Совершенствование технологии сушки плодов боярышника в барабанной сушилке с лопастным перемешивающим устройством тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Лазин Павел Сергеевич

• Лазин Павел Сергеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Лазин Павел Сергеевич

Введение

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ СУШКИ ПЛОДОВ

1.1 Комплексный анализ плодов как объект исследования

1.2 Способы консервирования плодов с использованием сушки

1.3 Краткий анализ исследований, обзор современных технологий и техники сушки растительного сырья

1.4 Анализ использования машин барабанного типа в различных отраслях

промышленности

1.4.1 Использование и влияние перемешивания на процессы тепломассопереноса и смешивания

1.5 Конструктивно-технологическая схема предлагаемой сушилки

1.6 Выводы по главе

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ

2.1 Исследование механики перемещения сыпучих продуктов в барабанной сушилке с лопастным перемешивающим устройством

2.1.1 Конструкционные особенности разрабатываемой барабанной сушилки

2.1.2 Описание процесса движения продукта внутри барабана сушилки

2.1.3 Движение продукта с углом наклона барабана в сторону перемещения продукта

2.2 Анализ основных закономерностей при сушке сыпучих продуктов в плотном пересыпающемся слое

2.3 Материальная и тепловая модель процесса сушки

2.4 Выводы по главе

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Цель, программа и задачи экспериментальных исследований

3.2 Условия проведения экспериментальных исследований

3.3 Принцип работы разрабатываемой барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством

3.4 Методика определения эффективности сушки плодов в шкафных сушилках

3.5 Методика исследований физико-механических свойств плодов боярышника

3.5.1 Методика определения влагосодержания продукта

3.5.2 Методика определения плотности исходного сырья

3.5.3 Исследование влагосодержания, диаметра, массы и коэффициента трения плодов боярышника в процессе сушки

3.6 Методики проведения экспериментов по изучению факторов, влияющих на изменение показателей энергоемкости процесса сушки в барабанной сушилке

3.6.1 Определение коэффициента заполнения барабана

3.6.2 Методика определения скорости подачи нагретого воздуха

3.6.3 Определение неравномерности, эффективности и качества процесса сушки с использованием перемешивающего устройства и без него

3.6.4 Методика выявления факторов, влияющих на изменение показателя энергоемкости процесса сушки

3.6.5 Постановка задачи оптимизации

3.6.6 Методика обработки результатов многофакторного эксперимента

3.7 Выводы по главе

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Результаты определения эффективности сушки плодов в шкафных сушилках

4.2 Результаты исследования влагосодержания, диаметра, массы и коэффициента трения плодов боярышника в процессе сушки

4.3 Результаты определения зависимости времени сушки от коэффициента заполнения барабана

4.4 Результаты определения наиболее оптимального режима скорости подачи нагретого воздуха

4.5 Результаты определения неравномерности, эффективности и качества процесса сушки с использованием перемешивающего устройства и

без него

4.6 Результаты экспериментальных исследований, влияющих на изменение показателя энергоемкости процесса сушки

4.7 Выводы по главе

5 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ ДЛЯ СУШКИ ПЛОДОВ БОЯРЫШНИКА

5.1 Производственная проверка результатов исследования барабанной сушилки

5.2 Обоснование экономической эффективности применения барабанной

сушилки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

152

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии сушки плодов боярышника в барабанной сушилке с лопастным перемешивающим устройством»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Значительный рост объемов производства, ярко выраженная сезонность и большие запасы свежих плодов и ягод, не способны в полной мере обеспечить удовлетворение потребностей населения высококачественной продукцией в широком ассортименте с сохранением высоких биологических свойств на протяжении всего года.

Период хранения свежих овощей, фруктов, ягод, зелени, грибов, цветов и других продуктов растительного происхождения может составлять от нескольких часов, дней или же до 3-5 месяцев [31].

Длительное хранение плодов и ягод в натуральном виде в обычных условиях невозможно из-за большого влагосодержания, в процессе хранения в плодах и ягодах происходит развитие различных плесневых грибов и патогенной микрофлоры, что приводит сырье к ферментативным, биохимическим и микробиологическим порчам [44,84].

В связи с увеличением площадей выращивания плодово-ягодного сырья и его малого срока хранения возникает необходимость качественной переработки. Одним из оптимальных и эффективных технологических процессов в пищевой промышленности с сохранением биохимического состава, полезных и питательных свойств сырья является сушка пищевого продукта, которая в значительной мере влияет на качество конечного сырья и является одной из значимых операций, определяющих не только качество готового сырья, но и технико-экономические показатели производства в целом [76].

Одним из распространенных способов сушки является естественная сушка, данному способу характерен следующий ряд недостатков, а именно: процесс сушки слишком длителен и зависит от погодных условий, продукт возможно высушить до влажности близкой к равновесной, воздействие солнечной радиации отрицательно сказывается на качестве высушенных продуктов. Наравне с естественными способами сушки, широкое применение получили искусственные способы, при помощи использования специальных сушильных аппаратов. Основным преимуществом искусственной сушки яв-

ляется ее малая продолжительность и возможность регулирования конечной влажности продукта. Сушка представляет собой достаточно сложную и энергоемкую технологическую операцию. Общая доля энергозатрат по себестоимости в сутки составляет 75-80 % [49, 59, 104]. В конечном итоге не всегда удается достичь требуемых показателей конечной продукции.

Сушка является одним из основных процессов, которая позволяет обеспечить длительную сохранность продукта и применяется почти в любом производстве. В пищевой промышленности сушильной техники отводится важная роль в решении проблемы по увеличению сроков хранения сырья и получении готовых продуктов питания.

Образование большого числа малых крестьянско-фермерских хозяйств, небольших сельскохозяйственных производственных кооперативов, мелких частных пищевых и перерабатывающих предприятий, занимающихся выращиванием и переработкой сравнительно небольших объемов производства плодов и овощей, требует разработки и применения современной и недорогой сушильной техникой, так как современные сушильные установки обладают большой мощностью, высокой стоимостью и как следствие недоступны предприятиям малых форм или вовсе являются нерентабельными. Проведенные исследования по выпускаемой в стране сушильной техники [4, 8, 9, 31, 67, 92, 106, 139 и др.] показывают, что в Российской Федерации фактически не налажен выпуск малогабаритных сушильных установок для переработки сырья растительного происхождения в условиях личных садоводческих и фермерских хозяйств.

Переход пищевой и перерабатывающей промышленности к внедрению эффективных ресурсосберегающих технологий с повышением качества и питательной ценности продуктов питания, определили необходимость разработки и реализации высокоэффективной и энергосберегающей технологии для сельскохозяйственных производителей.

Существуют различные способы сушки, такие как конвективный, контактный, лучистый (или радиационный), сушка сублимацией, токами высо-

кой частоты и др. Одним из распространенных способов в пищевой промышленности для получения сушеной продукции из различного растительного сырья по сегодняшний день является конвективный теплообмен. Нагретый воздух, топочный газ, перегретый пар и иные сушильные агенты используется в качестве теплоносителя, который имеет температуру отличную от температуры тела высушиваемого сырья, процессы тепло- и массопередачи осуществляются при их непосредственном соприкосновении. Сушильный агент осуществляет унос паров влаги.

Сушка атмосферным или нагретым воздухом является наиболее доступным и экологически безопасным способом, благодаря простоте получили наибольшее распространение в промышленности. Использование электрических способов получения тепловой энергии для технологических процессов в малогабаритном сушильном аппарате является наиболее рациональным и позволяет обеспечить экологическую чистоту. При этом из-за низкого энергетического КПД данный процесс характеризуются значительной энергоемкостью. В конвективных сушилках с электронагревом воздуха, удельный расход электроэнергии составляет 1,3-1,9 кВт-ч/кг, в терморадиационных — 1,4-2,2 кВт-ч/кг, в высокочастотных — 1,8-3,5 кВт-ч/кг [60]. В связи с постоянно растущими ценами на энергоносители использование данных сушилок на малых предприятиях не рентабельно.

Наиболее часто используемое сушильное оборудование, применяемое в сельском хозяйстве, имеет моральный и физический износ, низкую производительность, высокую металлоемкость и энергоемкость, это приводит к тому, что полученный высушенный продукт имеет не высокие органолептические показатели и низкое качество. Существующие барабанные сушильные установки практически не применяются для сушки плодов вследствие недостаточного снятия влагосодержания и повышенных трат на сушку, сушилки данного типа не отвечают современным требованиям [132].

Наличие малогабаритной сушильной установки, обеспечит переработку сельскохозяйственного сырья у его производителя, тем самым замкнуть

производственный цикл и существенно сократить потери при транспортировке и хранении сырья. За счет внедрения экологически чистых технологий на выходе будет получен продукт, обладающий высоким качеством, биологической ценностью и функциональными свойствами.

Поэтому практически важной и актуальной задачей является совершенствование технологии сушки в барабанной сушилке с лопастным перемешивающим устройством для сушки плодов, используемой в малых крестьянско-фермерских хозяйств и небольших перерабатывающих предприятиях.

Значительная часть исследований выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 21 мая 2013 г. № 426-р.).

Степень разработанности темы. Значительный вклад для развития теоретических основ тепломассообмена в процессах сушки, также совершенство технологии и технических средств внесли многочисленные работы ученых А.В. Лыкова, А.С. Гинзбурга, Б.С. Сажина, А.П. Гержоя, А.И. Завражно-ва, Ю.А. Михайлова, П.Д. Лебедева, Л.А. Минухина, С.А Нагорнова, А.А. Курочкина, А.М. Шувалова, С.Д. Птицына, А.Н. Острикова, А.Г. Чижикова,

B.И. Анискина, А.С. Гордеева, Ю.В. Родионова, Н.И. Лебедя, И.Ю. Тюрина,

C.А. Шевцова и других исследователей.

Большое значение для развития теории, расчета и конструирования машин барабанного типа, внесли такие ученые, как В.Ф. Першин, А.В. Алтухов, В.Я. Валуйский, С.Т. Антипов, И.В. Прозументор, В.Н. Меснянкин и другие.

Существует немало разнообразных конструкций и типов сушилок. Известно, что в большинстве случаев барабанные сушильные установки непрерывного действия используют для сушки дисперсного сыпучего сырья, в пищевом производстве для сушки плодов не применяются. В работе решаются задачи совершенствования технологии сушки плодов, повышения качества

высушиваемого продукта и снижения затрат энергии, путем оптимизации конструктивно-технологических параметров барабанной сушилки, а также предлагается расширение возможности применения сушильной техники на предприятиях с малой и средней мощностью, устранение недостатков свойственных традиционным барабанным установкам.

В известных трудах показано [5, 7, 9, 17, 98, 111, 136], теоретически исследованы и практически проверены условия основных форм перемещения крупнодисперсных сыпучих продуктов в гладком вращающемся цилиндре, движение продукта в барабане с положительным или отрицательным углами наклона, перемещение сыпучего продукта в горизонтальном барабане с использование различных видов насадок. Но теоретически и экспериментально не обоснован процесс тепло- и массопереноса в сушильном барабане с установленным дополнительным перемешивающим устройством внутри барабана, с углом наклона в сторону движения продукта. В связи с этим необходимо проведение дополнительных исследований по совершенствованию технологии сушки в барабанной сушилке.

Цель исследований - повышение производительности и качества процесса сушки плодов боярышника путем разработки барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством.

Задачи исследований:

- провести анализ технологий и технических средств, обосновать конструктивно-технологическую схему барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством;

- уточнить основные показатели физико-механических свойств плодов боярышника в процессе сушки;

- теоретически и экспериментально обосновать параметры и режимы работы барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством при сушке плодов боярышника;

- экспериментально исследовать влияние перемешивания плодов на процесс сушки в барабанной сушилке;

- исследовать закономерности изменения расхода энергии на процесс сушки плодов в зависимости от конструктивно-режимных параметров барабанной сушилки;

- обосновать экономическую эффективность применения барабанной сушилки.

Объект исследования - технологический процесс сушки плодов боярышника в барабанной сушилке с лопастным перемешивающим устройством.

Предмет исследования - закономерности процесса сушки плодов боярышника в барабанной сушилке с лопастным перемешивающим устройством.

Научная новизна результатов исследований:

- уточнены закономерности изменения физико-механических свойств плодов боярышника в процессе сушки;

- разработана конструктивно-технологическая схема барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством для сушки плодов боярышника;

- теоретически обоснованы конструктивно-режимные параметры работы барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследований:

- результаты теоретических исследований являются базой для совершенствования процесса сушки плодов боярышника в барабанной сушилке с лопастным перемешивающим устройством;

- содержащиеся в работе научные положения, выводы и рекомендации по интенсификации и управлению процессом сушки сыпучих пищевых продуктов позволяют оптимизировать конструктивно - технологические параметры барабанной сушилки, как на стадии проектирования, так и при доработке имеющихся в хозяйствах установок;

- уточнены данные о физико-механических свойствах растительного сырья (боярышника сглаженного) в процессе сушки;

- результаты исследований могут быть использованы научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке технологий и устройств для получения сушеных продуктов растительного происхождения, в учебных заведениях и фермерских хозяйствах;

- разработанное устройство и установленные параметры технологического процесса производства высушенных продуктов из растительного сырья, позволяют удовлетворить потребность малых КФХ и небольших сельскохозяйственных перерабатывающих предприятий дешевым оборудованием.

Методология и методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались основные положения теоретической механики, тепломассопереноса, механики сыпучих тел, методов математической статистики. При проведении экспериментальных исследований были определены оптимальные значения факторов. Расчеты и обработка полученных результатов исследований осуществлялись на ЭВМ с помощью прикладных программ Matead 14, Statistica 10.0, КОМПАС-BD V14 и Microsoft Excel 2007. Исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с действующими ГОСТами и разработанными методиками.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты исследования физико-механических свойств плодов боярышника в процессе сушки;

- конструктивно - технологическая схема барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством для сушки плодов;

- теоретические и экспериментальные исследования конструктивно -режимных параметров работы барабанной сушилки;

- технико-экономическая оценка использования предлагаемой барабанной сушилки.

Личный вклад автора. Автором проведен анализ состояния вопроса, результатом которого стала постановка целей и задач исследований. Теоретически и экспериментально обоснованы конструктивно-режимные парамет-

ры барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством. Представленные в работе научные данные получены при непосредственном личном участии автора в период с 2015 по 2019 гг в результате исследований, проведенных на базе ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ на кафедре «Технологические процессы и техносферная безопасность».

Степень достоверности и апробация работы подтверждается достаточным количеством выполненных экспериментов, использованием современных общепринятых методик, ГОСТов, приборов и оборудования, схождением результатов, полученных теоретическими и экспериментальными исследованиями, внедрением полученных результатов в производство, выступлениями с результатами исследований на международных конференциях, одобрением и публикацией материалов в ведущих журналах.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде международных и всероссийских научно-технических конференциях и выставках: Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии и технические средства для АПК» (г. Воронеж, 2016 г.); Всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России» (г. Иваново, 2017 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные достижения науки и техники АПК» (г. Кинель, 2017 г.); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь и инновации - 2017» (Республика Беларусь, г. Горки, 2017 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационная деятельность в модернизации АПК» (г. Курск, 2017 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии сельского хозяйства, пищевого производства и продовольственного машиностроения» (г. Воронеж, 2017 г.); III Научно-практической конференции, посвященной 95-летию Кубанского государственного аграрного университета «Современные аспекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции» (г. Краснодар, 2017 г.); II

Международной научно-практической конференции «Современные проблемы развития техники, экономики и общества» (г. Казань, 2017 г.); 68 - Международной научно-практической конференции, посвященной Году экологии в России «Принципы и технологии экологизации производства в сельском, лесном и рыбном хозяйстве» (г. Рязань, 2017 г.); III Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов на иностранных языках «Актуальные проблемы аграрной науки, производства и образования» (г. Воронеж, 2017 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения» (г. Брянск, 2017 г.); Всероссийском форуме научной молодежи «Богатство России» (г. Москва, 2018 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы агроинженерии в XXI веке» (Белгородский ГАУ, 2018 г.).

Реализация результатов исследований. Результаты исследований переданы в МКУ «Центр коллективного пользования г. Мичуринска-наукограда» для внедрения в технологический процесс предприятия.

Материалы настоящих исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО Мичуринского государственного аграрного университета при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Агроинженерия».

Публикации. По материалам исследований опубликовано 25 научных работ, в которых отражено основное содержание диссертационной работы, в том числе из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель. Общий объем публикаций составляет 9,64 п.л., из них лично соискателю принадлежит 4,97 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 58 иллюстраций, 13 таблиц. Список используемой литературы включает 156 источников отечественных и зарубежных авторов.

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ДЛЯ СУШКИ ПЛОДОВ

1.1 Комплексный анализ плодов как объект исследования

На современном этапе одной из главных задач народного хозяйства является целесообразное использование растительного сырья, расширение ассортимента и производства продуктов питания с более высокой биологической и пищевой ценностью, улучшения качества продукции [79, 86].

Многие плоды и ягоды, в том числе плоды боярышника, имеют одинаковую структуру, обладают комплексом полезных свойств и способствуют профилактике заболеваний, использование плодов и ягод в различных сферах человеческой деятельности, сопряжено, главным образом, с пищевыми, вкусовыми, ароматическими и лечебными свойствами [95, 113]. Также плоды и ягоды - одни из морфологических групп лекарственного растительного сырья, которые широко используется в медицине.

Одной немаловажной задачей, является круглогодичное обеспечение свежими плодами и ягодами высокого качества населения Российской Федерации. Значительное количество плодов и ягод имеют относительно малый срок хранения в свежем виде, так как разные, бактерии, плесневые и дрожжевые грибки, действие которых отрицательно сказывается на качестве сырья, в процессе чего происходит его порча [77, 85].

После уборки в плодах и ягодах, как правило, сразу возникают процессы разрушения питательных веществ, и качество сырья ухудшается. От физических процессов зависит длительность хранения плодов и ягод.

Значительным сырьевым резервом является вовлечение произрастающих в регионе плодов и ягод, в народнохозяйственный оборот местного природного сырья, все это будет способствовать наиболее полному удовлетворению потребностей населения в разнообразных продуктах высокого качества [140]. Продукты растительного происхождения, в числе которых дикорастущие плоды и ягоды, являются значимыми источниками антиоксидантов, так

как они способны производить синтез биофлавоноидов, а также других по-лифенольных соединений [49].

С ростом населения планеты наиболее актуальными становятся проблемы связанные с обеспечением потребителя высококачественным, экологически чистым, а также биологически полноценным пищевым сырьем, поэтому наиболее рационально использование местного сырья растительного происхождения при производстве пищевых продуктов общего и функционального назначения, оказывающих наибольший оздоровительный эффект людям, проживающим на соответствующей территории [49]. К такому сырью стоит отнести плоды боярышника [приложение А], которые считаются источником витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон и других питательных веществ, необходимых для нормального функционирования организма и поддержания жизнедеятельности.

1.2 Способы консервирования плодов с использованием сушки

Продукты растительного происхождения имеют важнейшее значение в жизни людей, данное сырье обогащено высоким уровнем содержания витаминов, микро- и макроэлементов, сахаров и других компонентов, обеспечивающих нормальное развитие организма. Недостаточное потребление витаминов с пищей неизбежно приводит к развитию у людей различных биохимических и физиологических проявлений [151]. Употребляемые в пищу растительные продукты, как в свежем, так и в переработанном виде при соблюдении щадящих режимов переработки, улучшают снабжение организма питательными веществами.

В настоящий период времени существует большое разнообразие способов консервирования плодов в течение года, таких как маринования, засахаривание, стерилизация, охлаждение, замораживание, соление и т.д. [112].

Однако перечисленные способы являются сложными и дорогостоящими, полученное конечное сырье не всегда благоприятно влияет на организм человека. Консервация сушкой является одним из основных и наиболее пер-

спективных методов переработки плодов, создавая неблагоприятные условия для жизнедеятельности микробов, инактивируя ферменты уничтожающие витамины, тем самым сохраняя биологически активные вещества и обеспечивая длительную сохранность продукта [3,11,12,15,28,114,121,123,127,131].

Современная сушка, должна отвечать трем основным требованиям: высокое качество продукта, низкое энергопотребление и доступная стоимость готовой продукции [30,91,92,146,147].

Сушка плодов позволит снизить влагосодержание сырья, повысить его сохранность и качество, тем самым, давая возможность, осуществить круглогодичное снабжение населения качественной высушенной продукцией, в широком ассортименте длительного хранения имеющей большое значение в питании человека [76, 84].

Сушка — это сложный технологический тепло- и массообменный нестационарный процесс переноса тепла и влаги в любой её фазе из высушиваемого продукта, который способен не только сохранять полезные свойства продукта, но и значительно их улучшить. Основным условием для длительного хранения сырья растительного происхождения и сохранения в ней активно действующих веществ является соблюдение правильной технологии сушки [48, 55, 94, 96, 97, 99].

Применение сушеных плодов и ягод длительного хранения, экономически оправдано и технологически рационально, при сушке существенно уменьшается масса сырья, что сокращает расходы на транспортировку, дополнительные траты на тару, снижается необходимость в наличии складских помещений, тем самым позволяя упростить процессы хранения. В концентрированном виде сушеные продукты содержат питательные вещества и не требуют особых условий хранения. Удаление влаги из плодов и ягод посредством сушки до влажности 8-14 % позволяет сохранять продукты длительный период времени в обычных условиях [38, 128].

Плоды и ягоды являются быстро портящимися пищевыми продуктами, с малым сроком хранения, многие из которых имеют лечебные свойства и

представлены капиллярно-пористой коллоидной средой с поверхностью сырья, покрытой влагой, которая заполняет капилляры и попадает внутрь вещества. Высокое содержание влаги в растительном сырье в среднем составляет 80-90 % массы. Содержание влаги в продукте оценивается относительным влагосодержанием. Кроме воды в составе плодов и ягод содержатся сухие вещества, содержание которых колеблется в среднем в пределах 10-20 % [24,90,100]. При хранении свежих плодов и ягод расходуются их питательные вещества, при этом снижая содержание витаминов и частично разрушая дубильные вещества, таким образом, уменьшая терпкость и устойчивость плодов и ягод к болезням. Нарушается физиологический процесс, за счет повышения активности ферментов происходят физиологические заболевания плодов, которые существенно снижают лежкость и ухудшая качество сырья.

Важнейшим показателем качества сырья является содержание как раз сухих веществ. Значительная часть сухих веществ плодов (до 90 %) представлена углеводами. К углеводам относятся сахароза, крахмал, целлюлоза, гемицеллюлоза и пектиновые вещества. В высушенном состоянии сырье преобладает в состоянии анабиоза. Такое сырье, возможно, хранить в течение длительного периода [34, 115].

В процессе сушки плодов происходит испарение значительной части воды, содержащейся в сырье [22]. Свежие плоды и ягоды после сушки уменьшаются в весе приблизительно в 4-9 раз, что напрямую зависит от содержания сухих веществ и исходного влагосодержания. Для сохранения в максимальной степени пищевых и вкусовых качеств высушиваемого сырья, необходимо удалить излишнюю влагу, содержащуюся в сырье.

В продуктах растительного происхождения, как правило, выделяют следующие формы связи: химическую, физико-химическую и физико-механическую. Во время сушки из преобладающего большинства сырьевых продуктов необходимо удалять, находящееся внутри влагосодержание, которое характеризуется физико-химической и физико-механической видами связи, особенно, адсорбционной. По результатам исследований [59, 122, 123] из-

вестно, что в процессе сушки возможно удаление и химически связанной влаги. В особенности, это характерно для сырья, содержащего органические жидкости, которые образуют с ними различные разрушающиеся при сушке комплексные соединения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лазин Павел Сергеевич, 2019 год

- - a -

8Л = J J rdydr =—Jsin^d^=a2 (2.14)

2

0 0 ^ 0

где г - радиус насадки, м.

Тогда объемную пропускную способность сушилки можно представить,

как:

Q = ^ = (3 2 кг(Я - а) + 4(Я - а№ф22нпб (2.15)

^арсоър ж

В случае применения одновального лопастного устройства внутри барабана из пропускной способности Q необходимо вычесть производительность лопастной одновальной мешалки Q2, так как она осуществляет вращение в противоположную сторону по отношению к барабану. Согласно источнику [41], Q2 принимаем равным:

02 = 60 п„ (2.16)

где - число валов, шт;

О - внешний диаметр лопастей, м;

Н - шаг лопастей, м;

у - масса продукта, кг/ м3;

цу - коэффициент заполнения, равный 0,25;

Пм - среднее число оборотов мешалки, об/мин;

Т - длительность процесса сушки, мин.

Подставляя значения 0 и 02, определим пропускную способность барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством 0Л:

^ ^ ^ 32 крг (Я - а) 4,„ ч ч 2 тЬ.лО2 Нпу

0Л = 0 - 02 = (-^-¿ + - (Я - а^д>)а21нпб - 60 в ы Пм (2.17)

щарсоъу ж Т

Анализируя приведенные уравнения (2.1 - 2.17) можно сделать вывод, что скорость сушки, можно интенсифицировать путем увеличения скорости движения агента сушки, но параллельно с сокращением скорости сушки, вызванным изменением скорости подачи нагретого воздуха уменьшится съем количества влаги за один прогон сушки, что в конечном итоге приведет не к сокращению времени для достижения конечного результата, а наоборот, к его увеличению. Что вызывает необходимость в поиске и использовании коэффициентов, влияющих на перемешивание для интенсификации процесса сушки.

2.2 Анализ основных закономерностей при сушке сыпучих продуктов в

плотном пересыпающемся слое

Процессу сушки сыпучих продуктов в условиях плотного пересыпающегося слоя посвящено достаточно большое количество исследований [14, 39, 53, 56, 69, 102, 105].

Анализируя указанные выше работы можно выделить, что существует, по крайней мере, два подхода к изучению процесса сушки сыпучего продукта в подвижном дисперсионном слое.

Первый подход основывается на том, что частицы высушиваемого продукта принимаются малыми в сравнении с объемом всего продукта, следовательно, градиентом потенциалов переноса пренебрегают, а сам слой сыпучего продукта рассматривается как сплошная среда.

Второй подход подразумевает исследование универсальных моделей массо- и теплопереноса и как следствие формулировку и решение задачи для неподвижного слоя с учетом распределения потенциалов каждой частицы.

Таким образом, на основании исследований, приведенных в [13, 23, 32, 47, 52, 66, 97, 105] представляется возможным составление упрощенной системы связанного переноса на основании уравнений теплопередачи и конвективной диффузии.

В работах [91, 92] А.В. Лыкова, была предложена универсальная система связанного переноса в подвижном слое сыпучего продукта:

dt / v^ aF < \ r (du < „

— + w(t)vt + -Jt - tc)-- — + w[t)vu i = 0

дт c /(1 -p) c \дт )

dt+t -1 )=0

дт c с/с (1 - P)

— + wT)Vt - div(amVu) = 0 дт

d/l + v(t)V/1 - qmf = 0 (2.18)

дт р

где т - время, с;

r - координата вдоль радиуса частицы продукта, м;

w - скорость движения продукта в аппарате, м/с;

v - скорость сушильного агента на входе в сыпучую массу, м/с;

tc - температура сушильного агента, °C;

ат - коэффициент диффузии влаги, м2/с;

с - теплоемкость высушиваемой массы, кДж/(кг-К);

у1 - плотность высушиваемого продукта, кг/м;

и0, ТО - соответственно начальное распределение влагосодержания, кг/кг и температуры, К, слоя продукта по длине сушилки;

и0 - влагосодержание слоя продукта на входе в сушилку; р, R - индексы, соответствующие равновесному влагосодержанию и влагосодержанию на поверхности частицы.

А.А. Шевцовым, была предложена математическая модель в подвижном слое дисперсного продукта для случая перекрестного потока движения сыпучего слоя и сушащего агента представленная следующей системой уравнений, позволяющих связать температуру Т и влагосодержание и движущегося слоя сыпучего продукта (рисунок 2.4).

л

Т

V- направление скорости агента сушки, м/с; w - направление скорости движения сыпучей массы, м/с; L - высота сушильной камеры, м; Н - толщина продуваемого слоя, м; Я - радиус частицы, м

Рисунок 2.4 - Схема потоков сыпучей массы и агента сушки

ди+м; ди а ^ | д и ^ ди

дт дх т \дг2 гдг у

= 0

где .х - координата по длине сушилки, м; г - удельная теплота парообразования, кДж/кг.

дг дТ Л^У ч г — + w— + (Т - гс) — дт дх сс'

^ди ди^

--+ w —

дт дх

= 0

(2.19)

(2.20)

где А - эмпирический коэффициент теплообмена, кДж/(м3К).

где и (т, х) = ~2 |0 ги(т, х, гУЛг

со следующими граничными условиями:

и(т, Т, г ) = и(т, г) (2.21)

ди(т, х, г V В(;, v){ \

^^ и=Ш (ия- и') ия< ир (г22)

где В =в, в - коэффициент массоотдачи, кг/ [м2с (кг/м3)]; В - эмпирический коэффициент массообмена.

С начальными условиями:

и(0, х, г) = и0 (х, г) Условия симметрии: ди(т, х, г)

дг

1=К = 0

Т (0, х) = Т (х)

Т (т,0) = f (т)

(2.23)

(2.24)

Системой уравнений (2.19 - 2.24) можно описать процесс сушки сыпучего продукта при его продольном перемещении вдоль барабана и при перекрестном движении агента сушки через слой высушиваемого продукта.

Приведенная система - упрощенная, так как в уравнениях не учитывается термодиффузия, распределение теплоты в пределах частицы продукта и температурные градиенты, но даже в таком виде система достаточно сложная для аналитического исследования в силу нелинейности и ее решение может быть только приближенным.

Учёным А.Н. Чайкиным, при исследовании процесса сушки растительного сырья были получены следующие критериальные уравнения:

1) для определения коэффициента теплообмена (2.25) и влагообмена (2.26) при постоянной скорости сушки:

Ыи = 0.0032 Яе

0,7

Т

\2

с

Т

К1 М у

ч 0,6

и

и

К кР

Ыи = 0.058 Яе071 рг0,33Ои

.0,13

(2.25)

(2.26)

2) для определения коэффициента теплообмена (2.27) и влагообмена (2.28) при убывающей скорости сушки:

Ыи = 0.003 Яе

0,6

Т

К1 м у

С _ Л и

0,4

и

К кР

Ыи = 0.062 Яе0 6 р0ЪЪОии0 2

(2.27)

(2.28)

Уравнения (2.25 - 2.28) справедливы для интервала изменения чисел Яе 476...1025 (V = 0,5-2,0 м/с); Рг = 0,12...0,16; Ои = 0,24...0,504.

В других работах [45, 68, 84, 96, 137, 139] также наблюдается расхождение между результатами аналитических расчетов и практическими значениями в пределах 10-25%, что позволяет сделать вывод о том, что длительность сушки продукта достаточно точно можно установить только опытным путем.

Общую продолжительность процесса устанавливают расчетом как сумму продолжительности сушки в период постоянной скорости и длительности ее в период падающей скорости, принимая, что снижение скорости сушки во втором периоде происходит прямолинейно.

Ж1,Ж2,Жр - начальная, конечная и равновесная влажность продукта, проценты; щ - первая критическая влажность продукта, процент по массе.

Рисунок 2.5 - Кривая сушки продукта и изменение его влагосо держания в

процессе сушки

Длительность сушки в отдельные периоды определяют по следующим формулам:

в период постоянной скорости:

1

Т1 = - щ - жКр).

(2.29)

в период падающей скорости:

_ Ж- - Ж-

72 - Жр

т 2 =-(Жкр - Ж- )2,31^—кр-- (2.30)

2 и р р Ж2 - Ж

Общая продолжительность сушки [30, 31]:

1

т =тл + т = —

суш 1 2 и

- Жр

Ж - Жкр + 2,3(Ж - Ж )1§ -кр--

1 кр кр - 7 & ж - Ж

(2.31)

2р

где W\,W2, Жр - начальное, конечное и равновесное влагосодержание продукта, процент по массе;

Ж - первая критическое влагосодержание продукта, процент по мас-

кр

се (в конце первого периода сушки).

Скорость сушки, характеризующаяся изменением влагосодержания в единицу времени, может быть найдена для каждого данного момента.

Таким образом, стоит отметить два основных способа интенсификации процесса сушки растительного сырья:

1. Увеличение коэффициентов переноса в«.

При сушке в диффузионном пограничном слое, непосредственно примыкающем к поверхности раздела фаз, перенос влаги осуществляется молекулярным способом и от скорости данного процесса в основном зависит скорость массопереноса в целом.

Поэтому повышение величин коэффициентов возможно посредством разрушения (или снижения толщины) пограничного слоя. Этого можно добиться различными способами.

Скорость сушки определяется не только интенсивностью подвода тепла (теплообмена), но и интенсивностью отвода испаряемой влаги (массооб-мена). Поскольку теплообмен сопряжен с массообменом и осуществляется одной и той же окружающей средой, то все способы улучшения теплообмена одновременно будут улучшать и массообмен [19].

При различных факторах связано повышение величин коэффициентов

сушки. К основным факторам относятся изменение свойств или структуры высушиваемого продукта, связи и концентрации влаги в продукте и температуры нагрева.

2. Повышение движущей силы переноса Лср.. Движущей силой процесса сушки могут быть градиенты влагосодержания, температуры, осмотического давления, общего давления внутри продукта и др.

При переменных параметрах воздуха величина Лср., с достаточной для технических расчетов точностью может быть определена как средняя логарифмическая разностей влагосодержания продукта и воздуха в начале и в конце каждого периода сушки.

Чем больше парциальное давление пара над поверхностью продукта будет превышать парциальное давление пара в окружающей среде, тем интенсивнее будет протекать процесс сушки. Этого можно добиться путем повышения температуры продукта и уменьшением влагосодержания окружающей среды.

2.3 Материальная и тепловая модель процесса сушки

В общем случае в аппаратах для сушки протекают процессы переноса энергии и удаления жидкости из твердого продукта - влаги. Эти процессы подчиняются основным физическим законам - закону сохранения материи, первому закону термодинамики о постоянстве суммы энергетических потоков в замкнутой системе и др.

Из уравнений материального баланса можно определить, как производительность сушилки по высушенному продукту, так и количество влаги, удаляемое при сушке.

Составим баланс абсолютно сухого продукта (не принимая во внимание возможный в процессе сушки унос продукта в виде пыли, т.е. считая, что масса сухого вещества продукта в процессе сушки не изменяется).

Мс = 0,01М1(100 - Щ )= 0,01М2 (100 - Ж2). (2.32)

где М1 - масса влажного продукта, поступающего на сушку, кг; М2 - масса высушенного продукта, кг;

Ж] - начальное влагосодержание продукта, поступающего на вход в аппарат, процент по массе;

Ж2 - конечное влагосодержание высушенного продукта, выходящего из аппарата, процент по массе.

Из равенства (2.32) при заданной массе поступающего на сушку продукта, определим массу высушенного продукта,

м1 (100 - жл

М2 = —Д-(2 33)

2 (100 - Ж2) (233)

Тогда количество испаренной в процессе сушки влаги

^ ^ м1(Ж1 - ж2 ) м„„ = М -М = 1-^

вл 12

I I I II I — 1/1

(100 - ж2) , (2 34)

или количество высушенного продукта (определяем на1кг испаренной влаги)

м =М-щ) (235)

м. "(ж, - ж2). (2.35)

где Мвл. - масса влаги, удаляемой из продукта, кг.

Запишем уравнение баланса влаги воздуха при сушке продукта в барабанных аппаратах

0,01ЩМ + 0,001^ = 0,01Ж2М2 + 0,001^2, (2.36) где L - массовый расход абсолютно сухого воздуха на сушку, кг; dl и d2 - влагосодержание воздуха на входе и выходе сушильного барабана кг сухого воздуха/кг водяного пара.

Для определения количества испаренной влаги, температуры нагрева воздуха, была изучена материальная и тепловая модель процесса сушки представленная на рисунке 2.6.

Твм, Тв.к. - соответственно начальная и конечная температуры воздуха, °С;

Св,Свл.,Спл1,Спл2 - соответственно теплоемкости воздуха, влаги, влажного и

сухого продукта, Дж/(кг град); Тк.nр., Т„.пр. - конечная и начальная температуры продукта, °С

Рисунок 2.6 - Материальная и тепловая модель сушильного барабана

После преобразования уравнения (2.36)получаем следующую формулу:

Мл = 0,001А (¿2 - ах )wlиL = 1000

(¿2 - ¿1 )

L

(2.37)

Определим удельный расход сухого воздуха А0 _ м (на 1 кг испа-

вл

ренной влаги) по формуле:

А =

А 1000

Мвл ^ 2 - ¿1 )

кг/кг влаги.

(2.38)

Составим тепловой баланс сушильной установки и выразим следующим образом, схема баланса тепла представлена на рисунке 2.7.

В процессе сушки расходуется значительная часть тепла на нагрев: воздуха, продукта, аппарата; на потери в окружающую среду. С целью уменьшения затрат тепла на процесс сушки, необходимо правильно оценить

все факторы, влияющие на тепловой режим процесса. Это возможно сделать с помощью уравнений теплового баланса.

1. Приход тепла:

1.1 С сушильным агентом Ь-се Твн

1.2 С высушиваемым продуктом М] ■сШ1 шТчз

1.3 С влагой, испаряемой из плодов Мвл -свл -Тш

1.4 Подводимое тепло

2. Расход тепла:

2.1 С сушильным агентом Ь-св Твк

2.2 С высушиваемым продуктом Л/-> ■сп12 Ткз

2.3 С влагой, испаряемой из плодов сел Тк-е

2.4 Потери тепла в окружающую срелу

Рисунок 2.7 - Схема баланса тепла

Составим тепловой баланс относительно тепла, переданного аппарату. Тогда уравнение теплового баланса выражается равенством

Ь • с в • Твн + М. • Сш • Т„„ + Мл • Сл • Т„ + Qн = Ь • с. • Твк +

М2 • с,1Л2 • Ткпл + М„ • С,л ■ Тк.„ + е,. (2.39)

Решая уравнение (2.39) относительно количества подводимого тепла QH, получим:

Qн = М2 • с,„2 • Ткш -М| • С„л • Т„.,„ + Q„ + Ь• с.-(Твк -ТВя)+ М • С (Т - Т ). (2 40)

вл вл \ к.вл н.вл/

Запишем выражение для определения потерь теплоты на подогрев продукта ^ от Тн. пл до Тк.пл.

= М • С Ш! • Т.. и, - И, • С пл2 • Т^ (2.41)

где Сш1 и Сш2 - теплоемкости влажного и высушенного продукта, кДж/кг влаги.

Выражение (2.40) получает вид:

Qн = От + Оп + А• с-(ГВк -ТВн)+Мл • С„ -(Ткв, -Т„вл). (2.42)

Изменение температуры продукта в процессе меняется от Тн.пл до Ткмл, в конечном итоге приближаясь к температуре воздуха Твк на выходе из сушильного барабана.

Представим удельную теплоту влажного продукта с ш1М1 в виде суммы удельной теплоты высушенного продукта с ш 2М2 и испаренной влаги с влМвл , т.е.

с пл1М1 = с пл2М2 + с М , (2.43)

где с в - теплоемкость влаги, Дж/(кгград).

Подставив уравнение (2.43) в выражение (2.42), получим:

От = М2 • с пл2 • Тк.пл - (с пл2М2 + СвлМвл )ТН.пл =

М2с пл2 (ТК.пл - Тн.пл )- СвЛМвЛТ„.пЛ (2.44)

Выразим потери тепла на подогрев продукта, отнеся их к массе испаренной влаги Мвл , тогда с учетом уравнения (2.35) получим окончательно:

Я = с пл2 (Тк.пл - Тн,пл)(100 - Wl )

(ш -ш)-С Т ' ( )

\УЧ у у2) ^ вл н.пл

Как следует из выражения (2.43), потери тепла на подогрев продукта могут быть положительные, т.е. тепло на подогрев продукта расходуется и отрицательные, т.е. продукт отдает тепло при сушке; энтальпия влажного продукта будет больше, чем энтальпия высушенного продукта.

Потери теплоты в окружающую среду (кДж/ч) через стенки сушильной камеры:

О, = kF ^р - О , (2.46)

где к - коэффициент теплопередачи от агента сушки в окружающую среду через стенки сушильного барабана, кДж/ч;

F - площадь всех стенок сушильного барабана, через которые происходит утечка в окружающую среду, м2;

тср - средняя температура агента сушки в сушильном барабане, °С;

Твм - температура воздуха в помещении, где установлена сушилка, °С.

Определим температуру нагрева воздуха при сушке плодов боярышника. Пусть плоды боярышника массовой производительностью

М1 , имеющие

начальную температуру Тн пл °С, нагреваются до температуры Тк пл горячим воздухом массовой производительностью А, кг/ч, циркулирующим по сушильному барабану, с температурой Твн и покидающим сушильный барабан с температурой Твк.

Найдем значение Твнн из уравнения баланса тепла, записанного в следующем виде:

М • с^ • (Т_. - Т) = А • св • (Твн - Твж) , (2.47)

откуда имеем:

Т - М • с •(Т - Т )

_ в.н_1 пл \ к.пл._н.пл. /

с

гг _ "в.н пл у- к.пл. ' н.пл.

Тв к ~ А • с (2.48)

в

где спл - средняя удельная теплоемкость плодов боярышника при средней температуре, кДж/(кгград);

св - средняя удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг град).

2.4 Выводы по главе

1. Провели теоретические исследования процесса перемещения сыпучих продуктов в барабанной сушилке с лопастным перешивающим устройством и подачей нагретого воздуха с двух сторон барабана.

2. Определили закономерности процесса сушки сыпучего продукта

при его продольном перемещении вдоль барабана и при перекрестном движении агента сушки через слой высушиваемого продукта.

3. Получили материальную и тепловую модель процесса сушки растительной продукции в барабанной сушилке с использованием лопастного перемешивающего устройства.

Анализ приведенных математических моделей сушки показал, что общие закономерности сушки в подвижном сыпучем слое еще недостаточно изучены и вопрос разработки новых подходов к описанию процессов массо-и теплопереноса в процессе высушивания сыпучего продукта по-прежнему актуален.

Разработка и обоснование параметров новых сушильных аппаратов, которые позволят максимально интенсифицировать и повысить качество процесса сушки с параллельным снижением энерго- и ресурсоемкости процесса, является актуальной задачей.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Цель, программа и задачи экспериментальных исследований

Целью экспериментальных исследований являлось определение неравномерности сушки в сушильном шкафу, обоснование конструктивных, технологических параметров и режимов работы для предлагаемой конструкции барабанной сушилки, выявление факторов влияющих на изменение показателей энергоемкости процесса сушки, подтверждение выдвинутой научной гипотезы, теоретических зависимостей и предпосылок для повышения эффективности технологического процесса сушки плодов в барабанной сушилке.

Программа экспериментальных исследований включала:

- разработку методик;

- проверка работоспособности лабораторной установки для сушки плодов;

- определение наиболее оптимальных показателей по энергоемкости процесса сушки.

Задачами экспериментальных исследований предусматривалось определение:

- оптимальной величины значимых контролируемых параметров процесса сушки в барабанной сушилке;

- исходных данных для проектирования опытного образца установки для сушки плодов.

Методология экспериментов разрабатывалась с учетом руководящих технических материалов из ранее проведенного анализа выполненных теоретических, а также экспериментальных исследований. Обработка данных и дальнейшие расчеты проводились на ЭВМ с помощью пакета компьютерных программ: КОМПАСА V14, Matcad 14, Statistical 10.0, Microsoft Excel 2007 и другие.

Наравне с разработкой общей методикой исследования процесса сушки плодов боярышника сглаженного (Crataegus oxyacantha L.), были изготовлены приборы для определения конструктивно-технологических параметров барабанной сушилки.

3.2 Условия проведения экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования проводились согласно ГОСТам. Основными элементами оценки условий исследований являлись:

- исходное влагосодержание сырья, обладающее высоким качеством, биологической ценностью и функциональными свойствами.

Лабораторные исследования физико-механических свойств плодов боярышника сглаженного, определение режимов и параметров процесса сушки в барабанной сушилки проводились на кафедре «Технологические процессы и техносферная безопасность» ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ.

Плотность, влагосодержание сырья, скорость потока сушильного агента замерялись при лабораторных исследованиях не менее трехкратной по-вторности.

3.3 Принцип работы разрабатываемой барабанной сушилки с лопастным перемешивающим устройством

Для исследования наиболее оптимальных режимов работы атмосферной барабанной сушилки периодического действия, для сушки растительного сырья, использовалась экспериментальная установка, состоящая из воздухо-нагнетательного устройства 1, цилиндрического сушильного барабана 2 с технологическими отверстиями в корпусе 3, привода примешивающего устройства 4, привода барабана 5, устройство регулировки 6.

Схема установки представлена на рисунке 3.1.

1 - воздухонагнетательное устройство; 2- цилиндрический сушильный барабан; 3 - технологические отверстия в корпусе; 4 - привод примешивающего устройства; 5- привод барабана; 6- устройство регулировки процессом сушки; 7 - насадки внутри барабана; 8 - лопасти перемешивающего устройства Рисунок 3.1 - Схема экспериментальной установки

С помощью лабораторной установки (рисунок 3.2), определяли эффективность перемешивающего лопастного устройства, изучение факторов, влияющих на изменение показателей энергоемкости процесса сушки плодов боярышника.

Барабанная сушилка представляет собой цилиндрическую установку, которая имеет сушильную камеру, состоящую в виде горизонтального или наклонного вращающегося цилиндрического барабана 2 (рисунок 3.1) или 1 (рисунок 3.2), 5 (рисунок 3.1) или 2 (рисунок 3.2) приводов барабана и перемешивающего устройства 4 (рисунок 3.1) или 3 (рисунок 3.2).

Рабочая камера состоит из горизонтального вращающегося цилиндрического барабана 2 (рисунок 3.1) или 1 (рисунок 3.2), изготовленный из металлического листа сваренный между собой, который жестко фиксируется к креплениям оси привода барабана расположенной на раме, барабан внутри утеплен теплоизоляционным кожухом.

1- сварной цилиндрический барабан; 2 - привод барабана; 3 - привод перемешивающего устройства; 4 - пульт регулировки; 5 - загрузочный люк; 6 -выгрузной люк; 7 - патрубки; 8 - нагревательная камера; 9 - вентилятор; 10 -счетчик электроэнергии; 11- регулировочные винты

Рисунок 3.2 - Лабораторная установка для исследования конструктивных и технологических параметров, режимов работы барабанной сушилки

Барабан приводится во вращение за счет фрикционной передачи, через ведущую ось привода барабана с помощью электродвигателя 2 (рисунок 3.2) и 5 (рисунок 3.1) который болтами прикручивается снизу рамы. Барабан осуществляет вращение по часовой стрелки, скорость вращения барабана составляет 8-10 об/мин.

На рисунке 3.3 представлена фотография перфорированного барабана предлагаемого устройства, который изготовлен из нержавеющей стали жестко скрепленный между собой и фиксируется с помощью болтов к оси привода барабана.

Рисунок 3.3 - Фотография перфорированного барабана вид сбоку

Внутри перфорированного барабана помимо установленных специальных насадок, дополнительно устанавливается перешивающее лопастное устройство, конструкция, которой представлена на рисунке 3.4.

Данное устройство, предназначено для равномерного распределения и разрыхления высушиваемого продукта по сечению барабана, его интенсивного перемешивания и хорошего контакта с сушильным агентом. Число оборотов перемешивающего лопастного устройства регулируется от 10 до 30 об/мин-1.

На рисунке 3.4 представлен вал мешалки 1, на который устанавливаются поворотные лопасти 2 с вращательным движением до 360° вокруг своей оси, которые регулируются с помощью регулировочных гаек лопаток 3.

1 - вал мешалки; 2 - лопасти; 3 - регулировочные гайки Рисунок 3.4 - Перешивающее лопастное устройство

Так как в процессе своей эксплуатации перешивающее лопастное устройство контактирует с пищевыми продуктами, данные лопасти 2 (рисунок 3.4) изготовлены из пищевой нержавеющей стали, марки 08Х18Н10(А^1 304) материал которой с особым химическим составом.

Сушилка работает следующим образом. Металлический барабан 1 (рисунок 3.2) устанавливается под углом наклона 1-3° к горизонту, далее влажный продукт поступает через загрузочный люк 5 (рисунок 3.2) внутрь сушильного перфорированного барабана, который вращается по часовой стрелки. Внутри барабана расположено перемешивающее устройство рисунок 3.4, лопасти подхватывают продукт и равномерно распределяют его по сечению барабана, предотвращают слипание и подгорание продукта, обеспечивают хороший контакт и тесное соприкосновение влажного продукта при механической перевалки с потоком нагретого воздуха.

Механизмами для регулировки частоты вращения перемешивающего устройства и для передачи вращательного движения от одного вала к другому, служат цилиндрический редуктор и шкив. Режим работы привода барабана 2 (рисунок 3.2) и перемешивающего устройства 3 (рисунок 3.2) может изменяться в зависимости от требуемого режима сушки.

Из нагревательной камеры 8 (рисунок 3.2) с помощью вентилятора 9 (рисунок 3.2), осуществляется подача нагретого воздуха, по патрубкам 7 (рисунок 3.2) сушильный агент поступает внутрь перфорированного барабана с двух сторон, тем самым обдувая продукт и осуществляя перекрестное движение потоков сушильного агента, сушка происходит равномерно и при этом прогревая полный объем рабочего барабана, температурный режим составляет 55 - 60 °С.

С помощью отверстий 3 (рисунок 3.1) проделанных в цилиндрическом барабане сушильной установки, отработанный сушильный агент удаляется в окружающую среду. Расход электроэнергии определялся с помощью установленного счетчика электроэнергии 10 (рисунок 3.2), соединенного с пультом регулировки барабанной сушилки.

По окончанию сушки, благодаря установленному наклону и вращению барабана, высушенный продукт с противоположного конца сушильного барабана выгружается через выгрузной люк 6 барабанной сушилки.

3.4 Методика определения эффективности сушки плодов в

шкафных сушилках

В ходе выполнения данной работы, выполнялись эксперименты по определению эффективности сушки плодов в шкафных сушилках, для сравнения и обоснования сушки в барабанной сушильной установке.

Для определения эффективности сушки плодов боярышника в шкафных сушилках проводились исследования по определению зависимости влагосо-держания плодов боярышника от времени сушки, зависимости массы плодов боярышника по истечению времени сушки, определению удельного расхода электроэнергии и неравномерности сушки плодов боярышника.

Процесс сушки проводился в лабораторном сушильном шкафу (рисунок 3.9 а), объектами исследования служили образцы плодов боярышника сглаженного - (Crataegus oxyacantha L.) которые представлены на рисунке 3.12.

а б

а - схема расположения участков на противне; б - противень с плодами боярышника

Рисунок 3.5 - Перфорированный противень

Перфорированный противень (рисунок 3.5 б), был предварительно поделен на 9 частей (рисунок 3.5 а), в каждый из 9 участков были распределены по 50 грамм плодов боярышника. Влагосодержание продукта определялось по методике, описанной в пункте 3.5.1 с помощью прибора (рисунок 3.6).

Данный эксперимент проходил на протяжении 11 часов, при температуре 60 °С, которая измерялась с помощью прибора (рисунок 3.11), по истечению каждого часа продукт на каждом участке взвешивался с помощью весов, показанных на рисунке 3.9 б. Замеры расхода электроэнергии по времени сушки проводились с помощью счетчика 10 (рисунок 3.2).

3.5 Методика исследований физико-механических свойств плодов

боярышника

Анализатор влагосодержания "ЭВЛАС-2М" представлен на рисунке 3.6, предназначен для экспрессного определения термогравиметрическим методом в лабораторных условиях массовой доли влаги в продукции сельского хозяйства и продуктах ее переработки, пищевых продуктах и кондитерских изделиях, химикатах, фармацевтических и строительных материалах.

3.5.1 Методика определения влагосодержания продукта

Г

Рисунок 3.6 - Анализатор влажности "ЭВЛАС-2М"

Отбор проб растительного сырья проводили по действующей нормативно-технической документации и методикам ГОСТ 28561-90, ГОСТ 385293 [25, 26]. Для точечных измерений брались пробы плодов боярышника сглаженного, измельчались и равномерно распределялись по чаше анализатора влажности (рисунок 3.7).

—-

Э0ЛДС-2М

Рисунок 3.7 - Равномерное распределение пробы на чаше анализатора

влажности

3.5.2 Методика определения плотности исходного сырья

Плотность - это физическая величина и один из фундаментальных параметров. Определяется отношением массы определенного тела к его объему:

т

Р = V (31)

где т - масса плодов; V- объем плодов.

Плотность массы зависит от химического состава, главным образом от содержания влаги, сухих веществ и наличия воздуха в тканях. Чем выше со-

держание сухих веществ, тем больше плотность. Для измерения плотности нам понадобится сосуд известного объема.

Заполняем сосуд исходным сырьем, а потом взвешиваем на весах полученную массу.

Рисунок 3.8 - Электронные весы

Полученные значения подставляем в формулу 3.1 и получаем значение плотности исходного сырья.

3.5.3 Исследование влагосодержания, диаметра, массы и коэффициента трения плодов боярышника в процессе сушки

Для изучения физико-механических свойств плодов боярышника сглаженного использовали оборудование, приборы и материалы, изображенные на рисунке 3.9.

Данные исследования проводились для достижения таких целей как: оценивание интервалов варьирования диаметра, массы, влагосодержания, коэффициента трения качения плодов боярышника сглаженного и изменения указанных параметров в процессе сушки.

3 4 1

в

а - шкаф сушильный ТШ-902: 1- сушильная камера, 2- тепловые электрические нагреватели, 3- блок управления, 4- отверстия для отвода воздуха; б -весы лабораторные ВЛ-500: 1- площадка для взвешивания. 2- индикатор, 3-регулировочные ножки-опоры; в - противень: 1- корпус, 2 - металлическая сетка, 3- планки, 4- плоды боярышника сглаженного; г - устройство для определения коэффициента трения качения боярышника сглаженного: 1- транспортир, 2- регулировочный винт, 3- стойка, 4- перфорированная пластина, 5- подвижная площадка, 6- опорная рама, 7- регулируемые опоры Рисунок 3.9 - Оборудование, приборы и материалы, необходимые для определения физико-механических свойств плодов боярышника

Для сушки растительной продукции применяется конвективный сушильный шкаф ТШ-902, который изображен на рисунке 3.9 а. В его состав входят сушильная камера 1, электротепловые нагреватели 2 (3 шт) расположенные по рядам внутри камеры, между которыми находятся противни для высушивания сырья, шкаф снабжен переключателем для ступенчатого регулирования мощности ТЭНов, а датчики-реле температуры соединены с регулятором температуры 3 для автономного поддерживания в камере заданного

режима. Внутри сушильного шкафа возникает естественная конвекция, в верхней части шкафа имеются отверстия 4, через которые отводится воздух.

Измерение массы плодов боярышника проводилось с помощью лабораторных весов ВЛ-500 (рисунок 3.9 б), с точностью от 0,01 до 500 г. Во избежание погрешностей данные весы устанавливаем на неподвижный стол, не подвергающийся вибрациям. Поворачивая регулировочные ножки-опоры 3, устанавливаем весы в строго горизонтальном положении, контролируя горизонтальность установки по уровню. Продукт устанавливается на площадку для взвешивания 1.

Противень (рисунок 3.9 в), предназначен для распределения плодов боярышника внутри сушильного шкафа ТШ-902. Он состоит из прямоугольного металлического корпуса 1 с бортиком определенной высоты, на дно натянута металлическая сетка 2. В экспериментальных исследованиях при помощи планок 3, противень разделяется на 9 равных частей. Во все части противня помещались плоды боярышника 4. Для проведения измерений коэффициента трения качения, использовали один плод боярышника, помещенный в каждую часть противня.

Устройство для определения коэффициента трения плодов боярышника (рисунок 3.9 г), состоит из подвижной площадки 4, к которой с использованием прижимных планок фиксируется рабочая перфорированная пластина из нержавеющей стали 5, изготовленные из исследуемого фрикционного материала. На перфорированную пластину 5, располагали исследуемое сырье. Подвижная площадка 4, имеет возможность двигаться относительно горизонтальной плоскости посредством установленной стойки 3, и фиксируется при помощи регулировочного винта 2. Угол подъема подвижной площадки 4, определяют с помощью транспортира 1. Элементы установки смонтированы на опорной раме 6, регулировка осуществляется с помощью регулируемых опор 7.

Перед началом эксперимента установку фиксировали по уровню, далее на рабочую пластину 5 укладываем образец исследуемого сырья, заранее

отобранного из общей партии по определенным параметрам. Далее медленно осуществляем подъем подвижной площадки 4, параллельно опорной раме 6, до момента, когда исследуемый образец начинает катиться по пластине 5. В момент начала скольжения исследуемого сырья по поверхности рабочей перфорированной пластины 5, подъем подвижной площадки 4 прекращаем, а с помощью регулировочного винта 2 фиксируем положение площадки 4 к стойке установки 3, и по полученным показаниям транспортира определяем угол трения качения.

Размер плода определялся при помощи штангенциркуля (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Определение размера плода при помощи штангенциркуля

Для постоянного измерения текущей температуры теплоагента внутри сушильной камеры на протяжении всего процесса сушки использовали прибор, изображенный на рисунке 3.11.

Измеритель температуры представляет собой прибор с термодатчиком и цифровым табло, где постоянно высвечивается текущая температура внутри сушильной камеры. Данный прибор позволяет определять и контролировать температуру теплоагента внутри сушильной камеры, при этом соблюсти технологию сушки и избежать появления перегрева продукта из-за резкого скачка температуры.

Рисунок 3.11 - Мультиметр MASTECH MS8221

Процесс сушки плодов боярышника проводился при температуре 60 °С. Измерения по определению массы, размеров и коэффициента трения плодов боярышника фиксировались через каждые 60 минут, в процессе наблюдения было произведено 12 измерений, период, который равен 11 часам.

3.6 Методики проведения экспериментов по изучению факторов, влияющих на изменение показателей энергоемкости процесса сушки в барабанной сушилке

3.6.1 Определение коэффициента заполнения барабана

Величина коэффициента заполнения аппарата зависит от его конструкции и свойств продукта, а также от условий проведения технологического процесса, в нашем случае это перемешивание в процессе сушки барабанной сушилки. Производительность в барабанных сушилках определяют степенью их заполнения, если степень заполнения барабана выше, следовательно, производительность будет больше [138].

Проводились исследования на лабораторной барабанной сушилки, стенд которой изображен на рисунке 3.2, для определения коэффициента заполнения сушильного барабана, т. е. отношение объема, занимаемого продуктом в сушилке, к целому объему сушилки. Отметим, что коэффициент заполнения зависит от внутреннего устройства барабана и угла естественного

откоса барабана. Максимальному коэффициенту заполнения соответствует предельная нагрузка на сушильный барабан.

В качестве продукта сушки были взяты образцы плодов боярышника сглаженного - (Crataegus oxyacantha L.) изображенные на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Плоды боярышника сглаженного (Crataegus oxyacantha L.)

Проводился ряд экспериментальных исследований с целью выявления оптимального коэффициента заполнения сушильного барабана. За основу были взяты следующие коэффициенты заполнения барабана, а именно n = 0,25, nv = 0,3, nv = 0, 35, угол наклона барабана 1 (рисунок 3.2) сушильной установки составлял 3° к горизонту.

В процессе эксперимента в течение каждых 60 минут брались пробы влагосодержания продукта в сушильном барабане с помощью прибора анализатора влажности, изображенного на рисунке 3.6, с повторностью не менее 3 раз. Эксперимент проводился при температурном режиме сушки 60 °C, температура фиксировалась с помощью прибора, изображенного на рисунке 3.11, при этом так же фиксировался расход электроэнергии при процессе сушки с помощью счетчика электроэнергии 10 (рисунок 3.2).

Проводилось три эксперимента по заполнению барабана.

В первом эксперименте, процесс сушки проходил с коэффициентом заполнения барабана, где nv = 0,35.

Во втором эксперименте, процесс сушки проходил с коэффициентом заполнения барабана, где nv = 0,3.

В третьем эксперименте, процесс сушки проходил с коэффициентом заполнения барабана, где nv = 0,25.

3.6.2 Методика определения скорости подачи нагретого воздуха

Одним из основных процессов сушки влажных продуктов является тепломассообмен. Коэффициент тепломассообмена при сушке зависит от многих факторов, из которых определяющим является скорость движения сушильного агента над поверхностью высушиваемого сырья.

С возрастанием скорости движения сушильного агента над поверхностью сырья слой водяного пара удаляется из продукта по всей толщине, что способствует интенсификации процесса сушки, поскольку уменьшается сопротивление среды для переноса пара.

Для определения наиболее оптимального режима скорости движения сушильного агента, необходимо разработать методику определения скорости подачи нагретого воздуха.

Для измерения скорости подачи воздуха использовался анемометр Цп4 иТ363. Результаты измерений скорости воздуха в сечении воздуховода прибор показывает на жидкокристаллическом экране (рисунок 3.13).

Использовался анемометр с крыльчаткой диаметром (в пределах 16-25 мм), так как предстояло снятие показателей внутри воздуховода. Принцип работы анемометра с крыльчаткой основан на измерении скорости вращающейся крыльчатки прибора, которая зависит от скорости воздушного потока.

Технические характеристики и диапазон измерений анемометра, при которых обеспечиваются нормированные показатели:

- температура в воздуховоде, от -10 ~ 50 °С;

- относительная влажность воздуха, до 80 %;

- спектр измерения скорости движения воздуха, от 0 ~ 30 м/с;

- анемометр должен жестко закреплен в вертикальном или горизонтальном положениях, не подвергающейся ударным и вибрационным воздействиям.

?

1 ы ч

19

с И *

I с< .Д

Рисунок 3.13 - Анемометр Ш4 иТ363

Для проведения измерений проводили следующие этапы: Этап первый. Определи зоны для замеров скорости движения воздушных потоков. Для замеров выбрали достаточно ровный и прямой участок трубы, длина которой составляет 5d ^ = диаметр воздуховода), с подготовленным отверстием, расстояние от изгиба трубы до точки сверления — равнялось не менее 3d, а после —2 и более диаметрам воздуховода. Отверстия 4 для контрольно-измерительных операций изображены на рисунке 3.14.

1- вентилятор; 2- нагревательная камера; 3-патрубки; 4- отверстия для контрольно-измерительных операций

Рисунок 3.14 - Схема подачи нагретого воздуха

Осуществляли замер либо после воздушных фильтров (решеток), либо непосредственно в воздуховоде. В обоих случаях производится измерение скорости движения воздушной массы и учитывается площадь сечения трубы.

Этап второй. Замеры проводили не ранее чем через 15 мин после пуска вентиляционного агрегата. Размещаем прибор в требуемом месте системы 4 (рисунок 3.14) и жестко закрепляем в вертикальном или горизонтальном положениях. Согласно схеме (рисунок 3.14), через отверстие для контрольно-измерительных операций, замеряем скорость движения потока воздуха. При этом все зазоры между измерительным прибором и отверстиями, через которые он вводится в закрытые каналы, уплотняем во время испытаний, а оставшиеся отверстия закрываем после проведения испытаний.

Этап третий. При замерах ось крыльчатки прибора вносим в поток навстречу движущемуся воздуху, при этом плоскость вращения крыльчатки (счетный механизм) ориентируем перпендикулярно направлению воздушному потоку. Далее через 3- 5 с на экран получаем исходные данные скорости потока воздуха в системе воздуховода, которые фиксируем в журнале.

Этап четвертый. Проведение повтора измерений, количество которого определяется согласно ГОСТ 12.3.018-79 [27].

5.

1-рама; 2- вентилятор; 3- металлический кожух; 4- всасывающий патрубок; 5-патрубок выброса воздуха

Рисунок 3.15 - Центробежный вентилятор среднего давления ВЦ 14-46

Для подачи воздуха в сушильный барабан использовался центробежный вентилятор среднего давления ВЦ 14-46 (рисунок 3.15) изготовленный из качественной углеродистой стали, который предназначен для перемещения воздуха или различной газовой смеси, применяются в системах вентиля-

ции производственных, общественных и жилых зданий или в помещениях различного назначения, а также для перемещения рабочей среды в промышленных технологических установках. Данный вентилятор рассчитан на среднее давление при одностороннем всасывании рабочей среды.

Центробежный вентилятор среднего давления ВЦ 14-46 (рисунок 3.15), конструкция которого состоит из рамы 1, к которой закрепляется вентилятор 2 и металлический кожух «улитки» 3. Всасывание рабочей смеси происходит через круглый патрубок 4, расположенный вдоль оси вращения рабочего колеса, а выброс через прямоугольный патрубок 5, под прямым углом. Корпус вращается относительно рамы, что позволяет выставить его под необходимый для монтажа угол к горизонту. Рабочее колесо вентилятора оборудовано 32 отогнутыми в сторону вращения лопастями.

Для регулировки скорости подачи воздуха вентилятора ВЦ 14-46 использовались заслонки, подготовленные по диаметру всасывающего круглого патрубка. В первом эксперименте закрываем 2/3 части вентилятора заслонкой, которая изображена на рисунке 3.16 а. Для этого используем заранее приготовленные заслонки, которые с помощью болтов жестко фиксируем к корпусу всасывающего круглого патрубка.

а - заслонка для закрытия 2/3 части вентилятора; б - заслонка с закрытием 1/3 части вентилятора

Рисунок 3.16 - Стенд исследований

Включаются вентилятор 9 (рисунок 3.2) и нагревательная камера 8 (рисунок 3.2) с трубчатыми электронагревателями, в соответствии с методикой, описанной в главе 3.6.2, через 15 минут после включения вентилятора, осуществляем замер скорости движения сушильного агента с помощью анемометра Ш4 ЦТ363 (рисунок 3.13). Прибор располагаем в соответствии со схемой, указанной на рисунке 3.14, в отверстие 4 (рисунок 3.14) для контрольно-измерительных операций. Через 5 с снимаем показания прибора и фиксируем полученные данные при установленной задвижке, закрытой на 2/3 части вентилятора. Для чистоты эксперимента замеры осуществляем в трехкратной повторности. По результатам эксперимента скорость движения сушильного агента составило 1.1 м/с.

Во втором эксперименте используется заслонка с закрытием 1/3 части вентилятора (рисунке 3.16 б). С помощью болтов жестко прикручивается к основанию корпуса всасывающего патрубка. Далее проводятся замеры скорости движения сушильного агента по патрубкам с использованием прибора, изображенного на рисунке 3.13. В результате скорость движения сушильного агента составило 1.8 м/с.

Третий эксперимент проходил без использования заслонок, полностью открытый всасывающий круглый патрубок (рисунок 3.17). Скорость движения сушильного агента составило 2.5 м/с.

Рисунок 3.17 - Открытый всасывающий круглый патрубок

Эксперимент проводили при трех скоростях движения воздуха по патрубкам внутрь сушильного барабана. Процесс сушки проходил при температурном режиме 60 °C, по истечению 60 минут брались пробы на влагосо-держание высушиваемого сырья.

3.6.3 Определение неравномерности, эффективности и качества процесса сушки с использованием перемешивающего устройства и без