Теоретическое и экспериментальное исследование кинетики процесса сушки при производстве сушеной рыбной продукции

УДК664.956

А.А. Яшонков

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СУШЕНОЙ РЫБНОЙ ПРОДУКЦИИ

Современное состояние рыбного хозяйства Российской Федерации требует от промышленных предприятий применения безотходных и энергоэффективных способов переработки рыбного сырья. Одним из наиболее энергозатратных процессов является процесс сушки. Была выдвинута гипотеза, что предварительное порообразование исходного рыбного сырья позволит увеличить площадь поверхности испарения влаги и, как следствие, увеличить скорость сушки. В то же время для повышения сохранности витаминов исходного сырья необходимо снижение температуры термической обработки, чего можно добиться применением вакуумной сушки. В статье приведены результаты теоретических расчетов изменения влаго-содержания рыбного сырья в процессе порообразования и сушки. Для учета влияния рабочего давления в критериальное уравнения для свободного теплообмена введен поправочный коэффициент. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность теоретических расчетов. Графическим методом, путем последовательного приближения теоретических и экспериментальных кривых сушки, определена функциональная зависимость введенного поправочного коэффициента от величины рабочего давления. Получены эмпирические зависимости влагосодержания сырья в процессе порообразования и сушки.

Ключевые слова: рыбное сырье, сушка, порообразование, кинетика сушки, кривая сушки, критериальное уравнение теплообмена.

A.A. Yashonkov

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES OF THE DRYING PROCESS KINETICS IN THE OUTPUT OF DRIED FISH PRODUCTS

The current state of the fishing industry in the Russian Federation requires industrial enterprises to use waste-free and energy-efficient methods for processing raw fish. The drying process is one of the most energy-intensive ones. It was hypothesized that the preliminary pore formation in the raw fish would increase the surface area of moisture evaporation, and, as a consequence, increase the rate of drying. At the same time, to increase the preservation of vitamins of the raw fish, a reduction in the heat treatment temperature is required, which can be achieved by using vacuum drying. The paper presents the results of theoretical calculations of the change in the moisture content of the raw fish during the process of pore formation and drying. In order to take into account the effect of working pressure, a correction factor was introduced into the criterial equation for free heat exchange. Experimental research has confirmed the adequacy of theoretical calculations. The functional dependence of the introduced correction factor on the working pressure is determined graphically by successive approximation of the theoretical and experimental curves for drying process. Empirical dependences of moisture content of raw fish in the process of pore formation and drying are obtained.

Key words: raw fish, drying, pore formation, kinetics for the drying process, curve of the drying process, criterial heat transfer equation.

DOI: 10.17217/2079-0333-2018-44-63-69

Современные процессы и техника переработки сельскохозяйственного сырья, в том числе рыбного, базируются на достижениях различных научных направлений. В настоящее время главная цель фундаментальных и приоритетных прикладных научных исследований и инженерных разработок - усовершенствование существующих процессов получения пищевых продуктов с целью повышения эффективности комплексной переработки сельскохозяйственного сырья [1].

Большая часть процессов и оборудования, которые используются в настоящее время в нашей стране и за рубежом, была разработана и внедрена в период социалистической экономики. В связи с невысокой себестоимостью энергоресурсов в то время эффект от их сохранения при разработке процессов и конструирования оборудования учитывался не всегда, вследствие этого производства были и остаются достаточно энергозатратными [2].

Основным из направлений совершенствования процессов переработки рыбного сырья является внедрение энергосберегающих технологий, процессов и оборудования.

В рыбоперерабатывающей промышленности одним из наиболее энергозатратных является процесс сушки, что связано не только со свойствами обрабатываемых продуктов, но и с неэффективной организацией подвода энергии к продукту [3]. Тем не менее процесс сушки используется как самостоятельно, так и в составе других процессов. Полученные сушеные продукты питания и полуфабрикаты пользуются спросом у населения.

Нами было установлено, что малоисследованным способом снижения энергозатрат при сушке рыбы и рыбопродуктов является увеличение поверхности испарения влаги путем получения пор в исходном сырье [4]. Кроме того, снижение температуры процесса сушки за счет снижения давления позволяло уменьшить интенсивность термической обработки и повысить сохранность термолабильных витаминов исходного сырья.

На основании проведенного обзора научной литературы нами была выдвинута гипотеза, что повысить энергоэффективность процесса получения сушеных пористых продуктов можно путем предварительного порообразования внутри исходного сырья «микровзрывом» и снизить температуру термической обработки за счет применения вакуумной сушки [5].

Цель настоящей работы - исследование кинетики процесса вакуумной сушки при производстве сушеной рыбной продукции теоретическим расчетом и экспериментальным путем.

Исследование проводили на примере получения снеков из фарша бычка кругляка цилиндрической формы диаметром 30 мм, высотой 3 мм. Процесс сушки состоит из двух основных периодов: период постоянной и период падающей скоростей. Во время первого периода происходит процесс испарения воды со всей поверхности продукта, подвергающегося сушке. Скорость процесса будет оставаться постоянной, и она определяется лишь скоростью внешней диффузии или диффузией пара с поверхностного слоя материала. Процесс постоянной скорости сушки подчиняется закону Дальтона [6]:

йШ

где М - масса влаги, которая удаляется с 1 м2 поверхности в единицу времени, кг; Н, к - соответственно плотность пара над материалом и парциальное давление пара в воздухе, Па; РЬ - коэффициент испарения влаги в воздух (коэффициент интенсивности испарения).

В периоде падающей скорости сушки изменение влагосодержания определяется движением пара из внутренних слоев материала к его поверхности.

В теории сушки используется метод анализа внешнего тепломассообмена, основанный на совместном рассмотрении движения и неразрывности вязкого несжимаемого потока (формулы (2) и (3)), конвективно-диффузионного переноса паров влаги в движущемся сушильном агенте (формула (4)) и уравнения, описывающего поле температуры в потоке теплоносителя (формула (5)) [7]:

+

йх р

— + Шуро- 0,

й х

—+

й х

— +

й х

где ю, Р, С, ^ - искомые функции скорости, общего статического давления, концентрации влаги и температуры в потоке сушильного агента; р - плотность сушильного агента, кг/м3; V - кинематическая вязкость сушильного агента, м2/с; а - коэффициент температуропроводности сушильного агента, м2/с; О - коэффициент диффузии паров в сушильном агенте, м2/с.

В уравнения (2-5) входят критерии подобия, которые зависят от конкретных условий взаимодействия потока сушильного агента и поверхности испарения.

Для свободного движения теплоносителя известно следующее критериальное уравнение теплообмена:

Ыи = С -(От • Рг)"

( рг \

Рг

v ст у

а • I

ЫИ = а^ ,

к

От = ^ • в

V

V

Рг = -,

а

где № - критерий Нуссельта, ед.; Рг - критерий Прандтля, ед.; Ог - критерий Грасгофа, ед.; С, п - коэффициенты, зависящие от произведения (ОгРг), ед.; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м-К); X - коэффициент теплопроводности сушильного агента, Вт/(мК); I - характерный размер высушиваемого тела, м; в - коэффициент температурного расширения, К At - температурный напор, К.

Для учета движения воздуха в процессе сушки и изменения давления в уравнение (6) нами был введен поправочный коэффицент КР, учитывающий изменение коэффициентов Грасгофа и Прандтля. Таким образом, уравнение (6) приняло вид:

Ыи = С -

/ \0,25

Г Рг Л

Рг

V 1СТ У

• Кр.

Искомая величина скорости сушки определяется следующим уравнением:

-V• РГ • ^ = а • Р• —,

ах гс

где V - объем тела, которое подвергается сушке, м3; рТ - плотность тела, которое подвергается сушке, кг/м3; ¥ - площадь поверхности испарения, м2; I - температура процесса сушки, К; ¿М -температура мокрого термометра, К.

Для периода падающей скорости сушки при значительной энергии связи влаги с пористым материалом часто можно заметить, что скорость удаления влаги из части материала уменьшается пропорционально текущему значению влагосодержания частицы и температуре мокрого термометра [7, 8]:

-рг • Гс ^ = а¥

ат из - и

где и3 - второе критическое влагосодержание (влагосодержание в начале периода падающей скорости сушки); и4 - равновесное влагосодержание; и 4 - конечное влагосодержание продукта.

Необходимые для расчетов теплофизические свойства исследуемого продукта получены расчетным путем: плотность 1100...1220 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,67Вт/(м-оК), удельная теплоемкость 2970 Дж/(кг^0К).

Согласно общепринятой классификации влажных материалов, исследуемое рыбное сырье является коллоидным капиллярно-пористым телом. Для таких материалов определены следующие периоды сушки [9, 10]:

- период прогрева материала;

- период постоянной скорости сушки;

- период падающей скорости сушки.

0.25

п

Для процесса получения пористых продуктов на основе рыбного сырья характерным является дополнительный период порообразования после прогрева материала.

Для аналитического определения влагосодержания влажного материала в любой момент времени проводят математическое моделирование кинетики процесса порообразования и сушки. При этом аналитическое рассмотрение кинетики процесса в указанное время является трудным из-за сложности определения кинетических коэффициентов и движущих сил реальных процессов.

С учетом того, что изменение влагосодержания в каждом из периодов процесса порообразования и сушки рыбного сырья подчиняется разным законам, зависимость влагосодержания от времени для каждого из периодов процесса рассмотрели отдельно.

Для каждого из периодов процесса порообразования и сушки рыбного сырья определены граничные условия:

- период прогрева влажного материала: влагосодержание изменяется от начального и0 до влагосодержания и1; продолжительность периода - от 0 до т1;

- период порообразования: влагосодержание изменяется от и1 до первого критического и2; продолжительность периода - от т1 до т2;

- период постоянной скорости сушки: влагосодержание изменяется от первого критического и2 до второго критического и3; продолжительность периода - от т2до т3;

- период падающей скорости сушки: влагосодержание изменяется от второго критического и3 к равновесному и4; продолжительность периода - от т3 до т4.

Для построения теоретических кривых порообразования и сушки рыбного сырья в период постоянной и падающей скоростей использовали дифференциальные уравнения (11) и (12) соответственно.

Интегрирование уравнения (11) позволило нам получить зависимость изменения влагосо-держания во времени в период постоянной скорости сушки:

а. р г - /

и = и----—

Рту гс

Продолжительность периода постоянной скорости сушки определили из уравнения (13) в момент достижения влагосодержания и3:

х=

а' р. - {м )

Интегрирование уравнения (12) позволило нам получить зависимость изменения влагосо-держания во времени в период падающей скорости сушки:

и = в~А

А = а'-?м) .

Рт-Гс-У-

Продолжительность периода падающей скорости сушки т определили из уравнения (15), приняв конечное влагосодержание и4 = 0,13:

А -

х= ' и' -и4.

Определить продолжительность периодов прогрева и порообразования аналитически не представляется возможным, в связи с этим данные для построения кривой сушки взяты на основании экспериментальных исследований.

Аналитическое определение коэффициента теплоотдачи также невозможно, поэтому нами были построены семейства теоретических кривых сушки. На рис. 1 приведен пример семейства кривых порообразования и сушки для снеков при параметрах процесса давление 10 кПа, температура 55°С, плотность набивки снеков 1100 кг/м \

350

¡-300

—а=80 —а=100

—а=120 —а=140

0 50 100 150 200

Продолжительность процесса, мин.

Рис. 1. Семейство теоретических кривых изменения влагосодержания материала снеков во времени для процесса порообразования и сушки (параметры процесса: давление 10 кПа, температура процесса 55°С, плотность набивки снеков 1100 кг/м3

Экспериментальные исследования проводили на лабораторной установке, внешний вид и схема которой представлена на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид и схема исследовательской установки: 1 - рабочая камера; 2 - термовесы; 3 - перфорированная пластина с исследуемыми образцами; - водяная баня; 5 - вакуумнасос; 6 - ресивер; 7 - выключатель; 8 - контрольная лампа; 9 - терморегулятор; 10 - экран термовесов; 11 - экран показаний температуры в рабочей камере; 12 - датчик измерения температуры; 13 - кран игольчатый

Исходное сырье в виде фарша из бычка кругляка загружали в перфорированную пластину (3), которую размещали на термовесах (2) в рабочей камере (1). На водяной бане (4) рабочую камеру с образцами нагревали до рабочей температуры (50...60°С). В это время в ресивере (6) вакуум-насосом (5) снижали давление до абсолютного значения 5.10 кПа. После прогрева ресивер соединяли через кран с рабочей камерой, давление в системе выравнивалось на отметке 10.15 кПа, происходил «микровзрыв» - порообразование. Далее проводили вакуумную сушку при постоянной температуре и абсолютном давлении.

Для определения влияния введенного нами коэффициента КР на теоретические графики семейств кривых порообразования и сушки при разных значениях плотности набивки материала, давления и температуры в рабочей камере нанесли экспериментальные кривые при соответствующих переменных параметрах. Затем путем пошагового приближения теоретических кривых к экспериментальным определили значение коэффициента теплоотдачи а и коэффициента КР. По полученным значениям коэффициента КР построили кривую зависимости КР от величины давления Р (рис. 3). Программными средствами Microsoft Excel определили функциональную зависимость КР = f(P) (формула (18)) в диапазоне давления от 10 до 15 кПа.

К =-0,0529- Р + 6,3446

Дальнейшие экспериментальные исследования, проведенные с использованием метода многофакторного эксперимента, позволили определить рациональные параметры процесса получения снеков из фарша бычка кругляка [5], которые составили: температура процесса 55°С, абсолютное давление процесса 10 кПа, плотность набивки снеков 1100 кг/м3.

Для найденных нами рациональных параметров процесса порообразования и сушки рыбного сырья построили графики теоретических кривых процесса порообразования и сушки. На полученные графики наложили кривые на основании экспериментальных данных (рис. 4).

Рис. 3. Зависимость поправочного коэффициента КР от величины давления Р

5

I«.

1 -А- Теория

-♦»—Эксперимент

Продолжительность процесса, м

Рис. 4. Кривые изменения влагосодержания при производстве снеков из фарша бычка кругляка при рациональных параметрах процесса

Анализ графика (рис. 4) позволяет сделать вывод об адекватности проведенных теоретических исследований, потому что наибольшее отклонение результатов экспериментов от результатов теоретических расчетов не превышает 5,5%.

Аналогичные результаты получены для других комбинаций переменных параметров процесса порообразования и сушки рыбного сырья в пределах исследуемых диапазонов, что подтверждает точность проведенных исследований.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования кинетики сушки рыбного сырья подтвердили адекватность теоретических расчетов. Определена зависимость поправочного коэффициента в критериальном уравнении теплообмена от рабочего давления. Установлена зависимость влагосодержания от времени процесса порообразования и сушки рыбного сырья.

Литература

1. Панфилов В.А. Разработка образа пищевого предприятия середины XXI века как необходимое условие системного развития технологии и техники // Инновационные технологии и обо-

рудование для пищевой промышленности (приоритеты развития): материалы III Междунар. науч.-техн. конф. В 3 т. Т. 1. - Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., 2009. - С. 7-9.

2. Ершов A.M., Пахольченко B.A., Ершов M.A. Опыт внедрения современных технологий сушки и копчения рыбы на базе малых инновационных предприятий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2013. - Т. 15, № 6 (2). - С. 367-370.

3. Повышение энергетической эффективности процессов обезвоживания пищевого сырья / О.Г. Бурдо, И. B. Безбах, A.B. Зыков, Саид Axмед Омар // Интегрированные технологии и энергосбережение. - 2008. - № 2. - С. 23-28.

4. Яшонков A.A. Актуальные проблемы переработки рыбного сырья при производстве сушеной продукции // Вестник МГТУ. -2017. - Т. 20, № 3. - С. 628-635.

5. Яшонков A.A. Экспериментальное определение рациональных параметров процесса получения сушеных пористых продуктов из рыбного сырья // Ползуновский вестник. - 2017. -№ 4. - С. 47-51.

6. Hujimoto Masuro, Takahashi Hiroshi Производство порошкообразных пищевых продуктов с применением вакуумной сушилки непрерывного действия типа TS // Proc. Ves. Soc. Jap. Sugar re fin Technol. - 1991. - C. 77-80.

7. Чагин O.B., Кокина H.P., Пастин B.B. Оборудование для сушки пищевых продуктов. -Иваново: Иван. хим.-технол. ун-т, 2007. - 138 с.

8. Audsburger L., Shangraw R.J. // Pharmac. Sci. - 1968. - V. 57, № 4. - Р. 624-631.

9. Слезов B.B., Кутовой B.A., Николайчук Л.И. К теории испарения воды при термовакуумной сушке // Промышленная теплотехника. - 2006. - Т. 28, № 5. - С. 54-58.

10. Гинзбург A.С. Технология сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 248 с.

Информация об авторе Information about the author

Яшонков Александр Анатольевич - Керченский государственный морской технологический университет; 298309, Россия, Керчь; кандидат технических наук, заведующий кафедрой машин и аппаратов пищевых производств; jashonkov@rambler.ru

Yashonkov Aleksander Anatolevich - Kerch State Maritime Technological University; 298309, Russia, Kerch; Candidate of Technical Sciences, Head of Food Processing Machinery and Equipment Chair; jashonkov@rambler.ru