Исследование влияния характеристик отражателя на процесс сушки пищевых продуктов

Введение. Сушка представляет собой эффективную технологию консервирования пищевых продуктов. При использовании инфракрасных ламп одним из недостатков является неравномерность нагрева продукта по поверхности лотков, что вызывает перегрев
в одной части лотка и недосушивания в другой части. Исследованиям в данной области уделяется мало внимания, поэтому поиск способов обеспечения равномерного нагрева лотков с продуктом при инфракрасной сушке является актуальной задачей.

Цель. Подбор геометрических характеристик отражателя для обеспечения более равномерного нагрева лотка с продуктом при инфракрасной сушке.

Материалы и методы. С помощью программы TracePro была смоделирована оптическая система подвода теплоты и исследовано распределение плотности потока теплового излучения по поверхности лотка. Был смоделирован источник излучения в виде цилиндрической инфракрасной лампы, диаметром 10 мм, длинной 400 мм и лоток с сырьем, размером 400х400 мм. Анализ траектории движения лучей проводили при количестве лучей 50 000.

Результаты. Подобраны параметры параболического излучателя: фокусное расстояние рефлектора 70 мм, глубина рефлектора 200 мм, расстояние между лотком и лампой 152 мм. Основными параметрами параболического отражателя является фокусное расстояние и глубина. Последняя характеристика была выбрана в 200 мм чтобы максимально сохранить весь поток излучения от лампы, направив его на лоток. Эксперименты по инфракрасной сушке винограда с использованием подобранного отражателя и без него показали, что без использования отражателя влагосодержание в продукте, расположенном на периферии, несколько выше, чем в ягодах, расположенных по центру лотка. При использовании отражателя эта разница существенно меньше. Таким образом, моделированный отражатель позволяет снизить разницу во влагосодержании сухого продукта, расположенного на периферии и в центре лотка.

Выводы. Предложенная в работе конструкция отражателя обеспечивает более равномерный нагрев продукта по всей площади лотка. Проведены эксперименты по сушке ягод винограда, подтверждающие результаты расчетов. Возможным направлением дальнейших исследований может быть исследование распределения светового потока в отражателях другой конструкции для обеспечения оптимальной равномерности падения световых лучей на площадь лотка при возможно наименьшем размере сушильной камере и наименьшим потерям энергии излучателя в окружающую среду.

1. Афонькина, В. А. (2012). Теоретические аспекты обоснования выбора пленочных ИК – излучателей для сушки термолабильных культур. Вестник Челябинской государственной агроинженерной академии, 62, 5-9.

2. Ермолаев, В. А., & Расщепкин, А. Н. (2009). Определение температур вакуумной сушки твердых сыров. Сыроделие и маслоделие, (4), 44-45.

3. Завалий, А. А., & Янович, И. В. (2010). Влияние формы отражающих поверхностей на равномерность облучения продукта сушки в инфракрасной сушильной камере. Харчова наука і технологія, (4), 91-95.

4. Зудин, Е. С., Попов, Е. С., & Афонькина, В. А. (2017). К Вопросу об инфракрасной сушке макаронных изделий. В Актуальные проблемы энергетики АПК: Материалы VIII международной научно-практической конференции (с. 89-92). Саратов: Саратовский ГАУ.

5. Просеков, А. Ю., Ермолаев, В. А., & Солдатова, Л. С. (2010). Аминокислотный состав сыров до и после вакуумной сушки. Сыроделие и маслоделие, (1), 30-31.

6. Черевко, А. И., Киптелая, Л. В., & Киптелая, А. Н. (2015). Разработка ИК-сушилки с оптимальной формой камеры. Технологический аудит и резервы производства, (3), 4-9.

7. Aboltins A., Palabinskis, J., & Vartukapteinis, K. (2017). Studies of berry drying process in infrared film dryer. In Proceedings of the international scientific conference Latvia University of Agriculture (pp. 1515-1520). Latvia: Latvia University of Agriculture. https://doi.org/10.22616/ERDev2017.16.N341

8. Aboltins, A., & Palabinskis, J. (2017). Studies of vegetable drying process in infrared film dryer. Agronomy Research, 15(2), 1259-1266.

9. Adak, N., Heybeli, N., & Ertekin, C. (2017). Infrared drying of strawberry. Food Chemistry, 219, 109-116. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2016.09.103

10. Baptestini, F. M., Correa, P. C., Oliveira, G. H. H. D., Botelho, F. M., & Oliveira, A. P. L. R. D. (2017). Heat and mass transfer coefficients and modeling of infrared drying of banana slices. Revista Ceres, 64(5), 457-464. https://doi.org/10.1590/0034-737x201764050002

11. Chen, J., Yang, L., Zhang, Z., Wei, J., & Yang, J. (2017). Optimization of a uniform solar concentrator with absorbers of different shapes. Solar Energy, 158, 396-406. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.09.061

12. Ermolaev, V. A. (2018). Research of vacuum drying peculiarities of wild berries. Biointerface Research in Applied Chemistry, 8(4), 3483-3489.

13. Ermolaev, V. A. (2020). The study of the microstructure of cheese before and after vacuum drying. Biointerface Research in Applied Chemistry, 10(4), 6007-6014. https://doi.org/10.33263/BRIAC104.007014

14. Ermolaev, V. A., Kechkin, I. A., Romanenko, A. I., Buzetti, K. D., Ivanov, M. V., & Makhacheva, E. V. (2021a). Study of temperature regime effect on the process of cheeses vacuum drying. Earth and Environmental Science, 640, Article 032040. https://doi:10.1088/1755-1315/640/3/032040

15. Ermolaev, V., Kechkin, I., Makhacheva, E., Yakovchenko, M., Gurkovskaya, E., & Glebova, I. (2021b). Selection of effective technological parameters for vacuum drying of hard cheeses. Earth and Environmental Science, 659, Article 012064. https://doi:10.1088/1755-1315/659/1/012064

16. Grdzelishvili, G., & Hoffman, P. (2012). Infrared drying of food products. Prague: Czech Technical University in Prague.

17. Popov, V., Afonkina, V., Levinskii, V., Zudin, E., & Krivosheeva, E. (2019). Designing the infrared drying machines of cylindrical type with an active reflector. Earth and Environmental Science, 403(1), Article 012008. https://doi.org/10.1088/1755-1315/403/1/012008

18. Rasane, P. (2016). Recent advances in conventional drying of foods: A review. Journal of Food Technology and Preservation, 1, 24-34.

19. Sakare, P., Prasad, N., Thombare, N., Singh, R., & Chandra, S. (2020). Infrared Drying of Food Materials: Recent Advances. Food Engineering Reviews, 12, 381-398. https://doi.org/10.1007/s12393-020-09237-w

20. Samani, B. H., Gudarzi, H., Rostami, S., Lorigooini, Z., Esmaeili, Z., & Jamshidi-Kia, F. (2018). Development and optimization of the new ultrasonic-infrared-vacuum dryer in drying Kelussia odoratissima and its comparison with conventional methods. Industrial Crops and Products, 123, 46-54. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.06.053

21. Si, X., Chen, Q., Bi, J., Wu, X., & Li, Z. (2016). Effect of infrared drying on the drying characteristics, quality and antioxidant activity of raspberry. Journal of food process engineering, 16, 157-164. https://doi.org/10.16429/j.1009-7848.2016.09.022

22. Tysén, A., Vomhoff, H., & Nilsson, L. (2018). Through air drying assisted by infrared radiation: the influence of radiator power on drying rates and temperature. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 33(4), 581-591. https://doi.org/10.1515/npprj-2018-2002

23. Verspeek, S., Ribbens, B., Maldague, X., Steenackers, G. (2020). Optimisation of a heat source for infrared thermography measurements: Comparison to mehler engineering service-heater. Applied Sciences, 10(4), Article 1285. https://doi.org/10.3390/app10041285

24. Waghmare, S. A., & Gulhane, N. P. (2016). Design and ray tracing of a compound parabolic collector with tubular receiver. Solar Energy, 137, 165-172. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.08.009

25. Xie, L., Mujumdar, A. S., Fang, X. M., Wang, J., Dai, J. W., Du, Z. L., Xiao, H. W., Liu, Y., & Gao, Z. J. (2017). Far-infrared radiation heating assisted pulsed vacuum drying (FIR-PVD) of wolfberry (Lycium barbarum L.): Effects on drying kinetics and quality attributes. Food and Bioproducts Processing, 102, 320-331. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2017.01.012

26. Yan, J. K., Wu, L. X., Qiao, Z. R., Cai, W. D., & Ma, H. (2019). Effect of different drying methods on the product quality and bioactive polysaccharides of bitter gourd (Momordica charantia L.) slices. Food Chemistry, 271, 588-596. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2018.08.012