Обзор современных сушильных установок для овощей и фруктов и способы повышения их энергоэффективности

Процесс сушки - удаление влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Высушенный пищевой продукт должен иметь высокие показатели качества, как органолептические, так и физикохимические. Оптимальный режим сушки должен осуществляться при минимальном затрате тепла и энергии и заключаться в максимальном сохранении химико-технологических показателей качества сырья, используемого для сушки [1].

Исследования последних лет направлены на совершенствование способов сушки, которые бы обеспечивали максимальную сохранность пищевых и вкусовых достоинств продукта, а также высокую эффективность процесса [2].

Для современных способов сушки характерна интенсификация процессов тепло- и массообмена, которая достигается различными путями: увеличением поверхности контакта между высушиваемым продуктом и сушильным агентом; снижение относительной

Агротехника и энергообеспечение. - 2022. - № 4 (37) |¹⁷ 5

влажности сушильного агента; применение комбинированного подвода тепла; повышение скорости перемещения высушиваемого материала и сушильного агента; сочетание обезвоживания с различными технологическими процессами: замораживанием, взрыванием, диспергированием, вспениванием и др. [3].

Сушка применяется во всех отраслях пищевой промышленности (в свеклосахарном, спиртовом, пивоваренном и других производствах). Сушке подвергаются зерно, хлеб, макаронные изделия, мармелад, пастила, молоко, яйца, фрукты, овощи и др.

Цель исследования – провести обзор и анализ современных сушильных установок, выявить недостатки и наметить пути решения для повышения энергоэффективности процесса сушки в бытовых конвективных сушилках малой производительности.

Материалы и методы. Конвективные сушилки – это самые распространенные виды сушилок. Энергия передается высушиваемому объекту с помощью конвекции. В качестве сушильного агента используется нагретый воздух, топочные газы или перегретый пар. Сушильный агент в данный установке является теплоносителем и влагопоглотителем.

Преимуществом этого метода является простота, возможность регулирования температурой высушиваемого материала.

Важную роль при конвективной сушке играют параметры сушильного агента (температура, относительная влажность, скорость движения), толщина слоя и его состояние (плотный, разрыхленный, взвешенный, диспергированный), а также удельная нагрузка. Поэтому интенсифицировать конвективную сушку можно, регулируя данные параметры. К основным регулирующим параметрам относятся температура и относительная влажность сушильного агента [4].

С повышением температуры сушильного агента интенсивность испарения влаги увеличивается за счет увеличения теплообмена между высушиваемым материалом и сушильным агентом, а продолжительность сушки сокращается. Однако температура в конце сушки не должна быть выше критической для высушиваемого материала. Для плодовоягодного сырья она колеблется в пределах 55-65 °С.

С уменьшением относительной влажности процесс сушки ускоряется. Но сушка с низкой относительной влажностью связана с излишним расходом тепла и, следовательно, удорожанием процесса. Кроме того, низкая относительная влажность сушильного агента вначале сушки способствует быстрому перемещению влаги и образованию корочки на поверхности, что замедляет сушку. Для плодового и овощного сырья относительная влажность отработанного воздуха должна быть в пределах 35-45 %.

Поскольку конвективные сушильные установки преобладают в общем парке обезвоживающих устройств, рассматривается проблема энергосбережения применительно к конвективной сушке.

Использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, приводящее к замещению органического топлива (применение солнечной и ветровой энергии для сушки материалов растительного происхождения и др.), применение прерывистых режимов подвода теплоты за счет излучения, реверсии потоков сушильного агента, а также использование в качестве сушильного агента паров удаляемой жидкости, перегретого водяного пара и др. также способствует энергосбережению [5].

Методы, относящиеся к традиционным, основаны на выборе рациональной теплотехнологической схемы установки и параметров режима сушки. Однако при реализации вышеперечисленных мероприятий требуется, как правило, установка утилизационного или более технологического оборудования. В этом случае достигаемая экономия постоянных затрат энергии уменьшается за счет увеличения расхода других ресурсов.

Результаты и обсуждение. В настоящее время основными путями повышения энергосбережения конвективных сушильных установок являются снижение потерь теплоты с уходящим сушильным агентом, потерь теплоты в окружающую среду через ограждения сушильных камер и потерь с пролетным паром (рисунок 1).

Прочие затраты. 5 %

Потери с уходящим сушильным агентом. 70 %

Потерн с пролетным паром, 15 %

Рисунок 1 - Традиционное распределение нерациональных энергетических затрат в

Потерн с сушимым материалом и через ограждения. 10% сушильных установках

Под рециркуляцией понимают возврат отработавшего сушильного агента с высокой температурой и влагосодержанием в сушильную камеру, и его смешение с сушильным агентом, имеющим меньше влагосодержание.

Известно, что рециркуляция сушильного агента относится к числу наиболее простых, традиционно применяемых энерго- и ресурсосберегающих теплотехнологических приемов и способна снижать расход уходящего сушильного агента в несколько раз.

При организации процесса сушки можно выделить две возможности рециркуляции воздуха, используемого в качестве сушильного агента: смешение уходящего сушильного агента со свежим воздухом перед подогревателем ( рис. 2, а ) и нагрев свежего воздуха с последующим смешением его с уходящим сушильным агентом ( рис. 2, б ). Первая схема имеет ряд преимуществ и получила широкое распространение на практике [5].

Рисунок 2 - Принципиальные схемы конвективных сушильных установок с рециркуляцией сушильного агента в качестве воздуха:

П – подогреватель; С – сушильная камера.

При неизменной начальной температуре сушильного агента снижение конечной температуры приводит к сокращению удельных расходов теплоты. Снижение со 130 °С до 70

°С приводит к росту КПД от 0,68 до 0,95. Однако, при тех же исходных условиях КПД сушилок с однократным использованием воздуха изменяется от 0,30 до 0,57 [6].

Для эффективного энергосбережения необходимо, чтобы коэффициент рециркуляции стремился к своему предельному значению, однако при этом увеличиваются конечное влагосодержание сушильного агента, равновесное влагосодержание материала, снижается движущая сила массообмена, что приводит к увеличению продолжительности сушки. Следовательно, возрастают габаритные размеры установки, т.е. увеличиваются капитальные затраты. Таким образом, при минимизации энергозатрат в сушильных установках с рециркуляцией следует анализировать не только статику, но и кинетику сушки [7].

В качестве повышения энергоэффективности конвективных сушилок бытового назначения нами предложена функционально-технологическая схема сушилки с применением термоэлектрического теплового насоса с частичной рециркуляцией и утилизацией теплоты сушильного агента [8, 9].

На рисунке 3 представлена структурная схема сушильной установки с регулируемым потоком циркулирующего сушильного агента (воздуха) на базе термоэлектрического теплового насоса, содержащего элементы Пельтье 5, радиаторы горячего 3 и холодного 4 спая.

Рисунок 3 - Структурная схема сушильной установки с регулируемым потоком циркулирующего сушильного агента:

1 - вентилятор; 2 - разделитель потока регулируемый; 3 - радиатор горячего спая;

4 - радиатор холодного спая; 5 - термоэлектрический элемент; 6 - сушильный шкаф

Сушильный агент подогревается, проходя через радиатор горячего спая 3 термоэлектрической сборки, и подается в сушильный шкаф 6. Из сушильного шкафа 6 при помощи вентилятора 1 воздух по воздуховоду 8 поступает в регулируемый разделитель потока 2. При этом одна часть потока (циркулирующая) подогревается в радиаторе горячего спая 3, другая его часть охлаждается в радиаторе холодного спая 4 и удаляется в атмосферу. При охлаждении воздушного потока в радиаторе холодного спая 4 часть теплоты этого потока передается на радиатор горячего спая 3. Термоэлектрическая сборка работает в режиме теплового насоса. Подсос приточного воздуха в систему осуществляется посредством воздушного клапана 7.

Принцип работы сушильной установки с регулируемым потоком циркулирующего сушильного агента (воздуха) на базе термоэлектрического теплового насоса отражен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Функциональная схема сушильной установки с регулируемым потоком циркулирующего сушильного агента:

1– элементы Пельтье; 2 – радиатор горячего спая; 3 – радиатор холодного спая;

4 – сборщик конденсата; 5 – теплоизоляционная прокладка; 6 – охлажденный удаляемый воздух; 7, 12 – воздуховоды; 8 – направляющие поддонов; 9 – поддоны; 10 – высушиваемый продукт; 11 – воздушный клапан приточного воздуха; 13 – датчики влажности и температуры воздуха; 14 – блок управления; 15 – вентилятор электрический; 16 – разделитель воздушного потока

Выводы. В результате проведенного анализа установлено, что даже бытовые сушилки овощей и фруктов характеризуются высокими энергетическими затратами на высушенную продукцию.

Важными направлениями дальнейшего совершенствования и повышения эффективности сушильного оборудования является снижение энергоемкости процесса сушки за счет разработки рациональных схем рециркуляции отработанных теплоносителей, применения тепловых насосов, утилизации теплоты сушильного агента, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Такой подход обеспечит не только интенсификацию процесса сушки, но и наилучшие технологические свойства высушиваемых материалов.

Предложена функционально-технологическая схема сушилки с применением термоэлектрического теплового насоса с частичной рециркуляцией и утилизацией теплоты сушильного агента для повышения энергоэффективности конвективных сушилок бытового назначения.

Илья Сергеевич Яшин,

Тихомиров Дмитрий Анатольевич

Научный руководитель, доктор технических наук, главный научный сотрудник

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва, РФ

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Annotation. Thermal drying, being an integral part of many technologies, is one of the most energy-intensive technological processes. The drying of grain, wood, paper, fabrics, vegetables and fruits, as well as other materials in Russia annually consumes several million tons of reference fuel. The widespread use of drying processes and low (30 - 35%) energy efficiency factors in them determ ine the relevance of energy saving in drying plants. The production of dried fruits and

180                 Агротехника и энергообеспечение. – 2022. – № 4 (37)

Researcher

Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, RF