Исследование процесса сушки плодов яблок СВЧ-конвективным способом

TECHNICAL SUPPLY OF INDUSTRY

УДК 641.1

Исследование процесса сушки плодов яблок СВЧ-конвективным способом

М.Ж. Курбанова, К.О. Додаев, д-р техн. наук, профессор, Ж. М. Курбанов, д-р техн. наук, профессор Ташкентский химико-технологический институт

Сушка широко распространена в пищевой промышленности. Однако все труднее удается достичь значительного эффекта сушки фруктов и овощей традиционными методами, так как их возможности считаются сведенными к минимуму. Поэтому ныне эффективность сушки исследуется электрофизическими методами подвода энергии. Особенно многообещающим является использование энергии электромагнитных полей сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона [1, 2].

Нами проведены исследования СВЧ-конвективной сушки плодов и овощей на экспериментальной установке, представленной на рис. 1.

Экспериментальная установка для сушки в резонаторе собрана на базе СВЧ-печи «Электроника».

СВЧ-печь представляет собой единый блок, который включает: генератор СВЧ-энергии с пультом управления, сушильную камеру, воздушный тракт и систему измерения массы высушиваемого продукта. В д а н -

ной установке в качестве генератора СВЧ-энергии использован магнетрон с рабочей частотой 2450 МГц и мощностью 1,0 кВт. Сушильная камера установки представляет собой объемный резонатор прямоугольного сечения с габаритными размерами 400 х 350 х 250 мм.

В верхней части сушильной камеры расположено вращающееся устройство - диссектор, обеспечивающее равномерное распределение СВЧ-поля в камере. Для регулирования генерируемой мощности, поступающей в рабочую камеру, используется автотрансформатор, включенный в анодную цепь генератора СВЧ-энергии. Предел регулирования мощности в камере составляет 0,2 - 0,4 кВт.

Измерение массы высушиваемого продукта производится непосредственно в процессе сушки с помощью установленных в нижней части сушильной камеры весов ВЛК-500 с точностью измерения 0,01 г. К коромыслу весов присоединена диэлектрическая ось с подставкой, которая введена в сушильную каме-

Рис. 1. Общий вид лабораторной установки СВЧ-конвективной сушки: 1 - самописец КСП-4М; 2 - сосуд Дьюара; 3 - датчик температуры (термопара ХК); 4 - электродвигатель; 5 - датчик температуры; 6 - диссектор; 7 - волновод; 8 - СВЧ-генератор-магнетрон; 9 - сушильная резонаторная камера; 10 - вентилятор; 11 - калорифер; 12 - отверстия для воздуха; 13 - подставка весов; 14 - электронные весы ВЛК-500; 15 - исследуемый продукт

ру. Высушиваемые плоды и овощи размещаются на решетчатой рамке, выполненной из текстолита.

Нагретый калорифером воздух нагнетается в сушильную камеру вентилятором и направляется непосредственно на рамку с продуктом. Скорость воздуха регулируется в пределах 0,2 - 0,6 м/с с помощью заслонки вентилятора, а температура в пределах 293...383 °К - автотрансформатором. Вход и выход воздуха в сушильную камеру защищены металлической сеткой. Измерения температуры воздуха производятся датчиком температуры - термопарой (хромель-копель диаметром проволоки 0,2 мм) в комплекте с самописцем КСП-4М и сосудом Дьюара.

Температура плодов и овощей в процессе сушки в СВЧ-поле непосредственно измеряется специальным датчиком температуры, изобретенным профессором Ж.М. Курба-новым, выполненным в виде ампулы и капилляра из алюмобромсили-катного стекла и заполненного смесью 90%-ного диоксана, обладающего малой величиной 1дЬ = 0,5. Для уменьшения искажения электромагнитного поля в измеряемой точке в капилляре имеется воздушный столбик [3, 4].

Перед сушкой плоды яблок подвергаются тщательной мойке, очищаются от кожуры, нарезаются ломтиками толщиной в 5 мм. Приготовленный к сушке продукт размещается на подставку весов, устанавливаются датчики температуры и включается вентилятор, параметры воздуха в которых поддерживается постоянными в пределах

V = 0,1 - 0,3 м/с; Тв = 298 - 360 °К.

Включается СВЧ-нагрев. Подвод энергии в виде электромагнитных полей СВЧ-диапазона определенной мощности осуществлён до достижения температуры 323 К внутри продукта в течение 2 с в осциллирующем через каждые 1 - 2 мин режиме. Таким образом, продукт высушивается до достижения остаточной влажности 20%. Эксперименты проведены при следующих

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ ОТРАСЛИ

ТЕМА НОМЕРА

5 10 15 20 25 30 35 40 15 50 55 60 65 70 Т. мин

Рис. 2. Кривые сушки нарезанных яблок

Отметим, что каждому значению мощности СВЧ-генератора присуща эффективная масса высушиваемого продукта. Изменение массы нарезанных яблок от 0,05 до 1,0 кг показало, что при увеличении массы до 0,5 кг результаты по продолжительности сушки были одинаковыми, дальнейшее увеличение массы привело к увеличению времени сушки.

Анализ сушки нарезанных яблок различными методами энергоподвода показывает, что наиболее эффективной является сушка при комбинированном СВЧ-конвективном энергоподводе с прерывной подачей СВЧ-энергии.

При проведении эксперимента критерием качества продукта являлись его органолептические показатели: цвет, состояние поверхности, предельное напряжение продукта, усадка и др.

Результаты экспериментов показали, что на обугливаемость ломтиков сильно влияют скорость подаваемого воздуха и изменение мощности СВЧ-генератора. Предельное значение СВЧ-мощности в продукте определяется внутренним избыточным давлением, особенно в начале процесса сушки, вследствие чего резко происходит обугливание и образуется неравномерная поверхность.

Для нахождения области рационального режима сушки эксперимент планировали по матрице полнофакторного эксперимента ПФЭ-23. Переменными факторами были выбраны: мощность СВЧ-генератора с пределом варьирования Р = 0,4 -1 кВт, скорость воздуха v = 0,1 - 2 м/с, температура воздуха Т = 303...348 К.

Анализ результатов проведенного полнофакторного эксперимента показал, что для нарезанных яблок рациональной является сушка с мощностью СВЧ-генератора 0,36 кВт, скоростью

э

20 1

10

4 3 2

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 т. мин Рис. 4. Кривые сушки при различных мощностях СВЧ-генератора: 1 -Рсвч = 0,14 кВт; 2 - Рсвч = 0,20 кВт; 3 - Рсвч = 0,245 кВт; 4 - Рсвч = 0,36 кВт

Конвективная сушка проведена при следующем режиме:

Т = 323 К; V = 1 м/с;

в 'в / '

V = 70 - 80%.

мощностях генератора электромагнитных полей СВЧ-диапазона: 0,14; 0,25; 0,36 кВт [5].

На рис. 2 представлены кривые сушки плодов яблок, нарезанных пластинкой толщиной 5 мм по вышеизложенной методике для режима с мощностью СВЧ-энергии РСВЧ = = 0,38-0,4 кВт, скоростью воздуха

= 2-3 м/с и температурой обдуваемого воздуха Тв = 333.353 °К.

Продолжительность сушки до достижения 15%-ной влажности равна 16 мин, суммарное время подачи СВЧ-энергии 3 мин. В первом периоде сушки время включения СВЧ-энергии составляет 2 мин, во втором периоде - 1 мин.

На рис. 2 представлены кривые процесса сушки нарезанных яблок, полученных при различных методах.

Путём сравнительного анализа конвективного, СВЧ и СВЧ-конвективного способов сушки получены профили эффективности энергоподвода процесса сушки очищенных и нарезанных яблок.

Продолжительность сушки при этом составила 2,5 ч. Целесообразно отметить, что продукт получается темным и с большим короблением.

При СВЧ-сушке нарезанных яблок процесс интенсифицируется, однако удаляемая влага образует в СВЧ-камере влажную среду, которая приводит к потере СВЧ-энергии. Повышается избыточное давление на поверхность продукта, что тормозит испарение влаги.

Кривые кинетики сушки нарезанных яблок комбинированным СВЧ-конвективным способом энергоподвода показывают, что процесс протекает значительно интенсивнее. При значениях режимных параметров Р = 0,4 кВт; Тв = 353 К; V = 0,5 м/с продолжительность сушки составляет 16 мин.

Исследования кривых кинетики сушки при различных мощностях СВЧ-генератора, температуры и расходах подаваемого в сушильную камеру воздуха, направленного к массе продукта, показали, что отсутствует определенное соотношение между вышеуказанными факторами.

На рис. 3 и 4 приведены кривые сушки в зависимости от температуры сушки продукта и мощности СВЧ-генератора. Процесс сушки интенсифицируется пропорционально мощности СВЧ-генератора и температуре.

TECHNICAL SUPPLY OF INDUSTRY

воздуха v = 0,2 м/с и температурой воздуха 321 К.

Из кривых сушки, приведенных на рис. 4, видно, что при таком режиме общая продолжительность сушки составляет 35 - 40 мин. Суммарное время подачи СВЧ-энергии - 14 -16 мин, в первом периоде сушки частота включения СВЧ-энергии - через каждые 2 мин, во втором периоде -через 1 мин. Максимальная температура яблок при этом составляла 336 К.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург, А. С. Расчёт и проектирование сушильных установок пищевой промышленности/А. С. Гинзбург. - М.: Агропромиздат, 1985. - 335 с.

2. Рогов, И.А. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов/И.А. Рогов, С.В. Некрутман. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 212 с.

3. Курбанов, Ж. М. Научные основы интенсификации процессов гигротерми-ческой обработки продуктов питания:

дис. ... д-ра техн. наук. - М.: МТИПП, 1992. - 300 с.

4. Курбанов, Ж.М. Экспериментальное исследование процесса сушки продуктов питания в электромагнитном поле/Ж.М. Курбанов, А.Х. Солиев. - Самарканд, 1990. - 85 с.

5. Курбанов, Ж.М. Электрофизические методы воздействия на продукты питания сервисных предприятий: Монография/Ж. М. Курбанов, У. Р. Ходжаева. -Ташкент: «И^со^шоНуа», 2012. - 159 с.

Исследование процесса сушки плодов яблок СВЧ-конвективным способом

Ключевые слова

магнетрон; процесс сушки; СВЧ-обработка; энергоподвод; яблоки Реферат

Поскольку возможности конвективной и контактной сушки сведены к минимуму, ныне активно ведутся исследования сушки на основе эффективного использования электрофизических методов подвода энергии. Особенно многообещающим является использование энергии электромагнитных полей сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Проведены эксперименты на лабораторной СВЧ-установке с резонатором для сушки, собранной по схеме авторов. В нём использована стандартная СВЧ-установка марки «Электроника», состоящая из единого блока, который включает: генератор СВЧ-энергии с пультом управления, сушильную камеру, воздушный тракт и систему измерения массы высушиваемого продукта. В данной установке в качестве генератора СВЧ-энергии использован магнетрон с рабочей частотой 2450 МГц и мощностью 1,0 кВт. Сушильная камера установки представляет собой объемный резонатор прямоугольного сечения с габаритными размерами 400 х 350 х 250 мм. В верхней части сушильной камеры расположено вращающееся устройство - диссектор, обеспечивающее равномерное распределение СВЧ-поля в камере. Для регулирования генерируемой мощности, поступающей в рабочую камеру, используется автотрансформатор, включенный в анодную цепь генератора СВЧ-энергии. Предел регулирования мощности в камере составляет 0,4 - 0,2 кВт. Измерение массы высушиваемого продукта производится непосредственно в процессе сушки с помощью установленных в нижней части сушильной камеры весов ВЛК-500. Нагретый калорифером воздух нагнетается в сушильную камеру вентилятором и направляется непосредственно на рамку с продуктом. Скорость воздуха регулируется в пределах 0,2 - 0,6 м/с с помощью заслонки вентилятора, а температура -в пределах 293...383 К автотрансформатором. Температура плодов и овощей в процессе сушки в СВЧ-поле непосредственно измеряется специальным датчиком температуры, изобретенным профессором Ж.М. Курбановым. Датчик выполнен в виде ампулы и капилляра из алюмобромсиликатного стекла и заполнен смесью 90%-ного диоксана, обладающего малой величиной tgb = 0,5. Для уменьшения искажения электромагнитного поля в измеряемой точке в капилляре используется воздушный столбик. Объектом сушки являются яблоки, очищенные и нарезанные ломтиками толщиной 5 - 10 мм. Целью экспериментов является сравнительный анализ способов конвективной, СВЧ- и комбинированной (СВЧ-конвективной) сушки при варьировании температуры в резонаторе, мощности СВЧ-установки и скорости воздуха. Проанализированы кривые сушки плодов яблок, нарезанных пластинкой толщиной 5 мм по вышеизложенной методике для режима с мощностью СВЧ-энергии Рсвч = 0,38 - 0,4 кВт, скоростью воздуха и температурой обдуваемого воздуха. Проанализированы кривые сушки нарезанных яблок, полученных при различных методах:

1 - конвективном методе (Т =333 К, V = 2 - 3 м / с),

2 - СВЧ-методе (Р = 0,4 кВт), в3 - комбинированном СВЧ-конвективном методе (Р ч = 0,36 кВт, Т = 321 К, V = 0,3 м/с), 4 - комбинированном сВЧ -конвективном методе (Р = 0,4 кВт, Т = 353 К, V = 3 м/с). Сравнительный анализ кривых, полученных двумя способами, показал эффективность использования разработанного СВЧ-конвективного способа сушки (мощность СВЧ-генератора - 0,36 кВт, скорость воздуха v = 0,2 м/с и температуры воздуха 321 К).

Авторы

Курбанова Мадина Жамшедовна, Додаев Кучкор Одилович, д-р техн. наук, профессор, Курбанов Жамшед Мажидович, д-р техн. наук, профессор

Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, 100011, г. Ташкент, ул. Навои, д. 32, madinakurbonova@mail.ru

Research of Process of Drying Fruits of Apples by Microwave-Convective Method

Key words

magnetron; drying; Microwave treatment; Energy transport systems; apples

Abstracts

As opportunities convective and contact ways of drying are minimized, researches of drying on the basis of effective use of electro physical methods of a supply of energy are nowadays actively conducted. Especially promising are use energy of electromagnetic fields of super high frequency (microwave oven) range. There are done experiments on laboratory microwave installation with the resonator for the drying collected according to the scheme of authors. In it installation of the Electronics brand consisting of the uniform block which includes is used standard by the microwave oven: the microwave energy generator with the control panel, the drying camera, an air path and system of measurement of mass of the dried-up product. In this installation in quality of the generator of microwave energy the magnetron with a working frequency of 2450 MHz and 1,0 kW is used. The drying camera of installation represents the volume resonator of rectangular section with overall dimensions 400 x 350 x 250 mm. In the top part of the drying camera the rotating device - the dissector, the providing uniform distribution of a microwave field in the camera is located. For regulation of the generated power coming to the working camera the autotransformer which is switched on in an anode chain of the generator of microwave energy is used. The limit of regulation of power in the camera makes 0,4 - 0,2 kW. Measurement of mass of the dried-up product is performed directly in the course of drying by means of the scales of the VLK-500 type established in the lower part of the drying camera. The air heated by a heater is forced in the drying camera by the fan and goes directly to a frame with a product. Speed of air is regulated within 0,2 - 0,6 m/s by means of the fan gate, and temperature within 293-3830 K - the autotransformer. Temperature of fruits and vegetables in the course of drying is directly measured in a microwave field by the special sensor of temperature invented by professor Kurbanov Zh.M., made in the form of an ampoule and a capillary of aluminebromidesilikate glass and filled with mix of 90% - a foot of the dioxane possessing the small size tg b = 0,5. For reduction of distortion of an electromagnetic field in the measured point in a capillary the air column is used. Object of drying process is chosen peeled and sliced 5 - 10 mm thick apple. The purpose of the experiments is the comparative analysis of the convective, microwave and combined microwave and convective drying methods by varying the temperature in a rezonator, power of microwave-set and air velocity. Curves of drying of fruits of the apples cut by a plate 5 mm thick by the above technique for the mode with a power of microwave energy of PSHF = 0,38 - 0,4 kW, the speed of air and temperature of the blown air are analysed. Curves of drying of the cut apples received at various methods are analysed: 1 - TV convective method =333 K, = 2 - 3 m/s; 2 - Microwave method P = 0,4 kW; 3 - the combined microwave convective method at parameters of PSHF = 0,36 kW, Td = 321 K, V= 0,3 m/s; 4 - the combined microwave convective method at parameters of PSHF = 0,4 kW, Td = 353K, V = 3 m/s. There are obtained drying curves comparative analysis of which showed the effectively of microwave and convective drying method, it is a rational at the power of microwave generator - 0,36 kW, the air velocity Va = 0.2 m/s and temperature 321 K. The comparative analysis of the curves received in two ways showed efficiency of use of a microwave convective way of drying, rational is at the microwave generator power - 0,36 kW, speed of air v = 0,2 m/s and air temperatures 321K.

Authors

Kurbanova Madina Zhashmedovna, Dodsev Kuchkor Odilovich, Doctor of Technical Science, Professor, Kurbanov Zhashmed Mazhidovich, Doctor of Technical Science, Professor

TashkentChemical and Technological Institute, 32, Navoi St., Tashkent, Uzbekistan, 100011,madinakurbonova@mail.ru