Исследование кинетики сушки семян расторопши в вихревой камере с СВЧ- энергоподводом

Расторопша пятнистая обладает большим потенциалом использования в пищевой и комбикормовой промышленности и нашла широкое распространение в сельском хозяйстве России. Она широко используется в мировой практике в качестве сырья для производства лекарственных препаратов. Продукты из семян расторопши благотворно влияют на обмен веществ, повышают сопротивляемость организма к различным заболеваниям, обладают антиаллергенными и детоксикационными свойствами.

При изучении современного состояния теории, техники и технологии переработки рас-торопши обнаружился ряд проблемных моментов. Один из таких моментов - необходимость в кратчайшие сроки обеспечить качественный и эффективный процесс сушки семян, но в России не выпускается специальное оборудование, предназначенное для послеуборочной переработки семян расторопши.

Для проведения экспериментальных исследований в лаборатории интенсивных методов сушки кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» Воронежского государственного университета инженерных технологий нами была изготовлена установка, представленная на рисунке 1, позволяющая проводить процесс СВЧ-сушки в вихревом потоке теплоносителя при различных режимах, контролировать и регистрировать необходимые параметры протекания процесса.

Основными компонентами установки являются: электродвигатель 1, приводящий в движение крыльчатку вентилятора 2, калорифер 3 с оребренными воздушными ТЭНами 9 для подогрева теплоносителя, бункер загрузки 4, вихревая сушильная камера 5, снабженная СВЧ – излучателем 6, осадительный циклон 7, пульт управления 8.

1- электродвигатель; 2- вентилятор; 3- калорифер; 4- бункер загрузки; 5- сушильная камера; 6- СВЧ – излучатель;

7- циклон осадительный; 8- пульт управления; 9- ТЭН воздушный; 10- локальные ускорители потока; 11- волновод; 12- экран защитный; 13- покрытие фторопластовое; 14- направляющие вставки

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для СВЧ-сушки

Вихревая сушильная камера 5 дискового типа представляет собой цилиндр диаметром 0,6 м и шириной 0,15 м покрытый слоем теплоизоляции. Сушильная камера 5 изнутри имеет фторопластовое покрытие 13, способствующее уменьшению коэффициента трения частиц о внутреннюю поверхность камеры. В верхней части камеры расположен СВЧ – излучатель 6, работающий на ча- стоте 2450 МГц, встроенный в волновод 11, обеспечивающий подвод СВЧ – энергии внутрь сушильной камеры. Внутри сушильной камеры на её боковой поверхности установлены локальные ускорители потока теплоносителя и направляющие вставки, выполненные из радиопрозрачного материала для беспрепятственного пропускания электромагнитных волн и исключения неравно- мерности распределения СВЧ – энергии. В нижней части фронтальной стенки сушильной камеры 5 установлен пробоотборник (на рисунке не показан), позволяющий отбирать продукт из камеры без остановки сушилки.

Установка работает следующим образом.

Небольшая часть теплоносителя (воздуха) засасывается вентилятором 2 через защитный экран 12 СВЧ – излучателя 6; оставшаяся, основная, часть теплоносителя поступает в вентилятор 2 из окружающей среды. Далее теплоноситель подается в калорифер 3, где нагревается до необходимой температуры, проходя через оребренные воздушные ТЭНы 9. Температуру теплоносителя можно менять в зависимости от влажности исходного продукта, путем плавного регулирования напряжения электрического тока питания нагревательных элементов калорифера 3. Из калорифера 3 поток горячего теплоносителя подается в сушильную камеру 5 по периферии тангенциально вместе с исходным влажным продуктом, частицы которого поступают во входной патрубок через бункер загрузки 4, и далее направляются в вихревую сушильную камеру 5, где происходит процесс интенсивной сушки кольцевого вращающегося слоя продукта, расположенного, в основном, в периферийной зоне камеры.

Важную роль в предотвращении «распада» вращающегося слоя играют локальные ускорители потока 10 и направляющие вставки 14. Локальные ускорители потока 10 теплоносителя закреплены таким образом, чтобы сформировать устойчивый вращающийся кольцевой слой высушиваемых частиц материала и исключить возможность их накопления в зоне максимального сопротивления движению частиц. Направляющие вставки 14, отделяющие высушенные частицы от основного вращающегося кольцевого слоя и направляющие их в центральную зону вихревой сушильной камеры, расположены в зоне возврата частиц к точке подъема.

Интенсификация тепло - и массообмена в процессе сушки происходит также за счет воздействия СВЧ – энергии на частицы продукта.

Необходимое охлаждение СВЧ – излучателя 6 осуществляется путем всасывания наружного воздуха в вентилятор 2 через защитный экран 12 излучателя 6. Контакту СВЧ – излучателя 6 с частицами продукта препятствует фторопластовое покрытие 13 внутренней поверхности корпуса вихревой сушильной камеры 5, свободно пропускающее СВЧ – излучение.

В процессе сушки более влажные частицы продукта под воздействием СВЧ – энергии нагреваются более интенсивно, чем частицы, имеющие меньшую влажность, таким образом, происходит выравнивание влажности материала. Поэтому температура теплоносителя может быть снижена на 20-40 °С, чем в случае только конвективного подвода тепловой энергии.

Кроме того, интенсификация процесса сушки достигается за счет равномерного распределения СВЧ-поля по объему сушильной камеры 5 в результате сочетания «правильной» цилиндрической формы камеры и специально подобранной конструкции волновода 11.

Частицы высушенного продукта захватываются потоком теплоносителя и выносятся через центральное отверстие в вихревой сушильной камере 5 в осадительный циклон 7, где происходит интенсивное разделение высушенной твердой и отработанной газовых фаз потока.

Сухой продукт выводится через отверстие в конической части осадительного циклона 7, а отработанный теплоноситель выводится в атмосферу.

Экспериментальная установка снабжена приборами и устройствами для управления и контроля технологических параметров процесса.

Для исследования кинетики сушки семена расторопши предварительно увлажнялись до необходимой начальной влажности. При проведении эксперимента сначала установка выводилась на заданный режим путем ее прогрева горячим воздухом в течение 20-25 минут. Параметры процесса поддерживались постоянными в интервале значений: начальное влагосо-держание семян от 16 до 28 %; температура сушильного агента от 338 до 368 К; СВЧ – мощность от 350 до 700 Вт. Отбор проб осуществлялся с интервалом в 2 минуты. Влажность семян расторопши определялась методом высушивания до постоянной массы на влагомере при температуре 378 К.

Полученные результаты экспериментов в виде кривых сушки и температурных кривых плодов черной смородины представлены на ри-

Рисунок 2. Кривые сушки и скорости сушки семян расторопши при Т =353 К, Р =525 Вт/кг:

1 – W^с = 28 %; 2 – W^с = 22 %; 3 – W^с = 16 %

Влияние начального влагосодержания семян на кинетику сушки и температуру нагрева материала в процессе сушки представлено на

Рисунок 3. Температурные кривые семян расторопши при Т = 338 К, Р = 525 Вт/кг:

1 – W^с = 28 %; 2 – W^с = 22 %; 3 – W^с = 16 %

Из графиков (рисунок 2) видно, что начальное влагосодержание семян оказывает существенное влияние на скорость сушки, что подтверждает результаты многих исследователей. Следует отметить, что процесс испарения влаги с поверхности семян отличается от процесса испарения влаги со свободной поверхности, так как скорость сушки семян с различным начальным влагосодержанием, при прочих равных условиях, различна.

С повышением начального влагосодер-жания скорость сушки увеличивается. Избыток поверхностной влаги оказывает влияние не только на скорость первого периода, но и на скорость последующих периодов сушки. Это связано с влиянием свободной влаги на усадку, изменение капиллярной структуры материала, образование микротрещин и т.д.

Следует отметить, что начальное влагосо-держание семян расторопши влияет на соотношения периодов постоянной и убывающей скоростей сушки. С ростом влагосодержания увеличивается величина критического влагосодержания и увеличивается доля периода убывающей скорости сушки. Отмеченная закономерность объясняется различной связью влаги с белками и крахмалом семян. Гигроскопичность белкового комплекса семян выше, чем гигроскопичность крахмала, а скорость сушки белков ниже. В семенах с высокой начальной влажностью количество более прочно связанной влаги больше. И хотя скорость сушки в начале процесса довольно велика из-за удаления влаги крахмала, первый период быстро заканчивается, и дальнейший характер протекания процесса определяется сушкой белкового комплекса.

Поскольку сушка белка происходит с меньшей скоростью, наступает период убывающей скорости сушки.

Анализ температурных кривых (рисунок 3) показал, что увеличение начального влагосо-держания приводит к увеличению температуры материала. Это связано с повышением коэффициента диэлектрических потерь ε˝ с увеличением влагосодержания.

Таким образом, высокое начальное вла-госодержание вещества приводит не только к увеличению длительности сушки, и длительности температурного воздействия на термолабильные компоненты, но и к более высоким температурам материала в процессе сушки. Из этого следует, что сушку семян расторопши с высоким начальным влагосодержанием следует проводить при более мягких режимах.

Влияние температуры теплоносителя на кинетику сушки и температуру нагрева семян расторопши в процессе сушки представлено на рисунке 4 и рисунке 5.

Рисунок 4. Температурные кривые семян расторопши при W^с = 22 % и Р =525 Вт/кг:

1 – Т = 338 К; 2 – Т =353 К; 3 – Т =368 К

Рисунок 5. Кривые сушки и скорости сушки семян расторопши при W^с = 22 % и Р =525 Вт/кг:

1 – Т = 338 К; 2 – Т =353 К; 3 – Т =368 К

Полученные кривые свидетельствуют о том, что температура является одним из наиболее существенных факторов, влияющим на скорость сушки семян. Следует отметить, что температура теплоносителя оказывает влияние на соотношения периодов постоянной и убывающей скоростей сушки. С повышением температуры наблюдается снижение критического вла-госодержания. Это объясняется тем, что увеличение температуры интенсифицирует внутреннюю диффузию влаги, а также увеличением доли связанной влаги, испарение которой происходит в первый период сушки.

Из графиков видно, что наибольшая часть влаги удаляется в период постоянной скорости сушки. Это объясняется тем, что семена расторопши содержат большое количество осмотической и адсорбционно-связанной влаги. Наличие периода постоянной скорости сушки говорит о том, что интенсивность диффузии влаги превышает интенсивность влагообмена.

Из анализа температурных кривых, представленных на рисунке 4 следует, что применение низких температур сушильного агента обеспечивает большую равномерность теплового воздействия в течение всего процесса.

Влияние СВЧ-мощности на кинетику сушки и температуру нагрева семян расто-ропши в процессе сушки представлено на рисунке 6 и рисунке 7.

Рисунок 6. Кривые сушки и скорости сушки семян расторопши при W^с = 22 % и Т =353 К:

1 – Р =350 Вт/кг; 2 – Р =525 Вт/кг; 3 – Р =700 Вт/кг

Из графиков видно, что СВЧ-мощность оказывает влияние на кинетику сушки подобно температуре сушильного агента.

Отличием воздействия СВЧ-энергии от воздействия температуры сушильного агента на продукт является то, что подводимая СВЧ – мощность в меньшей степени оказывает влияние на критическое влагосодержание. Соотношения периодов постоянной и убывающей скоростей сушки определяются только формами связи влаги с материалом, что положительно сказывается на качестве высушиваемого материала.

Рисунок 7. Температурные кривые семян расторопши при W^с = 22 % и Т =353 К:

1 – Р = 350 Вт/кг; 2 – Р = 525 Вт/кг; 3 – Р = 700 Вт/кг

Следует отметить, что повышение СВЧ – мощности в периоде убывающей скорости сушки позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс.

С понижением влажности расторопши происходит уменьшение коэффициента диэлектрических потерь, что приводит к снижению количества теплоты, генерируемой в продукте, однако согласно закону Джоуля-Ленца эффективность преобразования энергии переменного электромагнитного поля (ЭМП) в теплоту пропорциональна квадрату напряженности ЭМП, поэтому увеличение подводимой СВЧ – мощности способствует увеличению КПД процесса трансформации СВЧ – энергии.

СВЧ-энергия позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс сушки, однако, чрезмерное увеличение подводимой СВЧ – мощности может привести к возникновению большого градиента влагосодержания, и, как следствие, образованию трещин и нарушению структуры семян.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования кинетики сушки семян расторопши позволили сделать вывод, что сочетание высокочастотного способа подвода теплоты с вихревым потоком теплоносителя является оптимальным решением для интенсивной сушки семян расторопши. Такая комбинация позволяет управлять градиентами влагосо-держания и температуры, изменяя их направления, что существенно сказывается на качестве получаемого сухого продукта.