РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ КОНВЕКТИВНО-РАДИАЦИОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Цель исследований - рационализация сушильного процесса на основе экономически целесообразных режимов сушки для обеспечения наибольшей производительности при минимальной потере качества продукции. Доказано, что эффективное обезвоживание исследуемых продуктов (пюре из тыквы (сорт «Волжская серая 92» и водные экстракты алтея и имбиря) с начальной температурой продукта 298 К при радиационно-конвективной распылительной сушке возможно для следующих диапазонов режимных параметров: плотность теплового потока - 2,8-3,6 кВт/м2; исходная температура сушильного агента - 423-493 К; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги - не менее 20 кг/кг; размер частиц распыленного экстракта - 20-30 мкм. Установленные режимные параметры позволяют организовать эффективное обезвоживание плодоовощных пюре и растительных экстрактов в распыленном состоянии. Разработанные режимы протестированы и рекомендованы для практического внедрения на предприятиях различной мощности, специализирующихся на переработке сырья растительного происхождения.

Ключевые слова:
тепломассообменные процессы, радиационно-конвективная распылительная сушка, сырье растительного происхождения, сушильный агент, режимы сушки
Текст
Введение В современных условиях развития агропромышленного комплекса России интерес представляют нетрадиционные технологии переработки сырья растительного происхождения, производство концентратов, сухих пищевых и кормовых кусковых, порошковых и гранулированных продуктов. Продукты промышленной переработки плодов, овощей, ягод, лекарственных растений и трав активно используются при производстве пищевых продуктов массового потребления. Применение сухих порошковых форм длительного хранения экономически оправдано и технологически рационально [1, 2]. Совершенствованию энергоемкой операции сушки уделяется значительное внимание, т. к. именно обезвоживание в большей степени определяет стоимость готового продукта и, кроме того, оказывает влияние на качественные показатели товарной продукции [1, 2]. С учетом вышесказанного нами было проведено комплексное исследование конвективно-радиационной распылительной сушки растительных материалов на разработанной экспериментальной установке. Задачей исследования являлась рационализация сушильного процесса с точки зрения организации экономически целесообразных режимов сушки для обеспечения наибольшей производительности при минимальной потере качества продукции. Объекты и методы исследований В ходе комплекса экспериментов на экспериментальной установке были получены кривые распылительной сушки для исследуемых материалов и дана оценка влиянию на целевую функцию (эффективность сушки) изменения основных факторов, согласно методике, подробно описанной в [3-5]. В качестве экспериментальных образцов были использованы: - пюре из тыквы (сорт «Волжская серая 92»); процесс приготовления включал в себя стадии дробления, протирки и гомогенизации; начальная влажность перед сушкой составляла Wн = 0,92 кг/кг; - водные экстракты алтея и имбиря, полученные по традиционной технологии, включающей следующие стадии: измельчение сырья, подготовка экстрагента (очищенная вода); получение первичной вытяжки; отстаивание; фильтрация; вакуум-выпаривание; начальная влажность экстрактов перед сушкой составляла Wн = 0,95 кг/кг. В качестве целевой функции при рационализации, с учетом рекомендаций [3-5], была выбрана эффективность сушки, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3·ч): где GWк - производительность установки по сухому продукту - порошку, кг/ч; V - рабочий объем сушильной камеры, м3. , где GWн - производительность установки по исходному продукту, кг/ч; Wк - конечная влажность, достигаемая при сушке, кг/кг. Конечная влажность для всех материалов принята Wк = 0,05 кг/кг на основании предварительных исследований гигроскопических характеристик [6, 7]. При непрерывном установившемся процессе распылительной сушки длина пробега высушиваемых капель (частиц), а значит, и общая продолжительность процесса определяются объемом сушильной камеры. Таким образом, фактически рабочий объем сушильной камеры является функцией времени сушки τс. Зависимость рабочего объема сушильной камеры в экспериментальной установке от времени сушки τс для начального размера распыленных частиц 20-30 мкм была установлена экспериментально. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки при проведении экспериментальных исследований, были приняты: температура сушильного агента Tс.а, К, и плотность теплового потока Ер, кВт/м2. Границы варьирования факторов установлены с учетом технологических ограничений и возможностей технической реализации экспериментального процесса сушки. Остальные факторы, в том числе начальная температура продукта 298 К, приняты постоянными и установлены в результате аналитических расчетов и серии предварительных постановочных экспериментов. Текущая влажность образцов W, кг/кг, в ходе процесса для построения кривых сушки определялась по методу высушивания отобранных проб до постоянной массы в соответствии с ГОСТ 28561-90. Относительная ошибка при определении W не превышала εW = 7,3 %. По кривым сушки для различного сочетания значений влияющих факторов было определено экспериментальное время сушки τс исследуемых продуктов до принятой конечной влажности Wк. Результаты исследований В ходе исследований были получены следующие результаты. 1. Установлена зависимость целевой функции от факторов: где aw, bw, cw, dw, ew, fw, gw, hw, kw - эмпирические коэффициенты. Достоверность аппроксимации R2 составляла не менее 0,95. Размерность эмпирических коэффициентов равна отношению размерности функции к размерности аргумента (или произведения аргументов). 2. Построены поля значений удельной производительности (рис. - на примере пюре из тыквы). Поле значений удельной производительности при сушке пюре из тыквы 3. Определены рациональные значения варьируемых параметров и максимум целевой функции П (табл.). Рациональные значения варьируемых параметров и максимум П, кг/(м3·ч) Параметр Продукт П, кг/(м3·ч) Тс.а, К Ер, кВт/м2 Пюре из тыквы 0,722-1,140 423-473 2,8-3,6 Водный экстракт алтея 0,484-0,752 443-493 2,8-3,6 Водный экстракт имбиря 0,484-0,752 433-483 2,8-3,6 В ходе исследований доказано, что эффективное обезвоживание пюре из тыквы с Wн = 0,92 кг/кг и водных экстрактов алтея и имбиря с Wн = 0,95 кг/кг при начальной температурой продукта 298 К при радиационно-конвективной распылительной сушке с удельной производительностью по сухому порошку П до принятой Wк возможно для следующих диапазонов варьирования режимных параметров (табл.): плотность теплового потока Ер = 2,8-3,6 кВт/м2; исходная температура сушильного агента Тс.а = 423-493 К; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги Qс.а ≥ 20 кг/кг; размер частиц распыленного экстракта 20-30 мкм. Анализ характера полей значений удельной производительности (рис., табл.) показал, что с ростом плотности теплового потока и температуры сушильного агента существенно интенсифицируются тепломассообменные процессы, что определяет рост функции при сокращении времени сушки. Тестирование установленных режимных параметров для исследуемых продуктов и комплекс дополнительных исследований влияния варьируемых факторов на производительность сушилки проведены на установке распылительной сушки Ohkawara Kakohki OL/OC-L8. При проведении экспериментальных работ оборудование работало стабильно, получены опытные образцы для последующих исследований. Выводы В ходе исследований установлено, что определенные режимные параметры позволяют организовать эффективное обезвоживание плодоовощных пюре и растительных экстрактов в распыленном состоянии. Следует отметить, что достигаемые значения эффективности установок по сухим порошкам сопоставимы с удельной производительностью промышленных сушилок, следовательно, при соблюдении условий масштабного перехода и при уточнении параметров в ходе пусконаладочных работ, разработанные режимы можно рекомендовать для практического внедрения на предприятиях различной мощности, специализирующихся на переработке сырья растительного происхождения. Рекомендованные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок после их модернизации, в частности РС-10Ф, РС-20 и т. д.
Список литературы

1. Алексанян И. Ю. Распылительная сушка растительных экстрактов. Теория. Практика. Моделирование / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, О. А. Петровичев: моногр. Germany, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing GmbH&Co.KG, 2011. 162 c.

2. Максименко Ю. А. Моделирование и совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии / Ю. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 2. С. 19-24.

3. Максименко Ю. А. Анализ влияния основных факторов на эффективность процесса сушки сырья растительного происхождения / Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова, Э. Р. Теличкина // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2014. № 2 (58). С. 97-101.

4. Губа О. Е. Исследование кинетики распылительной сушки меланжа с учетом влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена / О. Е. Губа, Ю. А. Максименко // Естественные и технические науки. М., 2014. № 7 (75). С. 72-74.

5. Алексанян И. Ю. Совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. Воронеж, 2014. № 3. С. 48-53.

6. 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.

7. Максименко Ю. А. Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия пектина и воды / Ю. А. Максименко, О. А. Петровичев, Р. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2007. № 2 (37). С. 185-188.