1053

Глава 16. Аппараты для сушки пищевых сред

Прошу Вас, будьте любезны передать господину министру и осведомить его, что не имею никакой нужды в ордене, но весьма нуждаюсь в лаборатории. Кюри Пьер (1869–1906), французский физик

Глава 16 аппараты для сушки пищевых сред

Сушка – процесс удаления влаги из продукта, связанный с затратами теплоты на фазовое превращение воды в пар. Процесс удаления влаги сопровождается уменьшением ее связи со «скелетом» продукта, на что затрачивается энергия. По величине энергии таких связей различают: химически связанную влагу (не удаляется из влажных тел при нагревании до 100…120 °С); физико-химически связанную влагу (удерживается на внутренней поверхности пор материала адсорбционными силами) и физико-механически связанную влагу (находится в крупных капиллярах, на наружной поверхности продукта и удерживается капиллярным давлением).

Характер и энергия связи влаги с продуктом определяют общее ее количество, которое способно удерживать то или иное вещество при равновесии его с окружающей средой. Величина равновесного влагосодержания тем выше, чем больше влаги содержится в окружающем воздухе и чем ниже его температура.

Существующие принципы обезвоживания обеспечивают удаление влаги без изменения агрегатного состояния (прессование, центрифугирование, сепарирование, фильтрация и др.), с изменением агрегатного состояния (выпаривание, конденсация, сублимация, тепловая сушка и др.), а также комбинированным способом (вакуум-сублимационная сушка, с использованием перегретого пара, со сбросом давления, ИК- и ВЧ-нагрев и др.), которые могут рассматриваться как системы со сложными внутренними физико-химическими связями.

По способу подвода теплоты к продукту различают: конвективную сушку (непосредственное соприкосновение продукта с сушильным агентом), кондуктивную сушку (передача теплоты от теплоносителя к продукту через разделяющую перегородку), вакуум-сублимационную сушку (испарение замороженного продукта при глубоком вакууме), диэлектрическую сушку (нагревание сырья в электромагнитном поле) и др.

Лучше знать немного, но верно, чем воображать, что знаешь многое, и пробавляться химерами. Бертло Пьер Эжен (1827–1907), французский химик

16.1. Научное обеспечение процесса сушки

Механизм обезвоживания влажного пищевого сырья условно делится на два этапа: при сушке происходит испарение воды в окружающую среду с поверхности пограничного слоя материала (внешний тепломассообмен) и внутри продукта влага перемещается путем диффузии (внутренний тепломассообмен). Наиболее полное изложение научного обеспечения процесса сушки пищевых сред представлено в работах А.В. Лыкова и Ю.А. Михайлова.

В теории сушки анализ внешнего сопряженного тепломассообмена основывается на совместном рассмотрении дифференциальных уравнений движения и неразрывности вязкого несжимаемого потока:

;

,

конвективно-диффузионного переноса паров влаги в движущемся сушильном агенте

,

и уравнения, описывающего поле температуры в потоке теплоносителя

,

где , Р, С, t – искомые функции скорости, общего статического давления, концентрации влаги и температуры в потоке сушильного агента; , v, а, D – плотность, коэффициент кинематической вязкости, коэффициент температуропроводности и коэффициент диффузии паров в сушильном агенте; t – время; g – ускорение свободного падения; – оператор Лапласа.

В приведенной системе уравнений взаимное влияние процессов переноса импульса, массы и теплоты учитывается зависимостью кинетических коэффициентов от потенциалов переноса.

Эти уравнения справедливы не только для ламинарного режима движения потока, но также и для турбулентного изотропного течения, если локальные значения искомых функций , Р, С и t понимать как усредненные по времени, а коэффициенты переноса v, D и а - как состоящие каждый из двух слагаемых: молекулярного и турбулентного коэффициентов переноса импульса, массы и теплоты.

Данные по интенсивности тепло- и массообмена поверхности влажного продукта с потоком сушильного агента представляются в виде связи между числами (критериями) подобия, которые получаются из этих же уравнений и условий однозначности. Основное из граничных условий записывается в форме конвективной массоотдачи

и содержит коэффициент массоотдачи , величина которого и определяет интенсивность массообмена поверхности влажного продукта с потоком сушильного агента. Значения концентрации влаги в сушильном агенте С_ и градиента концентрации (С/n)_ по нормали к поверхности берутся на самой поверхности влажного тела. Коэффициент входит в искомое число Нуссельта

,

величина которого зависит от определяющих чисел Рейнольдса (Re = d/v), Прандтля (Pr = v/a) и др.

Нестационарные поля влагосодержания и температуры внутри пищевого продукта определяются системой дифференциальных уравнений сохранения влаги и теплоты

,

где u, Т – влагосодержание и температура материала; а_т – коэффициент потенциалопроводности;  – температурный коэффициент переноса влаги;  – критерий фазового превращения; r – теплота испарения; с – теплоемкость.

Процессы сушки пищевого сырья характеризуются значительным числом параметров, определяющих течение процесса и взаимосвязанных, причем изменение одного параметра вызывает нелинейные изменения других параметров.

Структура математической модели процесса сушки определяется, прежде всего, гидродинамическими параметрами и проявляется в характере распределения времени пребывания частиц продукта и газа в сушильном аппарате.

Наиболее часто встречающимися гидродинамическими моделями являются: модель идеального смешения, ячеечная модель, модель идеального вытеснения, диффузионная модель и др.

Физическая сущность модели идеального смешения заключается в том, что концентрация одинакова в любых точках аппарата (ячейки) идеального смешения. Эта модель описывается уравнением

,

где С - концентрация вещества в ячейке идеального смешения на выходе; С₀ - концентрация на входе; v - объемный расход потока; V - объем зоны идеального смешения.

Ячеечная модель состоит из n последовательно соединенных ячеек идеального смешения. Материальный баланс для i-й ячейки приводит к уравнению

,

где i = 1, 2, 3, …, n; V – объем ячейки.

Согласно модели идеального вытеснения, поток будет «поршневым», если все частицы движутся с одинаковой скоростью. Если выделить элементарный объем, составить материальный баланс для этого объема и затем перейти к пределу, то получим уравнение модели идеального вытеснения

,

где  – линейная скорость потока; х – координата.

Диффузионная модель предполагает наличие двух потоков: основного поршневого и диффузионного, для которого

,

где q_x – количество вещества, протекающего через единицу поверхности в единицу времени; d_x – коэффициент диффузии вдоль оси х.

В процессах конвективной сушки различных пищевых продуктов общее количество удаляемой влаги определяется параметрами сушильного агента (расходом, температурой и влагосодержанием) и пропорционально снижению влагосодержания высушенного продукта.

Первый период сушки протекает при постоянной скорости сушки du₁/dt = const и температуре «мокрого» термометра Т_м = const до тех пор, пока в поверхностном слое содержится свободная влага. Ее испарение с поверхности тела происходит с постоянной скоростью и при постоянной температуре. По мере уменьшения содержания во влажном теле свободной влаги скорость ее поступления в поверхностный слой постепенно снижается. Содержание свободной влаги в поверхностном слое уменьшается и в некоторый момент времени становится равным нулю. С этого момента начинается второй период сушки, в котором происходит углубление поверхности испарения свободной влаги. Между поверхностью испарения и поверхностью тела образуется зона сушки, из которой испаряется влага с физико-химическими формами связи.

Во втором периоде сушки с постепенным уменьшением скорости сушки температура тела возрастает. При этом среднее влагосодержание уменьшается, стремясь к равновесному u_p по отношению к окружающему воздуху, а температура тела повышается, приближаясь к температуре воздуха.

Продолжительность отдельных периодов сушки зависит от размера влажного тела, формы связи влаги с остальными компонентами влажного тела, от механизма ее переноса из центра к периферии, а также от скорости отвода пара. Движущая сила процесса сушки выражается разностью влагосодержания воздуха возле поверхности высушиваемого тела и в окружающем воздухе.

В общем случае сушка является нестационарным термодиффузионным процессом, в котором влагосодержание продукта и его температура непрерывно изменяются во времени. И без того сложный анализ становится еще более затруднительным при осуществлении этого процесса в непрерывном режиме, поскольку приходится совместно учитывать весь комплекс сопутствующих явлений — гидродинамику, тепло- и массообмен и др. Для разработки рациональных конструкций сушильных агрегатов и оптимальных режимов сушки необходимо знать кинетические закономерности процесса и условия его моделирования.

Человек так создан, что отдыхает от одной работы, лишь взявшись за другую. Франс Анатоль (1844–1924), французский писатель