Кондуктивные сушилки назначение устройство и принцип действия

Обновлено: 05.05.2024

В ходе хранения пищевые продукты подвержены ферментативным, биохимическим и микробиологическим изменениям, которые приводят к быстрой их порче. В статье рассмотрены способы сушки для целей АПК.

Так уж сложилось, что в ходе хранения пищевые продукты подвержены ферментативным, биохимическим и микробиологическим изменениям, которые приводят к быстрой их порче.

Для подавления роста микроорганизмов издавна использовался метод удаления влаги при помощи искусственной, либо же естественной сушки. Практически любое растительное сырье характеризуется значительным содержанием воды и сравнительно низким количеством сухого вещества. При этом около 5% влаги прочно связано с клеточными коллоидами, в то время как основная часть находится в свободном виде и может быть удалена при помощи специального оборудования – промышленных сушилок.

Конструкции промышленных сушилок

Сушилки, использующие законы термодинамики (выпаривание влаги из сырья) Обычно промышленная сушилка представляет собой специализированную конструкцию использующую для высушивания сырья законы термодинамики, которая создает среду обладающую свойствами теплоносителя с целью отвода/подвода тепла, и высушивания таким образом обрабатываемого сырья. За годы существования оборудование для сушки было совершенствовано множество раз, и на сегодня этот процесс не остановлен. Современные конструкции очень разнообразны. Применение конкретных схем и отдельно взятых узлов определяется геометрией, химическими и физическими свойствами высушиваемого сырья, типом сушильного агента, режимами работы. Наиболее широко распространенными являются типовые конструкции сушильных установок: – атмосферные; – коридорные; – барабанные; – камерные; – вакуумные; – вакуумно-импульсные.

Существенным недостатком такого рода сушилок является существенное энергопотребление и не высокое сохранение полезных веществ в конечном продукте.

Специальные виды сушилок

Вреди всего разнообразия сушильных агрегатов принято выделять специальные их типы, к которым относятся: – высокочастотные; – сублимационные; – контактные; – конвективные пневматические; – инфракрасные.

Сушилки нового поколения Промышленные сушилки кинетического типа не используют законов термодинамики и более экономичны. Первой сушилкой на принципе кинетического выбивания влаги стала запатентованная канадская технология KDS для сыпучих продуктов (работает с влажностью сырья до 65%), гораздо дальше пошли наши российские разработчики технологии АСКТ (проработана технология сушки сырья до 90-95%) совместив в одной сушилке 6 способов обезвоживания сырья, где также одним из способов является кинетическое воздействие частиц сырья друг на друга.

Итак разберем подробнее устройство промышленных сушилок на примерах

Атмосферные сушилки конвективного типа

Атмосферная сушка осуществляется в условиях открытого пространства, либо под навесом. Вследствие малой способности воздуха при низких температурах поглощать пары влаги, такой процесс происходит достаточно долго, а зимой практически останавливается. Именно поэтому на смену такой технологии пришла более прогрессивная – атмосферная конвективная сушка. Принцип её действия основан на загрузке в специально оборудованную камеру высушиваемого сырья, где оно остается неподвижно. Сушка выполняется в воздушной или среде сгорания топлива. К существенным недостаткам такого метода относятся неравномерность высушивания, высокая трудоемкость погрузочно-разгрузочных работ, огромные теплопотери на аккумуляцию ограждающих стенок. При всем этом такое оборудование нашло себе применение в машиностроении и металлургии. Однако как сушилка овощей такой агрегат не подойдет, ведь его использование как минимум будет не рентабельно.

Коридорные сушилки

Принцип работы туннельных или коридорных сушек основан на перемещении материала, на транспортном оборудовании вдоль специального нагнетательного канала. Скорость сушки определяется частотой перемещения сырья и интенсивностью движения сушильного агента. Для повышения эффективности используется зонирование, либо полная рециркуляция рабочей среды. Таким образом, повышается средняя температура, и степень влажности сушильного агента.

Классической конструкцией туннельных сушилок является несколько параллельно расположенных и частично закрытых каналов, по которым движется сушильный агент и нагруженные материалом вагонетки. Вентиляционная система расположена, как правило, в торце – в месте загрузки сырья. Из-за сравнительно небольшой подвижности материала и возможности расслаивания в каналах нагретого и холодного воздуха, наблюдается неравномерность высушивания. Для устранения такого негативного эффекта лучше всего использовать туннели со ступенчатым подогревом.

Барабанные сушилки

Сушилки барабанной конструкции предназначены для обработки кускообразных, зернистых, и сыпучих материалов, например угля, известняка, глины, песка, пастообразных материалов. Зависимо от метода передачи тепла от сушильного агента к сырью принято различать три вида барабанных сушилок: 1. Косвенного действия – тепло передается через стенки барабана. 2. Прямого действия – сушильный агент непосредственно касается материала. 3. Смешанного типа – конструкции, в которых объединены два первых способа.

Большая часть таких сушилок представляют собой наклонный конический, либо цилиндрический барабан, вращающийся с постоянной скоростью. Внутри конструкции устанавливают специальные насадки, которые обеспечивают интенсивность перемешивания и ускоряют тем самым сушку. В ходе вращения лопасти подхватывают и поднимают вверх часть обрабатываемого материала, который последовательно стекает или падает в потоке газа. Такое пересыпание значительно увеличивается площадь контакта сырья с сушильным агентом.

Камерные сушилки

Камерные типы сушилок являются самыми распространенными и позволяют обрабатывать сырье в любом первоначальном состоянии. Сушильным агентом выступает топочные газы, нагретый воздух, несколько реже – водяной перегретый пар. Камерные сушилки конструктивно представляют собой камеру, которая состоит из специализированных полок, подвижных вагонеток, противней, сеток, где располагается высушиваемые материалы. Такие установки универсальны, ведь позволяют достаточно просто организовать рециркуляцию определенного сушильного агента, либо быстро подстроить режим под конкретное сырье. Сегодня существует огромное количество конструкций камерных сушек, принцип действия которых остается одинаковым, различаются только способы выгрузки/загрузки и тип циркуляции сушильного агента.

Главным недостатком такого оборудования является огромный расход тепла, которое затрачивается на прогрев всей конструкции вследствие цикличности работы. Кроме того высушивание любого материала происходи неравномерно на нижних и верхних полках-ярусах.

Высокочастотные сушилки

Принцип действия таких агрегатов заключается в преобразовании переменного тока в ток высокой частоты, подводящийся к конструкции пластинчатых конденсаторов, между которыми перемещается обрабатываемый материал при помощи ленточного конвейера. Электрическое поле высокой частоты способствует выделению тепла и подсушиванию материала. Контролируя напряженность поля, регулируется температурный градиент а, следовательно, и интенсивность сушки. К примеру, таким образом производится витаминно-травяная мука.

Достоинства: высокочастотная сушилка фруктов отличается большой скоростью обработки сырья и равномерностью сушки объемных материалов. Недостатки: дороговизна оборудования и значительные затраты на электроэнергию.

Сублимационные сушилки

В данном агрегате сушильная камера (сублиматор) оборудована пустотелыми плитами, по которым беспрерывно циркулирует нагретая вода. Высушиваемое сырье располагается на противнях, установленных на эти плиты. Тепло от последних передается материалу излучением. Смесь пара и воздуха от сублиматора переходит к трубам вымораживательного конденсатора, где происходит процесс конденсации и замораживания отработанных водяных паров. Использование такой технологии актуально при предъявлении высоких требований к высушенному продукту относительно сохранности ее свойств на протяжении длительного времени хранения. Сегодня способом сублимации сушат только особо ценное сырье, которое не переносит тепловой сушки (например, сушилка трав).

Достоинства: высушенная продукция полностью сохраняет собственные биологические качества на протяжении длительного периода времени. Недостатки: дороговизна технологии и эксплуатации.

Контактные сушилки

Контактные устройства активно применяются в условиях, когда использование высокопроизводительного оборудования не оправданно. По конструкции такое оборудование представляет собой сушильную камеру, в которой расположены пустотелые плиты, обогреваемые изнутри водой или паром. Обрабатываемое сырье находится в лотках, установленных поверх таких плит. Для улучшения эффективности работы контактные сушильные установки оборудуют устройствами создания вакуума.

Достоинства: допускаются для высушивания взрывоопасных веществ и материалов, которые выделяют ценные или вредные пары (например, сушилка навоза, помета и пр.). Недостатки: сравнительно низкая производительность и эффективность из-за неподвижности сырья.

Конвективные пневматические сушилки

Их еще ошибочно называют аэродинамическими сушилками. Используются для высушивания кристаллических и зерновых материалов во взвешенном состоянии. Процесс выполняется в вертикальной трубе, длина которой может достигать 20м. Частички материала перемещаются в потоке разогретого воздуха. Сырье подается из бункера в трубу, где увлекается воздушным потоком, нагнетаемым при помощи мощного вентилятора и нагреваемого калорифером. Горячий воздух выносит просушенный материал в специальный сборник, откуда удаляется посредством специального разгрузочного приспособления. Воздух после фильтрации устраняется в атмосферу.

Достоинства: простота конструкции, компактные размеры. Недостатки: большой расход энергии, область использования строго ограничена, входящая влажность сырья не превышает 65%

Инфракрасная сушилка

Принцип действия инфракрасной сушилки основан на проникновении ИК-излучения непосредственно вглубь обрабатываемого материала. При этом поглощение спектра осуществляется не мягкими тканями сырья, а самой влагой. Таким образом, любой продукт может быть избавлен от лишней воды без потери каких-либо полезных свойств. Кроме того, если положить обработанные овощи в воду на определенное время, то они способны практически полностью возвратить свою первичную форму. Процесс сушки производится при низких значениях температур 40-60 градусов.

Достоинства: простота процедуры обработки; восстановление формы при вымачивании в воде. Недостатки: сравнительно большая стоимость, низкое сохранение полезных веществ

Принципы выбора промышленной сушилки

Подбор типа и конструкции промышленной сушилки зависит от сферы использования и от планируемой интенсивности загрузки такого оборудования. Благодаря современному широчайшему ассортименту достаточно легко можно запутаться, именно поэтому при выборе следует предварительно учесть следующие моменты: 1. Рабочий объем – способность агрегата осуществить сушку определенного количества сырья за один цикл. 2. Принцип работы и тип сушильного агента. 3. Потребляемая мощность на один цикл. 4. Производительность. 5. Возможность совершенствования и наличие дополнительных опций.

Обратите свое внимание – промышленная сушилка АСКТ Яваджра

Экономический эффект метода состоит в том, что по качеству получаемой продукции его можно сопоставить с методом лиофилизации (сублимации), а по себестоимости он дешевле любых аналогов (ротор, шкаф, барабан, пневмосушка (псевдо аэродинамика) и другие методы, которые используют классические законы термодинамики). А также превосходит канадскую технологию KDS – метод кинетического выбивания влаги.

Технология АСКТ Яваджра (аэродинамическая сушилка комбинированного типа) – самая новая и перспективная на сегодня технология. Для удаления 1 тонны воды требуется до 100 кВт энергии (в барабане около 1 мВТ, в сублимационной камере около 5 мВТ). Температура воздействия от 30 до 90 градусов Цельсия (а в случае, когда требуется сохранить максимум белка и витаминов режим сушки 30-60 градусов Цельсия). Время воздействия температурой при сушке всего 18 секунд. Потери полезных веществ сопоставимы с методом сублимации 5,7-12% (в зависимости от режима сушки). Производительность же сушилок АСКТ в час вполне сопоставима с классической барабанной сушилкой.

Таким образом на сегодняшний день экономически эффективно и оправдано использование в производстве пищевых порошков премиум класса, сухих пайков, детского питания, Бадов, кормов с высокими показателями по БАВ и протеину, высокоэффективных удобрений из навозов и пометов именно сушилки на принципе АСКТ Яваджра. Именно эта технология сегодня наиболее эффективна как по энергозатратам, так и по качеству получаемой продукции.

Наши установки на сегодняшний день не имеют аналогов в мире ни по качеству получаемой продукции, ни по производительности, ни по себестоимости тонны готового продукта.

Можно сушить и перерабатывать в порошок, гранулу, экструдат: фрукты, овощи, зелень, травы, любые кормовые, навоз, помет, мясо (нежирное), рыбу, отходы от боен, птицефабрик и рыбпроизводства с высокой экономической эффективностью.

Готовы ответить на любые вопросы. И ищем партнеров для сотрудничества.Хотите купить производственное оборудование?

1. Общий технологический процесс производства сухих молочных продуктов

Производство сухого цельного молока от приемки до сгущения включает операции, общие для выработки молочных консервов. После получения сгущенного молока возникает необходимость проведения его гомогенизации, так как после сгущения происходит дестабилизация жировой фракции молока, заключающаяся в выделении свободного жира, что ведет к его окислению и порче продукта при хранении.

После гомогенизации сгущенное молоко накапливается в емкости с последующей подачей его на сушку. Сухое цельное молоко имеет влажность 4–7 % и жирность 20–25 %.

В зависимости от метода удаления влаги применяют различные способы сушки: пленочный (контактный), распылительный (воздушный) и сублимационный.

При производстве сухого молока пленочным способом применяют вальцовые сушилки. Сгущенное молоко наносится тонким слоем на два вращающихся вальца. Во внутреннюю полость вальцов подается пар температурой 105–130 ºС. При контакте сгущенного молока с горячей поверхностью вальцов, оно высушивается в виде тонкой пленки. Пленка снимается ножами, и сухая крошка подается элеваторам в мельницу, где размалывается. Время сушки не должно превышать 2 с, так более длительная сушка вызывает денатурацию сухого молока.

Так как сухое молоко, полученное пленочным способом, имеет низкую растворимость, его променяют при сушке обезжиренного молока и сыворотки.

Сушка молока распылением осуществляется в результате контакта сгущенного продукта с горячим воздухом.

При сублимационной сушке удаление влаги происходит из замороженных продуктов с содержанием сухих веществ до 40 %. Процесс сублимационной сушки осуществляется при температуре замороженного продукта (–25 ºС) при разряжении в сублиматоре 0,0133–0,133 кПа. Продукт, полученный при сублимационной сушке, легко растворяется, сохраняет вкус, химический состав и структуру. Сублимационной сушкой получают сухие кисломолочные продукты, закваски, смеси для мороженого.

2. Классификация оборудования для сушки

Это оборудование предназначено для получения сухих молочных продуктов. В зависимости от агрегатного состояния исходного продукта сушильные установки можно разделить на две основные группы: для сушки молока и жидких молочных продуктов и для сушки твердых молочных продуктов. Кроме того, эти основные группы сушильного оборудования можно классифицировать:

по конструктивным отличиям – камерные, вальцовые, барабанные, ленточные, скребковые и др.;
по направлению движения сушильного агента и продукта – прямоточные, противоточные, смешанного типа;
по способу подвода теплоты к влажному материалу – конвективные, кондуктивные, комбинированные;
по способу распыления (диспергирования) высушиваемого продукта – с центробежным дисковым и форсуночным распылением;
по способу нагревания сушильного агента – с паровыми калориферами, с огневыми (газ, мазут) теплогенераторами;
по кратности использования теплоносителя – прямоточные и рециркуляционные;
по типу гидродинамического режима – с неподвижным слоем в виде пленки, с распылением в потоке сушильного агента взвешенным и псевдоожиженным слоем;
по виду транспортирования высушиваемого продукта – с механическим перемещением, пневмотранспортом, импульсным пневмотранспортом при высокой плотности продукта;
по способу очистки отработавшего воздуха – с циклонной одно- и двухступенчатой очисткой, с очисткой в тканевых фильтрах, с одно- и двухстадийной смешанной (циклон – фильтр) и др.

3. Распылительные сушильные установки

Наибольшее распространение получили сушильные распылительные установки.

Распылительные сушильные установки позволяют получить продукт высокого качества при небольших энергозатратах (рисунок 1). В них продукт распыляется и высушивается в атмосфере горячего воздуха. Продукт обезвоживается в результате испарения влаги с поверхности мельчайших капель молока.

Сушильная распылительная установка представляет собой сложный агрегат. В его состав входят сушильная башня с воздухораспределительными и воздухоотводящими устройствами, распылителями, а также устройства для выгрузки продукта и его обработки на выходе из башни, транспортирования, возврата циклонной фракции в сушилку, очистки воздуха, поступающего и отводимого из башни, калорифера и вентиляторов.

Рисунок 1 – Распылительные сушильные установки

Сушильная башня является одним из основных элементов установки. По конструкции сушильные башни бывают вертикального и горизонтального типов. Вертикальная башня представляет собой камеру, состоящую из верхней цилиндрической и нижней конической частей; горизонтальная башня – короб, верхняя часть которого имеет прямоугольную, а нижняя – треугольную форму. Чтобы уменьшить потери теплоты при сушке, башню теплоизолируют. Для освобождения башни от слоя продукта применяют общий или локальный обдув воздухом ее внутренней поверхности, скребковые и другие механические, пневматические устройства.

Для диспергирования продукта в сушильной башне применяют центробежные дисковые и форсуночные распылители.

Дисковые распылители бывают одно- и многоярусные с различными формами каналов (изогнутыми, радиальными, наклонными, тангенциальными и др.) и выходного отверстия (круглыми, овальными, щелевыми, прямоугольными). Форсуночные распылители представляют собой механические форсунки (струйные и центробежные).

Принцип их работы основан на выбрасывании продукта из отверстия малого диаметра под высоким давлением. Дисковые и форсуночные распылители при качественном конструктивном исполнении способны обеспечить практически одинаковую дисперсность капель распыляемого продукта. Дисковые распылители при прочих равных условиях получили большее распространение в молочной отрасли. Это, вероятно, связано с их универсальностью при сушке молока и молочных продуктов.

По способу очистки отходящего из сушильной башни воздуха выделяют установки для сушки с циклонной очисткой воздуха и с мокрой очисткой воздуха.

В зависимости от направления движения потока воздуха и распыляемого материала различают сушилки прямоточные и противоточные, а также сушилки со смешанным потоком. В них подается воздух из нескольких мест в распыленный молочный продукт. Также применяются комбинированные установки, в которых совмещены различные технологические процессы (обезвоживание, агломерация, охлаждение, кристаллизация).

По расположению сушильной башни установки для сушки делят на вертикальные и горизонтальные.

По способу выведения сухого продукта из башни различают установки со скребковым механизмом, с пневматическим уборщиком, установки с ленточными, шнековыми и вибрационными транспортерами, а также с гравитационным механизмом удаления продукта.

По растворимости готового продукта различают установки для получения сухого продукта обычной растворимости и установки для получения быстрорастворимого сухого молока.

Сухие продукты, полученные на распылительных сушильных установках, имеют растворимость 99,9 %.

К недостаткам распылительных сушилок можно отнести высокую стоимость оборудования, высокие затраты энергии и большие габаритные размеры. Их высота 12 м, и для их размещения необходимы многоэтажные здания.

Сушка молочного продукта распылением требует равномерного распределения горячего воздуха в сушильной камере и быстрого перемешивания его с частицами молока в течение нескольких секунд. При неравномерном распределении воздуха ухудшается процесс сушки. Часть продукта перегревается, а другая, не успевшая высохнуть, налипает на стенки. Сушильную камеру периодически приходится останавливать и чистить.

Следовательно, для эффективного и равномерного обеспечения процесса сушки необходимо создать рациональную подачу воздуха.

4. Контактные сушильные установки

В контактных сушилках сгущенный жидкий молочный продукт сушится путем контактов с греющей поверхности. Они бывают вальцовые и ленточные.

Вальцовые сушилки. Вальцовые сушилки делятся на атмосферные, в которых процесс сушки проходит при атмосферном давлении, и вакуумные. По количеству вальцов различают одно- и двухвальцовые сушилки.

Преимуществом вальцовых и ленточных атмосферных пленочных сушилок является малый расход пара при сушке (1,1– 1,25 кг/кг испаренной влаги), сушилки имеют небольшую высоту и легко размещаются в одноэтажном здании.

При пленочном способе сушки на вальцовых или ленточных сушилках продукт контактирует с горячей поверхностью, поэтому происходит денатурация сывороточных белков, ухудшается цвет и консистенция. Растворимость продукта снижается и составляет 80– 85 % (рисунок 2).

Ввиду низкой растворимости получаемого сухого продукта, вальцовые и ленточные сушилки применяются в основном для сушки обезжиренного молока, пахты и сыворотки.

Рисунок 2 – Вальцовая сушилка: 1 – барабаны; 2 – ножи; 3 – питатель; 4 – вытяжной патрубок; 5 – шнеки; 6 – полый вал

Вальцовые вакуумные сушилки используются для сушки продуктов при температурах 60–70 ºС. При этом продукты получаются значительно лучшего качества, чем на вальцовых атмосферных сушилках, хотя растворимость их все же недостаточна. В вальцовых вакуумных сушилках вальцы находятся в камере, где поддерживается разряжение. Сгущенное молоко из специальных резервуаров подается на вальцы. За время поворота вальцов примерно на молоко высушивается и снимается ножами. Сухой продукт шнеком транспортируется к накопительным бункерам.

Чтобы частица молока, пар и воздух не уносились из камеры сушилки, они перед конденсатором проходят гидравлический затвор. Через цапфы вальцов подается пар и отводится конденсат. В камере сушилке давление поддерживается – 0,15 10 4 –0,2 10 4 Па.

5. Сушилки для твердых молочных продуктов периодического действия

Казеин, творог, молочный белок, молочный сахар, сыр относятся к твердым молочным продуктам. Для их высушивания используются сушилки периодического действия.

К сушилкам периодического действия относятся камерные (шкафные), которые бывают атмосферные и вакуумные.

В атмосферных камерных сушилках с паровым калорифером рециркуляция воздуха осуществляется регулированием клапанов на вводном, отводном и промежуточном воздуховодах. Воздух подогревается в калорифере. Подготовленный для сушки казеин сырец накладывают на рамки равномерным слоем до 6 мм. Рамки устанавливают на тележку, которую вкатывают в сушильную камеру.

Вакуум-камерные сушилки применяют главным образом для сушки молочного сахара.

6. Сушилки непрерывного действия

Сушилки непрерывного действия подразделяются на барабанные, ленточные, скребковые, вибрационные и вихревые.

Барабанная сушилка для казеина работает следующим образом (рисунок 3). Казеин-сырец непрерывно из загрузочного бункера через питатель поступает в барабан, который медленно (2–4 мин –1 ) вращается. В барабане казеин захватывается винтовыми лопастями и постепенно передвигается к загрузочному бункеру. Небольшой уклон барабана, лопасти и поток воздуха обеспечивают достаточное перемешивание казеина.

Рисунок 3 – Барабанная сушилка

За время прохождения барабана казеин высыхает. Воздух, нагретый в паровом калорифере до температуры 90– 95 ºС, со скоростью 1–1,5 м/с, проходит вдоль барабана и омывает зерна казеина. Барабан расположен на опорных катках. Вращение он получает от приводного механизма (шестерня привода находится в зацеплении с большим венцом, напрессованным на барабан).

Основным рабочим органом барабанной сушилки для молочного сахара является вращающийся барабан, соединенный одной стороной с дробящим механизмом и бункером, а с другой – с разгрузочной камерой.

Сырой сахар поступает в загрузочный бункер и шнековым питателем непрерывно подается в барабан. Наклонными лопатками, расположенными на внутренней стенке по всей длине барабана, сахар захватывается. При вращении барабан заполняется его падающими частицами, которые омываются горячим воздухом (130– 140 ºС), поступающим из пластинчатого калорифера.

На концах барабана расположены лабиринтные сальники. Конец барабана, входящий в разгрузочную камеру, имеет мелкие отверстия и подпорное кольцо.

Калорифер соединен воздуховодом с загрузочной камерой и через нее с барабаном.

Движение воздуха создается вентилятором, который работает на отсос. Сахарная пыль, уносимая отводящим из сушилки воздухом, улавливается матерчатым фильтром со встряхивателем. Механизмы сушилки, приводящие во вращение барабан, дробящее, загрузочное, разгрузочное и встряхивающее устройства, работают от одного электродвигателя, передающего движение через понижающий редуктор.

Для сушки твердых молочных продуктов также применяются сублимационные сушилки.

Камерные сушилки. Они обычно имеют вид шкафа (рисунок 4), в котором на стеллажах или ситах высушивается материал. Сушилка имеет принудительную циркуляцию теплоносителя и может выполняться с одним или несколькими подогревателями воздуха.

В этих сушилках воздух с помощью вентилятора подается на основной подогреватель и в камеру сушилки, в которой на полках находится высушиваемый материал. Проделывая зигзагообразный путь, воздух дополнительно подогревается в теплообменниках. Отработавший воздух выходит через трубу в верхней части сушилки. Часть этого воздуха может быть возвращена через регулирующий шибер.

Рисунок 4 – Камерная сушилка для молока и молочных продуктов: 1 – теплообменники; 2 – вентилятор; 3 – подогреватель; 4 – шибер; 5 – полки

Ленточные сушилки. В пищевой промышленности применяют четырех- и пятиярусные сушилки (рисунок 5). Сушилки работают при атмосферном давлении.

Рисунок 5 – Ленточная сушилка для молока и молочных продуктов: 1 – питающий транспортер; 2 – шибер для разравнивания продукта; 3 – психрометр; 4 – скребки для очистки ленты; 5 – термометры; 6 – секции калорифера; 7 – конденсатоотводчик

Четырехъярусная сушилка состоит из четырех сетчатых конвейеров, каждый из которых имеет индивидуальный привод. Живое сечение сетчатой ленты конвейера около 50 %. Между ветвями конвейеров расположены трубчатые ребристые нагреватели, обо-греваемые паром. Воздух поступает от вентиляторов и проходит перекрестным по отношению к материалу потоком через все лен-ты сушилки. Отработавший воздух удаляется с помощью зонта и трубы. Скорость движения ленты регулируется вариатором в пределах 0,1–0,7 м/мин.

Скребковая сушилка выполнена в виде прямоугольника (рисунок 6). Снаружи ее каркас закрывается щитами из металла. На боковых сторонах имеется по три смотровых окна. Полки сушилки представляют сбой съемные рамы, на которые натянута металлическая сетка.

Рисунок 6 – Скребковая сушилка: 1 – сушильные полки; 2 – скребки; 3 – жесткие рамы; 4 – измельчитель; 5 – дополнительное дробильное устройство: 6 – вентилятор; 7 – паровой калорифер; 8 – бункер шнека

Перемешивание казеина и его перемещение вдоль полок осуществляется скребками, которые установлены в рамы.

Движение рамы со скребками осуществляется по этапам. Верхняя рама движется горизонтально слева направо. Скребки в этот момент перемешивают казеин и продвигают его. После этого рама поднимается наверх и перемещается в исходное положение, не касаясь продукта. Когда она доходит до конца, то процесс повторяется заново. Нижняя рама движется в противоположном верхней раме направлении. Электроэнергия к рамам подводится от электродвигателя через редуктор и цепную либо ременную передачу.

Продукт поступает на верхнюю полку сушилки, пройдя измельчитель. Толщина слоя продукта, который распределяется на полке, составляет 3 мм. Верхняя полка недостает до правого торца установки. Этот зазор позволяет продукту перемещаться с верхней полки на нижнюю. В этом месте расположено дробильное устройство. После того как казеин пройдет вдоль всей нижней полки, он попадает в бункер. Из него он шнеком отправляется на фасовку. Некоторая незначительная часть продукта просыпается и собирается на поддоне.

Калорифер нагревает воздух (90–95 ºС) с помощью которого сушится казеин. Отработавший воздух удаляется из центрального отверстия сушилки. Чтобы регулировать процесс сушки в автоматическом режиме, рядом с калорифером установлен электроконтактный термометр. Он связан с электромагнитным клапаном, который предназначен для регулирования подачи пара в калорифер.

Сублимационной сушкой называется процесс сушки вещества в замороженном состоянии при глубоком вакууме и подводе тепла непосредственно к высушиваемому продукту (рисунок 7).

Рисунок 7 – Установка для сушки методом сублимации: 1 – сублиматор; 2 – десублиматор; 3 – система вакуум-насосов

Конденсатор сушилки необходимо располагать в непосредственной близости от сублиматора. Если между ними проходит паропровод, то это отрицательно сказывается на работе установки, что предопределяется гидравлическими сопротивлениями, возникшими в сублиматоре и конденсаторе.

Сущность сублимационного процесса сушки состоит в следующем: высушиваемый материал помещают в сушильную камеру (сублиматор), в которой создан глубокий вакуум, влага, содержащаяся в исходном продукте, начинает интенсивно испарятся, при этом из материала выделяется тепло, продукт охлаждается, и в нем замерзает свободная влага.

К высушиваемому материалу подводят тепло, а конденсационные поверхности охлаждают. Температура материала – выше температуры поверхности конденсации, поэтому начинается сублимация, т. е. переход льда в пар, который немедленно отводится в конденсатор.

Водяные пары из сублиматора удаляются двумя способами: с использованием охлаждающих конденсаторов и механических вакуум-насосов и с использованием пароэжекторных многоступенчатых установок.

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

Этот способ сушки широко применяется для обезвоживания фруктовых и овощных пюреобразных продуктов, в том числе и картофельного пюре.

Кондуктивный (контактный) способ основан на передаче теплоты материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. Воздух при этом способе служит только для удаления водяного пара из сушилки и является влагопоглотителем. Коэффициент теплоотдачи при этом способе в десятки раз выше, чем при конвективной сушке.

Температура в разных слоях материала различна: наибольшая - у слоя, который контактирует с греющей поверхностью, наименьшая - у наружного слоя. Влагосодержание в процессе сушки данным способом постепенно увеличивается от слоев, соприкасающихся с нагретой поверхностью, к наружным слоям. Горячая поверхность чаще всего обогревается водяным паром, температура которого выше 100 0С, поэтому слои материала, контактирующие с горячей поверхностью, могут достичь этой температуры и происходят местные перегревы. Из-за этого степень растворимости сухих продуктов, полученных по данному способу, составляет 80-85 %. Обязательное условие при данном способе сушки - хороший контакт материала с греющей поверхностью.

Сушка происходит в вальцовых сушильных установках. Продолжительность сушки определяется одним поворотом вальцов.

Продолжительность сушки определяется по формуле 1.26:

где: l - длина пути, пройденного высушиваемой частицей вдоль вальца, м;

n - частота вращения вальца (1 об/мин = 1 мин-1 = 0,10472 рад/с);

R - радиус вальца, м.

Продукт высушивается в виде тонкого слоя. Толщина пленки высушиваемого материала при условии, что ширина пленки равна длине вальца, определяется по формуле 1.27:

где: М1 - количество материала, поступающего на сушку, кг/ч;

см - плотность высушиваемого материала, кг/м3;

L - длина вальца, м.

Схема двухвальцовой сушильной установки приведена на рисунке 1.4.

Эти сушилки непрерывнодействующие. Производительность их составляет 250-500 кг испаренной влаги в час. Имеют два полых цилиндрических вальца (5). Наружная поверхность вальцов шлифуется и полируется. С торца вальцы закрыты съемными крышками и цапфами. Одни цапфы (6) сплошные для привода, другие (8) полые, через них вводится пар и отводится конденсат (по сифонной трубке 9, которая соединяется с конденсатоотводчиком). Давление пара в вальцах 0,3-0,5 МПа. Зазор между вальцами регулируется от 0 до 6 мм ( в рабочем положении зазор равен 1-2 мм). Над вальцами расположен вытяжной зонт (4) для удаления испаренной влаги. Вальцы вращаются с одинаковой частотой (4-24 мин-1) навстречу друг другу. Продукт для сушки поступает либо в специальные желоба (2), которые расположены снаружи посередине обоих вальцов, это позволяет увеличить полезную площадь их поверхности до 85-87 %. В желобах на горизонтальных валах закреплены диски (1). При вращении валов они погружаются в продукт и покрываются его слоем. Для снятия сухого продукта устанавливаются ножи (3). Продукт высушивается в виде тонкой пленки за один оборот вальцов. Продолжительность сушки (одного оборота) составляет от 2,5 до 15 с.

Преимущества способа: интенсивность сушки (из-за высокого коэффициента теплопередачи между греющей поверхностью и материалом), благодаря этому продукт быстро обезвоживается; невысокие затраты энергии; простота; невысокая стоимость оборудования.

Недостатки способа: продукт подвергается механическому воздействию - его срезают ножами, затем размалывают в порошок, поэтому качество ниже, чем при распылительной сушке. При соприкосновении продукта с нагретыми вальцами происходит необратимая тепловая коагуляция белков; термическое разложение сахаров и изменение цвета.

Читайте также: