Сушка. Сушильные процессы и конструкции сушилок

   Скорость сушки для данной влажности (влагосодержания) материала выражается тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой сушки, определяющей влажность или влагосодержание материала.

По данным о скорости сушки строится кривая скорости сушки (рис.2.). Горизонтальный отрезок ВС определяет скорость в первом периоде сушки, а отрезок СЕ - во втором периоде.

   В первом периоде сушки удаляется свободная влага, и скорость сушки определяется сопротивлением массопереносу во внешнедиффузионной области, т.е. значением конвективного коэффициента массоотдачи. В точке С, соответствующей первой критической влажности wкр, влажность на поверхности материала становится равной гигроскопической. Со значения wкр начинается удаление из материала связной влаги и скорость процесса сушки снижается.

   Отметим, что вид кривых скорости сушки во втором периоде может значительно отличаться от приведенного на рис.2. Второй период сушки в зависимости от форм связи влаги с материалом может сам складываться из нескольких периодов. Кривая I (рис.3.) типична для капиллярно-пористых тел (например, сухарей), для которых верхний участок определяет скорость удаления капиллярной влаги, а нижний, начиная с влажности, равной wкр2 ,- адсорбционной. Линии 2 и 3 соответствуют скоростям сушки, большей и меньшей, чем те, которые подчиняются прямолинейному закону. Первая имеет место при сушке, Например, тканей и других тонколистовых материалов или когда материал растрескивается во время сушки, вторая - при сушке, например, керамических материалов или когда на поверхности материала образуется корка, препятствующая диффузии влаги к поверхности раздела фаз.

   Скорость сушки определяет один из важнейших технологических параметров сушки - ее интенсивность. Интенсивность испарения влаги из материала определяется количеством удаляемой влаги в единицу времени с единицы площади поверхности высушиваемого материала: I=W/(Fτ).

   Влага внутри твердого  влажного материала перемещается  к поверхности за счет массопроводности. От поверхности раздела фаз в ядро газового потока влага передается за счет конвективной диффузии.

   Перемещение вещества  в капиллярно-пористых материалах  может осуществляться одновременно  под действием градиентов концентраций  и температур. Последнее обстоятельство  вызывает явление термодиффузии, которое особенно сильно проявляется при жестких режимах сушки, когда появляются значительные градиенты температур в материале.

   При р=const массовый поток

 

   Первый член уравнения (1) характеризует перенос вещества  под действием градиента концентраций, второй – под действием градиента температур.

   Кинетические коэффициенты k и δ в этом уравнении являются функциями температуры и влажности тела. Поэтому перенос влаги  во влажном теле следует рассматривать совместно с распространением теплоты в материале, которое описывается законом теплопроводности Фурье

 

                                                                                                                         

   На основании приведенных  уравнений массотеплопроводности А.В.Лыковым получена система дифференциальных уравнений тепломассопереноса (при р=const) в капиллярно-пористом теле

 

  

 

   Коэффициенты λ, с, ε, r в этом уравнении являются переменными величинами, зависящими от влажности и температуры тела.

   Первое уравнение системы описывает скорость изменения влагосодержания в твердом теле под действием градиентов влажности и температур.

   Второе уравнение  характеризует скорость изменения  температурного поля за счет  теплопроводности и внутреннего  испарения.

   При конвективной сушке термодиффузионный поток, направленный против основного направления диффузии вещества, снижает скорость массопроводности.

   При радиационно-конвективной  сушке термодиффузионный поток  влаги преобладает над концентрационной  диффузией. Под влиянием термического градиента ▼t, который развивается быстрее , чем концентрационный ▼X, влага стремится переместиться внутрь тела. Потоки массы влаги и теплоты совпадают по направлению. В то же время происходит испарение жидкости на поверхности тела, что приводит к увеличению градиента влагосодержания в теле. Когда ▼X>δ>▼t, направление потока влаги изменяется и перемещается из внутренних слоев к поверхности тела. В этом случае термодиффузия препятствует диффузии вещества. Рассмотренный механизм процесса приводит к практическим выводам, а именно: высушиваемый материал должен периодически, а не постоянно находиться в зоне облучения. Такой процесс может быть осуществлен в облучаемом псевдоожиженном слое, в котором перемещающиеся частицы только кратковременно находятся в зоне облучения, успевая нагреться. При этом происходит испарение влаги с поверхности частиц. Находясь в зоне облучения, обдуваемые газом более низкой температуры, чем температура частиц в облучаемом слое, частицы охлаждаются, принимая температуру ядра слоя. Температурный градиент меняет свое направление градиента влагосодержания. В этот период термодиффузия способствует перемещению влаги, интенсифицируя процесс.

   Располагая данными  по массопроводности в капиллярно-пористых  телах можно определить продолжительность сушки в i-м интервале изменения влажностей, где ki=const:

 

   На практике часто  для определения продолжительности  сушки ползуются экспериментальными  кривыми кинетики и скорости  сушки либо приближенными кинетическими  уравнениями.

   По кинетическим  уравнениям рассчитывают основные  размеры сушильных аппаратов. Основная  величина, определяющая размеры  периодически действующих аппаратов  - продолжительность сушки, а непрерывно  действующих – требуемая площадь  поверхности контакта фаз или время сушки материала.

   В общем случае  для периодических процессов  общее время сушки 

   Значение τ1 определяют из основного уравнения массопередачи

   Как указывало  выше, точное определение средней  движущей силы процесса представляет  значительные трудности , особенно при сушке в аппаратах со сложной гидродинамической обстановкой. Кинетический закон для первого периода сушки может быть выражен уравнениями массоотдачи, которые в данном случае принимают вид

   Для расчета коэффициента  массы отдачи в первом периоде сушки может быть использовано приближенное уравнение

   Для расчета продолжительности  процесса сушки во втором периоде  используют приближенный метод  Шервуда – Лыкова, который справедлив, когда кривая скорости сушки  во втором периоде подчиняется уравнению прямой линии. Кинетический закон для второго периода имеет вид

   В случае непрерывного  процесса сушки определяют суммарную  площадь поверхности фазового  контакта, необходимую для проведения  первого и второго периодов  сушки:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Варианты сушильных процессов

   В пищевой промышленности используют следующие варианты сушки:

          1. С многократным промежуточным нагреванием воздуха;

          2. С многократным промежуточным нагреванием воздуха и частичной циркуляцией его в отдельных зонах;

          3. С замкнутой циркуляцией высушивающего газа.

   5.1. Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха (рис. 4.) широко применяется для сушки сухарей и макаронных изделий. При сушке этих изделий обычно принимают верхние и нижние пределы температур воздуха  tв и tн. Воздух предварительно нагревается до tв и после этого взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до температуры tн , затем воздух вновь нагревается в калорифере до температуры tв и вновь взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до tн, и т.д. Конечные параметры воздуха в этом случае определяют точкой В.

   Этот вариант сушки характеризуется тем, что требуемое количество теплоты подводится к высушиваемому материалу при пониженной температуре воздуха. Пунктирные линии на рисунке 4 показывают, что для сушилки без промежуточного подогрева воздуха потребовалось бы предварительное нагревание до его температуры t1 (точка С). Такую схему сушилки применяют для сушки пищевых материалов, не выдерживающих высоких температур.

   5.2. Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха показана на рис.5. Исходный воздух с параметрами, характеризуемыми точкой А, смешивается с частью отработанного воздуха (линии АС и ВС), затем смесь нагревается в калорифере до температуры сушки tc и взаимодействует с высушиваемым материалом. Конечные параметры воздуха определяет точка В. По сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха для этого варианта сушки характерны пониженная температура воздуха при сушке tс вместо tк , повышенное начальное влагосодержание хс вместо хн и большая линейная скорость газа в сушилке.

   Эти параметры воздуха и его скорость в сушилке зависят от кратности смешения n=l/L. Расходы теплоты в данной сушилке и в сушилке без циркуляции воздуха будут одинаковые при тех же пределах изменения состояния воздуха.

   5.3. Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха и промежуточным нагревом в калориферах представляет собой сочетание описанных выше вариантов. Для этого варианта сушки характерны пониженная температура воздуха, повышенное начальное влагосодержание и относительная влажность воздуха, большая линейная скорость газа в сушилке за счет увеличения количества циркулирующего воздуха в сушилке.

Рассмотренные варианты организации процессов сушки обеспечивают мягкие условия сушки и подвод необходимого количества теплоты, что чрезвычайно важно при сушке пищевых продуктов. Мягкие условия сушки достигаются за счет снижения начальной температуры сушки воздуха, увеличения его влагосодержания и повышения линейной скорости газового потока в сушилке. Последнее обстоятельство приводит к возрастанию коэффициента массоотдачи и увеличению скорости сушки в первом периоде.

 

 

 

6. Конструкции сушилок

   Сушилки, применяемые в пищевой промышленности, отличаются разнообразием конструкций и подразделяются по способу:

          1. Подвода теплоты (конвективные, контактные и др.);

          2. По виду используемого теплоносителя (воздух, газ, пар, топочные газы);

          3. По величине давления в сушилке (атмосферные и вакуумные);

          4. По способу организации процесса (периодического и непрерывного действия);

          5. По схеме взаимодействия потоков (прямоточные, противоточные, перекрестного и смешанного тока).

6.1 Конвективные сушилки

Конвективные сушилки, среди которых простейшими являются камерные (рис.6), представляют собой корпус, внутри которого находятся вагонетки. На потолках вагонеток помещается влажный материал. Теплоноситель нагнетается в сушилку вентилятором, нагревается в калорифере и проходит над поверхностью высушиваемого материала или пронизывает слой материала снизу вверх. Часть отработанного воздуха смешивается со свежим воздухом. Эти сушилки периодического действия работают при атмосферном давлении. Их применяют в малотоннажных производствах для сушки материалов при невысоких температурах в мягких условиях. Камерные сушилки имеют низкую производительность и отличаются неравномерностью сушки продукта.

6.2 Туннельные сушилки

Туннельные сушилки (рис.7.) используют для сушки сухарей, овощей, фруктов, макарон и других продуктов.  По организации процесса эти сушилки относятся к сушилкам непрерывного действия. Сушилки представляют собой удлиненный прямоугольный корпус, в котором перемещаются по рельсам тележки с высушиваемым материалом, расположенным на полках тележек. При этом время пребывания тележек в сушильной камере равняется продолжительности сушки. Сушка материала достигается за один проход тележек. Свежий воздух засасывается вентилятором и поступает, нагреваясь в калориферах, в сушилку. Перемещение тележек происходит с помощью толкателя. Сушилка имеет самоотворяющиеся двери.

   Горячий воздух взаимодействует в сушилке с материалом в прямотоке либо в противотоке. В ряде случаев в туннельных сушилках возможно осуществить рециркуляцию воздуха и его промежуточный подогрев в сушильной камере. Калориферы и вентиляторы устанавливают на крышке сушилки, сбоку или в туннеле под сушилкой. Отработанный воздух из сушилки выбрасывается через газоход.

 

Рис.7. Туннельная сушилка:

1 - двери; 2 - газоход; 3 - вентилятор; 4 - калорифер; 5 - корпус; 6 - тележки с материалом.

 

 

 

 

 

6.3 Ленточные многоярусные конвейерные сушилки

Ленточные многоярусные конвейерные сушилки применяют для сушки макаронных изделий, сухарей, фруктов, овощей, крахмала и др. Влажный материал загружается через верхний загрузочный бункер, как показано на рис.8, или боковой и поступает на верхний перфорированный ленточный конвейер, на котором перемещается вдоль сушильной камеры, и затем пересыпается на ниже расположенный конвейер.