АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА СУШКИ СЫРЬЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Представлены результаты комплекса экспериментально-аналитических исследований по кинетике сушки при переработке сырья растительного происхождения. В качестве экспериментальных образцов были использованы плодоовощные продукты: морковь (сорт «Витаминная»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); яблоко (сорт «Антоновка»). Использовалась экспериментальная сушильная установка, разработанная на базе сушильного аппарата Ezidri Snackmaker FD500. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки, были приняты температура теплоносителя и характерный размер (длина стороны кубика) продукта. Проанализировано влияние основных факторов на эффективность процесса с целью рациональной эксплуатации сушильной техники для сушки сырья растительного происхождения. Определены численные значения эффективности процесса сушки для исследуемых продуктов. Получены аппроксимирующие зависимости эффективности сушки от влияющих факторов. Результаты исследований необходимы для налаживания современных производств по переработке сырья растительного происхождения и выпуска полноценных полуфабрикатов и конечной продукции с улучшенными потребительскими свойствами.

Ключевые слова:
сушильная техника, процессы и аппараты пищевых производств, распылительная сушка, переработка плодоовощного сырья
Текст
Введение Анализ современного состояния и перспектив развития производств кусковых и порошковых форм сухих плодоовощных продуктов доказал высокую рентабельность налаживания их выпуска. Актуальной научно-технической задачей в настоящее время являются рационализация и интенсификация процесса сушки плодоовощных продуктов и полуфабрикатов для эффективной переработки сырья на предприятиях малой и средней мощности. С целью рациональной эксплуатации сушильной техники для сушки сырья растительного происхождения нами был проведен комплекс экспериментально-аналитических исследований кинетики сушки и проанализировано влияние основных факторов на эффективность процесса. Планирование экспериментальных исследований В качестве экспериментальных образцов при изучении кинетики конвективной сушки продуктов растительного происхождения были использованы плодоовощные продукты: морковь (сорт «Витаминная»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); яблоко (сорт «Антоновка»). Использовалась экспериментальная сушильная установка, разработанная на базе сушильного аппарата Ezidri Snackmaker FD500. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки, были приняты температура теплоносителя Tс.а, К, и характерный размер (длина стороны кубика) продукта h, мм (табл. 1). Таблица 1 Факторы и уровни их варьирования Фактор Уровень Tс.а, К h, мм 1 343 3,0 2 353 4,5 3 363 6,0 Границы варьирования факторов (табл. 1) установлены с учетом технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки. Скорость потока теплоносителя w, м/с, для фиксированных значений h устанавливалась на основании расчетов из условия существования псевдоожиженного слоя при порозности ε = 0,75. Остальные факторы приняты постоянными и установлены в результате расчетов и серии предварительных постановочных экспериментов. В качестве целевой функции целесообразно выбрать эффективность процесса, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3·мин) [1]: (1) где mсух. прод - масса сухого продукта, кг, при конечной влажности Wк, кг/кг; Vсуш.камеры - рабочий объем сушильной камеры, м3; τс - экспериментальное время сушки, соответствующее достижению конечной влажности продукта Wк, мин. Конечная влажность Wк устанавливается в ходе дополнительно исследования гигроскопических характеристик объекта сушки, и для сырья растительного происхождения в среднем можно принять Wк = 0,05 кг/кг [2]. С учетом начальной Wн и конечной влажности Wк, кг/кг, где m нач. прод - начальная масса высушиваемого продукта, кг. При сушке в псевдоожиженном слое рабочий объем сушильной камеры с учетом порозности ε можно определить аналитически: , где Vнач. прод - начальный объем высушиваемого продукта, м3; ρнач. прод - начальная плотность высушиваемого продукта, м3/кг; ε - порозность. Порозность псевдоожиженного слоя для выполнения инженерных расчетов с достаточной точностью можно принять ε = 0,75 [3, 4]. После преобразований зависимость (1) принимает вид (2) где Сн - начальная концентрация сухих веществ в продукте, кг/кг; Ск - конечная концентрация сухих веществ в продукте, кг/кг. Результаты экспериментов В табл. 2 представлены численные значения эффективности процесса сушки для исследуемых продуктов, определенные по формуле (2). Таблица 2 Значения эффективности процесса сушки П, кг/(м3·мин) Tс.а, К h, мм Кубики из моркови (сорт «Витаминная») Кубики из яблока (сорт «Антоновка») Кубики из тыквы (сорт «Волжская серая 92») 343 3 1,397008 0,530663 0,456172 4,5 1,158494 0,409053 0,383599 6 1,010601 0,363602 0,337567 353 3 1,696366 0,560986 0,544463 4,5 1,397008 0,478891 0,468843 6 1,187456 0,409053 0,401866 363 3 2,159012 0,727205 0,675134 4,5 1,759195 0,613579 0,562612 6 1,397008 0,478891 0,456172 На основе данных табл. 2 получены аппроксимирующие зависимости эффективности сушки от влияющих факторов: (3) где aП, bП, cП, dП, eП, fП, gП, kП, lП - эмпирические коэффициенты (табл. 3). Таблица 3 Значения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей эффективности сушки Продукт Коэффициент Кубики из моркови (сорт «Витаминная») Кубики из яблока (сорт «Антоновка») Кубики из тыквы (сорт «Волжская серая 92») aП -57,071777777778 33,981111111111 17,042888888889 bП 0,295995 -0,491674333333 -0,240673 cП 0,000442094 0,001848666 0,000780532 dП 39704,0453333334 -25070,8857777779 -12259,6393333334 eП -209,934672666668 355,489918 170,288711 fП -0,265833884 -1,310712698 -0,539182072 gП -6883885,93755558 4618398,84800003 2205868,44933335 kП 36873,8139710003 -64296,0827466669 -30186,6497713335 fП 41,315425086999 233,08314538 93,791452935 Оценка достоверности аппроксимации R2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,95. Увеличение показателя степени параметров в полиноме не влияло на величину R2. Выбор рациональных режимов По уравнению (3) с помощью опции «maximize» в среде Mathcad Professional были определены рациональные значения варьируемых параметров и максимум искомой (целевой) функции П (табл. 4). Таблица 4 Рациональные значения варьируемых параметров и максимум целевой функции Продукт Параметр Кубики из моркови (сорт «Витаминная») Кубики из яблока (сорт «Антоновка») Кубики из тыквы (сорт «Волжская серая 92») П, кг/(м3·мин) 2,159012 0,727205 0,675134 h, мм 3 3 3 Tс.а, К 363 363 363 Рекомендованные рациональные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок для сушки сырья растительного происхождения. Заключение В ходе исследований эффективности процесса сушки были получены рациональные значения варьируемых параметров для эксплуатации сушильной техники при обезвоживании сырья растительного происхождения. Определены численные значения эффективности процесса сушки для исследуемых продуктов. Получены аппроксимирующие зависимости эффективности сушки от влияющих факторов. Полученные функциональные зависимости целесообразно использовать для расчета рациональных параметров процесса сушки при проектировании и эксплуатации сушильной техники для обезвоживания сырья растительного происхождения. Рекомендованные рациональные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок и управлять режимами. Обобщение результатов позволяет продолжить и развить экспериментальные исследования с целью определения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей для других перерабатываемых продуктов. Результаты исследований необходимы для налаживания современных производств по переработке сырья растительного происхождения и выпуска полноценных полуфабрикатов и конечной продукции с улучшенными потребительскими свойствами.
Список литературы

1. Алексанян И. Ю. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка. Теория. Практика. Моделирование / И. Ю. Алексанян, А. А. Буйнов: моногр. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. 380 с.

2. Максименко Ю. А. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии плодоовощных продуктов с водой / Ю. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2012. № 1 (53). С. 41-45.

3. Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов / А. С. Гинзбург. М.: Пищ. пром-сть, 1975. 527 с.

4. Лыков А. В. Теория сушки / А. В. Лыков. М.: Энергия, 1968. 471 с.