 |
Исследование процессов тепломассообмена при сушке пищевых продуктов и определение параметров ленточной сушилки
|
|
|
|
Цель работы:
- изучение процесса сушки растительного сырья,
- приобретение навыков расчета параметров ленточной сушилки.
Теоретическая часть
Сушка – это термический процесс удаления влаги из твердых материалов или растворов путем ее испарения или выпаривания. Удаление влаги требует определенных затрат энергии. Различают два основных принципа обезвоживания:
- удаление влаги из продукта без изменения ее агрегатного состояния (в виде жидкости),
- удаление влаги с изменением ее агрегатного состояния [1].
Первый принцип осуществляется механическим способом – прессованием, центрифугованием, фильтрованием и пр., второй – связан с затратами теплоты на фазовое превращение воды в пар.
По способу подвода теплоты к высушиваемому продукту различают следующие виды сушки:
- конвективная – соприкосновение продукта с сушильным агентом (нагретый воздух и др.);
- кондуктивная (контактная) – передача теплоты от теплоносителя к продукту через разделяющую их поверхность;
- радиационная – передача теплоты продукту излучением (инфракрасные лучи);
- сублимационная – сушка в замороженном состоянии в вакууме;
- диалектричекая (индукционная) – нагревание продукта токами высокой частоты.
Скорость сушки продукта определяется скоростью диффузии (перемещения) влаги из глубины продукта в окружающую среду. Удаление влаги при обезвоживании продукта относится к тепломассовым процессам, поскольку сопровождается перемещением теплоты и влаги внутри продукта и переносом с поверхности во внешнюю среду.
Сушка – это типичный нестационарный необратимый процесс, стремящийся к равновесному состоянию, при котором влагосодержание материала меняется не только в объеме, но и во времени.
|
|
|
Интенсивность сушки зависит от физико-химических свойств материала и движущей силы процесса.
Виды сушки и принципы обезвоживания определяются энергией связи влаги с материалом.
Формы связи влаги по классификации акад. Ребиндера П.А. делятся на три группы:
- химическая,
- физико-химическая,
- физико-механическая.
Химически связанная влага прочно соединена с материалом и удаляется при нагревании продукта до высокой температуры (прокаливание).
Физико-химическая связь объединяет два вида влаги: адсорбционную и осмотически связанную с материалом. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности и в порах материала, а осмотически связанная влага находится внутри клеток материала. Первая требует для своего удаления значительных затрат тепловой энергии, так как ее надо сначала превратить в пар, после чего она перемещается внутри материала в виде пара.
Физико-механическая влага делится на влагу макрокапилляров (со средним радиусом больше 10-7м) и микрокапилляров (со средним радиусом менее 10-7м). К этой форме влаги относится также влага смачивания и структурная влага (при образовании геля). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении продукта с влагой. В микрокапилляры влага поступает как при соприкосновении, ьтак и в результате поглощения из окружающей среды. Капиллярная влага перемещается в виде жидкости или пара.
В процессе сушки овощей и фруктов в первую очередь выделяется капиллярная влага, испаряющаяся как с поверхности продукта, так и изнутри капилляров. Эта часть влаги называется свободной влагой и ее испарение подчиняется закону испарения жидкости с открытой поверхности.
Все влажные материалы в зависимости от их коллоидно-физических свойств делятся на три вида:
- типичные коллоидные (желатин, агар-агар),
|
|
|
- капиллярно-пористые (древесный уголь и др.),
- капиллярно-пористые коллоидные (фрукты, овощи, мясо, творог и др.)
[2].
Выбор режимов процесса сушки и определение параметров сушильной установки обусловлены свойствами и характеристиками состояния влажного воздуха и их изменением при повышении температуры. Перед началом сушки сушильный агент представляет собой смесь сухого воздуха и пара. В процессе сушки его влажность увеличивается. Влажный воздух характеризуется следующими параметрами:
- барометрическим давлением,
- парциальным давлением водяного пара,
- абсолютной и относительной влажностью,
- влагосодержанием, энтальпией (теплосодержанием) и др. [3].
Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в 1 м3 влажного воздуха. Относительная влажность определяет влагоемкость воздуха, т.е. его способность насыщения парами влаги.
Влагосодержание равно массе водяного пара, находящегося во влажном воздухе, отнесенной к одному килограмму абсолютно сухого воздуха. Разность между температурой воздуха и температурой мокрого термометра определяет потенциал сушки, характеризующий способность воздуха поглощать влагу из высушиваемого материала 
, где 
- температура воздуха (сухого термометра), 
- температура мокрого термометра.
Температура мокрого термометра характеризует способность воздуха отдавать теплоту для испарения воды до полного насыщения ею воздуха.
При контакте продукта с влажным воздухом возможны два процесса:
- десорбция – испарение влаги из продукта при парциальном давлении пара над поверхностью продукта 
, превышающем его парциальное давление в воздухе 
;
- сорбция - увлажнение продукта, выражающееся в поглощении пара из окружающего влажного воздуха, когда < /
При равновесной влажности 
, которая определяет способность продукта удерживать влагу, температура продукта равна температуре окружающего воздуха.
Особенностью переноса теплоты при сушке продуктов является то, что они сопровождаются одновременным переносом влаги, те эти процессы являются тепломассобменными процессами. При испарении влаги с поверхности продукта возникает перепад влагосодержания между его наружным и внутренним слоями (возникает градиент влагосодержании, являющийся движущей силой процесса перемещения влаги), что приводит к ее перемещению от внутренних участков продукта к его поверхности с меньшей влажностью. Этот процесс носит название влагопроводности.
|
|
|
На показатели перемещения влаги оказывает влияние перепад температуры (температурный градиент внутри высушиваемого продукта), которая на поверхности продукта выше, чем в его внутренних слоях. Под влиянием температурного градиента часть влаги будет перемещаться от поверхности к внутренним слоям материала. Это явление называется термовлагопроводностью.
Характер протекания сушки описывается кривой сушки, которая строится в координатах влажность материала – время, и кривой скорости сушки, построенной в координатах скорость сушки – влажность материала, температурными кривыми в координатах температура материала – влажность материала [2].
Кривая сушки характеризуется периодом прогрева, продолжительность которого зависит от толщины материала, периодом постоянной скорости сушки, когда наблюдается постоянная скорость уменьшения влажности. В этот период давление над продуктом постоянно и равно давлению насыщенного пара при температуре мокрого термометра. Интенсивность процесса определяется параметрами сушильного агента и не зависит от влажности и физико-химических свойств продукта. Продолжительность периода постоянной скорости сушки увеличивается с повышением температуры, потенциала сушки сушильного агента, поскольку при этом уменьшается значение критической влажности продуктов.
В периоде убывающей скорости сушки (второй период) скорость обезвоживания продукта уменьшается по мере уменьшения влажности, температура продукта увеличивается, приближаясь к температуре сушильного агента. Процесс идет до момента достижения равновесной влажности продукта, соответствующей параметрам воздуха в сушилке.
Скорость сушки зависит от скорости движения воздуха и его температуры в сушилке. Интенсивность испарения влаги, кроме того, зависит от размеров и формы продукта, физико-химических свойств материала, высоты слоя, интенсивности перемешивания слоя и других факторов.
|
|
|
Для сушки пищевых продуктов используются камерные, ленточные. барабанные, распылительные, вихревые и другие виды сушильного оборудования.
Ленточные сушилки (рис.1) относятся к конструкциям туннельного типа с ленточным конвейером, на котором помещается высушиваемый материал. Конструктивно сушилки могут выполняться в горизонтальном (с одним конвейером) или вертикальном исполнении (с несколькими конвейерами, расположенными друг над другом) и работать как с циркуляцией, так и с промежуточным подогревом воздуха. В качестве е сушильного агента используются топочные газы, воздух или перегретый пар.
Конвейеры сушилки изготавливается из металлической сетки или перфорированной ленты. Ширина ленты составляет от 0,4 до 2 м. Скорость перемещения ленты на конвейерах сушилки регулируется и составляет 0,1…0,3 м/мин. Для нагревания воздуха в корпусе сушилки устанавливаются калориферы.
Интенсивность сушки в ленточных сушилках колеблется от 5 до 30 кг/(м2 ч) в зависимости от вида и свойств высушиваемого материала.
Рис. 1. Технологическая схема ленточной сушилки
Расчетная часть
Требуется выполнить расчет параметров ленточной сушилки по исходным данным:
- вид высушиваемого продукта,
- время сушки, мин, 
;
- производительность, кг/ч, 
,
- влагосодержание продукта, кг/кг, 
,
- допустимая температура нагрева продукта, 0С, 
= 120…125
Варианты заданий
| Вариант | Производительность, кг/ч, 
| Вид продукта | Время сушки, мин,
| Начальная температура продукта,  , 0С
|
| Овсяная крупа | ||||
| Перловая крупа | ||||
| Гречневая крупа | ||||
| Рисовая крупа | ||||
| Пшеничная крупа |
Характеристики вареных круп [4].
| Вид крупы | Удельная теплоемкость, кДж/ (кг К), 
| Насыпная плотность, кг/м3, 
| Плотность частиц крупы, кг/м3, 
| Влагосодержание, кг/кг | |||
начальное, 
| критическое,
| конечное,
| равновесное,
| ||||
| Овсяная | 1,4…1,8 | 0,36…0,42 | 0,21…0,23 | 0,1 | 0,114 | ||
| Перловая | 1,75…2,01 | 0,38…0,42 | 0,2…0,21 | 0,1 | 0,114 | ||
| Гречневая | 1,17…1,38 | 0,4…0,43 | 0,21…0,22 | 0,1 | 0,114 | ||
| Рисовая | 1,57…1,78 | 0,28…0,31 | 0,19…0,2 | 0,1 | 0,113 | ||
| Пшеничная | 1,38…1,78 | 0,39…0,44 | 0,21…0,22 | 0,1 | 0,114 |
1.Производительность сушилки, кг/ч:
- по абсолютно сухому продукту 
- по исходному продукту 
,
- по испаряемой влаге 
, 
.
2.Выбор температурного режима сушилки по фактору термообработки
Условие 
.
, где 
- конечная температура продукта, 
, температура продукта на выходе сушилки 
.
|
|
|
3.Удельный расход теплоты на нагрев материала, кДж/кг
, где 
кДж/(кг К) – удельная теплоемкость воды.
4.Средняя удельная теплота связанной влаги, кДж/кг
, где 
кДж/кг – постоянная величина.
Принимаем удельные тепловые потери 
кДж/кг.
4.Изменение энтальпии сушильного агента, кДж/кг
. 
Энтальпия воздуха в начале процесса 
, где 
кДж/(кг К) – удельная теплоемкость наружного воздуха; 
кДж/кг – удельная теплота парообразования при 00С; 
кДж/(кг К) – удельная теплота пара; 
кг/кг – начальное влагосодержание воздуха, поступающего в калорифер сушилки.
5.Энтальпия пара, содержащегося в воздухе, в конце процесса, кДж/кг
.
6.Энтальпия воздуха в конце процесса, кДж/кг
.
7.Влагосодержание воздуха в конце процесса, кг/кг
.
Изменение влагосодержания воздуха 
.
8.Удельный расход воздуха, кг/кг
.
Расход воздуха, кг/ч
.
9.Масса сухого воздуха в сушилке, кг
.
10.Требуемая площадь поверхности ленты конвейера, м2
, где 
кг/м2 – нагрузка сухого материала на ленту.
Нагрузка на ленту в начале процесса сушки 
Нагрузка на ленту в конце процесса сушки 
11.Высота слоя материала на ленте, м
.
Контрольные вопросы
1.Что называется процессом сушки, и какова ее сущность как физического процесса?
2.Какие существуют виды сушки по способу подвода теплоты к высушиваемому продукту?
3.Какие основные периоды характерны для процесса сушки?
4.Какими факторами определяется скорость сушки пищевых продуктов?
5.Каковы формы связи влаги по классификации акад. Ребиндера П.А.?
6.В каких отраслях пищевой промышленности используются ленточные сушилки?
7.Каковы преимущества и недостатки ленточных сушилок?
Литература
1.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 8-е изд. – М: Химия, 1971, 784с.
2.Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. – М: Химия, 1988, 352с.
3.Кретов И.Т. и др. Технологическое оборудование предприятий пищеконцентратной промышленности. – Воронеж: Изд. Воронеж. Ун-та, 1996. 448с.
4.Остриков А.Н. и др. Практикум по курсу технологическое оборудование. – Воронеж, ВГТА, 1999. 424с.
5.Лисовенко А.Т. Технологическое оборудование хлебозаводов и пути его совершенствования. – М: Легпищепром, 1982. 208с.
6.Гатилин Н.Ф. Проектирование хлебозаводов. – М: Пищ. пром-ть, 1975. 374с.
7.Маклюков И.И., Маклюков В.И. Промышленные печи хлебопекарного и кондитерского производства. – М: Легпищепром, 1983, - 273с.
8.Соколов А.Я. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. – М: Машиностроение, 1969. 639с.
9.Андреев В.Г. и др. Лабораторный практикум по технологическому оборудованию пищевых производств. – М: МТИПП, 1990. -79с.
10.Аминов М.С. и др. Технологическое оборудование консервных заводов. – М: Пищ. пром-ть, 1986. -319с.
11.Бабарин В.П. Стерилизация консервов. -С.Пб: ГИОРД, 2006.-312с.
|
|
|
