Спосіб конвективного сушіння матеріалу

Спосіб конвективного сушіння матеріалу, який включає розміщення його в робочому об'ємі з циркулюючим основним сушильним агентом, обдув матеріалу основним нагрітим агентом з осушенням його охолодженням до температури нижче за температуру точки роси, при підведенні та відводі додаткового агента, вилучення конденсату й нагрів осушеного агента, який відрізняється тим, що спочатку, до досягнення матеріалом першої заданої граничної вологості, сушіння проводять нагрітим основним сушильним агентом, температура якого не перевищує температуру деструкції матеріалу, із одночасним зміненням ступеня воло гості основного сушильного агента завдяки підведенню і відводу додаткового агента, потім, до досягнення матеріалом другої заданої граничної вологості, сушіння проводять основним сушильним агентом, осушеним до вологості, яка відповідає температурі точки роси, що визначається прямою залежністю від логарифму вологовмісту сушильного агента за формулою Винахід відноситься до тепломасообмінних процесів і може бути застосований у сільському господарстві, в харчовій, хімічній, мікробіологічній, фармацевтичній та інших переробних галузях промисловості для сушіння й термообробки рослинної сировини, продуктів харчування та інших термолабільних матеріалів із високою вологістю. Відомо спосіб сушіння рослинної сировини шляхом розміщення її у теплоізольованій робочій камері, обдувку сировини нагрітим газоподібним сушильним агентом із примусовою циркуляцією його у замкненому герметичному контурі, осушення агента шляхом охолодження його до випадіння конденсату та відвід конденсату. Реалізація такого способу сушіння рослинної сировини забезпечує повернення в замкнений циркуляційний контур частини теплової енергії, яка була витрачена на випаровування вологи із сировини, за рахунок чого підвищується економічність процесу сушіння (див.: Патент України № 10712, кл. F26В3/06, 1996). Основним недоліком відомого способу сушіння є великі витрати енергії на нагрів і охолодження сушильного агента, а також застосування додаткового джерела енергії ззовні для охолодження конденсатора, що ускладнює експлуатацію і збільшує енерговитрати. Більш економічними є способи конвективного сушіння матеріалів, в яких для одночасного нагріву й охолодження сушильного агента застосовують теплові насоси, термотрансформатори та інші подібні пристрої. Відомий спосіб конвективного сушіння деревини з використанням теплового насоса, який включає наступні операції: розміщення матеріалу в робочому об'ємі, циркуляцію основного сушильного агента в замкненому контурі, обдув матеріалу основним нагрітим сушильним агентом з осушенням його охолодженням у випарнику (низькотемпературному джерелі енергії) теплового насоса до температури нижче за температуру точки роси, відвід конденсату, що утворився, нагрів осушеного агента у конденсаторі (високотемпературному джерелі енергії) теплового насоса, підведення й відвід додаткового сушильного агента (див.: Патент GB № 2263968, кл. F26В21/08, 1995). Цей спосіб сушіння матеріалу за сукупністю суттєвих ознак є найбільш близьким до винаходу, тому він використаний як прототип. ( ) t p = A × lqd1 - B × d1 + C × t1 - D, (19) UA (11) 38971 (13) A де: tp - температура точки роси, °С; t1 - температура сушильного агента, °С; d1 - вологовміст сушильного агента, г/кг сух. пов.; А, В, С, D - безрозмірні коефіцієнти, які визначаються емпірично, після чого сушіння проводять основним сушильним агентом, осушеним до вологості, яка відповідає температурі точки роси більш низький, ніж у вищеназваній залежності, але не нижче за температуру замерзання конденсату, до досягнення матеріалом кінцевої заданої вологості. 38971 Така послідовність проведення конвективного Основним недоліком відомого способу є те, сушіння матеріалу пояснюється тим, що спочатку з що під час сушіння тепловологісні характеристики матеріалу легко вилучається вільна волога, тому матеріалу змінюються, а температура охолоджендостатнім є невеликий ступінь осушення основноня основного сушильного агента і, відповідно, стуго агента, менш глибоке його охолодження і, відпінь його осушення, впродовж усього періоду суповідно, більш висока робоча температура теплошіння матеріалу підтримуються незмінними. Регувого насоса. У свою чергу, підвищення температулювання температури в робочому об'ємі здійснюри низькотемпературного джерела енергії теплоється шляхом зміни кількості підведення й відводу вого насоса призводить до збільшення коефіцієнта додаткового агента. При такому режимі сушіння не перетворення теплового насоса, тобто збільшення забезпечується оптимальна швидкість і мінімальні кількості теплоти, яка одержується у високотемпеенерговитрати впродовж усього періоду сушіння, ратурному джерелі енергії теплового насоса в ротому що спочатку, коли матеріал має найбільшу зрахунку на одиницю витраченої енергії. При цьовологість і з нього легко вилучається вільна волому теплопродуктивність теплового насоса, тобто га, не потрібно підтримувати високій ступінь осукількість вологи, що випаровується з матеріалу, шення агента, а в кінці сушіння, коли в матеріалі значно більша, ніж може бути сприйнято й сконзалишається зв'язана волога, яка важко виводитьденсовано у низькотемпературному джерелі енерся з нього, необхідно проводити більш глибоке гії. Для максимально повного використання теплоосушення агента, тому що при невеликому ступені ти конденсації й зниження питомих витрат на поосушення агента останній період сушіння значно чатку сушіння доцільно надлишки вологи, які не збільшується. Це призводить до збільшення енерможуть бути сконденсовані, вилучати в пароподібговитрат, а також не уможливлює використання ному стані з додатковим агентом, що запобігає цього способу для сушіння інших термолабільних деструкції матеріалу і забезпечує його якість. матеріалів із високою вологістю, за рахунок чого Подальше проведення сушіння до досягнення звужуються функціональні можливості відомого матеріалом другої заданої граничної вологості способу та галузі його застосування. шляхом обдуву його основним сушильним агенТехнічний результат, який досягаються у витом, який осушений до вологості, що відповідає наході, полягає в удосконалені відомого способу температурі точки роси, що визначається прямою конвективного сушіння матеріалу шляхом регулюзалежністю від логарифму вологовмісту сушильновання ступеня осушення основного сушильного го агента за формулою агента, що підвищує якість матеріалу, забезпечує зниження питомих витрат, розширення функціона- = A × lqd - (B × d + C ) × t - D . Це пояснюється tp 1 1 1 льних можливостей та галузей застосування спотим, що у міру зниження вологовмісту в матеріалі собу. знижується парціальний тиск парів у ньому, тобто Технічний результат досягається тим, що у зменшується масообмінний натиск процесу. Для способі конвективного сушіння матеріалу, що підтримання постійної величини масообмінного включає розміщення його в робочому об'ємі з цирнатиску між матеріалом, що висушується, і агенкулюючим основним сушильним агентом, обдув том необхідно у міру зниження парціального тиску матеріалу основним нагрітим агентом з осушенпарів на матеріал, відповідно знижувати вологоням його охолодженням до температури нижче за вміст агента, збільшувати ступінь його осушення температуру точки роси при підведені та відводі шляхом зниження температури агента до темпедодаткового агента, вилучення конденсату й наратури точки роси tp. При цьому, як показали розгрів осушеного агента, згідно з винаходом, спочатрахунки, для забезпечення мінімальних енерговику, до досягнення матеріалом першої заданої гратрат на вилучення вологи з матеріалу, процес ничної вологості, сушіння проводять нагрітим ососушення агента необхідно проводити при змінені новним сушильним агентом, температура якого не tp відповідно з вищезгаданою залежністю. перевищує температуру деструкції матеріалу, з Для досягнення матеріалом кінцевої заданої одночасним зміненням ступеня вологості основновологості сушіння проводять основним сушильним го сушильного агента завдяки підведенню і відвоагентом, осушеним до вологості, яка відповідає ду додаткового агента, потім, до досягнення матетемпературі точки роси більш низької, ніж tp, але ріалом другої заданої граничної вологості, сушіння не нижче за температуру замерзання конденсату. проводять основним сушильним агентом, осушеЦе пояснюється тим, що в даному випадку з матеним до вологості, яка відповідає температурі точки ріалу необхідно вилучити залишкову зв'язану вороси, що визначається прямою залежністю від логу, яка знаходиться в капілярах і порах матеріалогарифму вологовмісту сушильного агента за лу, і яка важко вилучається. Основним фактором, формулою: який визначає енерговитрати у даному випадку, є t p = A × lqd1 - (B × d1 + C) × t1 - D, швидкість сушіння, тобто тривалість процесу. Для збереження (або збільшення) швидкості сушіння і де: tр - температура точки роси, °С; t1 - температуякості матеріалу необхідно збільшити ступінь осура сушильного агента, °С; d1 - вологовміст сушення основного сушильного агента, тобто знизишильного агента, г/кг сух. пов.; А, В, С, D - безрозти температуру точки роси tp. Нижчою межею знимірні коефіцієнти, які визначаються емпірично, ження tp є температура замерзання конденсату, після чого сушіння проводять основним сушильтому, що при наморожуванні вологи на низькотемним агентом, осушеним до вологості, яка відповіпературному джерелі енергії теплового насоса дає температурі точки роси більш низьким, ніж у відбувається забивання льодом його теплообмінвищеназваній залежності, але не нижче за темпеної поверхні і різке зниження ефективності. ратуру замерзання конденсату, до досягнення Таким чином, здійснення запропонованого матеріалом кінцевої заданої вологості. способу конвективного сушіння матеріалу дозво 2 38971 ляє створити ощадливі умови для сушіння термолабільних матеріалів із високою вологістю шляхом регулювання ступеня осушення агента протягом всього періоду сушіння і забезпечити зниження питомих енерговитрат, скоротити час сушіння, підвищити якість висушеного матеріалу і, таким чином, розширити функціональні можливості й галузі застосування способу. Здійснити запропонований спосіб можливо, наприклад, за допомогою теплового насоса, термотрансформатора, турбодетандера та інших подібних пристроїв. Спосіб конвективного сушіння матеріалу з використанням, наприклад, теплового насоса, здійснюється наступним чином. Матеріал, що підлягає сушінню, розміщують у робочому об'ємі на поличках стелажа. Після цього вмикають тепловий насос і вентилятор циркуляції основного сушильного агента. Основний сушильний агент нагрівається у високотемпературному джерелі енергії теплового насоса і спрямовується на обдув матеріалу. При цьому матеріал нагрівається за рахунок теплоти сушильного агента і з нього вилучаються пари вільної вологи, які відводять разом з основним сушильним агентом. Після обдуву матеріалу зволожений і в деякій мірі охолоджений основний сушильний агент спрямовується у низькотемпературне джерело енергії теплового насоса, де він охолоджується до температури точки роси. При охолодженні частина газоподібної вологи, яка міститься в агенті, конденсується й вилучається у вигляді рідини. Осушений і охолоджений основний сушильний агент спрямовується у високотемпературне джерело енергії теплового насоса, де він нагрівається і вдруге спрямовується на обдув матеріалу. За рахунок більшої кількості теплоти, що вилучається у високотемпературному джерелі енергії порівняно з тою, що відводиться з низькотемпературного джерела енергії, з кожним циклом рециркуляції основного сушильного агента температура у робочому об'ємі підвищується. Спочатку сушіння відбувається вилучення вільної вологи, що міститься в матеріалі, при цьому має місце максимальна інтенсивність випаровування вологи з матеріалу. При досягненні заданої робочої температури основного сушильного агента здійснюють підведення і відвід додаткового агента, кількість якого задається таким чином, щоб температура у робочому об'ємі підтримувалася на заданому постійному рівні, а теплота, що вилучається у високотемпературному джерелі енергії теплового насоса, повністю використовувалася на випаровування вологи з матеріалу. При цьому основна частина вологи, що випаровується з матеріалу, відводиться з робочого об'єму за допомогою додаткового агента. Завдяки підведенню й відводу додаткового агента здійснюється регулювання ступеня вологості основного сушильного агента. Після досягнення матеріалом першої заданої граничної вологості швидкість випаровування вологи з матеріалу зменшується, тому припиняють підведення й відвід додаткового агента, і відвід вологи, що випаровується з матеріалу, здійснюють тільки шляхом осушення основного сушильного агента у низькотемпературному джерелі енергії теплового насоса. У процесі сушіння до досягнення матеріалом другої заданої вологості контролюють вологість основного сушильного агента після обдуву матеріалу. У міру того, як висушується матеріал, вологість основного сушильного агента знижується, тому що знижується інтенсивність випаровування вологи з матеріалу. Відповідності до зміни вологості основного сушильного агента корегується ступінь охолодження вологого агента у низькотемпературному джерелі енергії теплового насоса відповідно до залежності = A × lqd1 - (B × d1 + C) × t1 - D, tp що забезпечує мінімальні енерговитрати на вилучення вологи. Після цього в матеріалі залишається незначна кількість вологи й швидкість сушіння знижується. З метою її підвищення збільшують ступінь осушення агента, тобто знижують температуру, до котрої охолоджують основний сушильний агент при осушенні. Необхідний ступінь осушення, а, відповідно, і охолодження агента визначається необхідною швидкістю сушіння, яка контролюється по інтенсивності вологовідділення у низькотемпературному джерелі енергії теплового насоса. На дослідній установці конвективного сушіння матеріалів, в якій використовували компресійний теплонасосний агрегат з робочим тілом R-22, проводилось сушіння стейків соєвих, гуляшу соєвого, грибів "Вешенка" і "Шампіньйон", різаних яблук, полуниці, шовковиці і різаного гарбуза. Температура точки роси визначалася прямою залежністю від логарифму вологовмісту сушильного агента за формулою t p = A × lqd1 - (B × d1 + C ) × t1 - D . При цьому коефіцієнти, що визначалися емпірично, дорівнювали: А=40,36; В=2,08·10-3; С=5,55·10-2; D=26,96. Результати сушіння наведено в таблиці. Як видно з таблиці, спосіб за винаходом відрізняється зменшеними енерговитратами, скороченням терміну сушіння, забезпечує збереження корисних речовин та органолептичних якостей матеріалу, дозволяє сушити різні термолабільні матеріали, зокрема з великою вологістю, які традиційними способами не піддаються сушінню, що розширює галузі застосування способу. 3 Матеріал Стейки соєві Соєвий гуляш Гриби “Вешенка”, “Шампіньйон” Яблука різані Полуниця Шовковиця (тутова ягода) Гарбуз різаний № п/п 1 2 3 4 4 5 6 7 50 60 55 50 68 65 55 575,0 770,0 1172,0 580,0 1200,0 50,0 53,23 11,7 15,7 24,4 12,0 10,7 9,0 8,44 9,0 21,0 44,0 5,5 46,0 3,5 3,5 24,0 15,0 72,0 10,0 10,0 0,23 0,30 0,45 0,23 0,5 0,95 0,97 0,80 0,80 1,2 1,8 2,0 Колір темний, структура порушена, частково втрачаються вітаміни, зокрема вітамін С Структура порушена, аромат і органолептичні якості частково втрачаються Колір темнокоричневий, набрякання за 40 хв, потребується додаткова обробка окропом Колір темний, набрякання за 50 хв, потребується додаткова обробка окропом Колір натуральний світло-жовтий, зберігаються аромат і каротин Колір темний, аромат відсутній, частково втрачається каротин Зберігаються структу- Показники відсутні, ра, аромат, колір, ко- шовковиці не підлярисні речовини гають сушінню Зберігаються структу- Показники відсутні, ра, аромат, колір, ко- полуниці не підлярисні речовини гають сушінню Зберігаються структура, корисні речовини, колір світлий, високі органолептичні якості Зберігаються колір, структура, аромат і корисні речовини, високі органолептичні якості Повне набрякання за 25 хв, колір світложовтий Повне набрякання за 25 хв, колір світложовтий Питомі енерговитрати на Початкова Кінцева Час сушіння, год вилучення вологи з маЯкісні показники висушеного матеріалу Початкова темпераабсолютна теріалу, кВт. год/кг абсолютна тура сувологість вологість шильного матеріалу, За способом, За тради- За способом За тради- За способом за вина- За традиційним споматеріалу, % за винахо- ційним спо- за винахоційним % агента, °С ходом собом дом собом дом способом Таблиця 38971 38971 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5