НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ТАРЛЕВ ВАСИЛЬ ПАВЛОВИЧ

УДК 664.854:634.21:621.3.023

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ СУШІННЯ

КІСТОЧКОВИХ ФРУКТІВ СТРУМАМИ

ВИСОКОЇ І НАДВИСОКОЇ ЧАСТОТИ

Спеціальність 05.18.12. – процеси й обладнання харчових,

мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технічному університеті Молдови Міністерства освіти, молоді і спорту Республіки Молдова.

Наукові консультанти: - доктор технічних наук, професор Малежик Іван Федорович, Національний університет харчових технологій (Україна), завідуючий кафедрою.

- доктор технічних наук, професор Лупашко Андрій Спиридонович, Технічний університет Молдови, завідуючий кафедрою.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Буляндра Олексій Федорович, Національний Університет харчових технологій, професор кафедри теплотехніки.

- доктор технічних наук, професор Ханик Ярослав Миколайович, Національний Університет „Львівска політехніка”, завідувач кафедри „Хімічна інженерія”.

- доктор технічних наук, професор Погожих Микола Іванович, Харківський державний університет харчування та торгівлі, завідувач кафедри енергетики та фізики.

Провідна установа: Інститут харчової хімії та технології НАН України, м. Київ

Захист відбудеться 16.03. 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 у Національному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету харчових технологій.

Автореферат разісланий “_14__”_02_________ 2007 г.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доц. Зав’ялов В.Л.

Загальна характеристика роботи

Актуальність дослідження. Одним із найбільш поширених методів збереження і переробки кісточкових фруктів є сушіння. У зв’язку з цим особливу актуальність мають дослідження з метою розроблення нових способів сушіння, які забезпечують високу якість готового продукту, створення умов для більш повної переробки фруктів, зменшення втрат, а також автоматизації, механізації та значної інтенсифікації процесу сушіння, що дозволяє знизити питомі енерговитрати.

Покращення показників процесу сушіння кісточкових фруктів для підвищення якості готового продукту можливо забезпечити шляхом застосування струмів високої (СВЧ) і надвисокої (СНЧ) частоти. Крім того, до цього методу зараз все частіше звертаються в харчовій інженерії при вирішенні задач інтенсифікації технологічних процесів. Тому розроблення наукових основ процесу сушіння кісточкових фруктів із застосуванням струмів високої і надвисокої частоти є актуальним завданням і має важливе теоретичне та практичне значення.

Значний вклад у вивчення механізму нагрівання та перенесення маси різних матеріалів з накладанням струмів високої частоти внесли вчені країн СНД А.В. Нетушил, Г.А. Максимов, Н.П. Жмакін, А.Т. Птушкін, И.А. Рогов, О.Ф Буляндра, М.О. Гришин, В.Т. Мустяца, А.С. Лупашко та інші.

Аналіз відомих наукових досліджень в області застосування струмів високої частоти показує, що механізм впливу їх на матеріали все ще далеко не вивчений. Зокрема це стосується нагрівання складних гетерогенних багато-компонентних систем. До таких систем відносяться також і кісточкові фрукти.

До цього часу ще недостатньо досліджені електрофізичні параметри кісточковых фруктів, такі як тангенс кута діелектричних втрат tg і відносна діелектрична проникність , які визначають величину внутрішнього джерела теплоти. Крім того, потребують додаткового вивчення питання тепло - масопереносу у зазначених об’єктах сушіння при накладенні на них СВЧ і СНЧ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукове направлення дослідження і розроблення нових методів сушіння кісточкових фруктів входить до складу перспективної довготривалої наукової програми, метою якої є відродження галузей перероблюючого комплексу. Тематика проведених наукових досліджень входила до держбюджетної Республіканської програми “Національний план по науці та развитку” на 2001-2004 р.р. (шифр 02.48.07), яка щорічно затверджувалась рішеннями Уряду Республіки Молдова (на 2001 р. - № 155 від 23.02.2001; на 2003 р. - № 278 від 13.03.2003, а на 2004 р. – №265 від 17.03.2004 із зміненим шифром 43.48.10).

Автор був ініціатором і науковим координатором зазначеного наукового направлення.

Мета та завдання дослідження. Метою зазначеної роботи є: визначення на базі теоретичних та експериментальных досліджень комплексу електрофізичних параметрів складних гетерогенних багатокомпонентних систем, якими є кісточкові фрукти; аналітичні рішения задач тепло - масопереносу для кісточкових плодів із застосуванням регресивного аналізу для випадку внутрішнього джерела теплоти; експериментальні дослідження кінетики та динаміки процесу сушіння вищеназваних об’єктів; наукове обгрунтування і практична реалізація раціональних технологічних режимів процесу їх сушіння; проектування технологічних ліній для сушіння кісточкових фруктів при накладенні струмів високої частоти, включаючи разроблення алгоритму регулювання усіх параметрів на різних стадіях їх переробки з метою отримання готового продукту з потрібними якісними показниками.

Дослідження проведені на об’єктах рослинного походження, характерних для Республіки Молдова, таких як плоди абрикоси, вишні і черешні. Результати теоретичних досліджень досить точно корелюються з експериментальними, отриманими в лабораторних і виробничих умовах.

Об’єкт дослідження – кiнетика процесу сушiння кiсточковiх фруктiв.

Предмет дослiдження – сушiння кiсточковiх фруктiв iз застосуванням СВЧ и СНЧ.

Методи дослідження. У процесі досліджень був виконаний глибокий всесторонній аналіз сучасних теоретичних уявлень про процес сушіння кісточкових фруктів.

Експериментальні дослідження включали моделювання процесів електрофізичної обробки кісточкових фруктів і їх сушіння із застосуванням струмів високої частоти

Проектування лінії для сушіння кісточкових фруктів здійснювалось за допомогою операторної моделі, а аналіз її функціонування проводився з використанням математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше визначена можливість і підтверджена перспективність і доцільність застосування комбінованого енергопідведення поєднанням конвекції та СВЧ і СНЧ для сушіння кісточкових фруктів.

Проведено структурно-математичний аналіз і розроблено метод розрахунку електрофізичних параметрів складних гетерогенних сумішей на основі кісточкових фруктів. Ефективність запропонованого методу експериментально підтверджена на прикладі абрикосів.

Виявлено математичну залежність електрофізичних параметрів кісточкових фруктів tg, і фактора втрат K=tg від частоти електромагнітного поля, вологості і температури фруктів з використанням методу регресивного аналізу.

Досліджено і узагальнено кінетику процесу сушіння абрикосів комбінованим енергопідведенням - конвекція і струми високої частоти.

Підтверджено ефективність використання комбінованого енергопідведення на основі конвекції і струмів надвисокої частоти з метою отримання якісних показників сушіння плодів вишні. Установлено закономірності кінетики процесу сушіння.

Уперше сформульовано математичну методику розрахунку кінетики процесу сушіння фруктів у випадку комбінованого енергопідведення - конвекції і струмів високої частоти, яка дозволяє найбільш адекватно описати кінетику процесу сушіння. Для математичого опису процесу сушіння абрикосів був застосований метод найменших квадратів у комплексі з пакетом математичних програм MathCAD. Перевірка на адекватність показала ефективність використання цього методу.

Уперше запропоновано методику прикладного аналізу експериментальних даних, отриманих при дослідженні кінетики процесу сушіння вологих матеріалів. З використанням даної методики за допомогою електронної версії Matlab проведено аналіз експериментальних даних, отриманих в результаті дослідження кінетики сушіння плодів вишні з комбінованим енергопідведенням - конвекція і струми надвисокої частоти. Результати аналізу показали, що теоретично розраховані криві сушіння і швидкості сушіння адекватні кривим, отриманим експериментально.

Уперше разроблено математичну модель, що дозволяє безперервно регулювати алгоритм функціональних властивостей лінії з метою підтримання необхідних техніко-економічних показників, тобто надає змогу перероблювати сировину і випускати сушену продукцію потрібної якості.

Практична цінність та реалізація результатів роботи. Результати проведених досліджень дозволили розробити цілий ряд технологічних режимів процесу сушіння кісточкових фруктів з використанням різних способів енергопідведення - конвекції, струмів високої і надвисокої частоти та їх поєднання.

Виготовлена дослідно-промислова установка для сушіння кісточкових фруктів із застосуванням комбінованого енергопідведення - конвекція і струми високої частоти. Установка пройшла успішні випробування в умовах фермерського господарства м. Басарабяска.

Розроблено технічний проект лінії для сушіння кісточкових фруктів із застосуванням комбінованого енергопідведення - конвекція і струми вісокої частоти.

Уперше визначені електрофізичні характеристики плодів абрикос та слив, а також математичні закономірності їх зміни в залежності від різних внутрішніх та зовнішніх факторів впливу, які дозволяють створити алгоритм автоматичного слідкування за процесом сушіння у випадку використання СВЧ.

Розроблено ряд математичних моделей для розрахунку кінетики процесу сушіння кісточкових фруктів, які дозволяють автоматизувати роботу сушарки у випадку комбінованого енергопідведення - конвекція і струми високої та надвисокої частоти.

Розроблено математичну модель функціональних властивостей лінії, яка дозволяє регулювати процес перероблення сировини в автоматичному режимі на кожному технологічному етапі з метою отримання кінцевого продукту, який має потрібні якісні показники.

Промислове впровадження досліджень дозволило забезпечити отримання економічного ефекту більш 207 тис. у. о., підвищити технічний рівень виробництва, а також збільшити кількість сушених кісточкових фруктів, продовжити термін зберігання та реалізації біологічно цінного натурального продукту.

Особистий внесок здобувача. Полягає у: розробленні теоретичних положень та експериментальних установок, методик досліджень в лабораторних і промислових умовах; обробленні результатів і їх узагальнення; безпосередній участі в організації і проведенні досліджень; підготовці до публикації результатів досліджень, впровадження результатів досліджень.

Автором особисто розроблене технічне завдання на проектування технологічної лінії для виробництва сушених кісточкових фруктів.

Доповнені теоретичні уявлення відносно кінетики процессу сушіння кісточкових фруктів при застосуванні комбінованого енергопідведення – конвекція і струми високої частоти.

Автором запропонована методика прикладного аналізу та оброблення експериментальних даних, отриманих при дослідженні кінетики процесу сушіння вологих матеріалів.

Автором розроблена математична модель для аналізу, оцінки, а також динамічної стабілізації техніко-економічних показників лінії сушіння кісточкових фруктів для отримання високоякісної продукції.

Аналіз і узагальнення результатів досліджень виконані разом з консультантом доктором технічних наук, професором А. С. Лупашко.

Частину робіт по проведенню експериментальних досліджень виконано разом з аспірантами О. Ф. Лупу і А. А. Мошану.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались, обговорювались та одержали схвальну оцінку на: міжнародній науково-технічній конференції "Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологiй та обладання в харчову та переробну промисловiсть" (Кипв, НУХТ, 2005); симпозиумі "50 років вищій освіті у харчовій промисловості" (Румунія - Галац, 1998); 6-iй міжнароднiй науково-технiчнiй конференцii "Проблеми та перспективи створення i впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологiй, обладнання в галузях харчовоп та перероблюючої промисловостi (Кипв, УДУХТ, 1999); міжнародних конференціях по термоенергетиці у Республіці Румунія (Piteєti - 1998, Craiova - 1999); міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів і апаратів хімічних та харчових виробництв" (Львів, 1999); 30-й Міжнародній науково-технічній конференції військово-технічної академії (Румунія) "Сучасні технології XXI століття" (Bucureєti, 2003); 1-й міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні енергоощадні теплові технології (сушіння і термовологісна обробка матеріалів)" СЕТТ-2002 (Москва, 2002); I-ому міжнародному симпозиумі "Біохімія та біотехнології в харчовій промисловості" (Молдова, Кишинів, 2002); міжнародній науково-технічній конференції (Румунія - Яси, 2002).

Крім того, результати роботи були представлені і відмічені медалями та дипломами різних ступенів на міжнародних виставках, таких як: щорічна міжнародна спеціалізована виставка "INFОinvent", Кишинів, Молдова, 1999 (диплом 3-го ступеня - 2, диплом 2-го ступеня - 2, диплом 1-го ступеня - 1, диплом пошани жюрі 1-го ступеня - 1), 2001 (спеціальна золота медаль, диплом 2-го ступеня - 2, диплом учасника), 2002 (срібна медаль, бронзова медаль), 2003 (срібна медаль, диплом), 2004 (золота медаль - 2, бронзова медаль);

America's Largest Invention Show "INPEX-XIV", Pitsburg, Pennsylvania, USA, 1998 (бронзова медаль); 4th World Exhibition of Invention and Innovation, Casablanca, Maroc, 1998 (золота медаль); 27E Salon International des Inventions, Genиva, 1999 (золота медаль - 2), 2000 (золота і бронзова медалі), 2004 (золота і бронзова медалі); World Exhibition of Innovation, Reserch and New Technology, 46th Eureka'97 (срібна медаль), 47th Eureka'98 (золота медаль-2), 48th Eureka'99 (золота медаль), 53th Eureka'2004 (срібна медаль).

Таким чином, матеріали даної наукової роботи відмічені такими нагородами : золота медаль пошани - 1; золота медаль - 10; срібна медаль - 4; бронзова медаль - 5; диплом пошани 1-го ступеня - 1; дипломи різних ступенів - 6.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 101 наукових робіт.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 9 розділів, основних висновків, списку використаних літературних джерел з 364 найменувань і 8 (А, Б, В, Д, Е, Ж, З, И) додатків. Основний зміст дисертаційної роботи викладено на 341 сторінці машинописного тексту, вміщує 142 рисунки і 39 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі проаналізовано сучасний стан виробництва сушених кісточкових фруктів як в Республіці Молдова, так і в інших країнах. Розкрита актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі на основі проведеного глибокого аналізу літературних джерел виявлено рівень наукових уявлень відносно основних теоретичних положень тепло- і масопереносу. Визначено перспективність розвитку техніки та технології процесу сушіння кісточкових фруктів. Визначені і сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому розділі розглянено і теоретично обгрунтовано складність внутрішньої структури кісточкових фруктів з точки зору визначення і розрахунку їх електрофізичних параметрів (ЭФП). Подано аналіз способів і методів визначення ЭФП для систем матеріалів з однорідною і неоднорідною структурою. Для відмічених типів матеріалів виявлені основні види поляризації.

Сушінню переважно підлягають харчові продукти, які мають складну гетерогенну систему. Складність визначається у тому, що на відміну від простих сумішей для кісточкових фруктів неможливо створити умови для рівномірного розподілення компонентів. Розподілення компонентів у такому продукті визначено природою і складає сутність біологічного об’єкту. У зв’язку з цим усі існуючі методики для розрахунку tg і дають істотну похибку. Тому для таких систем нами розроблена нова методика розрахунку їх електрофізичних параметрів.

Також розроблені способи і методи вимірювання і розрахунку ЭФП складних багатокомпонентних систем, якими є кісточкові фрукти. Науково обгрунтовано і розрахунково підтверджено, що для цього випадку слід використовувати метод резонансу при способі трьох вимірів.

У третьому розділі експериментально визначені ЭФП кісточкових фруктів на прикладі абрикосів.

Дослідження електрофізичних параметрів рослинної сировини проводились на лабораторній установці (рис. 1).

Вона складається із вимірювача добротності Е4-5А 1, до якого приєднаний конденсатор, заповнений продуктом 2, і котушки індуктивності 3. Електрофізичні характеристики визначались при різних температурах. Підігрів конденсатора з продуктом здійснювався ТЕНами 4. Температура фруктів вимірювалась мідно-константановою термопарою 5, приєднаною до вимірювального моста Р-4833 6 через термостат з льодом 7. Точність вимірювання температури складала до 0,10С.

Вимірювальний конденсатор конструктивно складався з двох круглих пластинок діаметром 40 мм і товщиною 3 мм, розділених iзолюючим кільцем, виготовленим із фторопласту Ф-4.

Рис.1. Схема установки для визначення електрофізичних параметрів фруктів: 1 - вимірювач добротності Е4-5А; 2 - конденсатор з продуктом; 3 - котушки індуктивності; 4 - ТЕНи; 5 - термопара; 6 - прилад Р4833; 7 - термостат із льодом.

Таким чином, отриманий лабораторний комплекс позволяв визначити ємність і добротність вимірювального конденсатора.

Для проведення дослідів з метою визначення електрофізичних параметрів використовували плоди абрикоси сорту Краснощокий, вирощені в умовах Республіки Молдова.

Отримані результати досліджень електрофізичних параметрів tg і обробляли математично і графічно. На рисунках 2-4 показані залежності електрофізичних параметрів абрикосів від частоти струму і температури.

Досліди проводили із зразками різної вологості (3%; 10%; 20%; 30%) при температурах від 20 до 1000С в інтервалі частоти 15-50 МГц.

Результати показали, що залежності електрофізичних параметрів від частоти поля в звичайних умовах мають складний характер. Однак, в цих умовах прилад дозволяв визначити залежності тільки до вологості 30%.

Очевидно, при вологості абрикосів вище 30% різко збільшується активна складова струму Ia, яка в меншій мірі впливає на поляризацію діелектрика.

Частотні залежності електрофізичних параметрів абрикосів представлені на рис. 2-3.

Як видно із рис. 2а, tg абрикосів при їх температурі 200С для вологості 3,0% у досліджуваному інтервалі частоти змінюється від 0,40 до 0,93, а для вологості 30,0% - від 0,58 до 1,06. Відмічено, що характер представлених кривих при різній вологості практично ідентичний.

Із приведених графіків (рис. 2а) також видно, що з підвищенням частоти поля (для відміченого інтервалу) має місце тенденція збільшення tg. Так, якщо для частоти 15 МГц при вологості плодів абрикоси 3,0; 10,0; 20,0 і 30,0% значення tg склало відповідно 0,46; 0,52; 0,60 і 0,80, то для частоти 50 МГц - 0,95; 1,01; 1,01 і 1,06, тобто збільшилось майже у 1,5 рази.

Наявність на графіках максимального значення tg на цій частоті, очевидно, пояснюється тим, що вона відповідає такому відношенню періода прикладеної напруги і часу релаксації, при якому спостерігається найбільша витрата енергії на переборювання диполями опору, тобто тертя середовища.

Як видно із рис. 2б, характер кривих зміни для різних значень вологості абрикосів при температурі 200С має дугоподібний вигляд. При цьому дуги своєю випуклістю звернені від осі абсцис. Для частоти 30 МГц на усіх кривих спостерігається точка перегину в значеннях .

Значенння в цих точках для вологості абрикосів 3,0; 10,0; 20,0 і 30,0% відповідно склали 5,2; 6,9; 7,8; 9,3.

Отже, можливо припустити, що для досліджуваної складної гетерогенної системи, якою є абрикос, частота 30 МГц є як би пороговою.

Відомо, що в складних багатофазних гетерогенних сумішах, якими є більшість харчових продуктів, присутні різноманітні полярні та неполярні групи молекул. Природно, що при накладенні електричних полів високої частоти міра їх поляризації визначається величиною робочої частоти поля. Через це, певно, належить припустити, що для абрикосів в інтервалі частот 15-30 МГц переважає поляризація полярних груп, які при фіксованих частотах встигають у своєму зміщенні за зміною зовнішнього поля. Це приводить до підвищення .

Подальше підвищення частоти приводить до монотонного зменшення , що характерно для більшості уже полярних груп, оскільки все менша частка полярных молекул речовин, утворюючих абрикос, встигає зміщуватись відповідно до зміни зовнішнього поля.

Як видно із рис. 2б, для фіксованих частот значення з підвищенням вологості від 3,0 до 30,0% збільшуються. Так, для частоти 27 МГц вони відповідно склали 5,2 і 9,5.

З підвищенням температури абрикосів, як видно із рис. 3а, при їх вологості 3,0; 10,0; 20,0 і 30,0% характер кривих залежності tg від частоти має дещо зглажений вигляд. На кривих відсутня ярко виражена точка перегину значень tg у своєму частотному ході, характерна для більш низьких температур (рис. 2а). Одночасно аналізуючи криві, показані на рис. 3а, можна константувати, що криві зміни tg, які відповідають вологостям абрикосів 3,0; 10,0; 20,0 і 30,0%, мають тенденцію до підвищення у своєму частотному ході.

Це пояснюється тим, певно, що абрикоси, вологість яких складає менш ніж 30%, мають незначну наскрізну провідність. Тому з ростом частоти електромагнітного поля збільшується міра орієнтації диполів, що приводить до підвищення tg.

Таблиця 1

№ п/п | вологість абрикосів, % | Границя зміни частоти поля f, МГц | Температура абрикос, 0С | Отримане рівняння

1. | 3,0 | 15-50 | 100 | tg=0,006f+0,78

2. | 10,0 | 15-50 | 100 | tg=0,008f+0,84

3. | 20,0 | 15-50 | 100 | tg=0,007f+1,0

4. | 30,0 | 15-50 | 100 | tg=0,010f+1,05

Математична апроксимація експериментальних даних по методу середніх величин описується лінійною залежністю tg від частоти при t=1000С (рис. 3). Отримані математичні рівняння залежності показані у табл. 1.

Як видно із рис. 3б, практично не залежить від частоти електричного поля. При цьому середнє значення відповідно складає: для вологості 3,0% - 4,3; 10,0% - 5,5; 20,0% - 6,6 і для 30,0% - 8,1.

Така залежність показує, що час установлення електронної або іонної поляризації досить малий у порівнянні з часом зміни знаку напруги, тобто з напівперіодом напруги. Це приводить до того, що поляризація абрикосів встигає повністю стабілізуватись за надзвичайно малий час у порівнянні з напівперіодом напруги.

Аналіз даних, представлених на рис. 2-3, дозволяє припустити, що для сушіння абрикосів струмами високої частоти можливо рівноцінно використовувати промислові генератори з частотами 27,12 і 40,68 МГц. У зв’язку з наявністю у нас промислового генератора з робочою частотою 27,12 МГц, кінетика сушіння абрикосів досліджувалась для цієї частоти.

Питання впливу вологості на електрофізичні параметри вивчено ще недостатньо.

Абрикос є біологічний об’экт із складною структурою та наявністю у ньому значного числа складових речовин. Для таких продуктів виведення фізично обгрунтованих формул, які показують залежність електрофізичних параметрів від вологи, є складною задачею. Це визвало необхідність експериментального вивчення впливу вологості продукту на його електрофізичні параметри.

Математична апроксимація експериментальних значень tg за методом середніх даних дозволила описати їх лінійною залежністю.

Це пояснюється тим, що абрикос, як і любий харчовий продукт, у якому є волога, має незначну наскрізну провідність. При збільшенні вологості абрикосів зростає наскрізна провідність і, відповідно, активна складова струму Iа. В свою чергу, це і приводить до збільшення tg.

У таблиці 2 представлені математичні залежності tg від вологості для абрикосів у інтервалі їх вологості 3,0-30,0% при температурах 200С, 1000С і частотах - 20, 27, 40 і 50 МГц.

Таблиця 2

№ п/п | Частота поля, МГц | Границя зміни вологості абрикосів, % | Температура, 0С | Одержана формула

1. | 20 | 3,0 – 30 | 20 | tg=0,006W+0,40

2. | 27 | 3,0 – 30 | 20 | tg=0,010W+0,53

3. | 40 | 3,0 – 30 | 20 | tg=0,010W+0,66

4. | 50 | 3,0 – 30 | 20 | tg=0,011W+0,85

5. | 20 | 3,0 – 30 | 100 | tg=0,014W+0,62

6. | 27 | 3,0 – 30 | 100 | tg=0,014W+0,71

7. | 40 | 3,0 – 30 | 100 | tg=0,011W+0,86

8. | 50 | 3,0 – 30 | 100 | tg=0,007W+1,08

Аналізуючи рівняння, представлені в табл. 2, можна відмітити, що рівняння відповідно частоти 27 МГц при різних температурах близькі одне до одного. Таким чином, якщо використати метод середніх значень, то для частоти 27 МГц незалежно від температури (до 1000С) рівняння tg=(w) може мати вигляд:

tg=0,013W+0,67 (1)

При звичайних умовах, тобто при температурі абрикосів 200С (рис. 4.б), з підвищенням вологості збільшується, причому по лінійному закону. Так, при частоті 27 МГц для вологості 3,0% має значення 5,4, а для 30% - 8,8.

Подібний прямолінійний характер збільшення з підвищенням вологості відмічено також при температурі 1000С. Це пояснюється, напевно,

a)

б)

Рис. 2. Залежність tg (а) і (б) абрикосів від f при температурі 200С для вологості: 0- 3,0%, ?- 10,0%, Д- 20,0%, Ч- 30,0%.

а)

б)

Рис. 3. Залежність tg (а) і (б) абрикосів від частоти f при температурі 1000С для вологості: 0- 3,0%, ?- 10,0%, Д- 20,0%, Ч- 30,0%.

тим, що з підвищенням вологості відбувається збільшення кількості полярних молекул води.

Математична обробка результатів експериментів для вивчення зміни відносно вологості приведена в таблиці 3.

Таблиця 3

№ п/п | Частота поля, МГц | Границя зміни вологості

абрикосів, % | Температура, 0С | Одержана формула

1. | 20 | 3,0 - 30 | 20 | =0,105W+4,09

2. | 27 | 3,0 - 30 | 20 | =0,133W+4,19

3. | 40 | 3,0 - 30 | 20 | =0,147W+4,77

4. | 50 | 3,0 - 30 | 20 | =0,104W+5,44

5. | 20 | 3,0 - 30 | 100 | =0,067W+6,42

6. | 27 | 3,0 - 30 | 100 | =0,077W+6,70

7. | 40 | 3,0 - 30 | 100 | =0,134W+6,32

8. | 50 | 3,0 - 30 | 100 | =0,048W+8,52

Із таблиці 3 видно, що для частоти 27 МГц при температурі 1000С в інтервалі вологості 3,0-30,0% змінюється тільки відносно функції:

=0,087W+5,74 (2)

На рис. 4а показано залежність tg від температури при частоті 27 МГц. З підвищенням температури tg збільшується приблизно за лінійною залежністю.

При такій частоті значення (рис. 4б) від температури не залежить. Для вологості 3,0; 10,0, 20,0% і 30,0% значення складає відповідно 5,35; 6,6; 7,7 і 8,8.

З підвищенням температури абрикосів, за рахунок частоти коливань молекул, збільшується їх електрична “в’язкість”, що обумовлює зменшення числа диполів, спроможних орієнтуватись під дією поля. В той же час зростання температури також приводить і до збільшення можливості орієнтації окремо взятих диполів. Очевидно, ці два взаємовиключаючі ефекти компенсують один одного. Це приводить до температурного нейтралітету орієнтаційної поляризації, і, як слідство, при цьому величина залишається постійною.

а)

б)

Рис. 4. Залежність tg (а) і (б) від температури при частоті 27 МГц і вологості W, рівної: Ч- 3,0%; ?- 10,0%; ? - 20,0%; 0- 30,0%.

Таким чином, проведені дослідження по визначенню електрофізичних параметрів абрикосів і виявленню характеру їх зміни від частоти поля, температури і вологості показали, що:

·

·

У зв’язку з великою кількістю експериментальних даних для вивчення ЕФП була виконана їх математична обробка за методом ротатабільного планування експерименту другого порядку.

Вихідні параметри tg (Y1) і (Y2) визначали залежно від таких факторів: вологість (Х1, %), температура (Х2, 0С) абрикосів, частота поля (Х3, с-1).

При цьому установлена наступна область визначення факторів:

3,0X130 (%) 20X2100 (0С) 15Х350 (МГц)

В результаті створення інтегральної матриці планування експериментів, розрахунків коефіцієнтів регресії і перевірки їх на значимість отримана така математична модель:

tg=0,00023W2–0,00022T2–0,00001f2+0,00001WT–0,00036Wf+

+0,000015Tf+0,0381W+0,0339T–0,00789f–0,9248 (3)

Експериментальні дані були оброблені на комп’ютері за допомогою програми ОРТЕХ, що дозволило отримати математичну модель ЕФП абрикосів та поверхність відгуку для моделі з трьома змінними.

Рівняння математичної моделі (3) отримано нами iз виразу, який спочатку було отримано в зашифрованому виглядi.

Перехід до натуральних залежностей слід проводити за формулами (4):

(4)

За оцінкою отриманих даних відносно ЕФП, при дослідженні абрикосів і раніше відомих для слив, та виходячи із (1) i (2), можна відмітити, що їх залежності ідентичні. Так вiд вологостi

для абрикосів: tg=0,013W+0,67 (5)

для слив: tg=0,017W+0,66 (6)

для абрикосів: =0,087W+5,74 (7)

для слив: =0,011W+5,5 (8)

Аналіз виявив, що при накладенні струмів високої частоти на абрикоси і сливи при одних і тих же зовнішніх і внутрішніх факторах впливу (частота поля, вологість і температура фруктів) виділяється однакова внутрішня теплота. Це дає можливість використовувати для сушіння абрикосів і слив одну і ту ж сушильну установку із застосуванням електромагнітного поля однієї і тієї ж високої частоти, а саме 27 МГц.

Таким чином, для сушіння абрикосів та слив із застосуванням струмів високої частоти слід рекомендувати робочу частоту генератора
27 МГц і температуру агента 1000С.

У четвертому розділі наведено результати досліджень кінетики процесу сушіння абрикосів. Наведена загальна характеристика і конструкція експериментальної установки для вивчення процесу сушіння.

Установка складається із сушильної камери 1 (рис. 5), всередині якої знаходиться коаксиальний конденсатор 2, виконаний у формі циліндричної чаші. Бокові стінки коаксиального конденсатора зроблені із перфорірованої листової котушки. Перфоріроване днище виконано із діелектрика типу Ф-4. Пластини конденсатора підключені до високочастотного коаксиального хвилеводу, внутрішня – до високочастотного фідера, а зовнішня - до корпуса.

Коаксиальний конденсатор приєднаний до механічних вагів 3. До камери приєднані два повітроводи 4 та 5 для подачі і виходу сушильного агента.

Високочастотне живлення установки від генератора ЛГД-6000А забезпечується за допомогою коаксиального хвилеводу 6. Досліджуваний матеріал загружається в коаксиальний конденсатор. У випадку конвективного енергопідведення сушильний агент, підігрітий у електрокалорифері 7, вентилятором 8 через систему повітроводів подається у сушильну камеру 1 і проходить між обкладками коаксиального конденсатора. При цьому високочастотне живлення на обкладки коаксиального конденсатора не подаєтся.

При нагріванні продукта СВЧ на обкладки коаксиального конденсатора, між якими розміщено продукт, подається високочастотне живлення. Вихід утвореної пари відбувається за рахунок природньої конвекції. При поєднанні нагрівання СВЧ та конвективного вищеописані процеси проходять одночасно.

У процесі сушіння вимірювали: зменшення маси, зміну температури продукта, напругу на обкладках конденсатора, швидкість і температуру гарячого повітря та витрату електроенергії. При досягненні потрібного кінцевого вологовмісту процес сушіння припинявся і висушений продукт вивантажувався із конденсатора.

Температура сушильного агента, який подавався у сушильну камеру, підтримувалась системою автоматики. Основними елементами схеми є контактний термометр 12 (рис. 5), електрокалорифер (ТЕН) 7 та електронний блок. Швидкість руху повітря у сушильній камері підтримувалась постійною і вимірювалась мікроманометром 11.

На рис. 6 надано криві сушіння W=f() та криві швидкості сушіння dW/d=f(W) плодів абрикосів при конвективному підводі теплоти.

Як видно із рис. 6а, тривалість процесу сушіння абрикосів від початкового вологовмісту 567% (на С.Р.) до кінцевого 25% зменшується із зростанням температури сушильного агента. Так, якщо при температурі сушильного агента 600С тривалiсть обезводнення складає 1317 хв., то при температурах 70, 80, 90 і 1000С -відповідно 1250, 1180, 1090 и 990 хв.

Як видно із графіка швидкості сушіння (рис. 6б), значення вологості плодів абрикос, при якій спостерігається точка перегину, в основному не зростає лінійно в залежності від температури продукта. На нашу думку, це пояснюється тим, що для таких складних гетерогенних систем, якими є абрикоси, зміна полів вологості у процесі сушіння більше залежить від складності структури та внутрішніх біохімічних змін в абрикосах, ніж від температури.

a)

б)

Рис.6. Криві сушіння (а) і швидкості сушіння (б) плодів абрикоси при конвективному енергопідведенні.

На основі кривих сушіння і швидкості сушіння були розраховані коефі-цієнти швидкості сушіння в першому та другому періодах, а також тривалість прогрівання пр, тривалість першого 1 і другого 2 періодів. Дані наведені у таблиці 4.

Значення максимальної швидкості сушіння, як видно із графіка, збільшується по мірі підвищення температури сушильного агента (рис. 6.б). Швидкість видалення вологи з підвищенням температури від 60 до 1000С збільшилась в 1,9 рази.

Доцільно порівняти експериментально отримані постійні швидкості сушіння в 1-ому периоді з теоретично розрахованими коефіцієнтами зовнішнього вологопереносу між поверхнею продукта та повітрям.

Таблиця 4

№ п/п | t0,C | Wкр, % | dW/d103,

%/с | КI,

%/

(м2с) | KII· 106,

с-1 | пр, хв | I,

хв | II,

хв | заг.,

хв

1 | 60 | 325 | 14,55 | 50,96 | 1,3 | 120 | 899 | 308 | 1327

2 | 70 | 325 | 16,29 | 51,73 | 1,6 | 102 | 727 | 421 | 1250

3 | 80 | 235 | 23,17 | 54,96 | 1,7 | 81 | 697 | 402 | 1180

4 | 90 | 325 | 25,07 | 56,98 | 2,4 | 70 | 692 | 328 | 1090

5 | 100 | 235 | 26,90 | 58,02 | 3,0 | 52 | 640 | 298 | 990

В таблиці 5 наведено коефіцієнти швидкості сушіння в 1-ому періоді і коефіцієнти масовіддачі для абрикосів.

Таблиця 5

t, 0C | 60 | 70 | 80 | 90 | 100

Кґ1·103, м/с | 13,5 | 14,0 | 15,3 | 16,1 | 17,0

в·103, м/с | 22,3 | 22,9 | 23,6 | 24,2 | 24,7

З таблиці 5 видно, що наведені постійні сушіння менші ніж коефіцієнти масовіддачі в.

Можна зробити висновок, що зменшення вологи у 1-у періоді є чисто дифузійним процесом.

В результаті оброблення даних було виявлено, що для абрикосів константа швидкості сушіння може бути описана рівнянням:

Кґ1=0,13·e-620/T (9)

Результати дослідження по визначенню ЕФП абрикосів наведені в розділі 3, показали, що поляризаційні ефекти у цих плодах проявляють свою дію при вологості 195% і нижче.

б)

Рис. 7. Криві сушіння (а) і швидкості сушіння (б) плодів абрикос
для комбінованого енергопідведення при напрузі електромагнітного поля Е=18000 В/м.

До ологості абрикоси слід піддавати сушінню лише конвективним методом, а потім застосовувати СВЧ.

На графіку видно (рис. 7), що накладення ЕМП високої частоти у комбінації з конвективним способом значно інтенсифікує процес сушіння.

Так, при температурі 600С (рис. 6а) тривалість конвективного сушіння склала 1317 хв, а при комбінованому сушінні при цій же температурі з накладенням СВЧ при напрузі Е=18000 В/м – 995 хв (рис. 7а), тобто скоротилась в 1,32 разів.

При цьому з підвищенням напруженості ЕМП (табл. 6) тривалість сушіння при одних і тих же температурах теж зменшується. Так, при температурі сушильного агента 600С і напруженості ЕМП Е=8750 В/м тривалість сушіння абрикосів від 567% до 25% вологостi склала 1057 хв., а при напруженості Е=18000 В/м (рис.7б) і тій же температурі сушильного агента - 995 хв., тобто зменшилась в 1,1 разів.

На основі кривих сушіння і швидкості сушіння при конвективному і комбінованому підведенні теплоти були розраховані постійні швидкості сушіння (табл. 6) за відомою методикою. Якщо порівняти процес обезводнювання при мінімальних температурі сушильного агента і напруженості ЕМП (t=600С і Е=8750 В/м) з процесом при їх максимальних величинах (t=1000С і Е=18000 В/м), то неважко визначити, що тривалість його від 567 до 25% зменшиться в 1,8 рази.

Максимальним значенням напруженості поля у наших випробуваннях було Е=18000 В/м. При подальшому підвищенні значення напруженості ЕМП процес ставав нестійким, тому що виникав пробій і відбувалося пригоряння продукта.

Таблиця 6

У 2-ому періоді значення константи швидкості сушіння К2, яка характе-ризує внутрішній тепло - і массообмін, підвищується у порівнянні з чистою конвекцією в 2,77 разів при Е=8750 В/м і в 3,02 рази при Е=18000 В/м. Усе це приводить до зменшення тривалості сушіння в 2,44 разів при Е=8750 В/м і в 2,67 разів при Е=18000 В/м.

Як бачимо, застосування комбінованого енергопідведення приводить до зміни якісних та кількісних характеристик процесу. Швидкість процесу сушіння зростає на 14 і 29%, відповідно, у порівнянні з Е=0, збільшується константа швидкості сушіння, зменшується тривалість 2-го періоду.

Встановлено, що з підвищенням температури повітря тривалість сушіння зменшується, причому, при більшій напруженості ЕМП Е=18000 В/м для усіх температур таке скорочення більше, ніж для напруженості Е=8750 В/м. Дані табл. 6 показують, що скорочення тривалості сушіння в значній мірі відбувається у 2-ому періоді. Так при температурі 1000С і напруженості Е=8750 В/м скорочення загальної тривалості сушіння відбувається у 1,4 рази, а тривалість 2-го періоду зменшується в 2,27 рази. Аналогічно для напруженості поля Е=18000 В/м скорочення загальної тривалості сушіння відбувається у 1,51 рази, а тривалiсть 2-го періоду зменшується в 4,96 рази. Це свідчить про те, що накладення ЕМП в більшій мірі впливає на врутрішній масоперенос, тобто сприяє видаленню вологи, зв’язаної з матеріалом осмотично і адсорбційно.

Таким чином високочастотне нагрівання у комбінації з конвективним способом енергопідведення є найбільш перспективним для процесу обезводнення абрикосів. Як показали дослідження, процес сушіння краще проводити протягом двох етапів. На першому етапі до поляризуючої вологості абрикосів 195% слід здійснювати конвективне енергопідведення при температурі 1000С, на другому етапі, до отримання рівноважної вологостi 25%, використовувати поєднання конвекції з СВЧ при напруженості електромагнітного поля Е=18000 В/м.

Основна задача сушіння в харчовій промисловості полягає у знаходженні оптимального режиму, при якому максимально зберігаються природні вкусові та харчові якості продукту.

Одним із основних показників якості готового продукту у сушарному виробництві є відновлювальна здатність.

Результати досліджень процесу набухання висушених плодів показали, що здатність матеріалу до відновлення залежить від виду сировини, його структури, физико-хімічних властивостей, а також від величини тих змін, які відбулися у процесі обезводнювання.

Цікавим виявився факт, що здатність до набухання абрикосів, висушених комбінованим методом при більш високій напруженості поля (Е=18000 В/м) краща, ніж фруктів, висушених чисто конвекцією (Е=0).

Для сушіння абрикосів основними показниками, які визначають якість продукту, є вміст вітаміну С та -каротину.

Дослідження показали, що втрата аскорбинової кислоти при температурах 80-1000С менша, ніж при м’яких температурних режимах (60-700С). Значне скорочення тривалості сушіння при високих температурах зменшує теплову дію на матеріал і взаємодію його з киснем повітря, сприяє кращому збереженню термолабільної аскорбинової кислоти. Накладення СВЧ покращує збереження вітаміну С, причому збереження його зростає з підвищенням напруженості електромагнітного поля.

Можна зробити висновок, що накладення високочастотних електро-магнітних полів на харчовий продукт, багатий вітаміном С, у процесах нагрівання сприяє збереженню його у цьому продукті.

У зв’язку із збільшенням попиту на використання мікрохвильових печей (НВЧ), нами були проведені дослідження з метою виявлення можливості сушіння кісточкових фруктів мікрохвильовою енергією. Об’єктом дослідження були вибрані плоди вишні.

Для дослідження кінетики процесу сушіння вишні із застосуванням НВЧ поля була запроектована і виготовлена лабораторна установка, схема якої приведена на рис. 8.

Установка складається із сушильної камери 6, яка являє собою резонатор стандартної мікрохвильової печі. Всередині резонатора знаходиться наважка, днище 4 якої виготовлено із перфорованого фторопласту Ф4. Наважка