Кинетические закономерности процесса подсушки клейковинных штрангов

Введение. Все основные способы описания кинетики процесса сушки [1–4] сформированы на основе дифференциальных уравнений тепломассообмена, решение которых для большинства методов упрощаются экспериментальными исследованиями ввиду их нелинейности. Полуэмпирические способы, в свою очередь, можно разбить на группы, в которых аппроксимируют распределение влагосодержания по толщине объекта сушки или кривую скорости сушки.

Учитывая, что при влагоудалении в тонком слое клейковинного штранга определить изменение влагосодержания по толщине экспериментально практически невозможно, для описания кинетики обезвоживания исследуемого материала целесообразно применить метод построения и математической аппроксимации эмпирических кривых сушки, т.е. зависимость среднего по слою влагосодержания от продолжительности процесса.

Экспериментальные данные для построения кривой сушки для объекта исследования, находящегося в подвешенном состоянии благодаря использованию проволочного крепежа из нержавеющей стали, при пониженном давлении и равномерном ИК-облучении всей поверхности материала, получены с помощью экспериментальной инфракрасной вакуум-сушильной установки.

Цель исследования . Исследование кинетических закономерностей процесса ИК-подсушивания клейковинных штрангов в рабочей вакуумной камере гранулятора.

Задачи: подготовить опытные образцы для экспериментальной сушки, т.е. привести их в соответствие с технологическими требованиями при получении готовых гранул; провести эксперименты по выявлению изменения влажности от продолжительности процесса сушки на экспериментальной установке и построить кривую сушки, на основе которой получить кривую скорости сушки; используя полученные экспериментально-аналитические данные, рассчитать удельную массу сухого продукта с единицы объема в час.

При проведении лабораторных экспериментов в качестве объекта исследования был использован замороженный в цилиндрической форме из силикона до температуры y= -3 °C клейковинный штранг. Начальная влажность продукта W была предварительно рассчитана и при t= -2,5 °C составляла 58 %, конечная влажность, равная 45 %, принята при визуальной оценке образования корочки на поверхности продукта. Также в постановочном эксперименте было определено время подсушки для выявления диапазона влажностей, который был разбит на уровни, и в нем была построена кривая сушки.

Наиболее приемлемым для реализации подсушки исследуемого штранга в вакуумной камере является применение ламп КГТ-220-1000 при напряжении U = 220В ( Л^ = 1,1 мкм) и плотности теплового потока Е_п = 4,48 кВт/м². В результате проведенных экспериментальных исследований построена кривая радиационной сушки замороженной сырой клейковины, графическая аппроксимация которой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Кинетика радиационной сушки пищевого материала при начальной температуре штранга, равной 270 К

Сопоставление полученной кривой с результатами аналогичных исследований других авторов, в частности [1, 2, 5, 6], показывает, что полученные опытные данные вполне адекватно коррелируются с ними и, следовательно, могут быть использованы в последующем моделировании исследуемого процесса в сушилке с радиационным подводом теплоты.

Методы и результаты исследования. Анализ механизма внутреннего массопереноса в процессе влагоудаления клейковинного штранга производится на основании функциональных зависимостей скорости обезвоживания от влаж- ности продукта, получаемых путем математического описания кривой сушки (см. рис. 1). Для удобства математической аппроксимации кривой сушки и описания кривой скорости процесса dW обезвоживания     = f (W) была получена dr обратная зависимость т = f (W)

т = - 8418,5 W ³ + 1,022 • 10⁴ W ² - 4385,24 W + 759,23 , (1)

которая представлена графически на рисунке 2.

Рис. 2. Обратная зависимость кривой сушки (см. рис. 1)

После дифференцирования зависимости 1 dτ получаем зависимость: =fw f (W), а затем, проведя математическое преобразование, получим искомое уравнение, описывающее кри- вую скорости подсушки замороженного клейко-dW винного штранга:      = 1/(f (W)), которое dτ представлено графически (рис. 3).

dW

Рис. 3. Кривая скорости сушки     = 1/ ( f (W ))

d τ

Как видно из рисунка 3, расчетная скорость dW из зависимости      = 1/(f(W)) отрицатель- dτ на, что связано с уменьшением влажности в процессе подсушки, поэтому кривую скорости подсушки замороженного клейковинного штран-га лучше получать в зависимости от концентра- ции сухих веществ C , которая при уменьшении влажности растет, т.е.

dW _d (1 - С )_ dC dC _    1

=      =-  ⇒  =-       .

d T      d T       d T    d T     f (1 - C)

Таким образом, получаем зависимость dC

d r     f (1 - C ) ;

так как в поверхностном слое при интенсивном ИК-облучении удаляется и свободная, и связанная влага, а по слою перемещается к поверхности испарения только свободная влага. Следует отметить, что диапазон средней по слою влажности находится за гигроскопической областью и соответствует удалению только свободной dC

. (2)

dr 25255(1 - C )² - 20440(1 - C ) + 4385,24

Анализ результатов экспериментальных исследований кинетики радиационной сушки показал, что на кривой скорости наблюдается характерный первый период обезвоживания, который не противоречит основным положениям теории сушки [2, 7–9] и также подтверждается рядом работ [5, 6].

Первый период соответствует росту скорости обезвоживания в результате удаления преимущественно свободной влаги с поверхности объекта исследования при заданных режимных параметрах объемного радиационного энергоподвода. В результате интенсивного испарения в первом периоде исключается перегрев продукта, происходит уменьшение объема исходного материала и формируется твердая структура поверхности.

В этом периоде при радиационном обезвоживании оптически тонкого материала на характер протекания тепломассообменных процессов могут оказывать влияние процессы формирования капиллярно-пористого тела на поверхности, что объясняет непостоянство скорости и, как следствие, температуры материала.

Таким образом, удельная производительность гранулятора или съем готового к гранулированию штранга с единицы объема рабочей камеры в час Y , кг/(м³·ч), при выбранных и приведенных выше параметрах будет рассчитываться из соотношения

Y =

m • n шт

V • ( r + r ) , зам    суш

где m – масса штранга, конечная влажность которой составляет 45 %, кг; V – объем вакуумной рабочей камеры, м³; τ – продолжительность технологического процесса, включающего время на заморозку и подсушку штранга, ч; n – количество одновременно формируемых штран-гов, шт.

Продолжительность технологического процесса, включающего время на заморозку и подсушку штранга, согласно данным (рис. 1, 2, 5), составляет

0,011 + 88

τ = τ _зам + τ _суш =           = 0, 024 ч .

Масса штранга, конечная влажность которой составляет 45 %, рассчитывается m =3,14⋅0,0042⋅0,011⋅88,011⋅1055=0,0513кг, где r – радиус фильеры, м; h – высота штран-га, м; w – средняя скорость движения штранга в камере, м/с; ρ – плотность клейковинного штранга при температуре -2,5 °С, кг/м3.

Объем вакуумной рабочей камеры рассчитывается исходя из принятых конструктивных решений по установке ламп излучения и формовочного диска на 8 штрангов (рис. 5).

V = π (20 d )² w ⋅ τ = 3,14 ⋅ 400 ⋅ 0,008² ⋅ 0,011 ⋅ 88,011 = 0,078 м ³ .

Тогда удельная производительность гранулятора, рассчитанная из соотношения (3), будет равна mшт =π⋅r2⋅h⋅ρ=π⋅r2⋅wср⋅τ⋅ρ;

m⋅n      0,0513⋅8⋅3600         кг шт      =                ≈ 215        .

V ⋅ ( τ зам + τ суш )   0,078 ⋅ 88,011        м ³ ⋅ час

Рис. 5. Схема расположения ИК-излучателей

Выводы

• 1.    Выбран рациональный способ подготовки опытных образцов для проведения экспериментальных исследований.

• 2.    На основе экспериментально построенной кривой сушки была проведена её аппроксима-

• ция и получена математическая зависимость dW

• 3.    В результате проведения экспериментальных исследований на данном этапе получены значения целевой функции Y и проведен анализ кинетики радиационной подсушки, кото-

• рый позволил определить время подсушки, а 9. следовательно, габариты аппарата при рациональных режимных параметрах.

^dW = 1/( f ( W )) .

d τ