Тепловой анализ ресурсосберегающей линии производства фруктовых чипсов

Известное оборудование для переработки плодоовощного сырья отличается низкой тепловой эффективностью и степенью использования потенциала теплоносителя, высокими удельными энергетическими затратами на единицу высушенного продукта [1, 2].

Цель работы состояла в тепловом анализе влаготепловых процессов созданной ресурсосберегающей технологической схемы линии производства фруктовых яблочных чипсов.

Данная работа связана с расчетом тепловых затрат контрольных поверхностей энерго- технологической системы (ЭТС) и их анализом для машинно-аппаратурной схемы линии производства фруктовых яблочных чипсов и получения сушеных плодов высокого качества.

Решение данной задачи основывается на исследованиях влаготепловой обработки растительного сырья (яблоки, груши, морковь) с использованием комбинированных способов влаготеплового воздействия, реализующих осциллированную обработку плодов и овощей в установке рециркуляционного типа [3].

На основании проведенных экспериментальных исследований и полученных теоретических данных была разработана ресурсосберегающая машинно-аппаратурная схема линии производства яблочных чипсов с обеспечением готовых сушеных продуктов высокой пищевой ценности при сокращении энергозатрат [3, 4].

Сравнительный анализ тепловых затрат тепломассообменных процессов и машинноаппаратурных схем технологических линий произведен на основе составленной методики расчета с использованием в качестве показателей теплового КПД и величины удельной теплоты на единицу исходного сырья на основе полезной работы по преобразованию продукта и использования отработанного теплоносителя.

Тепловой КПД предлагаемой аппаратурно-технологической схемы производства яблочных чипсов на основе комбинированной конвективно–СВЧ–сушки составляет η _т = 98,72 % и превышает аналогичный показатель известных технологий (базовый вариант при полном использованием пара – η _т = 86,45 %), что показывает преимущество разработанной технологии (рисунок 1) [2].

Рисунок 1. Тепловой КПД η _т базового и предлагаемого вариантов линии производства яблочных чипсов

Следовательно, возможно сделать вывод о повышении степени термодинамического совершенства предлагаемой ЭТС за счет использования отработанных теплоносителей и организации работы системы в замкнутом цикле.

Повышению теплового кпд сушки способствует применение рециркуляции теплоносителя и использование теплоты вторичного пара на различных технологических стадиях. Например, массовая доля отработанного теплоносителя, полезно используемого и направляемого на подогрев теплоносителя, исходного сырья и нагрев сиропа при обработке яблок, равна 482 кг, что соответствует 95,7 % от требуемой теплоты для ЭТС.

Повышение теплового КПД предлагаемой технологии обусловлено также применением теплообменников с конденсатором для посту-пенчатого подогрева осушенного теплоносителя. При этом полезно используется менее 1 % пара испарившейся влаги, что оставляет возможность для дальнейшего совершенствования энерготехнологической системы.

Массовая доля теплоты с теплоносителем для конвективной сушки продукта в рециркуляционном контуре обладает наибольшей теплотой и составляет 99,97 % от суммарного прихода теплоты в контрольную поверхность ЭТС или 494656,82 кДж/кг (таблица 1).

Наибольшую теплоту продукт имеет после конвективной сушки, например, для яблок сорта «Антоновка» - 147,1 кДж/кг или составляет 21,28 % от суммарной теплоты, подведенной к контрольной поверхности с учетом затраченной электроэнергии. Это объясняется высокой температурой и влажностью высушиваемого продукта.

Возрастание теплового КПД в процессе сушки яблок в большей степени связано с наличием циркуляции теплоносителя на сушке и незначительно определяется термодинамическими показателями продукта.

Т а б л и ц а 1

Тепловые балансы контрольной поверхности (D) конвективной сушки с вентилятором подачи пара

Наименование	Обозн	Теплота
		Теплота на 1 кг начального продукта кДж/кг	Теплота в % от поступающей в контр. поверхность
1	2	3	4
Приход
Подогретый начальный продукт	q D 1н	147,1	0,03
Перегретый пар	q D3 н	494656,82	99,97
Сумма теплоты, подведенной к контрольной поверхности	∑ qD н	494803,92	100

П р о д о л ж е н и е т а б л. 1

1	2	3	4
Расход
Подсушенный продукт	q D 1к	150,5	0,03
Перегретый пар	q D3 к	493183,5	99,67
Пары испарившейся влаги	q D3 к	1456,18	0,25
Внешние потери в окружающую среду	q D ос	13,74	0,01
Сумма теплоты, отведенной от контрольной поверхности	∑ q D к	494803,92	100
Полезно используемый пар испарившейся влаги	∆ q	503,007	-
Тепловой КПД n D т =99,8 %

Величина удельной теплоты подсушенного продукта после конвективной сушки составляет 150,5 кДж/кг (0,03 % ) и теплоносителя – 493183,5 кДж/кг (99,67 %), что тре- бует сосредоточить значительное внимание при проектировании конструкции на рациональном использовании энергетического потенциала отработанного теплоносителя.

Т а б л и ц а 2

Тепловые балансы предварительной (Е) и завершающей (G) СВЧ - сушки

Наименование	Обозн	Контрольная поверхность Е		Контрольная поверхность G
		Теплота на 1 кг начального продукта кДж/кг	Теплота в % от поступающей в контр. поверхность	Теплота на 1 кг начального продукта кДж/кг	Теплота в % от поступающей в контр. поверхность
Приход
Подсушенный продукт	q 1н	150,5	10,33	21,8586	6,51
Подогретый теплоноситель	q3 н	1274,33	87,44	312,8032	93,12
Электроэнергия колебательной мощности магнетронов сети	q 6H	32,47	2,23	1,2634	0,37
Сумма теплоты, подведенных к контрольным поверхностям	∑ q н	1457,3	100	335,9253	100
Расход
Конечный продукт	q 1к	19,78	1,36	15,6766	4,66
Теплоноситель с испарившейся влагой	q 3к	1421,92	97,57	310,1862	92,34
Внешние потери в окружающую среду	q ос	15,6	1,07	10,0625	3,0
Сумма теплоты, отведенной от контрольных поверхностей	∑ q к	1457,3	100	335,9253	100
Тепловой КПД, %	П т	98,93 %		97,0 %

Тепловые потоки на выходе из контрольной поверхности предварительной СВЧ-сушки яблок имеют величину удельной теплоты высушенного продукта 19,78 кДж/кг (1,36 %), теплоносителя 1421,92 кДж/кг (97,57 %), потери в окружающую среду 15,6 кДж/кг (1,07 %).

Несмотря на дальнейшее снижение температуры продукта в процессе сушки (до Т_с=303 К) его теплота незначительно снижается до 15,67 кДж/кг (таблица 2). Вместе с тем анализ тепловых потерь в процессах подогрева сырья, конвективной сушки и СВЧ-сушки с 14

промежуточной обработкой сиропом показывает, что они не превышают 3,5 % (рисунок 2).

Ресурсосберегающая технологическая схема с замкнутым циклом использования теплоносителя отличается достаточно высокой эффективностью применения тепловых потоков, например, при подогреве сиропа тепловой КПД составляет 0,21; в процессе промежуточной обработкой сиропом около 0,98; нагрева осушенного теплоносителя 0,89; предварительной и завершающей СВЧ-сушки, соответственно, 0,98 и 0,97.

Для повышения теплового кпд аппаратурно-технологических схем производства фруктовых и овощных чипсов (концентратов) эффективно применять энергетические потоки с высокими термодинамическими показа- телями. Однако при этом накладываются ограничения, обусловленные влиянием температуры теплоносителя на осуществление отдельных стадий схемы и, как следствие, на качество готового продукта.

Рисунок 2. Диаграмма входных и выходных тепловых потоков предлагаемой технологической схемы линии производства яблочных чипсов с контрольными поверхностями: A – парогенератора, B – пароперегревателя, C – предварительного подогрева сырья, D – конвективной сушки, E – предварительной СВЧ-сушки,

F – обработки водным раствором, G – завершающей СВЧ-сушки, H – охлаждения готового продукта,

J – подогрева водного раствора, L – теплообменника 1 ступени с конденсатором для подогрева осушенного теплоносителя, I – теплообменника 2 ступени нагрева осушенного теплоносителя

1 – жидкая фаза (конденсат, сироп); 2 – обрабатываемый продукт; 3 – электроэнергия; 4 – теплоноситель

Из рассмотрения тепловых потоков (рисунок 2) следует, что наибольшие потери теплоты наблюдаются в пароперегревателе (B) и составляют 65,36 кДж/кг.

Внешние тепловые потери в контрольных поверхностях конвективной, предварительной и завершающей СВЧ-сушки составляют, соответственно, 13,74 кДж/кг, 15,6 кДж/кг и 10,06 кДж/кг. Это объясняется образованием избыточного количества теплоты за счет испаренной влаги и достаточно большими потерями теплоты в окружающую среду при сушке продукта.

Приход теплоты на стадиях предварительной и завершаюшей СВЧ-сушки составляет не более 4 % суммарной теплоты ЭТС и основное потребление теплоты при производстве фруктовых яблочных чипсов происходит контрольной поверхностью блока конвективной сушилки. Для испарения влаги в контрольной поверхности предварительной СВЧ-сушки затрачивается 27,7 % теплоты от суммарного количества, подведенной к контрольной поверхности (E).

Наибольшие тепловые потоки принадлежат теплоносителю, они во много раз превышают теплоту начального и готового про- дуктов. Как следует из тепловых балансов (таблицы 1 и 2) приход теплоты в контрольные поверхности обусловлен потоком теплоносителя и основное потребление теплоты при переработке сырья происходит на стадии сушки. Поэтому использование теплоты после сушки имеет очень большое значение.

Следует отметить, что с понижением влажности пластин яблок происходит уменьшение коэффициента диэлектрических потерь, что приводит к снижению количества теплоты, генерируемой в продукте. Увеличение подводимой СВЧ-мощности способствует увеличению КПД процесса трансформации СВЧ-энергии. В процессе экспериментального исследования сушки яблок за счет электромагнитной энергии данный КПД составлял 83 %.

В процессе сушки СВЧ-энергия позволяет в значительной степени интенсифицировать тепломассообмен, однако, чрезмерное увеличение подводимой СВЧ-мощности может привести к возникновению большого градиента влагосо-держания, и, как следствие, образованию трещин и нарушению структуры пластин яблок.

В результате расчетов определены полезные расходы теплоты и его потери в зависимости от технологических процессов и конструкции оборудования различных схем. Полезные расходы включают теплоту, затрачиваемую на нагрев продукта ( Q 1 ) и преобразование продукта ( Q₂ ). К суммарным потерям отнесены теплота неиспользованного отработанного теплоносителя ( Q 3 ), а также затраты вследствие различных неплотностей и негерметичности ( Q₄ ), режима работы рабочих камер ( Q 5 ). В результате расчетов полезная теплота известных схем составляет не более 9-15 % от общего прихода теплоты, а по предлагаемой технологии составляет 84 %.

С целью снижения энергозатрат выполнен анализ потерь теплоты и исследованы пути их снижения. Выяснено, что потери по группе Q 3 могут быть сокращены за счет использования отработанного после сушки теплоносителя на подогреве осушенного сушильного агента и сиропа.