Procese si Tehnologii de Uscare

Cap1. Procese şi tehnologii de uscare 1.1------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1PROCESE SI TEHNOLOGII DE USCARE A PRODUSELOR

AGRO-ALIMENTARE

1.1 Uscarea convectivă a produselor agricole forma modernă şi economică de 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 după 1900 au început sã apară preocupări în direcţia realizării la scarã industrialã a produselor deshidratate. Problemele principale erau accelerarea procesului de uscare şi independenţa de condiţiile atmosferice. Primele uscãtoare construite au fost cele cu convecţie naturalã, în care agentul de uscare era un amestec de aer cu gaze de ardere, sau numai aer incãlzit. Pornind de la acest tip de uscãtor L.N. Miller a inventat un model nou cu camera de uscare echipatã cu arzãtor 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 inceputul deceniului 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 acestui tip de uscător sunt foarte mult utilizate în întreaga lume pentru deshidratarea produselor agricole. Dezvoltarea domeniului deshidratãrii s-a concretizat în special prin perfecţionarea tehnologiilor, 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 11.005Republica Moldova

31 113 24 3

Romania 309 279 793 449

În tabelul nr.1 sunt prezentate valorile medii anuale (in 1000 $) ale importurilor şi exporturilor de fructe şi legume deshidratate, calculate pentru perioada 1992 – 2002 de FAOSTAT (2004), pentru câteva ţãri, din Europa

1.2 Tehnologii şi echipamente de uscare Erol Murad-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

precum şi totalul mondial. In Romania, in anul 2004, s-au importat circa 4200 tone legume uscate si circa 2300 tone fructe uscate Deshidratarea la scară industrialã a produselor alimentare, caracterizată prin costuri de producţie relativ ridicate, este folositã pe scarã largã deoarece produselor finale au greutate şi volum reduse şi se asigurã printr-un control riguros al operaţiilor tehnologice încadrarea în reglementãrile actuale de igienã şi siguranţã alimentarã a produselor alimentare.

În ultimii zece ani, domeniul deshidratãrii legumelor şi fructelor a fost afectat de criza energeticã cronică mondialã care a condus la creşterea cotinuă a preţurilor şi o scãdere a ofertei, 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 zece ani 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 permis îmbunãtãţirea proiectãrii şi a fabricãrii echipamentelor de uscare.

Dezvoltarea gradului de cunostinte referitoare al procesele de uscare, concretizate în modele şi programe de simulare au permis elaborarea de algoritmi evoluaţi pentru conducerea automată proceselor. S-au dezvoltat astfel programe de conducere optimală din ce în ce mai complexe cu posibilitãţi de achiziţie a datelor şi de estimare a stării procesului în timp real. Acestea au condus la îmbunãtãţirea controlului procesului şi modernizãrii echipamentelor de uscare. Aparatura de mãsurare montată pe uscătoare măsoară în timp real principalele mărimi care definesc procesul (temperaturi, presiuni, debite, viteze ale agentului de uscare, umiditãţi, consumuri de energie etc.) care sunt preluate de un calculator de proces care, 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 mai semnificative efecte ale conducerii automate a procesului de uscare care se concretizează în reducerea 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 pentru conducerea optimală a procesului de uscare

A 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 realizat instalaţii de uscare care folosesc energia solară, căldura apelor geotermale, instalaţii de producere a biogazului, instalaţii de ardere a deşeurilor combustibile, gazeificarea termochimică a biomasei etc. Comparativ cu nivelul mondial în domeniu, în ţara noastrã, datoritã pe de o

Cap1. Procese şi tehnologii de uscare 1.3------------------------------------------------------------------------------------------------------------------parte schimbãrilor structurale din agricultură şi din industrie , iar pe de altã parte nivelului scăzut de 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 continuã creştere 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 al întregului proces, amestecul aer+gaze de ardere deficitar, câmp de viteze al aerului neuniform în 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 fructe deshidratate (vezi fig.1) şi implicit reducerea drastică a exportului şi creşterea importului acestor 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 – 2 milioane € în primii ani, cu efecte sociale notabile.- dezvoltarea activităţilor de modernizare a uscatoarelor existente vor constitui surse suplimentare de venit, creşterea locurikor de muncă şi nu în ultimul rând creşterea nivelului tehnic al personalului de exploatare şi intreţinere a acestor instalaţii moderne.

Productia de fructe si legume in Romania

0500,000

1,000,0001,500,0002,000,0002,500,0003,000,0003,500,0004,000,0004,500,000

tone

Fructe Legumetendinta-fructe tendinta-legume

Fig. 1 Evoluţia producţiei de legume şi fructe în ROMANIA

1.2. 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% şi restul 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 la temeperaturi normale, decât fructele şi legumele proaspete în depozitele cu microclimat controlat. In prezent se constată o creştere a cererii pe piată a fructelor şi legumelor uscate, ele se 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, gemuri etc, 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 o comandă fermă el preia din depozit produsele uscate, le amestacă în conformitate cu reţeta cerută, se rehidratează şi se livrează fără conservanţi, fiind deci produse ecologice. Se poate livra repede şi la un preţ foarte bun. Astfel se valorifică superior produsele uscate.

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

1.3. Procedee de uscare convectiva pentru fructe şi legume

Pentru uscare fructelor şi legumelor procedeul cel mai utilizat este uscare convectivă cu aer 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 conveiorcameră de uscare pat fluidizatuscătoare 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 agentului - de 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 se calculează temperatura medie la suprafaţa materialului;- se reglează raportul aer exterior/agent termic recirculat pentru

controlul temperaturii 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

1.4 Uscatoare convective cu caseteIn 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 medie alimentat cu combustibil gazos, cu regim de functionare in sarja sau


semicontinuu

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

1.4.2 Uscător mobil, modulat, pentru legume si fructe

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

Pentru a creşte gradul de utilizare al uscătorului acesta este construit în varianta modulată, 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 ca utilizatorul 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 uscare stivuite pe rastele pe roţi, care se introduc în camerele de uscare din modulele de baza ale uscatorului..

Agentul de uscare este produs prin amestecarea aerului recilculat cu aer exterior si incalzirea acestuia cu un schimbator de caldura apa calda-aer, care primeste apa calda cu temperatura medie de 85 C dintr-un rezervor intermediar


de 600 de litri. Agentul de uscare este aspirat de un ventilator şi trimis în camera de uscare.

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

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

Fig. 8. Schema functionala a unui uscător convectiv de capacitate medie cu încălzirea agentului 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


1.4.3 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 )

Temperaturaaer la intrare

( C )

Timp de

uscare( h )

Umiditateafinala( % )

Randament de uscare( % )

procedeu clasic

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 30

Pere (jumătăţi şi cuburi)

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

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

Cap1. Procese şi tehnologii de uscare 1.15------------------------------------------------------------------------------------------------------------------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 )

Temperaturaaer la intrare

( C )

Timp de

uscare( h )

Umiditatea

finala( % )

Randament de uscare( % )

procedeu clasic

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

Mazare verde

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

Rădăcinoase albe

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 cu frunză

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

1.5 Uscatoare convective alimentate cu energie termică din biomasă

In prezent, pentru uscarea fructelor şi legumelor, în locaţii în care nu există acces al gaz metan, 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 se alimenteze arzătorul unui uscător de legume şi fructe. Biomasa lemnoasă provine în principal din tăierile de pomi din livezi care în medie sunt de cel puţin 2.000 kg/ha cu o umiditate de 40..50%

Gazogenul utilizează ca combustibil deşeuri de lemn tocate. Prin gazeificarea lemnului se obtine gaz de generator, cu o putere calorică medie de 5 MJ/Nm3, cu un randament de conversie în energie a masei lemnose în domeniul 70-80%, în funcţie de calitatea lemnului şi sarcina reală a generatorului, adică de cel puţin 3 ori mai eficient decât s-ar obţine prin ardere directă, care este greu de controlat. Gazeificarea este un procedeu în care se separă cenuşa de gazul 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 are o energie primară cu care se pot obţine circa 3 kWht energie termică, 0,6 kWhm energie mecanică şi 0,45 kWhe energie electrică, ceea ce înlocuieşte consumul a 0,44 L de GPL sau a 0,300 L de motorină.

Preţul biomasei lemnoase depinde foarte mult de sursă, distanţă şi mijloace de transport şi 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, deoarece costul combustibilului are o pondere mare în costul total de producţie a gazgen-ului şi ca urmare, 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 din care se poate obţine o energie sub formă de gazgen de 4,5 MWht cu care se poate usca circa 2.000 kg mere. In gazogenerator se poate utiliza tocătură de biomasă celulozică provenită din alte 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 în gazogen 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 filtrare şi 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 biomasa lemnoasa.


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


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

1.6 Eficienţa procesului de uscare convectiva

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

1.7 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 cadrul activităţilor din contractul de cercetare-dezvoltare: TEHNOLOGII ŞI INSTALAŢII PERFORMANTE PENTRU USCAREA CONVECTIVĂ A LEGUMELOR ŞI FRUCTELOR SPECIFICE ROMÂNIEI, ÎN VEDEREA OBŢINERII DE PRODUSE DESHIDRATATE CONFORM


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 creşterea nivelului 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 determinarea caracteristicilor termo-chimice ale legumelor şi fructelor specifice României, din punct de vedere al uscării convective.

B. Bază software pentru prelucrarea datelor obţinute din încercările efectuate cu standurile 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 din încercările efectuate cu standuri de uscare, care simulează foarte bine funcţionarea unui uscător 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 din uscătoarele 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 în algoritmii de conducere a uscătoarelor convective unde există o mare diversitate de sisteme numerice de conducere.

Pentru portabilitate cât şi pentru a se asigura o deseminare cât mai eficientă a rezultatelor obţinute în cadrul proiectului s-a lucrat în limbajul de programare Turbo Pascal 7, ceea ce asigură o foarte bună compatibilitate cu limbajele de programare ale majortăţii tipurilor de PLC-uri utilizate pentru conducerea uscătoarelor convective. Utilizarea acestului limbaj 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 convertit în C++, Free Pascal şi în Delphy, crescând nivelul de compatibilitate.

Un alt motiv pentru care se utilizeaza un limbaj de programare general este necesitatea de 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 înguste şi la care au acces relativ puţini cercetători şi utilizatori din domeniul uscării convective.

Procese si Tehnologii de Uscare

Documents

Transcript of Procese si Tehnologii de Uscare