Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы тепло- и массообмена при сублимационной сушке материалов 7
1.1. Методы расчета процесса вакуум-сублимационного обезвоживания 8
1.2. Методы исследования тепло- и массообмена. 21
1.3. Пути интенсификации тепло- и массообмена при вакуум-сублимационной сушке пищевых продуктов 29
1.4. Цель и задачи исследования 40
Глава 2. Выбор объектов сушки и методика их предварительной подготовки 42
2.1. Общая характеристика объектов сушки 42
2.2. Определение температуры замораживания объектов сушки 48
2.3. Методика предварительной подготовки объектов сушки 53
2.4. Гигроскопические свойства обезвоженных пищевых продуктов 55
2.5. Методы определения показателей качества обезвоженных пищевых продуктов 59
Глава 3. Техника исследования тепло- и массообмена при сублимационной сушке пищевых продуктов . 61
3.1. Средства измерения параметров процесса и анализ погрешностей измерения 61
3.2. Разработка устройства для измерения парци ального давления водяного пара в вакууме . 63
3.3. Методика градуировки измерительного устройства бб
Глава 4. Исследование кинетики обезвоживания замороженных пищевых продуктов традиционным способом в различных вакуум-сублимационных установках 73
4.1. Техника и методика исследования 73
4.2. Влияние изменения давления водяного пара на характер процесса обезвоживания 75
Глава 5. Интенсификация процесса обезвоживания замороженных пищевых продуктов в вакууме при циклическом изменении давления 83
5.1. Физическая модель процесса. Аналитичес кое исследование тепло- и массообмена
в осциллирующем режиме давления 83
5.2. Экспериментальное исследование обезвоживания замороженных пищевых продуктов в вакууме при циклическом изменении давления 92
5.3. Зависимость коэффициента эффективной теплопроводности обезвоженных пищевых продуктов от давления паровоздушной среды 106
5.4. Зависимость коэффициента паропроницаемости обезвоженных пищевых продуктов от давления паровоздушной среды 114
5.5. Исследование сублимационного обезвоживания гранулированного свекольного сока 120
5.6. Оптимизация процесса сублимационной сушки свекольного сока при циклическом изменении давления 126
Глава 6. Практическая реализация результатов исследования 138
6.1. Разработка и испытание опытного образца устройства для измерения давления водяного пара в вакууме 138
6.2. Разработка "Изменения к технологической инструкции по производству свекольного сока сублимационной сушки" 143
6.3. Уточнение методики расчета продолжительности процесса сушки с применением осциллирующего режима 145
6.4. Производственные испытания установки УСС-5 в осциллирующем режиме 147
Основные результаты работы и выводы 150
Список литературы 152
Приложения 166
- Пути интенсификации тепло- и массообмена при вакуум-сублимационной сушке пищевых продуктов
- Методы определения показателей качества обезвоженных пищевых продуктов
- Разработка устройства для измерения парци ального давления водяного пара в вакууме
- Влияние изменения давления водяного пара на характер процесса обезвоживания
Введение к работе
Интенсификация технологических процессов и повышение качества пищевых продуктов являются важнейшими народнохозяйственными задачами, успешное выполнение которых вносит весомый вклад в решение Продовольственной программы СССР, принятой майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС.
Одним из прогрессивных методов консервирования скоропортящихся продуктов является метод сублимационной сушки, позволяющий получать продукты, которые с одной стороны по качественным показателям сопоставимы с натуральными и свежезамороженными, а с другой стороны не теряют своих свойств при хранении в среде с нерегулируемой температурой. Ввиду бесспорных преимуществ сублимационного обезвоживания во многих странах мира растет промышленное использование этого прогрессивного метода и в настоящее время в мире действуют 88 предприятий по выработке сублимированных продуктов, в том числе 35 - в Европе и 40 - в США. По данным фирмы "Сокальтра" (Франция) в 1976 г. в мире было переработано методом сублимационной сушки более 200 тыс.т сырья.
В СССР в настоящее время действуют 8 цехов сублимационной сушки, среди которых крупнейшим является цех сублимационной сушки на Детчинском экспериментальном комбинате овощных концентратов в Калужской области. В ассортимент выпускаемой этим цехом продукции входят следующие продукты сублимационной сушки: творог, репчатый лук, закусочные блюда, первые и вторые обеденные блюда, овощные и фруктовые соки и др.
Развитие сублимационного консервирования в нашей стране открывает новые пути решения народнохозяйственной задачи в обеспечении полноценными пищевыми продуктами полярных и дрейфующих станций и высокогорных труднодоступных районов, а также новых
населенных районов, где не налажена холодильная сеть,экипажей космических кораблей, специальных контингентов, геологических партий, алкпинистов, предприятий общественного питания и государственных резервов.
Однако существующие объемы производства продуктов сублимационной сушки в СССР не удовлетворяют в них потребности. Повышение эффективности сублимационного консервирования связано прежде всего с увеличением производительности сублимационного оборудования путем интенсификации тепло- и массообмена в процессе обезвоживания пищевых продуктов. Этой актуальной задаче посвящена данная работа.
Научная новизна. Разработан способ сушки некоторых пищевых продуктов ( свекольный сок, творог, репчатый лук) при осциллирующем режиме в период убывающего энергоподвода. Разработаны устройство для измерения парциального давления водяного пара в вакууме и градуировочная установка. Экспериментально определено распределение давления водяного пара в сублимационных установках периодического и непрерывного действия.
Практическая ценность. Разработанный способ сублимационной сушки при осциллирующем режиме прошел производственную проверку на Детчинском экспериментальном комбинате овщных концентратов на установке УСС-5. Годовой экономический эффект от применения осциллирующего режима сушки на установке УСС-5 составит на свекольном соке - 140 тыс. руб., на твороге - 145 тыс. руб. и на репчатом луке - 118 тыс. руб. Разработаны и рекомендованы к внедрению машинно- аппаратурная схема производства свекольного сока сублимационной сушки по безотходной технологии и " Изменение № I к Технологической инструкции" для этого же продукта, утвержденное Управлением пищеконцентратной промышленности и специальной пищевой технологии Минпищепрома СССР в 1984 году. Создан опытный образец
- 7 -устройства для измерения парциального давления водяного пара в
вакууме, которое было использовано для определения времени окончания сушки на промышленной установке УСС-5. Результаты исследований внешнего массообмена в процессе сублимационной сушки пищевых продуктов были использованы при разработке нового и модернизации существующего сублимационного обрудования.
В результате выполненной работы на защиту выносятся следующие основные положения:
устройство для измерения парциального давления водяного пара в вакууме;
влияние распределения давления водяного пара в сублимационных установках на интенсивность сушки;
способ сушки пищевых продуктов при осциллирующем режиме по давлению в период убывающего энергоподвода;
зависимость эффективной теплопроводности и паропроницаемости высушенных пищевых продуктов от давления среды;
зависимость удельного съема высушенного свекольного сока от концентрации сухих веществ и удельной нагрузки;
уточнение методики расчета продолжительности процесса сушки с применением осциллирующего режима по давлению.
Пути интенсификации тепло- и массообмена при вакуум-сублимационной сушке пищевых продуктов
Предыдущие годы развития сублимационного консервирования пищевых продуктов были периодом внедрения прогрессивной технологии обезвоживания, обеспечивающей получение высококачествен ных продуктов. Вместе с тем это был период энергоемкого производства, нестабильной работы новой техники и невысокой степени ее использования /7,20,45/.
Основными направлениями развития техники сублимационного консервирования в настоящее время являются: совершенствование сублимационного оборудования и повышение рентабельности этого способа консервирования за счет применения современных методов интенсификации процесса (табл. І.І.) /24, 41,42, 45, 31, 95/ , включающих в себя методы специальной подготовки материалов к сушке с целью развития поверхности испарения, методы интенсивного теплоподвода в зону сублимации и методы отвода водяного пара из зоны сублимации. В работах /з, 29, 41, 48, 52, 61, S6, J07/ показано, что развитие поверхности испарения может быть достигнуто гранулированием твердых, пастообразных и жидких материалов в виде замороженных частиц. Гранулы могут быть получены разными путями, одним из них является предварительное замораживание продуктов с последующим дроблением их при температурах ниже криогидратных. Так как при этом получаются замороженные частицы различных размеров, то после дробления необходимо произвести ситовое разделение гранул на одинаковые по размерам фракции.
Другим способом получения гранул является нанесение на поверхность охлажденного барабана слоя жидкого или пастообразного материала и последующее скалывание его в виде чешуек. Исследования гранулирования по этому способу были проведены во МНИИПП /91/ в НПО "Комплекс" /86/ на генераторах чешучайтого льда. В результате исследований установлено, что в зависимости от толщины чешуйки-пластинки изменяется насыпная масса и удельная нагрузка продукта на противень, что в свою очередь влияет на производительность сушильной установки.
Формирование гранул можно достичь с помощью инжектирования жидких материалов в движущийся поток жидкого азота через сопло /48/ , путем продавливания жидких материалов через капилляры или форсунки с последующим замораживанием /4V/
Однако наиболее рациональным является метод образования гранул путем впрыскивания обезвоживаемого жидкого материала в вакуум. В этом направлении проведены экспериментальные исследования Р.Гривсом /і09/.
Сублимационная сушка гранулированных материалов в неподвижном слое, по так называемому „статическому"способу, нашла широкое распространение. Исследования процесса сублимационной сушки с применением искусственных колебаний обезвоживаемого продукта в вакууме показали, что при этом, так называемом "динамическом способе" скорость сушки выше, чем при "статическом" /3,75/ . Это происходит потому, что частицы материала, перемещаясь по лотку, постоянно находятся в контакте с нагревательной поверхностью, которая одновременно является виброконвейером. Так, согласно данным фирмы пХеі ьо&/ У&юошм " производительность вибрационной каскадной сублимационной установки типа KVT-20 с поверхностью нагрева 20 м составляет 100 кг испаренной влаги в час.
Применение оребренных противней для сублимационной сушки гранулированных материалов позволяет значительно увеличить поверхность контакта обезвоживаемого продукта с теплоподводящими элементами - пластинчатыми ребрами, устанавливаемыми на дно противня и за счет этого увеличить в 2 раза удельную нагрузку сырья /86/
Однако, как справедливо отмечено в работе /95/ , в местах контакта гранулированного материала с ребрами происходит "краевой" эффект, который приводит к неравномерности сушки. Для сбалансирования теплопереноса предлагается использование системы противень - нагреватель, в которой угловые зоны слоя продукта выводятся за пределы действия нагревателя, а ребра утапливаются в слое продукта. Необходимо отметить, что при указанных способах интенсификации процесса обезвоживания металлоемкость противней возрастает в 2-3 раза.
Применительно к сушке некоторых жидких и пастообразных продуктов высокая интенсивность процесса может быть достигнута в "тонком слое" при такой толщине материала, когда сублимация льда осуществляется одновременно, во всем объеме при постоянных и достаточно высоких значениях теплового потока (до 9 кВт/м2) /4/
Основным методом подготовки жидких пищевых продуктов к сушке, позволяющим увеличить производительность сублимационного оборудования является концентрирование; об этом свидетельствуют результаты исследований сублимационной сушки экстрактов кофе, чая и апельсинового сока /Зі, 4S, б с\ 6j/.
Важным фактором, определяющим интенсивность процесса обезвоживания, является теплота, расходуемая на сублимацию льда и испарение водяного пара. Эффективность теплоподвода в значительной степени зависит от способа энергоподвода. В свою очередь, правильный выбор способа и режима теплоподвода определяется теплофизическими, массообменными и оптическими характеристиками обезвоживаемых материалов ///, 23, 63, 93/.
Экспериментальные исследования спектральных оптических характеристик различных материалов и пищевых продуктов, подвергаемых терморадиационной обработке и генераторов инфракрасного излучения, проведены во МТЖШе /23, 25, 46, 49, 74/ и МНЙЙППе /94/.
Установлено, что максимальная зона спектра поглощения продуктом энергии инфракрасного излучения совпадает с максимальной зоной спектра излучения для темных излучателей,, и находится в пределах (З-б) мкм, а небольшие значения пропускательной способности сухих продуктов свидетельствуют о том, что в процессе сушки интенсивное поглощение энергии происходит поверхностью продукта.
Методы определения показателей качества обезвоженных пищевых продуктов
В процессе обезвоживания и хранения сушеных пищевых продуктов устанавливается динамическое равновесие между ними и средой, которое характеризуется равновесной влажностью материала при данной относительной влажности среды. Зависимость этих величин обычно изображается в виде изотерм сорбции. Изотермы сорбции могут быть использованы для ряда практических целей: для определения пределов обезвоживания и соответствующих энергетических затрат, для анализа форм связи влаги с материалом, для определения термодинамических параметров и коэффициентов массопереноса, для выбора упаковки сушеного продукта, для определения влагосодержания, при котором начинается микробиологическое поражение продукта.
Для определения изотерм сорбции свекольного сока, творога и репчатого лука был использован тензометрический метод /25 27/ сущность которого заключается в том, что навеску продукта известной влажности помещают в эксикатор, где с помощью водных растворов кислот или солей различной концентрации создают соответствующую относительную влажность воздуха. Продукт выдерживают в эксикаторе до постоянной массы. По разности замеров судят о характере процесса сорбции. Во время опытов температуру 293 К поддерживали в термостате с точностью до ±1 К. Заданное значение относительной влажности создавали водным рас твором серной кислоты и брали равным 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9. Предварительными опытами экспериментально установлено, что при значениях относительной влажности более 0,9 и длительной выдержке из-за заплесневения происходит порча продукта. Взвешивание бюксов с образцами с первоначальной массой 1,0 г производили на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. Благосодержание и определяли по формуле: где тк т0 - значения массы соответственно до и после проведения опыта, г; U.о - начальное влагосодержание, тс - масса сухого образца, г. Величины ик и U0 определяли как среднеарифметические значения по формуле: где И - количество независимых измерений, /1=6, На рис. 2.4. показаны изотермы сорбции обезвоженных пищевых продуктов. Полученные изотермы сорбции имеют типичную для коллоидных капиллярно-пористых тел S -образную форму.
Вид изотерм свидетельствует о том, что по классификации БЭТ они относятся к изотермам II типа и в исследуемом диапазоне относительной влажности (Р = (0,05 - 0,9) на всех кривых можноусловно выделить две сингулярные точки, которые свидетельствуют об изменении механизма сорбции. Так первая точка переги ба W- 0,1 означает окончание монослойной конденсации и начало полимолекулярной конденсации, а вторая точка (f = 0,4 характеризует начало капиллярной конденсации влаги. Из приведенного графика следует, что свекольный сок сублимационной сушки резко отличается по гигроскопическим свойствам от репчатого лука и творога. Изотерма сорбции свекольного сока показывает, что влажность высушенного продукта, находящегося в среде с относительной влажностью воздуха (fz 0,35 превосходит допустимую норму, поэтому фасовка этого продукта должна проводиться в помещениях с (f 0,35.
Одной из термодинамических характеристик обезвоживаемого материала является энергия связи влаги с ним, которая позволяет оценить количество энергии, подводимое во время сушки. В работе /Q5/ показано, что в гигроскопической области энергия связи определяется структурой и гидрофильностью материала. За счет связывания влаги с материалом снижается давление водяного пара над его поверхностью, и соответственно уменьшается свободная энергия. Уменьшение свободной энергии при постоянной температуре определяется по формуле
Разработка устройства для измерения парци ального давления водяного пара в вакууме
Общеизвестно, что параметры тепло- и массообменных процессов влияют на их интенсивность и качество получаемого в результате обработки материала. В этом плане сублимационная сушка не является исключением. В данной работе для измерения физических величин в процессе вакуум-сублимационной сушки были применены следующие средства. Для непрерывного измерения массы обезвоживаемых пищевых продуктов в диапазоне (0 - 0,1) кг использовались квадрантные весы типа ВЛТК-500, у которых цена деления составляет 0,05 10 кг. Относительная погрешность измерения на этих весах наименьшего значения массы образца продукта 0,005 кг составляет Измерение температуры продукта, среды, поверхности нагревательных плит и поверхности десублимации осуществлялось хромель-копелевыми термопарами, диаметром термоэлектродов 0,1 мм. Тарировка и проверка термоэлектрических преобразователей проводилась в соответствии с ГОСТ 3044-74 с помощью потенциометра ПП-63 с классом точности 0,05. Показания термоэлектрических преобразователей в диапазоне температур (-50 200) С регистрировались 12-ти точечным потенциометром марки КСП-4, градуировки ХК, классом точности 0,5.
Измерение линейных размеров продукта и лотка проводилось штангенциркулем марки ШЦ-П с точностью до 0,05 мм. Относительная погрешность измерения наименьшего линейного размера 1,0 мм составляет cL«= 2 2Ё 100 = 5 %. Для измерения продолжительности использовался секундомер, точность которого составляет 0,25 с. Относительная погрешность измерения наименьшего значения времени Г = 15 с составляет S = 2i2 100 = 1,7 %. 15 Погрешность расчета скорости сушки ат можно определить по формуле: где 8т- погрешность измерения массы, %; (f - погрешность измерения времени, %; ZSf - погрешность измерения площади, %; здесь So - погрешность измерения длины, %. Для измерения давления паровоздушной смеси в диапазоне (I - 133) Па применялся термопарный вакуумметр марки ВТ-2А с датчиком-лампой ЛТ-2, работа которой основана на зависимости теплопроводности газа от давления. Значение давления определяется по градуировочной кривой в диапазонах (6,6 - бб) Па и (66 - 1-Ю "1) Па по току накала подогревателя лампы. Погрешность измерения давления термопарным вакуумметром составляет ±20 %. Для измерения давления в диапазоне (40 - 1600) Па применялся U -образный манометр, в котором из одного (сравнительного) сосуда непрерывно откачивался газ. В качестве рабочей жидкости использовался дибутилфталат. Порядок проведения измерения давления парогазовой смеси ел едущий. Вакуумиругот сравнительный сосуд до разрежения 1,0 Па, открывают трехходовой кран манометра и регистрируют значение давления по высоте столба жидкости в манометре с помощью катетометра КМ-6 с точностью до 1,0 Па. Относительная погрешность измерения наименьшего значения давления 40 Па U -образным манометром составляет L = 100 = 2,5 %. Р 40 Для измерения парциального давления водяного пара в диапазоне (0 - 660) Па использовалось устройство, описание которого приведено ниже. Применение кулонометрических влагомеров для анализа парогазовой смеси в вакуум-сублимационных установках открывает новые возможности в исследовании тепло- и массообмена при обезвоживании замороженных материалов в вакууме. Вместе с тем в кулонометрических датчиках дискретного действия результаты измерений искажаются из-за неполного поглощения влаги вследствие сорбции, десорбции водяного пара стенками датчика и разбрызгивания электролита при электролизе. С целью устранения этих недостатков нами было разработа но устройство с кулонометрическим датчиком проточного типа в дальнейшем для краткости именуемое "измерительное устройство", в котором анализ влажности парогазовой смеси осуществляется непрерывно. На рис. 3.1 показана схема измерительного устройства. Порядок включения и работы устройства заключается в следующем. Вначале включают вакуумный насос I, затем открывают запорный вентиль 2 и включают источник питания 7, осушивая таким образом кулонометрическую ячейку. По окончании осушки ячейки открывают регулировочный вентиль б так, чтобы установить необходимый расход парогазовой смеси, поступающей из исследуемой зоны сублимационной установки. По мере прокачки паровоздушной смеси через датчик происходит поглощение влаги гидрофильной пленкой датчика и ее электролиз. Значение тока электролиза регистрируется миллиамперметром 8, а значение парциального давления водяного пара определяют с помощью градуировочной кривой по току электролиза.
Влияние изменения давления водяного пара на характер процесса обезвоживания
Из графика следует, что в процессе обезвоживания разность давлений водяного пара в сублиматоре и десублиматоре л р снижается и в момент окончания сушки, по величине лр можно судить о влажности обезвоживаемого продукта, которая обычно характеризуется по температуре продукта.
Сравнение значений давления водяного пара, определяемого с помощью разработанного измерительного устройства Д и по таблицам насыщенного водяного пара Д в период сублимации льда показывает, что п р , тем самым подтверждается эмпирическая формула А.А.Лыкова р - 0,8 рЛ . На рис. 4.5 приведен график распределения разности парциальных давлений водяного пара в сублиматоре и десублиматоре по длине сублимационной камеры лабораторной установки непрерывного действия МТИММП при различных вариантах работы откачных патрубков. Из графика следует, что в зоне патрубка "А", характеризующийся максимальным испарением влаги из продукта, давление водяного пара выше, чем в зонах патрубков "Б" и "В", где происходит досушка продукта. Поэтому, когда патрубки "А" и "В" закрыты, а "Б" открыт (вариант б ) - парциальное давление водяного пара в зоне ПАИ превышает значение 150 Па, в результате чего происходит частичное плавление льда в гранулах продукта и прилипание их к вибролотку. В вариантах 6 и 7 продукт не высыхает и агломерируется ввиду того, что один откачной патрубок не обеспечивает перенос паровоздушной смеси.
Анализ экспериментальных данных по распределению давления водяного пара показывает, что оптимальным вариантом работы установки является вариант 2, обеспечивающий откачку паровоздушной смеси двумя патрубками, размещенными в зоне максимального испарения. На рис. 4.6 показаны кривые кинетики сушки репчатого лука на установке типа мМарк-1и. Из представленного графика видно, что с момента времени Г = 420 мин давление водяного пара в сублиматоре ниже, чем в десублиматоре. Очевидно, что в период досушки снижается количество водяного пара, выделяющегося из продукта, и давление водяного пара над продуктом снижается. В то же время давление водяного пара над поверхностью десублиматора соответствует упругости насыщенного водяного пара над льдом при температуре поверхности льда. Следовательно, можно считать, что на данном этапе сушки десублиматор сдерживает десорбцию водяного пара. Отделение десублиматора от сублиматора и вакуумного насоса и удаление паровоздушной смеси из сублиматора вакуумным насосом по байпасной линии подтвердило это предположение, удалось сократить продолжительность процесса на І ч (Приложение Ц). Полученные результаты согласовываются с выводами В.А.Воскобойникова /17/ о целесообразности своевременного отделения десублиматора от вакуумной системы в период досушки.
Таким образом, характер изменения давления водяного пара в сублимационных установках, зависящий от конструктивных элементов установки, влияет на интенсивность и продолжительность процесса обезвоживания замороженных пищевых продуктов в вакууме.
В процессе обезвоживания замороженных пищевых продуктов в вакууме традиционным методом при остаточном давлении (66-133) Па с углублением фронта сублимации образующийся сухой слой продукта оказывает значительное сопротивление теплопередаче и паропереносу, в результате чего снижается скорость сушки /W, 39, 4//.
С целью поддержания скорости сушки на высоком уровне Д.Меллором был предложен способ, сущность которого заключается в том, что обезвоживание осуществляется при циклическом изменении давления паровоздушной среды /НО, 124/ . В первом периоде цикла давление увеличивают путем напуска воздуха или инертного газа с высокой теплопроводностью,в результате чего интенсифицируется теплоподвод к продукту, но при этом происходит некоторое снижение скорости сушки.
Во втором периоде цикла давление снижают путем откачки вакуумным насосом. За счет аккумулированной теплоты продуктом в предыдущем периоде цикла и увеличивающейся разности давлений на поверхности продукта и в среде значительно увеличивается скорость сушки в периоде снижения давления, что приводит к интенсификации процесса в целом. Эффективность применения этого способа сушки зависит от свойств обезвоживаемого материала и вводимого в камеру газа, а также от параметров осциллирующего режима и возможностей вакуумной и холодильной систем установки поддерживать эти параметры. На рио. 5.1 изображена циклограмма давления парогазовой смеси, а на рис. 5.2 показана схема физической модели процесса обезвоживания замороженных материалов в вакууме при циклическом изменении давления.
Для описания физической модели процесса принимаем следующие допущения. 1. В процессе обезвоживания замороженного материала образуется осушенная область, которая продвигается от поверхности материала в сторону замороженной области. Граница раздела фаз между замороженной и осушенной областями является фронтом сублимации. Скорость движения фронта сублимации определяется процессами тепло- и массопереноса, описываемых уравнениями распределения температуры и давления в обезвоживаемом материале.
