Удосконалення процесу ІЧ-сушіння плодово-ягідної сировини та його апаратурне оформлення: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладного завдання підвищення енерго- та ресурсоефективності процесу ІЧ-сушіння плодово-ягідної сировини та розробці раціонального устаткування для його реалізації. В ІЧ- сушарці з верхнім розташуванням рефлектору визначено раціональні положення ІЧ- випромінювача і приймача. Розроблено математичну модель за межі приймача, що забезпечать рівномірність теплової енергії на приймачах. Визначено раціональні діапазони поглинаючої здатності та частоту вібрації яблучної сировини. Вдосконалено гнучкий плівковий резистивний електронагрівач випромінюючого типу шляхом збільшення міцності та наявності відведень для підключення електромережі. Запропоновано принципови схеми виробництва сушених плодово-ягідних напівфабрикатів на основі розроблених безрефлекторних апаратів: вальцова ІЧ- сушарка з безпосередньою подачею сировини в зону сушіння та вертикальна циліндрична ІЧ-сушарка з вібраційним механізмом та спіральним теплообмінним пристроєм. Визначено економічну ефективність та здійснено промислову апробацію й впровадження науково-технічної розробки.

Диссертация посвящена решению научно-прикладной задачи повышения энерго- и ресурсоэффективности процесса ИК-сушки плодово-ягодного сырья и разработке рационального оборудования для его реализации. В ИК-сушилке с верхним расположением рефлектора определены рациональные положения ИК-излучателя и приемника. Разработана математическая модель для определения рациональных форм рефлекторов ИК-сушки с вынесением их за пределы приемника, обеспечивающие равномерность тепловой энергии на приемниках. Определены рациональные диапазоны поглощающей способности и частота вибрации яблочного сырья. Усовершенствован гибкий пленочный резистивный электронагреватель излучающего типа за счет увеличения прочности и наличия отводов для подключения к электросети. Предложены принципиальные схемы производства сушеных плодово-ягодных полуфабрикатов на основе разработанных аппаратов безрефлекторного типа: вальцовая ИК-сушилка с непосредственной подачей сырья в зону сушки и вертикальная цилиндрическая ИК-сушилка с вибрационным механизмом и спиральным теплообменным устройством. Определена экономическая эффективность и осуществлена промышленная апробация, и внедрение научно-технической разработки.

The dissertation is devoted to solution of the applied scientific problems of increasing energy and resource efficiency of the process of fruit and berry raw material IR drying and development of efficient equipment for its implementation. The dissertation work (dissertation) defines rational position IR emitter and receiver in experimental models of infrared dryers with top reflector: hemicylindrical hIR rad. – 0.05 m and hp.p. – 0.225 m with the IR drying process time, τ = 150 min.; sinusoidal hIR rad. – 0.025 m and hp.p. – 0.225 m, τ = 155 min. accordingly, which provide uniform heat flow at the receiver. The dissertator has developed the mathematical model for determining the rational form of reflectors, which ensures uniform distribution of heat energy on the top and bottom surfaces of the receivers in the IR dryer along with the reflectors being taken off the boundaries of the receiving surface. The dissertator has defined acceptable IR ranges for absorbing ability of Antonovka apples – 3, 6, 9 and 12…15 microns. Based on the ratios of wine, the temperature of the working surface of FFRREH (Flexible Film Resistive Radiant Electric Heater) (241…193 K) is defined, and its acceptable range (5...15 microns) is proved. The inertial and dynamic properties of TEH (tubular electric heater), quartz lamps, ceramic electric heater and FFRREH are compared, and the low inertance of FFRREH (τ = 87 s) is proved, which, at the same time, is the uniform temperature of the surface and characterizes the distinct dynamics of its operation. While cutting the apple raw materials in the form of parallelepiped with an area of 0.7...2.6 m, its minimum heating temperature is determined – 55о С – subject to the use of FFRREH (480 W) with the duration of drying process of 60 s and the distance to the receiver of 0.35 m, and the maximum possible heating temperature – 178о С (TEH, 1500 W), with the duration of the process of 600 s and the distance to the receiver of 0.15 m. The dissertator proposes equipment for production of dried three-component semi-finished products from fruit and berry raw materials with combination of the process of preparatory concentrating the paste in the advanced rotary-film evaporator up to the content of 28…30% DI (dry ingredients) at temperature 50...70° C for 0.7...1 min and then finishing drying in the designed non-reflected rotary drum IR dryer (45...60° C). The technological scheme for production of three-component dried semi-finished products is proposed. The influence of impurities in the three component pastes on the structural-mechanical properties is determined in accordance with the proposed compositions: in the composition No. 1 (apple, quince, black elderberry) at the content of quince from 25 to 35% the dispersion level is reduced, and upon increasing concentration of quince to 45% ( r =1.82 nm) the dispersion level grows; in the composition No. 2 (apple, zizifus, blueberries) upon increasing the content of zizifus from 25 to 35% ( r =1.5 nm) there is an increase of the dispersion level of the pastes, and upon increasing the content of zizifus up to 45%, on the contrary, the dispersion level is lowered. The thesis proves the acceptable frequency of the vibration mechanism in the designed (vertical cylindrical) VC IR-dryer: 4 s-1 with the duration of the process of 145 min, that is 21% less in comparison with the ”clean” IR-driers. The efficiency of the use of the spiral heat exchange device is calculated, which will provide reduction of the total cost by 3.6%, electricity consumption per 1 kg of evaporation of moisture – by 6.6%, and increase of the efficiency factor of the device – by 3.4%. The dissertator has developed the industrial exploratory prototype of the dryer VC IR-20 with periodic effect, non-reflected type with the rational form of the working chamber based on the advanced Flexible Film Resistive Radiant Electric Heater, which is characterized by the consumption of heat for evaporation of 1 kg moisture q = 4462 kJ/kg, the consumption of electricity per 1 kg of evaporated moisture P = 0.85 kW·h/kg. The integrated spiral heat exchange ensures reduction of the total cost by 3.6%, and increase of the efficiency factor of the equipment by 3.4%. The activities have been carried out to introduce the equipment into production, to develop the design documentation for the dryer VC IR-20 and its testing at enterprises. The economic effect of introduction of the VC IR-20 is determined by reduction of the specific energy consumption by 36% in comparison with the dryer on the basis of TEHs, the annual economic effect will amount to 16.8 thous. UAH, and the payback period is 5 months.