DEVELOPMENT OF RATIONAL MODES OF CONVECTIVE-RADIATIVE SPRAY DRYING OF VEGETABLE ORIGIN PRODUCTS
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
(Head of the Department of Technological Machines and Equipment )
Russian Federation
Russian Federation
3.
Astrakhan State Technical University
4.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 14
to 18
Status:
Published
Received:
10.10.2015
Accepted:
21.02.2020
Published:
15.10.2015
Subject area:
UDK 664.8.047:536.24
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
heat and mass exchange processes, radial and convective spray drying, raw materials of vegetable origin, drying agent, modes of drying
Abstract (English):
The aim of the study is a rationalization of the drying process on the economically viable modes of drying to ensure the maximum performance with minimal loss of the product quality. It is proved that effective dehydration of the products examined (pureed pumpkin (brand "Volzhskaya seraya 92" and water althea and ginger extracts) with the initial product temperature 298 K at radial and convective spray drying is possible for the following ranges of the operating parameters: heat flux density - 2.8-3.6 kW/m2; input temperature of the drying agent - 423-493 K; specific consumption of drying agent per 1 kg of evaporated moisture not less than 20 kg/kg and the particle size of the sprayed extract - 20-30 micrometers. The set mode parameters allow you to organize effective dehydration of fruit and vegetable purees and plant extracts in sprayed condition. The developed modes are tested and recommended for practical implementation at the enterprises of various capacities, specialized in the processing of raw materials of vegetable origin.
The aim of the study is a rationalization of the drying process on the economically viable modes of drying to ensure the maximum performance with minimal loss of the product quality. It is proved that effective dehydration of the products examined (pureed pumpkin (brand "Volzhskaya seraya 92" and water althea and ginger extracts) with the initial product temperature 298 K at radial and convective spray drying is possible for the following ranges of the operating parameters: heat flux density - 2.8-3.6 kW/m2; input temperature of the drying agent - 423-493 K; specific consumption of drying agent per 1 kg of evaporated moisture not less than 20 kg/kg and the particle size of the sprayed extract - 20-30 micrometers. The set mode parameters allow you to organize effective dehydration of fruit and vegetable purees and plant extracts in sprayed condition. The developed modes are tested and recommended for practical implementation at the enterprises of various capacities, specialized in the processing of raw materials of vegetable origin.
Keywords:
heat and mass exchange processes, radial and convective spray drying, raw materials of vegetable origin, drying agent, modes of drying
heat and mass exchange processes, radial and convective spray drying, raw materials of vegetable origin, drying agent, modes of drying
Введение В современных условиях развития агропромышленного комплекса России интерес представляют нетрадиционные технологии переработки сырья растительного происхождения, производство концентратов, сухих пищевых и кормовых кусковых, порошковых и гранулированных продуктов. Продукты промышленной переработки плодов, овощей, ягод, лекарственных растений и трав активно используются при производстве пищевых продуктов массового потребления. Применение сухих порошковых форм длительного хранения экономически оправдано и технологически рационально [1, 2]. Совершенствованию энергоемкой операции сушки уделяется значительное внимание, т. к. именно обезвоживание в большей степени определяет стоимость готового продукта и, кроме того, оказывает влияние на качественные показатели товарной продукции [1, 2]. С учетом вышесказанного нами было проведено комплексное исследование конвективно-радиационной распылительной сушки растительных материалов на разработанной экспериментальной установке. Задачей исследования являлась рационализация сушильного процесса с точки зрения организации экономически целесообразных режимов сушки для обеспечения наибольшей производительности при минимальной потере качества продукции. Объекты и методы исследований В ходе комплекса экспериментов на экспериментальной установке были получены кривые распылительной сушки для исследуемых материалов и дана оценка влиянию на целевую функцию (эффективность сушки) изменения основных факторов, согласно методике, подробно описанной в [3-5]. В качестве экспериментальных образцов были использованы: - пюре из тыквы (сорт «Волжская серая 92»); процесс приготовления включал в себя стадии дробления, протирки и гомогенизации; начальная влажность перед сушкой составляла Wн = 0,92 кг/кг; - водные экстракты алтея и имбиря, полученные по традиционной технологии, включающей следующие стадии: измельчение сырья, подготовка экстрагента (очищенная вода); получение первичной вытяжки; отстаивание; фильтрация; вакуум-выпаривание; начальная влажность экстрактов перед сушкой составляла Wн = 0,95 кг/кг. В качестве целевой функции при рационализации, с учетом рекомендаций [3-5], была выбрана эффективность сушки, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3·ч): где GWк - производительность установки по сухому продукту - порошку, кг/ч; V - рабочий объем сушильной камеры, м3. , где GWн - производительность установки по исходному продукту, кг/ч; Wк - конечная влажность, достигаемая при сушке, кг/кг. Конечная влажность для всех материалов принята Wк = 0,05 кг/кг на основании предварительных исследований гигроскопических характеристик [6, 7]. При непрерывном установившемся процессе распылительной сушки длина пробега высушиваемых капель (частиц), а значит, и общая продолжительность процесса определяются объемом сушильной камеры. Таким образом, фактически рабочий объем сушильной камеры является функцией времени сушки τс. Зависимость рабочего объема сушильной камеры в экспериментальной установке от времени сушки τс для начального размера распыленных частиц 20-30 мкм была установлена экспериментально. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки при проведении экспериментальных исследований, были приняты: температура сушильного агента Tс.а, К, и плотность теплового потока Ер, кВт/м2. Границы варьирования факторов установлены с учетом технологических ограничений и возможностей технической реализации экспериментального процесса сушки. Остальные факторы, в том числе начальная температура продукта 298 К, приняты постоянными и установлены в результате аналитических расчетов и серии предварительных постановочных экспериментов. Текущая влажность образцов W, кг/кг, в ходе процесса для построения кривых сушки определялась по методу высушивания отобранных проб до постоянной массы в соответствии с ГОСТ 28561-90. Относительная ошибка при определении W не превышала εW = 7,3 %. По кривым сушки для различного сочетания значений влияющих факторов было определено экспериментальное время сушки τс исследуемых продуктов до принятой конечной влажности Wк. Результаты исследований В ходе исследований были получены следующие результаты. 1. Установлена зависимость целевой функции от факторов: где aw, bw, cw, dw, ew, fw, gw, hw, kw - эмпирические коэффициенты. Достоверность аппроксимации R2 составляла не менее 0,95. Размерность эмпирических коэффициентов равна отношению размерности функции к размерности аргумента (или произведения аргументов). 2. Построены поля значений удельной производительности (рис. - на примере пюре из тыквы). Поле значений удельной производительности при сушке пюре из тыквы 3. Определены рациональные значения варьируемых параметров и максимум целевой функции П (табл.). Рациональные значения варьируемых параметров и максимум П, кг/(м3·ч) Параметр Продукт П, кг/(м3·ч) Тс.а, К Ер, кВт/м2 Пюре из тыквы 0,722-1,140 423-473 2,8-3,6 Водный экстракт алтея 0,484-0,752 443-493 2,8-3,6 Водный экстракт имбиря 0,484-0,752 433-483 2,8-3,6 В ходе исследований доказано, что эффективное обезвоживание пюре из тыквы с Wн = 0,92 кг/кг и водных экстрактов алтея и имбиря с Wн = 0,95 кг/кг при начальной температурой продукта 298 К при радиационно-конвективной распылительной сушке с удельной производительностью по сухому порошку П до принятой Wк возможно для следующих диапазонов варьирования режимных параметров (табл.): плотность теплового потока Ер = 2,8-3,6 кВт/м2; исходная температура сушильного агента Тс.а = 423-493 К; удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги Qс.а ≥ 20 кг/кг; размер частиц распыленного экстракта 20-30 мкм. Анализ характера полей значений удельной производительности (рис., табл.) показал, что с ростом плотности теплового потока и температуры сушильного агента существенно интенсифицируются тепломассообменные процессы, что определяет рост функции при сокращении времени сушки. Тестирование установленных режимных параметров для исследуемых продуктов и комплекс дополнительных исследований влияния варьируемых факторов на производительность сушилки проведены на установке распылительной сушки Ohkawara Kakohki OL/OC-L8. При проведении экспериментальных работ оборудование работало стабильно, получены опытные образцы для последующих исследований. Выводы В ходе исследований установлено, что определенные режимные параметры позволяют организовать эффективное обезвоживание плодоовощных пюре и растительных экстрактов в распыленном состоянии. Следует отметить, что достигаемые значения эффективности установок по сухим порошкам сопоставимы с удельной производительностью промышленных сушилок, следовательно, при соблюдении условий масштабного перехода и при уточнении параметров в ходе пусконаладочных работ, разработанные режимы можно рекомендовать для практического внедрения на предприятиях различной мощности, специализирующихся на переработке сырья растительного происхождения. Рекомендованные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции сушильных установок после их модернизации, в частности РС-10Ф, РС-20 и т. д.
1. Aleksanyan I. Yu. Raspylitel'naya sushka rastitel'nyh ekstraktov. Teoriya. Praktika. Modelirovanie / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, O. A. Petrovichev: monogr. Germany, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing GmbH&Co.KG, 2011. 162 c.
2. Maksimenko Yu. A. Modelirovanie i sovershenstvovanie teplomassoobmennyh processov pri konvektivnoy sushke rastitel'nogo syr'ya v dispergirovannom sostoyanii / Yu. A. Maksimenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2013. № 2. S. 19-24.
3. Maksimenko Yu. A. Analiz vliyaniya osnovnyh faktorov na effektivnost' processa sushki syr'ya rastitel'nogo proishozhdeniya / Yu. A. Maksimenko, Yu. S. Feklunova, E. R. Telichkina // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2014. № 2 (58). S. 97-101.
4. Guba O. E. Issledovanie kinetiki raspylitel'noy sushki melanzha s uchetom vliyaniya osnovnyh faktorov na intensivnost' teplomassoobmena / O. E. Guba, Yu. A. Maksimenko // Estestvennye i tehnicheskie nauki. M., 2014. № 7 (75). S. 72-74.
5. Aleksanyan I. Yu. Sovershenstvovanie teplomassoobmennyh processov pri konvektivnoy sushke rastitel'nogo syr'ya v dispergirovannom sostoyanii / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, Yu. S. Feklunova // Tehnologii pischevoy i pererabatyvayuschey promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya. Voronezh, 2014. № 3. S. 48-53.
6. Maksimenko Yu. A. Termodinamika vnutrennego massoperenosa pri vzaimodeystvii plodoovoschnyh produktov s vodoy / Yu. A. Maksimenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2012. № 1 (53). S. 41-45.
7. Maksimenko Yu. A. Gigroskopicheskie harakteristiki i termodinamika vzaimodeystviya pektina i vody / Yu. A. Maksimenko, O. A. Petrovichev, R. A. Maksimenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2007. № 2 (37). S. 185-188.
