Особенности работы импульсных ИК-излучателей в технологии сушки корнеклубнеплодов

Выводы

1. Получен комплексный критерий оптимальности, а также целевая функция для оптимизации процесса вибросмешивания. Предложенный критерий может быть использован для оптимизации аналогичных технологических процессов.

2. Результаты многокритериальной оптимизации обнаруживают соответствие полученных результатов по качеству кормовой смеси (т.е. ее однородность) зоотехническим нормам. Затраты энергии и производительность смесителя приемлемы для приготовления премиксов, БВМК, а, возможно, и комбикормов (для сельских подворий и небольших фермерских хозяйств).

Библиографический список

1. Ногин В.Д. Принятие решений в многокритериальной среде. — М.: Физматлит, 2004. — 176 с.

2. Подиновский В.В. Введение в теорию важности критериев в многокритериальных задачах принятия решений. — М.: Физматлит, 2007. — 64 с.

3. Kiefer J. Optimum designs in regression problems. — Ann. Math. Stat., 1959. — V 30. — P. 271-294.

4. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1993. — 278 с.

5. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями: учебное пособие. — М.: Дрофа, 2006. — 175 с.

6. Пат. 2421271 Российская Федерация, С 1 B01 F3/18, B01 F 11/00. Смеситель для

сыпучих материалов / Федоренко И.Я., Пирожков Д.Н., Котов Р.А.; заявитель и патентообладатель И.Я. Федоренко; заявл. 08.02.2010; опубл. 20.06.2011, Бюл. № 17.

7. Федоренко И.Я., Морозова С.В. Оптимизация и принятие решений в агроинженер-ных задачах учебное пособие. — Барнаул: Изд-во АГАУ, 2012. — 238 с.

References

1. Nogin V.D. Prinyatie reshenii v mnog-okriterial'noi srede. — M.: Fizmatlit, 2004. — 176 s.

2. Podinovskii V.V. Vvedenie v teoriyu va-zhnosti kriteriev v mnogokriterial'nykh zadachakh prinyatiya reshenii. — M.: Fizmatlit, 2007. — 64 s.

3. Kiefer J. Optimum designs in regression problems // Ann. Math. Statist. — 1959. — Vol. 30. — P. 271-294.

4. Saati T. Prinyatie reshenii. Metod analiza ierarkhii. Per. s angl. — M.: Radio i svyaz', 1993. — 278 s.

5. Sobol' I.M., Statnikov R.B. Vybor opti-mal'nykh parametrov v zadachakh so mnogimi kriteriyami: uchebnoe posobie. — M.: Drofa, 2006. — 175 s.

6. Pat. 2421271 Rossiiskaya Federatsiya, S 1 B01 F3/18, B01 F 11/00. Smesitel' dlya sypuchikh materialov / I.Ya. Fedorenko, D.N. Pirozhkov, R.A. Kotov; zayavitel' i paten-toobladatel' I.Ya. Fedorenko. Zayavl. 08.02.2010; opubl. 20.06.2011, Byul. № 17.

7. Fedorenko I.Ya., Morozova S.V. Optimi-zatsiya i prinyatie reshenii v agroinzhenernykh zadachakh: uchebnoe posobie. — Barnaul: Izd-vo AGAU, 2012. — 238 s.

+ + +

УДК 621.384.3:664.039.51:635.1.2

И.В. Алтухов, Н.В. Цугленок I.V. Altukhov, N.V. Tsuglenok

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ИМПУЛЬСНЫХ ИК-ИЗЛУЧАТЕЛЕИ В ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ КОРНЕКЛУБНЕПЛОДОВ

THE OPERATIONAL FEATURES OF PULSE IR-EMITTERS IN ROOT CROP DRYING TECHNOLOGY

Ключевые слова: сушка, импульсные ИК-из-лучатели, корнеклубнеплоды, нагрев, спектр.

Анализ развития электротехнологий, применяемых для сушки сельскохозяйственного сырья, показывает, что широкое применение получили установки, работающие на принципе использования электрической энергии, превращенной в энергию инфракрасного излучения. К числу важнейших

характеристик ИК-излучателей относят спектральные, энергетические и геометрические. Спектральные характеристики ИК-излучателей зависят в основном от температуры нагрева излучателя, и в настоящее время достаточно хорошо изучены. Если для процесса нагрева используются ИК-из-лучатели, то следует подумать о том, что экономичный нагрев сырья связан со степенью излучения (черноты). Высокий эффект будет достигнут в

том случае, когда будут учитываться такие спектральные характеристики ИК-излучателя, как степень излучения, температура нагрева излучателя и длина волны, приходящаяся на максимум ИК-излучения. Технология импульсной инфракрасной сушки влажных продуктов позволяет практически на 100% использовать подведенную к корнеклубнеплоду энергию. В отличие от всех других видов сушки, энергия подводится непосредственно к воде продукта, чем достигается высокое КПД процесса сушки. При данном подводе тепла можно вести процесс сушки при температуре 40-60°С. Подобная сушка максимально сохраняет исходное содержание питательных веществ продукта за счёт того, что не рвутся клетки, не погибают витамины, не карамелизируются сахара. Кроме того, низкие температуры не нагревают оборудование, потери тепла через стенки минимальны, а процессом сушки достаточно просто управлять. Вместе с тем импульсное инфракрасное излучение позволяет уничтожить микрофлору на поверхности корнеклубнеплодов, делая такой продукт пригодным для длительного хранения.

Keywords: drying, pulse IR-emitters, root crops, heating, spectrum.

The analysis of the electrical technology development used for drying agricultural raw materials shows that the devices functioning on the principle

of conversion of electric power into infrared energy are widely used. Spectral, energy and geometry characteristics are considered to be the most important characteristics of IR-emitters. The spectral characteristics of IR-emitters depend mainly on the heating radiator temperature and they are well studied. If the IR-emitters are used for heating process, the economical heating of raw material is related to the degree of radiation (emissivity). A high effect is achieved when such spectral characteristics as the degree of heat radiation, the temperature of the radiator and wavelength corresponding to the maximum IR-radiation are considered. Pulse infrared drying technology of wet products enables using almost 100% of the energy supplied to the root crops and tubers. As opposed to all other kinds of drying, the energy is supplied directly to the product's water, so high efficiency of the drying process is achieved. It is possible to dry raw materials by this heat supply at a temperature of 40-60°C. Such type of drying conserves to the maximum the original content of product nutrients due to the fact that the cells are not damaged, the vitamins do not die, and sugars do not caramelize. Moreover, the low temperatures do not heat the equipment, the heat loss through the walls is minimal and the drying process is simply operated. In addition, the pulse infrared radiation kills the microorganisms on the surface of roots and tubers making the product suitable for long storage.

Алтухов Игорь Вячеславович, к.т.н., доцент, каф. энергообеспечения и теплотехники, Иркутская государственная сельскохозяйственная академия. E-mail: altukhigor@yandex.ru.

Цугленок Николай Васильевич, д.т.н., проф., чл.-корр. РАСХН, председатель президиума Восточносибирского научно-образовательного центра, г. Красноярск. E-mail: altukhigor@yandex.ru.

Altukhov Igor Vyacheslavovich, Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Chair of Power Supply and Heat Engineering, Irkutsk State Agricultural Academy. E-mail: altukhigor@yandex.ru.

Tsuglenok Nikolay Vasilyevich, Dr. Tech. Sci., Prof., Corresponding Member of Rus. Acad. Agr. Sciences, Chairman of the East Siberian Research and Education Center, Krasnoyarsk. E-mail: altu-khigor@yandex.ru.

Введение

Инфракрасное излучение, применяемое для сушки сельскохозяйственного сырья, — это один из самых простых и распространенных способов получения готовых продуктов [1-4, 7].

Цель работы — определить особенность применения импульсных ИК-излучателей в технологии сушки корнеклубнеплодов.

Объекты и методы

Если в качестве тел накала для источника излучения использовать материалы с малым удельным электрическим сопротивлением, следовательно, с низкой степенью черноты, то в процессе нагрева имеются неоправданные потери энергии. Исходя из этого в данном случае предпочтение следует отдать излучателям с телами накала, обеспечивающими высокие радиационные свойства излучателя. К таким излучателям можно отнести импульсные керамические преобразователи излучения. По своим радиационным свойствам

эти излучатели приближаются к абсолютно черному телу, у которого, как известно, степень излучения равна единице [6].

Физические основы теплообразования при импульсном ИК-нагреве остаются теми же, что и при непрерывном облучении. Различие состоит в следующем: при использовании импульсного ИК-облучения и при обеспечении на облучаемом объекте высоких значений энергетической освещённости промежуток времени, необходимый для достижения предельной температуры, существенно короче, чем при обычных режимах постепенного непрерывного облучении, при этом объекты с высокой удельной теплоёмкостью нагреваются быстрее [1, 3].

При определении параметров импульсного ИК-нагрева необходимо учитывать спектральные характеристики излучателя и облучаемого сырья, что позволяет обеспечить соответствие между областью максимального поглощения сырья и максимума излучения источника. Соблюдение этого правила позволя-

ет достигать максимального технико-экономического эффекта инфракрасного нагрева [5, 6].

В данных исследованиях для осуществления операций сушки применялись электронагревательные элементы нового поколения — импульсные керамические преобразователи излучения

Источником первичного ИК-излучения в импульсных керамических преобразователях излучения является обычная нихромовая спираль. Спираль находится в трубке, изготовленной из чистого кварцевого стекла, покрытого многослойным функциональным керамическим покрытием. Это покрытие обеспечивает преобразование полного спектра ИК-излучения от нагревательного элемента в излучение очень узкого диапазона ближней области ИК-спектра, при этом излучение происходит не в непрерывном режиме, а идет в виде ряда импульсов длительностью 10-3000 мкс. Плотность излучения энергии в импульсе достигает значений 120-350 Вт/см2. Уровень энергии соответствует излучаемому ИК-диапазону [1, 3, 5]

Особенность работы излучателей данного вида состоит в том, что керамика аккумулирует тепловое излучение, преобразует, а затем импульсно «выстреливает» излучение в нужной области спектра. При этом длина волны генерируемого излучения варьируется в диапазоне 1,7-5,8 мкм. Уникальным свойством данного рода излучателей является возможность очень точного селективного воздействия непосредственно на молекулярные связи в любых веществах в различных агрегатных состояниях.

Так как система имеет определенный исходный энергетический потенциал, то при прохождении электрического тока система поглощает энергию всего ИК-спектра, используя ее для активизации своей электронной структуры и повышения своего исходного энергетического состояния. При достижении

уровня энергетического барьера (насыщения) система преодолевает его, и происходит импульсный выброс энергии, после которого система возвращается в исходное энергетическое состояние (рис. 1). Уровень энергии при этом соответствует излучаемому ИК-диапазону.

Благодаря высокой проникающей способности ИК-излучения определённой мощности с соответствующей длиной волны органические и биоорганические молекулы диссоциируют микроорганизмы, споры, грибки, а также разрушают и уничтожают вирусы. Данные особенности импульсного ИК-из-лучения позволяют получать продукты длительного хранения.

Эффект преобразования полного ИК-спектра в эффективное импульсное излучение ИК-спектра узкого диапазона — это частное проявление эффекта инфракрасного лазера [1, 3].

Для подтверждения теоретических положений выбора источников ИК-излучения для термообработки корнеклубнеплодов на экспериментальной установке проводились исследования с применением импульсных керамических ИК-излучателей, диапазона средневолнового и коротковолнового излучения.

Исследования терморадиационных характеристик и кривых нагрева корнеклубнеплодов показали, что температура нагрева корнеклубнеплодов не превышает 60°С при облучении их средневолновым излучателем мощностью 500 Вт на рабочем расстоянии 250 мм во время полного цикла работы облучателя 10 мин. Поскольку превышение данной температуры в корнеклубнеплодах при сушке ведёт к необратимым потерям витаминов и микроэлементов, то данные параметры ИК-энергоподвода можно принять как «эффективные». Экспериментальные исследования влияния параметров ИК-энер-гоподвода на температуру корнеклубнеплодов представлены в таблице 1.

G II Mill Mill Mil Mill Mill Mill Mill Mill Mil Mill Mill Mill Mill Mill Mil Mill Mill Mill Mill Mill Mill Mil Mill 11111 11111 1111111111 1111 111111111111111 1111111111 1111 11111 1111111

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166 171 176

BpeMH, c.

Рис. 1. Импульсная работа ИКК-излучателя

Таблица 1

Влияние параметров ИКК-энергоподвода на температуру нагрева корнеклубнеплодов

Номер опыта Мощность, Вт Время, с Расстояние, мм Температура корнеклубнеплодов, °С

1 500 60 150 65

2 500 60 200 46

3 500 60 250 39

4 500 330 150 96

5 500 330 200 68

6 500 330 250 54

7 500 600 150 99

8 500 600 200 70

9 500 600 250 56

10 1100 60 150 111

11 1100 60 200 99

12 1100 60 250 80

13 1100 330 150 148

14 1100 330 200 126

15 1100 330 250 107

16 1100 600 150 148

17 1100 600 200 125

18 1100 600 250 107

19 1500 60 150 142

20 1500 60 200 74

21 1500 60 250 71

22 1500 330 150 180

23 1500 330 200 114

24 1500 330 250 108

25 1500 600 150 180

26 1500 600 200 130

27 1500 600 250 110

С помощью активного планирования проведена оценка зависимости температуры нагрева корнеклубнеплодов от параметров ИК-энергоподвода, представленная поверхностями отклика (рис. 2).

Анализ полученных данных позволил установить, что температура нагрева корнеклубнеплодов напрямую зависит от параметров ИК-энергоподвода. Рассмотрено влияние трех факторов: мощности излучателя (выбран средневолновый излучатель), (500 Вт (-1), 1100 Вт (0) и 1500 Вт (+1); времени нагрева (60 с (-1), 330 (0) и 600 с (+1); расстояния между излучателем и корнеклубнеплодами (150 мм (-1), 200 мм (0) и 250 мм (+1). Получено уравнение регрессии: у, = 118,74 + 28,67х1м + 16,56х2н - 24,28х3 -

22,22 х2м - 13,89 х22н + + 10,94 х32 - 8,5х1мх3,

где х1м - мощность излучателя, Вт; х2н - время нагрева, с;

х3 - расстояние между излучателями и корнеклубнеплодами, мм;

у1 - температура нагрева корнеклубнеплодов, °С.

Как и следовало ожидать, поверхности отклика нагрева корнеклубнеплодов, приведенные на рисунке 2, представляют собой экспоненциальные зависимости. Экспоненциальный характер нагрева корнеклубнеплодов в процессе облучения его мощным потоком ИК-излучения указывает на хорошее совпадение теоретических и лабораторных экспериментов. Здесь наиболее отчетливо просматривается влияние показателя концентрации мощности на скорость нагрева продукта.

В качестве главного качественного параметра при получении продуктов высокой биологической активности принята температура нагрева корнеклубнеплодов, которая не должна превышать 60°С. Анализ результатов показывает, что на расстоянии 225-250 мм при мощности излучателя 500 Вт в течение полного цикла облучения 600 с температура нагрева корнеклубнеплодов не превышает 60°С. Минимальная температура нагрева корнеклубнеплодов (39°С) наблюдается при параметрах ИК-энергоподвода: 500 Вт, 60 с и 250 мм. Максимальная температура нагрева корнеклубнеплодов (180°С) наблюдается при следующих параметрах ИК-энергоподвода: 1500 Вт, 330-600 с и 150 мм.

б)

Рис. 2. Зависимость температуры нагрева корнеклубнеплодов от параметров ИК-энергоподвода: а — мощность излучателя 500 Вт; б — мощность излучателя 1100 Вт; в — мощность излучателя 1500 Вт

Заключение

Используя особенности работы импульсных ИК излучателей, можно получать продукты длительного хранения с высокими качественными показателями при минимальных энергозатратах.

Библиографический список

1. Григорьев И.В., Рудобашта С.П. Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур // Вестник МГАУ им. В.П. Го-рячкина. - 2009. - № 4 (35). - С. 7-10.

2. Лебедев П.Д. Сушка инфракрасными лучами. — М.; Л.: Госэнергоиздат, 1955. — 232 с.

3. Очиров В.Д. Обоснование режимов ИК-энергоподвода в технологии сушки корнеплодов моркови импульсными керамическими преобразователями излучения: дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02. — Красноярск, 2011. — 189 с.

4. Алтухов И.В., Очиров В.Д. Технология инфракрасной сушки сахаросодержащих корнеплодов // Engineering problems in agriculture and industry: матер. Междунар. конф. — Улан-Батор, 2010. — С. 87-92.

5. Алтухов И.В. Применение дискретного ИК-энергоподвода в технологии сушки саха-росодержащих корнеплодов // Вестник ИрГСХА. — 2013. — № 55. — С. 100-105.

6. Пат. 2393397 РФ Способ импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов / Григорьев И.В., Рудобашта С.П. — № 2009119751; опубл. 27.06.2010; Бюл. №18.

7. Suvarnakuta P., Devahastin S., Mujum-dar A.S. Drying Kinetics and P-Carotene Degradation in Carrot Undergoing Different Drying Processes // Food Science Technology. — Vol. 70 (8). — P. 520-526.

References

1. Grigor'ev I.V., Rudobashta S.P. Im-pul'snaya infrakrasnaya sushka semyan ovoshchnykh kul'tur // Vestnik MGAU im. V.P. Goryachkina. — 2009. — № 4 (35). — S. 7-10.

2. Lebedev P.D. Sushka infrakrasnymi luchami. — M.-L.: Gosenergoizdat, 1955. — 232 s.

3. Ochirov V.D. Obosnovanie rezhimov IK-energopodvoda v tekhnologii sushki korneplod-ov morkovi impul'snymi keramicheskimi preobra-zovatelyami izlucheniya: dis. ... kand. tekhn. nauk: 05.20.02. — Krasnoyarsk, 2011. — 189 s.

4. Altukhov I.V., Ochirov V.D. Tekhnologiya infrakrasnoi sushki sakharosoderzhashchikh korneplodov // Engineering problems in agriculture and industry: mat. mezhdunar. konf. — Ulan-Bator, 2010. — S. 87-92.

а

в

5. Altukhov I.V. Primenenie diskretnogo IK-energopodvoda v tekhnologii sushki sakha-rosoderzhashchikh korneplodov // Vestnik IrGSKhA. - 2013. - № 55. - S. 100-105.

6. Pat. 2393397 RF Sposob impul'snoi in-frakrasnoi sushki termolabil'nykh materialov / I.V. Grigor'ev, S.P. Rudobashta; zayavka

№ 2009119751, opubl. 27.06.2010 g., Byul. № 18.

7. Suvarnakuta P., Devahastin S., Mujum-dar A.S. Drying Kinetics and P-Carotene Degradation in Carrot Undergoing Different Drying Processes // Food Science Technology. — Vol. 70 (8). — P. 520-526.

+ + +

УДК 633.34:664.0:636.084

В.И. Земсков, Г.М. Харченко V.I. Zemskov, G.M. Kharchenko

ФИЛЬТРУЮЩАЯ ЦЕНТРИФУГА ДЛЯ ОЧИСТКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ НА БАЗЕ СЕПАРАТОРА СЦ-3

FILTERING CENTRIFUGE FOR VEGETABLE OIL CLARIFICATION BASED ON STS-3 SEPARATOR

Ключевые слова: растительные масла, актуальность, центрифугирование, фильтровальная перегородка, цеолит, свойства, Сокирнит, теория, переоборудование, сепаратор, устройство.

Указывается на актуальность постановки на производство фильтрующих конических центрифуг фильтрующей перегородкой из природного цеолита. Рассматриваются способы использования отходов производства растительных масел _ фосфатидов. Отмечается использование фосфа-тидов в хлебопечении, при производстве кондитерских изделий, быстрорастворимых напитков, смесей для детского питания, мороженного, сыров, мясных фаршей, маргарина и майонеза. Кормовой фосфатидный концентрат входит в состав кормов для вскармливания молодняка крупного рогатого скота, свиней, овец и кур, где он играет роль физиологически активной добавки и эмульгатора. Приводится свойства природного цеолита марки «Сокирнит», которые показывают, что он является хорошим фильтрующим материалом при использовании в фильтрующих центрифугах (адсорбционная ёмкость по воде — 34-38%, площадь макропор — 18-21 м2/г, площадь мик-ропор — 1-2 м2/г). Приводятся ссылка на работы многих авторов, подтверждающих положительный эффект от использования цеолита в качестве кормовой добавки, а обогащение фосфатидами значительно повышает его ценность как кормовой добавки. Рассматривается теория фильтрования в конических центрифугах применительно к принципиальной схеме модернизации сепаратора СЦ-3 для очистки растительных масел. При использовании переоборудованной центрифуги на базе сепаратора СЦ-3 процесс очистки масла подчиняется закону Стокса в поле центробежных сил. Приводится формула производительности, доработанная с учетом особенностей принципиальной схемы модернизированного сепаратора. Центрифуга на базе модернизированного сепаратора отличается от серийного сепаратора изменением конструкции некоторых деталей. Внутренняя полость корпуса барабана делается конической, заполняется цеолитом, пакет тарелок удаляется.

Описываются конструкция модернизированного сепаратора, содержание модернизации, принцип действия при очистке растительных масел. Расчетная производительность центрифуги на базе сепаратора СЦ-3 равна 135 кг/ч.

Keywords: vegetable oils, topicality, centrifuga-tion, filtering membrane, zeolite, properties, Sokirnit zeolite, theory, re-equipment, separator, design.

The topicality of manufacture of filtering conical centrifuges with filtering membranes of natural zeolite is pointed out. The use of vegetable oil production wastes, phosphatides, in bread baking, confectionery products, instant beverages, baby formulas, ice cream, cheese, ground meat, margarine and mayonnaise is discussed. Feed phosphatide concentrate is included in the feeds for young cattle, pigs, sheep and chickens and it acts as physiologically active supplement and emulsifier. The properties of Sokirnit natural zeolite confirm it is a good filtering material to be used in filtering centrifuges (water adsorption capacity — 34-38%, macro-pore area — 18-21 m2 g, and micro-pore area — 1-2 m2 g). The literature data that confirm the positive effect of zeolite as a feed supplement is presented, and phosphatide enrichment of feeds significantly increases its value as a feed supplement. The theory of filtration in conical centrifuges is discussed as applied to the concept of the STs-3 separator modernization for vegetable oil clarification. When the re-equipped centrifuge is used in the STs-3 separator, oil clarification process follows Stokes' law in the centrifugal force field. The modified capacity equation taking into account the features of the re-equipped separator is presented. The centrifuge in the upgraded separator differs from that in the series-produced separator by the design change of some parts. The internal cavity of the separating drum body is conical and filled with zeolite; the stack of plates is removed. The design of the upgraded separator, the essence of modernization and the principle of oil clarification action is described. The design capacity of the centrifuge based on STs-3 separator is 135 kg h.