CC BY
85
УДК 621.384.3 В.М. Попов, В.А. Афонькина
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ (ПЛЭН)
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ СУШКИ РАСТИТЕЛЬНОГО И ДИКОРАСТУЩЕГО СЫРЬЯ
В статье рассмотрена возможность использования пленочных ИК-нагревателей в процессе сушки зеленой массы растительного сырья. Приведены спектральные характеристики нагревателя, на основании которых с учетом оптических характеристик обоснованы наиболее благоприятные с точки зрения сохранения витамина С и менее энергоемкие режимы сушки при излучении с длиной волны от 8 до 9 мкм.
Ключевые слова: зеленые культуры, пленочный электронагреватель, инфракрасная сушка, спектральные характеристики.
V.M. Popov, V.A. Afonkina
FILM ELECTRIC HEATER (FEH) USE IN THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF DRYING THE VEGETATIVE
AND WILD GROWING RAW MATERIAL
Possibility of the infrared film electric heater use in the process of drying the vegetative raw material green mass is considered in the article. The spectral characteristics of the heater are given. On the basis of these characteristics and taking into account the optical characteristics, the most favorable in terms of vitamin C preservation, and less power-consuming modes of drying when radiation wavelength is from 8 to 9 microns are substantiated.
Key words: green cultures, film electric heater, infrared drying, spectral characteristics.
В современном обществе остро стоит задача не просто обеспечения населения продуктами питания, а продуктами, сбалансированными по своему химическому составу, пищевой и биологической ценности [1].
В Российской Федерации эти проблемы осложнены низким уровнем обеспеченности современным оборудованием предприятий перерабатывающей промышленности, а также обеспечением предприятий сырьем растительного происхождения, выращиваемого российскими хозяйствами, и дикорастущим сырьем высокого качества.
К сожалению, большинство плодов как выращиваемых в хозяйствах, так и дикорастущих, просто пропадает из-за отсутствия условий для их сбора, хранения и переработки на местах сбора сырья, и лишь небольшое количество поступает в продажу в свежем виде, перерабатывается консервными цехами или собирается и перерабатывается населением, проживающим вблизи мест их произрастания.
Из высушенного растительного сырья получают пищевые добавки, специи, лечебные масла и другие натуральные продукты. В процессе обезвоживания необходимо обеспечить высокое качество высушиваемого продукта и сохранить его полезные вещества и витамины, что накладывает дополнительные ограничения на режимы сушки. В этом случае менее эффективными становятся не только существующие конвекционные и кондуктивные установки с поверхностным подводом тепла, но и современные микроволновые и комбинированные установки, предназначенные для продуктов средней и высокой влажности. Существенным недостатком данных установок является низкий КПД, значительные затраты электроэнергии и неудовлетворительное качество готовой продукции [2]. Некоторые виды обработки растительного сырья, используемые в традиционных технологиях, нередко вызывают глубокие биохимические изменения, которые сказываются не только на внешнем виде продукта, но и снижают пищевую ценность и содержание биологически активных веществ. Как правило, это следствие высоких температур, при которых происходит технологический процесс сушки, и желание производственников за счет этого ускорить процесс получения готовой продукции.
Пищевая и энергетическая ценность, которой должны обладать зеленые культуры (укроп, петрушка, сельдерей и другие согласно ГОСТ 16732-71), прошедшие все этапы тепловой сушки, приведена в таблице, из которой следует, что зелень является основным источником витамина С.
Вестник^КрасТЛУ. 2011. № 12
Пищевая и энергетическая ценность (на 100 г) сушеной зелени (петрушка, укроп, сельдерей)
Продукт Углеводы,г Витамин, мг Энергетическая ценность, ккал
в-каратин В1 В2 РР С
Зелень петрушки, укропа, сельдерея 19,4 7,76 1,94 0,97 4,07 368,6 77,6
Витамин С является очень "капризным” веществом и начинает распадаться практически сразу после того, как растение сорвали, его количество значительно снижается при хранении и тепловой обработке, поэтому дефицит этого витамина встречается чаще всего. При хранении срезанной зелени в холодильнике в течение 2 суток теряется только 8 % аскорбиновой кислоты, а при комнатной температуре эти потери возрастают до 80 %. Искусственная же сушка растительного сырья в большинстве применяемых технологий сопровождается высокими температурами (свыше 650С), увеличивающими потери витамина С втрое, а зелень в таких условиях может полностью лишиться этого витамина в течение нескольких минут [1].
Таким образом, важно, чтобы показатели качества зеленых культур имели установленный средний уровень в течение всего времени переработки и реализации продукции, который согласно ГОСТ 13342-77 при влажности продукта 14 % составляет от 8 до 12 месяцев. Ведь установленный уровень качества продукции является отправной точкой для совершенствования технологии ее производства.
Анализируя основные аспекты технологии сушки, описанные ранее в научных работах П.А. Ребиндера, А.В. Лыкова, С.М. Липатова, Ю.Л. Кавказова, А.С. Гинзбурга, Т.К. Филоненко, П.Д. Лебедева, где приведены теоретические и практические исследования различных видов сушки влажных материалов, мы пришли к выводу, что носители ИК-энергии в настоящее время наиболее приемлемы для сушки зеленых культур, так как получить ИК-излучение можно, преобразовав энергию электрического тока в энергию колебаний электромагнитного поля нужного диапазона длин волн. При этом энергия практически без потерь полностью передается воде сырья, нагревая ее и заставляя испарятся [3].
Эффект более интенсивного процесса сушки заключается в том, что колебания молекул воды сырья значительно увеличиваются по амплитуде при совпадении их с такими же значениями колебаний внешнего электромагнитного поля. В режиме резонанса потребуется гораздо меньше энергии, чтобы вода за счет выделенной теплоты перешла в пар и испарилась [2].
К тому же если при выборе источника ИК-излучения установить связь оптических характеристик объекта сушки [4] от спектрального состава лучистого потока, можно эффективно управлять процессом сушки в известных пределах, повышая ее качество и экономичность.
Лучшими для сушки растительного сырья на настоящий момент являются ИК-излучатели типа ПЛЭН (пленочный электронагреватель) [5], так как они способны создавать высокую плотность потока энергии (от 34 до 80 Вт/м2) в диапазоне длин волн от 8 до 9,5 мкм (рис.).
Т 303 -И-Т 323 —*-Т 343 —*-Т 363
90
5 О 2 4 6 8 10 12 14 16
Длина волны а, мкм
Графическая зависимость спектральной плотности потока излучения от длины волны при различной температуре на поверхности пленочного электронагревателя
Достижение такой высокой плотности потока энергии стало возможным после создания Челябинской государственной агроинженерной академией пленочного электронагревателя, степень черноты £ которого равна 0,96 [5]. Это позволяет считать его абсолютно черным телом [3]. Следовательно, лучеиспускательная способность данного нагревателя при одной и той же температуре нагрева будет максимальной нежели, например, у ТЭНов или ПЛЭНов, имеющих степень черноты от 0,6 до 0,8.
Поставленная цель в создании излучателя с высокой степенью черноты была реализована способом, когда в качестве резистивного нагревающего и излучающего элемента используют термостойкую электроизоляционную пленку с нанесенным на всю её поверхность слоем резистивного материала - нихрома. Причем нанесение слоя резистивного материала осуществляют путем резистивного напыления в вакууме. Напыление в вакууме позволяет получить резистивный слой, имеющий одинаковую толщину по всей поверхности, все точки поверхности резистивного нагревающего элемента нагреваются до одинаковой температуры, представляя собой равномерно излучающую поверхность, а возможность варьирования толщины резистивного слоя позволяет создавать ИК-нагреватель требуемой мощности в широких пределах заданных геометрических размеров электронагревателя и напряжений электрического тока. Выбирается толщина резистивного слоя в зависимости от величины питающего напряжения и требуемой длины волны излучения нагревателя, определяемой его удельной мощностью по формуле:
H = Рр^/Ц)2 ,
где Н - толщина резистивного слоя;
Р - удельная мощность электронагревателя, то есть мощность, выделяемая единицей площади электронагревателя;
р - удельное сопротивление напыленного материала;
L - длина электронагревателя;
Ц - питающее напряжение.
Таким образом, анализируя технологические особенности производства полуфабрикатов из растительного сырья, расчеты и полученные графические зависимости, нами были сделаны следующие выводы:
1. Использование в качестве нагревательных элементов инфракрасного излучения пленочных электронагревателей обеспечит равномерное облучение продукта сушки в режиме щадящих температур (45-55°С) при уменьшении энергетических затрат в длинноволновой области (от 8 до 9 мкм).
2. Опираясь на данные, полученные при построении спектральных характеристик инфракрасного пленочного электронагревателя и существующие спектры поглощения зеленой массы растительного сырья, можно давать рекомендации по их сушке.
3. Применение ПЛЭНов в качестве тепловыделяющих и излучающих элементов с наноразмерным проводящим слоем позволит кардинально расширить функциональные возможности сушки растительного и дикорастущего сырья за счет варьирования параметров излучения, необходимого для той или иной культуры.
Литература
1. Повышение качества овощных культур как продуктов функционального питания / М.С. Гинс, В.Ф. Пивоваров, В.К. Гинс [и др.] // Достижение науки и техники АПК. - 2011. - № 3. - С. 34-37.
2. Волончук С.К., Сапожников А.Н., Шорникова Л.П. Энергосберегающие технологии переработки растительного сырья // Ползуновский вестн. - 2011. - № 2. - С. 167-171.
3. Гинзбург А.С. Исследование оптических свойств некоторых пищевых продуктов в инфракрасной области спектра // Тез. докл. науч. конф. МТИПП. - М.,1965. - С. 36-37.
4. Авраменко В.Н., Есельсон М.П., Заика А.А. Инфракрасные спектры пищевых продуктов // Пищевая промышленность. - М., 1974. - С. 6-8.
5. Пат. 100353 Российская Федерация, РЦ Н05В 3/36. Пленочный электронагреватель / Б.Г. Полевой, В.М. Попов. - № 2010115793; заявл. 20.04.2010; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34.
