Спосіб сушіння термолабільного матеріалу

Реферат: Винахід належить до способу сушіння термолабільного матеріалу, такого як столовий буряк, що включає двостадійне сушіння зі зміною у часі температури і вологовмісту сушильного агента. На першому етапі здійснюється поступове підвищення температури тіла до гранично допустимого значення при обдуванні його повітрям з початковими температурою, яка істотно вище за гранично допустиму для даного матеріалу, і парціальним тиском пари не вище 1,5 кПа. На другому етапі обдувають сушильним агентом з початковими парціальним тиском не вище 1 кПа і такою температурою, що забезпечить на поверхні тіла температуру, яка не перевищує гранично допустимої. UA 109241 C2 (12) UA 109241 C2 UA 109241 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до технологій сушіння термолабільних матеріалів і може бути використаний в харчовій, медичній, будівельній та інших суміжних з ними галузях промисловості. Відомий спосіб одержання порошку з фруктів / Патент України № 47560, А23В 7/02, опублікований 15.07.2002/, відповідно до якого сушіння проводять у дві стадії з наступним охолодженням повітря і подрібненням у порошок. На першій стадії шар 0,04-0,06 м нарізаних яблук обдувають повітрям з початковою температурою 110…130 °C, вологовмістом 30…50 г/кг сухого повітря протягом 40-70 хвилин до вологості фруктів 30-40 %, а на другій стадії створюють шар 0,08-0,1 м та обдувають теплоносієм з температурою 65…80 °C і вологовмістом 10…30 г/кг сухого повітря протягом 150-200 хв до залишкової вологості фруктів 5…6 %. Результати експериментальних і теоретичних досліджень свідчать про те, що час протікання процесу сушіння суттєво залежить від багатьох факторів: від початкової вологості і температури матеріалу, його геометричних і теплофізичних параметрів, температури, вологості і швидкості руху сушильного агента та деяких інших параметрів. Тому цей спосіб сушіння з двостадійною зміною температури і вологовмісту повітря може застосовуватись лише для конкретного матеріалу і діапазону значень вказаних параметрів. Крім того, подача теплоносія з високими температурою і вологовмістом на першій стадії сушіння хоча і інтенсифікує тепловіддачу, однак зазначені параметри можуть відповідати температурі мокрого термометра вищій, ніж гранично допустима Т* для даного термолабільного матеріалу, що призводить до погіршення його якості. Найбільш близьким до способу, що заявляється, вибраний нами як прототип, є спосіб 3 виробництва сушеної дині / Патент на винахід України № 103864, МПК А23В 7/02, опублікований 25.11.2013 г./ що передбачає сушіння конвективним способом у дві стадії: на першій стадії температура теплоносія становить 75-100 °C, вологовміст не менше 10 г/кг сухого повітря до досягнення матеріалом гранично допустимої температури, а на другій стадії температура теплоносія становить 45-58 °C вологовміст не більше 10 г/кг сухого повітря при швидкості руху теплоносія 1,5-2,5 м/с. Зниження вологовмісту теплоносія на заключному етапі зневоднення інтенсифікує випаровування рідини з поверхневих шарів матеріалу, але це в свою чергу призводить до зниження його температури, що при застосуванні теплоносія з температурою, близькою до гранично допустимої, сповільнює процес досягнення матеріалом кінцевого вологовмісту. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу сушіння термолабільних матеріалів шляхом поступового підігріву матеріалу сушильним агентом, початкова температура якого перевищує гранично допустиму на першому етапі і досягнення матеріалом низького кінцевого вологовмісту при забезпеченні підтримання температури зовнішньої поверхні тіла не вище її гранично допустимого значення внаслідок зміни температури та вологості теплоносія на другому етапі, що забезпечить якісне висушування сировини при зменшенні втрат часу на проведення сушіння і відповідно витрат енергії. Поставлена задача вирішується тим, що у способі сушіння термолабільних матеріалів, який передбачає двостадійне сушіння зі зміною у часі температури і вологовмісту сушильного агента, згідно з винаходом, на першому етапі здійснюється поступове підвищення температури тіла до гранично допустимого значення при обдуванні його повітрям з початковими температурою, істотно вищою за гранично допустиму для вибраного матеріалу і парціальним тиском пари 1,5 кПа, на другому етапі обдувають сушильним агентом з початковими парціальним тиском 1 кПа і температурою такою, що на поверхні тіла температура не перевищує гранично допустимої. Графіки зміни температури та парціального тиску пари сушильного агента, або інших параметрів, що впливають на інтенсивність його теплообміну з термолабільним пористим тілом, визначаються з використанням чисельного методу [Никитенко Н.И., Снежкин Ю.Ф., Сороковая Н.Н. Математическое моделирование динамики обезвоживания в конвективных сушильных установках непрерывного действия // Наукові праці ОНАХТ (Одеської національної академії харчових технологій). - 2013. - Вип. 43. - Т. 1. - С. 26-32.] розрахунку динаміки тепло - і масопереносу, фазових перетворень і усадки при сушінні колоїдних капілярно-пористих тіл в прямоточній стрічковій сушарці на базі заданих даних про геометричні і теплофізичні параметри тіла, про початкові умови, про вихідну температуру, вологість і швидкість руху сушильного агента, про гранично допустиму температуру матеріалу, адекватність якого підтверджується зіставленням результатів розрахунку і експериментальних даних. Для заданої вихідної температури сушильного агента підвищення температури тіла вище за Т* в будь-який момент часу на другому етапі сушіння хоча і підвищує швидкість зневоднення, однак призводить до погіршення якості продукту і тому є недоцільним. Сушіння матеріалу, температура якого нижча вказаної температури, викликає збільшення часу протікання процесу 1 UA 109241 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сушіння і енергетичних витрат. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує скорочення часу сушіння і енергетичних витрат. Заявлений спосіб здійснюється наступним чином. Перед проведенням процесу сушіння визначаються витрата, температура, тиск і вологовміст сушильного агента, з якими він подається в сушильну камеру на початку першого етапу сушіння. Вибрана температура вища за гранично допустиму і може бути близькою до максимального значення для обраної сушарки. Визначається товщина шару матеріалу, що підлягає сушінню. По довідковим даним і шляхом вимірювання знаходяться теплофізичні властивості матеріалу, його початкова вологість і температура, гранично допустима температура, яка може бути функцією вологості матеріалу. На базі вказаного вище чисельного методу отримують графіки зміни температури і парціального тиску пари або вологовмісту сушильного агента, виходячи з того, щоб тривалість процесу була мінімальною і температура на поверхні шару сировини не перевищувала гранично допустимого значення. На основі цих графіків, разом з вказаними вище вихідними параметрами процесу, повністю визначається режим сушіння термолабільного матеріалу. Приклад 1. Згідно з винаходом проведено розрахунок динаміки і кінетики сушіння шару колоїдного капілярно-пористого термолабільного матеріалу - столового буряку шляхом симетричного обдування гарячим повітрям. Початкові значення температури і вологовмісту шару становлять відповідно 18 °C і 11,1 кг/кг. Гранично допустима температура 60 °C. Товщина шару H дорівнює 12,5 мм. Температура сушильного агента Тс на початку першого етапу сушіння дорівнює 140 °C, тиск 103 кПа, парціальний тиск пари 1,5 кПа, вологовміст 10 г на кг сухого повітря, швидкість - 5,5 м/с, витрата - 30 кг/с. Зміна умов підводу теплоти до тіла від сушильного агента на першому етапі визначається зменшенням температури теплоносія внаслідок тепловіддачі та збільшенням його вологовмісту внаслідок інтенсивного випаровування вологи з матеріалу. Коли температура на зовнішній поверхні тіла наближається до T*, а парціальний тиск пари в сушильному агенті досягає значення, при якому зміна вологовмісту матеріалу майже не відбувається, що визначається на базі чисельного методу динаміки і кінетики сушіння шару буряку в прямоточній стрічковій сушарці при вказаних умовах однозначності та заявлених параметрів матеріалу і сушильного агенту, перший етап закінчується. На другому етапі обдування матеріалу починалось повітрям з температурою 105 °C і парціальним тиском 1 кПа, що відповідає вологовмісту 6 г/кг сухого повітря. Отримані графіки зміни парціального тиску Рпс (або вологовмісту dc) та температури Тс сушильного агенту, температури на зовнішній поверхні шару Т і середнього вологовмісту W матеріалу. На рисунках представлені графіки зміни Р пс, W, Тс і Т для випадку, коли перший етап закінчується при досягненні тиску пари Р пс в сушильному агенті значень 15 кПа (криві 1), 16 кПа (криві 2) та 17 кПа (криві 3). Початкові параметри сушильного агента Тс0=140 °C, wc0=5,5 м/с, Рс0=103 кПа. Довжина z сушильної камери визначається швидкістю стрічки wL=0,005 м/с. Збільшення тривалості першого етапу сушіння (криві 2, 3) дозволяє досушити матеріал до більш низького рівноважного вологовмісту W p на другому етапі,проте у разі 3 має місце підвищення температури поверхні шару вище Т*, що погіршує якість готового продукту. Отже, раціональний режим сушіння шару столового буряку для вибраних вихідних параметрів визначається умовами 2. Слід зазначити, що висушити шар товщиною Н=12,5 мм столового буряку у прямоточній стрічковій сушарці до рівноважного вологовмісту W p при відповідних вихідних параметрах теплоносія, нижчого за 30 кг/кг без додаткового осушування і підігріву сушильного агента не представляється можливим. На фіг. 3 показані графіки зміни середніх вологовмісту теплоносія і шару столового буряку товщиною Н=12,5 мм при його зневодненні в прямоточній стрічковій сушарці конвективним і запропонованим конвективно - конденсаційним способом по режиму 2, при якому парціальний тиск пари Рпс в сушильному агенті досягає значення 16 кПа на першому етапі, а потім досушується до Рпс=1 кПа і додатково підігрівається до Т с=105 °C на другому етапі. Приклад 2. Для з'ясування ефективності чисельного методу розрахунку і адекватності представлених результатів розрахунку на лабораторному стенді Інституту технічної теплофізики НАН України було проведено сушіння нерухомого шару столового буряку товщиною Н=12,5 мм теплоносієм з незмінними параметрами Т с=60 °C, wc=1 м/с; dc=9 г/кг сухого повітря. На фіг. 4, 5 наведені графіки зміни середніх значень вологовмісту W і температури Т шару столового буряку при його зневодненні нагрітим потоком повітря, отримані експериментальним шляхом і на базі розробленої математичної моделі у якій було покладено, що конвеєрна стрічка нерухома, а температура, швидкість і вологовміст теплоносія незмінні. Результати розрахунку досить добре узгоджуються з експериментальними даними. 2 UA 109241 C2 Наведені приклади підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого способу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб сушіння термолабільного матеріалу, такого як столовий буряк, що включає двостадійне сушіння зі зміною у часі температури і вологовмісту сушильного агента, який відрізняється тим, що на першому етапі здійснюється поступове підвищення температури тіла до гранично допустимого значення при обдуванні його повітрям з початковими температурою, яка істотно вище за гранично допустиму для даного матеріалу, і парціальним тиском пари не вище 1,5 кПа, на другому етапі обдувають сушильним агентом з початковими парціальним тиском не вище 1 кПа і такою температурою, що забезпечить на поверхні тіла температуру, яка не перевищує гранично допустимої. 3 UA 109241 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4