книги из ГПНТБ / Ильченко, С. Г. Технология и технохимический контроль консервирования учебник

ление капиллярной конденсации в макрокапиллярах не наблю­

дается.

В сквозных макрокапиллярах толщина пленки влаги, адсор­ бируемой из воздуха, меньше радиуса капилляров, поэтому из­ лишек влаги не может удержаться силами смачивания и капил­ ляры не в состоянии заполниться водой.

В л а г о й с м а ч и в а н и я называется влага, прилипшая к поверхности материала под влиянием сил смачивания, которые представляют собой совокупность трех сил, действующих на сма­ чиваемой поверхности: силы поверхностного натяжения твердо­ го тела по отношению к окружающему пару; силы поверхност­ ного натяжения жидкости по отношению к ее насыщенному па­ ру; силы поверхностного натяжения твердого тела по отношению к жидкости.

Испарение влаги при сушке

В зависимости от сил, связывающих влагу с материалом, ис­ парение ее при сушке плодов и овощей протекает в определен­ ной очередности. Сначала испаряется влага смачивания, нахо­ дящаяся на поверхности материала, затем влага, заполняющая макрокапилляры, микрокапилляры, и, наконец, влага адсорбци­ онная. Влага осмотическая и структурная испаряется в течение всего процесса сушки, так как ее выход из клеток является ре­ зультатом увеличения наружного осмотического давления под влиянием испарения остальных видов влаги. После выхода из клетки осмотическая ,и структурная влага смешиваются с влагой смачивания, с микро- и макрокапилляряой влагой и вместе ис­ паряются.

Если материал находится во влажном состоянии, то процесс, испарения.влаги смачивания зависит только от величины по­ верхности смоченного материала и параметров воздуха. Дли­ тельность процесса испарения влаги смачивания зависит от со­ отношения скорости ее испарения и скорости притока влаги из глубинных слоев продукта.

Испарение влаги из материала заканчивается тогда, когда наступает равновесие между процессом десорбции (сушки) и сорбции (поглощения) влаги материалом из окружающего воз­ духа. Каждой величине влажности окружающего воздуха соот­ ветствует присущая ей равновесная влажность, т. е. конечная влажность высушиваемого материала. Частным случаем равно­ весной влажности материала является гигроскопическая влаж­ ность, т. е. влажность материала, соответствующая влажности воздуха, равной 100%.

При равновесной влажности овощей и плодов, соответствую­ щей влажности окружающего воздуха от 100 до 10%, испаряет­ ся в основном капиллярная влага, при равновесной влажности воздуха м,еньше 10% испаряется адсорбционная влага. Во всех

222

случаях продолжительность испарения зависит от того каким образом передвигаются в материале влага и ее пары.

Передвижение влаги в материале в виде жидкости и ее па­ ров, называемое внутренней диффузией, происходит под влия­ нием градиентов влажности ,и температуры, т. е. разности влагосодержания и температуры в поверхностных и глубинных сло­ ях материала. Передвижение влаги под влиянием градиента влажности называется влашпроводностью, а под влиянием гра­ диента температуры — термовлагопроводностью.

Термовлагопроводность связана с явлениями термодиффу­ зии, изменением величины поверхностного натяжения в капипярах и наличием в капиллярах так называемого защемленного

воздуха, т. е. пузырьков воздуха внутри столба жидкости в ка­ пилляре.

Термодиффузией называется перемещение паров или жидко­ сти от более нагретого участка к менее нагретому под влиянием теплового напора молекул. По мере сушки у менее нагретого места давление повышается и начинается обычная диффузия от места повышенной концентрации паров (холодного места) к месту пониженной концентрации (горячему месту). Таким обра­ зом, явлению термодиффузии всегда сопутствует обычная диф­ фузия, направленная в противоположную термодиффузии сто­ рону. При нагревании толщи тела до постоянной температуры во всех его слоях градиент температуры исчезает, процессы тер­

модиффузии и диффузии уравновешиваются, и перемещение па­ ра прекращается.

Относительной термодиффузией называется перемещение ра­ створов от более нагретого участка к менее нагретому с рассло­ ением растворителя и растворенных веществ в соответствии с их молекулярными массами: растворитель— вода, имеющая меньшую молекулярную массу, направляется к более нагретому месту (к поверхности), а растворенные вещества с большей, чем

у воды молекулярной массой направляются к менее нагретому N- месту. Уменьшение концентрации растворенных веществ у по- - верхности облегчает процесс испарения жидкости.

В открытых капиллярах имеется смесь воздуха и паров во­ ды. При относительной термодиффузии эта смесь расслаивает­ ся, и пары воды устремляются наружу, навстречу теплу, а воз­

дух (молекулярная масса которого больше, чем -у водяных па­ ров) уходит от тепла в глубь материала.

Передвижение жидкости в капиллярах обусловлено также тем, что в месте подогрева снижается поверхностное натяжение жидкости и уменьшается величина капиллярного давления.

сквозных капиллярах это обусловливает передвижение влаги от более нагретого места к менее нагретому. В закрытых капил­ лярах уменьшение капиллярного давления в месте подогрева сначала вызывает уменьшение высоты поднятия жидкости в ка­ пилляре. При дальнейшем подогреве, когда сила земного притя-

223

жения начинает превышать величину уменьшившегося (в ма­ крокапиллярах) капиллярного давления, жидкость опускается к менее нагретому месту, аналогично тому, как это происходит в сквозных капиллярах.

В некоторых капиллярах может оказаться защемленный воз­ дух. Внутри пузырьков этого воздуха при наличии температур­ ного градиента также возникает термодиффузия, и воздух уст­ ремляется к менее нагретому месту, увлекая за собой столб жидкости в капилляре.

При наличии одновременно градиента влажности и градиен­ та температуры их направления могут совпадать или быть про­ тивоположными. В последнем случае термовлагопроводность препятствует выходу влаги на поверхность материала.

Если плотность потока, возникающего под влиянием термовлагопроводности, больше плотности потока, образующегося под влиянием влагопроводности, то жидкость из поверхностных сло­ ев переходит внутрь продукта и испарение протекает в глубин­ ных слоях. Поверхность сырья быстро высыхает не только за счет испарения влаги, но и вследствие ее перехода .во внутрен­ ние слои. В том случае, если плотности потоков на какой-то глу­ бине уравновесятся, передвижение жидкости прекратится и про­ цесс сушки ограничится испарением с постоянным углублением зоны испарения.

При отсутствии градиента температуры жидкость в связи с влагопроводностью материала всегда стремится выйти на по­ верхность. В этом случае длительность испарения зависит от параметров воздуха и от скорости внутренней диффузии. Если скорость внутренней диффузии равна скорости внешней диффу­ зии (внешней диффузией называют испарение жидкости с по­ верхности материала), то процесс длится до тех пор, пока вся жидкость не испарится.

В процессе испарения влаги с поверхности температура по­ верхностных слоев продукта не может стать больше температу­ ры испарения. В этих условиях можно ускорить процесс испа­ рения, только повышая температуру окружающего воздуха. Это не оказывает отрицательного .влияния на продукт, и в начале процесса сушки большинства овощей и плодов так обычно и по­ ступают.

Исключение делают для сырья, богатого крахмалом, пекти­ ном и другими веществами, которые при подсушивании могут клейстеризоваться и образовать влагонепроницаемую пленку. В этом случае температура воздуха должна быть такой, чтобы подобная пленка не образовывалась.

Скорость притока влаги к поверхности продукта не должна отставать от скорости ее испарения с поверхности. В противном случае происходит углубление зоны испарения, а наружные слои подсыхают и нагреваются до температуры окружающего воз­ духа. Особенно часто это наблюдается при малой теплопровод­

224

ности продукта, когда его прогревание не поспевает за теплопритоком и создается температурный градиент. Перегревание поверхностных слоев приводит к необратимым изменениям кол­ лоидной системы, пригоранию и растрескиванию. В результате качество сушеных овощей и плодов ухудшается. Во избежание этого необходимо, изменяя параметры воздуха, регулировать термовлагопроводность, замедляющую выведение влаги на по­ верхность, а также уменьшить скорость внешней диффузии (ис­ парения) .

Замедлить скорость испарения можно понижением темпера­ туры воздуха. Чем ниже его температура, тем меньше давление паров, насыщающих воздух, и медленнее идет испарение влаги. С уменьшением температуры воздуха одновременно снижается теплоприток, в результате чего понижается или полностью исче­ зает температурный .градиент.

Для сушки овощей и плодов, после удаления влаги с их по­ верхности. предельной температурой практически является 90° С. Во избежание карамелизации сахаров и потерь эфирных масел температура сушки сырья, богатого этими веществами, должна быть меньше предельной.

Процесс сушки можно интенсифицировать, увеличивая по­ верхность испарения. С этой целью сырье разрезают на куски той или иной формы и размеров, а также меняют нагрузку на сита.

При сушке плодов и сшощей с момента окончания испарения поверхностной влаги величина внешней диффузии должна быть уменьшена настолько, чтобы она стала равной величине внут­ ренней диффузии (для предотвращения перегрева поверхности). Практически это может быть достигнуто уменьшением темпера­ туры и скорости движения воздуха, а также снижением количе­ ства вводимого в сушилку свежего воздуха, что дает возмож­ ность повысить его влагосодержание. Процесс сушки делится на два периода — постоянной скорости и падающей скорости. В пер­ вом периоде испарение влаги происходит в основном на поверх­ ности высушиваемого материала и его температура остается по­ стоянной, равной температуре мокрого термометра. Второй пе­ риод начинается тогда, когда влаж­ ность поверхностных слоев матери­ ала становится равной гигроскопи­ ческой влажности и зона испарения углубляется внутрь материала, Тем­ пература поверхности продукта в этот период сушки повышается, до­ стигая к концу процесса температу­ ры нагретого воздуха (температура сухого термометра).

Когда влажность высушиваемого материала становится близкой к рав-

новесной, скорость сушки все более замедляется и, наконец, про­ цесс приостанавливается.

Кривая сушки, характеризующая зависимость влажности

(№) материала от времени (т) сушки, показана на рис. 58.

От начала координат до точки К линия прямая, т. е. сушка протекает при постоянной скорости; лишь в самом начале, в период прогревания материала, изменение его влажности идет

по кривой.

От точки К до конца процесс характеризуется кривой — суш­ ка протекает с убывающей скоростью.

Точка К называется критической, а влажность материала, соответствующая этой точке, — критической влажностью.

На первый период сушки оказывают влияние 'Внешние усло­ вия — параметры воздуха, поверхность продукта и др.

Второй период сушки зависит от физико-химических свойств материала: его структуры, химической природы, форм связи вла­ ги с материалом и пр.

Графический анализ процесса сушки

Характеризуя действительный процесс сушки, протекающий в сушильных установках, его сравнивают с теоретическим про­ цессом, при котором отсутствуют потери тепла; Считают, что при теоретическом процессе сушки тепло, поступающее с воздухом в сушилку, расходуется целиком на испарение влаги из продук­ та. Образующиеся водяные пары выделяются в воздух и возвра­ щают ему все тепло, затраченное на парообразование. Таким об­ разом, при теоретическом процессе сушки теплосодержание воз­ духа не меняется.

В действительном процессе сушки тепло расходуется не толь­ ко на испарение влаги, но и на прогревание сырья, сит или транспортеров сушилки, на компенсацию потерь тепла через ограждения и т. п. С другой стороны, приток тепла в сушилку может происходить не только с воздухом, но и с высушиваемым материалом.

Процесс сушки характеризуется изменением следующих, па­ раметров воздуха: теплосодержания — /, влагосодержания — d, температуры — t и относительной влажности — ф. Для проведе­ ния сушки наружный воздух подогревают в калорифере, затем нагнетают в сушилку. При подогревании влагосодержание воз­ духа не изменяется, теплосодержание и температура повышают­ ся, а относительная влажность падает. В процессе сушки влаго­ содержание и относительная влажность воздуха возрастают, температура снижается, теплосодержание в зависимости от со­ вокупности притока и потерь тепла может увеличиваться или уменьшаться.

Для расчета сушильных аппаратов и определения парамет­

226

ложено влагосодержание воздуха d, на оси ординат — его теп­ лосодержание / и температура t. Линии постоянного влагосодержания проходят на диаграмме вертикально. Линии постоянного теплосодержания наклонены к оси абсцисс под углом 45°. Ли­ нии постоянной температуры проходят под наклоном к горизон­ тали. Этот наклон тем больше, чем выше температура. Опреде­ ленная относительная влажность воздуха <р характеризуется кри­ вой линией. Кривые для раз­

Так как при подогреве влагосодержание воздуха остается неиз­ менным, то процесс подогрева выражен на диаграмме прямой АВ. Точка В соответствует параметрам воздуха в момент его поступления из калорифера в сушилку.

Процесс теоретического испарения в сушилке идет при по­ стоянном теплосодержании воздуха и поэтому характеризуется линией ВС.

В действительной сушилке, помимо теплового баланса возду­ ха, надо учитывать еще тепловой баланс сушильной камеры, связанный с другими притоками и потерями тепла. Если в ре­ зультате этого дополнительного баланса приток тепла увеличи­ вается, то процесс идет по линии ВСи а если уменьшается, — то по линии ВС%.

Для построения линии действительного сушильного процес­ са на линии ВС берут произвольную точку е, проводят через нее вертикальную линию (параллельную АВ) и откладывают на ней в масштабе величину дополнительно поступившего тепла вверх от точки е или же количество унесенного тепла — вниз от этой точки.

Отрезок еЕ (или еЕ') находят из выражения

е Е = Д е / ,

т

где Д— количество выделившегося (или поглощенного) тепла, определяемое внутренним тепловым балансом сушилки без учета воздуха как тепло­

носителя; т — масштабная величина, постоянная для данной диаграммы;

е/ — отрезок прямой, полученный опусканием перпендикуляра из точки е на прямую АВ.

Через полученную точку Е или Е' и точку В проводят пря­ мую, которая и характеризует действительный процесс сушки. Выбрав на этой прямой по одному из параметров воздуха точку Ci (или С2), получают характеристику остальных параметров уходящего из сушилки воздуха.

2 . С У Ш И Л Ь Н Ы Е У С Т А Н О В К И

Сушильная установка состоит из калорифера для подогрева воздуха и собственно сушильной камеры, где высушивается сырье. В сушилках некоторых конструкций воздух подогревает­ ся непосредственно в сушильной камере. Воздух нагревают пре­ имущественно горячими газами, получаемыми при сжигании топ­ лива (огневая сушилка), или же паром (паровая сушилка). Процесс сушки ведут при атмосферном давлении (атмосферная сушилка) или под вакуумом (вакуумная сушилка). Циркуляция воздуха в сушильной камере обеспечивается естественной тягой или осуществляется искусственно при помощи вентилятора. По направлению движения воздуха и высушиваемого сырья сушил­ ки относят к прямоточным или противоточным.

В зависимости от устройства камеры для высушивания про­ дукта различают сушилки туннельные, ленточные, барабанные, вальцовые, распылительные, с кипящим слоем и др. По харак­ теру загрузки и выгрузки продукта сушилки бывают периоди­ ческого и непрерывного действия.

Для сушки плодов и овощей используют преимущественно ленточные сушилки непрерывного действия с паровым обогре­ вом, реже туннельные — с огневым, а иногда с паровым обогре­ вом.

Т у н н е л ь н а я с у ш и л к а фирмы «Чачак» (Югославия) представляет собой канал кирпичной кладки, разделенный по высоте на две части. В верхней части канала находится камера сгорания, которая имеет форму цилиндра, изготовленного из ли­ стовой стали и облицованного внутри огнеупорным кирпичом. В камеру сгорания при помощи форсунок подается жидкое топ­ ливо.

Продукты сгорания топлива смешиваются с большим количе­ ством свежего воздуха. Газо-воздушный поток, имеющий при поступлении в сушильный туннель температуру 400° С и сред­ нюю относительную влажность воздуха 18%, движется со ско­ ростью 5 м/с. Навстречу ему в сушильном туннеле передвигают­ ся тележки с установленными на них ситами, заполненными про-

228

ные три калорифера обогре­ ваются паром давлением 392—441 кПа (4—4,5 ат), который про­

ходит через них последовательно сверху вниз. Удельная поверх­ ность нагрева калорифера на 1 м2 поверхности сит составляет от

5 до 10 м2.

Воздух подается снизу вверх, последовательно прогревается в каждом калорифере и омывает продукт, находящийся на всех лентах. Живое сечение сетчатых лент для прохода воздуха со­ ставляет 56,5%. Воздух засасывается в сушилку через, зазор между полом и сушильной камерой, установленной на опорах, и движется со скоростью 0,25—0,5 м/с. Циркуляция воздуха, как правило, естественная, обеспечивается вытяжной трубой, соеди­ ненной колпаком с сушильной камерой. Температура подогрето­ го в калориферах воздуха под нижней лентой 50—55° С, а под

229

тремя верхними 65—80°С. Температура воздуха над лентами после обработки продукта 45—50° С. Относительная влажность уходящего из сушилки отработавшего воздуха 55—60%.

Наклонным транспортером продукт подается на верхнюю ленту сушилки, затем на вторую ленту, движущуюся в обрат­ ном направлении, и т. д. Высушенный продукт выгружается с нижней (четвертой) ленты. Сушилка работает непрерывно.

Ленты сушилки имеют индивидуальные приводы и вариато­ ры скоростей, позволяющие регулировать скорость движения

лент.

Максимальная продолжительность сушки в сушилке КСА-80

Процесс сушки в ленточных сушилках можно регулировать, изменяя скорость движения лент (от которой зависит время суш­ ки) или параметры воздуха.

Сырье должно быть распределено на ленте равномерно: сло­ ем начальной толщиной 3—4 см. Для этого над верхней лентой установлены три, а над второй и третьей — по два ворошителя.

Под первой и второй лентами имеются ножи-очистители, сбрасывающие прилипшее сырье на нижнюю ленту. Так как ленты находятся очень близко от поверхности калорифера, ма­ лейший прогиб их может вызвать перегрев и пригорание сырья. Для периодического натяжения лент один из барабанов каждой ленты оборудован натяжным устройством.

Производительность сушилки КСА-80 по сушеному картофе­ лю не менее 150 кг/ч.

Пятиленточные сушилки изготовляют следующих марок: ПКС-15, ПКС-30, ПКС-45 и ПКС-90 (цифра обозначает величи­ ну рабочей поверхности лент, выраженную в квадратных мет­ рах). Их производительность по сушеному картофелю составля­ ет соответственно не менее 30, 60, 90 и 180 кг/ч.

Сушилки типа ПКС устроены и работают аналогично рас­ смотренным четырехленточным сушилкам. Однако в отличие от них сушилка ПКС-90 оборудована системой искусственной цир­ куляции воздуха. Наружный воздух слегка подогревается и по­ дается вентилятором под нижнюю ленту. Прошедший через все пять лент и размещенные между ними калориферы отработав­ ший воздух отводится из сушилки вентиляторами. Можно рабо­ тать с частичной рециркуляцией отработавшего воздуха.

Установка снабжена автоматическими контрольно-измери­ тельными и регулирующими приборами, что позволяет вести процесс при заданных параметрах воздуха и осуществлять ди­ станционное управление движением лент.

Ленточные сушилки применяют для сушки нарезанных ово­ щей и плодов.

В а л ь ц о в ы е и р а с п ы л и т е л ь н ы е с у ш и л к и пред­

230

назначены для сушки жидких (молоко) или пюреобразных (то­ матная масса) продуктов.

Б а р а б а н н а я с у ш и л к а (Народная Республика Болга­ рия) состоит из огневой топки, сушильного барабана, вытяжно­ го вентилятора и циклона. Барабан длиной 7,5 м, изготовленный из листовой стали, медленно вращается на четырех опорных катках-роликах (частота вращения 1,8 об/мин). На внутренней

ние высушиваемого продукта. Барабан имеет уклон 5°, способ­ ствующий продвижению продукта к выгрузочному торцу.

Сушка осуществляется горячей (300° С) смесью воздуха и дымовых газов, образующейся при сжигании жидкого топлива (солярового масла) и движущейся со скоростью 5 м/с. Топливо подается при помощи форсунок в цилиндрическую топку из жа­ ростойкой стали, футерованную изнутри огнеупорным кирпичом. Отработавшая смесь газов имеет температуру 75—100° С.

Сушилка используется для сушки сыпучих материалов (то­ матные семена, яблочные выжимки). Мелкие и пылевидные ча­ стицы отделяются циклоном.

Перспективной является с у ш к а в к и п я щ е м слое, ко­ торый возникает при продувании нагретого воздуха со ско­ ростью 2—6 м/с через материал. При этом частицы материала переходят в хаотическое непрерывное движение, что создает максимальную поверхность испарения, так как каждая частица равномерно омывается потоком нагретого воздуха со всех сто­ рон. Непрерывное движение обеспечивает равномерный нагрев частиц и возможность применения повышенных температур на­ гретого воздуха: 100—110° С для плодов и 120—140° С для ово­ щей. Продолжительность сушки сокращается в 2,0—2,5 раза по сравнению с сушкой в плотном слое. Сушка в кипящем слое применима в первую очередь для сыпучих и мелко измельчен­ ных материалов.

С у ш к а о с м о т и ч е с к и м о б е з в о ж и в а н и е м заклю­ чается в выдерживании плодов в крепком теплом сахарном си­ ропе, в результате чего масса их уменьшается примерно в 2 раза.

женном состоянии при очень глубоком вакууме — при остаточ­ ном давлении'около 0,1 кПа (1 мм рт. ст.).

Сублимацией называется испарение твердого тела без плав­ ления. Чтобы жидкая фаза затвердела, продукт необходимо до­ вести до эвтектической температуры, при которой полностью за­ мерзает вода и выпадают растворенные в ней вещества. В усло­ виях атмосферного давления эвтектическая точка для пищевых продуктов лежит при очень низких температурах (около —60° С),

231