Особенности сушки порошковых пищевых продуктов в псевдоожиженном режиме

Основной недостаток тоннельных сушильных установок - параллельное движение воздуха и материала значительно уменьшает контакт и теплообмен между ними. Кроме того, обслуживание тоннельных сушилок требует больших затрат ручного труда на загрузку и выгрузку материала на сита и тележки. Шахтные сушильные установки типов с опрокидывающимися полками обеспечивают непрерывность процесса сушки. Однако продолжительность сушки пищевых материалов в этих аппаратах выше, чем в ленточных конвейерных сушильных установках. Наиболее совершенные из них - ленточные конвейер ные сушильные установки, обеспечивают непрерывность процесса сушки. Однако они также имеют существенные недостатки: ограниченная скорость и неравномерное распределение воздуха приводят к неравномерному распределению тепла и влаги, к возможным местным перегревам материала. Интенсификация сушки пищевых материалов во взвешенном слое объясняется гидродинамикой процесса. Сушка во взвешенном слое осуществляется в аппаратах кипящего (псевдоожиженного) и фонтанирующего слоя. Кипящий слой образуется в камере постоянного сечения, фонтанирующий - в каналах переменно- го сечения с постепенным расширением по ходу движения сушильного агента. В связи с этим в кипящем слое скорость воздуха в верхней части камеры выше, чем внизу, из-за стремления воздуха к расширению, и движение частиц материала начинается в верхней части слоя. При постепенном расширении канала по ходу движения воздуха в фонтанирующем слое максимальная скорость его будет в нижней части слоя, и отсюда начинается движение частиц, что исключает их слеживание. Взвешенный слой характеризуется непрерывным хаотическим движением и перемешиванием частиц в определенном объеме по высоте, высокоразвитой поверхностью соприкосновения материала с нагретым воздухом, так как при этом способе сушки каждая частица равномерно омывается потоком нагретого воздуха со всех сторон. Это приводит к равномерному нагреву материала и срыву пограничного слоя испаряющейся влаги, что позволяет применять повышенные температуры нагретого воздуха до 110–180 °С в зависимости от вида материала. В результате значительно сокращается продолжительность сушки, уменьшается воздействие теплоты на продукт, увеличивается удельная нагрузка материала, лучше сохраняются свойства продукта, чем при низкотемпературной сушке в неподвижном слое. Начальная фаза кипящего слоя не обеспечивает движения и полного перемешивания всех частиц, поэтому сушку проводят в развитой стадии кипящего слоя, при котором высота слоя движущихся частиц вдвое превышает начальную высоту неподвижного материала [1, 2].

Гидравлическое сопротивление слоя в состоянии устойчивого фонтанирования составляет 12–30 % величины удельной нагрузки материала по отношению к площади поперечного сечения слоя, не зависит от вида материала, формы и размера частиц, является величиной постоянной для камеры данной конструкции и определяется углом конусности. Кипящий слой образуется либо под воздействием вибрационных колебаний, либо при совместном воздействии вибрационных колебаний и скорости воздуха. В первом случае теп-лоподвод осуществляется инфракрасными лучами либо контактным способом, второй случай относится к конвективному методу сушки [3].

Вибрация передается рабочей сетке, лотку, виброжелобу либо всей сушильной камере от специальных вибраторов: механических типа виброгрохотов, пневматических, электромагнитных. Элементы, подвергаемые вибрации, находятся под углом 8–10°, упруго подвешены к соответствующим витым пружинам, рессорам, упругим подвескам из резины. Сушильные установки кипящего слоя компактны, обеспечивают хорошее перемешивание, турбулизацию пограничного слоя и транспортировку материала. В этих установках нет уноса материала, длительность пребывания материала в сушильной установке регулируют, например, изменением высоты порога на входе в разгрузочный патрубок [4, 5].

Рассмотрим основные закономерности сушки пищевых порошков в псевдоожиженном слое, для чего сформулируем основные допущения модели.

Известно, что процесс сушки характеризуется тремя периодами: периодом прогрева материала, периодом постоянной сушки (I период) и периодом падающей скорости сушки (II период). На рис. 1 показаны соответствующие зависимости изменения влажности (а) и температуры (б) материала от времени процесса. В связи с тем, что расход теплоты в период прогрева материала (по кривой АВ) и его продолжительность в сравнении с расходами теплоты в I и II периоды и их продолжительностью являются незначительными, расчет периода прогрева материала не представляет интереса. В период постоянной скорости сушки вся теплота, подводимая к материалу, затрачивается на поверхностное испарение влаги (прямая ВС). При этом температура материала остается постоянной и равной температуре мокрого термометра. Скорость сушки в этот период лимитируется скоростью поверхностного испарения. В период падающей скорости сушки испарение влаги с поверхности материала замедляется, и его температура начинает повышаться (по кривой CD). В этот период перенос влаги в частице материала лимитируется как внешней, так и внутренней диффузией, а перенос теплоты определяется как внешним, так и внутренним теплообменом. Будем считать, что высушиваемый материал является монодисперсным, и частицы имеют сферическую форму. Примем также, что структура потоков материала и сушильного агента описывается моделью идеального смешения.

Рис. 1. Кривая процесса сушки (а) и температурная кривая материала

Рис. 2. Принципиальная схема устройства псевдоожиженной сушки:

1 – подача сушильного агента; 2 – влажный компонент;

3 – выход отработанного агента; 4 – сухой компонент

Предположим, что процесс реализуется в сушилке простейшей конструкции (рис. 2), где сушильный агент подается в нагревательную камеру через патрубок 1, а сама камера через распределительную решетку соединена непосредственно с сушильным отделением, в которое подается высушиваемый материал через патрубок 2. Удаляется высушенный материал через патрубок 4, а отработанный горячий воздух удаляется через выходной патрубок 3.

Рассмотри процесс, реализуемый в такой сушилке [6–8]. В период прогрева материала его температура возрастает от начальной температуры tвх до температуры мокрого термометра tм и остается постоянной до периода падающей скорости сушки. В связи с тем, что при разработке математического описания была принята модель идеального смешения материала в псевдоожиженном слое, то можно считать, что начальная температура материала во втором периоде сушки равна температуре мокрого термометра, то есть t1 = tм. Изменение температуры частицы материала во втором периоде сушки описывается следующей системой уравнений:

^{d t(}r,^т) = _a± 1 Ь ^".

дт       r2 dr      dr

t(r,т) т=о=ti;

d t(r, т)

d r

r = 0

= 0;

X ^{d t(r} , ^т)     = a [ t_c - t(r, т )| ] •

L C v, vir=ro J

• 3    r₀

t ср (T) = — J r2t(r, T)dr r0 0

В этой системе уравнений приняты следующие обозначения: а – коэффициент температуропроводности, t – температура частицы, t 1 – начальная температура частицы, t с – температура среды, α – коэффициент теплоотдачи в газовой фазе, λ – коэффициент теплопроводности.

Решение этой системы уравнений целесообразно провести в пакете Matchad [9–11].

Численные оценки проведем на основа- нии литературных и экспериментальных данных для сушки картофельного крахмала. С этой целью выбирали следующие значения необходимых численных данных для выбранной модели:

Производительность сушилки по сухому материалу G, кг/c– 0,1

Диаметр сушилкиDa, м– 1

Высота кипящего слоя H, м – 0,3 Влагосодержание материала, поступающего на сушку u вх , кг/кг   – 0,35

Температура воздуха поступающего в сушилку, tc, °C– 200

Температура материала, поступающего на сушку, ϴ1, °C– 10

Средний диаметр частиц материала d 3 , м                      – 1×10^–3

Рабочая скорость воздуха w, м/с– 1,8

Плотность материала ρ м , кг/м³       – 1500

Плотность сушильного агента ρ г , кг/м³ – 1 Динамический коэффициент вязкости сушильного агента μ г , Па·с           – 2×10^–5

Коэффициент скорости сушки N,1/c – 0,001 Коэффициент массопроводности материала k, м2/с                     – 1×10–9

Коэффициент массотдачи β, м/ с     – 0,14

Равновесное влагосодержание u p , кг/кг                                  – 0,002

Критическое влагосодержание u кp , кг/кг                                  – 0,15

На основании предварительных расчетов найдены:

Критерий Рейнольдса Re: = wdr bi            Re = 90.

μr

Критерий Архимеда

Ar: = ^d 33 • ^p r • ⁹ 2 ⁸¹ • ^p M    Ar = 3.679x10 4 .

μr2

Порозность слоя

e: =

0.21

[ 18 • Re + 0.36 • Re² )

Ar

£ = 0.644.

Другие важные параметры связывают режимы процесса с конструктивными параметрами сушилки.

Площадь газораспределительной решетки, м2

S_n: =----a-                S_n = 0.785

p 4                     p

Среднее время пребывания, с

^T0 : =

S p • H • (1 - e) • Pm

G 2

t₀ = 1.257x10 3 .

Продолжительность периода постоянной скорости сушки, с

LI. —U _ вх кр ткр: =    N tk=200. кр

Диффузионный критерий Био

Bi« ^: =вг

Д k

Bi _Д = 7x10⁴.

Особенный интерес представляет вопрос оптимизации процесса сушки в зависимости от входных параметров сушильного агента и высушиваемого пищевого продукта [12–15] (рис. 3).

0              10             20             30

Рис. 3. Характер изменения основных параметров процесса сушки от скорости сушильного агента: 1 – влагосодержания продукта при выходе из сушилки; 2 – среднего времени пребывания продукта в сушилке; 3 – порозности порошкового пищевого продукта

Результаты научного исследования

Анализ результатов проведенных расчетов позволяет сделать важные выводы по организации процесса сушки пищевых порошков, в частности крахмала, в псевдоожиженном слое нагревательного агента. Несмотря на кажущуюся целесообразность повышения скорости подаваемого горячего воздуха для снижения времени пребывания его в сушильной камере, нужно контролировать степень нагрева продукта для предотвращения его порчи в результате перегрева, приводящему к негативным последствиям для готового продукта, например, клейстеризации для крахмала. Этот процесс становится возможным при излишнем увеличении порозности и интенсификации теплообмена. Наиболее целесообразным режимом движения нагревательного агента является скорость вблизи точки пересечения графиков среднего времени пребывания продукта в сушилке и порозности порошкового пищевого продукта. Другим выходом из этой ситуации является снижение температуры греющего агента. В этом случае обеспечивается более «мягкий» режим нагрева пищевого продукта, но нужно дополнительно контролировать влажность его на выходе из сушильной установки.