Исследование влияния режимных параметров ленточной ИК-сушилки на кинетику процесса сушки моркови

Полный текст

Введение

В настоящее время большая часть обезвоженных фруктов и овощей производится методом конвективной сушки, который является наиболее простым. Однако конвективные способы связаны с перемещением значительных объемов теплоносителя. Выбросы теплого отработавшего теплоносителя предопределяют низкую эффективность использования энергетических ресурсов. Совершенствование способов подвода тепла непосредственно связано с интенсификацией теплообмена и снижением удельных расходов тепла. Традиционным способом интенсификации процессов тепломассообмена при конвективной сушке является увеличение температуры и расхода сушильного агента. В современных конвективных сушилках температура сушильного агента обычно лимитируется предельной температурой нагрева сырья. Повышение скорости движения сушильного агента, с одной стороны, интенсифицирует процессы тепломассообмена продукта с сушильным агентом, а с другой ‒ приводит к повышению потерь теплоты с отработанным сушильным агентом. Таким образом, возникает противоречие между скоростью конвективной сушки и ее энергоэффективностью. Кроме того, при конвективной сушке в продукте возникает температурный градиент, направленный в сторону, противоположную градиенту влагосодержания, что также замедляет процесс конвективной сушки.

Cовершенствование методов подвода теплоносителя ‒ одна из возможностей повышения эффективности организации сушильных процессов. Перспективным путем такого совершенствования представляется организация непосредственной доставки энергии к продукту или даже к влаге, находящейся в продукте без использования промежуточного теплоносителя. Такую доставку можно организовать, используя электромагнитное излучение инфракрасного диапазона. Для организации непрерывного процесса ИК-сушки удобно использовать ленточные сушилки с ИК-модулями. Алгоритмы проектирования промышленных образцов сушилок должны учитывать прерывистый характер энергоподвода и особенности массопередачи с учетом конструктивных особенностей конкретного оборудования. Цель работы – создание моделей кинетики процесса сушки с целью определения влияния режимных параметров на время ИК-сушки в комбинированной ленточной сушилке, позволяющей реализовать при необходимости ИК-, СВЧ- и комбинированную (ИК + СВЧ) сушки [1].

Обзор литературы

В настоящее время ИК-излучение широко используется для сушки растительного сырья. Многие авторы указывают на преимущества и недостатки использования ИК-сушки [2–6]. Преимуществами ИК-сушки пищевых продуктов являются сокращение времени сушки, универсальность ИК-нагрева, простота необходимого оборудования, легкое расположение ИК-нагревателей в конвективных, контактных и микроволновых сушилках, короткие переходные процессы, высокая эффективность преобразования электрической энергии в тепло, проникновение излучения непосредственно в изделие, без нагрева при этом окружающей среды, меньшая стоимость источников ИК-излучения по сравнению с диэлектрическими и микроволновыми источниками, длительный срок службы и низкие эксплуатационные расходы.

Ввиду ряда обозначенных преимуществ ИК-сушка в сочетании с конвективной или вакуумной становится все более популярной. Известно исследование, которое показало улучшение качества сушеного картофеля, повышение тепловой эффективности процесса сушки и снижение энергозатрат на получение готового продукта за счет использования ступенчатого режима радиационно-конвективной сушки [7–10]. Исследователи отмечают высокую пищевую ценность полученных картофельных чипсов, что обусловлено высокой сохранностью ценных термолабильных веществ из-за применения «мягких» температурных режимов сушки и высокой интенсивностью влагоудаления. Сушку картофельных чипсов в ИК-диапазоне исследовали также Т. М. Афзал и Т. Абэ [11]. Интенсивность излучения составляла от 0,125 до 0,500 Вт/см². Они заметили, что скорость сушки возрастала с увеличением толщины слоя из-за более низкой энергии активации для десорбции влаги. Позже они продемонстрировали, что сушка картофеля с помощью ИК-излучения ‒ это процесс с падающей скоростью, и скорость сушки зависит от уровня интенсивности излучения [12; 13].

Прерывистая (пространственная или временная) подача инфракрасного излучения потенциально способна сберечь энергию, снизить потребление воздуха в конвективных сушилках и повысить качество термочувствительных продуктов [14; 15]. И. В. Григорьев, С. П. Рудобашта и В. Д. Очиров показали, что при использовании импульсного ИК-облучения и при обеспечении на облучаемом объекте высоких значений энергетической освещенности необходимый для достижения предельной температуры промежуток времени существенно короче, чем при обычных режимах постепенного непрерывного облучения, и при этом объекты с высокой удельной теплоемкостью нагреваются быстрее [16]. В исследованиях [17; 18] отмечается необходимость учитывать спектральные характеристики излучателя и облучаемого сырья при определении параметров импульсного ИК-нагрева. И. В. Алтухов [19] показал, что благодаря высокой проникающей способности ИК-излучения определенной мощности с соответствующей длиной волны органические и биоорганические молекулы диссоциируют микроорганизмы, споры, грибки, а также разрушают и уничтожают вирусы. Данные особенности импульсного ИК-излучения позволяют получать продукты длительного хранения. Многочисленные исследования показали эффективность применения импульсного ИК-излучения для получения продукции высокого качества при сушке сахаросодержащих корнеплодов и моркови [17; 19–21]¹. Благодаря применению «мягких» температурных режимов сушки и высокой интенсивности влагоудаления прерывистая радиационно-конвективная сушка позволяет получить такие продукты, как грушевые чипсы, персиковые чипсы и чипсы из хурмы [22]. Исследователи отмечают их высокую пищевую ценность [23–26].

Чтобы полностью использовать потенциал технологий ИК-сушки, необходимо провести много фундаментальных и промышленных исследований и разработок. Проведенные ранее исследования позволяют моделировать процесс в период постоянной скорости сушки [27; 28]. Для учета специфики возрастания скорости при прогреве такого материала, как слайсы моркови, и падения скорости во втором периоде сушки необходимо провести дополнительные исследования.

Материалы и методы

Характеристика объектов сушки

Для исследования кинетики процесса сушки в ленточной сушилке были использованы образцы свежей, недавно собранной моркови, которая не имела признаков загнивания или порчи. Образцы подбирались хорошего качества, без повреждений, трещин или пятен. Для проведения исследования морковь нарезалась слайсами одинакового размера толщиной 1 и 3 мм. Среднее влагосодержание образцов моркови было (5,60 ± 0,35) кг, что соответствовало начальной влажности 84–86 %. 

Описание экспериментального стенда для сушки в движущемся слое

Установка представляет собой ленточный транспортер (рис. 1), на котором размещены ИК-модули и камеры с вентиляторами, позволяющие при необходимости подключать СВЧ-модуль. Камера решает задачи отвода водяных паров из внутреннего пространства сушилки. Модуль ИК-обработки содержит два кварцевых ИК-излучателя, расположенных на расстоянии 13 см от поверхности ленты транспортера. Мощность излучателей регулируется тиристорными регуляторами напряжения в диапазоне от 0 до 1100 Вт.

 

 

 

Рис. 1. Экспериментальная опытно-промышленная ленточная сушилка:
1 – камеры; 2 – ИК-модули; 3 – транспортный канал; 4 – лента; 5 – приводной барабан; 6 – натяжной барабан

Fig. 1. Experimental pilot belt dryer: 1 – cameras; 2 – IR modules; 3 – transport channel; 4 – belt;

5 – drive drum; 6 – tension drum

 

Лента приводится в движение электродвигателем Oriental Motor 6 – 90 W, с регулируемым количеством оборотов, что позволяет изменять скорость движения ленты в широком диапазоне от 0 до 35 мм/с.

Задачами экспериментальной установки было провести испытания для определения зависимостей, которые характеризовали бы кинетику процесса удаления влаги в подвижном слое растительного сырья.

Методика определения влажности исходного сырья

Влажность исходного продукта определялась методом высушивания до постоянной массы при температуре 80 °С. В предварительно высушенный бюкс с известной массой помещалось 5 г продукта. Время высушивания составляло около 10‒15 ч. После этого бюкс помещался в эксикатор для охлаждения на 30 мин, по истечению которых проводилось взвешивание на аналитических весах Radwag AS 220/С с точностью ±0,0004 г. Затем бюкс вновь помещался в сушильный шкаф на 1–1,5 ч, после чего операция повторялась.
Данные манипуляции проводились до тех пор, пока разница между показаниями массы бюксы не превышала 0,0005 г. Таким образом определялась масса сухих веществ в образце, что позволяло определить влажность и влагосодержание образца.

Методика определения скорости движения ленты

В движение лента приводится низкооборотным двигателем, регулирование производительности которого осуществляется посредством многооборотного потенциометра. Таким образом, представляется возможность организовать несколько режимов скоростей ленты в диапазоне 0,5...35 мм/с.

Измерение скорости движения ленты проводится следующим образом. Параллельно ленте на вращающиеся барабаны натягивается нить, к которой крепится флажок. В таком случае нить движется с той же скоростью, что и лента. Заведомо зная геометрические данные сушильной установки, с помощью секундомера фиксируется время прохождения флажка определенного расстояния. При длине нити (6000 ± 3) мм на максимальной скорости время прохождения флажком полного круга составляет (171,4 ± 0,5) с. Погрешность определения скорости составит ±0,12 мм/с или 0,3 %.

Определение относительного влагосодержания и модели кинетики процесса

Относительное влагосодержание определяется как отношение разности текущего и равновесного влагосодержания к разности начального и равновесного влагосодержания. Как указано во многих работах [29–33] для овощного сырья равновесное влагосодержание является пренебрежимо малым по сравнению с текущим и тем более начальным влагосодержанием. Тогда относительное влагосодержание может быть определено как отношение текущего влагосодержания к начальному или как отношение текущей массы влаги в продукте к начальной. Текущая масса влаги в продукте определялась при помощи взвешивания на весах как разница между начальной массой влаги в образце и убылью массы продукта в течение процесса.

В литературе [32; 34; 35] имеется множество эмпирических моделей кинетики процесса сушки основанных на определении зависимости относительного влагосодержания от времени процесса сушки. Из них наиболее простую форму имеют модели:

 

Ньютона ,$w^c/w_0^c=e^{-k\cdot t}$ 

Хендерсона ,$w^c/w_0^c=a\cdot e^{-k\cdot t}$ 

Пэйджа ,$w^c/w_0^c=e^{-k\cdot t^n}$ 

и логарифмическая модель ,$w^c/w_0^c=a\cdot e^{-k\cdot t}+c$ 

где w^c– текущее влагосодержание,  $w_0^c$ – начальное влагосодержание, t – время процесса, k, a, c – эмпирические коэффициенты.

Неизвестные эмпирические коэффициенты находятся с использованием метода наименьших квадратов, применяя методы линеаризации и стандартные функции программы Mathcad.

Определение эффективного коэффициента диффузии и энергии активации

Эффективный коэффициент диффузии может быть получен с использованием имеющихся решений уравнения нестационарной диффузии, известного как 2-й закон Фика, для бесконечной пластины [30–34] .

 

$D_{eff}=\frac{4\cdot L^2}{{\pi }^2}\cdot slope(t,\text{ln}(w^c/w_0^c))$

где slope(x, y) – функция определения углового коэффициента линейной зависимости y = f(x).

 

Энергия активации E_a может быть найдена из известной формулы Аррениуса

 

$D_{eff}=D_0\cdot e^{-\frac{E_a\cdot m}{P}}$ ,                 (1)

где m – масса образца, кг; Р – мощность излучения, Вт; D₀ – числовой коэффициент, м²/с.

 

Тогда

E_a=−slope(m/P, ln(D_eff).

Результаты исследования

Ранее проведенные исследования инфракрасной сушки плодов и овощей в неподвижном слое [27; 35; 36] показали существенное влияние мощности излучения и толщины слоя на кинетику процесса сушки. В случае использования ленточной сушилки для организации непрерывного процесса инфракрасной сушки еще одним параметром, влияние которого на кинетику процесса было исследовано, является скорость ленты (рис. 2).

 

 

 

Рис. 2. Кривые сушки моркови на ленте: 1 – скорость ленты 20 мм/с;
2 – скорость ленты 15 мм/с; 3 – скорость ленты 10 мм/с; 4 – скорость ленты 5 мм/с

Fig. 2. Carrot drying curves: 1 – belt speed 20 mm/s; 2 – belt speed 15 mm/s;
3 – belt speed 10 mm/s; 4 – belt speed 5 mm/s

 

Для определения этого влияния опыты проводили при средней интенсивности излучения в камерах равной 2,25 кВт/м²  и толщине слоя 3 мм. В процессе сушки происходило снижение влажности от начальной 85 % до нормативной 8 % за 55 мин при скорости ленты до 10 мм/с. Рост скорости ленты до 15 мм/с приводит к увеличению времени сушки до 70 мин, а при скорости ленты 20 мм/с время сушки составит 105 мин. Видимо, это связано с тем, что при скорости ленты выше 10 мм/с ее скорость становится слишком большой и продукт может не успеть получить необходимое количество тепла для испарения влаги, что приводит к увеличению времени сушки. При более высоких скоростях ленты может происходить снижение температуры продукта в результате его быстрого перемещения через зону инфракрасного излучения, что также может увеличить время сушки.

При скорости ленты ниже 10 мм/с наблюдаемые кривые сушки идентичны кривым, полученным при сушке слайсов моркови в неподвижном слое [27; 36; 37]. Высказанное выше предположение о причинах снижения скорости сушки при увеличении скорости ленты выше 10 мм/с косвенно подтверждается характером кривых скорости сушки (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Кривые скорости сушки моркови на ленте: 1 – скорость ленты 20 мм/с;
2 – скорость ленты 15 мм/с; 3 – скорость ленты 10 мм/с; 4 – скорость ленты 5 мм/с

Fig. 3. Curves of drying carrots on the belt: 1 – belt speed 20 mm/s; 2 – belt speed 15 mm/s;
3 – belt speed 10 mm/s; 4 ‒ belt speed 5 mm/s

 

Так, при скорости ленты 20 мм/с на кривой отчетливо наблюдается длительный период, при котором происходит нарастание скорости сушки до максимума за счет медленного прогрева материала.
С уменьшением скорости ленты до 10 мм/с происходит увеличение максимальной скорости сушки, причем максимум достигается раньше, при более высоких значениях влажности. Дальнейшее уменьшение скорости ленты приводит к снижению максимальной скорости сушки, а характер кривой 4 (рис. 3) близок к виду классической кривой скорости сушки с выраженным периодом почти постоянной скорости сушки при влажности от 60 до 25 %, в котором скорость сушки находится в пределах 1,4 ± 0,1 %/мин.

Такое изменение характера влияния скорости ленты, по-видимому, связано с тем, что увеличение скорости ленты от 0 мм/с до 10 мм/с может приводить к более эффективному удалению влаги из зоны воздействия инфракрасного излучения, так как продукт будет быстрее перемещаться из зоны высокой влажности в зону более сухого воздуха. Это повлияет на ускорение процесса сушки и сокращение времени, необходимого для высушивания продукта. Увеличение скорости ленты в этом диапазоне способно привести к более эффективному массообмену между продуктом и воздухом, что может ускорить процесс сушки. Кроме того, это может привести к более равномерной температуре и влажности продукта, что также повлияет на ускорение процесса сушки. Таким образом, оптимальное значение скорости ленты находится в диапазоне от 5 до 15 мм/с, и дальнейшие опыты были проведены на скорости ленты 10 мм/с.

Так как режим сушки в ленточной сушилке отличается от непрерывного режима сушки в неподвижном слое, исследованного ранее [36–38], то было оценено влияние мощности ИК-излучения и толщины слоя на кинетику процесса (рис. 4 и 5). Так как при ИК-сушке слайсов моркови в данной установке практически не наблюдалось постоянной скорости сушки при выбранном значении скорости ленты, то для уточненного расчета продолжительности процесса сушки рассмотрено влияние этих параметров на безразмерное влагосодержание.

 

 

 

Рис. 4. Кривые изменения безразмерного влагосодержания при мощности излучателей:
1 – 450Вт; 2 – 300Вт; 3 – 170Вт

Fig. 4. Curves of changes in water content ratio (MR) at emitter power: 1 – 450W; 2 – 300W; 3 – 170W

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Кривые изменения безразмерного влагосодержания при толщине слоя: 1 – 3 мм; 2 – 1 мм

Fig. 5. Curves of changes in dimensionless water content ratio (MR) at layer thickness: 1 – 3 mm; 2 – 1 mm

 

Как видно (рис. 5), при толщине слоя до 3 мм при сушке слайсов моркови в ленточной сушилке ее влиянием можно пренебречь, и ключевым фактором, влияющим на продолжительность процесса сушки, остается мощность ИК-излучения (рис. 4).
Для определения возможности практического применения в системах расчета и проектирования данного типа установок были проанализированы известные теоретические модели.

Модель Ньютона совпадает с экспериментальными данными только в крайних точках и расхождение модели с экспериментом растет с уменьшением подводимой мощности. Так, среднеквадратическое отклонение для 450 Вт составляет 0,072, для 300 Вт – 0,095 и 0,18 ‒ для 170 Вт.

Модель Хендерсона удовлетворительно описывает экспериментальные данные спустя 1000 с после начала процесса для 450 и 300 Вт мощности излучателей. Однако для 170 Вт среднеквадратическое отклонение составит 0,234 и эти отклонения можно наблюдать визуально (рис. 6).

 

 

 

Рис. 6. Сравнение различных моделей с экспериментальными данными:
1 – модель Ньютона; 2 – модель Хендерсона; 3 – модель Пейджа;

4 – логарифмическая модель; ж– экспериментальные данные

 

Fig. 6. Comparison of various models with experimental data: 1 – Newton model;

2 – Henderson model; 3 – Page model; 4 – logarithmic model; zh-experimental data

 

Модель Пейджа для всего диапазона мощностей характеризуется заниженными значениями безразмерного относительного влагосодержания в начале процесса сушки и завышенными значениями ‒ в конце.
Среднеквадратичное отклонение находится в диапазоне 0,061–0,115. Наилучшее совпадение достигается для логарифмической модели. Значения среднеквадратичных отклонений приведены в таблице 1.

 

 

Таблица 1 Расчетные модели

Table 1 Calculation models

Модель / Model	Среднеквадратичное отклонение / RMSE
	Мощность, Вт / Power, W
	170	300	450
Ньютона / Newton	0,072	0,095	0,180
Хендерсона / Henderson	0,118	0,088	0,234
Пейджа / Page	0,061	0,083	0,115
Логарифмическая / Logarithmic	0,033	0,027	0,017

 

 

 

Таблица 2 Значения коэффициентов логарифмической модели

Table 2 Values of the coefficients of the logarithmic model

Коэффициент / Coefficient	Значения коэффициентов / Values of the coefficients
	Мощность, Вт / Power, W
	170	300	450
a	1,037	1,135	1,298
k	0,99·10−3	0,66·10−3	0,26·10−3
c	−0,024	−0,052	‒0,24

 

В таблице 2 приведены значения коэффициентов логарифмической модели для различных значений мощности излучателей. Процедура интерполяций позволяет использовать эти данные для определения времени процесса сушки слайсов моркови в ленточной ИК-сушилке до заданной влажности в диапазоне мощностей излучателей от 170 до 450 Вт.

Коэффициент диффузии (Deff)

Ключевым показателем, характеризующим скорость сушки во втором периоде, является эффективный коэффициент диффузии. Значения Deff в сушилке лежат в пределах от 10⁻⁸ до 10⁻¹⁰ м²/с для фруктов и овощей [39–41]. Значения Deff при различных условиях сушки слайсов моркови, полученные по уравнению (1), и расчетные значения показаны в таблице 3. Средние значения эффективных коэффициентов диффузии лежат в диапазоне 3·10⁻¹⁰ – 8,14·10⁻¹⁰ м²/с, что согласуется с данными [29], согласно которым для моркови Deff = 2,01 × 10⁻¹⁰–12,10 × 10⁻¹⁰.

Значения Deff увеличивались с ростом мощности ИК-излучения ввиду более высоких температур образца. Текущие значения Deff в процессе сушки для различной мощности ИК-излучения могут быть рассчитаны по уравнению (1), используя полученные значения энергии активации.

 

Таблица 3 Значения коэффициентов логарифмической модели

Table 3 Values of the diffusion coefficients of the logarithmic model

Коэффициент / Coefficient	Значения коэффициентов / Values of the coefficients
	Мощность, Вт / Power, W
	450	300	170
Средний эффективный коэффициент диффузии Deff·1010, м2/с / Average effective diffusion coefficient Deff·1010, m2/s	8,14	5,28	3,03
Энергия активации Ea, кВт/кг / Activation energy Ea, kW/kg	21,20	14,50	11,30
Do·108, м2/с	1,29	1,06	0,08

Обсуждение и заключение

Характер кинетики процесса сушки моркови в рассмотренной ленточной ИК-сушилке имеет принципиальные отличия от кинетики процесса сушки в неподвижном слое. В связи с конструктивными особенностями сушилки наблюдается экстремальный характер влияния скорости ленты на скорость сушки.
Если вначале с ростом скорости ленты происходит увеличение скорости сушки, то после достижения скоростью ленты значения в 10 мм/с наблюдается обратная зависимость. Кривые сушки имеют зону возрастающей скорости сушки, связанную с прогревом материала, и с увеличением скорости ленты, максимум на кривой скорости сушки смещается в сторону меньших влагосодержаний. Такой характер зависимостей делает неприменимыми имеющиеся зависимости для расчета процесса ИК-сушки моркови при постоянной скорости сушки. Из рассмотренных наиболее употребительных моделей описания процесса наилучшая корреляция с экспериментальными данными наблюдалась у логарифмической модели, которую предлагается использовать для расчета продолжительности времени сушки при заданных параметрах мощности ИК-излучателей. Полученные значения эффективных коэффициентов диффузии согласуются с данными других исследователей. Целесообразно получить аналогичные данные для определения рациональных параметров процесса сушки схожего плодово-овощного сырья. Также представляется перспективным исследовать комбинированное влияние ИК- и СВЧ-излучения на кинетику и энергетику процесса сушки для определения оптимального соотношения мощностей и времени воздействия ИК- и СВЧ-излучения.

 

 

¹           Алтухов И. В., Очиров В. Д. Технология инфракрасной сушки сахаросодержащих корнеплодов // Engineering problems in agriculture and industry : материалы Междунар. конф. Улан-Батор, 2010. С. 87‒92

 

Об авторах

Александр Викторович Гаврилов

Агротехнологическая академия Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского

Автор, ответственный за переписку.
Email: tehfac@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3382-0307
ResearcherId: AAH-5137-2019

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства

Россия, 295492, г. Симферополь, пос. Аграрное

Юрий Борисович Гербер

Агротехнологическая академия Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского

Email: gerber_1961@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3224-6833
ResearcherId: B-6690-2019

доктор технических наук, профессор, заместитель директора по учебной работе, профессор кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства

Россия, (295492, г. Симферополь, пос. Аграрное

Список литературы

Дополнительные файлы