ВведениеСушка продуктов питания позволяет снизить вероятность их слеживания, смерзания, плесневения, а также уменьшает массу продукта, что удешевляет транспортировку. Однако процесс сушки является энергозатратным и длительным. Поэтому способы сушки непрерывно совершенствуются с целью снижения временных и экономических затрат для получения качественного продукта.Любой высушиваемый продукт питания характеризуется максимально допустимой темпе- ратурой обработки, после которой происходит потеря питательных веществ, витаминов и ухудшение товарного вида [1–5]. Поэтому интенсификация конвективных и кондуктивных методов сушки за счет повышения температуры не допустима [6].В этой связи исследуются и применяются как самостоятельные методы сушки, так и способы дополнительного воздействия на высушиваемый продукт совместно с конвективной или кондуктивной сушкой. К ним относятся радиационная, высо- кочастотная и ультразвуковая сушка [2, 7–9]. Однако, в случае инфракрасного и высокочастотного воздействия на продукты питания, есть риск локального перегрева или неравномерного высыхания. В связи с этим в последние годы все большее внимание уделяется способам воздействия на высушиваемый материал ультразвуковыми колебаниями [10–17].Интенсификация сушки происходит только при высоких уровнях ультразвукового воздействия. В случае применения колебаний с низким уровнем звукового давления (менее 130 дБ) процесс сушкипрактически не отличается от конвективной [18]. Применение ультразвукового (УЗ) диапазона частот от 20 до 25 кГц для реализации воздействия обусловлено тем, что акустические колебания звукового диапазона создают серьезную опасность для здоровья и жизни человека.Для создания на ультразвуковых частотах колебаний с уровнем звукового давления более 130 дБ используются излучатели, выполненные в виде изгибно-колеблющихся мембран, по форме представляющие пластины или диски [19]. У таких излучателей соседние участки совершают колебания в противоположных фазах. Для исключения взаимной компенсации колебаний, создаваемых участками диска или пластины, колеблющимися в противоположной фазе, сечение излучателя выполняется ступенчато- переменным по толщине. Это позволяет снизить амплитуду колебаний одной фазы относительно противоположной. Это дало возможность генерировать колебания с уровнем звукового давления до 172 дБ, которые могут быть использованы при реализации процессов сушки.На сегодняшний день различными исследователями установлено, что использование в качестве ультразвуковых излучателей изгибно-колеблющихся пластин или дисков позволяет уменьшить время сушки макаронных изделий до 24–26 %, кипрей-чая до 30 % [20, 21]. Такая эффективность достигается при уровнях звукового давления, не превышающих150 дБ. Получение высокого уровня звукового давления сопряжено со значительными трудностями изготовления ультразвуковых излучателей. Эффекти- вной глубиной проникновения ультразвуковыхШалунов А. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 2 С. 363–373 колебаний считается 10–30 мм в зависимости от высушиваемого материала. Это не позволяет одновременно высушивать значительные объемы продуктов питания [18].В данной работе представлены результаты исследований по интенсификации процесса конвекти- вной сушки путем добавления воздействия ультра- звуковыми колебаниями высокой интенсивности, а также показана возможность создания практических конструкций ультразвуковых сушилок для увеличения объема высушиваемого продукта. Объекты и методы исследованияДля проведения исследований по сушке продуктов питания в неподвижном тонком слое (обусловленном незначительной глубиной проникновения ультразву- ковых колебаний в высушиваемый материал) была разработана и изготовлена лабораторная сушильная установка (рис. 1).Корпус сушильной установки 1 жестко закреплен на станине (на рис. 1 не показано). На крышке 2 закреплен корпус дискового излучателя 3. Дисковый излучатель 4 располагается в верхней части сушильного объема по центру. Через трубу подвода нагретого воздуха5 в нижней части сушилки подается стабильный поток нагретого воздуха (± 0,03 м/с), формируемый вентилятором 6. Температура воздуха поддерживается с точностью ± 1 °С. Воздух выходит через трубу отвода 7, находящуюся в крышке сушильной установки.Изгибно-колеблющийся ультразвуковой дисковый излучатель, установленный в сушильную установку,  Рисунок 1. Структурная схема ультразвуковой лабораторной сушильной установки: 1 – корпус сушильной установки; 2 – крышка сушильной установки; 3 – корпус дискового излучателя;4 – дисковый излучатель; 5 – труба подвода нагретого воздуха; 6 – вентилятор; 7 – труба отвода воздухаFigure 1. Block diagram of an ultrasonic laboratory dryer: 1 – body; 2 – lid; 3 – disk radiator body; 4 – disk radiator; 5 – hot air supply pipe; 6 – fan; 7 – air outlet pipeимеет диаметр 200 мм и формирует УЗ-колебания с частотой 22 кГц [22]. Внешний вид ультразвукового излучателя в сборе с электронным генератором показан на рисунке 2.Геометрия внутреннего объема сушильной установки не позволяет получать равномерное ультразвуковое поле. Поэтому было произведено измерение уровня звукового давления L по высоте сушильного объема на оси и на радиусе 70 мм от оси (этим радиусом ограничивается размещение высушиваемого продукта в один слой). Для измерений применялся измеритель шума и вибраций Экофизика- 110А/Инженер-110А (Россия) с микрофоном ВМК-401. Уровни звукового давления в сушильном объеме при различных значениях уставки мощности электронного генератора приведены на рисунке 3.На расстоянии 180 мм от дискового излучателя наблюдается максимальный уровень звукового давления как на оси, так и в 70 мм от нее. Значения уровней звукового давления на расстоянии 180 мм от диска приведены в таблице 1.В качестве объекта сушки был выбран картофель, т. к. он является самым распространенным овощем на территории России. Сорт картофеля «Адретта» выращен в Алтайском крае. Он 2 месяца хранился в погребе при температуре 3 ± 2 °С. Перед сушкой картофель сутки выдерживался при комнатной температуре. Затем (перед сушкой) нарезался кубиками размером 15×15×15 ± 1 мм общей массой 250,0 ± 0,1 г. Картофель помещался в центральную часть (радиусом 70 мм) решетчатого поддона в один слой на расстоянии 180 мм от УЗ дискового излучателя. Во всех экспериментах поддерживалась температура и средняя скорость воздуха t = 60 ± 1 °С и 0,50 ± 0,03 м/с соответственно. Измерения потока проводились при помощи цифрового анемометра UT363S (UNI-T, Китай). Влажность воздуха в помещении составляла 55 ± 5 %. Уровень звукового давления L в различных экспериментах составлял   Рисунок 2. Внешний вид ультразвукового аппарата: 1 – ультразвуковая колебательная система с дисковымизлучателем; 2 – электронный генераторFigure 2. Ultrasonic device: 1 – ultrasonic vibrating system with a disk radiator; 2 – electronic generatorShalunov A.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 2, pp. 363–373   L, L, a b Рисунок 3. Распределение уровня звукового давления L в сушильной установке в зависимостиот расстояния от излучателя и уровней уставки мощности генератора (%): a – на акустической оси диска; b – на расстоянии 70 мм от оси дискаFigure 3. Distribution of the sound pressure level L in the dryer depending on the distance from the radiator and the generator power (%): a – on the acoustic axis of the disk; b – 70 mm from the axis of the disk Таблица 1. Уровни звукового давления на расстоянии 180 мм от дискового излучателяTable 1. Sound pressure at 180 mm from the disc radiator Расстояние от оси диска, ммУровень уставки мощности электронного генератора от максимальной мощности, %405060708090100Уровень звукового давления L, дБ0131,0140,0151,0160,0165,0171,0175,070127,0138,0148,0159,0164,0169,0173,0Среднее значение129,0139,0149,5159,5164,5170,0174,0  130 ± 1, 140 ± 1, 150 ± 1, 160 ± 1, 165 ± 1, 170 ± 1 и175 ± 1 дБ. Также был проведен контрольный эксперимент по сушке конвективным способом без ультразвукового воздействия. Взвешивание картофеля во время сушки проводилось каждые15 мин с точностью ± 0,1 г. Все эксперименты по сушке длились до тех пор, пока общая масса картофеля не уменьшилась в 4 раза, что соответствует влагосодержанию 0,14 ± 0,01 кг/кг (кубики картофеля твердые и хрупкие).Влагосодержание картофеля в процессе сушки определялось по формуле: Результаты и их обсуждениеКривые сушки картофеля конвективным способом (контрольный эксперимент) и одновременным воздействием нагретого воздуха и ультразвуковыми колебаниями с различными уровнями звукового давления представлены на рисунке 4.Время сушки конвективным способом составило 630 мин. Ультразвуковое воздействие с уровнем звукового давления 175 дБ уменьшает время сушки до 270 мин, т. е. в 2,3 раза (табл. 2).Эффективность сушки рассчитывалась по уменьшению времени сушки относительно𝑤𝑤0 = 𝑊𝑊𝐺𝐺𝑐𝑐(1)конвективного способа (контрольный эксперимент).Как было указано ранее, УЗ-колебания с малымгде W – масса влаги; Gc – масса сухого картофеля.Скорость сушки определялась методом численногодифференцирования:уровнем звукового давления (менее 130 дБ) не интенсифицируют процесс сушки. Эксперименты по сушке картофеля с уровнем звукового давления140 и 150 дБ показали линейное сокращение времени𝑑𝑑𝑤𝑤0𝑑𝑑τ0 0𝑤𝑤 −𝑤𝑤 = − 𝑖𝑖+1        𝑖 𝑖  τ𝑖𝑖+1−τ𝑖𝑖(2)процесса. Начиная со 150 и до 165 дБ, наблюдалось нелинейное ускорение процесса сушки. При более𝑖𝑖 где 𝑤𝑤0 – влагосодержание картофеля в момент времени𝑖𝑖+1 τ𝑖𝑖; 𝑤𝑤0 – влагосодержание в момент времени.высоких уровнях звукового давления (165–175 дБ) нелинейность исчезала и эффективность падала.Шалунов А. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 2 С. 363–373 ( ) 4 𝑑𝑑𝑤𝑤0𝑑𝑑τ 𝑖𝑖+1𝑑𝑑𝑤𝑤0−( ) 𝑑𝑑τ 𝑖𝑖 (3)W𝑤𝑤00, кг/кг ( ) 3 𝑑𝑑𝑤𝑤0𝑑𝑑τ 0где ( ) 𝑑𝑑𝑤𝑤02 𝑑𝑑τ 𝑖𝑖скорость сушки при начальном уровнезвукового давления в определяемом диапазоне𝑑𝑑τ 1 давлений; (𝑑𝑑𝑤𝑤0) 𝑖𝑖+1скорость сушки при конечномуровне звукового давления в определяемом диапазоне𝑑𝑑τ 0 0 давлений; (𝑑𝑑𝑤𝑤0) – скорость сушки при уровне звукового0 200 400 600τ, минбез УЗ 130 дБ 140 дБ        150 дБ160 дБ 165 дБ 170 дБ 175 дБ Рисунок 4. Кривые сушки картофеля в неподвижном тонком слое при различных уровнях звукового давленияFigure 4. Drying curves for a fixed thin layer of potatoes at different sound pressure levels Анализ протекания процесса сушки во времени при различных влагосодержаниях картофеля был проведен по кривым скорости сушки (рис. 5)В экспериментах с уровнем звукового давления до 150 дБ наблюдалась постоянная скорость сушки до влагосодержания 2,9. При воздействии высоких уровней звукового давления скорость сушки на начальном этапе имела максимум, который показал высокую эффективность обезвоживания картофеля. Начальное влагосодержание картофеля во всех экспериментах составляло 3,56 кг/кг. Поэтому для оценки эффективности сушки на разных этапах процесса было решено разделить процесс сушки на 2 равных периода по влажности: высокое влагосодержание (более 1,78) и малое влагосодержание (менее 1,78). В этих периодах были усреднены скорости и построены их зависимости относительно уровнязвукового давления (рис. 6).В период высокого влагосодержания (более 1,78) наблюдался нелинейный рост средней скорости в диапазоне 150–165 дБ, который составлял до 26 % при увеличении уровня звукового давления на 5 дБ. В экспериментах с другими уровнями звукового давления рост скорости сушки не превышал 6 % на 5 дБ. Рост скорости сушки рассчитывался по выражению:давление L = 0 дБ (конвективная сушка).Значительный рост скорости сушки в диапазоне 150–165 дБ может быть обусловлен реализацией механизма удаления влаги без фазового перехода, т. е. за счет диспергирования свободной влаги с поверхности высушиваемого материала ультразву- ковыми колебаниями.В период малого влагосодержания (менее 1,78) количество влаги на поверхности становится недостаточным для реализации ее диспергирования, поэтому скорость растет практически линейно с увеличением уровня звукового давления. Это соответствует классическим представлениям об интенсификации процесса сушки ультразвуковыми колебаниями посредством испарения.Таким образом, эффективным уровнем звукового давления для сушки продуктов питания является диапазон 160–165 дБ. В нем наблюдается максимальный рост скорости сушки. Дальнейшее увеличение уровня звукового давления, хоть и приводит к уменьшению времени сушки, но требует значительных энергетических затрат.Картофель высушенный конвективно и с наложением ультразвуковых колебаний был исследован органолептическими методами для сравнения характеристик по внешнему виду и внутренней структуре (рис. 7).Картофель, высушенный только конвективным способом, имеет более темный цвет, сильнее заметны изменения геометрических размеров, внутренняя структура более хрупкая снаружи, но влажная внутри, по сравнению с картофелем, высушенным в ультразвуковом поле. Органолептическая оценка показала, что сушка при ультразвуковом воздействии позволяет получить качественный продукт питания. Основным влияющим фактором является значительная глубина проникновения ультразвука в глубину материала и уменьшенное время сушки. Таблица 2. Время сушки картофеля до влагосодержания 0,14 при различных уровнях звукового давленияTable 2. Drying time for potatoes to a moisture content of 0.14 at various sound pressure levels  Уровень звукового давления, дБ0130140150160165170175Время сушки, мин630630555510375315285270Эффективность сушки, %0012,719,040,550,054,857,1Shalunov A.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 2, pp. 363–373 0,03 dw0/dτ, мин1 0,02 0,010,03 dw0/dτ, мин1 0,02 0,01  0,000,0 1,0 2,0 3,0w0, кг/кгбез УЗ 130 дБ 140 дБ 150 дБ160 дБ 165 дБ 170 дБ 175 дБ 0,00120 140 160 180L, L, дБ влагосодержание более 1,78влагосодержание менее 1,78 Рисунок 5. Кривые скорости сушки картофеля при различных уровнях звукового давленияFigure 5. Curves of potato drying rate at different sound pressure levelsРисунок 6. Зависимость средней скорости сушки картофеля от уровня звукового давленияFigure 6. Effect of sound pressure level on the average potato drying rate Таким образом, проведенные эксперименты по сушке картофеля в тонком слое малой массы показали высокую эффективность ультразвукового воздействия с получением продукта питания лучшего качества. Однако для полупромышленного применения необходимо в десятки раз увеличить массу одновременно высушиваемого продукта, сохраняя незначительную толщину слоя (10–30 мм).Для повышенной производительности сушки продуктов питания при одновременном обеспечении улучшенного качества конечного продукта было предложено два варианта ультразвуковых сушильных камер.Первый вариант ультразвуковой сушильной камеры представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический барабан (рис. 8). Внутри барабана 1 соосно с ним размещаются жестко закрепленные цилиндрические поверхности 2 и 3 с продольными   Рисунок 7. Внешний вид высушенного картофеляFigure 7. Appearance of dried potato samplesотверстиями 5 для пересыпания высушиваемого продукта 6. Продольно на внутренних и внешних цилиндрических поверхностях и внутренней поверхности барабана располагаются лопасти 4, обеспечивающие удержание высушиваемого продукта в процессе вращения барабана. Перед торцевой стенкой барабана соосно расположен ультразвуковой дисковый излучатель. Ультразвуковое воздействие на высушиваемый продукт осуществляется непрерывно на частоте 22 кГц с уровнем звукового давления 160–165 дБ. Усиление ультразвуковых колебаний обеспечивается выбором расстояния (кратном половине длины волны используемых ультразвуковых колебаний в воздухе) от излучающего диска до противоположной торцевой стенки. Поток сушильного воздуха направлен от торцевой стенки барабана к противоположной торцевой стенке, возле которой находится излучатель, т. е. вдоль сушильного барабана навстречу излучателю. Сыпучий продукт питания помещают через технологическое отверстие в барабан и с помощью электродвигателя начинаюn вращать с частотой 5–10 об/мин в зависимости от свойств продукта. В результате подхватывания лопастями высушиваемого материала и его пересыпания происходит равномерное размещение продукта в объеме барабана (рис. 8b). Продукт пересыпается небольшими порциями с внутренней поверхности внешнего барабана на внешнюю цилиндрическую поверхность меньшего диаметра и затем на его внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность меньшего диаметра. Одновременно происходит обратный процесс пересыпания из цилиндрических поверхностей меньшего диаметра на поверхности большего диаметра. Для подтверждения эффективности предложенной конструкции горизонтальной ультразвуковой сушилкиШалунов А. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 2 С. 363–373    a bРисунок 8. Сечение барабана сушильной камеры горизонтального типа в: a – начальный момент времени; b – процессе сушки: 1 – внешний барабан; 2, 3 – внутренние цилиндрические поверхности; 4 – лопасти;5 – продольные отверстия; 6 – высушиваемый продуктFigure 8. Drum of the horizontal drying chamber: a – at the onset; b – during drying: 1 – external drum;2, 3 – inner cylindrical surfaces; 4 – blades; 5 – longitudinal holes; 6 – dried product были проведены эксперименты по сушке картофеля при тех же условиях сушильного воздуха, что и сушка в неподвижном тонком слое: температура t = 60 ± 1 °С, скорость потока сушильного воздуха 0,50 ± 0,03 м/с. При этом масса продукта была увеличена до 6 кг. Эксперимент по сушке с ультразвуковым воздействием проводился при уровне звукового давления 160–165 дБ, обеспечивающим максимальную эффективность процесса. Взвешивание проводилось каждые 30 мин. Кривые сушки представлены на рисунке 9.Из представленных кривых сушки следует, что в контрольном эксперименте (конвективная сушка) картофель достиг влагосодержания 0,14 ± 0,01 кг/кг за 510 мин. Это на 120 мин быстрее, чем  Рисунок 9. Кривые сушки картофеляв сушильной камере горизонтального типаFigure 9. Curves for drying potatoes in the horizontal drying chamberвремя сушки в неподвижном слое в лабораторной сушильной установке. Сокращение времени сушки обусловлено тем, что в сушильной установке идет непрерывное пересыпание высушиваемого материала. Наложение ультразвуковых колебаний с уровнем звукового давления 160–165 дБ в дополнение к нагретому воздуху сократило время сушки на 240 мин (на 47 %) – до 270 мин.Сокращение времени сушки, полученное при воздействии ультразвуковыми колебаниями во вращающемся горизонтальном барабане, совпадает с результатом, полученным при том же уровне звукового давления на неподвижный слой картофеля (в лабораторной сушильной установке).Вторым вариантом ультразвуковой сушильной камеры является вертикально расположенный барабан (рис. 10).Высушиваемый сыпучий продукт 1 размещается в цилиндрическом барабане 2 диаметром D на нижней торцевой стенке и поверхностях спирального лотка 3. Спиральный лоток внутри барабана выполнен таким образом, что его внутренний диаметр d увеличивается снизу вверх. Причем шаг спиралей лотка С составляет не менее 30 мм.Перемещение продукта питания по виткам спирального лотка осуществляется за счет вибрации и вращения спирального лотка. Для этого используют вибропривод 4, который обеспечивает механические воздействия вертикальной и горизонтальной направленности. В течение всего времени сушки происходит ультразвуковое воздействие излучателем 5 на высушиваемый продукт. При этом ультразву- ковые колебания многократно перенаправляются отражателями 6, выполненными под углом 45° наShalunov A.V. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2021, vol. 51, no. 2, pp. 363–373    Рисунок 10. Конструкция ультразвуковой барабанной сушилки вертикального типа: 1 – высушиваемый материал; 2 – цилиндрический барабан; 3 – спиральный лоток; 4 – вибропривод; 5 – ультразвуковой излучатель; 6 – отражатель ультразвуковых колебаний; 7 – верхний виток спирального лотка; 8 – пьезоэлектрический преобразователь; 9 – направление воздушного потока; A – направление распространения ультразвуковых колебаний; D – диаметр барабана; d – внутренний диаметр витков спирального лотка; С – расстояние между витками спирального лоткаFigure 10. Vertical ultrasonic drum dryer: 1 – raw material;2 – cylindrical drum; 3 – spiral tray; 4 – vibration drive;5 – ultrasonic emitter; 6 – reflector of ultrasonic vibrations; 7 – upper turn of the spiral tray; 8 – piezoelectric transducer; 9 – direction of the air flow; A – direction of propagation of ultrasonic vibrations; D – drum diameter; d – inner diameterof the curves of the spiral tray; C – distance between the curves of the spiral tray внутренней поверхности спирального лотка. При достижении продуктом верхнего витка спирального лотка 7 он ссыпается в нижнюю часть барабана.Эксперименты по сушке картофеля в вертикальном барабане проводились в условиях аналогичным описанной выше барабанной сушилки горизонтального типа. Кривые сушки картофеля в ультразвуковом барабане вертикального типа представлены на рисунке 11.Время конвективной сушки составило 540 мин, что на 30 мин дольше, чем в горизонтальном барабане. Это можно объяснить менее эффективным обдуванием картофеля теплым воздухом, т. е. ухудшением гидродинамических условий. Сушка в ультразвуковом поле длилась 300 мин. Эффективность ультразвуковой сушки по времени составила 44 %. Это, с точностью до погрешности на шаг дискретизации по времени, совпадает с результатом в горизонтальном барабане. Проведенные исследования показали эффективность применения ультразвука для интенсификации процесса сушки и перспективность предложенных и разработанных конструкций сушильных камер, обеспечивающих равномерное распределение   Рисунок 11. Кривые сушки картофеля в вертикальном барабанеFigure 11. Curves for drying potatoes in the vertical drum (пересыпание) высушиваемого материала и резонансное усиление ультразвуковых колебаний, для промышленного применения. ВыводыВ предложенной работе достигнуты следующие результаты:Показана перспективность конвективной сушки совместно с ультразвуковым воздействием на примере сушки картофеля (сокращение времени процесса и улучшение внешнего вида высушенного продукта);Установлено, что максимальный эффект ультразвукового воздействия на процесс конвективной сушки овощей достигается при уровне звукового воздействия в пределах 160–165 дБ;Для практической реализации конвективной сушки совместно с ультразвуковым воздействием в условиях выявленных оптимальных уровней ультразвукового давления предложены и разработаны конструкции сушильных установок, реализующих непрерывное перемещение (пересыпание) высу- шиваемого материала:с горизонтальным барабаном;с вертикальным барабаном;Проведенные исследования функциональных возможностей изготовленных образцов сушилок при конвективной сушке совместно с ультразвуковым воздействием показали возможность сокращения времени сушки на 44–47 % по сравнению с конвективной сушкой без ультразвукового воздействия. Критерии авторстваВсе авторы внесли равный вклад в создание исследования, обработку и анализ полученных результатов, а также в оформлении статьи.Шалунов А. В. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 2 С. 363–373 Конфликт интересовАвторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. ContributionAll authors equally contributed to the researchdevelopment, processing, data analysis, and manuscript design. Conflict of interestThe authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.