конструкция сушильной установки для жидких продуктов и

Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.
КОНСТРУКЦИЯ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ДЛЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ И АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ
ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ЯИЧНОГО ПОРОШКА С ВОДОЙ
О. Е. Губа, И. Ю. Алексанян,
Астраханский инженерно-строительный институт
г. Астрахань, Россия
Для развития пищевой промышленности РФ, в том числе и за счет малого
предпринимательства,
в
настоящее
время
актуальными
являются
инновационные разработки в области биотехнологий, которые направлены на
создание новых конкурентоспособных видов пищевой продукции и
совершенствование традиционных технологий. Перспективным направлением
является разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий и
высокоэффективного малогабаритного оборудования. Решение научнопроизводственных задач с целью энергосбережения и повышения
84
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.
эффективности работы является приоритетным для пищевых предприятий
малых форм собственности.
Сушка – одна из самых энергоемких операций в пищевых технологиях,
которая также определяет качество готового продукта, материалоемкость
производства и уровень загрязнения окружающей среды [1]. В связи с этим
необходимы тщательный учет и анализ всех факторов, влияющих на
производительность и термический коэффициент полезного действия при
сушке и соответственно на экономичность процесса.
Экономическая целесообразность распылительной сушки, применяемой
для истинных и коллоидных растворов, суспензий, эмульсий, пульп, паст в
различных отраслях промышленности очевидна. Конструктивные особенности
распылительных сушильных установок обусловлены технологическими
требованиями (вид продукта, его термолабильность, вязкость жидкости и пр.),
типом распылителя, интенсивностью испарения и т.п. Специфические
особенности распылительной сушки обуславливают ряд характерных
достоинств этого способа: высокое качество высушиваемого продукта, т.к.
отсутствует его перегрев; готовый продукт не требует дополнительного
измельчения и обладает высокой растворимостью; возможность исключения из
технологии стадии предварительного выпаривания, т.к. начальная влажность
продуктов может быть значительной, а конечная – достаточно низкой и др. [3].
Наряду с этим следует отметить недостатки: значительные удельные габариты
установок, работающих при мягких режимах; сложность и высокая стоимость
оборудования для распыливания и улавливания пыли, что в конечном итоге
обуславливает высокие энергетические и материальные затраты.
При традиционном для распылительной сушки прямоточном контакте
продукта с теплоносителем [3], время нахождения продукта в сушильной
камере, т.е. время сушки, лимитируется высотой сушильной камеры, и как
следствие необходима значительная высота аппарата. Кроме того, при
отклонениях технологических режимов от номинальных возможны либо
перегрев и, как следствие, термическое разложение распыленных частиц
(капель) продукта, либо недосыхание и, как следствие, загрязнение газоходов и
аппарата. При распылительной сушке используют преимущественно
механический, акустический и ультразвуковой способы распыливания, которые
обуславливают большие корневой угол и радиус факела распыла, а,
следовательно, при условии недопустимости контакта распыленных частиц
(капель) со стенками сушильной камеры ее значительный диаметр.
Уменьшение габаритов сушильной камеры возможно в случае сушки в
псевдоожиженном слое на инертных телах [2]. Однако, при таком способе
организации процесса очевидны затраты на приобретение, регенерацию и
санитарную очистку инертных тел и энергозатраты для подачи теплоносителя и
создания кипящего слоя.
Анализ современного состояния техники и технологии сушки и результаты
экспериментальных исследований позволили рекомендовать рациональный
метод влагоудаления без использования инертных тел и предложить
85
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.
малогабаритную сушильную установку для эффективного обезвоживания
жидких продуктов.
Исследования проводились с целью создания устройства, позволяющего
осуществить струйную подачу продукта без тонкого диспергирования,
уменьшить загрязнение сушильной камеры и исключить использование
инертных тел, склонных к агрегированию и как результат –
усовершенствование конструкции и увеличение интенсивности процесса
сушки.
На рис. 1 изображено предлагаемое устройство. Оно имеет сушильную
камеру 1 с газораспределительной решеткой 2, выполненной в виде пластины
круглого сечения с отверстиями, по периметру которых жестко закреплены
отрезки труб, которые сверху накрыты колпачками 3. Устройство оснащено
гидравлическими форсунками 4 для подачи жидкого продукта и циклоном 5
для отделения сухого продукта от потока отработавшего сушильного агента.
Рисунок 1 - Сушильная установка для получения порошков из жидких
продуктов: 1 – сушильная камера; 2 – газораспределительная решетка; 3 –
колпачки; 4 – гидравлические форсунки; 5 – циклон.
Предложенная авторами организация процесса [4] позволяет если не
устранить, то свести до минимума недостатки традиционных способов, а
конструкция малогабаритной сушильной установки перспективна для
использования в производственных технологиях на малых предприятиях.
Сушка является сложным технологическим процессом, т.к. связана с
кинетикой внутренних и внешних тепло- и массообменных процессов,
зависящих от гигроскопических и термодинамических характеристик, как
продукта подвергаемого сушке, так и сушильного агента.
Выбор рациональных «мягких» режимов сушки трудно представить без
изучения статики процесса (равновесных состояний).
Исследование яичного порошка как объекта сушки невозможно без
изучения взаимодействия между влажным газом и продуктом, в результате
которого они стремятся к гигротермическому равновесному состоянию, т.е.
статики процесса обезвоживания. Адекватная оценка целесообразности
86
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.
использования конвективного энергоподвода и механизма движущих сил
влагопереноса, а также научно обоснованный анализ кинетики процессов
влагоудаления и выбор рациональных режимов для обеспечения длительного
хранения высушенного продукта осуществимы в основном благодаря знанию
равновесных соотношений [6, 7, 8].
Обезвоживание большинства пищевых продуктов происходит при
влажности материала, соответствующей диапазону гигроскопического
состояния, в результате чего, для расчета процесса принято использовать
кривые сорбции-десорбции, анализ которых позволяет определить форму и
энергию связи влаги с продуктом, вычислить соответствующий расход тепла
десорбции и определить равновесную влажность продукта при данных
условиях процесса [5].
Необходимость экспериментального исследования гигротермического
равновесного состояния реальных материалов обусловлена сложностью
механизма процессов сорбции - десорбции, что исключает возможность их
теоретического описания с приемлемой степенью точности.
Гигроскопические характеристики яичного порошка исследовались
тензиметрическим методом, подробно описанным в работе [6]. Относительная
ошибка при определении равновесной влажности образцов продукта U, кг/кг не
превышала 7 %. На рис. 2 приведены изотермы сорбции яичного порошка при
различных температурах системы окружающая среда – объект исследования
(кривые 1 и 2) анализ которых показывает незначительную зависимость
сорбционной способности исследуемого продукта от температуры.
Рисунок 2 - Экспериментальные изотермы сорбции яичного порошка
Одновременно характер кривых сорбции свидетельствует о сложном
механизме процесса. Наличие точек перегиба указывает на наличие
качественного изменения форм связи удаляемой влаги. На участке U = 0,011 –
0,032 кг/кг сорбционная способность яичного порошка практически не зависит
от температуры, что, по-видимому, обусловливается образованием прочных
гидратных комплексов при кулоновском характере гидратации [5]. Далее
следует участок (Uр = 0,032 – 0,245 кг/кг), соответствующий процессу
полимолекулярной адсорбции, при котором тепловые колебания молекул воды,
ввиду увеличения количества адсорбированной влаги, расшатывают
молекулярные цепи, тем самым, позволяют им принимать энергетически
выгодные конформации. При этом сами молекулы воды в связи с поляризацией
87
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.
последующих
слоев
предыдущими,
продолжают
находиться
в
ориентированном состоянии [5]. Участок кривой U = 0,245 – 0,282 кг/кг
соответствует процессу капиллярной конденсации влаги, в данном случае
молекулы воды проникают в межмолекулярные пространства продукта,
образующиеся ввиду изначальной свободной упаковки молекул яичного
порошка и их теплового движения, что постепенно приводит к слабому
набуханию, ввиду значительной гибкости молекул, аморфизации и явления
«сорбционной усадки» [5]. В точке пересечения кривой изотермы с прямой Aw =
1,0 достигается максимальная гигроскопическая влажность яичного порошка U
= 0,282 кг/кг.
Гигроскопические характеристики позволяют дать рекомендации по
выбору конечной влажности высушиваемых продуктов, при этом
целесообразной для длительного хранения является равновесная влажность,
соответствующая образованию «монослоя», так как в данном случае влага
наиболее сильно связана с материалом, а биологическая активность
микроорганизмов незначительна. Таким образом, яичный порошок
целесообразно хранить при U = 0,011 – 0,035 кг/кг, соответствующее ей
значение активности воды Aw = 0,001 – 0,240 указывает на необходимость
использования герметичной упаковки при хранении.
Для математического описания процесса сорбции влаги яичным
порошком, учитывая характер изотерм, аппроксимация кривых произведена
полиномами третьей степени, а зависимость от температуры описана линейно
ввиду незначительного её влияния на равновесную влажность продукта, при
этом величина достоверности аппроксимации составила не более R2=0,997.
Аппроксимирующая зависимость активности воды от равновесной влажности и
температуры имеет вид:
Aw = a  T + b   U 3р + c  T + d   U 2р + k  T + l   U + m  T + n  ,
(1)
где a = 0,4541976; b = -64,3627553; c = -0,3143253; d = 45,9006606; k =
0,0560194; l = -4,8906288; m = -0,0010235; n = 0,1817071 – эмпирические
коэффициенты, полученные путем обработки экспериментальных данных.
При неизотермическом влагопереносе внутри материала наблюдаются
явления влагопроводности – перемещение влаги под действием градиента
влажности и термовлагопроводности (термическая диффузия) – перемещение
влаги под действием градиента температуры. При отсутствии массопереноса
термоградиентный коэффициент δр является термодинамическим параметром,
определяющим отношение перепада влажности к перепаду температуры в
материале и зависит от его равновесной влажности, т.е. форма связи влаги с
материалом так же, как и влагопроводность обусловливает термическое
перемещение влаги.
Для анализа движущих сил в процессе сорбции (десорбции) на основе
полученного уравнения (1), описывающего сорбционное равновесие
исследуемого продукта и влажного воздуха, рассчитана функциональная
88
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.
зависимость термоградиентного коэффициента δр от равновесной влажности U
и температуры T (рис. 3).
Рисунок 3 - Зависимость термоградиентного коэффициента δp от
равновесной влажности U при сорбции паров воды яичным порошком
Анализ кривой изменения δр показывает, что при малых значениях
равновесной влажности продукта (Up <0,058 кг/кг) величина δр имеет
отрицательное значение, что обусловлено явлением теплового скольжения при
эффузионном переносе пара в разветвленной сети микрокапилляров.
Экстремальный характер кривой типичен для большинства пищевых
продуктов, при этом её максимум соответствует границе между коллоидносвязанной и свободной (капиллярной) влагой. Монотонное возрастание кривой
до точки максимума (Up < 0,196 кг/кг) объясняется перемещением влаги в
данной области в основном в виде пара за счет диффузионных сил. На участке
Up > 0,196 кг/кг влага движется главным образом в виде жидкости за счет
действия защемленного воздуха, что определяет обратную зависимость (спад
функции). При полном насыщении жидкостью и отсутствии защемленного
воздуха δр≈ 0.
Таким образом, в результате проведения экспериментальных
исследований гигроскопических характеристик яичного порошка получены
данные по изменению равновесной влажности U от активности воды Aw и
температуры Т. Выполнен анализ механизма взаимодействия объекта
исследования с водой, даны рекомендации по выбору конечной влажности
высушиваемого продукта. Для оперативного использования в инженерных
расчетах и разработки адекватных физико-математических моделей
тепломассопереноса при сушке яичного порошка получена аппроксимирующая
функция Aw = f(U,T). Характер перемещения влаги в исследуемом продукте
типичны для большинства биополимеров, однако высокая гигроскопичность
продукта и анализ перемещения влаги в материале указывают на
целесообразность
увеличения
поверхности
тепломассообмена
(диспергирования) и выбора конвективного энергоподвода для интенсификации
процесса сушки [5].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алексанян И.Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов
животного и растительного происхождения. Автореферат диссертации на соискание ученой
степени доктора технических наук. М.: МГУПБ, 2001. С. 52.
89
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань: АИСИ, 2011. 290 с.
2. Куцакова В. Е., Богатырев А. Н. Интенсификация тепло- и массообмена при сушке
пищевых продуктов. М.: Агропромиздат 1987. С. 236.
3. Лыков М. В., Леончик Б.И. Распылительные сушилки. М:, Машиностроение. 1966. С. 330.
4. Губа О. Е., Максименко Ю.А., Терешонков С. А. Разработка рациональных способа
конвективной сушки для жидких продуктов в диспергированном состоянии и конструкции
для его осуществления// Пищевая промышленность. 2010 г. № 10. С. 24-28.
5. Алексанян И.Ю., Буйнов А.А. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка.
Теория. Практика. Моделирование: Монография. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. 380 с.
6. Гинзбург А.С., Савина И.М.. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов.
М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 280 с.
7. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 471 с.
8. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М.: Гостоптехиздат, 1956. 464 с.
90