Тепловая сушка

Рис. 44. Кривая сушки.

Анализ типичной кривой сушки показывает, что на ней можно различить ряд участков. Участок АВ характеризует период прогрева материала, когда влагосодержание меняется незначительно. Участок ВС характеризуется постоянной скоростью уменьшения влагосодержания. В этот период скорость сушки зависит главным образом, от скорости, с которой молекулы воды удаляются с поверхности продукта. При этом интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента. Участок СD характеризуется падающей скоростью сушки. Линия на этом участке представляет собой кривую. Форма кривой зависит от характера связи влаги с материалом, и его структурно-механических характеристик.

7.2. Способы сушки

Существует два принципиально различных способа сушки пищевых продуктов: тепловая сушка и сушка при отрицательных температурах, так называемая сублимационная или молекулярная сушка (этот процесс во многих зарубежных работах называется также лиофилизацией).

В технике известны различные способы тепловой сушки, отличающиеся один от другого принципом подвода тепла к высушиваемому материалу: конвективный, кондуктивный, радиационный и электроконтактный (или диэлектрический).

Все эти способы включают в себя подвод теплоты к продукту, фазовое превращение воды (льда), испарение влаги на внешней поверхности с углублением поверхности испарения внутрь тела и удаление паров воды с его поверхности.

Конвективная сушка. Наиболее распространенный метод сушки, при котором в качестве сушильного агента используется нагретый воздух, который одновременно является теплоотдатчиком и влагопоглотителем, обусловливает относительную простоту конструкций конвективных сушилок.

Типы конвективных сушилок различаются периодичностью действия (периодические, непрерывные), способом подогрева воздуха (огненные, паровые, электрические калориферы).

Конвективный способ сушки отличается простотой и возможностью регулирования температуры материала. Недостатком его является противоположное направление градиентов влагосодержания VU и температуры VT. Градиент температуры тормозит перемещение влаги изнутри материала наружу. Кроме того, при конвективном способе коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к поверхности материала имеет незначительную величину— 11,6—23,2 Вт/(м²∙К). Несколько большее значение коэффициента теплоотдачи имеет перегретый пар.

В сушильных установках пищевой промышленности в качестве сушильного агента в основном применяется нагретый воздух; смесь топочных газов с воздухом применяется только в туннельных сушилках для сушки плодов, а перегретый пар пока что применяется только при экспериментальных исследованиях. Конвективная сушка с применением топочных газов не отличается от таковой с применением воздуха.

Сушка перегретым паром является эффективной и перспективна для применения в пищевой промышленности. Преимуществами перегретого водяного пара по сравнению с другими теплоносителями являются повышение тепловой экономичности и интенсификация процесса, отсутствие контакта с кислородом, исключающее окислительные явления при сушке. Лабораторные исследования по сушке пищевых продуктов паром показали, что овощи и плоды дают меньшую усадку, лучше сохраняют витамины и водорастворимые вещества, имеют лучшую набухаемость и развариваемость, чем при сушке нагретым воздухом.

Интенсификация конвективной сушки происходит за счет увеличения теплообмена материала и сушильного агента путем повышения скорости и температуры сушильного агента либо уменьшения размера частиц. При движении сушильного агента перпендикулярно материалу теплообмен увеличивается примерно вдвое по сравнению с параллельным движением. Поэтому для сушки материалов в неподвижном слое применение ленточных конвейерных сушилок более эффективно, чем туннельных.

Туннельные сушильные установки просты по устройству, надежны в работе. Применение смеси топочных газов с воздухом в этих аппаратах, хотя и экономично по затратам теплоты, не исключает возможности появления канцерогенных веществ, поэтому требуется строгий контроль, и для многих пищевых материалов эти установки не рекомендуются.

Основной недостаток туннельных сушильных установок — параллельное движение воздуха и материала, что значительно уменьшает контакт и теплообмен между сушильным агентом и материалом. Кроме того, обслуживание туннельных сушилок требует больших затрат ручного труда на загрузку и выгрузку материала на сита и тележки.

Шахтные сушильные установки с опрокидывающимися полками обеспечивают непрерывность процесса сушки. Однако сушка пищевых материалов в этих аппаратах происходит в 2—3 раза медленнее, чем в ленточных конвейерных сушильных установках.

Ленточные конвейерные сушильные установки обеспечивают непрерывность процесса сушки и снижают затраты ручного труда на их обслуживание. Однако, несмотря на ряд достоинств, они имеют существенные недостатки: ограниченная скорость и неравномерное распределение воздуха приводят к неравномерному распределению теплоты и влаги, к возможным местным перегревам материала.

Распылительные сушилки и сушилки с псевдосжиженным слоем также относятся к конвективным.

Распылительные сушилки применяются для растворов, которые подаются на распылительный диск. Распыленный до туманообразного состояния раствор высушивается в камере воздухом, нагретым в калорифере.

Температура частиц в зоне сушки близка к температуре мокрого термометра. За температуру материала принимают температуру воздуха на выходе из сушильной камеры, которая должна составлять 70—80 °С. Достаточно равномерное обтекание диспергированных частиц нагретым воздухом исключает местный перегрев; материала, а практически мгновенное высушивание и невысокая температура материала предотвращают тепловую коагуляцию белка. Все это позволяет получить сухой продукт высокого качества и хорошей растворимости.

К недостаткам распылительной сушки можно отнести большие габариты и сложность конструкции сушильных установок, недостаточное использование объема сушильной камеры, повышенные расходы теплоты (на 1 кг испаренной влаги затрачивается 2,5—4 кг пара).

Рис. 45. Схема распылительной су­шильной установки

Распылительная сушильная установка (рис. 45) состоит из масляного фильтра 1 для очистки поступающего воздуха от механических загрязнений, центробежного вентилятора среднего 2, батарей 5 паровых калориферов, сушильной камеры 4, распыливающего устройства 5, скребков 6 уборочного механизма, транспортера (или шнека) 7 для удаления сухого молока, аппаратов 8 и 9 для разделения сухого молока и воздуха, центробежного вентилятора 10 для удаления отработанного воздуха.

Воздух перед поступлением во всасывающее отверстие центробежного вентилятора проходит через масляные фильтры. Они состоят из отдельных выдвигаемых секций, включающих лабиринтообразные металлические пластины, смачиваемые тонким слоем маловязкого минерального масла.

Воздух, проходя через эти каналы, неоднократно меняет скорость

и направление, и частицы пыли, соприкасаясь с покрытыми маслом стенками, оседают на них. Очищенный воздух подается вентилятором в подогреватель, а оттуда в сушильную камеру. В качестве воздухоподогревателей применяют паровые калориферы различной конструкции: пластинчатые ребристые из стальных труб с приваренными прямоугольными пластинами, шайбовые с приваренными к трубам шайбами или с навитой на трубах металлической лентой. В калориферы пар подают под давлением 0,8—1,6 Мпа.

Более экономично нагревать воздух в газовых или огневых подогревателях, в которых теплообмен между воздухом и продуктами сгорания жидкого или газообразного топлива осуществляется через металлические стенки (КПД при этом достигает 85%). Метод прямого сжигания газа обеспечивает высокую эффективность использования топлива (98—100%) при наименьших по сравнению с другими способами капитальных затратах, однако существует опасность попадания продуктов сгорания топлива в высушенное молоко.

Нагретый в подогревателях до 160—200 °С воздух поступает в сушильную камеру. Чаще всего она имеет форму цилиндра с плоским или коническим основанием, реже — форму прямоугольника с двускатным дном. На металлическом (из профильной стали) или железобетонном каркасе закреплены двойные стенки: внутренняя из листовой нержавеющей стали либо метлахской плитки, наружная из листовой стали. Между внутренней и наружной стенками проложена тепловая изоляция, обычно на основе стекловолокна. Температура внутренних стенок сушильной камеры не должна понижаться ниже точки росы во избежание оседания на стенках сухого порошка.

Для удаления высушенного продукта на полу камеры при цилиндрической форме и на отлогих стенках — при цилиндроконической установлено по две пары вращающихся скребков, которые подают продукт к выходному отверстию.

В сушильной камере расположены распылительные устройства трех видов: механические и пневматические форсунки и центробежные диски.

Движение распыленных частиц раствора и воздуха в камере может быть прямоточным, противоточным и смешанным. При сушке термолабильных материалов, в том числе молочных продуктов, предпочтительно прямоточное движение воздуха и частиц, так как оно позволяет применять более высокие температуры воздуха без опасности перегрева материала. Возможны верхняя и нижняя прямоточные подачи воздуха и раствора. При нижней подаче скорость воздуха в камере должна быть больше скорости витания наиболее крупных частиц материала. В этом случае все частицы высушенного продукта будут подниматься и уноситься с отходящим воздухом.

В зависимости от формы и размеров сушильной камеры количество осевшего и уносимого воздухом сухого продукта различно: в цилиндрических камерах остается 65—70% продукта, а 30—35% уносится воздухом; в камерах цилиндроконической формы оседает 30—35% сухого продукта и 65—70% уносится воздухом. Поэтому за сушильной камерой монтируют устройства для выведения сухого продукта из потока отходящего воздуха: рукавные матерчатые фильтры, циклоны, электрофильтры, вторичные мокрые пылеуловители.

При сушке в псевдоожиженном слое последний образуется при пропускании воздуха через слой измельченного сырья, расположенного на решетке. В начале слой разрыхляется, а затем переходит в состояние, напоминающее кипящую жидкость.

В сушильных установках, работающих по принципу движения нагретого воздуха сквозь слой материала, теплообмен увеличивается приблизительно вдвое по сравнению с установками, в которых движение сушильного агента происходит параллельно материалу. Дальнейшая интенсификация процесса сушки осуществляется за счет перехода материала, сквозь который продувается нагретый воздух, из неподвижного состояния во взвешенное.

Взвешенный слой подразделяется на кипящий, осуществляемый в каналах постоянного сечения, и фонтанирующий — в каналах переменного сечения с постепенным расширением по ходу движения сушильного агента.

Кипящий слой характеризуется непрерывным, беспорядочным движением и перемешиванием частиц в определенном объеме по высоте. Переход слоя частиц материала из неподвижного состояния в кипящее происходит при достижении критической скорости воздуха, проходящего сквозь слой материала. При этом перепад давления слоя приближается к равенству с массой слоя, приходящегося на единицу поверхности сетки. В кипящем слое масса частиц слоя материала уравновешивается силой трения обтекающего потока воздуха.

При прохождении воздуха сквозь слой частиц материала происходит падение напора из-за сопротивления трения о поверхность многочисленных каналов, образованных частицами, и местных сопротивлений от беспрерывных сужений и расширений в этих каналах. Вначале при малых скоростях слой частиц материала остается неподвижным, и увеличение скорости воздуха приводит к увеличению гидравлического сопротивления слоя по степенному закону. При дальнейшем увеличении скорости воздуха происходит разрыхление слоя, увеличение его объема, и при достижении критической скорости воздуха частицы материала переходят в кипящее состояние.

Высота кипящего слоя движущихся частиц — величина вполне определенная для каждой скорости воздуха, что объясняется определенной установившейся порозностью слоя и действительной скоростью воздуха в каналах между частицами материала.

Порозностью слоя называется отношение объема пустых промежутков между частицами к общему объему слоя:

m = (V – V _o) / V,

где V — насыпной объем слоя; V _o— суммарный объем частиц,

Действительная скорость воздуха в каналах слоя определяется отношением скорости воздуха в свободном сечении канала к порозности слоя.

Для неподвижного слоя круп, нарезанных плодов и овощей порозность слоя находится в интервалах от 0,28 до 0,52, а для кипящего слоя материалов интервал порозности колеблется от 0,55 до 0,83. Следовательно, действительная скорость воздуха в каналах между частицами материала, обеспечивающая кипящее состояние слоя, выше критической скорости воздуха, определенной прибором в свободном сечении камеры. Увеличение скорости воздуха приводит к возрастанию высоты кипящего слоями к увеличению порозности слоя.

Нижним пределом кипящего слоя является неподвижный слой материала, верхним пределом (явление пневмотранспорта) — скорость витания, при которой происходит совместное восходящее движение материала и воздуха. Критическая скорость воздуха должна быть меньше скорости витания, выше которой материал уносится с воздухом. При скорости витания υ_вит подъемная сила потока воздуха, действующая на отдельную частицу, при порозности m = 1 становится равной ее массе.

В начальной фазе кипящего слоя полного перемешивания всех частиц в процессе сушки не происходит. Интенсивное перемешивание частиц обеспечивается в развитой стадии кипящего слоя при вихревом кипении, когда высота слоя превышает начальную высоту слоя неподвижного материала.

Скорость воздуха оказывает влияние на продолжительность сушки материала в кипящем слое только в периоде постоянной скорости сушки. В периоде падающей скорости сушки уменьшение влажности материала практически не зависит от скорости воздуха, так как она не ускоряет перемещение влаги внутри материала. Поэтому сушку пищевых материалов следует проводить при минимальной скорости воздуха, обеспечивающей устойчивое движение и перемешивание частиц, т. е. развитую стадию кипящего либо фонтанирующего слоя.

Изучение влияния удельной нагрузки материала на сушку пищевых материалов в кипящем слое показало, что только в периоде постоянной скорости сушки наблюдается снижение скорости сушки при увеличении удельной нагрузки от 20 до 120 кг/м², что объясняется уменьшением среднеинтегральных значений потенциала нагретого воздуха при сушке. Удаление остаточной влаги, наиболее прочно связанной с материалом, в периоде падающей скорости сушки не зависит от величины удельной нагрузки материала. Общая продолжительность сушки этих материалов в развитой стадии кипящего слоя практически не изменяется при величинах удельной нагрузки до определенных пределов, так как возрастание удельной нагрузки при прочих равных параметрах нагретого воздуха приводит к увеличению периода постоянной скорости сушки.

Решающее влияние на ускорение процесса сушки пищевых материалов оказывают температура и потенциал нагретого воздуха. В отличие от сушки в неподвижном слое, ограниченной верхним пределом температуры нагретого воздуха 60—80 °С, при сушке термолабильных материалов в кипящем слое можно повысить температуру до 110—180 °С в зависимости от вида материала. Этому способствует активное перемешивание и движение частиц, выравнивающее температуру нагретого воздуха и частиц. При сушке в развитой стадии кипящего слоя исключаются местные перегревы, так как каждая частица равномерно омывается потоком нагретого воздуха со всех сторон.

Кондуктивный (или контактный) способ сушки основан на размещении слоя продукта на горячей поверхности, например на вальцах сушильной установки, за счет чего продукт нагревается. Испаряющаяся влага отводится из сушильной установки системой вентиляции.

Воздух при этом способе служит только для удаления водяного пара из сушилки, являясь влагопоглотителем. Коэффициент теплоотдачи при этом способе значительно выше, чем при конвективной сушке, и составляет 170-180 Вт/(м²∙К).

Температура в разных слоях материала различна: наибольшая — у слоя, контактирующего с греющей поверхностью, наименьшая — у наружного слоя. Влагосодержание в процессе контактной сушки постепенно увеличивается от слоев, соприкасающихся с нагретой поверхностью, к наружным слоям. Таким образом, скорость контактной сушки определяется только градиентом температуры VT, градиент влагосодержания VU оказывает тормозящее действие на перемещение влаги к поверхности материала. Градиенты влагосодержания VU и температуры VT совпадают только в слоях вблизи открытой поверхности материала, ускоряя перенос влаги.

Горячая поверхность чаще всего обогревается водяным паром температурой выше 100°С, поэтому контактирующие слои материала могут достичь этой температуры, в результате чего качество готового продукта ухудшится. Обязательное условие при этом способе сушки — хороший контакт материала с горячей поверхностью.

Контактная сушка пищевых материалов осуществляется в вальцевых сушильных установках в результате непосредственного контакта материала с нагретой плоской или цилиндрической поверхностью.

Этот способ применяется для сушки как твердых, так и жидких пастообразных продуктов.

Для сушки твердых продуктов среди контактных сушилок распространены шкафные, работающие при атмосферном давлении и под вакуумом.

Работа вакуумной сушилки основана на понижении под воздействием вакуума точки кипения вещества, находящегося в жидком состоянии. При соответствующем давлении (менее 200 кПа) можно добиться того, что вода будет кипеть при температуре 60 ^оС, т.е. ниже той, при которой начинаются необратимые изменения белков, жиров, углеводов и витаминов. Таким образом, материалы, высушенные при давлении 200 кПа и менее, сохраняют свои первоначальные свойства намного полнее, чем при сушке при атмосферном давлении.

Скорость процесса сушки под вакуумом в период постоянной в несколько раз, а в период переменной приблизительно в 2 раза выше, чем скорость сушки при атмосферном давлении.

Для сушки жидких и пастообразных продуктов применяются кондуктивные сушилки вальцового типа.

Во внутреннее пространство массивных вальцов поступает пар, а на их поверхность наносится жидкий продукт, покрывающий вальцы пленкой. В результате теплопередачи происходит интенсивный нагрев продукта и испарение из него воды.

Радиационный способ сушки предусматривает подвод тепла посредством радиации от источников излучения. Излучателями тепла могут служить нагретые поверхности металла или других каких-либо материалов (темные излучатели) или лампы инфракрасного излучения (светлые излучатели).

Инфракрасные лучи (ИКЛ) —невидимые тепловые лучи, отличающиеся от видимых только длиной волн: у инфракрасных 0,77-340 мкм, у видимых 0,38-0,76 мкм. Максимальная длина волны излучения определяется уравнением для черного тела согласно закону Вина: λ_maх = 2897/T. С повышением температуры излучателя максимум излучения смещается в сторону более коротких волн.

Поток радиационного излучения, который можно охарактеризовать как колебательный процесс, взаимодействуя с материалом, превращается в тепло.

Удельные, т.е. приходящиеся на 1 м², потоки теплоты в инфракрасных сушилках в десятки раз превышают потоки теплоты при конвективной и кондуктивной сушке сырья, что позволяет достигать высоких скоростей процесса. Однако, скорость сушки увеличивается не пропорционально увеличению теплового потока. Это можно объяснить прежде всего тем, что скорость сушки зависит не столько от скорости передачи теплоты, сколько от скорости перемещения влаги внутри материала, а в результате теплового облучения происходит быстрое нагревание не всего продукта, а лишь поверхности, поэтому интенсивно испаряется лишь поверхностная вода.

Для интенсификации сушки термоизлучением необходимо, чтобы ИК-лучи проникали в материал на возможно большую глубину, что зависит как от его оптических свойств и от длины волны излучения, легко изменяемой в необходимых пределах. Чем меньше длина волны, тем больше проникающая способность ИК-лучей.

Проницаемость пищевых материалов для ИК-лучей увеличивается с уменьшением толщины слоя и понижением влажности.

При сушке частиц пищевых материалов, характеризующихся малой проницаемостью, может произойти быстрое высушивание поверхностного слоя, и значительные градиенты температуры и влажности внутри частиц материала приведут к короблению и растрескиванию материала.

При сушке инфракрасными лучами в материале возникают перепады температур, под действием которых влага перемещается по направлению теплового потока внутрь материала. Кроме того, влага частично испаряется с поверхности, в результате чего происходит возрастание градиента влагосодержания ΔU, величина которого становится больше ΔT, и влага начинает перемещаться к наружной поверхности. Таким образом, градиент температуры ΔT оказывает тормозящее действие на перемешивание влаги. Поэтому для материалов, у которых размер частиц больше глубины проникновения инфракрасных лучей, рекомендуется прерывистое облучение. В период прекращения подачи ИКЛ температура на поверхности частиц материала падает вследствие продолжающегося интенсивного испарения, температурный градиент меняет свое направление (так как температура внутри частицы больше, чем на поверхности), и влага начинает перемещаться из центральных слоев к поверхностным под действием обоих градиентов: температуры и влагосодержания.

Электроконтакный способ сушки предусматривает обработку токами высокой – 10-25 мГц (ТВЧ) и сверхвысокой 300-300.000 мГц (ТСВЧ) частот.

По характеру излучателей инфракрасных лучей различают терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. Сушилки с электрическим обогревом компактны, просты в обращении и эксплуатации, безынерционны. Однако высокий расход электроэнергии и неравномерность сушки ограничивают их применение.

Терморадиационные сушилки с газовыми панельными излучателями более экономичны и обеспечивают более равномерную сушку, чем сушилки с электрообогревом.

Специфическим преимуществом ВЧ и СВЧ-методов перед другими способами подвода тепла является возможность достаточно равномерного прогрева изделия по всему объему вне зависимости от коэффициента теплопроводности и толщины продукта. При этом материал поглощает значительную энергию в весьма короткие промежутки времени.

Сущность ТВЧ и ТСВЧ заключается в том, что органический биологический материал, имеющий свойства полупроводников с преобладанием диэлектрических свойств, помещают между обкладками конденсатора, к которым подается ТВЧ и ТСВЧ, при этом заряд на обкладках периодически меняется. В состав пищевых продуктов входят ионы электролитов, электроны, молекулы полярных и неполярных диэлектриков, молекулы воды, обладающие дипольными моментами.

Обкладки конденсатора имеют противоположные заряды, поэтому электроны и ионы перемещаются внутри материала к той или иной обкладке. При смене заряда на обкладках они перемещаются в противоположных направлениях, дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные поляризуются в результате смещения их зарядов. В результате всех этих перемещений неизбежно возникает трение с выделением теплоты.

Глубина проникновения электрического поля в материал, а следовательно и эффект объемного нагревания, зависит от диэлектрических характеристик продукта (диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь) и его влажности, а также от структуры и частоты электромагнитных колебаний.

Чем меньше значение диэлектрической проницаемости, тем на большую глубину материала проникают электромагнитные колебания ТСВЧ.

Сушка ТВЧ и ТСВЧ основана на различии диэлектрических свойств воды и сухих веществ пищевых продуктов: влажный материал значительно быстрее нагревается, чем сухой.

Одно из преимуществ такого способа сушки заключается в том, что под действием токов ВЧ и СВЧ происходит регулируемый нагрев материала. Поверхностные слои материала за счет тепло- и влагообмена с окружающей средой легче обезвоживаются и охлаждаются, поэтому температура и влажность материала внутри выше, чем снаружи. Возникают градиенты влагосодержания и температуры, под действием которых влага изнутри перемещается к поверхности. При этом в отличие от конвективной сушки, направление обоих градиентов совпадает, что интенсифицирует процесс сушки и сокращает его в несколько раз, а следовательно и улучшается качество готового продукта.

Преимущества сушки ТВЧ и ТСВЧ по сравнению с конвективной и контактной состоят в возможности регулирования и поддержания определенной температуры материала, значительной интенсификации процесса обезвоживания, улучшении качества сушеных продуктов. В последние годы сушка ТВЧ практически не используется в промышленности из-за низкого КПД ламповых и машинных генераторов, больших затрат электроэнергии (от 2,5 до 5 кВт на 1 кг влаги).

Применение ТСВЧ получает все большее распространение и в сушильной технике. Современные генераторы ТСВЧ — магнетроны и клистроны — имеют КПД от 55 до 70% и затраты электроэнергии составляют 1,2 кВт на 1 кг испаренной влаги. Однако при слишком большой толщине продукта прогрев центрального слоя происходит за счет теплопроводности и скорость нагревания уменьшается. Поэтому для сохранения объемного нагрева толщина продукта не должна превышать 60 мм. Крупные изделия следует обрабатывать при прерывистом режиме нагревания, тогда в перерывах между СВЧ нагревом будет происходить выравнивание температурного и влажностного полей; расход СВЧ энергии при этом уменьшается. Основным недостатком этого способа сушки являются повышенный расход энергии, а также сложность и высокая стоимость оборудования.

Дата добавления: 2013-12-12