Интенсификация тепломассообмена при сушке баклажанов

Промышленная переработка сырья биологического происхождения представляет собой сложный комплекс последовательно выполняемых и взаимосвязанных механических, теплофизических, биотехнологических и других специфических процессов.

В современных условиях жёсткой конкуренции на рынке выдвигается проблема повышения эффективности переработки сырья биологического происхождения с выработкой качественных, полноценных и безопасных в санитарном отношении пищевых продуктов. Повышение качества продукции и экономических показателей её производства во многом определяются достижениями в совершенствовании гидромеханических и тепломассообменных процессов.

Среди факторов питания, имеющих важнейшее значение для поддержания здоровья, работоспособности и активного долголетия, особая роль принадлежит полноценному и регулярному снабжению организма человека всеми необходимыми микронутриентами (витаминами, минеральными веществами, микроэлементами, в том числе минорными компонентами пищи). Организм человека не синтезирует указанные соединения и должен получать их в готовом виде с пищей, причём ежедневно, так как способность запасать незаменимые вещества впрок у организма отсутствует.

Для Российской Федерации вопросы обеспечения населения плодовоовощной продукцией актуальны, поскольку большая часть территории не имеет благоприятных климатических условий для выращивания овощей и плодов, и значительная часть населения страны испытывает дефицит многих витаминов, минеральных веществ и других биологически активных соединений, крайне необходимых для жизнедеятельности человека.

Одним из малоисследованных сырьевых источников питательных веществ является баклажан. Ареал возделывания этой культуры занимает южную и почти всю среднюю полосы России.

Однако промышленное внедрение и надежное функционирование линий по переработке баклажанов сдерживается отсутствием комплексных исследований по оптимизации технологических процессов на отдельных стадиях, таких как измельчение, гранулирование, обезвоживание и т. д. Традиционные способы сушки не могут быть использованы ввиду специфики химического состава продукта, относительно большой влажности, а также особенностей механизма внутреннего тепломассопереноса. Все это затрудняет использование традиционных способов обезвоживания и ставит задачу поиска новых методов, позволяющих повысить эффективность проведения процесса обезвоживания и получения конечного продукта высокого качества.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной «Концепцией и программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров» на 1998;2005 гг. под руководством доктора технических наук И. Ю. Алексаняна в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование». Отдельные исследования проводились в Московском государственном университете пищевых производств на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств».

Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования тепломассообмена и оптимизация процессов комбинированной сушки овощных продуктов.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

— определить пути интенсификации тепломассообмена при производстве сухих овощных продуктовпроанализировать способы сушки, конструкторские решения сушильных установок;

— экспериментально и аналитически исследовать основные теплофизические (ТФХ), физико-химические (ФХС), структурно-механические (CMC)), оптические (ОХ) и терморадиационные (ТРХ) свойства и характеристики, а также термодинамические закономерности взаимодействия баклажанов с водой;

— экспериментально и теоретически исследовать инфракрасный (ИК) и конвективный энергоподводы и распределение поглощенной энергии в слое продуктаэкспериментально исследовать влияние основных факторов на интенсивность ИК и конвективной сушки баклажанов;

— экспериментально и теоретически исследовать механизм внутреннего тепломассопереноса при высокоинтенсивной комбинированной сушке;

— предложить физико-математическую модель тепломассообмена в процессах сушки с анализом полей температур и определением коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара, получить зависимости массовлагообменных характеристик от параметров процессов;

— получить осциллирующие рациональные режимы сушки для баклажанов;

— разработать конструкторские решения для осуществления рациональных способов сушки, методов нанесения продуктов на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушильных установок.

Исходя из поставленной цели и задач, решение которых необходимых для ее достижения, можно определить структуру диссертационной работы.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ СУШКЕ БАКЛАЖАНОВ.

ЦЕЛЬТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОЙ.

СУШ КИ БАКЛАЖАНОВ +.

ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНЫХ И НАУЧНЫХ ПРОБЛЕМ СУШКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ПРОЦЕССУ И ОБЪЕКТУ СУШКИ.

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАКОНО МЕРНОСТЕЙ ВЗАИМСЙ ЕЙСТВИЯ БАКЛАЖАНОВ С ВОДОЙ.

ЭКСПЕРИМЕНТ АЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО И КОНВЕКТИВНОГО ЭНЕРГОПОДЮДА В / ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ.

ПРОЦЕССЕ СУШКИ / ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУШКИ БАКЛАЖАНОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ.

ЭКСПЕРИМЕНТ АЛ ЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ БАКЛАЖАНОВ В ТОНКОМСЛСЁ И РАСЧЕТ КОЭФ ФИЦИЕНТОВ.

ВЛАГОПРОВОДНОСТИ И МОЛЯРНОГО ПЕРЕНОСА ПАРА.

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОГО ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ЭМБИНИРОВАННОГО ИЕС-КОНВЕКТИВНОГО РЕЖИМА СУШК1.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Достижение цели исследования стало возможным благодаря комплексному использованию классических теоретических и экспериментальных методов и корректного применения известных научных достижений в области тепломассообмена. Полученные результаты не противоречат их положениям. Использованные и усовершенствованные методики расчета, а также предложенные технические решения согласуются с опытом их проектирования, экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями. В экспериментальных натурных исследованиях использовались методы статистической обработки результатов измерений, для реализации численно-аналитических моделей использовались пакеты современных компьютерных программ.

В результате можно сделать следующие выводы:

1. Определены пути интенсификации тепломассообмена при производстве сухих плодоовощных продуктов. Проанализированы способы сушки и пути ее интенсификации, конструкторские решения сушильных установок, устройств нанесения продуктов на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок.

2. Результаты исследований основных термодинамических закономерностей взаимодействия баклажанов с водой показали существенное значение энтропийной составляющей свободной энергии. Выявлено, что величина термоградиентного коэффициента имеет отрицательное значение в диапазоне высоких влажностей. Для интенсификации процесса сушки таких продуктов целесообразно диспергирование (нарезка (измельчение), кипящий слой и т. п.), применение объемных способов энергоподвода. Рекомендуется комбинирование ИК и конвективного энергоподвода при сушке плодоовощных продуктов, что значительно повышает интенсивность сушки, создает «мягкие» режимы и приводит к существенному повышению качества готовой продукции.

3. Проведено обоснование инфракрасного и комбинированного энергоподвода, получены аппроксимирующие уравнения для оптических характеристик и функций распределения объемной плотности поглощенной энергии по глубине оптически тонкого слоя.

4. Выявлен механизм внутреннего тепломассопереноса, получены зависимости интенсивности сушки от варьируемых параметров, разработаны способы конвективной, радиационной, радиационно-конвективной атмосферной сушки баклажанов, способы их нанесения на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок и устройства для их осуществления.

5. В результате реализации физико-математической модели тепломассообмена получены зависимости влагоообменных характеристик от параметров процесса на основе расчета полей температур.

6. Разработана методика и программное обеспечение для прогнозирования и получения осциллирующих рациональных режимов в процессах. Рекомендованы осциллирующие рациональные режимные параметры и способ сушки.

7. На основе предложенной технологии сушки разработаны и усовершенствованы экспериментальные (экспериментальные установки для исследования процессов ИК, конвективной сушки и сушки в кипящем слое) и опытно-промышленные образцы (комплексная установка с комбинированным энергоподводом и осциллирующим режимом сушки с механизированными операциями загрузки, резки, нанизки и выгрузки для плодов и овощей в дольках) сушилок, планируемые к внедрению в ООО «Биотехсинтез» и ООО «Парад» (мясокомбинат «Астраханский»), где анализ и проверка полученных в работе результатов показали целесообразность их использования.

Научная новизна и практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что получены аппроксимирующие зависимости ТФХ, ФХС, CMC, ОХ, ТРХ баклажанов. Выявлены особенности статического взаимодействия баклажанов в дольках с водой, получены зависимости термодинамических параметров от основных факторов (температуры и влагосодержания).

Получены уравнения кривых сушки и скорости конвективной и радиационной сушки для различных зон сушки, а также аппроксимирующие зависимости кинетических коэффициентов сушки. Для оптимизации процессов и математического описания кривых сушки и скорости сушки использован многозонный метод аппроксимации.

На основе экспериментально-аналитического изучения кинетики сушки выявлены особенности механизма внутреннего тепломассопереноса для овощных продуктов.

Получены зависимости массовлагообменных характеристик от параметров процесса на основе численно-аналитического метода расчета полей температур и определения коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара.

Рекомендованы рациональные осциллирующие комбинированные режимы для сушки баклажанов.

Результаты исследований предназначены для использования при создании технологий сушки овощных продуктов, при выборе рациональных режимов сушки и проектировании эффективного сушильного оборудования.

Разработаны варианты проведения процессов радиационной, радиационно-конвективной атмосферной сушки и нанесения продуктов на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок, а также устройства для их осуществления, обоснованы режимные параметры. Получены рациональные осциллирующие режимы комбинированной сушки баклажанов.

Внедрение результатов работы позволяет:

— сократить время сушки сырья растительного происхождения при сохранении высокого качества продукта;

— уменьшить удельные затраты энергии и материалоемкость оборудования при обезвоживании овощных продуктов;

— выбрать рациональные технологические режимы при проектировании эффективного сушильного оборудования и при разработке технологий концентрирования нетрадиционных продуктов.

В диссертации представлены только те результаты, которые получены автором лично либо в соавторстве (указано в ссылках), в том числе: постановка проблемы и входящих в нее задач, организация и проведение экспериментальных исследований, обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, реализация численно-аналитических моделей процессов сушки, разработка новых технических решений и практических рекомендаций, разработка по результатам исследований опытно-промышленных образцов сушилок.

Результаты исследований опубликованы автором совместно с сотрудниками при равноправном участии автора.

Одним из перспективных направлений исследований является оптимизация режимов тепломассообмена на базе математической модели процесса сушки без экспериментального исследования кинетики сушки.