РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ВОДЯНОГО ПАРА В СУШИЛЬНОЙ КАМЕРЕ

АННОТАЦИЯ

Узбекистан является крупным производителем плодов и винограда. Так, например, за девять месяцев 2021 года собрано 2070,7 тысячи тонн - плодов и ягод, 1313,7 тысячи тонн - винограда. Но всего лишь до 15 % этой продукции перерабатывается. Основная доля переработки приходится на сушку плодов. Поэтому выявление новых методов сушки плодов является актуальной. В статье рассмотрены вопросы зависимости коэффициента диффузии сушки от давления и температуры процесса. Определение значения коэффициента диффузии для процесса сушке с мгновенным понижением давления необходимы для дальнейшего расчета процесса и сконструирования соответствующей сушильной установки.

ABSTRACT

Uzbekistan is a major producer of fruits and grapes. So, for example, in the nine months of 2021, 2070.7 thousand tons of fruits and berries, 1313.7 thousand tons of grapes were harvested. But only up to 15% of this production is recycled. The main share of processing falls on the drying of fruits. Therefore, the identification of new methods for drying fruits is relevant. The article deals with the dependence of the diffusion coefficient of drying with an instantaneous pressure drop on the pressure and temperature of the process. Certain values of the diffusion coefficient for drying with instantaneous pressure reduction are necessary for the further calculation of the drying process and the design of the appropriate drying plant.

Ключевые слова: сушка, давление, температура, коэффициент диффузии, плоды, абрикос.

Keywords: drying, pressure, temperature, diffusion coefficient, fruit, apricot.

Введение. Сушка плодов и овощей – это сложный нестационарный процесс переноса влаги и тепла. Плоды и овощи, представляющие собой капиллярно-пористые тела содержанием влаги до 95 %, нестойки при хранении.

При сушке из плодов и овощей удаляется большая часть содержащейся в них влаги. Концентрация клеточного сока и, следовательно, его осмотическое давление увеличиваются во много раз. Вследствие этого развитие микроорганизмов становится невозможным. Биохимические процессы также прекращаются, так как ферменты инактивированы. В результате предварительного бланширования, обработки SО₂ и последующей сушки продукт оказывается законсервированным.

Процессы сушки плодов и овощей не могут быть сведены лишь к физическому процессу испарения влаги. При этом происходят и сложные физико-химические изменения, от которых зависит качество готового продукта. Влага, содержащаяся в плодах и овощах, связана с их тканями по-разному. В крупных межклетниках она удерживается слабо и испаряется при сушке со скоростью, близкой к испарению со свободной поверхности. В мелких капиллярах содержится гигроскопическая влага, удаляемая с трудом, так как она удерживается за счет адсорбирующей способности продукта. Химически связанная, или структурная, вода при сушке не удаляется. Поэтому сушка является очень сложным и ответственным производственным процессом.

В пищевой промышленности при сушке плодов и овощей традиционно используются термические способы обработки продуктов, что негативно влияет качество получаемого готового продукта в результате разрушения витаминов и ухудшения органолептических показателей, а также процесс является энергоёмким.

Абрикос – культура сухофруктового направления и широко используется в сушке. Из плодов готовят урюк, кайсу, курагу.

Местные сорта абрикоса, Субхони, Исфара, Хурмаи, Бодомча и т.д., содержат до 20-23% сахара, богаты минеральными солями, микроэлементами, органическими кислотами, пектиновыми веществами, различными витаминами, особенно A и C и являются источниками биологически активных веществ и также имеют диетические и лечебные свойства [1].

При этом изучение коэффициента диффузии в рабочей камере сушки плодов абрикоса мгновенным сбросом давления является актуальной.

Целью данной работы является исследование зависимости коэффициента диффузии от давления и температуры при процессе сушки половинки абрикоса с применением мгновенного сброса давления.

Материал и методы выполненных исследований. Для проведения экспериментов были взяти предварительно взвешенные половинки абрикоса, толщина слоя материала на поддоне составляла δ = 4 мм. Материал подвергается термообработке с помощью ИК-излучателей с плотностью лучистого потока q=1,5 кВт/м². Выбор значения плотности лучистого потока в пределах 1,5 кВт/м² обусловлен тем, что уменьшение плотности лучистого потока приводит к увеличению продолжительности процесса теплообработки, а увеличение плотности лучистого потока приводит к пережарению поверхности слоя материала [2]. Термообработка производится в прерывистом режиме облучения.  Плотность лучистого потока и время обработки, для различных давлений, оставались неизменными. Начальная влажность материала W_н=78,0±1,0%.

Результаты исследований и их обсуждение. Следует отметить, что при сушке с резким снижением давления в адиабатических условиях за счёт положительного температурного градиента значительно повышается эффективность удаления влаги из капиллярно-пористых материалов. При сбросе давления в камере внутри материала образуется избыточное давление, соответствующее температуре жидкости в слоях материала, в результате по сечению высушиваемой частицы создается положительный градиент избыточного давления. Соответственно, при изменении внешних условий можно добиться релаксации давления [3].

В предлагаемой установке в процессе повышения давления сушильного агента в структуре высушиваемого материала происходит разрушение микрокапилляров, содержащих молекулы воды, а при резком снижении давления отличается интенсивное перемещение молекулы воды от внутренних слоев материала к поверхностным. При этом продукт размещается в герметичной системе, в которой создаётся давление до 0,8 МПа с помощью компрессора.  Материал обрабатывается в течение 4-6 мин, затем сбрасывается давление, а парожидкостная смесь выводится из системы. Результаты анализов показали, что при данном способе обработки воздух как сушильный агент полностью использует свой потенциал, при этом удаляется 10-13% влаги от её общего количества в зависимости от создаваемого давления. Дальше материал подвергается обычной конвективной сушке до влажности 19-20 %.

Скорость сушки определяет один из важнейших технологических параметров –  интенсивность   испарения    влаги   из   материала m,   которая выражается количеством влаги W, испаряемой с единицы поверхности материала F в единицу  времени τ:

В процессе сушки происходит преимущественно конвективная диффузия. Рассмотрим график зависимости давления и температуры водяного пара при заданном давлении в камере и мгновенном снижении давления при предлагаемом процессе сушки:

где D₀ – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе, 21,9·106 м²/с или 0,079 м²/ч;

P₁ и P₂ – соответственно начальное и конечное давление в камере, МПа;

Т₁ и Т₂ – соответственно начальная и конечная температуры продукта, ⁰С.

Результаты вычислений коэффициента диффузии приведени на рис.1.

Выводы. Как видно из формулы (2), с повышением температуры продукта увеличивается коэффициент диффузии и улучшается процесс диффузии водяного пара. Но по мере увеличения давления процесс диффузии замедляется. Поэтому в процессе повышения и мгновенного понижения давления в камере усиливается диффузия, и водяной пар, испаряющийся с поверхности изделия, сразу же диффундирует в воздух, и в результате выходящий воздух сразу уносит водяной пар. Также водяной пар скапливается на поверхности изделия, и отсутствует сопротивление выделению пара из капиллярно-пористой среды.

Определенные значения коэффициента диффузии при сушке с мгновенным понижением давления необходимы для дальнейшего расчета процесса сушки и сконструирования соответствущей сушильной установки.

Рисунок 1. График зависимости коэффициента диффузии от давления и температуры

Список литературы:

1. Байметов К.И., Турдиева М.К., Назаров П. Особенности возделывания местных сортов абрикоса в Узбекистане.- Ташкент, 2011.
2. Патент Республики Узбекистан № IAP 03373 – 30.05.2007, «Способ сушки фруктов».
3. Лашков В. А., Кондрашева С. Г. (2011). Обзор направлений использования эффекта, возникающего при понижении давления парогазовой среды // Журнал «Вестник Казанского технологического университета, - С.210-215.
4. Джураев Х.Ф., Рустамов Э.С., Гафуров К.Х. Новый метод подготовки абрикоса к сушке. Международная научно-практическая заочная конференция «Биотехнологические, экологические и экономические аспекты создания безопасных продуктов питания специализированного назначения». Краснодар, 2020. С.438-441.
5. Лашков В.А. Аппаратурное оформление процессов, протекающих при понижении общего и парциальных давлений парогазовой среды // Вестник Казанского технологического университета. - 2011.-Т.14, №8.-С.210-215.
6. Потапов В.А., Гриценко О.Ю, Пономаренко Ю.О. (2013). Исследование процесса сушки в массообменных модулях под действием повышенного давления // Доклад в сборнике научных трудов «Прогрессивная техника и технологии пищевых производств ресторанного хозяйства и торговли», Харьков, Украина. С. 148-153
7. Djuraev Kh.F., Gafurov K.Kh., Rustamov E.S. Kinetics of fruit crops drying with instant pressure release // The American Journal of Engineering and Technology. USA: 2020. Volume 02 Issue 10. pp 45-54.
8. Djuraev Kh.F., Gafurov K.Kh., Rustamov E.S. Research of the process of apricot fruit drying with instant pressure release // International Journal For Innovative Engineering and Management Research.USA: 2021. Volume 10, Issue 03, pp 219-226.