Динамика изменения теплофизических характеристик плодов и ягод при сублимационной сушке

Введение . При расчете технологических процессов линий пищевых производств, сопровождающихся охлаждением, нагреванием и замораживанием, а также при подборе и проектировании соответствующих аппаратов необходимо знать об изменениях теплофизических характеристик продуктов [1, 2]. К числу таких характеристик относят теплоемкость, тепло- и температуропроводность.

В процессе сублимационной сушки происходит ряд изменений по температурным полям в продукте, поскольку в данном случае имеют место как процессы замораживания, так и сублимации и нагрева (на этапе досушивания) [3]. Поэтому для моделирования процессов сублимационного обезвоживания пищевых продуктов, с целью разработки эффективной технологии сушки, необходима достоверная информация об изменениях теплофизических свойств продукта в процессе удаления из него влаги в соответствующем температурном диапазоне.

Цель работы . Исследование динамики изменения теплофизических показателей продукта в процессе сублимационного обезвоживания.

В качестве объектов исследования выступали плоды и ягоды ирги, жимолости и брусники.

Результаты и их обсуждение . Теоретические значения теплофизических характеристик определялись расчетным путем исходя из соответствующих характеристик отдельных компонентов, входящих в состав исследуемых плодов и ягод.

Поскольку в реальных условиях в процессе удаления влаги внутри ягод формируются воздушные микропустоты, в значительной степени влияющие на теплофизические характеристики, то при расчете также учитывался данный фактор по величине усадки продукта в процессе сублимационной сушки, который был определен экспериментально и составлял от 4 до 9 % для различных видов ягод.

Плотность плодов и ягод определяли по следующей формуле [4]:

p - i X k /i х •      (1)

k-1    / k-1 pk где хк — массовая доля компонента;

p k - плотность компонента.

Результаты расчетов изменения плотности плодов и ягод по мере сублимационной сушки представлены на рисунке 1.

На начальном этапе сублимационной сушки для свежезамороженных плодов и ягод плотность для ирги, брусники и жимолости составляла 982, 984 и 911 кг/м3 соответственно. К концу сублимационного обезвоживания плотность ягод снижалась: для жимолости, ирги и брусники на 47, 34 и 22 % соответственно.

Удельную теплоемкость ягод рассчитывали по формуле в соответствии с правилом аддитивности

n

c -i(СкХк ),     (2)

k - 1

где с к – теплоемкость компонента.

Графики теплоемкости плодов и ягод изображены на рисунке 2.

Наблюдается линейная зависимость между теплоемкостью и содержанием влаги продукта. Величина данного параметра свежезамороженных и сухих плодов и ягод находилась в интервалах 2032÷2144 кДж/(кг·К) и 1123÷ 1141 кДж/(кг·К).

Рис. 1. Расчетная плотность ирги, жимолости и брусники при сублимационной сушке

Рис. 2. Расчетная теплоемкость ирги, брусники и жимолости при сублимационной сушке

Для определения коэффициента теплопроводности был также использован метод аддитивности. Для расчета данной величины этот метод обеспечивает достаточную степень точ- ности для пищевых продуктов [5]. В данном случае использовалась формула Лихтнекера

n

^Л эф V = Z A V -,       (3)

k =1

где λ эф – эффективный коэффициент теплопроводности продукта;

λ k – коэффициент теплопроводности компонента;

V k – объем, занимаемый компонентом;

V – полный объем продукта.

Результаты расчетов теплопроводности приведены в виде графиков на рисунке 3.

Между теплопроводностью и содержанием влаги также наблюдается линейная зависимость. Схожие значения теплопроводности между различными плодами и ягодами, по всей видимости, обусловлены приблизительно одинаковым содержанием влаги и количеством образующегося воздуха микропор в процессе суш- ки. Теплопроводность свежезамороженных плодов и ягод составляла 1,90÷1,97 Вт/(м·К) для жимолости и брусники и 1,70 Вт/(м·К) для ирги. При сублимационной сушке до достижения содержания влаги порядка 5 % теплопроводность обезвоженных плодов и ягод находилась в интервале 0,156÷0,162 Вт/(м·К).

Расчетная температуропроводность определялась по следующей формуле:

λ a=     .                  (4)

сρ

На рисунке 4 представлены графики температуропроводности исследуемых плодов и ягод.

Рис. 3. Расчетная теплопроводность ирги, брусники и жимолости при сублимационной сушке

Из полученных графиков следует, что для некоторых видов продукта характерно определенное значение содержания влаги, при котором наблюдается максимум температуропроводности. Это объясняется тем, что по мере удаления влаги из плодово-ягодного сырья происходит снижение величин теплопроводности, теплоемкости и плотности, при этом скорость изменения последней характеристики для большинства видов плодов и ягод по мере удаления влаги снижается. Чем больше исходное значение плотности продукта и, соответственно, больше линейная зависимость между плотностью и содержанием влаги, тем менее выражен максимум температуропроводности.

Для брусники и ирги наибольшая температуропроводность наблюдалась на начальном этапе сушки при наибольшем содержании влаги и составляла (9,04÷9,84)·10-7 м2/с. Что касается туропроводности приходится при содержании ягод жимолости, то для них максимум темпера- влаги порядка 60 % и составляет 10,57 10-7 м2/с.

Рис. 4. Расчетная температуропроводность ирги, брусники и жимолости при сублимационной сушке

По графикам, представленным на рисунках

1–4, были получены следующие уравнения:

Для ягод ирги:

' p = 0,03 x ,² + 2,3775 x, + 635,83; R ² = 0,9996;

c

Л

= 12,824 x , + 1076,7; R ² = 1;

= 0,0221 x , + 0,0522; R 2 = 1;

a = 1 - 10 -5 x_B ³ - 0,0035 x_B ² + 0,2843 x_B + 0,8885; R 2 = 0,9999.

Для ягод жимолости:

p = 0,0449 x_B ² + 1,1893 x , + 479,77; R 2 = 0,9994;

c = 12,786 x_B + 1054,5; R 2 = 1;

Л = 0,0221 x_B + 0,0442; R 2 = 1;

, a = 2 - 10 ^-5 x_B ³ - 0,005 x_B ² + 0,3898 x_B + 1,0932; R 2 = 0,9997.

Для ягод брусники:

p = 0,0099 x_B ² + 1,811 x_B + 759,26; R 2 = 0,9996;

■

c = 12,726 x_B + 1064,7; R 2 = 1;

Л = 0,0221 x_B + 0,0473; R 2 = 1;

a = - 0,0012 x_B ² + 0,1962 x_B + 1,0381; R 2 = 0,9978.

Выводы . Таким образом, расчетным путем были определены основные теплофизические показатели при сублимационной сушке плодов и

ягод, а также получены соответствующие урав-

ческую ценность для работников пищевой промышленности. Полученные результаты исследований могут быть полезны при разработке соответствующих технологий переработки плодово-ягодного сырья.