7.8. Сушка

Удаление влаги из материалов называют сушкой. Этот процесс чрезвычайно широко распространен в пищевой промышленности и других отраслях. Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве. Сушке подвергают древесину, прежде чем изготовить из нее изделия Сушат окрашенные поверхности изделий в машиностроении и т. д. В пищевой промышленности сушка обеспечивает длительные сроки хранения продуктов (сухари, сахар) или является этапом технологии, сообщая необходимые свойства перерабатываемым полуфабрикатам и изделиям (пастила, зефир).

Существуют различные способы удаления влаги из материала. Наименее энергоемкий способ — механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот способ позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу. Механические способы обезвоживания принципиально обсуждались ранее. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении в пар содержащейся в материале влаги с последующим удалением этого пара. Физико-химические способы сушки основаны на применении водопоглощающих средств (силикагель, концентрированная серная кислота и хлористый кальций). Эти способы не получили промышленного распространения и используются в лабораторной практике.

Виды связи влаги с материалом. Сырьё и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на две группы: твёрдые кристаллические тела (сахар, лимонная кислота, поваренная соль и т. п.) и коллоидно-дисперсные системы, которые, в свою очередь, академик А. В. Лыков предложил разделить на три группы. Первая группа — эластичные гели — тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность. К эластичным гелям относится прессованное мучное тесто, изделия на основе агар-агара (пастила, зефир) и желатина (мармелад). Вторая группа — хрупкие гели — тела, которые после сушки становятся хрупкими: керамика и т. п. Третью группу составляют коллоидные капиллярно-пористые тела: хлеб, зерно, кожа, древесина и т. п. Эластичные стенки капилляров этих тел деформируются при сушке, поэтому изделия могут изменять свой объем (усадка) и форму (крошение). После сушки коллоидные капиллярно-пористые тела могут становиться хрупкими, как, например, сухари. Даже такое весьма условное деление демонстрирует огромное многообразие типов объектов сушки, особенности которых учитывают при выборе способа сушки и назначении технологического регламента. Различные тела по-разному взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному её связывают. Академик П. А. Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

а) механическая — влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочна. Такую влагу можно удалить путем механического воздействия, например прессованием или в центрифуге;

б) физико-химическая форма связи — адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется намного больше энергии. Удаление такой влаги происходит, как правило, в форме пара, т. е. необходимо предварительно превратить воду в пар, затратив значительное количество теплоты;

в) химическая форма связи — наиболее прочная. Это ионная связь (NaON) и вода в кристаллогидратах (CuS0₄ ∙ 5Н₂0). Химическая связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур — прокаливанием.

Анализируя виды связи влаги с материалом, можно сделать следующий вывод: целесообразно вначале удалить из материала влагу механическим способом и только затем переходить к тепловой сушке.

Среди известных способов тепловой сушки самый распространённый — конвективный. При этом способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильных агентов используют топочные газы, инертные газы и воздух. Сушильный агент выполняет и вторую, не менее важную задачу — поглощает образовавшийся водяной пар и выводит его из сушилки. Таким образом, интенсивность процесса зависит от скорости переноса теплоты при нагревании материала и испарении влаги и от скорости переноса массы этой влаги в сушильный агент. Так как топочные газы содержат в своём составе твердые продукты сгорания, что приводит к загрязнению высушиваемых материалов, в пищевой промышленности их практически не применяют. Самый распространенный сушильный агент — предварительно подогретый воздух.

Свойства влажного воздуха. Атмосферный воздух практически представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Влажность воздуха характеризуется содержанием в нём водяного пара

Влагосодержанием воздуха называют массу водяного пара, приходящуюся на 1 кг сухого воздуха. Если массу пара измеряют в граммах, влагосодержание принято обозначать буквой d (г/кг). Если массу пара измеряют в килограммах, влагосодержание обозначают х (кг/кг). Таким образом,

.

В соответствии с законом Дальтона общее давление воздуха равно сумме парциальных давлений водяного пара и сухого воздуха :

. (7.118)

Полагая, что уравнение состояния газа справедливо для воздуха, можем написать это уравнение для 1 кг сухого воздуха при атмосферном давлении, занимающего объем , м³:

.

Подобное уравнение можем написать и для кг водяного пара, находящегося в том же объеме :

.

Поделив полученные уравнения одно на другое, подставив значения газовых постоянных ( 287 Дж/(кг ∙ К); 462 Дж/(кг ∙ К)], имеем:

. (7.119)

Здесь в соответствии с уравнением (7.115).

Для расчета влагосодержания необходимо знать парциальное давление водяного пара, которое изменяется в зависимости от влажности воздуха. Максимально возможное парциальное давление водяного пара соответствует полному насыщению воздуха. Степень насыщения воздуха водяными парами характеризуют относительной влажностью:

, (7.120)

где:

и — плотность пара при парциальном давлении и давлении насыщения.

Решая уравнение (7.119) относительно , получим:

; . (7.121)

Уравнение (7.119) можно переписать с учетом выражения (7.120):

. (7.122)

При нагревании или охлаждении воздуха его влагосодержание не изменяется. Поэтому при неизменном общем давлении и повышении температуры, а следовательно, и относительная влажность уменьшается. Относительную влажность определяют с помощью психрометра — прибора, состоящего из двух термометров один из которых показывает температуру воздуха (сухой термометр), а другой, нижняя часть которого обернута влажной тканью, — температуру испарения воды (температура мокрого термометра). Разность

, (7.123)

называемая потенциалом сушки, характеризует сушильную способность воздуха. С помощью психрометрической таблицы по этой разнице определяют относительную влажность .

Удельная энтальпия влажного воздуха отсчитывается от 0 ⁰С и относится к 1 кг воздуха. Рассчитывают удельную энтальпию влажного воздуха как сумму энтальпий сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара:

. . (7.124)

Здесь:

теплоемкость сухого воздуха; 1,0 кДж/(кг ∙ К); удельная теплоёмкость пара; при давлении, близком к атмосферному, 1,93 кДж/(кг ∙ К); скрытая теплота парообразования; при 0 ⁰С 2500 кДж/кг.

Следовательно, для воздуха при атмосферном давлении расчётная формула имеет вид:

(7.125)

В 1918 г. Л. К. Рамзиным была предложена диаграмма влажного воздуха (рис. 7.47), которая позволяет проследить за изменением параметров воздуха в различных процессах.

диаграмма построена в косоугольной системе координат с углом между осями и 135⁰. Такое расположение оси позволило развести изотермы , расположенные под небольшим углом к горизонту, с линиями , которые в этом случае не горизонтальны, а проведены под углом 45° к горизонту. Для удобства все значения влагосодержания спроецированы на горизонтальную вспомогательную ось , что возвращает нас к привычной прямоугольной форме диаграммы. Таким образом, линии вертикальны, а линии составляют с горизонтом угол 45°.

Все линии на диаграмме построены по уравнениям, приведенным выше. Среди основных отметим линии веером расходящиеся из точки на оси , где , a . При температуре 99,4 (температура насыщения при давлении 745 мм. рт. ст.) линии резко ломаются и далее идут вверх вертикально, параллельно линиям .

Нижняя пограничная кривая 100 % соответствует условиям насыщения воздуха. На этой кривой пересекаются в одной точке изотермы сухого термометра и изотермы мокрого термометра , изображаемые наклонными линиями. В нижнем правом углу диаграммы расположена наклонная прямая — линия парциального давления пара.

Кинетика сушки. Влагопроводность и термовлагопроводность. При конвективной сушке влага удаляется из материала в результате испарения с поверхности материала. На смену испаряемой с поверхности влаги из глубины материала перемещается влага под действием градиента концентрации влаги. Эта привычная нашим представлениям картина значительно искажается действием температурного градиента в капиллярно-пористых телах

Под действием температурного градиента влага перемещается от более нагретых слоев на поверхности материала к менее нагретым — внутри. Это явление получило название термовлагопроводности. Укажем на три основные причины переноса влаги внутри капилляра под действием температурного градиента. Первая — термодиффузия — молекулярное движение жидкости или пара под действием разности температур. Вторая — уменьшение поверхностного натяжения в менисках пробочек влаги, заполняющих капилляр, при повышении температуры. Пробочки проталкиваются в сторону меньшей температуры. Третья — «защемлённый» воздух, находящийся между жидкими пробочками внутри капилляра, сильнее нагревается и увеличивает свой объем со стороны высокой температуры. Это расширение воздушных пузырьков вызывает цепное проталкивание жидких пробочек в направлении теплового потока. Таким образом, возникают два встречных потока влаги. Под действием градиента концентрации

(7.126)

и под действием градиента температуры:

. (7.127)

В уравнениях (7.126) и (7.127) и — коэффициенты массопередачи в этих процессах, зависящие от структуры материала и вида связи влаги с материалом.

Суммарный поток перемещающейся влаги равен разности этих двух величин:

(7.128)

и зависит от величин действующих градиентов и их знака.

Чтобы избежать отрицательного влияния градиента температуры на скорость сушки, на практике стараются понизить температуру сушильного агента: прибегают к прерывистым процессам сушки с кратковременным нагревом и затем охлаждением и т. д.

Кривые сушки и кривые скорости сушки. Для характеристики процесса сушки коллоидных капиллярно-пористых тел удобно пользоваться графиками изменения влажности материала. Кривая сушки (рис. 7.48) показывает изменение влажности по времени. Как видим из графика, весь период сушки от начальной влажности до конечной можно разбить на три периода: краткий период подогрева материала, когда влажность его практически не изменяется; период постоянной скорости сушки, когда кривая сушки имеет форму наклонной прямой, и период убывающей (падающей) скорости сушки от точки . Точку называют критической точкой — она фиксирует на графике момент, когда количество влаги, поступающей к поверхности материала, становится меньшим, чем может испариться с его поверхности. Влажность материала в третьем периоде асимптотически приближается к равновесной в данных условиях влажности.

Кривая скорости сушки (рис. 7.49) может быть построена графически дифференцированием кривой сушки. Период подогрева на этом графике изображается вертикальной прямой ( ). Период постоянной скорости — горизонтальная прямая до критической точки . Характер изменения скорости сушки в третьем периоде зависит от структурных особенностей материала. Так, прямолинейный характер изменения скорости сушки 1 имеют грубопористые материалы, например бумага. Кривая 2 соответствует сушке макаронных изделий. Характер изменения скорости сушки сухарей представлен кривой 3.

Уравнение скорости сушки. Продолжительность сушильного процесса. Продолжительность периода прогрева материала пренебрежимо мала по сравнению с двумя другими периодами сушки. Поэтому продолжительность сушильного процесса зависит от скорости в период постоянной и в период падающей скорости сушки.

Период постоянной скорости сушки. На этом этапе из материала удаляется свободная влага путём её испарения с поверхности. Движущую силу этого процесса можно выразить разностью парциального давления пара в поверхностной плёнке материала и парциального давления водяного пара в окружающем воздухе .

Экспериментально получено следующее уравнение для скорости сушки в период постоянной скорости:

(7.129)

где:

— скорость воздуха над материалом; — плотность воздуха.

Анализ уравнения (7.129) показывает, что скорость сушки на первом этапе зависит в основном от параметров сушильного агента. Интегрируя уравнение (7.129) в пределах изменения влажности от до и времени от 0 до , имеем:

. (7.130)

Период падающей скорости сушки. Этот период характерен сложными кинетическими законами для различных материалов; он наступает после удаления свободной влаги с поверхности материала, поэтому скорость сушки начинает зависеть от скорости перемещения влаги внутри материала к его поверхности. Движущую силу процесса в периоде падающей скорости сушки выражают разностью между влажностью материала и равновесной влажностью .

По аналогии с основным кинетическим уравнением (1.11) скорость сушки на втором этапе можно записать:

, (7.131)

где:

— коэффициент сушки, зависящий от интенсивности влагопереноса.

Начальная влажность материала на этом этапе соответствует критической влажности , а конечная влажность бывает задана технологическим регламентом.

Уравнение (7.131) можно проинтегрировать для простейшего случая прямолинейного изменения скорости. На рис. 7.50 кривая скорости сушки заменена прямой . Эту замену провели так, что площади между прямой и кривой сверху и снизу прямой равновелики.

Приведенной критической точке соответствует влажность . проинтегрируем уравнение (7.131) в пределах от до и получим:

(7.132)

Продолжительность сушки на втором этапе:

, (7.133)

а общая продолжительность сушки

. (7.134)

Расчет конвективной сушилки. Пусть свежий воздух параметров и подается вентилятором 1 (рис. 7.51) в калорифер 2, где при постоянном влагосодержании подогревается до температуры и затем подается в сушильную камеру, заполненную влажным материалом. Отработавший воздух выходит из сушильной камеры с параметрами и .

Материальный баланс. Составим материальный баланс процесса сушки:

, (7.135

где:

— количество влажного материала, подаваемого в сушилку с начальной влажностью (%), кг/с; — количество сухого материала, выходящего из сушилки с конечной влажностью (%), кг/с; — количество удалённой из материала влаги, кг/с.

Другое уравнение материального баланса можно написать, воспользовавшись тем, что количество сухого вещества в материале во

время сушки не изменяется:

. (7.136)

Комбинируя (7.132) и (7.133) получим количество удаляемой влаги:

и .

Составим таблицу материального баланса сушильной установки, полагая, что на сушку подаётся кг/с сухого воздуха.

Приход, кг/с	Расход, кг/с
Сухой воздух, Влага, содержащаяся в свежем воздухе, Влажный материал,	Сухой воздух, Влага, содержащаяся в отработанном воздухе, Высушенный материал,

Сложив входящие и выходящие количества, получим:

. (7.138)

Или после некоторых преобразований имеем:

.

Откуда с учетом (7.135) количество удаляемой влаги равно:

, (7.139)

а количество расходуемого воздуха

. (7.140)

Поделив полученное уравнение (7.140) на получим:

. (7.141)

Здесь:

удельный расход воздуха в сушилке (количество сухого воздуха, расходуемого на удаление из материала 1 кг влаги).

Тепловой баланс. Подобно предыдущему составим таблицу прихода и расхода теплоты в реальной сушильной установке.

Приход теплоты, Дж/с	Расход теплоты, Дж/с
Теплота, вносимая свежим воздухом, Теплота, сообщаемая воздуху в калорифере, Теплота, вносимая влажным материалом, если его температура , а теплоёмкость Теплота, вносимая транспортными устройствами, Дополнительная теплота, подводимая в сушильную камеру,	Теплота, уносимая отработавшим воздухом, Теплота, уносимая высушенным материалом, если его температура , а теплоёмкость Теплота, уносимая транспортными устройствами, Потери теплоты в окружающую среду,

Уравнение теплового баланса:

.

Заметим, что . Сгруппировав подобные члены, с учётом последнего замечания получим:

.

Заметим, что . Сгруппировав подобные члены, с учётом последнего замечания получим:

Анализ правой части уравнения показывает, что теплота воздуха и теплота, дополнительно подводимая в сушильную камеру, расходуется на подогрев материала, транспортных устройств и покрытие потерь в окружающую среду:

. (7.144)

Дополнительный подвод теплоты в сушильную камеру может значительно компенсировать эти потери.

Вспомним, что основная задача сушки ­ удаление влаги из материала, чему предшествует предварительное превращение этой влаги в пар. На это расходуется значительная часть теплоты воздуха, что отражения в уравнения теплового баланса отражения не нашло. Дело в том, что образовавшийся пар, несущий в себе всё количество теплоты, затраченное на его образование, поглощается воздухом и, таким образом, теплосодержание воздуха в этом процессе не изменяется.

Поделив уравнение (7.144) на , получим в левой части вместо общего удельный расход воздуха, а в правой части соответственно удельные (затрачиваемые на удаление 1 кг влаги) количества теплоты:

. (7.145)

Правую часть (7.145) принято обозначать знаком и называть поправкой на действительную сушилку. Это понятие связано с представлениями о теоретической сушилке, для которой , т. е. в теоретической сушилке нет потерь теплоты на нагрев материала и транспортных устройств, не подводится дополнительная теплота внутрь сушильной камеры и нет потерь теплоты в окружающую среду.

Перепишем уравнение (7.145):

. (7.146)

Откуда:

. (7.147)

Последнее уравнение показывает, что характер изменения энтальпии воздуха в процессе сушки зависит от .

Графическое определение удельного расхода воздуха и удельного расхода теплоты. Положение точки на плоскости определяется пересечением двух линий. Поэтому для определения всех параметров воздуха с помощью диаграммы необходимо и достаточно знать два из них. Эти параметры (а точнее, линии, вдоль которых эти параметры неизменны) позволяют определить точку на диаграмме, для которой считываются остальные параметры.

Для построения нормального сушильного процесса в диаграмме необходимо знать хотя бы два параметра свежего воздуха, воздуха после калорифера и воздуха на выходе из сушилки. Точку на диаграмме (рис. 7.52), характеризующую состояние свежего воздуха, получим на пересечении линий и . Этот воздух подогревается, увеличивая свою температуру от до при постоянном влагосодержании. Процесс подогрева идет по линии до её пересечения с изотермой в точке . Проведя через точку линию постоянной энтальпии до пересечения с изотермой в точке , получим линию теоретического сушильного процесса при условии .

Перепишем уравнение (7.141) для удельного расхода воздуха:

.

Из диаграммы видно, что отрезок (горизонталь) , проведенный через точку , пропорционален разности , т. е.:

,

где:

— масштаб диаграммы по оси d, г/кг сухого вещества на 1 мм.

Таким образом, для графического определения достаточно знать длину отрезка DC и масштаб диаграммы:

. (7.148)

Теплота, затрачиваемая в калорифере на подогрев воздуха,

.

Поделив на , перейдем к удельному значению:

. (7.149)

Как следует из диаграммы, разность пропорциональна длине отрезка , а с учетом выражения (5.142) имеем:

или

, (7.150)

где:

— масштабный фактор диаграммы.

Покажем, что полученные нами правила для определения и справедливы и для действительной сушилки, когда .

Построим процесс в диаграмме для случая (рис. 7.53), полагая, что величина определена предварительно из теплового баланса.

Воспользуемся уравнением (7.140), подставив значений :

. (7.151)

Как и ранее, нанесем на диаграмму точку , характеризующую состояние свежего воздуха, и точку , характеризующую состояние воздуха после калорифера. Затем через точку проведем линию . На этой линии произвольно выберем точку и через неё проведем горизонталь до пересечения с линией в точке .

Вспомним уравнение (7.144):

.

На нашей диаграмме при линия проходит над линией . Поэтому отложим от точки вверх по вертикали отрезок полагая, что точка лежит на линии, изображающей процесс в действительной сушилке.

Перепишем уравнение (7.151), заменив координаты конечной точки процесса в действительной сушилке на текущие координаты произвольно выбранной точки на линии сушки :

.

В соответствии с рисунком разность энтальпий

,

а разность влагосодержаний

Следовательно,

.

Откуда

.

Линию действительного сушильного процесса получим, соеди­нив точки и и продлив прямую вниз. Конец этой линии — точку , найдем по любому одному параметру воздуха на выходе из сушилки, например температуре .

Для действительной сушилки при , отрезок откладываем вниз по вертикали (см. рис. 7.53) и далее, соединяя точки и , получим линию сушки , как и в предыдущем случае.

Удельный расход воздуха и удельный расход теплоты в калорифере q рассчитывают, как и для теоретической сушилки, проведя через точки и горизонтали и подобно тому, как это сделано на рис. 7.52. Заметим, что и , и зависят от величины поправки на действительную сушилку .

Варианты сушильного процесса. Основной недостаток описанного выше основного (классического) процесса сушки — необходимость подогрева воздуха до высокой температуры , что создаёт жёсткий режим сушки — высокую температуру и низкую относительную влажность.

Для большинства материалов в пищевой промышленности такие режимы неприменимы. Температуру воздуха на входе в сушил­у можно понизить в процессе сушки с возвратом части отработавшего воздуха. Такой вариант процесса можно осуществить в сушилке (см. рис. 7.51), регулируя воздушные потоки с помощью шиберов 5 и 6. В калорифер теперь подается не свежий воздух с параметрами и т. д., а смесь, образованная из одной части свежего воздуха и частей отработавшего. Число называют кратностью смешения. Параметры смеси на входе в калорифер можем рассчитать, используя простые соотношения:

. (7.152)

Подобным образом для удельного теплосодержания:

.

Процесс сушки с рециркуляцией в диаграмме построим следующим образом (рис. 7.54). Отметим точку , характеризующую параметры свежего воздуха, и точку , характеризующую воздух на выходе из сушилки. Прямая изображает процесс смешения воздуха двух различных состояний. Точку , характеризующую состояние образованной смеси, получим, поделив линию на частей и отложив частей от точки . Смесь подогревается по линии до температуры . Точку получим на пересечении линии и изотермы . Сравним удельные расходы воздуха и теплоты в калорифере для процесса с рециркуляцией и основного процесса, построенного на тех же параметрах свежего и отработавшего воздуха. Удельный расход воздуха в основном процессе характеризует линия , а в процессе с рециркуляцией — линия . Имея в виду уравнение (7.145), удельный расход воздуха в процессе с рециркуляцией больше, чем в основном процессе, так как . Удельный расход теплоты в калорифере в основном процессе:

_.

Для процесса с рециркуляцией

.

Из подобия треугольников и следует, что,

По сравнению с основным процессом в процессе с рециркуляцией удельный расход воздуха больше, а удельные расходы теплоты в калорифере одинаковы. Следовательно, в процессе с возвратом части отработавшего воздуха нельзя добиться экономии энергии, но можно смягчить режим сушки.

Смягчения режима сушки можно добиться за счет подвода теплоты в сушильную камеру или в сушилку с промежуточным подогревом воздуха при переходе его из камеры в камеру. Подобно процессу с рециркуляцией в этих процессах удельный расход воздуха и удельный расход теплоты такие же, как и в основном процессе, построенном на тех же начальных и конечных параметрах.

Сушилки. В зависимости от осуществляемого способа сушки сушилки можно разделить на несколько групп. Самая многочисленная группа представлена конвективными сушилками, в которых теплота от сушильного агента переносится к материалу конвекцией. Вторую, менее многочисленную группу составляют кондуктивные сушилки, в которых материал нагревается при непосредственном контакте с поверхностью нагрева. Третью группу сушилок составляют устройства, в которых процесс удаления влаги осуществляется в глубоком вакууме при отрицательных температурах. Эти сушилки называют сублимационными, потому что парообразование в них происходит, минуя жидкое состояние. Четвертую группу составляют специальные сушилки, в которых используются различные электрофизические способы подвода энергии, например с помощью токов высокой частоты или инфракрасных лучей.

Конвективные сушилки. В сушилках этого типа скорость сушки зависит от характера взаимодействия предварительно подогретого воздуха с поверхностью материала. Причем чем больше площадь поверхности, омываемой воздухом, тем выше интенсивность сушки. Конструкция сушилки зависит в первую очередь от свойств материала, ибо принципы образования поверхности контакта для зернистых материалов совершенно не похожи на принципы сушки жидких и пастообразных материалов.

Тоннельные и камерные сушилки используют для сушки овощей и фруктов, сухарей, пастилы, зефира и других кондитерских изделий. Схема тоннельной сушилки с промежуточным подогревом воздуха показана на рис. 7.55. Кусковой или нарезанный дольками материал раскладывается на ситчатых полках вагонеток. Вагонетки с материалом поступают в тоннель через определённые промежутки времени. Синхронно из тоннеля выталкиваются вагонетки с высушенным материалом. Таким образом обеспечивается полунепрерывная работа сушилки.

Воздух, подогретый до температуры 60...90 , в зависимости от свойств материала перекрёстным током проходит между полками с материалом. Встроенные калориферы и вентиляторы обеспечивают дополнительный подогрев воздуха при переходе из одной секции тоннеля в другую.

Промежуточный подогрев воздуха обеспечивает сушку при сравнительно невысоких температурах, но продолжительность сушки при этом может доходить до 10 ч.

Камерные сушилки конструктивно напоминают тоннельные со значительно меньшей длиной. В камерную сушилку помещается несколько, а иногда всего одна вагонетка. Как и в тоннельных, в камерных сушилках может применяться перекрестный ток воздуха с промежуточным подогревом. Эти сушилки работают, как правило, периодически.

Ленточные сушилки (рис. 7.56) применяют для сушки овощей и фруктов, мелкоштучных макаронных изделий и крахмала. Влажный материал из загрузочного бункера в верхней части сушилки поступает на проницаемую для воздуха ситчатую ленту верхнего конвейера. Слой материала вместе с лентой перемещается вдоль сушилки и переходит на нижерасположенный конвейер. Разрыхление слоя и перемешивание в нем происходят при пересыпании материала с конвейера на конвейер, а сушка его в основном осуществляется в слое, что ограничивает скорость сушки. Между верхней и нижней лентами конвейера устраивают дополнительные калориферы. Это обеспечивает непрерывный процесс с перекрестным током воздуха.

Шахтные сушилки (рис. 7.57) применяют для сушки зерна и зернистых сыпучих материалов, например солода в пивоварении. Влажный материал с помощью элеватора подаётся в загрузочный бункер-питатель в верхнем сечении сушилки, из которого пересыпается с полки на полку через отверстия в решётках или через регулируемые щели. На каждой полке образуется постоянно обновляемый слой зернистого материала, через который фильтруется идущий снизу подогретый воздух. Выравнивание слоя обеспечивается вращающимися конусами или другими устройствами. Шахтные сушилки работают непрерывно и обеспечивают достаточно равномерное высушивание материала.

Барабанные сушилки (рис. 7.58) применяют для сушки жома и сахара-песка на сахарных заводах, кристаллических и зернистых материалов во многих других производствах. Рабочий орган сушилки — медленно вращающийся на роликах, установленный под небольшим углом к горизонту барабан. Внутри барабана установлены специальные лопасти, которые, вращаясь с барабаном, обеспечивают равномерное перемешивание материала и его перемещение вдоль барабана. Сушилки работают по принципу прямотока. Топочные газы или горячий воздух и материал подаются на приподнятом конце барабана, а сухой материал высыпается из опущенного конца. Отработавший воздух очищают от уноса мелких частиц в циклоне.

В распылительных сушилках (рис. 7.59) достигают значительного увеличения поверхности испарения при сушке жидких и пастообразных материалов, распыляя их на мельчайшие капельки. Предварительно подогретый в калорифере воздух подаётся сверху в цилиндрический корпус сушилки, где с помощью специальных устройств распыляется материал. Образовавшиеся из капелек сухие частицы падают вниз под действием силы тяжести, чему в значительной мере способствует движущийся сверху вниз горячий воздух. Сухой материал собирается в нижней конической части корпуса сушилки и затем удаляется с помощью транспортирующего шнека. Отработавший воздух выходит из нижней части сушилки и подается вначале в циклон, где отделяются более крупные частицы, а затем переходит в рукавный фильтр для окончательной очистки. Скорость и качество сушки зависят от качества распыления материала. Достаточно равномерное распыление обеспечивают специальные сопла, работающие под избыточным давлением, и специальные турбинки — быстровращающиеся диски.

Из-за малых размеров капель продолжительность сушки капель не превышает 30...50 с. Этот способ сушки приемлем и для термолабильных материалов, так как температура на поверхности капли лишь немного превышает температуру адиабатического испарения чистой воды в этих условиях даже при сравнительно высоких температурах сушильного агента. Сушка совершается быстро и в мягких условиях. Получаемый порошок, сохранивший в себе все ценные компоненты, хорошо растворим в воде. Распылительные сушилки используют в производстве сухого молока, дрожжей, яичного порошка, растворимого кофе, чая и других продуктов. Несмотря на многие преимущества, распылительные сушилки отличаются большими габаритами и значительным удельным расходом энергии.

Высокую скорость сушки обеспечивают непрерывные пневматические сушилки с кипящим слоем. Кипящий слой образуется при продувке воздуха через слой зернистого материала со скоростью, близкой к скорости витания частиц. В этом слое частицы интенсивно перемешиваются и со всех сторон обдуваются воздухом.

На рис. 7.60 приведена схема сушилки с кипящим слоем. Воздух, нагнетаемый вентилятором, подогревается в калорифере топочными газами и подаётся под определенным давлением под распределительную решетку в сушилку. Влажный материал из бункера подаётся шнеком-питателем и образует слой на распределительной решетке, где под действием проходящего через решетку воздуха образует кипящий слой. Сухой материал сходит с решетки и по спуску поступает на транспортер. Отработавший воздух, пройдя через слой материала, снижает свою скорость в расширяющейся верхней части сушилки и поступает в циклон для очистки от унесенных мелких частиц материала.

Недостаток сушилок этого типа — неравномерность сушки. Поэтому иногда в сушилках кипящего слоя устраивают несколько секций, расположенных одна над другой. Материал последовательно переходит с одной секции на другую, обеспечивая равномерное высушивание.

Для сушки материалов, плохо ожижаемых с помощью воздуха из-за слипания частиц, состояния кипящего слоя можно достичь, вибрируя с определённой частотой распределительную решетку. При этом уменьшаются затраты энергии по сравнению с предыдущим способом, так как в этом случае не нужно поддерживать высокие давление и скорость воздуха.

Устройство сушилки с виброкипящим слоем мало отличается от описанной выше. Отметим, что в сушилках этого типа, например в сушилках для сушки картофельной крупки, решетки устанавливают под небольшим углом к горизонту, что обеспечивает хороший сход сухих частиц.

В настоящее время разработаны и находят промышленное применение сушилки со слоем инертного материала. В сушилках этого типа виброкипящий слой образуют шарики инертного материала (пластик, стекло и др.). Жидкий пастообразный материал предварительно наносится на поверхность шариков, а затем шарики подаются в сушилку виброкипящего слоя. При интенсивном омывании воздухом тонкий слой материала быстро высыхает и при соударении шариков отделяется и транспортируется отработавшим воздухом из сушилки.

Укажем также на весьма перспективные для сушки термолабильных материалов ленточные пенные сушилки. Жидкий материал в таких сушилках предварительно вспенивается за счет добавок ПАВ, а затем подается на ленту конвейера сушилки. Так как пена обладает весьма малой плотностью, а значит, масса удаляемой влаги не очень велика, материал удаётся высушить сравнительно быстро, и поэтому такие сушилки имеют только один конвейер. Как недостаток этих сушилок отметим их небольшую производительность.

Кондуктивные сушилки. Сушилки этой группы в пищевых производствах представлены одно- и двухвальцовыми сушилками, осуществляющими процесс в вакууме или при атмосферном давлении. Эти сушилки используют для сушки предварительно сгущённых пастообразных материалов, например в производстве сухого молока или картофельной муки.

Двухвальцовая сушилка (рис. 7.61) состоит из двух полых, вращающихся навстречу друг другу вальцов. Для обогрева поверхности вальцов используют греющий пар, который через полые цапфы подаётся внутрь вальцов. Образующийся конденсат с помощью сифона отводится через те же полые цапфы. Пастообразный материал подается сверху в щель между двумя вальцами и равномерным сло­ем растекается по их полированной вращающейся поверхности. При небольшой толщине образующейся пленки материала происходит быстрое высушивание за один оборот вальца. Сухой материал скребками отделяется от поверхности вальцов и падает вниз на транспортирующие шнеки. Подобным образом устроены и одновальцовые сушилки.

К преимуществам кондуктивных сушилок следует отнести сравнительно небольшой удельный расход теплоты, а к недостаткам — громоздкость при сравнительно небольшой производительности.

Сублимационные сушилки. С этим способом сушки каждый познакомился в быту, если сушил бельё на морозе. Древние инки сушили мясо, раскладывая его на ночь на скалах в горах, где ночью бывают заморозки. Движущую силу процесса испарения льда можно увеличить, понизив давление. Поэтому в современных сушилках, использующих сублимацию, поддерживают весьма низкое (до 15 Па) давление. Этот способ сушки называют сушкой в глубоком вакууме.

Сушка сублимацией обеспечивает высокое качество конечного продукта. При низкой температуре исключаются денатурация белков, разложение витаминов и других биологически активных компонентов. Высушенный материал в значительной мере сохраняет свою первоначальную форму при образовании пористой структуры. Эта форма восстанавливается при насыщении сухого материала водой.

Промышленные сублимационные сушилки представляют собой сложные комплексы, включающие холодильные установки, насосы глубокого вакуума и другое вспомогательное оборудование.

Герметичные сублимационные камеры (рис. 7.62) напоминают по форме цистерны. Материал периодически загружается на полки в камере. Камера герметично закрывается, и после откачивания воздуха в ней создается глубокий вакуум, вызывающий интенсивное испарение воды и понижение температуры, обычно до —15 °С. При этой температуре материал замерзает и в дальнейшем влага удаляется, минуя жидкое состояние. С целью повышения производительности в камеру можно загружать предварительно замороженный материал.

Как при любом фазовом переходе, для превращения твердого вещества в пар требуются значительные затраты энергии (скрытая теплота парообразования). Поэтому для поддержания интенсивного парообразования внутри камеры предусмотрены специальные подогреватели, где циркулирует теплая вода, компенсируя эти затраты энергии.

Образовавшийся в сублимационной камере водяной пар, имеющий низкую температуру и низкое давление, поступает в конденсатор, где при дальнейшем охлаждении конденсируется пар и образуются кристаллы льда, оседающие на поверхности конденсации. Этот лёд либо с помощью специальных скребков удаляется с поверхности и выводится из конденсатора, либо при накоплении его на поверхности конденсатор отключают от холодильной и вакуумной установок, открывают, лёд тает, и жидкий конденсат сам удаляется из конденсатора. Такая схема работы предусматривает два или более параллельно работающих конденсатора.

Контрольные вопросы и задания. 1. На какие три группы можно разделить материалы в пищевых производствах? 2. Назовите три формы связи влаги с материалом. Какая влага удаляется в процессе сушки? 3. Почему самый распространенный процесс называют конвективной сушкой? 4. Может ли воздух иметь состояние, при котором температура мокрого термометра станет выше температуры сухого термометра? Могут ли эти температуры быть равными? 5. Способствует ли повышению скорости сушки явление термовлагопроводности? 6. Объясните физический смысл понятия «поправка на действительную сушилку». 7. С помощью каких показателей оценивают экономичность процесса сушки? 8. Каковы преимущества процессов сушки с рециркуляцией и промежуточным подогревом воздуха? 9. Какие способы сушки вы знаете? В каких установках они реализуются? 10. Каким образом достигают увеличения поверхности испарения влаги в сушилках? 11. При каких условиях осуществляется сушка сублимацией?