CC BY
54
631.563
КИНЕТИКА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ВЫЖИМКИ ВИНОГРАДА СОРТА ШИРАЗ
В.В. ДЕРЕВЕНКО, А.В. СИДОРЕНКО, В.А. КОВАЛЕВ, Н.Г. ВОЛОДЬКО
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: [email protected]
Показано, что выжимка винограда сорта Шираз является капиллярно-пористым коллоидным телом. Получены зависимости для расчета основных параметров конвективной сушки виноградной выжимки: продолжительности сушки 1-го и 2-го периодов, скорости сушки, коэффициентов сушки и внешней массоотдачи.
Ключевые слова: виноградная выжимка, конвективная сушка, время сушки, скорость сушки.
Выжимка из винограда является быстропортящим-ся побочным продуктом основного производства, который используют обычно в качестве корма, удобрения и т. п. При комплексной переработке выжимки получают ценные сырьевые компоненты - семена винограда и кожицу. Последняя может быть использована как добавка в производстве различных пищевых продуктов, в том числе пищевых паст и хлебобулочных изделий [1, 2].
Определяющим технологическим этапом в технологии утилизации виноградной выжимки является сушка. В результате выжимка приобретает необходимые структурно-механические свойства, важные при разделении ее на виноградные семена и кожицу. Сушка увеличивает также срок хранения виноградной выжимки. Продолжительность и температура процесса сушки определяют пищевую и биологическую ценность получаемого продукта. Для сохранения указанных свойств виноградной выжимки следует стремиться к понижению температурного режима сушки и ее продолжительности. Для этого необходимы достоверные данные о кинетических закономерностях процесса конвективной сушки виноградной выжимки.
Объектом исследований была выжимка из красного винограда сорта Шираз урожая 2010 г., выращенного в Краснодарском крае, полученная на шнековом прессе для отбора сусла из виноградной мезги в ЗАО Агрофирма «Мысхако».
Исследование конвективной сушки проводили на стендовой циркуляционной сушилке, состоящей из сушильной камеры, электрического калорифера и вентилятора, соединенных между собой воздуховодами, в которых установлены заслонки для отвода отработан-
э
а-
л
Й
о
о.
о
ного и подвода свежего воздуха. Внутри сушильной камеры расположен сетчатый короб на подвижной раме, соединенной с одной из чашек циферблатных весов.
Время убыли массы материала определяли путем фиксации по секундомеру через каждые 2 г после начала процесса сушки. Временем окончания эксперимента являлось прекращение убыли массы материала, т. е. достижение состояния близкого к равновесному.
Графические зависимости в виде кривых сушки виноградной выжимки при различных скоростях сушильного агента V и его температуре £ 80°С представлены на рисунке (V, м/с: 1 - 6; 2 - 8,5; 3 - 11).
Характер изменения кривых сушки свидетельствует о наличии двух основных периодов - постоянной скорости и падающей скорости, характерных для капиллярно-пористых коллоидных материалов [3].
В начальном периоде сушки влагосодержание изменяется незначительно, а скорость сушки возрастает до максимума, что соответствует этапу прогрева виноградной выжимки. Затем в периоде постоянной скорости сушки влагосодержание материала уменьшается по линейному закону. В этот период испаряется свободная влага из поверхностного слоя и интенсивность сушки определяется только параметрами сушильного агента. Этот период заканчивается достижением критического влагосодержания икрь величина которого для исследованных образцов виноградной выжимки находится в пределах 88-95% на а. с. в.
Для 1-го периода сушки рассчитали следующие кинетические параметры по соответствующим зависимостям [4]:
N і
К і
Аи 1; Ат 1 ’
N і
^ {р — р V
1 Ц нас парц J
_ АЖ1
1 Р1(Рнас - Рпарц )А^ і’
(1)
(2)
(3)
Влагосодержание и,'
где N1 - скорость сушки, кг(кг • с); А^-изменение влагосодержания материала за время 1-го периода сушки, %; Аі1 - время 1-го периода сушки, с; К - коэффициент сушки, %/(с • м2 • Па); ^ - эффективная поверхность сушки, м2; Ртс - давление насыщенных водяных паров вблизи поверхности испарения, Па; РПарц - давление ненасыщенных водяных паров в ядре сушильного агента, Па; р1 - коэффициент
внешней массоотдачи, кг/(с • м • Па); А ^ - масса испаренной влаги в 1-м периоде сушки, кг.
Значения ДЖь Ат1, Ди1 получены экспериментально при сушке выжимки. Параметры Рнас и Рпарц определяли графическим методом по 3-Х диаграмме влажного воздуха. Для значений температур сухого термометра 80°С и мокрого термометра 34°С соответственно получили Рнас = 5,4 кПа и Рпарц = 2,4 кПа.
Значение эффективной поверхности сушки определили из уравнения
а 1(і с - і м)Дт
(4)
где - удельная теплота испарения влаги при температуре мокрого термометра, Дж/кг; а1 - коэффициент теплоотдачи от ядра горячего воздуха (сушильного агента) к поверхности материала, Вт/(м2 • К).
Коэффициент теплоотдачи а для 1-го периода вычисляли из критериального уравнения для движения воздуха вдоль плоской поверхности [4]. Для скоростей воздуха от6до11 м/с значения а1 изменялись от 20,6 до 27,9 Вт/(м2 • К), а значения ^ - от 0,160 до 0,170 м2.
Полученные экспериментальные результаты аппроксимированы следующими линейными зависимостями:
N1 = 0,107+ 0,007у ; (5)
К1 = (0,2494 + 0,0094у )-10~3; (6)
1 = (0,0758+ 0,0092у )• 10~6, (7)
где V 6-11 м/с при температуре воздуха 80°С.
Расхождение между значениями, рассчитанными по (5), и экспериментальными не превышают ±3,4%.
Время сушки в 1-м периоде для достижения заданного значения влагосодержания и можно рассчитать по зависимости
и о -и
0,107+ 0,007у
(8)
ки, которая лимитируется теперь этим сложным процессом, зависящим от структурно-механических и теплофизических свойств высушиваемого материала. Поскольку для 2-го периода сушки капиллярно-пористых коллоидных систем нет обобщенной и надежной теории расчета, разработка сушильных установок, в том числе расчет времени сушки, осуществляется на основе экспериментальных данных, полученных для каждого высушиваемого вида материала [3].
Экспериментальные результаты по кинетике конвективной сушки виноградной выжимки (рисунок) показывают, что кривая скорости сушки 2-го периода состоит из двух зон. В 1-й зоне 2-го периода влагосодер-жание выжимки изменяется от икр1 до икр2, а во 2-й зоне - от икр2 до равновесного и*.Для расчета времени сушки 1-й и 2-й зон 2-го периода получены следующие зависимости:
1000
0,856-0,0154у
х!п
I 4,4у-12,4 + (0,856- 0,0154у)и,
(9)
кр1
4,4у -12,4 + (0,856- 0,0154у )и
1000
хіп
0,184у - 0,464
I 0,04 - 0,64у + (0,184у- 0,464)икр2 0,04 - 0,64у + (0,184у - 0,464)и
(10)
где Т1 - время сушки в 1-м периоде, с; Ц), и - начальное и заданное значения влагосодержания виноградной выжимки, %.
Расхождение между значениями, рассчитанными по (8), и экспериментальными не превышают ±8,5%.
Во 2-м периоде скорость сушки постоянно уменьшается, а температура материала увеличивается и приближается к температуре сушильного агента. Снижение скорости сушки во 2-м периоде объясняется изменением формы связи влаги с материалом, т. е. сменой лимитирующей стадии процесса сушки. Если скорость сушки в 1-м периоде определялась условиями теплоотдачи сушильного агента, то во 2-м она определяется условиями диффузии влаги и паров влаги в порах и капиллярах высушиваемой виноградной выжимки. По мере углубления зоны испарения влаги увеличивается длина диффузионного пути от зоны испарения до поверхности материала. Соответственно уменьшаются коэффициент внутренней массотдачи и скорость суш-
где Цф2 - критическое влагосодержание, разделяющее 1-юи 2-ю зоны 2-го периода, % на а. с. в.
Расхождение между рассчитанными значениями по уравнениям (9) и (10) и экспериментальными данными не превышает ±16,6%.
Суммарное время сушки вычисляется по зависимости Т общ = Т 1 + Т 21 + Т 22.
Полученные результаты и зависимости рекомендуется использовать при анализе работы действующих сушильных установок, управлении параметрами сушки и при проектировании сушилок для виноградной выжимки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гапоненко Ю.В. Обоснование рационального использования различных сортов винограда в технологии продуктов питания повышенной пищевой ценности: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КубГТУ, 2003. - 26 с.
2. Мусаева Н.М. Повышение пищевой ценности хлебобулочных изделий на основе добавок из вторичных сырьевых ресурсов и дикорастущих ягод: Автореф. дис.... канд. с.-х. наук. - Махачкала: ДГСХА, 2010. - 26 с.
3. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных установок пищевой промышленности. - М.: Агропромиздат. - 1985. -336 с.
4. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи) / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк и др. - СПб.: Химия, 1993. - 496 с.
Поступила 21.02.11 г.
KINETICS OF CONVECTIVE DRYING OF HUSKS OF GRAPES GRADE SHIRAZ
V.V. DEREVENKO, A.V. SIDORENKO, V.A. KOVALEV, N.G. VOLODKO
Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: [email protected]
It is shown that husks of grapes grade Shiraz it is capillary-porous colloidal body. Dependences for calculation of key parameters of convective drying of grapes husks are received: durations of drying of the first and second period, speed of drying, factors of drying and external mass transfer.
Key words: husks of grapes, convective drying, drying time, speed of drying.
663.551.4
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА СЖАТИЯ ПАРОВ СПИРТА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В СХЕМЕ БРУ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
С.С. МАРИНЕНКО \ О.В. МАРИНЕНКО \ Е.Н. КОНСТАНТИНОВ2, Т.Г. КОРОТКОВА2
1 Майкопский государственный технологический университет,
352700, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: [email protected] 2 Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: [email protected]
Рассмотрен вопрос расчета мощности, затрачиваемой при сжатии неидеальной газовой смеси, применительно к тепловому насосу брагоректификационной установки. Показано, что мощность винтового компрессора определяется разностью энтальпий выходного и входного потоков и его массовой производительностью.
Ключевые слова: адиабатическое сжатие, винтовой компрессор, энергия потока газа, стационарное движение, расчет сжатия, пары спирта.
Математическое моделирование компрессоров основано на рассмотрении процесса адиабатического сжатия с применением первого закона термодинамики. Количество теплоты 5Q, подведенное к термодинамической системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии йи и совершение работы системой РйУ [1]:
Q = dU + PdV,
(1)
где Р - давление, Па; V — объем, м .
Рассмотрим сжатие 1 кмоль вещества. Тогда при адиабатических условиях 5Q = 0 и уравнение (1) приобретает вид
CvdT-
PdV,
(2)
где Су - мольная теплоемкость в изохорном процессе (при V = const); T - температура, K.
Дифференцирование уравнения идеального газа PV = RT дает
PdV +VdP = RdT,
(3)
где Я - универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кмоль ■ К).
Складывая уравнения (2) и (3) с учетом, что для идеального газа изобарная теплоемкость СР = ^ + Я, а отношение СР/^есть показатель адиабаты к, получим
dP=-kdV
P
V
(4)
После интегрирования получается известное уравнение Пуассона для адиабатического процесса
PV k = const.
(5)
Выразив V из уравнения идеального газа и подставив его в уравнение (5), получим
P 1— kTk
const.
(б)
Абсолютное значение работы /сж, затрачиваемой на сжатие 1 кмоля в одноступенчатом идеальном компрессоре:
’ 2
IPdV.
(7)
Это уравнение используется в расчетной и проектной практике в случае сравнительно невысоких давлений на выкиде компрессора, когда можно принять допущение об идеальности газа. Дополнительно учитываются КПД компрессора, электродвигателя и передачи.
При использовании винтового компрессора на брагоректификационных установках в схеме с тепловым насосом сжатию до высоких давлений подлежат пары спирта, содержащего 3,5-4% воды. При этом необходимо учитывать неидеальность сжимаемого газа. Известно, что в реальном газе несправедливо уравнение Менделеева-Клапейрона, а теплоемкости СР и CVявляются переменными величинами, зависящими от давления. Кроме того, СР ^ CV + Я, поэтому уравнение (6) является приближенным. В этой связи рассмотрим вопрос об изменении энергии потока газа при его стационарном движении в адиабатических условиях.
Параметры потока (скорость, плотность, давление) изменяются в направлении движения. При этом справедливы следующие соотношения.
/
