CALCULATION OF AIR SPEEDS AT CONVECTION DRYING OF SEA-BUCKTHORN IN FLUIDIZED LAYER
Authors:
1.
Kemerovo State University
Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Russian Federation
2.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
3.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
4.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
Type:
Article
Pages:
from 91
to 97
Status:
Published
Received:
25.12.2014
Accepted:
25.12.2014
Published:
25.12.2014
Subject area:
UDK 634.738:66.047.2
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Convection drying, critical speeds, fluidization, sea-buckthorn
Abstract (English):
Convective drying in the fluidized layer is a promising method for canning of fruit raw materials into long-keeping products. The efficiency of this process depends on several parameters, one of which is air speed necessary for fluidization. This research aims at determining the allowable air speed in convection drying of sea buckthorn. The objects of the researches are the following sea-buckthorn varieties: «Olive», «Gift of Katun», «Chuyskaya», «the Gold Ear», «Panteleevskaya». Critical air speeds for fresh berry at various temperatures have been calculated. It is established that for sea-buckthorn the speed at the beginning of fluidization is 1,66- 2 m/s, and the speed at which ablation of a product is possible is 15,1÷18,1 m/s for different varieties at 50 - 80 °C. The change of the berry size in the course of convection drying is experimentally established. Dependences of critical air speeds during dehydration at air temperatures of 50-80 °Care defined. By research results, it is established that during convection drying of sea-buckthorn critical air speeds decrease on the average by 17÷28 % of initial value. Based on the conducted researches, the admissible range of air speeds during convection drying of sea-buckthornis recommended. Generally, guaranteed values of air speeds at which fluidization without product ablation at 50 - 80 °C will be observed are 3÷8 m/s for all studied sea-buckthorn varieties.
Convective drying in the fluidized layer is a promising method for canning of fruit raw materials into long-keeping products. The efficiency of this process depends on several parameters, one of which is air speed necessary for fluidization. This research aims at determining the allowable air speed in convection drying of sea buckthorn. The objects of the researches are the following sea-buckthorn varieties: «Olive», «Gift of Katun», «Chuyskaya», «the Gold Ear», «Panteleevskaya». Critical air speeds for fresh berry at various temperatures have been calculated. It is established that for sea-buckthorn the speed at the beginning of fluidization is 1,66- 2 m/s, and the speed at which ablation of a product is possible is 15,1÷18,1 m/s for different varieties at 50 - 80 °C. The change of the berry size in the course of convection drying is experimentally established. Dependences of critical air speeds during dehydration at air temperatures of 50-80 °Care defined. By research results, it is established that during convection drying of sea-buckthorn critical air speeds decrease on the average by 17÷28 % of initial value. Based on the conducted researches, the admissible range of air speeds during convection drying of sea-buckthornis recommended. Generally, guaranteed values of air speeds at which fluidization without product ablation at 50 - 80 °C will be observed are 3÷8 m/s for all studied sea-buckthorn varieties.
Keywords:
Convection drying, critical speeds, fluidization, sea-buckthorn
Convection drying, critical speeds, fluidization, sea-buckthorn
Введение Для организации здорового питания населения большое значение приобретает вовлечение в пищевое производство местных природных ресурсов, особенно дикорастущих ягод, которые являются богатым источником биологически активных веществ: витаминов, минеральных веществ, органических кислот, азотистых веществ и т.д. Роль физиологического влияния употребляемых в пищу ягод трудно переоценить. Дикорастущее сырье всегда являлось важной составляющей рациона питания населения нашей страны. Ввиду неблагоприятной экологической обстановки в ряде регионов России вопрос об использовании дикорастущих ягод как источника биологически ценного сырья приобретает особое значение [1]. Широкие перспективы показывает использование такого представителя ягодной культуры, как облепиха. Данный вид ягоды является ценным природным источником пектинов, каротиноидов, биофлавоноидов и многих витаминов (табл. 1). Таблица 1 Химический состав ягод облепихи [2] Показатель Знач. Показатель Знач. Сухие вещества,% 14,1 Каротин, мг% 7,8 Сумма сахаров, % 4,48 Масло, мг% 3,4÷8,2 Манноза, % 4,25 Азот, мг% 312,8 Сахароза, % 0,7 Витамин Е, мг% 3,8÷ 17,7 Пектиновые вещества, % 0,39 Витамин В1, мг% 0,1 Витамин С, мг% 40÷ 123 Витамин В2, мг% 0,05 Биофлавоноиды,% 75÷100 Витамин В6, мг% Следы Флавонолы, мг% 313÷365 Витамин РР, мг% 0,12÷ 1,67 Катехины, мг% 36,7÷151 Витамин К, мг% 1,5 Лейкоантоцианы, мг% 143÷380 Витамин D, мг% Следы Облепиха является поливитаминным продуктом. По количественному и качественному составу биологически активных веществ облепиха превосходит многие ягодные культуры [3-6]. В облепихе наряду с черной смородиной содержится наибольшее количество витамина С среди всех дикорастущих плодов и ягод Сибирского региона. Специфика климатических условий северных регионов нашей страны ограничивает возможность употребления свежих плодов и ягод круглый год. Для повышения сроков хранения плодово-ягодной продукции используют широкий спектр различных технологий, одной из которых является конвективная сушка [7]. Данный способ обезвоживания заключается в удалении влаги из продукта путем его омывания сушильным агентом, в качестве которого используется нагретый воздух или парогазовая смесь. В конвективных сушильных установках широко используются тепловые насосы компрессионного типа, которые характеризуются достаточно высоким коэффициентом преобразования теплоты, составляющим от 1,2 до 4,5 в зависимости от температуры кипения хладагента. Поэтому применение таких тепловых насосов в конвективной сушке дает возможность сократить энергопотребление по сравнению с традиционными системами [8, 9]. При разработке технологических режимов конвективной сушки плодов и ягод в первую очередь необходимо обращать внимание на качество обезвоженного продукта. Параметры сушки должны подбираться таким образом, чтобы обеспечить максимальную степень сохранности термолабильных компонентов дикорастущего сырья. При конвективной сушке для более равномерного прогрева и удаления влаги из продукта используют сушку в подвешенном слое (флюидизацию). При этом скорость движения воздуха должна соответствовать значениям, при которых имеет место флюидизация, но отсутствует унос продукта из камеры, то есть находится в диапазоне критических скоростей. Данные значения зависят от многих параметров и расчитываются индивидуально для каждого продукта. Таким образом, данная работа посвящена определению допустимых скоростей движения воздуха при флюидизации в процессе конвективной сушки облепихи. Объект и методы исследования Объектом исследований служили такие сорта облепихи, как «Масличная», «Дар Катуни», «Чуйская», «Золотой початок», «Пантелеевская», с содержанием влаги соответственно 88,0; 87,3; 87,9; 82,8 и 87,5%. Объемные и массовые характеристики ягод облепихи представлены в табл. 2. Таблица 2 Объемные и массовые характеристики ягод облепихи [10] Сорт Масса единичного продукта, г Плотность продукта, кг/м3 Диаметр единичного продукта, мм Чуйская 0,6 943 10÷12 Дар Катуни 0,6 957 9÷12 Масличная 0,4 932 9÷11 Золотой початок 0,7 960 11 Пантелеевская 0,8 968 10÷15 Для определения критических скоростей движения воздуха использовалась методика, представленная в работе [10]. Первая критическая скорость движения воздуха w’кр, характеризующая начало флюидизации, определялась по формуле , (1) где nв - кинематическая вязкость воздуха, м2/с; dэкв- диаметр сферической части продукта. Диаметр сферической части продукта рассчитывался как среднее арифметическое значение наибольших и наименьших диаметров ягоды. Число Архимеда рассчитывалось по формуле , (2) где g=9,8 м/с2 - ускорение свободного падения; rпр, rв - плотность соответственно продукта и воздуха. Вторая критическая скорость движения воздуха w”кр, характеризующая скорость, при которой возможен унос продукта, определялась по формуле (3) Изменение размера ягод определяли путем макросъемки 10 образцов ягоды с последующей компьютерной обработкой изображения и сравнения с контрольными образцами. Конечное значение определялось как среднее арифметическое из данной серии образцов. Данные результатов исследований обрабатывались в программе MSExcel. Результаты и их обсуждение По формулам (1)-(3) были рассчитаны критические скорости движения воздуха для свежей ягоды облепихи при различной температуре, результаты представлены в виде графиков на рис. 1. а б Рис.1. Критические скорости движения воздуха для свежей облепихи: а - скорость начала флюидизации; б - скорость, при которой возможен унос продукта При повышении температуры воздуха наблюдается линейное увеличение критических скоростей движения воздуха. Это обусловлено тем фактом, что с ростом температуры снижается плотность воздуха и, соответственно, число Архимеда также уменьшается. Установлено, что в диапазоне температур воздуха от 50 до 80 °С скорость движения воздуха, при которой начинается процесс флюидизации, составляет от 1,66 до 2,0 м/с для различных сортов облепихи (рис. 1а). Скорость движения воздуха, при которой может происходить унос ягоды, составляет от 15,1 до 18,1 м/с (рис. 1б). Существенное влияние на критическую скорость оказывает размер ягоды: наиболее высокие значения критических скоростей наблюдались для облепихи сорта «Пантелеевская», которая характеризуется наибольшим диаметром из всех исследуемых сортов. В процессе конвективной сушки происходит значительная усадка продукта и изменение плотности, что в свою очередь также влияет на критические скорости воздуха. Для учета данных факторов были проведены эксперименты по конвективной сушке облепихи при температурах воздуха 50, 60, 70 и 80°С. Сушку проводили до содержания влаги в продукте 5-7%. Продолжительность обезвоживания облепихи при этом составляла 14, 10, 7 и 5 часов при температуре воздуха 50, 60, 70 и 80 °С соответственно. Скорость движения воздуха была установлена в 6 м/с. В ходе сушки каждый час фиксировалось изменение диаметра ягоды и ее плотности. На рис. 2 представлен относительный размер ягоды в данный момент времени сушки к начальному значению при температуре воздуха 50°С. Обнаружено, что в процессе конвективной сушки при температуре воздуха 50°С наибольшая скорость изменения параметров ягоды приходится на первые 3 часа сушки, после чего скорость изменения параметров уменьшается на протяжении всего дальнейшего процесса обезвоживания. Характер кривых, представленных на рис. 2, зависит от исходного влагосодержания, размера и плотности продукта. Сорт «Золотой початок» из всех исследуемых сортов характеризовался наименьшим влагосодержанием, поэтому через 10 часов скорость изменения размера данной ягоды значительно снизилась вследствие завершения процесса сушки. Через 14 часов конвективной сушки размер ягоды составил от 57,5(сорт «Пантелеевская») до 68,9% (сорт «Золотой початок») от исходного размера. Рис. 2. Изменение размера ягоды в процессе конвективной сушки облепихи при температуре воздуха 50°С Плотность ягоды в процессе конвективной сушки снижалась на 30÷35% от первоначального значения. По полученным данным были рассчитаны критические скорости движения воздуха в процессе конвективной сушки. На рис. 3 представлены критические скорости при конвективной сушке облепихи с температурой воздуха 50°С. а б Рис. 3. Критические скорости движения воздуха в процессе конвективной сушки облепихи при температуре 50°С: а - скорость начала флюидизации; б - скорость, при которой возможен унос продукта В процессе конвективной сушки с температурой воздуха 50°С критическая скорость начала флюидизации через 14 часов снижается в среднем на 32÷40% от первоначального значения. Критическая скорость, при которой возможен унос продукта, через 14 часов сушки снижается на 30÷37% для различных сортов облепихи. Падение критических скоростей по мере обезвоживания пропорционально объемной усадке и изменению плотности продукта. Аналогичным образом были рассчитаны критические скорости воздуха при остальных температурах воздуха. На рис. 4 представлены поверхности зависимости критических скоростей от температуры воздуха и продолжительности конвективной сушки облепихи сорта «Масличная». а б Рис. 4. Зависимость критических скоростей движения воздуха от температуры и продолжительности конвективной сушки облепихи сорта «Масличная»: а - скорость начала флюидизации; б - скорость, при которой возможен унос продукта При сушке с большей температурой воздуха характер изменения критических скоростей в процессе обезвоживания имеет более резкий характер. Для облепихи сорта «Масличная» к концу процесса сушки первая и вторая критические скорости снижаются до 1,08÷1,23 и 10,2÷11,7 м/с соответственно в зависимости от температуры воздуха. Подобным образом были также рассчитаны зависимости критических скоростей от температуры и времени сушки для других сортов ягод облепихи. В табл. 3 приведены данные по изменению критических скоростей на протяжении всего процесса сушки при различных температурах воздуха для остальных сортов облепихи. Поскольку данные по температуре воздуха 50°С уже были приведены (рис. 3), в данную таблицу они не включались. Таблица 3 Изменение критических скоростей воздуха в процессе конвективной сушки ягод облепихи Сорт Температура воздуха, °С 60 70 80 Первая критическая скорость w’, м/с Чуйская 1,79÷ 1,08 1,81÷ 1,09 1,84÷ 1,10 Дар Катуни 1,76÷ 1,08 1,78÷ 1,09 1,8÷ 1,11 Золотой початок 1,81÷ 1,20 1,83÷ 1,22 1,85÷ 1,23 Пантелеевская 1,95÷ 1,17 1,98÷ 1,18 2,0÷ 1,20 Вторая критическая скорость w’’, м/с Чуйская 16,22÷ 10,27 16,46÷ 10,42 16,7÷ 10,56 Дар Катуни 15,97÷ 10,3 16,2÷ 10,45 16,43÷ 10,60 Золотой початок 16,37÷ 11,21 16,61÷ 11,37 16,85÷ 11,53 Пантелеевская 17,54÷ 10,95 17,8÷ 11,11 18,05÷ 11,27 Для сортов облепихи «Чуйская», «Дар Катуни», «Золотой початок» и «Пантелеевская» снижение первой и второй критических скоростей к концу процесса сушки составляет соответственно 32,8÷39,7 и 30,9÷37,0% от первоначального значения. Для выбора конкретной скорости движения воздуха при флюидизации необходимо придерживаться определенного запаса, поскольку в реальных условиях имеют место различные технологические факторы, в том числе определенные отклонения в размере ягод от среднего значения. Поэтому, исходя из результатов исследований, рекомендованы следующие допустимые диапазоны скоростей движения воздуха при конвективной сушке облепихи всех исследованных сортов: при температуре воздуха 50°С в течение первых 6 часов - от 2,1 до 10,0 м/с, в течение последующего периода сушки - от 1,6 до 8,5 м/с; при температуре воздуха 60°С в течение первых 4 часов - от 2,1 до 10,2 м/с, в течение последующего периода сушки - от 1,6 до 8,7 м/с; при температуре воздуха 70°С в течение первых 3 часов - от 2,2 до 10,1 м/с, в течение последующего периода сушки - от 1,6 до 8,8 м/с; при температуре воздуха 80°С в течение первых 2 часов - от 2,2 до 10,5 м/с, в течение последующего периода сушки - от 1,6 до 8,9 м/с. Таким образом, в результате проведенной работы были установлены допустимые значения скоростей движения воздуха при конвективной сушке облепихи в флюидизационном слое. В общем случае гарантированные значения скоростей воздуха, при которых будет наблюдаться флюидизация без уноса продукта в температурном диапазоне от 50 до 80°С, составляют 3÷8 м/с для всех исследованных сортов облепихи. Полученные результаты исследований могут использоваться при разработке соответствующих технологий обезвоживания данного вида ягодного сырья.
1. Fedorov, D.E. Koncentraty sibirskih yagod - istochnik energii v usloviyah sovremennogo antropogennogo razvitiya chelovechestva / D.E. Fedorov, G.A. Maslennikova // Ekologicheskie problemy prirodnyh i antropogennyh territoriy. - Cheboksary, 2010. - S. 165-166.
2. Caregorodceva, S.R. Razrabotka i issledovanie tehnologii proizvodstva kislomolochnyh desertov s produktami pererabotki oblepihi i chernoy smorodiny: dis.. kand. tehn. nauk: 05.18.04 / Caregorodceva Svetlana Rostislavna. - Kemerovo, 1999. - 150 s.
3. Yunusova, F.M. Vliyanie ekologicheskih faktorov na biohimicheskiy sostav masla iz plodov oblepihi / F.M. Yunusova, A.Sh. Ramazanov, K.M. Yunusov // Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2007. - № 4. - S. 66-69.
4. Careva, E.A. Izuchenie fiziko-himicheskih svoystv oblepihi Krasnoyarskogo kraya / E.A. Careva // Vestnik KrasGAU. - 2007. - № 5. - S. 236-241.
5. Korotkaya, E.V. Issledovanie fiziko-himicheskih pokazateley svezhih i zamorozhennyh plodov oblepihi / E.V. Korotkaya, I.A. Korotkiy // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. - 2008. - № 1. - S. 116-117.
6. Korotkiy, I.A. Teplofizicheskie harakteristiki yagod oblepihi / I.A. Korotkiy // Vestnik KrasGAU. - 2008. - № 2. - S. 287-290.
7. Rahman, Sh. (Ed.) Handbook of Food Preservation / edited by M. Shafiur Rahman // CRC Press. - L.; N. Y., 2007. - 1088 p.
8. Snezhkin, Yu.F. Obezvozhivanie kolloidnyh kapillyarnoporistyh materialov v usloviyah vysokovlazhnoy okruzhayuschey sredy / Yu.F. Snezhkin, D.M. Chalaev, N.A. Dabizha // Trudy V Minskogo mezhdunarodnogo foruma po teplomassoobmenu. - Minsk: GNU «ITMO im. Lykova» NANB, 2004. - 11 c.
9. Strommen, I. Optimum design and enhanced performance of heat pump dryers / I. Strommen, T.M. Eikevik, O. Alves-Filho // Proceedings of First Asian-Australian Drying Conference (ADC’99). - Bali, Indonesia, 1999.
10. Korotkiy, I.A. Issledovanie i razrabotka tehnologiy zamorazhivaniya i nizkotemperaturnogo hraneniya plodovo-yagodnogo syr'ya Sibirskogo regiona: dis.. d-ra tehn. nauk: 05.18.04 / Korotkiy Igor' Alekseevich. - Kemerovo, 2009. - 410 s.
