WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«ВИНИЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ В ВАКУУМАППАРАТЕ С СВЧ - ЭНЕРГОПОДВОДОМ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 – ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

ВИНИЧЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА

СУШКИ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ В ВАКУУМАППАРАТЕ С СВЧ - ЭНЕРГОПОДВОДОМ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 – ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор Антипов С.Т.

Воронеж

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения ………………………………………… Введение …………………………………………………………………….

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛОДОВ

СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ …………………………………………… 1.1 Общая характеристика плодов смородины черной……........……... 1.2 Существующие способы хранения и переработки ягод……………. 1.3 Обзор современной техники и технологии производства сушеных ягод…………………………………………………………………….. 1.4 Краткий обзор установок для проведения тепломассообмена с использованием СВЧ-энергоподвода…………………………..….. 1.5 СВЧ - нагрев как перспективный вид энергоподвода…………….... 1.6 Особенности воздействия СВЧ-энергии на пищевые продукты….. 1.6.1 Взаимодействие электромагнитного СВЧ-поля с пищевыми продуктами……………………………………………………………. 1.6.2 Влияние СВЧ-нагрева на качественные показатели пищевых продуктов………………………………………………………………. 1.7 Анализ существующих подходов к математическому описанию переноса теплоты и массы при сушке продуктов с СВЧэнергоподводом………………………………………………………. Основные выводы, постановка целей и задач исследования…………..

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ




ЧЕРНОЙ КАК ОБЪЕКТА СУШКИ……………………………….. 2.1 Исследование теплофизических характеристик плодов смородины черной…………………………………………………………………... 2.2 Определение электрофизических свойств плодов смородины черной…………………………………………………………………... 2.3 Изучение изотерм десорбции плодов смородины черной…………

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПЛОДОВ

СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ………. 3.1 Математическая модель……………………………………………….. 3.1.1 Описание в модели формы плода и структуры слоя плодов………………………………………………………………….. 3.1.2 Описание в модели основных процессов тепло- и влагопереноса………………………………………………………….. 3.1.3 Начальные и граничные условия, допущения модели………. 3.1.4 Программная реализация модели……………………………… 3.1.5 Особенности проведения компьютерного эксперимента…… 3.2 Влияние параметров процесса сушки на ее эффективность……….. 3.2.1 Решение уравнений математической модели ………………… 3.2.2 Кинетика СВЧ-сушки плодов смородины черной…………….. 3.2.3 Влияние мощности СВЧ-излучения на эффективность сушки 3.2.4 Влияние толщины слоя плодов на эффективность сушки…… 3.2.5 Влияние давления окружающей среды на эффективность сушки…………………………………………………………………… Основные результаты и выводы…………………………………………...

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ СУШКИ ПЛОДОВ

СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ С СВЧ-ЭНЕРГОПОДВОДОМ………. 4.1 Описание экспериментальной установки и порядка проведения 4.2 Планирование и обработка результатов эксперимента……………….. 4.2.1 Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов………………………………………………………………… 4.3 Исследование влияния основных факторов на кинетику процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧэнергоподводом………………………………………………………… 4.3.1 Исследование зависимости кинетики сушки от высоты слоя 4.3.3 Определение зависимости кинетики процесса сушки от величины давления…………………

4.4 Многофакторный статистический анализ процесса вакуумной 4.5 Определение качественных показателей высушенных плодов

class='zagtext'>ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ И

5.1 Разработка технологической линии для производства сушеных ягод 5.2 Разработка вакуумной сушилки непрерывного действия с СВЧ – энергоподводом………………………………………………………… 5.3. Разработка загрузочно – дозировочного устройства карусельного Библиографический список ………………………………………………. Приложения …………………………………………………………………. i – номер элемента;

mi – масса i-го элемента, кг;

di диаметра i-го элемента, м;

xi, zi – декартовы координаты элемента;

t – время, с;

NЭ – количество элементов;

j – номер элемента, возможно контактирующего с i-м элементом;

сij – коэффициент жесткости, Н/м;

dij – коэффициент вязкости взаимодействия элементов, м/с;

rij – расстояние между центрами элементов i и j, м;

vxi, vzi – декартовы составляющие скорости i-го элемента;

dВ – расстояние ограничения взаимодействия между элементами, м;

g – ускорение свободного падения, м/с;





kв – коэффициент передачи влаги при испарении с границы;

Т – коэффициент передачи температуры от окружающей среды к элементу;

Wокр – влажность газа вблизи слоя плодов, г/м;

Tокр – температура газа вблизи слоя плодов, К;

pатм – атмосферное давление, кПа;

p – давление окружающей среды, кПа;

CS – теплоемкость среды в целом, Дж/К;

– критерий фазового превращения жидкости в пар;

– дифференциальный оператор набла;

– локальный коэффициент теплопроводности, Вт/м·K;

С – теплоемкость жидкости, Дж/К;

D, DТ – коэффициенты диффузии, м/с;

QСВЧ – теплота, выделяющаяся в среде под действием СВЧ-излучения, Дж.

t – шаг интегрирования по времени, с;

D0 – коэффициент диффузии влаги при комнатной температуре, м/с;

kD – коэффициент экспоненциального роста коэффициента диффузии;

TК – комнатная температура, ОС.

– коэффициент температуропроводности, м/с;

kв – коэффициент передачи влаги при испарении с границы;

Т – коэффициент передачи температуры от окружающей среды к элементу.

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии со стратегией развития сельского хозяйства России, в целях обеспечения населения полноценной и дешевой «продовольственной корзиной», особое внимание должно уделяться вопросам производства тех культур, которые в наибольшей степени приспособлены к местным условиям.

Базовой культурой в современном ягодоводстве является смородина черная, при возделывании которой достигнут максимальный уровень механизации, включая уборку урожая.

Смородина чёрная - широко распространённая ягодная культура в мире, производство ягод которой в год составляет около 1300…1350 тыс.

т и сосредоточено в основном в Польше и Германии. Объемы производства черной смородины в России составляют 220…250 тыс. т в год. Посевная площадь сельскохозяйственных организаций и фермерских хозяйств составляет 4 - 4,5 тыс. га. В ЦЧР посевные площади черной смородины сосредоточены в Острогожском, Мичуринском и Жердевском плодопитомниках.

Так как конечной целью сельхозпроизводителей является не все возрастающие объемы производства продукции, а реализация ее по наиболее выгодной цене, то в связи с этим, особое значение имеют вопросы по послеуборочной переработке ягод, их сортировка, упаковка, продление периода реализации-все это позволяет существенно повысить конкурентоспособность продукции и получить больший доход. Поэтому сушка ягод, как способ сбережения урожая, находит все большее применение.

На сегодняшний день существует несколько промышленных технологий сушения плодов смородины черной: конвективная, кондуктивная, сублимационная, инфракрасная, высокочастотная. Особого внимания заслуживает технология высокочастотной сушки, т.к. эта технология обезвоживания позволяет сохранить витамины и другие биологически активные вещества исходного продукта. Высушенные ягоды обладает хорошими потребительскими свойствами, при этом не содержит консервантов, т.к.

воздействие электромагнитных волн сверх высокой частоты уничтожает вредную микрофлору в продукте, благодаря чему он может сохраняться около года без специальной тары, в условиях, которые исключают образование конденсата. Все эти факторы позволяют сделать вывод о том, что применение СВЧ – энергоподвода для сушки ягод смородины черной позволяет производить сушеные продукты высокого качества.

Наиболее ценным компонентом плодов смородины черной является витамин С. Его содержание в плодах составляет от 200 до 300 мг %. Так как сушка плодов смородины черной сопряжена с увеличением температуры продукта, что неминуемо приводит к потерям витамина С, то необходимыми требованиями современного способа сушки является снижение температуры высушиваемого продукта и интенсификация процесса обезвоживания.

Применение вакуума совместно с СВЧ-энергоподводом при сушке ягод позволяет достичь требуемых показателей качества готового продукта и значительно интенсифицировать процесс.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что актуальной задачей является исследование процесса сушки плодов смородины черной в вакуумаппарате с СВЧ-энергоподводом и совершенствование на этой основе процесса, способа и оборудования для его осуществления.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ ЧЕРНОЙ

1.1 Общая характеристика плодов смородины черной В настоящее время важное социально-экономическое значение имеет проблема здорового питания населения России. Изучение витаминного статуса жителей ряда регионов показало, что дефицит витаминов в суточных рационах 40 — 80 % населения составляет: по витамину C — 50 — 80 %, витамину E до 15%, витамину В до 10%, витамину В6 до 32%, каротину — более 40%.

Отмечается недостаток кальция — до 40%, фосфора - до 10%, железа до 20%, цинка - до 40%, селена - до 80%. Обеспечение нормальной жизнедеятельности организма человека возможно только при соблюдении сложных соотношений между многочисленными факторами питания.

Основное внимание при этом необходимо обращать на использование местного сырья растительного происхождения, обладающего наиболее усвояемыми нутриентами и обеспечивающего укрепление антиоксидантной защиты и неспецифического иммунитета человеческого организма. Мы видим, что данная проблема достаточно актуальна в наше время. Одним из наиболее эффективных и экономически доступных способов массового улучшения обеспечения населения биологически активными веществами является регулярное включение в рацион плодов и ягод.

Смородина черная (рис 1.1) наиболее распространенная ягодная культура. Она ценится за высокие лечебно-диетические качества ягод, пригодность их почти для всех видов технической переработки, скороплодность, урожайность, зимостойкость, легкость размножения и возможность полной механизации возделывания и уборки урожая. Ягоды смородины имеют не только медицинское значение, но широко используются в качестве продуктов питания. Ягоды и листья черной смородины применяют как витаминное средство при цинге и других гипо- и авитаминозах, а также при многих истощающих заболеваниях. Ягоды смородины широко используют в свежем виде в пищу, а также для промышленности. Листья служат сырьем для получения эфирного масла, используются при засолке овощей и для продажи на экспорт.

Рис. 1.1 – Смородина черная (витамина В до 0,25 мг%) и РР (никотиновая кислота). Витамин С находится не только в плодах, но и в почках (150…180 мг%), листьях (16.376 мг %), бутонах (360…453 мг %), цветках (238…274 мг %) [70]. Смородина, (Ribes nigrum L) семейство камнеломковые, представляет собой кустарник высотой 1-2 м с опущенными, пахучими желто – серыми побегами. Цветет в мае – июне, плоды созревают в июле – августе. Ягода крупная, 10-15 (20) мм в диаметре. Черная смородина – типичное лесное растение. Широко распространено в европейской части России (кроме самых южных районов) и Сибири. Реже встречается в горных районах Восточного Казахстана [15].

органическими кислотами и разнообразными микроэлементами: марганцем, железом, фосфором, калием и др.

Ягоды черной смородины используют как лекарственное средство.

Применяют при кровоточивости десен, язве желудка, двенадцатиперстной кишки, гастритах с повышенной кислотность желудочного сока.

Ягоды черной смородины содержат витамины, аскорбиновую кислоту (до 0,4%), тиамин (витамин В1) и каротин (до 0,003%), рибофлавин (B2) до 0,05 мг, ниацин (B3) - 0,3 мг, пантотеновая кислота (B5) - 0,398 мг, пиридоксин (B6) до 0,066 мг, сахара (4,5-16,8%), органические кислоты – в основном лимонную и яблочную (2,5-4,5%), дубильные вещества (0,43%), пектиновые вещества (до 0,5%), антоциановые соединения цианидин и дельфинидин и их гликозиды; кверцетин и изокверцетин; почки – эфирное масло (до 0,06%), в состав которого входят d-пинен, 1- и d-сабинен, d-кариофиллен, стерпеновый спирт и фенолы; листья – эфирное масло и аскорбиновую кислоту (0,25%) [71].

Плоды, кроме того, содержат:

1. макроэлементы (мг/г) – К – 22,2, Са – 5,5, Mg – 2,4, Fe – 0,06;

2. микроэлементы (мкг/г) – Mn – 0,09, Cu – 0,57, Zn – 0,55, Со – 0,04, Мо – 0,8, Cr – 0,08, Al – 0,06, V- 0,02, Se- 1,0, Ni – 0,26, Sr – 0,09, Pb – 0,07, В – 35,6; концентрируют Se, Cu, Zn [51].

аминокислот в плодах черной смородины [84]. В таблице 1.1 представлено содержание незаменимых аминокислот в растительных белках, получаемых из ягод земляники, ежевики, смородины, облепихи и малины, а также в идеальном белке по стандарту FAO/WFIO.

Таблица 1.1 – Содержание аминокислот в некоторых ягодах п/п Аминокислота РАО/ Земляника Ежевика Смородина Облепиха Малина Фенилаланин+ Как видно из представленной таблицы, черная смородина нисколько не уступает представителям других ягодных культур, но и по многим лидирующей.

Также был проведен анализ основных физических характеристик черной смородины по данным различных источников, приведенных в таблице 1.3 [39].

Таблица 1.2 – Некоторые физические характеристики черной смородины истинная физическая пороз плотност плотность, ность 1.2 Существующие способы хранения и переработки ягод В условиях обостряющейся конкурентной борьбы на мировом рынке производства продуктов с длительным сроком хранения значительное место уделяется именно качеству полученного продукта. Поэтому важным является выбор способа консервирования продукта, который будет определять, собственно говоря, не только качество готового продукта, но и его конечную стоимость. Для этого нам необходимо провести анализ существующих способов и подходов к хранению и переработке ягод и выбрать из них наиболее эффективный.

Для хранения ягод, фруктов и овощей применяют различные способы, основными их которых являются: охлаждение, замораживание, хранение в регулируемой газовой среде, герметичное упаковывание продукта (Xtend технология), сушка с применением различных способов подвода тепла.

Остановимся на каждом из этих способов поподробнее.

Охлаждение позволяет увеличить стойкость, временно сохраненяя качества продукта, которое достигается при температуре около 0 0С, т. к. при микробиологических изменений. При снижении температуры хранения на С (относительно 0 0С) скорость изменений в продукте уменьшается еще в 2– 3 раза.

При хранении охлажденных продуктов существенное значение имеет относительная влажность и скорость циркуляции воздуха. Рекомендуемая относительная влажность воздуха составляет 80–90 %. Чрезмерное повышение влажности воздуха и наличие застойных зон в хранилище создает опасность развития микрофлоры. Наряду с этим поддержание слишком низкой относительной влажности (ниже 40–50 %) способствует усушке продуктов особенно при хранении в негерметичной упаковке.

Для создания благоприятных условий хранения применяются системы кондиционирования, обеспечивающие достаточную скорость движения воздуха по всему объему камеры. В большинстве случаев рекомендуемая скорость движения воздуха вблизи поверхности продукта составляет 0,1-0, м/с, иногда применяют более высокие скорости движения воздуха до 0,5-0, м/с.

Качественные изменения, происходящие в растительных продуктах, микрофлоры, в частности психрофильных микроорганизмов Pseudomonas, Flavobacterium и некоторых видов плесени Monilia, Penicillium, Cladosporium.

На изменение качественных показателей продукта (внешний вид, вкус и др.) существенно влияет степень усушки, которая обычно значительно ниже при хранении продуктов в замороженном состоянии [30].

Растительные продукты в охлажденном состоянии могут храниться до 20 дней. Увеличение сроков их холодильного хранения возможно при применении дополнительной обработки, например, антибиотиками, ультрафиолетовым облучением, озонированием камер хранения [3].

В последнее время успешно применяют метод хранения плодов в условиях модифицированной и регулируемой газовой среды с повышенным содержанием азота, углекислого газа и пониженным содержанием кислорода.

Замораживание достигается при температурах -20 -30 0С, при которых существенно затормаживается развитие микроорганизмов и не проявляется обезвоживание продукта в результате фазового превращения воды в лед [33].

кондиционирование и др.) на стойкость продуктов при хранении различно и зависит от температурного режима. При более высоких температурах внутренних слоев стойкость замороженных продуктов при хранении может определяться фазовыми превращениями воды в лед. При понижении температуры относительное влияние последнего фактора на стойкость продукта постепенно уменьшается. Однако это имеет второстепенное значение, так как оба явления взаимосвязаны и практическое значение будет иметь суммарный эффект их воздействия. Как показали исследования [87] стойкость продуктов к сохранению их качества возрастает с понижением температуры, причем эта закономерность справедлива как для растительных, так и животных продуктов (рис.1.2). Сильно выраженное повышение стойкости наблюдается при хранении продуктов в замороженном состоянии замороженных продуктов при хранении Рис.1.2 – Кривые стойкости при хранении охлажденных и замороженных продуктов в зависимости от температуры хранения: 1 – овощи; 2-ягоды.

охлажденном состоянии [37,42]. Если учитывать все требования к состоянию и свойствам сырья, способам обработки, методам замораживания, то качественные показатели замороженных продуктов должны быть выше, чем у продуктов, консервированных другими способами.

Для холодильного консервирования продуктов применяются два метода: замораживание в условиях частичного подсушивания и сушку в замороженном состоянии (сублимационную сушку) или лиофилизацию [50, 79]. Способ хранения в газовой среде обычно используют при закладке продукции в траншеи, когда в массе ее содержание углекислого газа повышается на 8—10%. Обычный воздух содержит 21% кислорода, 0,03% углекислого газа и практически около 79% азота. Если изменить соотношение этих газов таким образом, чтобы понизилась концентрация кислорода до уровня, когда плоды будут дышать слабо, но каких-либо нарушений этого процесса, а содержание углекислого газа повысится до уровня, который также задерживал бы дыхание без нарушения этого процесса, то, оказывается, в таких условиях фрукты могут более длительное время лежать, сохраняя свои лучшие свойства.

Хранение овощей, плодов и ягод в регулируемой газовой среде являются достаточно дорогостоящим и требующим особого оборудования.

Помимо этого, возникает необходимость в подборе режимов хранения для каждого вида сырья, а именно состав газовой среды [89].

Атмосферный воздух содержит %: кислорода 21, диоксида углерода 0,03 и азота 79. Увеличение количества диоксида углерода и уменьшение кислорода ослабляют дыхание, в связи с этим продолжительность хранение увеличивается.

Интенсивность дыхания служит показателем скорости обмена веществ.

Состояние ягод, овощей и плодов прежде всего изменяется в зависимости от содержания кислорода в газовой среде. Как правило, только при уменьшенном (против обычной нормы в воздухе) содержании кислорода увеличиваются сроки хранения и уменьшаются потери массы и качества.

аноксианабиоза.

Вначале полагали, что простая замена кислорода в газовой среде на диоксид углерода достаточно обеспечивает сохранность продуктов, однако позднее установили, что избыток диоксида углерода в окружающей среде (обычно 10 % и более) вызывает у многих хранимых объектив физиологические заболевания (побурение сердцевины у яблок и груш, загар у яблок и др.). Даже в пределах одного вида продуктов (например, яблок) для разных сортов требуется неодинаковый газовый состав. Существенное влияние оказывает и температура. Наилучшие результаты (более длительное время сохраняются консистенция, вкус и аромат плодов) получают при использованием измененной газовой среды плоды и ягоды хранят в камерах со специально регулируемой газовой средой и в герметических емкостях с естественно создающейся газовой средой.

специального упаковочного центра, необходимого для быстрого охлаждения и упаковки плодоовощной продукции. В зависимости от ассортимента и объема продукции упаковочные центры могут различаться по размеру площади, комплектацией оборудованием разной пропускной способности и разной технологией охлаждения (водяной или воздушной). Упаковочный центр необходим для переработки (упаковки по технологии Xtend) промышленных объемов от 40-60 тонн продукции в сутки и более. Крайне важно также расположение данного центра в непосредственной близости от места произрастания продукции, чтобы время после сбора урожая и началом его упаковки составляло не более 5-6 часов. Это связано с тем, что по истечении такого срока сохранить продукцию в состоянии абсолютной свежести уже не представляется возможным. Стандартный упаковочный центр разделен на несколько технологических участков, где огромное значение имеет охлаждение, являющееся началом холодовой цепи, работающей на длительное сохранение фруктов и овощей в состоянии абсолютной свежести. Очень важна качественная сортировка продукции перед упаковкой, в упаковочный пакет не должны попасть некачественные, поврежденные или загнившие плоды. Последним наиважнейшим условием является грамотная перевозка продукции от упаковочного центра до места реализации товара. Если эти условия не соблюдаются, можно потерять продукцию. В таблице 1.3 представлены сроки хранения плодово-ягодной продукции, а также оптимальная температура хранения.

Таблица 1.3 – Длительность хранения фруктово-ягодной продукции при использовании Xtend-технологии Хранение яблок, груш и слив в полиэтиленовых мешочках является одним из способов повышения их лежкости. Принцип действия этого способа заключается в том, что внутри упаковки за счет дыхания плодов накапливается углекислый газ (в среднем 4—6%) и снижается содержание кислорода до 5—8%. В результате этих изменений в составе газовой среды интенсивность дыхания плодов снижается, что способствует сохранению питательных веществ и медленному их созреванию.

Полиэтилен обладает еще одним интересным свойством: Через него легко проходят различные летучие (ароматические) вещества, выделяемые плодами. Если бы эти вещества накапливались в мешочке, то плоды быстро бы бурели. Поэтому большая проницаемость полиэтилена к газам, в том числе к этилену, который может ускорять созревание яблок и груш, и таким веществам, как спирты, эфиры, летучие органические кислоты, препятствует быстрому созреванию плодов и сокращает размер всевозможных физиологических заболеваний (побурение мякоти, загар и др.).

Высокая влажность воздуха в упаковке (на уровне 95—99%) обусловливает небольшие потери влаги продукции. Поэтому весовые потери плодов во время хранения в полиэтиленовой упаковке снижаются в среднем в 5 раз. Качество плодов сохраняется, срок хранения удлиняется на 1,5— месяца.

Для длительного хранения плодов применяют пленки высокого давления, нестабилизированные, полупрозрачные, толщиной 50—60 микрон, с ровной поверхностью и без механических повреждений, не имеющие постороннего запаха и ядовитых свойств. Более толстая пленка непригодна для изготовления мешочков, так как слабо пропускает кислород и углекислый газ, и поэтому хранящиеся плоды в мешочках из такой пленки задыхаются и быстро портятся.

С целью обеспечения компактности хранения наиболее перспективным является порошковый способ хранения сырья растительного происхождения.

Пищевые порошки, обладая высокими органолептическими свойствами, имеют широкий диапазон использования в пищевой промышленности и могут использоваться: в производстве сухих супов; в мясной промышленности; в производстве заправок и соусов; в производстве сыра; в консервировании; в фармацевтическом производстве.

Несмотря на перспективность способа хранения растительного сырья в порошковой форме производство сушёных плодов составляет около 1 % от всего перерабатываемого плодоовощного сырья. Это вызвано в первую очередь значительной энергоёмкостью производства. В связи с этим, актуальной проблемой при производстве порошковой формы пищевых продуктов является создание новых технологий, снижающих энергозатраты производства при высоком качестве конечного продукта.

Для увеличения сроков хранения до двух и более лет используют сушку плодоовощного сырья [25]. При сушке плодоовощной продукции повышается концентрация субстрата до таких пределов, при которых исключаются условия для нормального протекания обмена веществ, как в клетках самого продукта, так и в клетках микроорганизмов, что приводит к консервированию продукта на длительное время. С уменьшением концентрации влаги возрастает не только массовая доля сухих веществ, но и их энергетическая ценность за счёт увеличения концентрации углеводов, белков и других питательных веществ, например, энергетическая ценность свежего картофеля составляет 347 кДж/100 г, а высушенного 1284 кДж/100 г.

В процессе высушивания объём плодов уменьшается в 3 – 4 раза и, следовательно, во столько же раз возрастает их транспортабельность и уменьшается потребность в площадях для хранения.

применяемого оборудования, но и от химического состава сырья. Влияние химического состава выражается в количественном содержании в высушиваемом продукте водорастворимых веществ. Наличие в клеточном соке большого количества растворимых веществ, особенно обладающих осмотической активностью (сахар), а также гидрофильных коллоидов, легко связывающих влагу, приводит к затруднению испарения и увеличению продолжительности сушки. В связи с этим высыхание плодов, содержащих значительное количество сахаров, а также пектиновых веществ, обладающих способностью связывать влагу, протекает медленнее. Структура растительных тканей также оказывает значительное влияние на скорость сушки. Ткани (покровные, механические, проводящие и основные) плодов имеют разнообразное строение и размеры клеток. Неоднородность тканей проявляется в неодинаковом содержании сухих веществ и влаги по сечению продукта и неравномерном распределении макро- и микропор. Известно, что чем меньше размеры пор, тем ниже теплопроводность содержащегося в нем воздуха, а, следовательно, меньше эффективная теплопроводность самого материала. При увеличении размера пор возрастает теплопроводность материала, что, очевидно, связано с повышением роли конвективного переноса в больших порах.

Таким образом, анализируя вышеперечисленные способы хранения плодово-ягодного сырья, можно сделать вывод о том, что именно сушка является наиболее перспективным способом хранения для ягод черной смородины. Это обосновывается тем, что сушка позволяет производить продукцию с наиболее длительным сроком хранения и при этом не требует применения мощных затрат энергии при ее хранении.

1.3 Обзор современной техники и технологии производства Современная технология консервирования растительных продуктов основана на специальной их обработке, позволяющей сохранить присущие им свойства в течение длительного времени [52, 55]. Сущность обработки заключается в направленном влиянии на микрофлору, активность ферментов и развитие физико-химических процессов в продукте. Торможение развития процессов при этом может быть частичным (принцип анабиоза) и полным (принцип абиоза). На практике целесообразность методов оценивают по степени увеличения продолжительности хранения продуктов, минимальному изменению органолептических и диетических свойств, уровню роста себестоимости и отсутствию противопоказаний санитарно-гигиенического характера. Из различных способов консервирования в производстве ягод наибольшую популярность получила сушка.

В плодах и овощах во время сбора и транспортирования происходят биохимические процессы, связанные с дыханием, а также микробиологические изменения [30]. Механические повреждения продукта (нарушение внешней оболочки) усиливают эти процессы. Особое значение имеют окислительно - восстановительные процессы при дыхании продукта, их интенсивность определяется температурой и относительной влажностью окружающей среды, а также степенью зрелости плодов [4]. Наибольшая интенсивность дыхания наблюдается в интервале температур от 5 0С до Именно поэтому важное значение имеет выбор способа сушки, как основы успешного проведения процесса и получения качественного продукта.

Универсальная установка «Универсал-3» ЭСПИС-4Р [91] идеально подходит для качественной и ускоренной сушки ягод, грибов, овощей, фруктов, трав и лекарственных растений, мяса и мясных субпродуктов, вяления и сушки мелкой, средней и крупной рыбы, любых морепродуктов, морской капусты, ламинарий, других любых видов сельскохозяйственной продукции, любых продуктов, имеющих как капиллярную, так и коллоидную внутреннюю структуру.

Рис.1.3 – Универсальная инфракрасная сушильная установка «Универсал-3»

Универсальная инфракрасная сушильная установка «Универсал-3»

ЭСПИС-4Р предназначена для сушки ягод, грибов, овощей, фруктов, трав, лекарственных растений, сушки и вяления рыбы и других морепродуктов.

Система управления установки обеспечивает автоматическое поддержание температуры внутри камеры не выше заданного значения, принудительную циркуляцию воздуха через продукт, благодаря встроенной системе вентиляции, автоматическое изменение направление циркуляции при работе в осциллирующих режимах (нагрев – охлаждение), что необходимо при сушке коллоидных тел, какими являются многие виды фруктов, ягоды, орехи, а также рыба, мясо и морепродукты, отсчет времени цикла.

Помещения для работы установки должны быть оборудованы приемновытяжной вентиляцией производительностью не менее 1000 м3/час на одну установку.

Технические характеристики установки представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Техническая характеристика универсальной инфракрасной сушильной установки «Универсал-3»

Масса продукта (в зависимости от вида) на одну загрузку, кг до Длительность цикла сушки (в зависимости от вида 20- продукта), час Габаритные размеры, мм:

Сушильные шкафы - серии DL600 [92] используются для сушки ягод (рис 1.4). В зависимости от сорта и влажности ягод варьируют продолжительность и температура сушки. Например, по различным ягодам:

партия орехов, семян бука может быть 250-400 кг; при сушке влажность снижается с 30-34 % до 10%; на сушку требуется 20-30 часов в зависимости от заданных температуры и минимальной относительной влажности.

Сушка начинается с программирования нужной для той или иной породы температуры и относительной влажности (RH). Воздух в камере непрерывно циркулирует, удаляя влажность. Температура воздуха регулируется автоматически до возвращения в камеру. Тем самым исключаются колебания температуры. Производительность сушилки зависит от заданной температуры и минимальной относительной влажности. При температурах ниже 200C процесс продолжается дольше в т.ч. из-за низкой мощности удаления влажности.

В таблице 1.5 представлена техническая характеристика сушилок серии DL.

Таблица 1.5 – Техническая характеристика сушильных шкафов серии DL Габаритные размеры 1800x1270x2200 2750х1650х2350 4200x1650x Электроснабжение Максимальная мощность нагрева, кВт Минимальная температура 0C Максимальная температура 0C Максимальная температура окружающего воздуха 0C радиационно-конвективный способ сушки продуктов. При данном способе терморадиационного нагрева инфракрасным излучением определённого диапазона длин волн, а удаление влаги за счёт естественной конвекции паровоздушной смеси. Внутри корпуса электрошкафа в двух секциях, попарно в один ряд расположены трубчатые электронагреватели (ТЭНы), которые имеют специальное покрытие из функциональной керамики. Над ярусом ТЭНов расположены сетчатые противни для сушки продуктов.

Рис. 1.5 – Инфракрасный электрошкаф «Универсал-УнИК-1»

Универсальный инфракрасный сушильный шкаф серии «УниверсалУнИК-1» идеально подходит для качественной и ускоренной сушки ягод, грибов, овощей, фруктов, трав, лекарственных растений, мяса, мясных морепродуктов, морской капусты, ламинарий, других любых видов сельскохозяйственной продукции, любых продуктов, имеющих как капиллярную, так и коллоидную внутреннюю структуру.

Система управления шкафа обеспечивает автоматическое поддержание температуры внутри не выше заданного значения, естественную циркуляцию воздуха через продукт, благодаря специальной системе экранов и воздуховодов. Помещения для работы шкафа должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией производительностью не менее 100 м3/час на один шкаф, все боковые стенки шкафа, в также двери тепло изолированы.

Технические параметры шкафа в базовой комплектации:

1. Номинальное напряжение питания, В – 220;

2. Ток переменный, частотой, Гц – 50;

3. Максимальная потребляемая мощность, кВт – 3;

4. Режим работы – продолжительный;

5. Масса продукта (в зависимости от вида) на одну загрузку – см. таблицу 1.7;

6. Длительность цикла сушки зависит от вида продукта;

7. Температура в зоне сушки, С0 - +25 - +70;

8. Условия эксплуатации установки:

8.1. температура окружающей среды, С 0 - +10 - +20;

8.2. относительная влажность, % не более 70;

9. Масса изделия, кг –до 75;

10. Класс защиты – 1;

11. Установка имеет двухстороннюю загрузку 4 противня (по 2 противня с каждой стороны);

12. Все стенки шкафа, включая двери – тепло изолированы;

13. Система управления шкафа обеспечивает автоматическое поддержание температуры внутри не выше заданного значения, естественную циркуляцию воздуха через продукт, благодаря специальной системе экранов и воздуховодов;

14. Установка имеет двухстороннюю загрузку 4 противня (по 2 противня с каждой стороны);

В таблице 1.6 представлена техническая характеристика инфракрасного электрошкафа «Универсал-УнИК-1» в зависимости от различного вида высушиваемого сырья.

Таблица 1.6 – Техническая характеристика инфракрасного электрошкафа «Универсал-УнИК-1»

растения морепродукты Ленточные сушилки STELA [94] (рис. 1.6) предназначены для сушки ядод, фруктов и овощей, кроме того возможна сушка грибов, лекарственных трав и многих других продуктов. Многоленточные сушилки STELA обеспечивают равномерную сушку продуктов при низком потреблении энергии.

Ленточная сушилка выполнена в виде нескольких модульных блоков, расположенных один над другим. Сушилки STELA выполнены из оцинкованной листовой стали, в местах соприкосновения с продуктом все элементы выполнены из высококачественной стали. Рабочее колесо вентиляторов изготовлено из устойчивой углеродистой стали, а корпус из листовой стали. Шахты для отвода отработанного воздуха - из алюминия.

многоленточной системе, в которой материал пересыпается с одной ленты на другую. Благодаря многократному пересыпанию продукта обеспечивается ускоренный процесс сушки и уменьшается расход тепла по сравнению с одноленточными сушилками.

Процесс сушки ягод, фруктов и овощей в ленточной сушилке Stela:

продукт с влажностью 50-95% подается в сушилку. С помощью двух шнеков или поворотного транспортёра происходит равномерное распределение влажного продукта по ленте и его выравнивание по высоте. Высота слоя продукта регулируется индивидуально в зависимости от вида продукта.

Продвигаясь по ленте продукт поступает в начальную сушильную камеру (верхний уровень), где происходит продувка слоя материала нагретым воздухом с температурой от 40 до 90 °C (в зависимости от продукта).

Насыщенный влагой воздух выводится из камеры сушки.

Подогрев воздуха возможен в косвенных теплообменниках, которые питаются горячей водой с температурой от 70 до 90°C. Также нагрев воздуха может осуществляться в косвенном воздухонагревателе. В косвенном воздухонагревателе теплота передается исключительно от стенок камеры сгорания, дымовой газ выводится наружу, таким образом исключено смешивание дымовых газов с горячим воздухом, который находится в контакте с продуктом. В качестве топлива может использоваться газ, жидкое топливо, а также щепа.

После прохождения сушильной камеры на верхнем уровне происходит переворачиванием слоя продукта. На каждом уровне продукт передвигается в противоположном направлении, благодаря чему возможно компактное исполнение сушилки. В зависимости от продукта и требований к нему в различных сушильных камерах устанавливается различная температура.

Количество уровней сушки зависит от вида продукта, количества имеющегося в наличии тепла и других параметров.

конвективном способе сушки, т.е. сушка производится нагретым воздухом, равномерное распределение которого обеспечивают вентиляторы, которые расположены по направлению потока в области вытяжки таким образом, что установка работает по принципу всасывания (разряжения). Мощность вентилятора регулируется при помощи изменения частоты привода, что даёт возможность оптимального использования КПД сушилки. Отводимый во время сушки воздух выдувается в окружающую среду.

После прохождения всех уровней сушки происходит выгрузка продукта в шнековый или ленточный транспортер для дальнейшей обработки. Сушильная камера отделена от области выгрузки так, что утечка теплого воздуха незначительна.

Микроволновые вакуумные установки серии "Муссон" [95] (рис.1.7) применяется для низкотемпературной сушки биологически активных добавок, лекарственных трав и кореньев, фармацевтических материалов, ягод и фруктов, пищевых добавок, специй. Модификации структуры продукта:

сухой вспененный сыр, вспененные шкурки и т.п.; перегонки растительного сырья с получением сухого остатка и ароматизированного дистиллята.

Сушилка работает следующим образом: контейнеры с продуктом помещаются внутрь камер. Перемешивание продукта осуществляется вращением контейнеров. Микроволновая энергия подается от магнетронов, расположенных на торцах цилиндрических камер. Вакуум создается общим водокольцевым насосом. Для эффективной конденсации паров предусмотрены внешние охлаждающие «рубашки». В эти «рубашки»

подается вода или антифриз. Сбор сконденсировавшегося дистиллята осуществляется в специальных емкостях. Охлаждение магнетронов обеспечивает внешний радиальный вентилятор. Нагретый после прохождения магнетронов воздух может подаваться в конвективную камеру, где продукт располагается на поддонах.

Управление - микропроцессорное с возможностью записи и коррекции введенных программ.

Отличительной особенностью является то, что сушка в вакуумной камере идет при более низкой температуре, чем при атмосферном давлении.

В установках серии "Муссон" возможна интенсивная сушка при температуре 30°С. Несмотря на низкую температуру, вода в продукте находится в состоянии близком к кипению. Такой режим сушки позволяет сохранить имеющиеся в продукте витамины и полезные вещества. Это имеет немаловажное значение при сушке лекарственных трав, фармацевтических препаратов и во многих других случаях.

Рис. 1.7 – Микроволновая вакуумная сушилка серии «Муссон»

Техническая характеристика сушилок серии «Муссон» представлена в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Техническая характеристика сушилок серии «Муссон»

Количество микроволновых вакуумных камер Потребляемая мощность, max:

Производительность по испаренной влаге, л/ч Минимальное давление в камере, мм рт. ст.

Электропитание:

Габаритные размеры 1350х1450х212 1350х1450х На основе проведенного анализа конструкций аппаратов для сушки ядгод, применимых также для сушки черной смородины, можно сделать вывод о том, что наиболее подходящими для осуществления процесса сушки данного продукта являются вакуумные сушильные установки.

1.4 Краткий обзор установок для проведения тепломассообмена В последнее время в пищевой промышленности растет интерес к применению СВЧ-энергоподвода в установках различных конструкций, а также для сушки различных продуктов.

микроволново-вакуумная MIVAP [96] (рис. 1.8) которая использует уникальный метод системы непрерывного движения лотков, который с успехом подходит для хрупких, нежных овощей, фруктов, ягод, мяса и концентрированных супов.

Рис. 1.8 – Промышленная сушильная установка микроволново-вакуумная MIVAP Высокая технология комбинирует преимущества обычных процессов обезвоживания с процессами обезвоживания посредством микроволновых волн в вакуумной среде, для быстродействующего процесса сушки продуктов при низких температурах. Технология делает возможным изготовление абсолютно новых товаров на основе почти всех свежих продуктов, например, ягод, фруктов, овощей, обезжиренных закусок, трав, мяса, даров моря, при температуре около 37 °С.

применения СВЧ-энергоподвода:

Нет никакого ограничения по форме, текстуре и консистенции Быстрая сушка продукта при низких температурах;

Нет применения механической силы для работы с продуктом, сохраняется его форма;

биологическая безопасность;

Нет перекрестного загрязнения продукта Нет никакой дополнительной микробиологической загрузки продукта;

Постоянный контроль качества продукта;

Равномерная воспроизводимость качества продукта по всей поверхности лотка;

Возможное изменение типа продукта, от лотка к лотку;

Значительной снижение отходов производства гранулированных продуктов, фруктов, ягод и хлебных изделий типа АСТ- [97] (рис. 1.9) предназначена для сушки любых сыпучих, дисперсных, гранулированных продуктов, плодово-ягодного сырья высотой от 4мм до 25мм, а также пищевых продуктов, в том числе хлебцев и хлебных изделий высотой до 100мм, на основе сверхвысокочастотного разогрева продукта сушки без непосредственного контакта элементов установки с продуктом сушки.

Рис 1.9 – Установка микроволновая конвейерного типа для сушки гранулированных продуктов, фруктов, ягод и хлебных изделий типа АСТ- Установка также применима для микронизации зерновых и бобовых культур. Производительность установки в этом режиме составляет 500- кг/час. Потребляемая мощность не более 80 кВт. Установка предназначена для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от плюс 10 °С до плюс 40 °С в крытых помещениях. Габаритные размеры составляют: длина – 10000 мм, ширина – 1500 мм, высота-1600 мм.

Микроволновые установки "Арабис" [98] (рис. 1.10) предназначены для тепловой обработки, обеззараживания и улучшения микробиологических технологических процессов не требуется распаковка продуктов или материалов, - при условии, что они заключены в радиопрозрачной таре. К такой таре относят крафт-мешки, упаковку из полиэтилена, картон и т.п.

Такие установки применяют для дефростации различных продуктов от мяса и рыбы до творога и ягод, а также для микробиологической обработки и обеззараживания различных специй, чая, орехов, сушеных фруктов и сырья для изготовления лекарств.

По своему устройству эта микроволновая установка представляет собой закрытую камеру, внутри которой размещен рольгановый транспортер.

Для загрузки продукта предназначена торцевая дверь. Как правило, продукт посредством пульта, который закреплен на корпусе агрегата. Продукт во время процесса обработки перемещается внутри аппарата. Время обработки определяется выбранным режимом, который является регулируемым, а также количеством загруженного в установку материала. После завершения обработки двери камеры открываются автоматически. Установка работает в циклическом режиме.

микроволновые установки "Арабис" разработаны согласно концепциям энерго- и ресурсосбережения. Они являются экологически чистыми и не нуждаются в фундаменте, имея, таким образом, небольшие габариты. В комплект поставки входят специальные технологические контейнеры, улучшающие однородность нагрева.

характеристики: максимальная потребляемая мощность - 16.8 кВт, при дефростации в температурном режиме от -18 до нуля по Цельсию производительность агрегата - до 500 кг в час, при микробиологической обработке и обеззараживании - до 350 кг в час, характеристики электропитания - 3ф 380 В, частота 50-60 Гц, габариты рабочей камеры - на 45 см, общие габариты установки - 383 на 130 на 150 см при массе 500 кг.

Сушильная установка С3-01 [99] предназначена для удаления влаги из сыпучих материалов и применяется для получения заданной влажности семян зерновых и масличных культур. Для разогрева продукта сушки используется энергия СВЧ поля.

Конструктивно данное устройство представляет собой прямоточную сушильную установку вертикального типа, модульной конструкции (рис. 1.11).

Технические характеристики установки представлены в таблице 1.8.

Таблица 1.8 – Технические характеристики установки С3- Съем влаги за один проход, % Управление сушильной установкой осуществляется одним человеком, который при помощи блока управления включает установку и задает необходимый режим работы. В зависимости от выбранного режима работы производительность установки, так и процент снятия влаги с заданного продукта сушки.

Установка состоит из засыпного бункера, активной зоны, сушильной зоны, блока управления, высыпного бункера, шнека, системы обдува.

Рассмотренные выше установки для СВЧ – сушки обладают рядом неоспоримых достоинств, как например:

- экологическая чистота проведения процесса;

- высокое качество готового продукта;

- высокая интенсивность протекания процесса;

- значительная экономия энергии;

- отсутствие необходимости в подводке газовой магистрали или в монтаже цистерн для жидкого топлива;

- малые габаритные размеры;

- возможность сушки семенного фонда и зерна с большой влажностью;

- низкая травматичность зерна;

- пожаробезопасность и простота в управлении.

производительностью, что делает его непригодным для переработки больших объемов сельскохозяйственной продукции.

1.5 СВЧ - нагрев как перспективный вид энергоподвода В предыдущих главах были рассмотрены основные типовые конструкции аппаратов, применяемых для сушки плодово-ягодного сырья.

Теперь же рассмотрим более подробно на применении СВЧ-энергоподвода в различных областях.

В настоящее время СВЧ печи могут найти применение не только в общественном питании (рестораны, столовые, вагоны-рестораны), но и в быту.

Приготовление мяса. Благодаря выделению тепла во всем объеме довести до готовности мясо с СВЧ печи можно всего лишь за 1 -5 мин (в сковородке на это требуется 40 мин). Равномерное выделение тепла по объему каждого куска обеспечивает в приготовленном мясе отсутствие непроваренных или непрожаренных мест. Кроме того, при столь быстром подогреве не происходит выпаривание соков, поэтому вкусовые качества получаются более высокими, чем при обычных способах готовки.

Размораживание мяса, фруктов и овощей. Замороженные продукты приобретают все большую популярность. Однако перед употреблением их необходимо разморозить, что требует длительного времени. После медленного размораживания их качество заметно ниже, чем у свежих продуктов. Чтобы представить выигрыш во времени при использовании СВЧ печей для размораживания, можно привести следующие данные по традиционным способам размораживания. Время оттаивания куска мяса массы 1,3 кг в холодильнике (мясо переложено из морозильной камеры в пространство с плюсовой температурой, близкой к нулю) 24 ч; при комнатной температуре 10 - 12 ч; при использовании вентилятора – 5 - 6 ч; в печи при 72°C или в проточной воде в водонепроницаемой упаковке 3 - 4 ч.

С помощью СВЧ нагрева разморозить фрукты и овощи можно за 1 - мин. Это дает не только экономию времени, но и настолько увеличивает качество размороженных овощей и фруктов, что они почти не отличаются от свежих.

Глубина проникания СВЧ поля в замороженное мясо увеличивается с 2,85 см при –1,1°C до 68,7 см при –51°C на частоте 1000 МГц и с 1,5 см при 1,1°C до 42,3 см при –51°C на частоте 3000 МГц. Хотя разница здесь не столь велика, все же считается, что более глубокий прогрев удается обеспечить на более низких частотах, т.е. при рабочей частоте вблизи 1000 МГц, особенно если размеры обрабатываемого продукта превышают 5 см по толщине.

Торговые автоматы. Широкое распространение в торговле получили автоматы для продажи, например, газированной воды и газет, находят применение на почтах и в гостиницах автоматы по продаже конвертов и открыток и т.д.

Одной из главных целей применения автоматики в торговле является возможность покупки товаров в любое время суток. Для непортящихся товаров, таких, как газированная вода, сигареты, газеты и пр., эта задача технически решена. Иное дело – автоматы для продажи скоропортящихся продуктов и тем более таких, которые желательно принимать в пищу в горячем виде. С применением СВЧ появилась возможность для проектирования и изготовления подобных автоматов. Потребности в таких автоматах, безусловно, есть: например, на вокзале можно было бы в любое время через несколько минут получить стакан горячего молока, кусок горячей отварной или жареной курицы.

нескоропортящихся пищевых продуктов известен и применяется в закусочных-автоматах: после опускания жетона или монеты заранее приготовленная порция продукта подается потребителю. При использовании СВЧ техники для создания автоматов по продаже горячих продуктов эта обычная схема должна быть дополнена двумя устройствами: холодильником для хранения продуктов и СВЧ печью, куда после опускания монеты или жетона должны подаваться порции продуктов и где за 1 - 3 мин производится не только их оттаивание, но и нагрев до необходимой температуры. Далее – обычная выдача порции потребителю. Холодильник и СВЧ печь – это уже хорошо отработанные элементы, так что теперь дело за конструкторами и технологами подобных автоматов.

Значительно более простыми могут быть торговые автоматы, которые выдают замороженные порции продуктов, а покупатель перед употреблением в пищу сам разогревает их в СВЧ печах, установленных в том же зале закусочной-автомата.

В описанных применениях СВЧ печей реализуются преимущества централизованного приготовления продуктов питания, при котором более эффективно используется квалифицированный персонал, широко применяются механизация и автоматизация трудоемких процессов.

Питание в больницах. Пищеблоки крупных больниц обычно расположены в отдельных помещениях, и пока оттуда питание доставляется к постели больного, пища становится если не холодной, то чуть теплой. СВЧ печи позволяют преодолеть этот недостаток. Быстрый разогрев блюд можно вести вблизи каждой палаты. Особенно это важно в инфекционных отделениях больниц, где каждую порцию можно разогревать на бумажных тарелочках однократного использования.

Весьма перспективной представляется организация питания, при которой в больницах пища не готовится, а поступает со специализированных предприятий на склад больницы в виде замороженных или охлажденных порций, откуда персонал, обслуживающий больных питанием, их получает и разогревает в СВЧ печах непосредственно перед подачей больному.

Подсчитано, что при такой организации экономится 18% средств на питание.

А это означает, что на 18% можно увеличить расходы на продукты при одних и тех же ассигнованиях на питание.

СВЧ печи в быту. В последнее время, особенно в новых жилых домах вместо газа для приготовления пищи используется электричество. При этом снижается загрязнение воздуха, полностью устраняется опасность взрывов, но электрические плиты сравнительно медленно разогреваются и довольно долго остывают после выключения.

Следующий шаг по применению электричества в быту – широкое внедрение СВЧ печей. В последние годы ведущие фирмы США и Японии наладили массовый (с 1975 г. свыше 1 млн. шт. в год) выпуск бытовых плит, предназначенных для квартир и коттеджей. Они представляют собой комбинацию обычной трех-четырехкомфорочной электроплиты с СВЧ печью. СВЧ печь может быть расположена как духовка под электроплитой или же над ней в виде шкафчика.

При широком использовании СВЧ печей в быту получает быстрое развитие и индустрия приготовления замороженных порционных блюд, специально предназначенных для быстрого оттаивания и разогрева в СВЧ печах. Так что в недалеком будущем хозяйки будут покупать порционные замороженные блюда, хранить их в морозильных камерах своих холодильниках и подавать к столу в размороженном и разогретом в СВЧ печах виде через считанные минуты после извлечения из холодильника.

1.6 Особенности воздействия СВЧ-энергии на пищевые продукты Для обоснования необходимости применения источника СВЧ-энергии при сушке плодов смородины черной, а также безопасности его использования нами проведено теоретическое исследование особенностей взаимодействия электромагнитного СВЧ-поля с пищевыми продуктами и влияние его на качественные показатели.

1.6.1 Взаимодействие электромагнитного СВЧ-поля с пищевыми Процесс трансформации энергии электромагнитного поля (СВЧ) в теплоту принято называть диэлектрическим нагревом.

При воздействии переменного электромагнитного поля пищевые продукты, представляющие собой диэлектрические материалы, вследствие диэлектрических потерь нагреваются, т. е. энергия поля преобразуется в теплоту. Эффективность преобразования энергии переменного электромагнитного поля в тепловую пропорциональна значению коэффициента диэлектрических потерь (коэффициент поглощения энергии), частоте поля и квадрату напряженности электрического поля в продукте [74].

Так как напряженность поля ограничена электрической прочностью диэлектрика, то для увеличения скорости нагрева повышают частоту колебаний. Для тепловой обработки пищевых продуктов используют электромагнитные поля дециметрового диапазона. Это позволяет получать высокую скорость нагрева обрабатываемых изделий.

практического применения новых необычных видов нагрева, например, избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от длины волны, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь как функции длины волны диэлектриков будут нагреваться только те части, где высокий tg.

Равномерный нагрев. Обычно передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад) от поверхности в глубину материала, причем тем больший, чем меньше теплопроводность. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева поверхностных слоев обрабатываемого материала.

Примерами таких процессов является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п. С помощью СВЧ-энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов.

Сверхчистый нагрев. Если при нагреве газовым пламенем, а также с помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, что особенно важно при сушке пищевых продуктов, то СВЧ-энергию можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются. Кроме того, помещая нагреваемый материал в инертный газ, можно устранить окисление его поверхности.

Загрязнения от диэлектрика, через который подводится СВЧ-энергия, весьма малы, т.к. в случае малых потерь даже при пропускании большой СВЧмощности этот диэлектрик остается практически холодным.

Саморегулирующийся нагрев. При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как, например, дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери СВЧ-энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность.

Диэлектрический нагрев основан на смещении зарядов и связанных с ними молекул при воздействии на вещество (продукт) переменного электромагнитного поля. На перемещение заряженных частиц затрачивается работа, которая из-за наличия внутреннего межмолекулярного трения превращается в теплоту. Существует несколько видов смещений зарядов (диполей) в переменном электрическом поле [74, 75].

Диэлектрические потери при частотах, используемых для тепловой обработки пищевых продуктов, обусловлены в основном полярными молекулами воды. Так как пищевые продукты содержат в значительном количестве воду, то их в определенной степени можно считать полярными диэлектриками [86].

Если для проводников характерно наличие свободных электронов, то в диэлектриках свободных электронов теоретически нет. Все они связаны с ядрами и входят в атомы и молекулы вещества. В зависимости от распределения зарядов внутри молекулы диэлектрики подразделяют на неполярные и полярные.

В неполярных молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля.

Полярность связи характеризуется дипольным моментом, который равен произведению заряда электрона (элементарного заряда) е на расстояние между центрами тяжести всех отрицательных и положительных зарядов.

Различают электронную, ионную, дипольную и структурную поляризации диэлектрика. В СВЧ-диапазоне наибольший удельный вес имеют дипольная и структурная поляризация диэлектрика.

Дипольная поляризация имеет место в веществах, состоящих из полярных, или дипольных молекул. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у таких молекул не совпадают и образуют диполь.

Дипольной является молекула воды, играющая основную роль в процессе поглощения энергии при диэлектрическом нагреве пищевых продуктов [74].

В молекуле воды атом кислорода с шестью внешними электронами имеет две наполовину заполненные р-орбиты и может образовывать две рсвязи с двумя атомами водорода, создавая ковалентную молекулу Н2О.

Поскольку р-связи перпендикулярны, то валентный угол между атомами водорода должен быть равен 90. В результате измерений угол связи равен не 90, а 104. Это объясняется тем, что атомы водорода, заряженные частично положительно, взаимно отталкиваются, образуя электрический момент.

Таким образом, дипольная молекула под действием внешнего электрического поля приобретает вращательный момент (момент вращении), образованный парой зарядов +q и –q. Момент вращения пропорционален произведению Е. Под действием момента вращения диполь ориентируется в направлении поля [74].

С макроскопической точки зрения выделение тепла за счет токов проводимости и поляризации неотличимо друг от друга. Математически этот проницаемость в виде [75] a, a – действительная и мнимые части абсолютной диэлектрической проницаемости среды;

– удельная проводимость среды;

–угловая частота;

Так как при гармонических колебаниях обычно оперируют со средними за период значениями мощности, то мощность тепловых потерь равна комплексных амплитуд векторов напряженностей электрического Е и магнитного Н полей.

Удельную мощность тепловых потерь из (1.1) можно представить в виде плотность мощности, выделяющуюся в среде при протекании в ней тока член в (1.3) равен нулю. Второе и третье слагаемые в (1.3) определяют за счет смещения по фазе векторов диэлектрической D, магнитной B индукции и векторов Е и Н. Известно [75], что под действием внешнего магнитного направления поля с определенной угловой скоростью. В переменных магнитных полях к тому же происходит переориентация магнитной оси атома. Эти явления, в чем-то аналогичные «внутреннему трению», и приводят к выделению тепла в среде, описываемому третьим слагаемым в (1.3). Если а 0 соотношение (1.3) примет вид где Руд – удельная мощность, Вт/м3;

Е – напряженность электрического поля, В/м;

– угол диэлектрических потерь.

По (1.4), (1.5) чем выше Е, тем больше мощность потерь и, следовательно, интенсивнее нагрев. Ограничение в увеличении – электрическая и тепловая прочность линии и объекта нагрева.

При выборе частоты f генератора следует иметь в виду, что с электромагнитной волны в продукт.

Если определить глубину проникновения электромагнитной волны в продукт Е как расстояние, на котором напряженность уменьшается в е раз, получим:

Однако величина Е характеризует глубину термообработки лишь в первом приближении, так как электромагнитное поле имеется и на большем расстоянии от поверхности объекта, а энергия этого поля может оказаться достаточной для осуществления необходимого теплового воздействия. В общем случае глубина термообработки может быть определена лишь из решения соответствующей технологическому процессу задачи о температурном поле объекта, тем более что температуры, отчего при термообработке Е меняется.

1.6.2 Влияние СВЧ-нагрева на качественные показатели пищевых Процесс тепловой обработки пищевых продуктов в ЭМП СВЧ характеризуется высокой скоростью нагрева, при этом исключаются перегрев и подгорание обрабатываемых изделий.

Уменьшение длительности воздействия на продукт повышенных температур способствует сохранению питательной ценности, в частности термолабильных витаминов, повышению вкусовых качеств и увеличению выхода готовой продукции.

Установлено [74], что при СВЧ-обработке заметно улучшаются органолептические показатели приготовленного продукта по сравнению с другими видами термической обработки.

При СВЧ-нагреве снижаются потери белковых веществ пищевых продуктов. Так, при СВЧ-варке измельченной говядины по сравнению с традиционным нагревом потери белковых веществ меньше на 2…4 %.

СВЧ-нагрев не вызывает ухудшения аминокислотного состава пищевых продуктов [74].

При оценке влияния различных видов тепловой обработки на мышечные белки рыбы установлено, что применение СВЧ-нагрева не отражается на их химическом составе и пищевой ценности, но внешний вид изделий несколько отличается от вида изделий, полученных при традиционных методах нагрева. В основном это относится к цвету, который выражен менее ярко [74].

Традиционная и СВЧ-обработка риса вызывают сложные и часто противоположные денатурационные и постденатурационные процессы в белковом компоненте, сопровождающиеся как полимеризацией, так и деполимеризацией белковых молекул. Однако традиционный способ тепловой обработки вызывает более глубокие постденатурационные процессы [74]. Изменения аминокислотного состава белков при обоих способах нагрева незначительные. При СВЧ-нагреве потери некоторых продолжительностью воздействия высокой температуры [74, 75]. Изучение атакуемости белков риса пищеварительными протеазами (пепсин-трипсин) показало, что при СВЧ-варке скорость гидролиза белков риса несколько выше, чем при традиционном способе нагрева.

витаминов при СВЧ-обработке различных полуфабрикатов из мяса по сравнению с традиционными способами нагрева.

Обнаружено, что при использовании СВЧ-нагрева сохраняемость таких термолабильных компонентов, как аскорбиновая и фолиевая кислоты, повышается на 20…25 %, никотиновой кислоты – на 12 %. Хорошо сохраняются тиамин и рибофлавин [75].

подвергают бланшированию. СВЧ-бланширование проводят без добавления воды, исключая тем самым потери водорастворимых витаминов в воду.

Анализ результатов работ некоторых авторов свидетельствует о большой сохраняемости витамина С при СВЧ-обработке овощей [74].

1.7 Анализ существующих подходов к математическому описанию переноса теплоты и массы при сушке продуктов с СВЧ-энергоподводом Процесс сушки влажных материалов определяется одновременным протеканием теплообмена между поверхностью материала и окружающей средой, испарением влаги с поверхности материала в окружающую среду, а также перемещением тепла и влаги внутри материала. Изучение и математическое описание сложного характера внутренних и внешних тепломассообменных процессов отражено в трудах отечественных ученых П.Д.Лебедева, К.Г. Филоненко, Ю. И. Смольского, А.С. Гинзбурга, А.А.

Гухмана, В.В. Красникова, М.Ф. Казанского, А.А. Долинского, В.П.

Дущенко, П.С. Куца, А.Л. Буляндры, В.И. Кречетова, П.Г. Романкова.

Научными основами математического моделирования сушки являются физические законы и физико-химические соотношения, которым подчиняется данный технологический процесс, а также общие методы расчета процессов и аппаратов пищевых и химических производств.

Центральное место в математическом описании сушки занимает кинетика процесса, знание которой позволяет выполнить главный инженерный расчет – определить продолжительность процесса сушки. Это в свою очередь позволяет рассчитать, при заданной производительности установки и установленном режиме процесса, габариты сушильной камеры или решать обратные задачи – определять производительность сушильной установки или оптимальные параметры режима, обеспечивающие заданную производительность и соответствующие технологические требования.

В основу классификации математических моделей сушки положены физические законы и физико-химические соотношения, служащие теоретической основой при получении кинетических уравнений. По этому признаку можно различать следующие математические модели [14]:

1. Модели диффузионной теории сушки, в которой сушка как массообменный процесс рассматривается с позиций классической теории диффузии, основанной на законах Фика [26, 77].

2. Модели термодинамической теории сушки, в которой сушка рассматривается как необратимый термодинамический процесс, теоретической основой которого служат уравнения неравновесной термодинамики Онзагера и Де-Грота [26, 57, 77].

3. Модели, основанные на обобщении экспериментальных данных.

Теоретической базой этих моделей являются теории вероятностей и математической статистики, подобия и моделирования.

4. Модели, основанные на законах кинетики химических реакций. В этом случае сушка может быть рассмотрена с позиции физической химии как физико-химический процесс термического разделения влажного вещества на парообразную влагу и сухой остаток [14].

По виду наиболее медленной (лимитирующей) стадии скорости процесса сушки различают математические модели внутренней, внешней и сопряженной задач [77].

Математические модели внутренней задачи описывают кинетику процесса, когда сопротивление переносу влаги внутри материала значительно превышает диффузионное сопротивление пограничного слоя при удалении свободной влаги с поверхности материала в окружающую среду; величина диффузионного критерия Bim100. Данные модели справедливы, как правило, для коллоидных материалов, имеющих низкие коэффициенты диффузии (порядка 10-10…10-12 м/с2).

сопротивление переносу влаги пограничного слоя намного больше внутри диффузионного. Величина Bim0,1.

Математические модели сопряженной задачи – внутри диффузионное сопротивление и сопротивление пограничного слоя одного порядка, значение Bim=0,1…100. Такие задачи наиболее сложны и являются характерными при сушке пищевых продуктов.

Важным фактором, определяющим физическую картину сушки, а, следовательно, тип математической модели является способ подвода теплоты.

Одним из распространенных подходов к моделированию кинетики классической теории диффузии, основанный на законе Фика [14]. Считается, что движение влаги в высушиваемом образце при всей сложности механизмов переноса можно описать уравнением диффузии, которое в декартовых координатах имеет вид:

где D – кажущийся коэффициент диффузии, м/с2;

U – влагосодержание материала, кг/кг;

– время процесса, с.

массопроводности. Однако в общем случае связь между D и U выражается функцией сложного вида с локальными экстремумами, на которую, кроме того, оказывают влияние физико-химические и структурные изменения в материале, происходящие в нем в процессе сушки [14]. По этой причине определение скорости массопереноса во влажных капиллярно-пористых коллоидных системах с необходимой для инженерной практики точностью затруднено.

неразрывной связи с переносом теплоты, что позволяет выявить эффекты наложения и взаимного влияния одного процесса на другой и установить их общие закономерности. При таком подходе определяются конечные энергетические действия движущих сил, а молекулярная структура вещества неравновесной термодинамики Онзагера, Де-Гроота [14] А.В. Лыковым и его школой разработана теория влаго- и теплопереноса в процессах сушки, составляющая сегодня фундамент для исследования и математического моделирования процесса.

При термодинамическом подходе к моделированию кинетики сушки влажные материалы рассматриваются как капиллярно-пористые коллоидные феноменологическими законами, выражающими интенсивность любого потока энергии или массы в виде произведения кинетического коэффициента на соответствующую термодинамическую силу [14, 26]:

Xi – соответствующая термодинамическая сила;

Lki – кинетический коэффициент.

При высокоинтенсивном процессе сушки внутри влажного материала возникает градиент общего давления влажного воздуха. За счет этого Градиент общего давления внутри тела обусловлен интенсивным испарением жидкости и наличием гидравлического сопротивления скелета тела при движении пара. Этому способствует наличие микрокапилляров, через систему которых идет молекулярное (эффузионное) натекание воздуха из окружающей среды и диффузия скольжения в системе макрокапилляров [57].

тепловлагопереноса, предложенную А.В. Лыковым. Эта система уравнений описывает нестационарный процесс тепло- и массопереноса во влажных телах в любых условиях. При постоянных значениях коэффициентов переноса модель представляет систему дифференциальных уравнений вида [57] где kij (i, j=1, 2, 3) – коэффициенты переноса, определяемые из соответствующих формул [57].

Однако в общем случае дифференциальные уравнения (1.9), (1.10), (1.11) являются нелинейными. Все коэффициенты внутреннего и внешнего влагосодержания и температуры материала. Теоретический анализ системы отсутствия полных данных о кинетических коэффициентах, входящих в дифференциальные уравнения и краевые условия.

В связи с отсутствием точных аналитических решений нелинейных уравнений для практически важных случаев сушки на рассмотренной (ориентировочные) решения.

Для решения задачи переноса теплоты и массы в условиях диэлектрического нагрева пищевых продуктов в СВЧ-поле был проведен анализ системы дифференциальных уравнений с учетом специфики тепловой обработки [74].

Расчет процесса переноса теплоты и массы можно осуществить, используя систему дифференциальных уравнений где – коэффициент фазового превращения жидкость-пар;

с – удельная теплоемкость образца;

r – удельная теплота парообразования;

Руд – мощность внутренних источников теплоты;

0 – плотность сухого вещества образца;

2 – относительный коэффициент термодиффузии;

ар – коэффициент конвективной диффузии;

р – избыточное давление в образце;

с0 – емкость образца по отношению к влажному воздуху.

Исходя из общих положений теории переноса теплоты и массы, введя ряд упрощений, при условии, что глубина проникновения СВЧ-поля больше толщины образца, т.е. температурный градиент мал, можно найти приближенное решение системы (1.12)…(1.14). Рассматривается одномерная задача, в которой образец считается полубесконечным стержнем (0х ).

Это означает, что образец считается достаточно длинным и тонким, так что d«L. При СВЧ-нагреве мощность внутреннего источника снижается в зависимости от расстояния от поверхности образца по экспоненциальному закону где А – мощность СВЧ-источника;

k – поглощение СВЧ-энергии образцом.

Начальные условия имеют вид где U0 – величина, независимая от х.

Граничные условия между теплоизолированным образцом и тепловым равновесием образца с окружающей средой приняты следующие где индекс х – обозначает дифференцирование по х.

Решения системы уравнений (1.12) – (1.14) при граничных условиях (1.17) с учетом экспоненциального снижения Руд от поверхности образца к центру имеет вид Для влагосодержания с учетом условий (1.16) и (1.17) получаем Для давления с учетом условий (1.16) и (1.17) получаем где р – предельное избыточное давление в образце.

Однако данное решение найдено для одномерной задачи и является приближенным. В случае, когда d сопоставимо с L и образец представляет собой неоднородную среду решение данного уравнения будет являться очень сложным и с низкой точностью описывать тепло- и массообменные процессы, происходящие в образце.

инженерного расчета кинетики сушки в промышленных аппаратах, часто Экспериментальные данные обрабатываются в виде уравнений связи между обобщенными переменными (критериями) и симплексами подобия. Общий вид критериальной зависимости для одной частицы получается из совместного рассмотрения уравнений Навье-Стокса, Фурье-Киргоффа и граничных условий процесса:

Вид функции варьируется в зависимости от условий сушки и свойств высушиваемого материала [27, 77]. Уравнения могут быть дополнены и другими критериями: Ко, Gu.

моделирования кинетики сушки на основе аппроксимации кинетических кривых в виде:

Многолетняя традиция и простота обобщения экспериментальных исследований тепломассобмена в виде несложных эмпирических степенных эмпирических моделей. Формулы, полученные авторами на основании обработки экспериментальных данных, обычно имеют вид:

где Х1, Х2,…,Хк – параметры процесса.

Основной недостаток всех эмпирических моделей заключается в том, что они получены в результате обобщения экспериментальных данных, полученных для конкретных продуктов, высушенных на опытных и модельных установках. Условия сушки на модельных установках не всегда соответствуют реальным условиям в промышленных аппаратах.

В этой связи практический интерес представляет комбинированный аналитические решения, основанные на применении физических законов или феноменологических уравнений, а с другой стороны, – экспериментально устанавливается взаимосвязь между температурой и влагосодержанием тела, массобмена для каждого материала [45].

Также представляет определенный интерес модель [17] в которой описываются происходящие внутри материала тепло- и массообменные процессы следующей системой уравнений:

жгута, м; z – текущая длина жгута, отсчитываемая от точки выхода материала из экструдера, м; R – радиус жгута, м; H – общая длина жгута (высота сублимационной камеры), м; v – скорость движения материала, м/с;

t – температура, К; u – удельное влагосодержание, кг влаги/кг сух. вещ.; p – давление водных паров в материале, Па; c – приведенная удельная теплоемкость материала, Дж/(кг сух. вещ.К); – плотность сухого скелета материала (объемная концентрация сухого вещества), кг сух. вещ./м 3; – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(мК); rс – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; Qкр – удельная мощность внутреннего источника теплоты, связанного с процессами кристаллизации и плавления, Вт/м3; QСВЧ – удельная мощность внутреннего источника теплоты, связанного с СВЧ относительный коэффициент термодиффузии жидкости, кг влаги/(кг сух.

вещ.К); p1, p2 – коэффициенты молярного переноса пара и жидкости, кг влаги/(мсПа); jm – локальная интенсивность внутреннего парообразования, кг/(м2с); KS – степень развития внутренней поверхности парообразования, м2/м3; cp – удельная массоемкость материала по отношению к влажному воздуху при его молярном переносе, кг влаги/(кг сух. вещ.Па); П – пористость материала; bT – коэффициент, характеризующий интенсивность расширения пара в порах от нагревания, кг/(м 3·К) (для идеального газа В данной системе уравнение (1.23) описывает внутренний теплообмен, движущими силами которого в общем случае являются теплопроводность, парообразование, кристаллизация (или плавление) и СВЧ нагрев. Уравнение (1.24) описывает внутренний массообмен, происходящий за счет молярнодиффузионного переноса жидкости и парообразования. Уравнением (1.25) фильтрационном переносе пара, изменении температуры материала и увеличении количества пара за счет испарения или сублимации.

Для однозначности решения системы дифференциальных уравнений (1.23) – (1.25) имеются следующие граничные условия:

где t0, u0, p0 – распределение температуры, влагосодержания и давления при выходе материала из экструдера (для простоты эти величины можно считать постоянными); tс, pс – температура и давление влажного воздуха среды у поверхности материала (эти величины переменны по z, имея, в частности, разные значения для зоны парового затвора и избыточного давления в материале, кг/(м2сПа); qm2 – интенсивность испарения жидкости на внешней поверхности материала, кг/(м 2с).

температуры, влагосодержания и давления в выходящем из экструдера материале; уравнения (1.27) выражают условие осевой симметрии полей t, u соответственно теплоты, жидкости и пара на поверхности материала.

В уравнении теплового баланса (1.28) второе слагаемое соответствует конвективному теплообмену материала с окружающей средой. Поскольку в (коэффициент близок к нулю), то данное слагаемое можно учитывать только для зоны парового затвора, опустив его при рассмотрении вакуумированного объема сублимационной камеры.

Энергия сверхвысокочастотного электромагнитного поля, проникая в толщу материала, трансформируется в теплоту во всем объеме этого материала. СВЧ нагрев, таким образом, в принципе подобен введению в материал внутреннего источника тепла, поэтому в нашем случае он учитывается в уравнении теплопроводности (1.23) с помощью специального слагаемого QСВЧ.

Для зоны воздействия СВЧ поля, согласно [34, 57, 60, 75], положим диэлектрическая проницаемость; – угол диэлектрических потерь; – электрического поля, В/м.

Вне зоны действия СВЧ поля QСВЧ = 0.

Принимается, что z1 и z2 соответственно начало и конец зоны воздействия на материал поля СВЧ. Тогда общее определение удельной нагревом, выглядит следующим образом:

Вместе с тем, при моделировании СВЧ нагрева обязательно следует учесть селективность поглощения электромагнитной энергии различными составляющими влагосодержащих материалов – сухой основой, жидкой и твердой фазой влаги, паром и т. д. Так, коэффициент диэлектрических потерь воды весьма велик и значительно превышает соответствующие значения для сухой составляющей большинства материалов. При этом замороженная влага почти не поглощает энергию СВЧ поля, а коэффициент диэлектрических потерь пара практически равен нулю [34]. Поскольку в процессе сушки концентрация разных составляющих материала (в первую очередь – жидкой и твердой фазы влаги) изменяется, то в нашем случае значение общего коэффициента диэлектрических потерь материала '' может на целые порядки различаться по радиусу и, особенно, по длине жгута. Поэтому значение '' должно определяться с учетом соответствующих условий (температуры, состава материала и прочего) в каждой конкретной точке объекта сушки. Лишь так при моделировании можно учесть не только объемный, но и адресный характер СВЧ нагрева.

Будем условно считать, что сушимый материал состоит из четырех компонентов – сухого вещества, воды, льда и пара, заполняющего поры («пустоты»). В соответствии с этим общий коэффициент '' представим в компонентов, умноженных на некоторые весовые коэффициенты:

соответственно для сухого вещества, воды, льда и пара; с, в, л, п – весовые коэффициенты. Все весовые коэффициенты неотрицательны, их сумма равна единице.

Удельная мощность СВЧ нагрева QСВЧ рассчитывается по объему материала, то каждый из весовых коэффициентов целесообразно определить, как отношение объема соответствующего компонента к общему объему материала. Это позволит также учесть высокую пористость материала, которая снижает его способность поглощать энергию поля СВЧ.

Рассматривается внутри материала некоторый элементарный объем V.

Обозначим через Vс, Vв, Vл и Vп соответственно объем сухого вещества, жидкости, льда и заполненных паром пор в объеме V. Имеем где mс, mв, mл – масса сухого вещества, жидкости и льда в объеме V, кг; с, в, л – плотность сухого вещества, жидкости (воды) и льда, кг/м 3.

С учетом того, что пар практически не поглощает электромагнитную энергию ( п 0), окончательно получаем Диэлектрические характеристики воды и льда с их зависимостью от температуры хорошо изучены [56]. Формула (1.34) позволяет также учесть зависимость коэффициента диэлектрических потерь материала от объемной концентрации сухого вещества и локального массосодержания жидкости и льда.

Основные выводы, постановка целей и задач исследования экономически эффективным является ее сушка.

За рубежом сушка плодов смородины черной, получила весьма широкое применение, для выполнения этой задачи рядом фирм выпускается многофункциональное и надежное оборудование. Несмотря на многообразие технологических приемах, параметрах процесса, концептуальных новшеств конструкций сушильной техники существуют проблемы, не позволяющие создать и внедрить оборудование для проведения процесса сушки смородины в отечественной индустрии, не проводя серьезных и глубоких научных исследований. Виной тому целый спектр вопросов эксплуатации и конструктивных особенностей, а также достаточно сложной экономической обстановкой, сложившейся в последние годы на внутреннем рынке производства сушильной техники.

установлено, что современные промышленные способы сушки плодов смородины черной развиты в недостаточной степени. Мало изучены свойства смородины, оказывающие наибольшее влияние на процесс сушки в вакуумных установках с применением СВЧ-энергоподвода.

осуществления процесса сушки смородины черной применяются в основном вакуум-сублимационные, тунельные, камерные сушилки, которые обладают рядом существенных недостатков: большие габариты и металлоемкость, сложность обслуживания и ремонта, большие тепло - энергетические затраты и т. п.

На основании представленного информационного материала можно сделать вывод, что вакуумные сушилки с СВЧ-энергоподводом имеют ряд преимуществ и могут успешно использовать для сушки плодов и овощей, но и для различного рада продуктов, для которых необходимо проводить сушку в «щадящем» режиме, позволяют значительно увеличивают эффективность процессов тепло- и массообмена.

Поэтому актуальная задача качественной сушки плодов смородины черной может быть решена только при использовании вакуума с использованием СВЧ-энергоподвода.

В связи с этим, сформулирована цель диссертационной работы:

исследование процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом и совершенствование на этой основе процесса, способов и оборудования для его осуществления.

На основании вышесказанного и с целью обеспечения наилучших показателей сушки плодов смородины черной, задачи настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

– экспериментальное исследование свойств плодов смородины черной как объекта сушки;

– разработка математической модели процесса вакуумной сушки плодов смородины черной с СВЧ-энергоподводом;

– разработка программного обеспечения ЭВМ для осуществления процесса сушки плодов смородины черной на основании проведенного математического моделирования;

– исследование кинетики процесса сушки плодов смородины черной в вакуум-аппарате с СВЧ-энергоподводом;

– исследование и оценка основных факторов, оказывающих наибольшее влияние на процесс сушки;

– статистическое определение рациональных режимов работы экспериментальной сушильной установки;

– проведение сравнительной качественной оценки плодов смородины черной, высушенных в вакуумной СВЧ - сушилке;

– разработка технологической линии производства сушеных ягод смородины черной;

– разработка конструкции непрерывной вакуумной сушилки с использованием СВЧ-энергоподвода;

– разработка загрузочно-дозировочного устройства карусельного типа вакуумных установок.

Последующие главы данной работы посвящены решению поставленных задач.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛОДОВ СМОРОДИНЫ

ЧЕРНОЙ КАК ОБЪЕКТА СУШКИ

В основе выбора способа сушки и его аппаратного оформления лежит комплексный анализ свойств высушиваемого материала [26, 59]. Важную роль при этом играет классификация материалов как объектов сушки, в соответствии с которой все влажные материалы в зависимости от их основных свойств делят на три вида: типичные коллоидные тела, капиллярно-пористые тела, капиллярно-пористые коллоидные тела [77].

Изучение высушиваемых материалов как объектов сушки является одним из важнейших направлений интенсификации процессов сушки, позволяет выбрать наиболее рациональный аппарат, обеспечивающий необходимое время и режим сушки. Свойства влажных материалов как объектов сушки обусловлены рядом характеристик, знание которых необходимо для научного обоснования рациональных методов обработки и оптимальных режимов процессов, инженерного расчета процессов и аппаратов, а также создания современных систем автоматического регулирования [11].

В данной главе рассматриваются основные характеристики плодов смородины черной как объекта сушки: тепловые (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость), ответственные за термическое сопротивление в процессе сушки; электрофизические (коэффициент диэлектрических потерь), необходимые для разработки СВЧ оборудования;

сорбционно-структурные (изотермы сорбции-десорбции), ответственные за внутреннее диффузионное сопротивление в процессе сушки.

2.1 Исследование теплофизических характеристик Для выполнения тепловых расчетов сушильных аппаратов необходимо знать тепловые характеристики (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость) высушиваемых материалов, от которых зависит выбор рационального метода и режима сушки материала. Так, решение вопроса о возможности применения для сушки конкретного продукта аппаратов с диффузионного сопротивления, определяемого внутренней пористой структурой материала, но и от его способности воспринимать необходимое для сушки количество тепла. Тепловые характеристики необходимо знать также при обработке результатов экспериментальных исследований процессов тепло - и массообмена, определении механизма переноса тепла во влажном материале, анализе форм и видов связи влаги с материалом и т.д.

[77].

Теплофизические характеристики плодов смородины черной являются функциями состояния и свойств вещества, зависящих от многих факторов, к которым следует отнести химический состав и структуру. При этом большое значение имеет характер изменения теплофизических характеристик от основных параметров влажного материала: температуры и влагосодержания.

В научной литературе отсутствуют данные по теплофизическим характеристикам смородины черной, поэтому существует необходимость в их определении.



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«МИХАЙЛОВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУХОГО ГРАНУЛИРОВАННОГО ЗАВТРАКА НА ОСНОВЕ ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ Специальность: Специальность: 05.18.04 – Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на...»

«КОРЖОВ ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТЕКСТУРАТОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Специальности: 05.18.01-Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодовоовощной продукции и виноградарства 05.18.04-Технология мясных,...»

«СУХОРУКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ОРГАНИЗАЦИЕЙ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ 05.18.12 Процессы и аппараты пищевых производств Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : кандидат технических наук, доцент Бородулин Дмитрий Михайлович...»

«Шабанова Ольга Владимировна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СЫРА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛЕСНЕВЫХ ГРИБОВ PENICILLIUM CASEICOLUM Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на...»

«ИВАНОВ ИВАН ВАСИЛЬЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЧИПСОВ ИЗ МЯСА ПТИЦЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВАКУУМНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ Специальность: 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор технических наук, проф. Г.В....»

«ЛЕ ТХИ ДИЕУ ХУОНГ РАЗРАБОТКА И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ПРОДУКЦИИ НА МОЛОЧНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ШКОЛЬНОГО ПИТАНИЯ ВО ВЬЕТНАМЕ Специальность 05.18.15 - Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и). ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой...»

«ЧЕЧКО СВЕТЛАНА ГЕННАДЬЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВЛЕНЫХ СЫРНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ НИЗКОЖИРНОГО ТВОРОГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИКОРАСТУЩЕГО СЫРЬЯ Специальность: 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств...»

«СИДЯКИН МАКСИМ ЭДУАРДОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : д.т.н., проф. Л.Н. Крикунова Москва –...»

«ШИПАРЕВА МАРЬЯ ГЕРАСИМОВНА РАЗРАБОТКА И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ПОЛУФАБРИКАТОВ МУЧНЫХ КОНДИТЕРСКИХ И КУЛИНАРНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ СЕМЯН БОБОВЫХ КУЛЬТУР Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания ДИССЕРТАЦИЯ на соискание...»

«СОСЮРА Елена Алексеевна РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАПИТКОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИНОГРАДНОГО СОКА Специальность: 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«ВАСИЛЬЕВА ИРИНА ОЛЕГОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МЯСНОГО ПРОДУКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОЛЛАГЕНА И МИНОРНОГО НУТРИЕНТА 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических...»

«ЗАВОРОХИНА НАТАЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ С УЧЕТОМ СЕНСОРНЫХ ПРЕДПОЧТЕНИЙ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 05.18.15 –...»

«ГРАЩЕНКОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА БЛЮД И РАЦИОНОВ ДЛЯ ДОШКОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РАСЧЕТОВ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«ШАУРИНА ОЛЬГА СЕРГЕЕВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И РЕЦЕПТУР ЭМУЛЬСИОННЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ, ОБОГАЩЕННЫХ ВТОРИЧНЫМ БЕЛКОВОУГЛЕВОДНЫМ МОЛОЧНЫМ СЫРЬЕМ КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ Специальность: 05.18.06 Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов (технические наук и) диссертация...»

«ПОПОВА НАТАЛИЯ ВИКТОРОВНА ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ МОЛОКА И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов...»

«Гринюк Анна Валентиновна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ КРОВИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОГО АЗОТА В КАЧЕСТВЕ АГЕНТА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и...»

«МАРКОВА КСЕНИЯ ЮРЬЕВНА РАЗРАБОТКА И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ОБОГАЩЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ЛИПИДНОЙ ПРИРОДЫ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и)...»

«БУРЦЕВА ЕЛЕНА ИГОРЕВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕЧЕНОЧНО-РАСТИТЕЛЬНОЙ КУЛИНАРНОЙ ПРОДУКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«ОВСЯННИКОВА ЕВГЕНИЯ АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К ПЕРЕРАБОТКЕ ДИКОРАСТУЩИХ ЯГОД КЛЮКВЫ И БРУСНИКИ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой...»

«ГУЖЕЛЬ ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА НАПИТКОВ БРОЖЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЭКСТРАКТА ХВОИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.