Анализ влияния основных факторов на эффективность процесса сушки сырья растительного происхождения

УДК 664.8.047:536.24

Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова, Э. Р. Теличкина

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА СУШКИ СЫРЬЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

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

Ключевые слова: сушильная техника, процессы и аппараты пищевых производств, распылительная сушка, переработка плодоовощного сырья.

Введение

Анализ современного состояния и перспектив развития производств кусковых и порошковых форм сухих плодоовощных продуктов доказал высокую рентабельность налаживания их выпуска. Актуальной научно-технической задачей в настоящее время являются рационализация и интенсификация процесса сушки плодоовощных продуктов и полуфабрикатов для эффективной переработки сырья на предприятиях малой и средней мощности.

С целью рациональной эксплуатации сушильной техники для сушки сырья растительного происхождения нами был проведен комплекс экспериментально-аналитических исследований кинетики сушки и проанализировано влияние основных факторов на эффективность процесса.

Планирование экспериментальных исследований

В качестве экспериментальных образцов при изучении кинетики конвективной сушки продуктов растительного происхождения были использованы плодоовощные продукты: морковь (сорт «Витаминная»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); яблоко (сорт «Антоновка»). Использовалась экспериментальная сушильная установка, разработанная на базе сушильного аппарата Ezidri 8паскшакег ББ500. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки, были приняты температура теплоносителя Tca, К, и характерный размер (длина стороны кубика) продукта h, мм (табл. 1).

Таблица 1

Факторы и уровни их варьирования

~~ ----^^^^ Фактор Уровень ----^^ Тс.а; К к, мм

1 343 3,0

2 353 4,5

3 363 6,0

Границы варьирования факторов (табл. 1) установлены с учетом технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки. Скорость потока теплоносителя w, м/с, для фиксированных значений h устанавливалась на основании расчетов из условия существования псевдоожиженного слоя при порозности е = 0,75. Остальные факторы приняты постоянными и установлены в результате расчетов и серии предварительных постановочных экспериментов.

В качестве целевой функции целесообразно выбрать эффективность процесса, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3-мин) [1]:

П _ ' сух.прод

т

ух.прод

к т-

суш.камеры с

где тсух. прод - масса сухого продукта, кг, при конечной влажности Wк, кг/кг; ^суш.камеры - рабочий объем сушильной камеры, м3; тс - экспериментальное время сушки, соответствующее достижению конечной влажности продукта Wк, мин.

Конечная влажность Wк устанавливается в ходе дополнительно исследования гигроскопических характеристик объекта сушки, и для сырья растительного происхождения в среднем можно принять Wк = 0,05 кг/кг [2]. С учетом начальной Wн и конечной влажности Wк, кг/кг,

т _ т

сух.прод. нач.прод

' ^ Л

I - W

У 1 пк у

где т нач. прод - начальная масса высушиваемого продукта, кг.

При сушке в псевдоожиженном слое рабочий объем сушильной камеры с учетом пороз-ности е можно определить аналитически:

V

суш.камеры

нач.прод

' т >

нач.прод у Рнач.прод J

/

где Унач. прод - начальный объем высушиваемого продукта, м3; рнач. прод - начальная плотность высушиваемого продукта, м3/кг; е - порозность.

Порозность псевдоожиженного слоя для выполнения инженерных расчетов с достаточной точностью можно принять е = 0,75 [3, 4].

После преобразований зависимость (I) принимает вид

П _

Р

нач.прод

(I - w ^

I - Wк J

Р • С

т • С

где Сн - начальная концентрация сухих веществ в продукте, кг/кг; Ск - конечная концентрация сухих веществ в продукте, кг/кг.

Результаты экспериментов

В табл. 2 представлены численные значения эффективности процесса сушки для исследуемых продуктов, определенные по формуле (2).

Таблица 2

Значения эффективности процесса сушки П, кг/

т

Тс.а; К h, мм Кубики из моркови

3 1,397008 0,530663 0,456П2

343 4,5 !,!58494 0,409053 0,383599

6 Ш060! 0,363602 0,337567

3 ^696366 0,560986 0,544463

353 4,5 ^397008 0,47889! 0,468843

6 1,187456 0,409053 0,40Ш6

3 2,159012 0,727205 0,675134

363 4,5 1,759195 0,60579 0,562612

6 1,397008 0,478891 0,456172

На основе данных табл. 2 получены аппроксимирующие зависимости эффективности сушки от влияющих факторов:

П(к Гея ) = (ап • к2 + Ьп • к + Сп)Тел1 +

+ •н2 + ^п •к + /п)Т,а +(^п •н' + кп •к + 1п), где ап, Ьп, сп, ёп, еп,/п, gп, кп, 1п - эмпирические коэффициенты (табл. 3).

Таблица 3

Значения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей эффективности сушки

-——^^^ Продукт Коэффициент ——^^ Кубики из моркови

an -57,071777777778 33,981111111111 17,042888888889

Ьп 0,295995 -0,491674333333 -0,240673

Cn 0,000442094 0,001848666 0,000780532

dn 39704,0453333334 -25070,8857777779 -12259,6393333334

en -209,934672666668 355,489918 170,288711

fn -0,265833884 -1,310712698 -0,539182072

gn -6883885,93755558 4618398,84800003 2205868,44933335

kn 36873,8139710003 -64296,0827466669 -30186,6497713335

fn 41,315425086999 233,08314538 93,791452935

Оценка достоверности аппроксимации R2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,95. Увеличение показателя степени параметров в полиноме не влияло на величину R2.

Выбор рациональных режимов

По уравнению (3) с помощью опции «maximize» в среде Mathcad Professional были определены рациональные значения варьируемых параметров и максимум искомой (целевой) функции П (табл. 4).

Таблица 4

Рациональные значения варьируемых параметров и максимум целевой функции

" "—-—_____ Продукт Параметр "— Кубики из моркови

П, кг/(м3-мин) 2,159012 0,727205 0,675134

h, мм 3 3 3

363 363 363

Рекомендованные рациональные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок для сушки сырья растительного происхождения.

Заключение

В ходе исследований эффективности процесса сушки были получены рациональные значения варьируемых параметров для эксплуатации сушильной техники при обезвоживании сырья растительного происхождения. Определены численные значения эффективности процесса сушки для исследуемых продуктов. получены аппроксимирующие зависимости эффективности сушки от влияющих факторов.

полученные функциональные зависимости целесообразно использовать для расчета рациональных параметров процесса сушки при проектировании и эксплуатации сушильной тех-

ники для обезвоживания сырья растительного происхождения. Рекомендованные рациональные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок и управлять режимами. Обобщение результатов позволяет продолжить и развить экспериментальные исследования с целью определения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей для других перерабатываемых продуктов.

Результаты исследований необходимы для налаживания современных производств по переработке сырья растительного происхождения и выпуска полноценных полуфабрикатов и конечной продукции с улучшенными потребительскими свойствами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

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

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

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

Статья поступила в редакцию 15.10.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Максименко Юрий Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; amxs1@yandex.ru.

Феклунова Юлия Сергеевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование»; 1305julia@mail.ru.

Теличкина Эльвира Рафаэлевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование»; elkarneeva@rambler.ru.

Yu. А. Maksimenko, Yu. S. Feklunova, E. R. Telichkina

ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE MAIN FACTORS ON THE EFFECTIVENESS OF DRYING VEGETABLE RAW MATERIALS

Abstract. The results of complex experimental and analytical studies on the kinetics of drying while the processing of vegetable raw materials are presented. As experimental samples, the horticultural products: carrot (cultivar "Vitamins"); pumpkin (cultivar "Volga grey 92"); apple (culti-var"Antonovka") were taken. The experimental dryer, developed on the basis of the dryer Ezidri Snackmaker FD500 was used. The main factors affecting the efficiency of the drying process were the coolant temperature and the typical size (length of a cube side) of the product. The influence of the main factors on the efficiency of the process to the rational use of drying equipment for drying the vegetable raw materials is analysed. The numerical values of the efficiency of the drying process for the studied products are obtained. The approximal dependencies of the efficiency of drying on the affecting factors are determined. The results of the studies are necessary to improve the modern production on processing the vegetable raw materials and to produce the appropriate semi-products and final products with better consumer properties.

Key words: drying equipment, processes and equipment for food production, spraying dryer, processing of fruit and vegetable raw materials.

REFERENCES

1. Aleksanian I. Iu., Buinov A. A. Vysokointensivnaia sushka pishchevykh produktov. Penosushka. Teoriia. Praktika. Modelirovanie [Highly intensive drying of food products. Foam drying. Theory. Practice. Modeling]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2004. 380 p.

2. Maksimenko Iu. A. Termodinamika vnutrennego massoperenosa pri vzaimodeistvii plodoovoshchnykh produktov s vodoi [Thermodynamics of internal mass transfer at interaction of fruit and vegetable products with water]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2012, no. 1 (53), pp. 41-45.

3. Ginzburg A. S. Osnovy teorii i tekhniki sushki pishchevykh produktov [The fundamentals of the theory and technology for drying the food products]. Moscow, Pishchevaia promyshlennost' Publ., 1975. 527 p.

4. Lykov A. V. Teoriia sushki [Theory of drying]. Moscow, Energiia Publ., 1968. 471 p.

Maksimenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; amxs1@yandex.ru.

Feklunova Yulia Sergeevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; 1305julia@mail.ru.

Telichkina Elvira Rafaelevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; elkarneeva@rambler.ru.

The article submitted to the editors 15.10.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS