Изучение процесса конвективной сушки пищевых продуктов

Работа № 7

Изучение процесса конвективной сушки пищевых продуктов

Цель работы:	1.Изучить теоретические основы конвективной сушки продуктов.
	2.Изучить конструкцию лабораторного стенда для сушки пищевых продуктов.
	3.Изучить методику обработки данных для определения основных параметров конвективной сушки.

 

Основные теоретические положения.

Под конвективным сушкой понимают процесс удаления влаги из влажного продукта путем выпаривания ее в окружающую атмосферу (воздух). Конвективный сушки - это сложный процесс тепло- массообмена, что происходит между влажным продуктом и потоком воздуха. Он основан на способности воздуха образовывать с парами воды стойку смесь, причем максимальная концентрация паров воды в воздухе, выраженная в d кг / кг, прямо пропорциональна его температуре. Чем выше температура воздуха, тем больше паров воды приходится на единицу его массы. Максимально возможный содержание массовой количества водяных паров при данной температуре, отнесенный к одному кг воздуха, называется абсолютной максимальной влажностью воздуха (d_max кг / кг при t = const).

В реальности количество водяных паров в воздухе d_p кг / кг может быть меньше d_max есть d_P <d_max, поэтому вводится понятие относительной влажности

φ =

При конвективном сушке воздуха выполняет две функции:

- теплоносителя, несет энергию для нагрева продукта и фазового перехода влаги продукта в пар;

- сушильного агента (абсорбента), который поглощает пары воды, которые испаряются из продукта.

Сначала рассмотрим, как воздух выполняет функцию теплоносителя.

С достаточной точностью (если пренебречь режимом нагрева продукта до температуры процесса t_H, количество тепловой энергии Q₁ (кВт) расходуемое на конвективную сушку продукта, можно определить из уравнения теплового баланса сушки для стационарного режима.

, (7.1)

где ΔW, кг / с. - количество влаги, испарившейся;

r, кДж / кг - теплота парообразования при температуре tK;

мк, Кг / с. - масса готового (высушенного) продукта;

СК, кДж / (кг ∙ К) - теплоемкость высушенного продукта;

,

W,% - влажность продукта,%

t_K, ° С - температура воздуха выходящего из сушилки

t_с, ° С - температура воздуха окружающей среды

Таким образом, полезная тепловая энергия расходуется на испарение влаги, содержащейся в продукте (ΔW ∙ r), и нагрев сухого продукта до температуры окончания процесса сушки М_к ∙ с_к (t_K - t_c).

Воздух, как энергоноситель, вносит в сушильную камеру тепловую энергию в количестве

Q_в = D_в ∙ c_в ∙ (t_н - t_к), кВт (7.2)

где D _в, - массовый расход воздуха кг / с;

c_в, КДж / (кг К) - массовая теплоемкость воздуха;

t_н, - начальная температура, до которой нагрет воздух, поступающий в сушильную камеру, ° С.

Приравняв уравнения (7.1) и (7.2) получим количество необходимой полезной теплоты Q₁:

Q₁ " = D_в ∙ c_в ∙ (t_н - t_к) = , КДж / ч. (7.3)

Анализ уравнения (7.3) показывает, что воздух необходимо нагреть выше температуры окончания процесса, то есть t_н> t_к.

Количество тепловой энергии, необходимой для нагрева воздуха в t_н составит (в кВт)

Q₁ = D_в ∙ c_в ∙ (t_н - t_с) (7.4)

Учитываем тепловые потери аппарата (до 15% от необходимого). Тогда действительный расход тепловой энергии составит:

Q_общ = 1,15 ∙ Q₁ = l, 15 D_в ∙ c_в ∙ (t_н - t_c), (7.5)

Из уравнения (7.3) видно, что наименьшая расход энергии будет когда t _к → t _c.

Рассмотрим функцию воздуха в процессе сушки, как сушильного агента (абсорбента). Эффективность работы сушильной установки зависит от абсорбционной способности воздуха (d_к - d_с).

На простом примере можно доказать необходимость нагрева воздуха.

Пример: Необходимо рассчитать расход воздуха, который нужен для испарения 1 кг воды, для двух вариантов:

а) Дано: ΔW = l кг H2О; t_c = 20 ° C; φ = 75%; d_max 20 ° С = 0,01 кг / кг. D_в -?

б) Дано: воздух подогретый до 90 ° С, ΔW = l кг H2О, φ = 75%; t_н = 90 ° C; d_max 90 ° С = 0,02 кг / кг. D_в -?

Решение: Абсорбционная способность воздуха:

а) при 20 ° С

(D_к - d_н) 20 ° С = d_max - d_р = 0,01 - 75/100 = 0,0025кг / кг.

Расход воздуха D_в = ΔW / (d_к - d_н) = 1 / 0,0025 = 400 кг.

б) при 90 ° С

(D_к - d_н) 90 ° С = d_max - d_р = 0,00 - 75/100 = 0,0125кг / кг.

Расход воздуха D_в = ΔW / (d_к - d_н) = 1 / 0,0125 = 80 кг, то есть в 5 раз меньше.

Из приведенного примера видно, что для осуществления процесса сушки воздух желательно нагревать. При этом повышается не только его энергонесущая способность, но и влагопоглощающая способность, как абсорбента. И, кроме того, значительно уменьшается его расход.

Рассмотрим энергетику процесса сушки. 1кг воздуха, поступающего в сушильную камеру, при нагревании его до температуры t_н имеет начальную энтальпию i _н = c _в ∙ t _н кДж / кг, где c _в - теплоемкость воздуха.

В конце процесса отработанный воздух имеет конечную температуру t _к,° C, а его энтальпия будет

i_н = c_в ∙ t_к +(D_к - d_н) ∙ rt_к, кДж / кг,

где (d_к - d_н) кг - количество испаренной влаги, которая вносится 1кг воздуха;

rt_к, КДж / кг - теплота парообразования при t _к.

Если пренебречь потерей энергии на излучение в окружающую среду (3... 7%), тогда согласно закону сохранения энергии, можно записать, что

 

c_в ∙ (t_н - t_к) = (D_к - d_н) ∙ rt_к (7.6)

Анализ уравнения (7.5) показывает, что процесс конвективной сушки теоретически протекает при постоянной энтальпии воздуха i = сonst и с обязательным снижением температуры (t н > t _к ° С).

Действительно, при t _н = t _к множитель (t _н - t _к) = 0, а, следовательно, в правой части уравнения (7.6) множитель (d _к - d _н) = 0, то есть процесс сушки прекратится.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Процесс конвективной сушки происходит при постоянной энтальпии воздуха с обязательным снижением его температуры. Этот вывод является основой теории конвективной сушки, разработанной академиком Лыковым.

 

Описание стенда.

Стенд (рисунок 7.1) представляет собой миниатюрную конвекционную сушильную установку, снабженную контрольно-измерительными приборами для определения значений основных параметров процесса сушки пищевых продуктов в любой момент времени.

Стенд состоит из циркуляционного воздушного контура 1, выполненного из прямоугольной металлической трубы в виде овала, причем, изменением положения шибера 16, расположенного внутри нижней горизонтальной части трубы, можно изменять контур движения воздуха - замкнутый или разомкнутый.

Для движения воздуха по заданному контуру в левой вертикальной части контура встроенный центробежный вентилятор 2. Нагрев воздуха осуществляется электрическим воздухонагревателем 3, состоящий из нихромовых спиралей, установленных на всасывающем патрубке. Температура спиралей (а, следовательно, и воздух) регулируется изменением напряжения, подаваемого на них ЛАТР 4, так как мощность спирали

Р_СП = U₂ / R, Вт.

В верхней горизонтальной части трубы воздушного контура расположена специальная сушильная камера 5, которая имеет форму параллелепипеда с размерами BxHxL = 90x100x190 мм. Сушильная камера образована двумя поперечными перегородками 6 и 7, имеющих по центру вертикальные прямоугольные окна с размерами 90x100 мм. В окна вставлена ​​прямоугольная образующая, в которой размещается съемная кассета 8, с уложенным в нее продуктом. Это сделано для того, чтобы струя горячего воздуха обдуваемого продукт, имела одинаковый поперечное сечение S = 90x100 = 0,009м2.

Рисунок 7.1 - Схема экспериментального стенда конвекционного сушки.

В центре окна перегородки 6 установлены:

а - приемник трубки Пито 13 соединен гибким шлангом с U-образным манометром 14;

б - горячий спай термопары I;

в - чувственный баллон термометра 11.

В центре окна перегородки 7 установлены горячий спай термопары ИИИ и чувственный баллон термометра 12.

Сверху на горизонтальную часть трубы воздушного контура установлены циферблатные весы ВНЦ-2 10. Грузовая платформа весов жестко соединена со штырем 9, свободно пропущенным в сушильную камеру 5. Нижний конец штыря 9 снабжен крючком, на который подвешивается съемная кассета 8, с возложенной на ней продуктом.

В середине камеры 5 находится гибкий горячий спай термопары II, размещается в центр крайней ломтики хлеба. Перед сушильной камерой находится воздушный шибер 15 для регулирования расхода горячего воздуха.

На панели пульта управления стенда расположены:

а - Многоточечный переключатель термопар;

б - сосуд Дьюара;

в - рукоятка ЛАТРа;

г - вольтметр "V" и амперметр "А";

д - тумблер включения в сеть центробежного вентилятора 18;

е - тумблер включения ЛАТРа 4 в сеть 19.

 

Работа стенда.

 

Массу сухих веществ образца определяют путем взвешивания его на весах. После чего образец погружают в воду и слегка отжимают и снова взвешивают Мз гр. Образец развешивают на шесть П-образных опор, укрепленных на кассете 8.

Когда объект сушки подготовлен, стенд необходимо вывести на стационарный режим. Тумблером включают поставки стенда от сети ~ 220В.

Тумблером 18 включают центробежный вентилятор. Шибером 16 устанавливают заданный контур движения воздуха (замкнутый или разомкнутый).

Тумблером 19 включают ЛАТР 4. Шибер 15 и поворотом рукоятки ЛАТРа устанавливают заданную температуру по термометру 11.

По истечении времени интервала, делают измерение показаний приборов. Окончание опытов определяется при достижении заданной остаточной влажности продукта.

Построение кривых сушки

Кривая сушки в координатах "W,% - τ, мин." показывает, как меняется влажность продукта в процессе сушки (см. рис 7.2).

Для анализа характера протекания процесса конвекционного сушки удобнее пользоваться кривой скорости сушки в координатах « - W,% » (См. Рис 7.3). функция = F (W) является первой производной функции W = f (τ). Тогда для построения зависимости = F (W) можно воспользоваться методом графического дифференцирования = при τ → 0.

 

 

 

Рисунок 7.2 Кривая сушки

 

Рисунок 7.3 - Графическая зависимость (кривая скорости сушки)

в координатах « - W,% »

 

При анализе кривой скорости сушки - W,% на

I участке видно незначительное уменьшение влажности. Это связано с тем, что при нагревании влажного продукта градиент Δt / Δn направлен от поверхности к центру, куда под его влиянием перемещается влага. Потеря влажности происходит только с поверхностного слоя.

II- участок. Продукт прогрелся, градиент Δt / Δn → 0, а градиент концентрации влаги Δc / Δn → max, кроме того, повышается давление жидкости. За счет теплового расширения, жидкость перемещается к поверхности продукта и смачивает ее. В этот момент D, м2 / с достигнет своего максимального значения. Скорость сушки (потери влаги продуктом) зависит только от β, м / с - коэффициента массоотдачи, что в условиях постоянной температуры и влажности воздуха остается практически постоянным. На II участке изымается основное количество поверхностной влаги и частично внутриклеточной. Участок II называют периодом постоянной скорости или периодом внешней диффузии.

III - участок характеризуется падением скорости сушки. Это связано с тем, что после удаления поверхностной влаги существенно уменьшается коэффициент внутренней диффузии D, м² / с, а, следовательно, приток влаги к поверхности тоже уменьшается. На поверхности появляются сухие островки, а после поверхность покрывается сухой корочкой. Поверхность испарения уменьшается и смещается к середине продукта.

В этот период скорость сушки будет зависеть только от коэффициента внутренней диффузии D, все время уменьшается. Влагосодержание, при котором начинается период падающей скорости сушки (перегиб кривой вниз), называется критическим W_кр% и сказывается на графике точкой К1.

Сушка обычно заканчивают при достижении продуктом технологически необходимой остаточной влажности W_т. Практически процесс сушки будет продолжаться до тех пор, пока влажность продукта достигнет влажности воздуха (равновесная влажность).