PROIECT OIA

5/14/2018 PROIECT OIA - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/proiect-oia 1/31

USCAREA. PROCESE SI TEHNOLOGII DE USCARE APRODUSELOR AGRO-ALIMENTARE. ELEMENTE DE CALCUL

Uscarea este una dintre cele mai vechi operaţii unitare aplicată de umanitate. De-a lungulmiilor de ani oamenii au uscat sau au şi afumat carnea, peştele, fructe sau legume, pentru a le

păstra pentru consum în perioadele friguroase ale anului. Astazi operaţia de uscare este intensfolosită în industria alimentară atât din cauza creşetrii populaţiei, cât şi din cauza cererii din

partea armatei. În acealşi timp această operaţie s-a diversificat de la simpla uscare cu aer caldsau la soare, până la uscarea prin atomizare sau prin liofilizare. Există la ora actuală omultitudine de alimente deshidratate care sunt produse şi comercializate de industriaalimentară. Termenul de uscare poate fi folosit în sens mai larg sau mai restrâns. În sens mairestrâns şi în acord cu definiţia clasică a uscarii, aceasta este operaţia unitară prin careumiditatea din materiale solide sau lichide este îndepărtată cu ajutorul unui agent de uscare

gazos care are rolul de a furniza, total sau parţial, căldura necesară evaporării lichidului şide a evacua vaporii formaţi. În sens larg, uscarea poate deveni echivalentă şi cu deshidratareareferindu-se la îndepărtarea celei mai mari cantităţi de apă dintr-un aliment sau dint-o materie

primă alimentară prin evaporare, sublimare sau prin alte procedee termice sau chiar mecanice, dacă ne referim la centrifugare. După definiţia dată de Barbosa-Canovas şi Vega-Mercado (1996) un aliment este considerat deshidratat dacă nu conţine mai mult de 2.5% apă,în timp ce un alimentat uscat poate conţine mai multă umiditate decât 2.5%.

Motivul principal al uscării alimentelor este extinderea duratei de păstrare a acestora.Prin reducerea umidităţii se reduce şi activitatea apei la acel nivel la care se inhibă creştereamicroorganismelor dăunătoare. De asemenea, se reduce corespunzător şi activitateaenzimatică şi viteza de producere a unor reacţii nedorite. Pentru a menţine scăzută activitatea

apei este necesară şi împachetarea corespunzătoare a alimentelor uscate. În acelaşi timp prinuscare se reduce şi masa produsului, ca şi volumul acestuia. Aceste aspecte pot contribui înmod esenţial la reducerea costurilor de tranport şi de depozitare şi în unele cazuri şi acosturilor de împachetare. Nu trebuie uitat faptul că operaţia de uscare este mareconsumatoare de energie în comparaţie cu alte metode de conservare. Totodată, pot apare şimodificări ale proprietăţilor alimetelor, ceea ce poate constitui o pierdere a calităţilor acestora. Când alimentele sunt rehidratate culoarea şi textura lor pot fi complet diferite decele ale alimentelor prospete. Prin uscare se mai pot pierde aromele, prin volatilizare, sau potapare arome nedorite din cauza prelucrării termice în timpul operaţiei. Se mai poate reduce şivaloarea nutriţională a alimentului şi a conţinutului vitaminelor cum ar fi A şi C.

Uscarea poate fi considerată o operaţie dublă de transfer termic şi de transfer de masă.

În prima etapă a uscării apa din aliment trebuie evaporată. Cea mai utilizată metodă este ceade trecere a unui curent de aer cald peste aliment. Căldura se va transfera prin convecţie de laaer către suprafaţa alimentului şi prin conducţie în interiorul alimentului. Se mai poate utilizaşi uscarea prin contact direct al alimentului cu o suprafaţă caldă. În acest caz pot fi folosite casurse de încălzire radiaţiile electromagnetice de diverse tipuri cum ar fi radiaţiile infraroşii,microundele sau undele radio.

În procesul de uscare este important să se cunoască mecanismul de transport al apeiatât în interiorul alimentului, cât şi la suprafaţa acestuia. Deplasarea apei poate fi o consecinţăa forţelor capilare, a difuziei datorate unui gradient de concentraţie, a difuziei de suprafaţă, adifuziei vaporilor de apă prin pori umpluţi cu aer, a curgerii din cauza unui gradient de

presiune sau a vaporizării şi condensării.

Liofilizarea, după cum s-a arătat deja, constă din îngheţarea alimentului şi sublimarea gheţiiformate la presiune mică. În uscarea osmotică, bucăţile de aliment sunt introduse în soluţiihipertonice. Apa se va deplasa din aliment în soluţie din cauza presiunii osmotice.



Mecanismul uscării

Când un material umed este uscat cu un curent de aer cald, căldura se transferă la suprafţamaterialului prin convecţie. Vaporii care se formează sunt transportaţi de curentul de aer

departe de suprafţa materialului. Pentru a obţine curbele uscării se poate lucra în condiţiiconstante sau variabile de uscare. În primul caz parametrii agentului de uscare nu variază înurma trecerii prin sau peste materialul supus uscării. Acest mod de lucru se poate realiza

practic lucrând la debite mari de aer cald şi cu strat de material supus uscării de grosime mică.În aceste condiţii după trecerea aerului peste sau prin strat conţinutul său de umezeală şitemperatura sa rămân constante. Dacă se reprezintă variaţia conţinutului de umiditate liberăîn timp se obţine o curbă de uscare, care poate arata ca în figura:

Fig. Curbă de uscare (variaţia conţinutului de umiditate liberă în timp)

Viteza de uscare este proporţionlă cu variaţia umidităţii în timp. Dacă se reprezintăviteza de uscare în funcţie de timp sau de umiditatea liberă a materialului atunci se observămai bine porţiunile din care este alcătuită curba de uscare.

Fig. Curbe ale vitezei de uscare în funcţie de timp sau de conţinutul de umiditate liberă.



Procesul de uscare poate fi descris ca având mai multe perioade în care viteza de uscare joacă un rol cheie. Punctele A si A ' reprezintă punctele iniţiale pentru un material rece şi,respectiv, un material cald la începutul procesului de uscare. Punctul B reprezintă atingereaechilibrului temperaturii la suprafaţa materialului. Durata de timp între puctele A şi B fiindmică nu se ia în calcul când se determină durata uscării. Porţiunea BC a curbelor de uscare

este cunoscută ca fiind perioada de uscare cu viteză constantă şi este asociată cu îndepărtareaapei nelegate din material. În această etapă a uscării apa se comportă ca şi când solidul nu ar fi prezent în sistem. Iniţial suprafaţa produsului este foarte udă, activitatea apei fiind apropiatăde 1. Într-un solid poros apa îndepărtată în această etapă de pe suprafaţă este compensată decurgerea apei din interiorul solidului către suprafaţă. La o valoare critică a umidităţiicorespunzătoare punctului C această etapă ia sfârşit. Temperatura de la suprafaţa produsuluicorespunde aproximativ temperaturii termometrului umed. Prima perioadă de vitezădescrescătoare începe din punctul C, procesul fiind guvernat de transferul de masă în fazagazoasă şi de curgerea apei din interiorul materialului. Umiditatea corespunzătoare punctuluiC este cea la care apare prima porţiune de suprafaţă uscată a materialului. Activitatea apei lasuprafaţă devine mai mică decât 1. În punctul D întreaga suprafaţă a materialului este uscată,

din acest punct începând a doua perioadă de viteză descrescătoare, frontul de evaporaredeplasându-se spre interiorul materialului. Căldura necesară îndepărtării umidităţii setransferă prin solid către suprafaţa de evaporare şi vaporii de apă obţinuţi se deplasează prinsolid în curentul de aer care circulă la suprafaţă. În acest caz procesul este controlat de difuziainternă. Cantitatea de apă îndepărtată poate fi foarte mică şi timpul de uscare lung, deoareceviteza de uscare este mică. Valoarea scăzută a vitezei de uscare se poate datora fie uneiinteracţiuni solid-apă, fie unei tranziţii din stare sticloasă în stare elastică. Curbele de uscaresunt specifice fiecărui material şi prezenţa celor trei perioade nu este obligatorie. Pentrualimente comportarea la uscare depinde de porozitate, omogenitate şi de proprietăţilehigroscopice.

Umiditatea materialului se exprima prin raportul intre masa de apa continuta inmaterial si masa corpului uscat:

U = Ma/Musc. (kg umiditate/kg mat.uscat),unde

Ma -este masa de apa din material (kg)

Musc -este masa corpului uscat (kg)

U -este umiditatea aerului (kg/kg)

Uscare cu aer si gaze de ardere

Principiul de functionare al instalatiilor de uscare cu aer sau amestec de aer-gazeconsta in preluarea unei cantitati de umiditate de catre agentul termic de la materialul supususcarii dupa care urmeaza indepartarea totala sau partiala din uscator a agentului termic.



Aerul rece preluat din mediul ambiant de catre ventilatorul 3 este incalzit in bateriade incalzire si circula in contracurent cu materialul supus uscarii absorband o parte dinumiditatea materialului, dupa care e eliminat din uscator. Uneori aerul de uscare se incalzestesuplimentar in camera de uscare cu ajutorul unei surse suplimentare de caldura 2 ce arefluxul de caldura Qs.

Din bilantul material se poate stabili consumul:

Ma1*x1+Mm1*U1= Ma2*x2+Mm2*U2

► Umiditatea evacuata va fi:

ΔU = Ma*(x2-x1)

► Consumul specific de aer este :

l = Ma/ΔU = 1/(x2-x1) (kg aer/kg umiditate)

Bilantul termic teroretic se stabileste in ipoteza lipsei proceselor de caldura in mediulinconjurator, a egalitatii temperaturii de intrare si iesire a materialului supus uscarii si lipseiincalzirii suplimentare in camera de uscare : tm1=tm2, Qs=0, Qext.=0

► Caldura necesara incalzirii aerului este :

Q = Ma*(i1-i0)► Bilantul termic teoretic in camera de uscare este:

Ma1*i1 = Ma2*i2

Daca Ma1= Ma2= Ma rezulta ca i1=i2 adica procesul de uscare se desfasoara la entalpieconstanta



► Consumul specific de caldura este:

q = Q/ ΔU = (Ma*(i1-i0))/ ΔU = l*(i1-i0) sau q = (i1-i0)/ (x2-x1).(kJ/kg umiditate)

Sunt instalatii de uscare in care agentul termic este un amestec de aer si gaze deardere. Temperatura t1 a amestecului este stabilita in conditii tehnologice. Cu o valoarestabilita experimental se calculeaza valoarea excesului de aer si continutul de umiditate alamestecului la intrare in camerele de uscare.

Calculul termic al instalatiei de uscare de tip convectiv in functionarea reala

Acest calcul are scop stabilirea consumului de agent termic si de caldura in stransadependenta cu tehnologia uscarii, parametrii de functionare si tipul instalatiei. Spre deosebirede uscatorul teoretic, la cel real apar surse suplimentare de caldura Qs si pierderi.

■ Pierderile de caldura prin incalzirea materialului supus uscarii intre temp. de intrare-iesire t m1

si t m2:

Qm= Mm2* cm2* tm2- Mm1* cm1* tm1= Mm2* cm2*( tm1- tm2)- ΔU* capa* tm1 (kJ/s). unde

► Mm1 ,Mm2 sunt debitele masice de material la intrare si iesire► cmeste caldura specifica a materialului (kj/kg*k)



► capa este caldura specifica a materialului (kj/kg*k)

► ΔU este diferenta de umiditate intre valoarea initiala si finala raportata la timpul de uscare(kg/s)

■ Pierderile de caldura prin incalzirea utilajului de transport al materilului supus uscarii:

Qm=Mtr * ctr *( ttr2- ttr1) (W) unde

► Mtr este debitul masic al pieselor mobile din instalatia de transport, raportat la timpulde uscare (kg/s)

► ctr este caldura specifica a materialului din care sunt executate piesele instalatiei detransport. (kj/kg*k).

► ttr2, ttr1 - temperatura initiala si finala a pieselor instalatiei de transport (°C).

■ Pierderea de caldura catre mediul exterior : ce rezulta prin masurarea fluxurilor termice

transmise prin peretii camarei de uscare:

Qext. = Σ k *S*Δtm (Kj/s) unde

► S = suprafata peretilor (m2)

► k = coeficient global de transfer de caldura (W/m2*K)

► Δtm = diferenta medie de temperatura intre agentul termic si mediul exterior (°C)

Bilantul termic pentru camera de uscare este:

Ma*i1+QS = Qm+ Qtr. +Qext.+ Ma*i2 (W)

Pentru un kg de umiditate preluata de agentul de uscare bilantul este:l *(i2-i1) = qs-( qm +qtr +qext) (kj/kg) unde:

► l = Ma/ ΔU = consumul specific de aer al instalatiei (kg aer/kg umed)

► qs = Qs/ ΔU = consumul specific suplimentar de caldura dat de bateria suplimentara 2

► Qm/ ΔU = pierderea specifica de caldura a materialului supus uscarii

► qtr = Qtr / ΔU = pierderea specifica de caldura a utilajului de transport

► qext= Qext/ ΔU = pierderea specifica de caldura spre mediul ambiant.

Tinanad cont de expresia pierderii de caldura raportat la materialul uscat care iese dinmaterial:

Daca facem notatia: Δq = qs+capa*tm1-( q'm +qtr +qext)

atunci ecuatia bilantului termic va fi:

► l*(i2-i1)= Δq

dar tinand cont ca l = Ma/ ΔU reprezinta consumul specific de aer;

atunci: l = 1/ (i2-i1)

INSTALATII DE USCARE



Ecuatia bilantului termic pentru camera de uscare este:

Ma*i1+Q s= Qm+Qtr +Qext+Ma*i2 [W] sau

Ma(i2-i1) = Qs-(Qm+Qtr +Qext)

iar pentru 1 kg de umiditate preluat de agentul de uscare se poate scrie:

,

, adica :

l(i2-i1) = qs-(qm+qtr +qext) [kJ/kg] in care s-au introdus notatiile:

→consumul specific de aer a instalatiei [kg aer/kg umid]

→consumul specific suplimentar de caldura [kJ/kg]

→ pierderea specifica de caldura amaterialului supus uscarii [kJ/kg]

→consumul de caldura pentru incalzirea instalatiei detransport

→pierderea de caldura specifica catre mediul exterior alcamerei de uscare

Tinand cont de expresia relatiei lui qm ecuatia bilantului termic specific se scrie:

l(i2-i1) = qS+capa*tm1-

sau: l(i2-i1) = qS+capa*tm1-(q'm+qtr +qext) ,

unde q'm = → consumul specifica de caldura pentru incalzirea

materialului in procesul de uscare [kJ/kg]Se poate face notatia:



► Δq = qs+capa*tm1-(q'm+qtr +qext)

Atunci expresia bilantului termic specific va fi:

► l(i2-i1) = Δq [kJ/kg]

In desfasurarea procesului de uscare pot apare 3 situatii:

a) Δq > 0 adica caldura introdusa suplimentar si cu materialul depasesc suma pierderilor

i2>i1 - entalpia aerului la iesirea din instalatie este mai mare decat la intrarea in procesul real

La fel, temperatura aerului la iesirea din instalatie tD este > decat in cazul procesului teoretictC , adica tD > tC in procesul real si xD > xC

b) Δq < 0 adica caldura introdusa suplimentar nu este suficienta pentru acoperirea pierderilor

i2 < i1, adica entalpia aerului la iesire este mai mica decat la intrarea in procesul real, adica

tD = t2 < tC si xD < xC



c) Δq=0 adica caldura introdusa compenseaza in totalitate pierderile si deci i2 = i1, procesulreal este identic cu cel teoretic

Consumul specific de caldura total al instalatiei de uscare se compune din suma

consumurilor specifice in bateria de incalzire pricipala si in cea secundara.● Consumul specific din bateria principala de incalzire este:

q b = l(i1-i0) [kJ/kg]

● Consumul specific din bateria secundara de incalzire rezulta din:

l(i2-i1) = qs+capa*tm1-(q'm+qtr +qext)

,adica qs = +q'm+qtr +qext-capa*tm1 [kJ/kg]

atunci CONSUMUL TOTAL va fi: qT = qb+qs

● Debitul masic de material rezultat in urma uscarii este:Mm2 = Mm1- ΔU [kg/s] sau [kg/h]

In care umiditatea eliminata este: ΔU =

● Debitul total de aer vehiculat in instalatia de uscare:

L = Ma = l* ΔU [kg/h]

Instalatii de uscare cu recirculare

La acest tip de instalatie de uscare procesul de uscare se efectueaza cu recircularea partiala a agentului de uscare. La iesirea din uscator curentul de aer sau gaze se imparte in 2,o parte se elimina in atmosfera, iar restul reintra in uscator prin bateria de incalzire sau chiar direct in uscator.

n = Mar /Ma



n -factor de recirculare

Mar - debit de aer recirculat

Ma - debit masic aer ce intra in camera de uscare

[kJ/kg]

Procesul de uscare teoretic e reprezentat prin conturul AMB1C

► Consumul de aer aspirat din exterior:

[kg aer/kg umiditate]

► Consumul de aer recirculat:

sau

q = l*(i2-io) [kJ/kg]

La acest tip de uscator avem urmatoarele avantaje:

a) diferente mici de temperatura intre intrarea si iesirea agentului de uscare

b) cresterea vitezei de deplasare a agentului termic prin uscator

c) miscarea consumului de caldura pentru aceleasi valori ale temperaturii aerului la intrareasi iesirea din instalatie

Instalatia de uscare in circuit inchis

1- motoventilator

2- confuzor

3- baterie de incalzire

4- carucior

5- camera de uscare

6- conducta de recirculare

7- racitor (condensator)



A1 -B1 - incalzire in bateria 3

B1 -C1 - uscarea in camera de uscare

C1 -F -racirea aerului in condensator

F -A1 -pe curba φ = 100 are loc condensarea vaporilor de apa din aerul recirculat

● Entalpia aerului la iesirea din bateria principala 3 este data de o relatie semiempirica:

i1 = 1.006*t1+X1*(2500-1.863*t1)

● Umiditatea ce se elimina din material:

[kg/h]

● Debitul specific de aer: [kg aer/kg umid]

● Debitul total de aer :

Ma = L = l*ΔU [kg/h]

●Pierderea specifica de caldura cu incalzirea materialului supus uscarii:

Mm2 = Mm1- U Mm2- debitul masic de material uscat

● Pierderea specifica de caldura cu incalzirea mijlocului de transport:

[kJ/kg]



● Pierderea specifica de caldura catre mediu extern:

[kJ/kg]k - coeficientul global de transfer de caldura

S - suprafata desfasurata a camerei de uscare

Δtm - diferenta medie logaritmica de temperatura intre interiorul si exteriorul camerei deuscare

Daca se introduce si bateria de caldura secundara, atunci:

● Consumul specific de caldura cu baterie secundara este:

Qs = l*(i2-i1)-capa*tm1+(qm+qtr+qext) [kJ/kg]

● Consumul specific de caldura in bateria principala este:

qp = l*(i1-io) [kJ/kg]

● Consumul specific total de caldura din instalatie :

qT = qp+qs [kJ/kg]

● Consumul total de caldura:

QT = qT*ΔU [kJ/h] ; [kW]

● Fluxul de caldura preluat de condesatorul 7:

Qc = Ma*(i2-i0) = L(i2-i0) [kW]

● Debitul apei de racire de la condensator:

mc = Qc/(capa*Δtapa) = [kg/s] ;[kg/h]

Uscarea convectivă a produselor agricole.Forma modernă şi economicăde păstrare şi valorificare

Deshidratarea este unul dintre procedeele principale de conservare a legumelor şi fructelor.În formele sale cele mai simple cum sunt uscarea la soare, în podurile caselor, etc.,deshidratarea legumelor şi fructelor a fost practicată din cele mai vechi timpuri, dar abia după1900 au început sã apară preocupări în direcţia realizării la scarã industrialã a produselor



deshidratate. Problemele principale erau accelerarea procesului de uscare şi independenţa decondiţiile atmosferice. Primele uscãtoare construite au fost cele cu convecţie naturalã, în careagentul de uscare era un amestec de aer cu gaze de ardere, sau numai aer incãlzit. Pornind dela acest tip de uscãtor L.N. Miller a inventat un model nou cu camera de uscare echipatã cuarzãtor pentru combustibil lichid, cu ventilator şi clapete de reglare pentru aer, modelul dupã

care s-au construit cele mai multe uscãtoare în perioada anilor 1910 – 1920. La inceputuldeceniului 60 la University of California s-a concepu construit primul uscãtor cunoscut în prezent sub denumirea de tunel de uscare. In prezent diferitele variante constructive a acestuitip de uscător sunt foarte mult utilizate în întreaga lume pentru deshidratarea produselor agricole. Dezvoltarea domeniului deshidratãrii s-a concretizat în special prin perfecţionareatehnologiilor, a echipamentelor, a conducerii automate a procesului de uscare, ş.a.

Tabelul nr.1

TARAFRUCTE LEGUME

Import(1000 $)

Export(1000 $)

Import(1000 $)

Export(1000 $)

Total Mondial 253.315 268.943 778.495 754.089Europa 115.542 81.178 32.2555 221.107USA 18.885 45.460 78.426 146.546Polonia 812 3.013 849 11.005RepublicaMoldova

31 113 24 3

Romania 309 279 793 449

În tabelul nr.1 sunt prezentate valorile medii anuale (in 1000 $) ale importurilor şiexporturilor de fructe şi legume deshidratate, calculate pentru perioada 1992 – 2002 deFAOSTAT (2004), pentru câteva ţãri, din Europa precum şi totalul mondial. In Romania, in

anul 2004, s-au importat circa 4200 tone legume uscate si circa 2300 tone fructe uscateDeshidratarea la scară industrialã a produselor alimentare, caracterizată prin costuri de

producţie relativ ridicate, este folositã pe scarã largã deoarece produselor finale au greutate şivolum reduse şi se asigurã printr-un control riguros al operaţiilor tehnologice încadrarea înreglementãrile actuale de igienã şi siguranţã alimentarã a produselor alimentare.

În ultimii zece ani, domeniul deshidratãrii legumelor şi fructelor a fost afectat de crizaenergeticã cronică mondialã care a condus la creşterea cotinuă a preţurilor şi o scãdere aofertei, apariţia de noi consumatori de energie, reglementãri din ce în ce mai restrictive

privind poluarea şi evoluţia nivelului de cunoaştinţe tehnico-ştiinţifice. Principalele preocupãri la nivel mondial în domeniul deshidratãrii legumelor şi fructelor din ultimii zeceani au avut ca obiect procesul de uscare şi modalităţile de control al acestuia. Dezvoltarea

tehnicilor de proiectare bi şi tri-dimensionale asistate de calculator (CAD) au permisîmbunãtãţirea proiectãrii şi a fabricãrii echipamentelor de uscare.

Dezvoltarea gradului de cunostinte referitoare al procesele de uscare, concretizate înmodele şi programe de simulare au permis elaborarea de algoritmi evoluaţi pentruconducerea automată proceselor. S-au dezvoltat astfel programe de conducere optimală din ceîn ce mai complexe cu posibilitãţi de achiziţie a datelor şi de estimare a stării procesului întimp real. Acestea au condus la îmbunãtãţirea controlului procesului şi modernizãriiechipamentelor de uscare. Aparatura de mãsurare montată pe uscătoare măsoară în timp real

principalele mărimi care definesc procesul (temperaturi, presiuni, debite, viteze ale agentuluide uscare, umiditãţi, consumuri de energie etc.) care sunt preluate de un calculator de procescare, cu programul de conducere specializat, estimează parametri de stare ai procesului şi

elaborează mărimile de comandă necesare conducerii procesului. Uscătoarele produse in prezent dispun de sisteme de conducere automată performante care în urmã cu douãzeci de



ani erau doar în laboratoare şi erau prohibitive ca preţ în urmã cu zece ani. Cele maisemnificative efecte ale conducerii automate a procesului de uscare care se concretizează înreducerea costurilor specifice de producţie sunt:

- reducerea numãrului de operatori şi a costurilor asociate;- reducerea consumului specific de energie;

- comanda variaţiei turaţiei motoarelor ventilatoarelor şi altor elemente pentruconducerea optimală a procesului de uscareA doua direcţie în care s-a acţionat în ultimii 20 de ani în domeniul deshidratãrii

fructelor şi legumelor este cea de utilizare a surselor neconvenţionale de energie. S-au realizatinstalaţii de uscare care folosesc energia solară, căldura apelor geotermale, instalaţii de

producere a biogazului, instalaţii de ardere a deşeurilor combustibile, gazeificareatermochimică a biomasei etc.

Comparativ cu nivelul mondial în domeniu, în ţara noastrã, datoritã pe de o parteschimbãrilor structurale din agricultură şi din industrie , iar pe de altã parte nivelului scăzutde dotate cu aparatură de măsurare şi conducere automată, a uzurii morale a acestora,domeniul uscãrii legumelor si fructelor a rămas la nivelul anului 1980. Revigorarea acestui

sector este necesară şi posibilă datorită potenţialului agricol al României si cererii în continuãcreştere în comerţul internaţional cu produse deshidratate.În România inainte de 1980 au fost realizate si utilizate cca. 400 de instalaţii de uscare

de tip tunel. In prezent o mare parte au fost demolate, altele au fost dezafectate, iar circa 3..5% mai funcţionează cu dotarea veche. Principalele deficienţe ale acestor instalaţii de uscare,nemodernizate de la momentul construirii lor sunt: uscare neuniformã, controlul empiric alîntregului proces, amestecul aer+gaze de ardere deficitar, câmp de viteze al aerului neuniformîn secţiunea transversalã a tunelului, imposibilitatea reglãrii cantitative a întregului proces;aspecte care determină obţinerea unor produse de calitate slabă cu costuri specifice mari de

productie. Modernizarea a circa 50% din uscatoarele tunel existene ar putea asigura o producţie anuală între 2 şi 4 mil. €. Aceasta este justificată de:

- tendinţa descrescãtoare pe care a avut-o producţia naţională de legume si fructedeshidratate (vezi fig.1) şi implicit reducerea drastică a exportului şi creşterea importuluiacestor produse. Creşterea producţiei interne, reducerea importului şi creşterea vânzărilor

pe piata internă şi a exportului pot conduce la realizarea unor venituri de cel puţin 1,5 – 2milioane € în primii ani, cu efecte sociale notabile.- dezvoltarea activităţilor de modernizare a uscatoarelor existente vor constitui sursesuplimentare de venit, creşterea locurikor de muncă şi nu în ultimul rând creştereanivelului tehnic al personalului de exploatare şi intreţinere a acestor instalaţii moderne.

Productia de fructe si legume in Romania

0

500,000

1,000,000

1,500,000

2,000,000

2,500,000

3,000,000

3,500,000

4,000,000

4,500,000

1 9 8 0

1 9 8 2

1 9 8 4

1 9 8 6

1 9 8 8

1 9 9 0

1 9 9 2

1 9 9 4

1 9 9 6

1 9 9 8

2 0 0 0

2 0 0 2

t o n

Fructe Legumetendinta-fructe tendinta-legume

Fig. 1 Evoluţia producţiei de legume şi fructe în ROMANIA



Tendinţele actuale în utilizarea fructelor şi legumelor uscate

1. Din producţia de fructe se consumă direct circa 15..20%, se pot usca alte 30...50% şirestul se industrializează sub formă de sucuri sau paste, care însă sunt tratate cu conservanţi.

2. Este mai ieftin să se păstreze fructele uscate ambalate în saci de polietilenă latemeperaturi normale, decât fructele şi legumele proaspete în depozitele cu microclimatcontrolat. In prezent se constată o creştere a cererii pe piată a fructelor şi legumelor uscate, elese consumă ca atare sau se introduc din ce în ce mai mult în retetele culinare curente.

3. Este mai ieftin să se păstreze fructele uscate, decât în sub formă de compoturi, gemurietc, care de multe ori nu isi gasesc cumpăratori blocând mult timp capitalul investit.

4. Fructele uscate sunt păstrate în depozit de un producător de produse din fructe. La ocomandă fermă el preia din depozit produsele uscate, le amestacă în conformitate cu reţetacerută, se rehidratează şi se livrează fără conservanţi, fiind deci produse ecologice. Se poatelivra repede şi la un preţ foarte bun. Astfel se valorifică superior produsele uscate.

5. Acelaşi aspect este valabil şi pentru produsele din legume.

Procedee de uscare convectiva pentru fructe şi legume

Pentru uscare fructelor şi legumelor procedeul cel mai utilizat este uscare convectivă cuaer cald.In tabelul2 sunt prezentate principalele tipuri de uscatoare convective.

Tabelul nr.2

Regim de uscare Sarja Semicontinuu Continuu

Tip constructiv

casetăuscătoare tunel

banda sau conveior cameră de uscare pat fluidizat

uscătoare tunel tambur rotativ

Uscare în regim de şarjă:- materialul de uscat este dispus uniform pe casete care sunt stivuite pe

cărucioare sau pe ghidaje;- aerul cald se introduce cu o temperatură reglată automat, constanta, sau mai

mare la început şi mai mică la terminarea uscării;- se măsoară temperatura şi umiditatea la ieşire şi se calculează temperatura

medie la suprafaţa materialului;- se reglează raportul aer exterior/agent termic recirculat pentru controlul

temperaturii la suprafaţa materialului de uscat;- dacă constructiv este posibil, se schimbă periodic sensul de circulaţie a

agentuluide uscare pentru a se obţine o uscare uniformă.

Uscare în regim semicontinuu:- materialul de uscat este dispus uniform pe casete care sunt stivuite pe

cărucioare care se introduc şi se scot periodic;- aerul cald se introduce cu o temperatură reglată automat;



- se măsoară temperatura şi umiditatea agentului de uscare la ieşire şi secalculează temperatura medie la suprafaţa materialului;

- se reglează raportul aer exterior/agent termic recirculat pentru controlultemperaturii la suprafaţa materialului de uscat;

- circulaţia agentului de uscare şi a cărucioarelor se face: în co-curent, în

contra-curent sau mixt.

Fig. 2 Schema unui uscator convectiv cu casete cu circulatie prin strat

Fig. 3 Schema unui uscator convectiv cu casete cu circulatie tangentiala



Uscatoare convective cu casete

In continuare se prezinta diferite tipuri de uscatoare convective cu caseta.

Fig. 4.a Uscător convectiv casnic cu incalzire electrica



Fig. 4.b. Schema functionala a unui uscător convectiv casnic

Fig. 5.a Uscător convectiv de capacitate mica, HARVEST SAVER, cu incalzire electrica



Fig. 5.b Uscător convectiv de capacitate mica, HARVEST SAVER, schema functionala

Fig. 6 Schema functionala a unui uscător de fructe si legume de capacitate mediealimentat cu combustibil gazos, cu regim de functionare in sarja sau semicontinuu



Fig. 7. Uscător convectiv de capacitate medie, cu combustibil gazos

Uscător mobil, modulat pentru legume si fructe

Uscătorul este echipat cu un cazan de apa calda cu putere termică utilă de 60kWt. El este complet automatizat, ceea ce permite uscarea fructelor şi legumelor în regim deşarjă sau semicontinuu de tip tunel.

Pentru a creşte gradul de utilizare al uscătorului acesta este construit în variantamodulată, cu un modul de bază şi module de extindere, ceea ce permite ca suprafaţă utilă

pentru materialul de uscat să poată varia de de la 50 la 150%. Această soluţie permite cautilizatorul să-şi poată adapta uşor uscătorul la specificul programelor de uscare ale diferitelor feluri de fructe şi legume, la regimuri de uscare în şarjă sau semicontinuu, cât si pentru

optimizarea economică a valorificării surselor disponibile de materiale pentru uscare .Uscarea se face convectiv, materialul de uscat este pus pe casete (sertare) de uscarestivuite pe rastele pe roţi, care se introduc în camerele de uscare din modulele de baza aleuscatorului..

Agentul de uscare este produs prin amestecarea aerului recilculat cu aer exterior siincalzirea acestuia cu un schimbator de caldura apa calda-aer, care primeste apa calda cutemperatura medie de 85 8C dintr-un rezervor intermediar de 600 de litri. Agentul de uscareeste aspirat de un ventilator şi trimis în camera de uscare.

Se poate realiza si varianta cu un schimbător de căldură gaze arse – aer cu randamentulminim de transfer de 85%.

Uscătorul este format dintr-un modul de bază în care încap doua rastele la care, înfuncţie de necesităţi se pot ataşa, pentru extinderea camerei de uscare încă patru module incare intra cate un rastel cu casete.



Fig. 8. Schema functionala a unui uscător convectiv de capacitate medie cu încălzireaagentului de uscare cu apa caldă, tip USCMER 30/60

Fig. 9.a Uscător convectiv modulat de capacitate medie tip USCMER 30/60



Fig. 9.b Uscător convectiv USCMER 30/60, camera de uscare

Fig. 9.c Uscător convectiv USCMER 30/60, rastel pe roti si casete de uscare



Fig. 9.d Uscător convectiv USCMER 30/60, casete cu ciuperci pentru uscat

Uscatoare de tip tunel cu regim semicontinuu



Fig. 14.a Uscător de fructe şi legume de tip tunel schema functionala

Fig. 14.b Uscător de fructe şi legume de tip tunel, camera de uscare cu carucioare

Fig. 15.a Uscător convectiv bitunel de capacitate mare



Fig. 15.b. Uscător convectiv bitunel de capacitate mare

Tabelul 3. Condiţii de uscare convectivă pentru fructe în uscătoare tunel

FRUCTE

Condiţii de uscare Produs uscat

Incărcaremedie

( kg/m2 )

Temperatura

aer la intrare( °C )

Timpde

uscare( h )

Umiditateafinala( % )

Randament deuscare( % )

procedeuclasic

optimizat

Prune(întregi)

15faza-I 40-50 6

18-20 25 – 35 30 -35faza-II 75-80 14

Mere(rondele) 10 75 -55 5 - 6 20 10 -12 30Pere(jumătăţişi cuburi)

15 70 - 65 15 - 22 18-20 18 – 20 30 - 35

15 70 - 60 10 - 15 15-20 15 – 20 30 -35

Caise(jumătăţi)

10 70 - 60 10 - 15 15-20 10 -15 25 -30

Vişine(Intregi)

10 55 - 70 6 - 8 12-15 25 30 - 35

Tabelul 4. Condiţii de uscare convectivă pentru legume în uscătoare tunnel

LEGUME

Condiţii de uscare Produs uscat

Incărcaremedie

( kg/m2 )

Temperatura

aer la intrare( °C )

Timpde

uscare( h )

Umiditatea

finala( % )

Randament deuscare( % )

procedeuclasic

optimizat

Cartofi 8 85 - 75 4 - 6 8 - 10 12 -16 20-25

Morcovi 7 85 - 65 3 - 5 4 - 6 7 10-15

Ceapă 7 70 - 60 3 - 5 4 - 6 8 -10 20-22

Varză 6 80 -65 3 - 4 4 - 7 4 - 6 10-12



Mazareverde

5 75 - 60 3 - 4 4 - 6 9 -14 20-22

Rădăcinoasealbe

6-7 65 - 55 4 - 6 4 - 6 6 - 8 10-12

Praz 7 70 - 65 3 - 4 4 - 6 7 - 10 10-15

Legume cufrunză

4-5 65 - 55 3 - 4 6 - 8 5 - 7 15-20

Dovleac 7 70 - 65 5 -7 6 - 8 6 10-12

Ierboase 3-4 60 - 55 3 - 4 5 - 7 5 - 7 15-20

Uscatoare convective alimentate cu energie termică din biomasă

In prezent, pentru uscarea fructelor şi legumelor, în locaţii în care nu există acces al gazmetan, se utilizează arzătoare de GPL sau motorină, conduse automat.

Proiectul are ca obiectiv realizarea unei instalaţii de gazeificare termică a lemnului pentru producerea de gaz de generator, denumit în continuare gazgen, cu care să sealimenteze arzătorul unui uscător de legume şi fructe. Biomasa lemnoasă provine în principaldin tăierile de pomi din livezi care în medie sunt de cel puţin 2.000 kg/ha cu o umiditate de40..50%

Gazogenul utilizează ca combustibil deşeuri de lemn tocate. Prin gazeificarea lemnuluise obtine gaz de generator, cu o putere calorică medie de 5 MJ/Nm3, cu un randament deconversie în energie a masei lemnose în domeniul 70-80%, în funcţie de calitatea lemnului şisarcina reală a generatorului, adică de cel puţin 3 ori mai eficient decât s-ar obţine prin arderedirectă, care este greu de controlat. Gazeificarea este un procedeu în care se separă cenuşa degazul produs şi ca atare, produsele de ardere ale gazgen-ului sunt curate ecologic.

Din punct de vedere energetic un kg de lemn, prin gazeificare, produce gazgen care areo energie primară cu care se pot obţine circa 3 kWht energie termică, 0,6 kWhm energiemecanică şi 0,45 kWhe energie electrică, ceea ce înlocuieşte consumul a 0,44 L de GPL sau a0,300 L de motorină.

Preţul biomasei lemnoase depinde foarte mult de sursă, distanţă şi mijloace de transportşi de prelucrare (tocare şi uscare). Din acest motiv, o analiză economică eficientă se face

pentru cazuri concrete, sau pentru mai multe valori probabile pentru cazul studiat, deoarececostul combustibilului are o pondere mare în costul total de producţie a gazgen-ului şi caurmare, este un factor determinant în eficienţa economică a instalaţiilor de gazeificare.Biomasa lemnoasă tăiată din livezi si uscată la 20% reprezintă o medie de 1.500 kg/ha dincare se poate obţine o energie sub formă de gazgen de 4,5 MWht cu care se poate usca circa2.000 kg mere. In gazogenerator se poate utiliza tocătură de biomasă celulozică provenită dinalte surse forestiere sau agricole.

La noi în ţară, pentru deşeuri de lemn provenite din tăierile pomilor din livezi,exploatări forestiere, gatere etc, se poate estima că preţul combustibilului ce se introduce îngazogen este în medie de 15 €/t, valoare similară şi pentru alte zone din Europa pentru care s-au făcut studii pe cazuri similare. Rezultă un preţ pentru energia primară de maxim 0,6 €/GJ.

Gazogenul poate produce mai mult gazgen decât este necesar pentru procesul de uscare.Din surplus se poate alimenta un generator electric cu motor diesel sau M.A.S. după o filtrareşi răcire corespunzătoare a gazgen-ului. Astfel, se poate căpăta o independenţă energetică care

permite ca instalaţiile să poată fi montate cât mai aproape de sursa de produse supuse uscării,reducându-se substanţial costurile de transport.



Fig. 10. Uscător convectiv de capacitate medie alimentat cu energie de la un arzator de biomasa

Fig. 11. Uscător tunel de capacitate medie alimentat de la un gazogen de biomasalemnoasa.



Fig. 12. Schema funcţională a unui uscător convectiv alimentat cu energie termică de laun gazogen de biomasa lemnoasă



Fig. 13. Schema automatizării unui uscător convectiv alimentat cu energie termică de laun gazogen de biomasa lemnoasă

Eficienţa procesului de uscare convectiva



Uscătorul efectuează un proces de deshidratare şi capacitatea de producţie se măsoarăîn kg/s sau kg/h de apă extrasă din materialul de uscat. Ca urmare din punct de vedereenergetic procesul de uscare se poate caracteriza prin randamentul de uscare definit ca :

u s c a r d e p r o c e s u l inc o n s u m a ta E n e r g ia

a p e ie v a p o r a r e a pen trun e c e s a r a Energ ia

u s c a r e=η

)(

)/()/(

kW t P

kg kJ r skg D

uscareconsumatatermica

apa ⋅

=η

Modelarea şi simularea numerică a proceselor de uscare

Pentru studiul proceselor şi instalaţiilor de uscare se utilizează metoda modelării şi

simularii numerice. La Catedra de Sisteme Biotehnice din UPB s-a dezvoltat, în cadrulactivităţilor din contractul de cercetare-dezvoltare: TEHNOLOGII ŞI INSTALAŢIIPERFORMANTE PENTRU USCAREA CONVECTIVĂ A LEGUMELOR ŞI FRUCTELOR SPECIFICE ROMÂNIEI, ÎN VEDEREA OBŢINERII DE PRODUSE DESHIDRATATECONFORM NORMELOR UE s-a dezvoltat un mediu de modelare-simulare numerica,denumit SIMUSCONV V2.

In cadrul obiectivelor generale ale proiectului realizarea de modele numerice şi programe de simulare pentru procesele de uscare convectivă a fost necesară pentru creştereanivelului de cunoaştere în domeniu cu aplicabilitate directă în dezvoltarea tehnologiilor avansate de uscare si a proiectării şi realizării de instalaţii de uscare performante.

Orientarea cercetărilor s-a făcut în direcţia conceperii, realizării şi validării de modele

numerice şi programe de simulare care să poată fi utilizate ca:A. Bază pentru planificarea şi conducerea experienţelor pentru determinareacaracteristicilor termo-chimice ale legumelor şi fructelor specifice României, din punct devedere al uscării convective.

B. Bază software pentru prelucrarea datelor obţinute din încercările efectuate custandurile experimentale.

C. Module componente ale programelor de simulare ale unei instalaţii de uscare, precum şi ca parte principală a algoritmilor de identificare şi conducere optimală cu model.

Structura modelelor s-a ales astfel încât din datele experimentale obţinute dinîncercările efectuate cu standuri de uscare, care simulează foarte bine funcţionarea unuiuscător convectiv, să se poată calcula coeficienţii numerici ai modelelor, astfel încât ele să

poată fi utilizate atât pentru conducerea experimentelor cât şi a proceselor de uscare dinuscătoarele convective.Deoarece programele de simulare realizate trebuie să aibă un nivel ridicat de

portabilitate pentru a putea fi utilizate atât la conducerea experimentelor pe standuri, cât şi înalgoritmii de conducere a uscătoarelor convective unde există o mare diversitate de sistemenumerice de conducere.

Pentru portabilitate cât şi pentru a se asigura o deseminare cât mai eficientă arezultatelor obţinute în cadrul proiectului s-a lucrat în limbajul de programare Turbo Pascal7, ceea ce asigură o foarte bună compatibilitate cu limbajele de programare ale majortăţiitipurilor de PLC-uri utilizate pentru conducerea uscătoarelor convective. Utilizarea acestuluilimbaj de programare asigură şi o bună comunicare între partenerii la proiect, precum şi cu

comunitatea ştiinţifică română şi mondială. Programele realizate în TP7 sunt uşor de convertitîn C++, Free Pascal şi în Delphy, crescând nivelul de compatibilitate.



Un alt motiv pentru care se utilizeaza un limbaj de programare general este necesitateade a se realiza module şi proceduri pentru achiziţia de date, pentru prelucrarea datelor experimentale în timp real sau accelerat, pentru identificare, pentru algoritmi de reglare;diversitate de aspecte care nu poate fi acoperită de limbajele specializate pe domenii îngusteşi la care au acces relativ puţini cercetători şi utilizatori din domeniul uscării convective.

PROIECT OIA

Documents

Transcript of PROIECT OIA