура (Тк) кусочка понижается, и ее значение определяется формулами [69, 99, 152, 166]:

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

. (9)

Конечная влажность кубика (W) в % при испарительном самозамораживании определяется формулой:

. (10)

Сушка под действием СВЧ и УЗИ энергий в фильтрационном потоке газа

Текущая влажность кубиков рассчитывается по формуле [69]:

, (11)

где - влажность на границе .

При этом убыль плотности составит:

. (12)

Сушильную колонну условно делим на две зоны (рисунок 5):

- зона высотой Н1 (1-я зона), где происходит сублимация влаги в продукте под действием СВЧ и УЗИ энергий и нагретого сушильного агента;

- зона высотой Н2 (2-я зона), где происходит удаление остаточной влаги из продукта за счет действия УЗИ поля и нагретого сушильного агента.

Рисунок 5 - Схема расчета сушильной камеры

Предполагается, что задача является одномерной, а из условий симметрии принимаем , для квазистационарного режима, когда скорость перемещения продукта не значительная принимаем.

В 1-ой зоне функция подвода энергии, строго говоря, является не постоянной , но так как происходит фазовый переход, то принимаем . Уравнение теплопроводности для 1-ой зоны запишем [47]:

, (13)

Решение уравнения (13) имеет вид:

, (14)

где ; .

Во 2-ой зоне функцию подвода энергии принимаем постоянной . Запишем уравнение для 2-ой зоны [99]:

(15)

окончательно

(16)

где ; .

Адекватность математической модели проверена, путем сравнения графически построенных убыли влажности, полученных расчетным и экспериментальным способом. Расхождение не превышает 6 %.

Разработаны принципиальная схема и формализованное представление энергоемкости непрерывного процесса сублимационной сушки с предварительным измельчением и сортировкой фруктов и овощей в едином вакуумном цикле на установках непрерывного действия.

Математическое описание и аналитическое решение задачи расчета энергоемкости для установок непрерывного действия с комбинированным энергоподводом может быть использовано для их сравнения и расчета экономической эффективности.

Таблица 1 - Формализованное изображение процесса работы сушилки

qij1	qij2	qij3	qi	qij	q1я	q2х	q3у
Овощи / фрукты (целые) q1	q11	Параллельно всему процессу
Подвод	Питание	Насос	Резка q2	q21
Вакуумная система	Система холода	Система управления
Подвод	Питание	Резательная машина
Подвод	Питание	Насос	Самозамораживание при сортировке q3	q31
Подвод	Питание	Сортировка	q32
Вакуум-насос	Компрессор	Шкаф управления
Подвод	Питание	СВЧ	Сушка q4	q41
Подвод	Питание	УЗИ	q42
Подвод	Питание	Термостат	q43	Питание	Питание	Питание
Подвод	Питание	Затвор	Выгрузка q5	q51
Овощи / фрукты  (кубики сублимированные) q6	q61	Подвод	Подвод	Подвод

В четвертой главе изложены методики проведения экспериментов исследуемого способа сушки и определения качественных показателей сушеных кубиками фруктов и овощей.

Экспериментальные исследования способа сушки проводили на установке УСС–НД-КЭ–И–01 (рисунок 6).

Описание установки. Установка состоит из сушильной камеры цилиндрической формы с источниками СВЧ и УЗИ полей. В верхней части сушильной камеры расположена резательная машина (25) для измельчения фруктов и овощей и сортировка барабанного типа (22). В камере имеется собственный десублиматор (1), а также через шиберный затвор к установке подключен вакуумный насос (14). В нижней части через вакуумный затвор (11) сушильная камера соединена с выгрузным шнеком (15). Плоды подаются в резательную машину и измельчаются. Режим подачи плодов контролируется и управляется субблоком управления системы измельчения (СУСИ). Кубики плодов в процессе сортировки охлаждаются и замерзают за счет интенсивного испарения влаги в вакууме. Далее самозамороженные кусочки с подсохшим верхним слоем летят вниз – в сушильную камеру. Агент сушки (инертный газ, воздух) на стадии удаления остаточной влаги подается в нижнюю часть сушильной камеры из баллона через термостат (13). Расход газа регулируется натекателем по сигналам субблока управления вакуумным агрегатом (СУАВ).

Рисунок 6 - Принципиальная схема установки сублимационной сушки мелкокусковых растительных материалов типа УСС-НД-КЭ-И непрерывного действия с комбинированным энергоподводом: 1 - охлаждаемый элемент десублиматора; 2 - окно для выгрузки льда; 3 - дека для съема льда с конвейера; 4 - конвейер карусельного типа для перемещения льда; 5 - ролик; 6,11,24 - вакуумные затворы; 7 - УЗ излучатель; 8 - напуск агента сушки; 9 - бункер плавитель льда; 10 - привод шнека и конвейера; 12 - насос подачи агента сушки; 13 - термостат; 14 -вакуумный насос; 15 - шнек выгрузки готового продукта; 16 - ременная передача; 17 - датчик давления и температуры; 18 - собирающая воронка; 19 - редуктор конический; 20 - привод сортировки; 21 - лоток обрезей; 22 - сортировка барабанная; 23 - лоток загрузочный; 25 -резательная машина

Объект сушки. В качестве объектов сушки были взяты картофель и яблоки, которыми заполнялась сушильная камера.

Работа установки. В условиях установившегося вакуума в камере включаются конденсаторы (десублиматоры), подаются плоды, измельчаются в резательном устройстве и падают в сортировку, где происходит сортирование вороха по заданному размеру для равномерной сушки материала. При этом происходит процесс испарительного самозамораживания под давлением ниже 100 Па при температуре десублиматоров -35°С. Эти условия позволяют кусочкам во время сортировки и полета в сушильную камеру замерзнуть и одновременно образовать сухую корочку, предотвращающую кусочки от слипания.

Одновременно через натекатель производится подача агента сушки, нагретого до температуры от +20 до +40°С. Количество подаваемого воздуха регулирует СУАВ, так чтобы давление в верхней части камеры не поднималось выше 100 Па. На практике СУАВ контролировал параметры на уровне (0), где давление колебалось в пределах 1200±10 Па, на уровне (300) в пределах 500±10 Па и на уровне (600) – 30±5 Па. При достижении продуктом в камере сушки уровня (500) включается СВЧ, на уровне (0) включается УЗИ, и при заполнении сушильной камеры продуктом до отметки (600 - верхний уровень) в нижней части установки вводится в действие шнек электроприводом и начинается выгрузка сублимированного продукта. Происходит непрерывный процесс сушки в СВЧ и УЗИ - полях и принудительном потоке газа. Уровень сушимого криоматериала в сушильной колонне поддерживается системой управления на уровне (600).

Результаты сушки кусочков яблок и картофеля представлены в таблицах 2 и 3 и отображены (по средним значениям влажности) на рисунках 7 и 8.

Таким образом, результаты экспериментов показали, что при использовании операции сортировки влажность в верхних слоях продукта была ниже в среднем на 8 %, это позволяет увеличить скорость сушки и повысить качество готового продукта.

Таблица 2 - Параметры кинетики процесса сушки кусочков картофеля без сортировки при температуре напускаемого газа 40°С

Высота Н, мм	600	500	400	300	200	100	0
W, %	1 опыт	76,1	64,8	48,1	28,1	16,1	12,0	8,1
2 опыт	76,0	65,1	48,0	28,2	16,0	12,0	8,1
3 опыт	76,0	64,9	47,9	27,8	15,9	11,9	8,2
среднее	76,0	64,9	48,0	28,0	16,1	12,0	8,1
Т, °С	-33±0,1	-24±1	-21±2	12±3	29±2	34±1	40±0,1
Р, Па	30±5	100±5	290±10	500±10	750±10	980±10	1200±10

1250 1000 750 500 250 0

Рисунок 7 - Кривые процесса сушки кусочков картофеля без сортировки

Таблица 3 - Параметры кинетики процесса сушки кусочков картофеля с сортировкой при температуре напускаемого газа 40°С

Высота Н, мм	600	500	400	300	200	100	0
W, %	1 опыт	75,8	59,4	43,4	25,8	14,7	11,0	8,1
2 опыт	75,9	59,4	43,3	25,8	14,6	11,0	8,0
3 опыт	75,9	59,6	43,3	25,7	14,5	11,1	8,0
среднее	75,9	59,5	43,3	25,8	14,6	11,0	8,0
Т, °С	-33±0,1	-24±1	-21±2	10±3	25±2	34±1	40±0,1
Р, Па	30±5	97±5	280±10	500±10	735±10	950±10	1200±10

1250 1000 750 500 250 0

Рисунок 8 - Кривые процесса сушки кусочков картофеля с сортировкой

Для сравнения экспериментальных данных с математической моделью выведена аппроксимированная модель влажности W на установках типа УCC-НД-КЭ-И-01, имеющая вид:

,

(17)

,

где .

Графическое изображение сравнения убыли влажности по высоте сушильной колонны представлено на рисунках 9 и 10. Расхождения между значениями влажности, полученными экспериментальным и рассчитанным способами не превышают 6 %.

Рисунок 9 - Кривые убыли влажности по Рисунок 10 - Кривые убыли влажности

высоте сушильной колонны для яблок высоте сушильной колонны для картофеля

Анализ результатов экспериментов показал, что в процессе сублимационного обезвоживания с использованием комбинированного энергоподвода (СВЧ и УЗИ – энергий и принудительного потока газа) позволяет снизить энергоемкость процесса и сохранить пищевую ценность продукта (сохранность витамина С до 90…94 %).

В пятой главе приведена технико-экономическая оценка усовершенствованной установки непрерывной сублимационной сушки фруктов и овощей. В таблице 4 показаны технические характеристики установки непрерывного действия с усовершенствованным процессом сушки УСС-НД-КЭ-И-02 и установки периодического действия Иней-17.

Таблица 4 - Сравнительные характеристики сублимационных установок

Характеристика установки	Сублимационная установка
Иней -17	УСС-НД-КЭ-И-02
Время сушки (среднее), ч Удельный расход энергии по удаляемой влаге (энергоемкость), кВт · ч/кг Остаточная влажность, % Объем производства в год на одной установке, кг Срок окупаемости капитальных затрат, год Годовой экономический эффект, руб.	20…30 4,5 8,5 6000 - -	2,0…2,5 1,0 8,0…8,5 24000 2,34 12

Анализ табличных результатов показывает, что использование сублимационной установки с комбинированным энергоподводом непрерывного действия для получения сушеных мелкокусковых плодоовощных продуктов энергоэкономичнее в 4,5 раза, чем применение кондуктивной сублимационной сушилки периодического действия. Годовой экономический эффект после внедрения разрабатываемой установки в производство превысит 12 руб. при сроке окупаемости капительных затрат 2,34 года.

ВЫВОДЫ

1. Обзор литературы позволил установить, что выпуск высококачественной сушеной плодоовощной продукции быстрого приготовления, имеющей длительные сроки хранения и удобной в использовании, сдерживается из-за отсутствия современных высокопроизводительных энергосберегающих технологий сушки и оборудования. Высшая категория качества готового продукта, сохраняемость биологически активных веществ, витаминов и органолептических свойств, значительный уровень энергосбережений, может обеспечить применение сублимационной сушки в вакууме на установках непрерывного действия.

2. Исследованы условия проведения технологических операций измельчения и сортировки в вакууме при самозамораживании (Р = 10…30 Па, Т1 = -16…-30°С) и показана возможность их совмещения с сублимационной сушкой фруктов и овощей с применением СВЧ - и УЗИ - полей в принудительном потоке газа (NСВЧ = 5 кВт, ƒСВЧ = 2450 МГц, NУЗИ = 4 кВт, ƒУЗИ =182 кГц, tг=20oC).

3. Представлены математические модели процессов скорозамораживания при сортировке и сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, определяющие режимы процесса применительно к установкам непрерывного действия. Разработано формализованное представление энергоемкости и математическая модель расчета энергоемкости технологии сублимационной сушки мелкокусковых растительных материалов на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом.

4. В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями кинетики процессов скорозамораживания и сублимационной сушки, для обеспечения высококачественных мелкокусковых продуктов получены рациональные режимы проведения процесса:

·  измельчение и сортировка продукта в вакууме при самозамораживании (V = 7х7х7, 13х13х13 мм3, Р = 10…30 Па, Т = -35…-30 0С);

·  сублимационная сушка мелкокускового продукта в полях СВЧ энергии (NСВЧ = 5 кВт, ƒСВЧ = 2450 МГц) и УЗИ (IУЗ=130 Дб, NУЗИ = 10 Вт, ƒУЗИ = 182 кГц) при принудительном и направленном фильтрационном потоке газа (tг=20...40oC).

5. Разработан и изготовлен опытный образец установки непрерывного действия для сублимационной сушки измельченных фруктов и овощей с производительностью по испаряемой влаге 10 кг/ч (УСС-НД-КЭ-И-02), снабженный системой управления, позволяющий реализовать технологию получения сушеных (влажностью 8,0…8,5 %) мелкокусковых продуктов с содержанием витаминов близких к исходному продукту (не менее 94 %).

6. Обоснована технико-экономическая эффективность применения установок типа УСС-НД-КЭ-И для сушки мелкокусковых фруктов и овощей. При объеме сушки 24000 кг в год измельченного плодоовощного сырья годовой экономический эффект составит 12 руб., срок окупаемости капитальных затрат 2,34 года.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

1.  Обозначения:

П0, - пористость слоя криокубиков;

, ,  - теплоемкости соответственно воды, сухого вещества кубика и льда, Дж/(кг 0С);

, , - плотности соответственно влаги, сухого вещества кубика и льда, кг/м3;

r,  - удельные теплоты соответственно испарения и сублимации, Дж/кг;

- удельная теплота замерзания воды, Дж/кг;

- функция подвода энергии, Дж;

и  - радиусы соответственно фронта испарения при температуре начала замораживания (криоскопическая температура) и фронта испарения в момент, когда вся влага заморожена, м;

В - сторона кубика, м;

 - снижение температуры от начального значения до температуры замерзания, 0С;

τ - продолжительность сушки, ч;

, - соответственно температуры начальная и криоскопическая, 0С;

α = (m2+m3+m4)/m - доля испаренной влаги;

Н1 - зона сублимации льда, м;

- теплопроводность, Вт/(м·ºС);

q – энергоемкость подвода и преобразования энергии к технологическому процессу;

R, Н – радиус и высота сушильной камеры, м;

 - удельная поверхность, м2/м3;

b - эмпирический параметр, кг/(м·ч·0С).

2. Индексы:

в - вода;

л - лед.

3. Сокращения:

СУАВ - субблок управления агрегатом вакуумным;

СУСН - субблок управления системой нагрева;

СУСХ - субблок управления системой обеспечения холода;

СУСИ - субблок управления системой измельчения;

УСС-НД-КЭ-И - установка сублимационной сушки непрерывного действия с комбинированным энергоподводом и измельчением;

КВЗДС - конвективно-вакуумно-звуко-диэлектрическая сушка.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ диссертации опубликованы

в следующих работах

Издания, указанные в перечне ВАК и приравненные к ним

1. Касаткин, В. В. Тепломассообмен в сублимационных сушильных установках непрерывного действия с СВЧ - и УЗИ- источниками при непрерывном потоке газа / , , // Хранение и переработка сельхозсырья№10. – С.75–77.

2. Поспелова, И. Г. Сублимационная сушка с комбинированным энергоподводом / , , // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2009.- №6. – С.30-32.

3. Патент № 000 РФ, МПК А 23 L 3/40: Установка непрерывного действия для измельчения и сублимационной сушки кускообразных материалов / , , ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия - №/13; заявл. 29.01.07;. опубл. 20.02.09., Бюл. №5. – 8 с.: ил.

Другие издания

6

4. Шумилова, И. Ш. Методы оценки эффективности мер по энергосбережению / , , // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т. II. – С. 591 – 594.

5. Шумилова, И. Ш. Энергетика технологического процесса / , , // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т. II. – С. 594 – 597.

6. Шумилова, И. Ш. Использование диаграмм при расчете технологических параметров сушки / , , // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т. II. – С. 598 – 601.

7. Арсланов, Ф. Р. К вопросу о сохранении витаминов в перерабатываемой плодоовощной продукции при сублимировании / , // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – Т. II. – С. 508 –512.

8. Касаткин, В. В. Новые методы исследований электротехнологических процессов при переработке сельскохозяйственной продукции / , , // Актуальные проблемы механизации сельского хозяйства: материалы юбилейной научно-практической конференции «Высшему агроинженерному образованию в Удмуртии – 50 лет». – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005 – С. 240 – 246.

9. Касаткин, В. В. Теория адекватного питания / , , // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. – Ижевск : 2005. № 3 (6). – С. 17–19.

10. Касаткин, В. В. Развитие и применение сублимационной сушки в переработке сельскохозяйственной продукции / , // Высшему аграрному образованию в Удмуртской Республике 50 лет. Итоги и перспективы: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : РИО ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005. – С. 138 – 141.

11. Арсланов, Ф. Р. Способы охлаждения пищевых продуктов / , , // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006 – Т. III. - С. 22 – 26.

12. Арсланов, Ф. Р. Сортирование резаного картофеля в разряженной среде / , , // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006 – Т. III. - С. 26 – 29.

13. Касаткин, В. В. Как сохранить урожай круглый год / , , // Картофель и овощи. – 2007. - №8 – С.16.

14. Касаткин, В. В. Восстановление сублимированных продуктов / , // Научный потенциал – аграрному производству: материалы всероссийской научно-практической конференции. – Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2008 – Т. IV. - С. 186 – 188.

Подписано в печать 25.09.09 г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х841/16.

Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 000

Изд-во ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА 1