Рациональное использование вторичных энергоресурсов при сушке и переработке зерна, зернопродуктов, картофеля и плодоовощного сырья

Аннотация. На основе исследований рассмотрены вопросы разработки энергосберегающих технологий и рационального использования вторичных энергоресурсов при сушке зерна, зернопродуктов, картофеля, плодов и овощей на основе энергетического и эксергетического методов термодинамического анализа. Сформулированы основные направления достижения энергосбережения технологических процессов
Abstract. Based on the research, the issues of developing energy-saving technologies and the rational use of secondary energy resources in drying grain, grain products, potatoes, fruits and vegetables based on energy and exergy methods of thermodynamic analysis are considered. The main directions for achieving energy saving of technological processes are formulated.

В современных условиях возрастающего потребления энергии все более остро ставятся вопросы рационального её использования, утилизации и рекуперации теплоты во всех технологических процессах при переработке сельскохозяйственного сырья АПК [1-4].

Эксергетический анализ энерготехнологической системы (ЭТС) определяет энергию не только с количественной стороны, но и позволяет учитывать качество энергии, потребляемой и отдаваемой системой, т. е. способность этой энергии быть превращенной в полезную работу. Данный термодинамический метод позволяет говорить о степени рационального использования различных затрачиваемых видов энергии в технологических процессах. Отличительной особенностью эксергетического расчета ЭТС является определение потери от необратимости в каждом из ее элементов, что отражает термодинамическое совершенство системы [5].

Целью работы является адаптация теплового и эксергетического анализа для определения степени термодинамической эффективности технологических процессов и машинных технологий при сушке и тепловлажностной переработке зерна, зерновых продуктов, картофеля, плодов и овощей на основе второго закона термодинамики.

Для сушки зерна и переработки зернопродуктов важное значение имеют удельные энергетические затраты, определяющие технико-экономические показатели и себестоимость технологии.
Основные энергетические затраты при производстве варено-сушеных крупяных продуктов, сушеных плодов и овощей, картофеля, плодоовощных чипсов и полуфабрикатов быстрого приготовления имеют гидромеханические и тепломассообменные процессы (влаготепловая обработка - гидротермическая обработка, гидратация, бланширование, варка, сушка и др.), что требует интенсификации и рационального расхода теплоносителя для соответствующих технологических процессов [2].

Для производства варено-сушеных круп, картофеля и овощей (моркови, свеклы) при получении пищевых концентратов изучено влагопоглощение и влагоудаление растительными продуктами в процессах влаготепловой обработки при различных технологических режимах подачи потоков теплоносителя, жидкости и гидродинамических режимах слоя продукта [1, 2].

На основе выполненного сравнительного эксергетического анализа изменения эксергетических потоков различных аппаратурно-технологических схем переработки растительного сырья для оценки энергетической эффективности разрабатываемых технологий предложено использовать величины удельных эксергетических затрат на единицу готового продукта (кДж/т), единицу влагоудаления и влагоприращения (кДж/(кг×%)), а также, эксергетического КПД и эксерго-экономического показателя [2].

Интенсификация влаготепловой обработки круп, картофеля, плодов и овощей имеет значительные сложности вследствие нестабильности процесса. Это связано с неоднородностью качества сырья (различные виды, сорта, влажность и т.д.), изменением гранулометрического состава, постоянным колебанием объема слоя продукта. Данные факторы снижают пропускную способность на стадии производства, повышают продолжительность влаготепловой обработки, способствуют дополнительным энергетическим затратам и эксергетическим потерям [6, 7].

Для решения задачи интенсификации влаготепловой обработки возможно использование попеременного тепловлажностного воздействия на частицы растительного сырья на основе кинетических закономерностей технологического процесса [2, 8, 9].

Процесс влаготепловой обработки крупяных продуктов имеет отличительные особенности. Создание прерывистого подвода влаги и теплоты способствует при наиболее полной клейстеризации крахмала снижению диффундирования полисахаридов в водную фазу и предотвращению превышения внутриклеточного давления по сравнению с пределом прочности клеточных стенок при разрыве. При варке это снижает образование клейстера на поверхности крупинок и их комкование. Обеспечение импульсного подвода теплоносителя способствует периодическому созданию пленки жидкости на поверхности частицы, что предотвращает их переувлажнение и способствует равномерной обработке круп [2].

Следует отметить, что при термовлажностной обработке зерна и зерновых продуктов в оборудовании, работающем под давлением, частицы сырья, например, рисовой крупы, приобретают плотное строение из-за специфических особенностей протекания клейстеризации крахмала и денатурации белка. При этом влага прочно связывается с материалом и при дальнейшей сушке приходится затрачивать теплоту не только на нагрев материала и испарение влаги, но и на преодоление связи влаги с материалом. Дополнительный расход теплоты в этом случае составляет 15…20 % общего количества, идущего на испарение влаги.

Изучение кинетических закономерностей конвективной сушки пищевого растительного сырья на основе использования периодического теплоподвода рассматривалось с учетом необходимости  использования «мягких» температурных и «щадящих» режимов перемещения продукта при максимальном сохранении формы частиц обрабатываемого продукта, а также получения готового продукта высокой пищевой ценности и снижения удельных энергозатрат [2].

Для этого исследовались структурно-механические, физико-химические, теплофизические, электрические и микробиологические свойства изучаемых объектов.

После периода прогрева последующие стадии обработки продукта и многоступенчатой сушки осуществлялись при пульсационных режимах подачи теплоносителя. Слой пронизывался на газораспределительной решетке восходящим потоком теплоносителя и тепловое воздействие использовалось со ступенчатым характером изменения скорости и температуры.

В результате исследований процесса влаготепловой обработки пищевого растительного сырья отмечено, что пульсационный режим подвода теплоносителя и жидкости  позволяет обеспечить периодическое воздействие теплоты на частицы дисперсного материала и снизить расход теплоносителя, способствует лучшему тепло- и массообмену за счет интенсивного обновления межфазной поверхности, сокращению продолжительности обработки, повышению эффективности использования энергетического потенциала теплоносителя и качества готового продукта [1-4, 6-9].

Для производства варено-сушеных круп предложена энергосберегающая технологическая схема, предусматривающая контрольные поверхности комбинированного варочно-сушильного процесса при атмосферном давлении 1, предварительной гидротермической обработки (ПГТО) сырья 2 и подогрева теплоносителя 3 (рисунок).

Рисунок – Энергосберегающая технологическая схема стадий производства варено-сушеных круп

Предлагаемая технологическая схема предусматривает осциллированные технологии ПГТО, варки и сушки крупы с использованием разработанного комбинированного варочно-сушильного оборудования, а также плющение крупы в зависимости от вида готового продукта. Процесс варки круп осуществляется при осциллирующих подачах пара и распыливаемой над слоем сырья воды, а процесс сушки зернопродуктов при пульсационном цикле подачи теплоносителя в импульсном псевдоожиженном слое продукта.

Отличительным признаком разработанных технологий производства сушеного и варено-сушеного готового продукта является последовательное осуществление варки и сушки растительного продукта в одной и той же рабочей камере 1 оборудования.

Особенностью предложенных ресурсосберегающих технологий является использование периода прогрева продуктов переработки зерна, круп, картофеля, плодов и овощей для осуществления варки сырья и получение быстровосстанавливаемых сушеных изделий. При этом в качестве теплоносителя применялся отработанный после сушки перегретый пар, который доувлажнялся до состояния насыщения.

Замкнутый цикл использования теплоносителя в схеме достигается за счет применения для варки крупы вторичного пара, отработанного после сушки, подогрева этим паром воды, распыливаемой над слоем крупы в процессе варки, направления после варки крупы неиспользованного пара, доувлажняемого до состояния насыщения, на стадию ПГТО для нагрева воды, а также рециркуляцией теплоносителя при сушке продукта, способствующих повышению степени использования эксергии при наиболее полной полезной утилизации его тепла на различных технологических стадиях производства.  Это позволяет сэкономить на стадиях ПГТО и варки, например, при переработке 1т исходной рисовой крупы в варено-сушеную крупу, около 230 кг пара.

Для определения наиболее полной информации на всех стадиях переработки сырья были составлены тепловые и эксергетические балансы тепломассообменных процессов, а также выполнена тепловая и эксергетическая оценки явлений тепло- и массопереноса с учетом различных температур и влажности материальных потоков на отдельных технологических стадиях.

Полезная составляющая эксергии при сушке, например, варено-сушеной рисовой крупы с промежуточным плющением и подогревом продукта составляет 17,791%, при тепловом анализе полезная составляющая теплоты – 78,943%, суммарные потери эксергии – 82,209%, теплоты – 21,057%. Следовательно, эксергетический показатель более «жестко» оценивает с качественной стороны степень эффективного использования энергетического потенциала теплоносителя и тепловых потоков энерготехнологической системы.

Для повышения эксергетического к.п.д. аппаратурно-технологических схем производства крупяных концентратов эффективно применять энергетические потоки с высокими термодинамическими показателями. Однако при этом накладываются ограничения, обусловленные влиянием температуры теплоносителя на осуществление отдельных стадий схемы и, как следствие, на качество готового продукта.

Выполненные исследования показали, что для рационального использования вторичных энергоресурсов при сушке и переработке дисперсного пищевого растительного сырья основными условиями достижения энергосбережения являются соответствие каждой стадии технологий кинетическим закономерностям обработки продукта и балансовым соотношениям, наиболее полное использование скрытой теплоты фазовых превращений теплоносителя при осуществлении процесса, а также гидродинамических и тепловлажностных условий отдельных стадий технологической обработки изменяющимся состояниям и свойствам продукта с исключением возможности снижения качества продукта на каждой стадии технологий.

Сравнительные тепловые и эксергетические анализы энергетических потоков известных и предлагаемых различных технологических процессов и аппаратурно-технологических схем, например, производства варено-сушеных круп, сушеных картофеля, моркови, столовой свеклы, яблок и других видов пищевого растительного сырья, а также их термодинамических КПД и удельных эксергетических показателей позволили определить наиболее слабые, по использованию теплоты, технологические участки производства и предложить пути повышения эффективности использования теплоносителя, направления совершенствования технологий переработки растительного сырья и их аппаратурного оформления [2, 10-15].

Литература

1. Калашников, Г.В. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов / Г.В. Калашников, А.Н. Остриков. – Воронеж: ВГУ, 2001. – 355 с.
2. Калашников, Г.В. Развитие процессов влаготепловой обработки пищевого растительного сырья (теория, технология и техника): дис. ... докт. техн. наук. – Воронеж, 2004. – 365 с.
3. Калашников, Г.В. Оценка тепловой эффективности технологической схемы производства яблочных чипсов и сушеных плодов / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2014. – № 3. – С. 11-17.
4.  Калашников, Г.В. Тепловой анализ ресурсосберегающей линии производства фруктовых чипсов / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2014. – № 4. – С. 12-16.
5. Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут, Р. Петела. – М.: Энергия, 1968. – 278с.
6. Калашников, Г.В. Анализ эксергетических затрат влаготепловой обработки картофеля, круп и овощей при производстве пищеконцентратов // Вестник ВГТА. – 2006. – № 11. – С. 51-60.
7. Калашников, Г.В. Решение задач ресурсосбережения производства сушеных плодов и овощей / Г.В. Калашников, О.В. Черняев // Инновационные решения при производстве продуктов питания из растительного сырья: сборник научных статей и докладов II Международной  научно-практ. конф. – Воронеж: «Научная книга», 2016. – С. 292-297.
8. Калашников, Г.В. Интенсивность влаготеплового воздействия при осциллированной влаготепловой обработке сыпучих продуктов / Г.В. Калашников, В.Е. Добромиров // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2009. – № 1. – С. 39-44.
9. Остриков, А.Н. Основные закономерности тепло- и массообмена в процессе сушки пищевого растительного сырья перегретым паром / А.Н. Остриков, Г.В. Калашников, С.А. Шевцов // Изв. Вузов. Пищевая технология. – 2014. – № 4. – С. 87-93.
10. Калашников, Г.В. Ресурсосберегающая машинно-аппаратурная схема линии переработки плодов и овощей / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: Материалы международной научно-техн. конф. – Воронеж: ООО «Диамант-принт», 2014. – Т. 2. – № 3-4. – С. 431-435.
11. Калашников, Г.В.  Комбинированная конвективно–СВЧ сушка сырья в линии производства плодоовощных чипсов / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе: сборник научных статей. – Курск: ЗАО «Университетская книга», 2015.– С. 162-164.
12. Калашников, Г.В. Линия производства сушеных яблок, груш, моркови, тыквы и чипсов / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2015. – № 4. – С. 28-32.
13. Калашников, Г.В. Сушилка термолабильного пищевого растительного сырья непрерывного действия / Г.В. Калашников, О.В. Черняев // Инженерия техники будущего пищевых технологий: Материалы Международной научно-техн. конф. – Воронеж: ВГУИТ, 2018. – С. 95-98.
14. Калашников, Г.В.  Энергоэффективное технологическое оборудование для сушки растительного сырья / Г.В. Калашников, О.В. Черняев // Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе: Материалы международной научно-практ. конф. –  Воронеж: ВГАУ им. Императора Петра I, 2018. – С. 85-89.
15. Роторная сушилка: пат. 2647557 Рос. Федерация: F26 В 15/04 / Калашников Г.В., Черняев О.В.; заявл. 12.05.2017; опубл. 19.03.2018, Изобретения. Полезные модели. – 2018. – № 8.

Калашников Г.В., д-р техн. наук, профессор
Воронежский государственный университет инженерных технологий,
г. Воронеж
 

---