Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления

Поделиться:
Статья опубликована в №115 (март) 2023
Разделы: Сельское хозяйство
Размещена 11.02.2023. Последняя правка: 12.02.2023.
Просмотров - 5548

Расчет сушильной машины сахаросодержащего корнеклубнеплодового сырья работающей электрофизическим методом

Микаберидзе Малхаз Шотаевич

Кандидат технических наук, профессор, Член Академии Экологических Наук Грузии, Академик

Государственный Университет Акакия Церетели

Академический доктор, профессор,

Аннотация:
Статья посвящена интенсификации производства сушеных кондитерских добавок электрофизическим методом из сахаросодержащего корнеклубнеплодового сырья с обеспечением машинно-аппаратурной системой. Разработана новая технологическая схема производства кондитерской добавки с высокой биологической активности; Определены оптимальные режимные параметры термической обработки, измельченной корнеклубнеплодовой смеси в поле инфракрасных лучей; рассчитаны основные геометрические параметры сушильной машины, работающей на ИК-энергии, определен энергетический баланс, уточнены основные геометрические параметры и конструктивные схемы.


Abstract:
The article is devoted to the intensification of the production of dried confectionery additives by the electrophysical method from sugar-containing root and tuber raw materials and the provision of a machine-hardware system. A new technological scheme for the production of a confectionery additive with high biological activity has been developed; The optimal regime parameters of heat treatment of crushed root and tuber mixture in the field of infrared rays were determined; the main geometric parameters of the drying machine operating on infrared energy are calculated, the energy balance is determined, the main geometric parameters and design schemes are specified.


Ключевые слова:
сушка сахаросодержащего корнеклубнеплодового сырья; инфракрасные лучи; режимы сушки

Keywords:
drying of sugar-containing root and tuber raw materials, infrared rays, drying modes.


УДК 66-9

Введение. Корнеклубнеплоды – растения, у которых питательные вещества концентрируются в клубнях или корнях. К сахаросодержащим клубнеплодам относится топинамбур, а к корнеплодам – свёкла, морковь, пастернак и др. Данные продукты широко используются для питания, они содержат в большом количестве витамины, микроэлементы и могут быть отнесены к продуктам высокой биологической активности [2].

Кондитерская промышленность активно использует добавки (искусственные, натуральные), благодаря которым кондитерским изделиям придается специфический вкус, цвет, аромат, лечебные и профилактические свойства. Заслуживают внимания натуральные добавки, использование которых становится все более актуальным на фоне насыщения продуктов питания химическими добавками. Исследования в этом направлении актуальны и имеет большие перспективы [9].                   

Цели, задачи, материалы и методы. Эксперим­енты были провед­ены по пред­ва­рит­ельно состав­лен­ной программе и метод­ике (на базе Государственного Университета Акакия Церетели – Аграрный факультет, г. Кутаиси).

Процесс сушки является одним из важнейшим процессом в пищевой промышленности и осуществляется с помощью конвективных сушильных машин и установок, которые наряду с положительными сторонами имеют ряд отрицательных сторон, поэтому расширение исследований в этом направлении является актуальным [1,3].

Целью нашего исследования было определение оптимальных режимных параметров термической обработки (сушки) смеси измельченной сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья (топинамбур, свёкла, морковь, пастернак) в поле инфракрасных (ИК) лучей; Разработка новой технологической схемы производства кондитерских добавок (мука корнеклубнеплодового сырья) имея высокую питательную ценность с высоким содержанием биологический активных веществ и специфический органолептические свойства; уточнение основных геометрических параметров инфракрасной сушильной экспериментальной машиныдля сушки сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья, расчет энергетического баланса машины, разработка конструктивных схем.

В качестве источника энергии была выбрана ИК лучевая энергия. Известно, что инфракрасные лучи значительно интенсифицируют технологические процессы, упрощает технологическое оборудование, улучшает условия труда, исключает загрязнение окружающей среды и т. д. Для экспериментов была использована лабораторная сушильная установка [4,6].

Для исследования процесса термической обработки сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья, была разработана специальная методика, были определены основные факторы влияющие на процесс и их взоимосвязь.

Измерения инфракрасного облучения проводили с помощью термоэлектрического устройства (DTP0924ROP50-50JO). Температуру процесса измеряли ртутным термометром и инфракрасным термометром (RaytekMiniTempMT6). Остаточную влажность в материале определяли влагомером (ECV-4V).

На основе методики в качестве материала для исследований были выбраны: топинамбур, свёкла, морковь, пастернак, из которого было приготовлено сырье - слабо измельченный исследуемый материал с кожицей (пропорция - в равных количествах).

С целью термической обраб­отки сырье вно­си­ли за­ра­нее нагретой в лаб­орат­орной камере оснащенной ИК генераторами (NIK-220-1000) и равномерно распределяли на металлическую сетку. Температура в сушильной камере поддерживалась путем селективного включения ИК генераторов и за счет регулирования потока воздуха, подаваемого в камеру.

Процесс сушки принимали завершенным, после контроля остаточной влажности материала, визуальной и органолептической проверки.

При определении оптимального значения одного из параметров, действующих в процессе, все остальные параметры имели постоянные значения [5,8].

Научная новизна. Выбранная нами технологическая схема производства муки корнеклубнеплодового сырья с использованием инфракрасной энергии имеет следующий вид:

Сырье (топинамбур, свёкла, морковь, пастернак сырой) - инспекция - промывка - сортировка - резка - сушка инфракрасной энергией (первый этап сушки) – задержка (миграция влаги) - сушка инфракрасной энергией (второй этап сушки) – измельчение- сортирование.

Многочисленные эксперименты показали, что искусственная сушка исследуемого материала эффективна при двух фазах сушки (I фаза сушки – 70…75 0С, II фаза сушки – 75…80 0С).

В результате исследований установлены режимы сушки сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья в поле ИК лучей, а именно: при непрерывном облучении: тип генераторов – NIK-220-1000; вид облучения - двухстороннее; Плотность облучения Р=0,35-0,40 кВт/м2; расстояние между исследуемым материалом и генераторами ИК лучей Н=25 см; Толщина материала δ=5 см; Продолжительность теплового облучения - I фаза - τ=18...20 мин (70…750С); II фаза – τ=35...37 мин (80…850С); конечная остаточная влажность полуфабриката 5-7% [7].

Результаты опытов показали, что специфическое эффективное воздействие ИК лучей на материал значительно повышает качество полуфабриката (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнительная характеристика химического анализа полуфабриката

Тип сушки

Углеводы, гр

Органические кислоты, гр

Минеральные вещества, гр

Аскорбиновая кислота, мг

Сушка по действующей технологии

 

10,5

 

1,5

 

0,87

           

3.5

Сушка ИК лучами

10,5

                1,7

0,87

6.4


С целью обеспечения машинно-аппаратной системы процесса сушки корнеклубнеплодового сырьяИК-лучами, на основе обобщения экспериментальных и теоретических данных были рассчитаны основные геометрические параметры сушильной машины, работающей на ИК-энергии, определен энергетический баланс, уточнены основные геометрические параметры, созданы конструктивные схемы.

При этом были учтены современные требования производства и машина рассчитана на производительность G=100 кг/ч (рис. 1). 

 

Рис. 1 Схема машины для сушки сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья работающей электрофизическим методом 

Принцип работы машины: в теплоизолированной металлической сушильной камере (1) установлены три рабочих сетчатых конвейера и один выносной сетчатый конвейер (2). Материал подается на конвейер (2) элеватором (4), на котором установлен механизм выравнивания слоев (5). Процесс сушки сахаросодерэащего корнеклубнеплодовой смеси осуществляется на всех конвейерах. Для снижения потерь энергии на внутренней поверхности сушильной камеры установлены алюминиевые отражатели (7). Сушенная масса выгружается через полузакрытое отверстие в передней части машины.

Регулировка процесса сушки осуществляется регулировкой скорости рабочего конвейера. Дифференцировано включение в электрическую сеть ИК генераторов.

Общий расход тепла в сушилке:

Q=Q1+Q2+Q3 кДж/ч.

где Q1 - расход теплоты на нагрев корнеклубнеплодовой смеси, кДж/ч;

       Q2 - расход теплоты на испарение влаги, кДж/ч;

       Q3 - потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.

                                           Q1=Gc(t2-t1)=100∙3,45(75-20)=18975(5кВт)

где G - производительность сушильной машины, G=100 кг/ч;

        c – удельная теплоемкость корнеклубнеплодовой смеси, 3,45 кДж/кг°С;

        t1 – начальная температура корнеклубнеплодовой смеси, 200С;

        t2 – температура массы на выходе из сушильной машины, 750С.

                                          Q2=w∙r=83∙2350=124550 (54кВт/ч)

где w – масса влаги, испарившейся из корнеклубнеплодовой смеси, кг/ч;

        r – скрытая теплота парообразования воды.

                                         w=G(w1-w2)/(100-w2)=83  кг.ч

где w1 – исходная влажность корнеклубнеплодовой смеси, w1=82…84%;

       w2 – конечная влажность корнеклубнеплодовой смеси, w2=5...7%.

Q3=Qкамера+Qвоздух=3,6∙F(tст-t0)+L(I2-I0)=3,6∙12,54∙37(60-20)+200(100-50)=76800  (21кВт/ч)

где α - коэффициент теплопередачи,

α=9,74+0,07(tст-t0)=9,74+0,07(60-20)=12,54кВт/м20С.

       t0 – температура окружающей среды, t0=20...220С;

       tст – средняя температура наружной поверхности стенки сушильной камеры, ст=50...600С;

        F – площадь наружной поверхности сушильной камеры, м2;

        L – масса воздуха, поступающего в камеру в неорганизованном виде, L=200 кг/ч.

         I0 и I2 – удельные энтальпии воздуха, I0=50кДж/ч, I2=100кДж/ч.

Следовательно, суммарная мощность инфракрасных генераторов равна:

-         Pтеор=80 кВт/ч;

-         Pреал=p/η=/80/0,95= 84=кВт/ч.

Рабочая поверхность сушильного конвейера: F=37м2

                                      V=G/3600β t φ= 0,005 м/сек

где - β ширина конвейера, β =1,5 м;

       φ- коэффициент заполнения, =0,9;

        Общая длина сушильного конвейера: l=V∙t=0,005∙0,5∙3600=9 м.

где τ- максимальное значение процесса сушки, τ=0,5 часа.

         Высота сушильной машины Н=2,5…3 м.

        На рис. 2 показан общий вид установки для сушки сахаросодержащей корнеклубнеплодовой смеси инфракрасными лучами. 

 

Рис. 2. Схема макета машины для сушки сахаросодержащей корнеклубнеплодовой смеси с использованием инфракрасной энергии. 


Определение экономической эффективности сушильной машины сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья работающей электрофизическим методом

 

   Экспериментальная машина для сушки  сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья

  1. 1.    Амортизация.

Устройство работает в круглый год 720 ч (30x8x3)

где 30 - количество дней в месяце;

       8 - рабочее время;

       3 - Количество рабочих месяцев.

            В ходе эксплуатации экспериментальная машина в целом будет работать 720x6=4320 ч.

где  6 - Срок эксплуатации машины.

          В целом за время эксплуатации экспериментальная машина проведет термическую обработку 4320x100 = 432000 кгсырья.

        Таким образом, амортизация машины равна 4500: 432000 = 0,01 доллар США/100 кг сырья. 

  1. Оплата труда обслуживающего персонала.

       Для экспериментальной машины требуется 1 обслуживающий персонал, ежемесячная зарплата которого составляет 400 доллар США. Так как устройство работает в среднем 3 месяца в течение года, то затраты на обслуживающий персонал будут равны - 400х3=1200 доллар США.                       

        Таким образом, 1200 : 720 = 1,67 доллар США/100 кг сырья. 

где 720 ч - работа экспериментальной машины в круглый год. 

  1. Стоимость электроэнергии.

        Экспериментальная машина потребляет в течение года 30х3х672 = 60480 кВт электроэнергии.

где 30 - количество дней в месяце;

         3 - количество рабочих месяцев;

     672 - потребляемая в течение суток электрическая энергия в кВт.

Стоимость электроэнергии в течение года равна - 60480x0,10 = 6048 доллар США.

      Таким образом, 6048:720 = 8,40 доллар США/100 кг сырья.

  1. Стоимость ремонтных работ.

        Сумма, которая будет потрачена на ремонт экспериментальной машины в течение года, составляет 200 доллар США.

       Таким образом, 200:720 = 0,28 доллар США/кг сырья.

        Таким образом, при использовании экспериментальной машины с учетом процесса термической обработки сырья себестоимость продукции увеличивается на 0,01+1,67+8,40+0,28=10,36 доллара США за 100 кг сырья, или 0,104 доллара США за 1 кг.

         Затраты экспериментальной установки на термообработки сырья - себестоимость равна: 432000x0,104= 44927 долларов США.  


Действующая конвективная сушильная машина

 

амортизация - 10000:432000 = 0,023 доллар США/ 100 кг сырья.

  1. 2400:720 = 3,33 доллар США (обслуживание 2 штатных единиц);
  2. Электроэнергия, потребляемая действующей машинойв течение года, составляет 75600 квт, что равна стоимости 7560 доллар США течение года

      Таким образом, 7560:720 = 10,5 доллар США/ 100 кг сырья.

        3. Сумма, которая будет потрачена на ремонт действующей машиныв течение года – 300 доллар США.

     Таким образом 300:720 = 0,42 доллар США/ 100 кг сырья.

          Таким образом, при использовании действующей конвективной машины с учетом процесса термической обработки сырья себестоимость изделий увеличивается на 0,023+3,33+10,5+0,42=14,27 долл. США на 100 кг сырья, или 0,143 долл. США за 1 килограмм.

          Затраты на действующую конвективную машину для термической обработки сырья - себестоимость равна: 432000x0,143 = 61776 долларов США.

          Таким образом, экономия процесса (экономический эффект) при использовании экспериментальной машины составит 61776-44927=16849 долларов США или 0,39 долларов США на 1 кг продукции.

             

 

Заключение, результаты, выводы. Выявлены осно­вные факторы и взаимосвязь процессов термической обработки сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья в поле ИК лучей: плотность облуч­ен­ия, рас­стоян­ие между сырьем и ИК гене­рат­ора­ми, толщина слоя, продо­лжит­ельность процесса, влажность материала до и после сушки, вид облуч­ен­ия (двух­сторон­н­ий, односторонний, не­прерывный), температура процесса.

В результате исследований установлены режимы сушки сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья в поле ИК лучей, а именно: при непрерывном облучении: тип генераторов – NIK-220-1000; вид облучения - двухстороннее; Плотность облучения Р=0,35-0,40 кВт/м2; расстояние между исследуемым материалом и генераторами ИК лучей Н=25 см; Толщина материала δ=5 см; Продолжительность теплового облучения - I фаза - τ=18...20 мин (70…750С); II фаза – τ=35...37 мин (80…850С); остаточная влажность полуфабриката 5-7%.

Были рассчитаны основные геометрические параметры машины для сушки сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья, работающей на инфракрасной энергии, определен энергетический баланс, составлены конструктивные схемы.

Технологический способ термической обработки (сушки) измельченной сахаросодержащей корнеклубнеплодовой смеси в поле инфракрасных лучей является целесообразным и перспективным. Интенсивность процесса увеличивается в 5 раз и более по сравнению с существующими методами сушки, что положительно сказывается на биологический активных веществах и на качество продукта; упрощается технологический процесс, технологическое оборудование, исключает загрязнение окружающей среды; позволяет полностью автоматизировать процесс и. т. д.

Процесс сушки смеси корнеклубнеплодов повышает концентрацию питательных веществ полуфабриката несколько раз по сравнению с исходным сырьем. Мука из корнеклубнеплодов имеет высокую пищевую ценность и может быть использована в кондитерских добавках для придания продуктам специфического вкуса, цвета, аромата, лечебно-профилактических свойств.

Машина для сушки сахаросодержащей корнеклубнеплодовой смеси инфракрасными лучами представляет собой простое устройство; занимает небольшую производственную площадь; не требует дополнительного оборудования. 
 
Экономия процесса (экономический эффект) при использовании экспериментальной машины составит 16849 долларов США или 0,39 долларов США на 1 кг продукции.

Библиографический список:

1. Микберидзе М. Ш. Процессы и машинно-аппаратурные системы пищевых производств. Учебник. Издательство - Государственный университет Акакия Церетели. Кутаиси, 2015. 492 с.;
2. Микберидзе М. Ш. Основные методы обработки сырья в процессе производства пищевых продуктов. Учебник. Издательство - ООО "МБМ Полиграф", ГГУАЦ. г. Кутаиси, 2019. 290 с.;
3. Микберидзе М. Ш. Основы планирования пищевых предприятий по переработке аграрного сырья. Учебник. Издательство - ООО "МБМ Полиграф", г. Кутаиси, 2020. 272 с.;
4. Микберидзе М. Ш. Расчет и выбор некоторых машинно-аппаратных систем в пищевой промышленности. Справочник. Издательство - Государственный университет Акакия Церетели. Кутаиси, 2012. 100 с.;
5. Микберидзе М. Ш. Расчет сушильной машины томатного сырья работающий на энергии инфракрасных лучей. «GLOBAL SCIENCE AND INNOVATIONS 2022: CENTRAL ASIA» СЕРИЯ «СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ» Нур-Султан (Астана), Казахстан 2022/9. № 3(17). ст. 41-46 URL: http://bobek-kz.com;
6. Микаберидзе М. Ш. Расчет машин и аппаратов пищевой промышленности. Справочник. Издательство - Государственный университет Акакия Церетели. Кутаиси, 2013. 80 с.;
7. Микаберидзе М. Ш. Совершенствование производства кондитерских добавок электрофизическим методом из смеси сахаросодерэащего корнеклубнеплодового сырья «GLOBAL SCIENCE AND INNOVATIONS 2022: CENTRAL ASIA» СЕРИЯ «СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ» Нур-Султан (Астана), Казахстан 2022. № 5. october 2022. ст. 36-39 URL: http://bobek-kz.com;
8. Микаберидзе М. Ш., Аплаков В. Р., Хуцидзе Т. C. Совершенствование производства кондитерских добавок электрофизическим методом из смеси дикорастущего фруктово-ягодного сырья. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МОДЕЛЕЙ НАУЧНОГО РАЗВИТИЯ ОБЩЕСТВА. Сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции 14 ноября 2021 г. Ст.98-101 URL:https://ami.im/sbornik/MNPK-358.pdf#page=98.
9. Микаберидзе М. Ш. Режимные параметры хранения и обработки плодов и овощей. Учебник. Издательство - Государственный университет Акакия Церетели. Кутаиси, 2016. 188 с.




Рецензии:

11.02.2023, 12:35 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: В статья Микаберидзе М.Ш. описывает процессы термической обработки сахаросодержащего корнеклубнеплодового сырья в поле ИК лучей и оптимальные режимные параметры их термической обработки. В моркови, топинамбуре и свекле содержание сахара составляет от 8 до 16 %, а в сухих их веществах содержание сахара увеличивается многократно, поэтому сухие корнеплоды можно использовать также и для профилактики и лечении сахарного диабета [https://cyberleninka.ru/article/n/infrakrasnaya-sushka-saharosoderzhaschih-korneplodov-dlya-pitaniya-bolnyh-saharnym-diabetom/viewer]. Однако, в данной статье рекомендую привести сравнительные экономические характеристики машины для сушки сахаросодержащего корнеклубнеплодового сырья, например себестоимость данной сушки по отношению к себестоимости сушки 1 кг сухой смеси моркови, сахарной свеклы и топинамбура при конвективном способе сушки в среде инертного газа [https://vestnik.astu.org/temp/dfd59ca80aaf2991a2f7b44dbc6365f4.pdf]. Статья имеет актуальность, научную новизну и полностью отвечает требованиям журнала. Рекомендую статью к публикации в журнале Sci-article.ru.

08.04.2023 10:10 Ответ на рецензию автора Микаберидзе Малхаз Шотаевич:
Спасибо за положительную рецензию, ваши рекомендации учтены, статья доработано, научной работе нами добавлена экономический расчет сушильной машины, статья обрела полный вид, спасибо за рекомендации. С уважением - автор статьи

27.12.2023, 19:34 Вологирова Жаннета Мамиевна
Рецензия: Исследование представляет собой значимый вклад в область совершенствования технологических процессов термической обработки сахаросодержащего корнеклубнеплодового сырья с использованием инфракрасных лучей. Автор предоставил обширный объем данных, охватывающих экспериментальные результаты, расчеты, а также рассмотрение экономической эффективности новой сушильной машины. В первой части исследования детально рассмотрены результаты опытов, подчеркивая, что применение инфракрасных лучей в процессе сушки существенно повышает качество полуфабриката. Это продемонстрировано сравнительной характеристикой химического анализа полуфабриката в сравнении с традиционной сушкой. Основные геометрические параметры сушильной машины, работающей на инфракрасной энергии, рассчитаны на основе экспериментальных и теоретических данных. Введены показатели энергетического баланса, уточнены конструктивные схемы и предложена принципиальная схема установки. Экспериментальная машина была подвергнута экономической оценке, учитывая амортизацию, оплату труда обслуживающего персонала, стоимость электроэнергии и затраты на ремонт. Далее проведено сравнение существующей конвективной сушильной машины, исходя из указанных параметров. В заключении автор формулирует ключевые выводы и результаты исследования. Были выделены основные факторы, влияющие на процессы термической обработки сахаросодержащего корнеклубнеплодового сырья, а также определены оптимальные режимы сушки в поле ИК лучей. Авторы приходят к выводу, что технологический способ термической обработки с использованием инфракрасных лучей является целесообразным и перспективным. При этом подчеркивается, что интенсивность процесса увеличивается в несколько раз по сравнению с существующими методами сушки, что положительно сказывается на биологически активных веществах и на качестве продукта. Также подчеркивается экономическая выгода использования предложенной технологии. Подробный анализ результатов экспериментов, приведенные расчеты, а также экономическая оценка новой сушильной машины делают данную работу актуальной и ценной для научного сообщества и промышленных предприятий. Авторам следует рассмотреть следующие рекомендации для улучшения качества исследования: Дополнительные эксперименты: Рекомендуется провести дополнительные эксперименты для подтверждения стабильности и повторяемости результатов. Это может включать в себя расширение диапазона тестовых условий или уточнение параметров сушки. Обсуждение конкурентных технологий: Полезным дополнением будет более подробное обсуждение сравнительных характеристик предлагаемой технологии с существующими методами сушки. Это поможет читателям лучше оценить преимущества предложенного подхода. В целом работа отличается высокой научной ценностью и практической значимостью. Подробный анализ и эксперименты, проведенные авторами, предоставляют весомые аргументы в пользу предложенной технологии. Библиографический список дополняет качество исследования, указывая на использование актуальных источников. С учетом высокой актуальности темы, детального анализа результатов и тщательной подготовки материала, рекомендую представить данное исследование для публикации в научных журналах. Рецензент: Вологирова Жаннета Мамиевна, кандидат сельскохозяйственных наук (PhD).



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх