Изображение сушилки на технологической схеме

Обновлено: 03.05.2024

Представляется целесообразным изучить и реализовать на практике возможность наиболее экономичного с энергетической точки зрения совмещения двух физических механизмов сушки (конвекционного и инфракрасного или микроволнового) и достижения на этой основе дальнейшего существенного снижения энергоемкости процесса обезвоживания.

Во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства приходится сталкиваться с необходимостью снижения влажности различных продуктов и материалов.

Применительно к сельскому хозяйству и пищеперерабатывающим отраслям промышленности это связано с общей задачей повышения сохраняемости плодоовощной и прочей сельскохозяйственной продукции, для чего в последние десятилетия были созданы многочисленные технологии сушки различных продуктов (доведение их до такой влажности, при которой содержащиеся в них сахара начинают играть роль консервантов). Причем эти технологии находят все более широкое применение [1, 2, 3, 4], наблюдается формирование сушильной отрасли промышленности и увеличение производства сушеных овощей и фруктов.

При любом масштабе использования сушильных технологий принципиальной представляется реализация ряда технико-экономических параметров, таких как минимально возможная энергоемкость процесса, максимальная однородность сушки, минимальное время выхода на заданную влажность, и некоторых других характеристик обезвоживания. Эти параметры могут быть обеспечены грамотным подходом к выбору наиболее подходящих к данной конкретной ситуации базовых физических процессов, приводящих к обезвоживанию продуктов, соответствующих им технологий сушки и, наконец, за счет создания оборудования, на котором указанные процессы и технологии могут быть реализованы.

На сегодняшний день существует большое количество различных технологий сушки (обезвоживания): естественная сушка, аэрационная [2], конвекционная [2, 3, 4, 5, 6, 7], сушка в псевдокипящем слое [2, 8], инфракрасная сушка [3, 9, 10, 13], микроволновая [1, 3], сублимационная [3] и т.д. Проведем сравнительный анализ этих технологий, базирующийся на использовании относительно небольшой системы параметров (критериев): производительности, энергоемкости, скорости сушки, сохраняемости в процессе сушки полезных веществ и витаминов и т.д. Из результатов его с очевидностью следует, что наиболее широко используемые в сельскохозяйственной, пищеперерабатывающей и других отраслях промышленности технологии и оборудование, основанные на конвекционных механизмах обезвоживания [2], не обеспечивают достаточно высокого качества получаемой продукции и характеризуются большой энергоемкостью процесса. Указанные недостатки конвекционной сушки обусловлены спецификой взаимодействия горячего воздуха (либо иного теплоагента) с высушиваемыми объектами на различных этапах процесса сушки. На начальном этапе сушильного процесса взаимодействие протекает достаточно эффективно, энергоемкость процесса мала, а скорость сушки достаточно высока. Однако по мере высыхания продукта и связанного с этим снижения его тепло- и массопроводящих характеристик все большая доля тепловой энергии не проникает в глубь высушиваемых продуктов, а переизлучается в пространство. Энергоемкость процесса возрастает, время сушки многократно увеличивается, возникают локальные перегревы продукта (в первую очередь его поверхностных слоев). Это напрямую отражается на качестве готовой продукции. Так, для пищевых продуктов увеличение времени и температуры процесса сушки приводит к потере пищевой ценности продукта (снижению сохраняемости содержащихся в нем полезных веществ и витаминов), ухудшению его органолептических характеристик (локальным изменениям цвета, слипанию отдельных частиц и т.д.).

Особенно большое влияние указанной специфики процесса конвекционной сушки на технико-экономические параметры процесса и качество конечной продукции наблюдается при обезвоживании продуктов с невысоким исходным влагосодержанием. Так, например, для таких пищевых продуктов, как высококрахмальные сорта картофеля, чеснок, острые сорта лука, у которых исходное содержание влаги не превышает 250-300%, ограничения, свойственные конвекционным методам сушки, проявляются практически с самого начала процесса обезвоживания. Полученные такими методами сушеные продукты принципиально непригодны для последующего использования в качестве ингредиентов детского и диетического питания, имеют ограниченное применение в консервной и других отраслях пищеперерабатывающей промышленности.

Большая энергоемкость процесса приводит в целом по сушильной отрасли к неоправданным потерям энергии, повышенному потреблению жидких и газообразных видов топлива, энергия сжигания которых используется в процессах конвективной сушки. Следствием последнего является также и снижение экологической чистоты как техпроцесса сушки, так и собственно получаемых с помощью конвекционных технологий сушеных овощей и фруктов.

Близкие по сущности проблемы возникают при использовании менее распространенных, но имеющих подобные же недостатки технологий сушки в псевдокипящем слое и других, основанных (как и конвекционная сушка) на поверхностном обогреве высушиваемых продуктов.

Очевидно, что современные и обеспечивающие высокое качество конечного продукта технологии сушки должны опираться на иные физические механизмы обезвоживания, на физические процессы, ход которых не так сильно связан с изменяющимися в процессе сушки собственными свойствами продуктов (в первую очередь с их тепло- и массопроводностью).

Весьма перспективно в этом плане использование ИК-сушки и микроволновой сушки [9, 10, 11, 13] ввиду ряда важных отличий от классических методов нагрева. Во-первых, не требуется наличия теплоносителя, способствующего загрязнению обрабатываемого материала; отсутствуют взрывоопасные концентрации и потери материала за счет уноса. Во-вторых, материал не перегревается вблизи теплопередающей стенки; тепловыделение происходит в объеме материала, и его температура выше, чем температура стенок аппарата. В-третьих, оптимальными конструкционными материалами являются второпласт, кварцевое стекло и т.п., которые обеспечивают высокую стерильность процесса, но создают серьезные затруднения при подводе тепла обычными методами. В-четвертых, интенсивность нагрева не зависит от агрегатного состояния материала, только от его оптических, диэлектрических свойств и напряженности СВЧ- поля.

Для сушки тонких слоев очень эффективно использование ИК-нагрева [13]. В этом случае интенсификация сушки увеличивается в 1,5-2 раза при снижении энергозатрат в 1,5 раза [13].

В настоящее время существует достаточно большое количество различных методов искусственного обезвоживания (сушки) продуктов растительного происхождения и соответствующих им конструкций сушильного оборудования. При создании последних необходимо придерживаться определенных требований. Прежде всего, конструкция оборудования должна обеспечивать равномерный нагрев и сушку продукта при надежном контроле его температуры и влажности. Кроме того, сушильное оборудование должно иметь меньшую металлоемкость. И, наконец, современное сушильное оборудование должно быть универсальным в части возможности сушки различных материалов.

Установки для сельскохозяйственной продукции классифицируют по целому ряду признаков [3]:

По способу подвода тепла к влажному материалу: конвекционные, кондуктивные (контактные), радиационные (с инфракрасным излучением или с токами высокой (ТВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частоты).
По давлению воздуха в сушильной камере: атмосферные, вакуумные, сублимационные.
По характеру работы: аппараты периодического и непрерывного действия.
По виду сушильного агента: аппараты, использующие нагретый воздух, дымовые газы, смесь воздуха с дымовыми газами или перегретый пар.
По циркуляции сушильного агента: установки с естественной и с принудительной циркуляцией при помощи центробежных и осевых вентиляторов.
По характеру движения сушильного агента относительно материала: прямоточные (при одинаковом направлении сушильного агента и материала), противоточные (при противоположном движении сушильного агента и материала), с пронизыванием слоя материала потоком сушильного агента.
По способу нагрева сушильного агента: сушильные установки с паровыми, огневыми, электрическими калориферами.
По кратности использования сушильного агента: с однократным и многократным использованием нагретого воздуха в различных вариантах.
По виду объекта сушки: для твердых (крупных, мелких, пылевидных), жидких и пастообразных материалов.
По конструктивным признакам: тоннельные, камерные, шахтные, коридорные, барабанные, вальцевые и др.

По важнейшему классификационному признаку — способу подвода тепла — сушилки бывают: конвекционные (высушиваемый материал омывается потоком предварительно нагретого сушильного агента), контактные (непосредственный контакт высушиваемого материала с нагреваемой поверхностью), сублимационные (удаление влаги в замороженном состоянии под вакуумом), радиационные (высушивание под действием инфракрасного излучения) и высокочастотные (удаление влаги под действием электрического поля высокой частоты).

Самое широкое промышленное применение получили конвекционные сушилки различных конструкций (камерные, барабанные, пневматические, ленточные, с кипящим слоем и пр.).

В основном варианте конвекционной сушилки сушильный агент, предварительно нагретый в калорифере до максимально допустимой температуры, движется через рабочую камеру, непосредственно соприкасаясь с высушиваемым материалом. Отличительная особенность этого варианта — однократный нагрев и однократное использование сушильного агента.

В камерной сушилке основным узлом является сушильная прямоугольная камера, внутри которой помещается высушиваемый продукт. Камерные сушилки непрерывного действия неудобны в эксплуатации, имеют низкие технико-экономические показатели и трудно поддаются автоматизации, поэтому в настоящее время используются камерные сушилки периодического действия. Сушка осуществляется либо чистым нагретым воздухом, либо смесью топочных газов с воздухом. Сушилки бывают двухкамерные, коридорного типа, шкафные.

Барабанные сушилки представляют собой цилиндр с внутренней насадкой для пересыпания и перемешивания материала с целью улучшения его контакта с сушильным агентом. Барабан устанавливается либо горизонтально, опираясь бандажами на опорные ролики, либо с небольшим наклоном (0,5-0,3°). Известны сушилки с диаметром барабана до 3500 мм и длиной его до 3,5-7 диаметров. Барабан медленно вращается (0,5-0,8 об./мин.) [12].

Пневматические сушилки состоят из одной или нескольких последовательно соединенных вертикальных труб. Высушиваемый материал перемещается по этим трубам потоком сушильного агента, скорость которого превышает скорость движения наиболее крупных частиц (обычно 10-40 см/с). Вследствие кратковременности контакта (1-5 с) эта сушилка пригодна для термически нестойких материалов даже при высокой температуре сушильного агента.

В ленточных сушилках высушиваемый материал движется по бесконечной ленте (или на нескольких последовательно расположенных лентах), натянутой между ведущим и ведомым барабанами. Сушка осуществляется горячим воздухом или топочными газами, движущимися вдоль лент или в перекрестном токе. В настоящее время наиболее известны ленточные сушилки TS-P-5 (фирмы ZER), S-5-5 и S-10-10 (фирмы Sandvik) КСК-45 (Шебекинский завод, Россия) и др.

Общий для всех перечисленных выше установок принцип конвекционной сушки состоит в продувке слоя продуктов подогретым воздухом либо иным теплоагентом. Скорость испарения (масса испаренной в единицу времени влаги) dx/dt с поверхности S зависит от соотношения парциального давления пара в окружающей среде h, парциального давления насыщенного пара в пограничном слое продукта H и общего барометрического давления В следующим образом:

Контактные (например, вальцовые) сушилки используются для сушки материалов под атмосферным давлением или под вакуумом. Бывают одно- и двухвальцовые сушилки. Основной их частью являются медленно вращающиеся (2-10 об./мин.) вальцы, в которые через полую цапфу поступает греющий пар. Высушиваемый материал поступает на вальцы, налипает на их поверхность тонким слоем (1-2 мм), высушивается и срезывается ножом. Коэффициент теплоотдачи при этом способе значительно выше, чем при конвекционной сушке, и составляет 170-180 Вт/(м 2 -К) (для типовой конвекционной — 3-10 Вт/(м 2 -К)). Однако это не приводит к существенному снижению теплоемкости процесса, так как основные проблемы обоих методов обусловлены теплообменом не на границе материала, а в его внутренних слоях. В целом же контактная сушка имеет весьма ограниченное применение.
Сублимационные сушилки используются для сушки пищевых продуктов в замороженном состоянии в условиях глубокого вакуума. Основное количество влаги (75-90%) удаляется при сублимации льда при температуре продукта ниже 0° (остаточное давление — 6,65-332,5 Н/м, или 0,05-2,50 мм рт.ст.), и только удаление остаточной влаги происходит при нагреве материала до 40-60°С. При сублимационной сушке отсутствует окислительное действие кислорода воздуха, в результате продукты сушки отличаются высоким качеством, сохраняют питательные вещества, обладают повышенной восстанавливающейся способностью, имеют незначительную усадку, сохраняют цвет, имеют пористое строение. С точки зрения сохранения качества сублимационная сушка является наиболее совершенной из всех способов сушки. Однако такие сушилки используются крайне редко вследствие чрезмерной себестоимости производимой с их применением продукции.
Инфракрасные сушилки. По типу излучателей ИК-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.

Микроволновая сушка. За несколько десятилетий, прошедших с момента появления научных и технических предпосылок для создания аппаратуры и технологий СВЧ-сушки, создано огромное количество различных вариаций установок СВЧ-нагрева. Микроволновые установки, или СВЧ-установки — оборудование, работающее в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длине волн от 1 м до 1 мм. Наибольшее распространение в качестве генератора СВЧ-излучения в микроволновых установках нашли магнетроны на 2450, 2375 МГц и мощностью от 0,5 до 1 кВт. КПД отдельных конструкций магнетронов достигает 85%.

Микроволновое излучение обеспечивает высокое качество продукции, энерго- и ресурсосбережение, быстроту приготовления, при этом нагрев происходит по всему объему продукта, уменьшается разрушение содержащихся витаминов, биологически активных веществ и эфирных масел.

Во влажном продукте при достаточно больших значениях параметров тепло- и массопроводности конвекционная сушка имеет преимущества в силу существенно более высокого КПД получения энергии (теплоты). По мере уменьшения (в процессе обезвоживания продуктов) параметров тепло- и массопроводности и естественного снижения эффективности конвекционной сушки менее энергоемкой становится инфракрасная и микроволновая сушка. Таким образом, представляется целесообразным изучить и реализовать на практике возможность наиболее экономичного с энергетической точки зрения совмещения двух физических механизмов сушки (конвекционного и инфракрасного или микроволнового) и достижения на этой основе дальнейшего существенного снижения энергоемкости процесса обезвоживания.

Литература

Кунилова Т.М., аспирант, Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Читайте также: