Повышение эффективности сушки продуктов растительного происхождения за счет инфракрасно-конвективного воздействия

Одной из важнейших задач сельскохозяйственного производства является получение продовольственной продукции растительного происхождения, к которой относятся зернобобовые культуры, овощи, фрукты и др. Длительное хранение многих видов растений в натуральном виде в обычных условиях невозможно и требует применения переработки, например сушки. Особую нишу занимают лекарственные растения, на основе которых производятся лечебные препараты, биологические активные добавки (БАД), а также пряности к пище.

В настоящее время из 100 тысяч лекарственных средств, применяемых в мировой медицинской практике, лечебные препараты из растений составляют свыше 30%. В нашей стране доля таких средств и препаратов составляет около 40%.

Наряду с естественными способами сушки, широко используются искусственные способы с помощью специальных сушильных установок. Это требует больших затрат электрической или тепловой энергии от сжигания топлива, так как ежегодно в нашей стране заготавливается более 65 тыс. т лекарственного сырья. При этом не всегда удается добиться требуемых показателей продукта.

Применение электрической энергии представляется наиболее предпочтительным, поскольку позволяет отказаться от затрат на доставку, складирование твердого или жидкого топлива, снизить экологический ущерб окружающей среде, получить необходимые свойства за счет «тонкого» управления технологией сушки.

Забота о здоровье человека является основой социальной программы нашего государства. Она напрямую связана с обеспечением населения лекарственными препаратами, в том числе, полученными на основе лекарственных растений [107].

Гомеопатические средства с давних времён применялись людьми для лечения и предупреждения различных недугов. Многие подобные растения используются не только в гомеопатии и фитотерапии, но и в химической, пищевой промышленности, при производстве пива, лимонада, кваса, в пищевых добавках, для окраски тканей и парфюмерном деле [14, 32, 62, 63, 67, 68].

Важным звеном в процессе заготовки лекарственного сырья является его сушка, и соблюдение надлежащих условий хранения высушенной продукции. Сушка — это процесс удаления влаги в любой её фазе из сушимого материала. Правильное соблюдение технологии сушки является основным условием при длительном хранении растительной продукции и сохранения в ней активно действующих веществ (АДВ) [46,49, 60, 62, 64].

В настоящее время выращивание, сбор и заготовку лекарственных растений осуществляют индивидуальные и фермерские хозяйства. Однако оборудование, которое применяется для сушки растений в сложившихся производственных структурах в данное время не соответствует необходимым требованиям, как по параметрам, так и по производительности современных технологических установок. Кроме того, зачастую, затраты на сам процесс сушки велики и не обеспечивают рентабельность такого производства. Внедрение новых технологии и техники, являются важнейшими средствами повышения эффективности работы сушильных установок, а также улучшения качества просушенного материала. Эффективность работы сушилок, повышение качества сушимой продукции, производительности труда и технико-экономических показателей зависит в основном от конструктивных особенностей сушильных установок, способов подвода тепла к материалу.

Рынок технологического сушильного оборудования диктует новые требования, а также новые подходы по совершенствованию технологии сушки растительного материала с целью снижения её энергоёмкости, повышения эффективности процесса. Это, в первую очередь, относится к сушильным установкам малых габаритов и необходимой производительности, а также усовершенствование способов подвода тепла к сушимым растениям для обеспечением высокой эффективности процесса сушки и его экономичности. Последнее обстоятельство является особенно актуальным в связи с существенным удорожанием энергоносителей.

Применение электрических способов получения тепловой энергии для технологических процессов в малогабаритной сушильной установке является наиболее рациональным. Вместе с тем, из-за низкого энергетического КПД этот процесс остаётся достаточно энергоёмким. В конвективных сушилках с электронагревом воздуха расход электроэнергии составляет 1,3. 1,9 кВт-ч/кг, в терморадиационных —1,4.2,2 кВт-ч/кг, в высокочастотных — 1,8.3,5 кВт-ч/кг [55]. Поэтому поиск целесообразного сочетания способов подвода теплоты к сушимому материалу с целью снижения энергоёмкости сушки и повышение ее скорости является актуальной задачей.

Весьма перспективным представляется технология сушки, основанная на использовании ИК-излучения [62]. Преимущества, которые обеспечивает эта технология, опираются на ряд свойств, характеризующих взаимодействие ИК-излучения и объекта: объемный характер преобразования теплоты в материалемалое время сушки при относительно низкой температуре процесса, что является основой для высокого (до 96.98%) уровня сохраняемости АДВ и витаминов в лекарственном сырье [56]- источником энергии для сушки материала являются электрические ИК излучатели, что обеспечивает экологичность процесса, надежность работы, возможность автоматизации.

В этой связи, основной задачей настоящей работы, является поиск такого технологического и конструктивного решений инфракрасной сушилки, которые обеспечивали бы максимальную равномерность распределения ИК — энергии, по всему объему высушиваемого материала и эффективное выведение влаги на его поверхность.

Таким образом, данная работа посвящена решению важной научнотехнической задачи в области электрификации сельского хозяйства, а именно, повышения эффективности и качества сушки растительной продукции при снижении затрат энергии и времени сушки.

Объектом исследования являлась технология электрической сушки растительного материала с помощью циклического воздействия на него ИК-потока и стимулирующего конвективного охлаждения.

В процессе исследований было необходимо определить наиболее рациональную схему этой установки, выработать основные подходы к ее конструкции и параметрам.

Для обеспечения решения основной задачи данной работы проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, получены следующие научные результаты: определены энергоемкость, скорость сушки, производительность установки по типовому диапазону влажностей, подвергаемых ИК-излучению.

Практическая ценность проведенных исследований (и диссертационной работы в целом) состоит в том, что на их базе удалось:

1. Разработать установку ИК-сушки с высокими технико-экономическими параметрами, существенно превышающими основные параметры традиционных установок: кондуктивных, конвективных, СВЧ и т. п. Энергоемкость инфракрасной сушки со стимулирующем конвективном охлаждении составила 1,5 кВт-ч/кг (для типовых конвективных сушилок -2,8.4 кВт-ч/кг), сохраняемость АДВ достигла 92.98% (для конвективной сушки 50.65%).

2. Разработать усовершенствованную технологию инфракрасной сушки, предназначенной для получения лекарственного растительного сырья отвечающего требованиям соответствующих ГОСТов на качество конечной продукции.

3. Создать научную предпосылку для компановки оборудования комбинированной сушки с оптимальным циклическим воздействием ИК-нагрева и стимулирующим конвективным охлаждением растительного сырья.

Данная работа выполнялась в соответствии с комплексной программой НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» по теме № 6 «Повышение эффективности систем энергетического обеспечения систем АПК» .

Цель работы. Повышение эффективности сушки продуктов растительного происхождения за счет инфракрасно-конвективного воздействия, обеспечивающего снижение энергоемкости и продолжительности сушки.

Задачи исследования;

— классифицировать виды лекарственного сырья по ботаническим и физико-механическим признакам для обоснования режимов сушки;

— сопоставить способы сушки растительного сырья и особенности существующих конструкций сушильных установокна основании анализа процесса взаимовоздействия ИК-источника с сушимым материалом создать эффективную систему подвода энергии к материалу;

— уточнить закономерности комбинированного теплои массообмена процессов сушки и обосновать конструктивно-технологическую схему сушильной установки для индивидуальных и фермерских хозяйств;

— сопоставить спектральные характеристики источника излучения и объекта сушкиоценить влияние наиболее значимых факторов на конечную влажность материала с использованием математического моделирования и теории планирования экспериментов;

— провести производственные испытания сушильной установки, реализующей предлагаемый способ сушкиоценить ее технико-экономическую эффективность.

Объект исследования процесс сушки растительного сырья при периодическом воздействии инфракрасного (ИК) — лучистого потока и стимулирующего конвективного охлаждения.

Предмет исследования — закономерности рабочего процесса сушки растительного сырья при циклическом воздействии «ИК-нагрев-обдув воздухом-обдув нагретым воздухом».

Методика исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При решении поставленных задач использовались законы и положения теплотехники, тепло — и массообмена, электротехнологии, автоматизации технологических процессов, теории планирования экспериментов. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методом математической статистики и регрессионного анализа. Оценка показателей готового продукта производилась с учетом требований ГОСТ 21 908;93 на лекарственное сырье.

Научная новизна работы:

— развита классификация лекарственных растений с разделением по физико-механическим фракциям, позволяющим обосновать технологию и температурные режимы сушки;

— предложен способ сушки с однонаправленными влагои температурным напором, позволяющий сократить энергозатраты и продолжительность процесса, защищенный патентом Российской Федерации на изобретение № 2 216 257.

— обоснованы параметры циклов ИК-нагрева и конвективного обдува продукта, позволяющие снизить продолжительность и энергоемкость процесса сушки;

— разработана конструктивно-технологическая схема установки для индивидуальных и фермерских хозяйств, реализующая заявленный способ сушки.

Практическая значимость работы.

— обоснован и практически реализован новый способ сушки растительных материалов (лекарственного растительного сырья) с соотношением циклов.

ИК-нагрев — обдув воздухом — обдув нагретым воздухом", повышающий эффективность процесса;

— для основных групп растительного лекарственного сырья определены оптимальные режимы сушки, позволившие снизить затраты электроэнергии в 1,17 раза, сократить продолжительность сушки в 1,2 раза по сравнению с непрерывным ИК-нагревом;

— разработан и испытан опытный образец сушильного шкафа с электрическими ИК-излучателями (ТЭНами) и программным управляющим устройством, обеспечивающим необходимые временные циклы сушки для каждой группы лекарственного растительного сырья.

Реализация научно — технических результатов. Разработаны рекомендации по определению технико-технологических параметров для проектирования сушильной установки, реализующей заявленный способ сушки. Результаты исследований использованы и внедрены в Государственном Автономном Учреждении «Саратовский областной питомник» г. Аткарска Саратовской области. Теоретические и экспериментальные результаты исследований используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Светотехника и электротехнология» студентами специальности 110 302.

Аппробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н. И. Вавилова (Саратов, 25−30 ноября 2002 г., 4.2) — международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения профессора А. Г. Рыбалко (Саратов, 11−12 июля 2006 г., 4.2) — международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию Саратовского госагроуниверситета (Саратов, 2008 г., Ч.2.) — Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения» в 2007;2009 гг.- XV международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции — новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 18−19 сентября 2009 г.) — международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» в 2010 г., на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н. И. Вавилова в 2001; 2006 гг.

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе, одна — в рецензируемых изданиях, указанных в «Перечне.ВАК», общий объём публикаций составляет 3,49 печатных листа, из них 1,82 печатных листа принадлежат лично соискателю.

На защиту выносятся:

— математическое описание процесса сушки «ИКнагрев-конвективное охлаждение»;

— обоснование спектральных характеристик ИК-нагревателя для сушки растительного лекарственного сырья;

— результаты математического моделирования параметров сушки в зависимости от конечной влажности продукта;

— результаты экспериментальных исследований режимов сушки основных групп лекарственного сырья при цикличном подводе тепловой энергии. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 140 страницах компьютерного текста, содержит 11 таблиц, 28 рисунков, 6 приложений.

Список литературы

включает 120 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. По результатам анализа литературных источников усовершенствована классификация и уточнены физико-механические и ботанические классификационные признаки характерных лекарственных растений, позволившие обосновать режимы сушки получаемого из них сырья: продолжительность ИК-нагрева т&bdquo-=0,9−1,5 чстимулирующего обдува то=(0,45−0,5)т" — обдува нагретым воздухом тно=(0ДЗ-0,15)то.

2. Сопоставлены особенности способов сушки, конструкций сушильных установок и определены условия интенсификации процесса при одновременном снижении энергопотребления в 1,17 раз. Предложен, на уровне изобретения, способ сушки с цикличным режимом «нагрев-охлаждение» продукта от ИК-источника с длиной волны ^чшх—3,7.4,5 мкм и поочередным обдувом продукта: для интенсификации вытеснения свободной влаги — ненагретым, а для ее удаления из сушилки — нагретым до 40−45°С воздухом.

3. Усовершенствована модель теплои массообмена ИК-сушки за счет учета стимулирующего вытеснения влаги и глубинного прогрева коэффициентом поглощения инфракрасного излучения Кх, термоградиентным коэффициентом [л и показателем термовлагопроводности 3/. Установлена взаимосвязь термоградиента ¡-л с соотношением 8 составляющих временных циклов термовоздействия на материал: ИК-нагрева — тн, стимулирующего обдува ненагретым т0 и нагретым тно воздухом.

4. Сопоставление спектральных характеристик источников ИК-излучения и объектов сушки показало, что трубчатые электронагеватели (ТЭНы) обеспечивают спектр ИК-излучения с ?1тах=3,0.5,0 мкм, максимально поглощаемого лекарственным сырьем при сушке и представляются предпочтительными для реализации заявленного комбинированного способа сушки.

5. Методами теории планирования экспериментов определено влияние совокупности факторов на продолжительность сушки и удельный расход электроэнергии при заданной конечной влажности у=10−14%. Установлено, что для листьев, травы и корней характерных лекарственных растений эти значения находятся в диапазоне тн=0,9−1,5 ч при Ауд-1,06−1,14 кВт-ч на 1 кг испаренной влаги.

6. Производственные испытания подтвердили эффективность разработанной сушильной установки, реализующей предложенный способ сушки. Производительность установки при сушке лекарственного сырья составила 551 кг/год, удельный расход электроэнергии 1,08 кВт-ч на 1 кг испаренной влаги.