Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СВЧ-СУШКИ ТОПИНАМБУРА

Изобретение относится к сушке сельскохозяйственных продуктов и может быть применено в сельском хозяйстве и в медицинской промышленности.

Известен способ сушки сельскохозяйственных продуктов путем их нагрева СВЧ-энергией до 70-90°С в герметичной вакуумной камере и сушки до достижения продуктом влажности 9-13% (см. описание изобретения к патенту РФ №2151984, МПК F26B 3/347, публикация 27.06.2002).

Недостатком известного способа является низкое качество получаемого продукта из-за высокой температуры сушки.

Известен способ сушки топинамбура, который включает нагревание топинамбура в микроволновой печи под вакуумом, при температуре 50-60°C. Нагревание происходит в течение 3-4 часов. Способ позволяет повысить качество получаемого сухого продукта из клубней топинамбура в результате наиболее полного сохранения в продукте биологически активных веществ и снизить вероятность локального перегрева и подгорания.

Клубни топинамбура подготавливают путем отделения налипшей земли, мойки до удаления загрязнений, ополаскивания загрязнений под душем и инспекции, закладывают в микроволновую печь целыми или в виде ломтиков.

Посредством насоса создают вакуум при остаточном давлении 120-150 мм рт. ст. и отсасывают пары влаги.

Сушку проводят до остаточной влажности 6-10% или до остаточной массы продукта 20-30% от первоначальной (Патент РФ №2280989).

Этот способ наиболее близок к заявляемому и принят за прототип.

Недостатки известного способа - неравномерность сушки по высоте слоя и энергоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение качества сушки и снижение энергоемкости процесса.

Поставленная техническая задача достигается тем, что, в способе СВЧ-сушки топинамбура, заключающимся в том, что клубни моют, нарезают, закладывают в печь, нагревают до 50…60°C, сушат до остаточной влажности 6…10%, пары влаги удаляют, согласно изобретению, нарезанные клубни закладывают слоем высотой, не превышающей половины глубины проникновения СВЧ-потока, пары влаги удаляют свободной конвекцией, а длительность сушки рассчитывают по:

где

A - экспериментальный коэффициент, A=1,02;

θ_пд, θ₀ - предельно допустимая и начальная температура топинамбура, °C;

с - теплоемкость, кДж/кг·°C;

в - глубина проникновения СВЧ-потока, м;

α_э - эквивалентный коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции, Вт/м²·°C;

f - удельная поверхность частицы топинамбура, м²/кг;

h₀ - определяющий размер частицы топинамбура, м;

η - доля теплоты, пошедшей на испарение свободной влаги.

Способ поясняется чертежом, на котором приведена схема СВЧ-печи.

СВЧ-печь включает 1 - корпус, 2 - поддон, 3 - привод, 4 - ролики, 5 - пульт управления, 6 - волновод и 7 - решетку. На схеме также приведен материал 8 и пары влаги 9.

Устройство работает следующим образом.

Нарезанные клубни топинамбура, например, на кубики 6×6×6 мм (8) размещают на поддоне 2 высотой слоя, не превышающей половины глубины проникновения СВЧ-потока - (для данного класса материала в=6,3; 4,4 и 2,1 см при частотах СВЧ 433; 915 и 2450 МГц соответственно) (Рогов И.А., Некрутман С.В., Лысов Г.В. Техника сверхвысокочастотного нагрева пищевых продуктов. - М.: Легкая промышленность. - 1981. - 37 с.).

Корпус 1 печи закрывают, на пульте управления 5 устанавливают рассчитанное время обработки, поддон приводят в движение, включают привод 3, волновод 6 и вентилятор 7. По окончании сушки поддон разгружают, материал охлаждают и отправляют на дальнейшую обработку.

Для реализации предложенного способа могут быть использованы СВЧ-печи различной мощности, например «Электроника 2000» (РФ), PPS-2,5 (США) (Рогов И.А., Некрутман С.В., Лысов Г.В. Техника сверхвысокочастотного нагрева пищевых продуктов. - М.: Легкая промышленность. - 1981. - С. 96-98).

Способ осуществляют следующим образом. Материал загружают, нагревают, сушат и разгружают. При высоте слоя, превышающей половину глубины проникновения СВЧ-потока - , возрастает неравномерность высушенных частиц материала в связи с ослаблением интенсивности СВЧ-излучения, одновременно возрастает длительность процесса и его энергоемкость при досушке. Производительность установки при этом снижается пропорционально высоте слоя. Повышенная неравномерность сушки обусловлена ослаблением интенсивности СВЧ: на глубине в сокращается в два раза.

В связи с незначительным количеством высушиваемого материала практически сразу он нагревается до предельно допустимой температуры θ_пд 50…60°C, возникает интенсивная турбулентная конвекция испаренных паров, которые удаляются через решетку 7, а следовательно, в отсосе паров под вакуумом необходимости нет.

Расчет длительности СВЧ-сушки выполнен на основе приближенных математических моделей теплопереноса, аналогичных конвективной сушке, но при этом учтен быстрый и объемный нагрев частицы до предельно допустимой температуры θ_пд и принят градиент температуры ΔT=const на всем протяжении процесса.

Для расчета длительности сушки оценим допустимое теплосодержание частицы топинамбура, которое при известной величине предельно допустимой температуры нагрева θ_пд≈60°C составит:

где с - теплоемкость, кДж/кг·°C;

G - масса, кг.

Эту величину можно представить в виде:

где α_э - эквивалентный коэффициент теплоотдачи, Вт/м·°C;

τ₀ - длительность сушки;

θ₀ - начальная температура частицы,°C;

F - теплообменная поверхность частицы (с учетом перекрестного воздействия СВЧ-лучей принимаем где F_п - полная поверхность частицы), м²;

η - доля теплоты, затраченной на испарение свободной влаги, ΔU=U_н-U_кр; U_н, U_кр - начальное и критическое влагосодержание, кг/кг;

r - удельная теплота испарения влаги, кДж/кг.

Приравняв правые части выражений (1) и (2), получим:

где α_э=α_с+α' (α' - составляющая теплоотдачи от СВЧ-потока);

f - удельная поверхность частицы, , м²/кг;

а для слоя высотой

(4)

где h₀ - определяющий размер частицы топинамбура, м;

A - экспериментальный коэффициент, учитывающий ослабление СВЧ-лучей.

Величину τ можно определить, предварительно вычислив α_с из Nu=0,5(GrPr)^0,25, где Nu, Gr, Pr - числа Нуссельта, Грасгофа и Прандтля: Pr=0,7; θ_с=θ_пд-θ_ср; ν - кинематическая вязкость, м²/с; λ₀ - теплопроводность среды, Вт/м·°C (Теория тепломассобмена // Под редакцией Леонтьева А.И. - М.: Высшая школа, 1979. - С. 328-331).

Пример.

При выводе выражений для расчета времени СВЧ-сушки был принят ряд допущений. Для подтверждения адекватности полученных выражений проведены экспериментальные исследования СВЧ-сушки топинамбура.

В экспериментальной СВЧ-установке VT-1650 мощностью 0,7 кВт, частотой 2450 МГц высушивали нарезанный на кубики 6×6×6 мм топинамбур в тонком слое h≈1,2 см от влажности 83% до 10%. Для сравнения высушивали также кубики при конвективной сушке при скорости агента сушки 0,5 м/с. Каждые 10…20 мин замеряли влажность и температуру материала.

При конвективной сушке продували слой материала на решетке подогретым воздухом с температурой 60°C, а при СВЧ-сушке поддерживали температуру материала равной 60°C (периодическим отключением напряжения, подаваемого на установку), пары влаги удалялись при естественной конвекции через решетку 7.

Установлено, что как при СВЧ-сушке, так и при вынужденной конвекции кривые СВЧ-сушки имеют общую конфигурацию с кривой конвективной сушки, а кривые температуры существенно различаются, что в значительной степени обусловливает интенсивность СВЧ-сушки (длительность СВЧ-сушки - 27 ч, конвективной - 5 ч).

Погрешность определения τ по (4) не превышает 15% при эффективном значении λ_э=0,30, α_э=12 и . При СВЧ-сушке содержание инулина в топинамбуре не снизился, а при конвективной - снизился на 15%. Величина A=0,7.

Эффективность способа обусловлена качеством полученного продукта и энергосбережением, так как длительность процесса снизилась ~ в 2 раза.