Гидродинамика процесса сушки гречихи перегретым паром

Перспективным направлением развития крупяной отрасли является разработка прогрессивных технологий получения гречневой крупы [1]. Этот продукт обладает значительной пищевой ценностью, содержит комплекс макро- и микроэлементов, богат витаминами В 1 , В 2 , В 3 , и Р. Выбор рациональных режимов гидротермической обработки гречихи является залогом сохранения ее ценных питательных свойств. Для обоснования технологических параметров ГТО требуется изучение гидродинамики процесса и, в частности, определение таких величин, как порозность слоя ε и гидравлическое сопротивление слоя ∆ Р .

Были проведены исследования процессов сушки зерна гречихи перегретым паром атмосферного давления [2] на экспериментальной установке, состоящей из парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного трубопровода, рабочей камеры, вентилятора и шкафа управления. Использование перегретого пара обусловлено тем, что он обладает высоким энергетическим КПД, высокой удельной теплоемкостью и коэффициентом теплоотдачи, позволяет исключить окисление продукта за счет отсутствия кислорода воздуха и улучшить качество.

Перед термической обработкой применялось пропаривание насыщенным паром, полученным из расчетного количества воды таким образом, что первоначальная

Носкова В.Н., 2012

влажность зерна гречихи (11-13 %) возрастала до 18-21 %. Это способствовало изменению физических, микробиологических и биохимических свойств зерна, необходимых для реализации последующей технологии.

Скорость теплоносителя, циркулирующего по трубопроводу установки, изменялась от 0,35 до 1,30 м/с, а его температура – в пределах от 378 до 393 K (с шагом в 5 K). Температура продукта определялась с помощью хромель-копелевых термопар, его влажность – методом высушивания до постоянной массы в сушильном шкафу. Продолжительность процесса сушки составляла 4-5 мин в зависимости от режима и начальной влажности сырья; высота слоя продукта на газораспределительной решетке – 18-23 мм. Конечная влажность продукта составляла около 11-13 %.

Температурные режимы и продолжительность процесса выбирались, исходя из минимизации энергетических затрат и максимального сохранения питательных веществ в продукте.

Стационарный слой зерна гречихи представляет собой систему с весьма сложными и многообразными геометрическими характеристиками. Слой рассматривали как однородную изотропную среду, основными обобщенными характеристиками которой являются пороз-ность ε и удельная поверхность зернистого слоя a [3, 4]. Остальные параметры слоя (распределение зерен по размерам и форме, укладка слоя и др.) в меньшей степени влияют на гидравлическое сопротивление слоя.

Порозность стационарного слоя гречихи определяли по формуле [3, 4]

ε = 1 - ( ρ _нас / ρ _т ), где ρ т - плотность зерна гречихи (определяли на измерительной установке CossfieldRT-1394H). В начале сушки ε = 0,539.

Удельную поверхность слоя a для зерна гречихи получили из уравнения [3, 4]

∆ P ε ³

a =                      .

H _сл v µ k ₁(1 - ε )²

Так как интервал дисперсности зер-на( d max /d min ) < 2, т. е. структура их слоя не отличалась от структуры слоя монодисперсной засыпки, то было принято k 1 = 4 [3, 4]. Вводя соответствующий коэффициент экранировки k n = 0,93 [3], учитывающий исключение из активного тепло- и массообмена какой-то части поверхности зерна вследствие контакта с окружающим его зерном, определена эффективная удельная поверхность зерна гречихи:

a ^' = ak_n .

Отклонение конечной удельной поверхности a_k ^' от начальной удельной поверхности a 0 зерна гречихи было значительным, что указывает на большую усадку продукта при сушке перегретым паром.

Анализ изменения гидравлического сопротивления слоя гречихи в процессе сушки при температурах перегретого пара в интервале 378…393 К и скоростях в интервале 0,35…1,30 м/с указывает на экспоненциальное уменьшение ∆ Р в начале процесса сушки, которое обусловлено снижением влажности продукта (рис. 1). Экспериментальные данные подтвердили, что зависимость сохраняется на всем протяжении заданных интервалов температур и скоростей. В дальнейшем гидравлическое сопротивление слоя высушиваемого зерна гречихи менялось несущественно, что объясняется незначительным изменением влажности гречихи. Изменение ∆ Р связано с изменением порозности слоя, влагосодержания и усадки частиц продукта.

Установлено также, что коэффициент гидравлического сопротивления слоя частиц продукта λ зависит в основном от скорости перегретого пара (рис. 2).

Определяя коэффициент гидравлического сопротивления по формуле [3, 5]

2 ∆ P ε ³

λ =         ₂ ,

H _cл a ρ v ²

установили, что для инженерных расчетов удоб- на наиболее простая функция λ= f(Re).

Т      —

б

Рис. 1. Зависимость гидравлического сопротивления ∆ Р от продолжительности τ , с, процесса сушки гречихи перегретым паром при различных температурах перегретого пара, T , К: а – 378; б – 388

Рис. 2. Зависимость коэффициент гидравлического сопротивления слоя частиц продукта λ от критерия Рейнольдса (Re)

Обработка экспериментальных данных позволила определить эту зависимость в виде λ = A /Re ⁿ

В области движения перегретого пара с преобладанием сил инерции (Re<2000) коэффициент гидравлического сопротивления λ зависит от скорости пара, удельной поверхно- сти слоя продукта, которая является функцией влагосодержания.

При движении перегретого пара сквозь слой высушиваемой гречихи его температура и насыщение влагой снижаются. Это меняет вязкость пара.

Значения критерия Re, вычисленные с учетом варьирования всех входящих в него величин в процессе сушки зерна гречихи перегретым паром, изменялись в диапазоне от 76,9 до 77,8.

В результате обработки экспериментальных данных была определена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления как функция λ = f (Re):

λ = 0,6828/Re^0,187.

Величина достоверности аппроксимации составила R2= 0,8962.

В результате проведенных исследований выявлено изменение высоты слоя зерна гречихи в течение процесса сушки за счет его усадки: от 18…24 мм в начале процесса до

б

Рис. 3. Зависимость высоты слоя зерна гречихи H , мм, от времени τ , с, в процессе сушки гречихи перегретым паром при различных скоростях перегретого пара, v , м/с: а – 0,35; б – 1,30

Одним из факторов, ухудшающих качество зерна гречихи при сушке перегретым паром атмосферного давления, является растрес- кивание. Оно происходит вследствие развития объемно-напряженного состояния свыше предельно допустимого. Это напряженное состояние обусловлено недопустимой усадкой, которая возникает в результате неравномерного распределения полей влагосодержания и температуры внутри продукта [6]. После сушки зерно должно сохранить свой объем и структуру. В связи с этим необходимо количе- ственно оценить величину усадки.

Если относительную усадку обозначить через δ :

δ=(Vн-Vк)/Vн, где Vн, Vк – начальный и конечный объем слоя зерна гречихи, м3; то коэффициент объемной усадки [6]

β v =

δ ( u _н - u _к) - δ u _н

где u н , u к – начальное и конечное влагосодер-жание гречихи, кг/кг.

В процессе сушки коэффициент объемной усадки зерна гречихи увеличивался (рис. 4).

J-X-T 393 к

О         50     100     150    200     250 с 300

б

Рис. 4. Зависимость коэффициента объемной усадки β v от времени τ , с, в процессе сушки гречихи перегретым паром при различных скоростях перегретого пара, v , м/с: а – 0,35; б –1,30

В результате математической обработки экспериментальных данных было получено эмпирическое уравнение, выражающее зависимость величины усадки δ от текущего влагосо-держания гречихи:

δ = 0,2077ln u - 0,0246 , где u - текущее влагосодержание гречихи, кг/кг.

Величина достоверности аппроксимации составила R2= 0,9747.

Коэффициент объемной усадки зависел от структуры зерна гречихи и видов связи влаги в нем.

Таким образом, установлен характер изменения высоты слоя зерна гречихи в процессе сушки с учетом его усадки. Получено обобщенное эмпирическое уравнение, выражающее зависимость величины усадки от текущего вла-госодержания гречихи.

Результаты анализа полученных данных являются предпосылкой создания рациональных гидродинамических режимов в процессе влаготепловой обработки зерна гречихи по методу пропаривание-сушка-охлаждение, применение которых позволит минимизировать энергозатраты и получить продукт высокого качества.