Исследование сопротивления высушиваемого материала в кипящем слое в зависимости от скорости сушильного агента

Введение (Introduction)

Пищевые продукты содержат ценные питательные вещества и поэтому могут быстро
испортиться бактериями, дрожжами и плесенью, если не предпринять меры к их сохранению. Основными факторами, способствующими сохранению питательных веществ, являются низкое содержание влаги (концентрация), подкисление, путем добавления молочно кислых бактерий и засолка. Порча пищевых продуктов может быть предотвращена путем сушки[1, с. 236 ].
Сушка в прежние времена производилась с помощью использования лучистой энергии Солнца (атмосферная сушка), сейчас для обезвоживания продуктов используется много видо всложного оборудования и методов. Качественный аспектсушеных продуктов вовремя сушки и после сушки-это очень сложное явление. В последнее время предпринимаются значительные усилия для понимания химических и биохимических изменений, происходящих при обезвоживании, а также для разработки методов предотвращения нежелательных потерь качества [2, с. 265].
Повышенная адгезионная способность и высокая термо чувствительность белковосодержащих продуктов не допускают нагрев материала до температуры, превышающей предельно допустимую, и обуславливают необходимость применения процессов и установок, в которых обеспечиваются равномерный нагрев и сушка. При высушивании белков о содержащих продуктов имеется ряд трудностей, связанных с большой термолабильностью белков, что не дает возможности существенно увеличить термический КПД. С учетом выше сказанного, для минимизации термической деградации продукта и других связанных с нагревом проблем, таких как липкость продукта в сушилке рекомендуется умеренный температурный диапазон. Кроме того, целесообразно в целях повышения эффективности процесса сушки проводить его в псевдоожиженном слое в сочетании с механическим ворошением [2, с. 148].

Объекты и методы исследования (Methodology)

Авторами статьи разработана экспериментальная установка [3] для сушки полидисперсных материалов в псевдоожиженном слое с целью выявления оптимальных режимов сушки, сокращения удельных затрат тепла и электроэнергии на сушку, механизации и автоматизации сушильной установки, интенсификации процесса в целом для достижения высокой производительности.
Конструктивными особенностями сушильной установки являются установленные в нижней
части камеры, подсоединенные к приводу взаимопараллельнные горизонтальные валы с насадками и тангенциальные патрубки ввода теплоносителя в сушильную камеру.
Такая конструкция установки позволяет интенсифицировать процесс сушки, регулировать
порозность слоя, создать режим устойчивого псевдоожижения» исключить образование застойных зон и каналообразование, предотвратить агломерацию частиц высушиваемого материала. Сущность процесса псевдоожижения состоит в том, что при продувании слоя высушиваемого материала восходящим потоком газа при определенной скорости газа, называемой критической скоростью слой переходит во взвешенное состояние и приобретает свойство текучести. В этом состоянии расстояние между определенными частицами увеличивается настолько, что на перемещение их требуется значительно меньшие затраты энергии, чем в случае, если бы слой не был взвешен потоком газа. По своей подвижности кипящий слой высушиваемого материала напоминает вязкую жидкость[4].Гидродинамика кипящего слоя наиболее наглядно описывается кривой псевдоожижения, представляющей собой зависимость между скоростью газа и сопротивлением слоя материала.

Из представленной на рисунке 1классическойкривой состояния псевдоожиженного слоя видно, что при продувании слоя сопротивление его возрастает пропорционально скорости воздуха в степени n(участок ОА). На участке АВ (кривая 1) слой начинает разрыхляться. При скорости wкр сопротивление слоя достигает максимального значения, при дальнейшем незначительном увеличении скорости, как правило, наблюдается падение сопротивления, вызванное образованием каналов, через которые прорывается часть воздуха. Образование каналов обуславливают, некоторое увеличение скорости воздуха при уменьшающемся сопротивлении слоя [5].
На кривой 2 полученной нами при исследовании состояния псевдоожиженного слоя в
экспериментальной установке сопротивление слоя ниже вследствие отсутствия газораспределительной решетки и ворошения слоя материала при помощи насадок.
Наличие внутри камеры экспериментальной сушилки двух взаимо параллельных горизонтальных вращающихся валов с закрепленными на них насадками не создает само по себе, в сравнении с известными конструкциями установок сушки материала в псевдоожиженном слое с использованием газораспределительных решеток, значительного гидравлического сопротивления для прохождения теплоносителя и даже способствуют его уменьшению в случае применения процесса перемешивания
высушиваемого материала. Перемешивание материала позволяет создать мягкий гидродинамический 9 режим, то есть свести переходную стадию до минимума, избежать явления каналообразования, создать развитую поверхность контакта материала с сушильным агентом и обеспечить постоянное ее обновление, позволяет более полно использовать энергию теплоносителя, что тем самым увеличивает производительность сушилки по испаряемой влаге и повышает интенсивность процесса сушки. Применение установленных в корпусе с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью камеры насадок, закрепленных на вращающихся горизонтальных валах, позволяет
непрерывно очищать стенки камеры от материала, дезинтегрировать продукт, предотвращая тем самым окомкование высушиваемого материала и образование в камере застойных зон.

Результаты и их обсуждение (Resultsanddiscussion)

Радиальная скорость насадок wp, обеспечивающая энергичное перемешивание и минимальное сопротивление псевдоожиженного слоя, приравниваемая к критической скорости псевдоожижения wкр определялась по формуле О.М. Тодеса [6]:

При движении радиальной насадки в перемешиваемом продукте ей приходится преодолевать сопротивление, вызываемое как силой тяжести и внутренним трением продукта, так и трением продукта о насадку. Радиальная сила сопротивления может быть определена из схемы, представленной на рисунке 2.

Определив равнодействующие силы сопротивления продукта по формуле (3) и подставив
вместо радиальной скорости рабочую скорость сушильного агента wкр, определяем необходимую мощность. Необходимая мощность привода для вращения горизонтальных валов рассчитывается в соответствии с типовым расчетом смесителя непрерывного действия. Мощность необходимая для вращения валов с насадками равна:

где Ep-радикальная составляющая равнодействующей сил сопротивления продукта, действующая на вертикальную насадку погруженную в продукт H;
wp-радикальная скорость насадки м/с;
z-число вертикальных насадок, одновременно погруженных в продукт, шт

Заключение(Conclusion)

Как показали предварительные результаты исследований, подобная конструкция сушильной установки позволяет достичь сокращения раза потребления энергии вследствие уменьшения сопротивления слоя высушиваемого материала.
Высокая интенсивность процесса, а следовательно небольшая его длительность равномерная термообработка каждой отдельной частицы — все это создает предпосылки для получения высококачественного высушенного продукта.

Список Литературы

1. Y. H. Hui, Lisbeth Meunier-Goddik, Jytte Josephsen Handbook of Food and Beverage Fermentation Technology — 2004 — Technology & Engineering: Р. 236 — ISBN: 0-8247-4780-1
2. Drying technologies in food processing /edited by Xiao Dong Chen, Arun S. Mujumdar — 2008 Blackwell Publishing Ltd: P. 113-265 — ISBN-13: 978-1-4051-5763-6
3. Авторское свидетельство №12476. 16.12.96
4. Гальперин Н. И. Псевдоожижение.- М.; Знание, 1968. — 63 с
5. Гинзбург А.С., Резников В.Л. Сушка пищевых продуктов в кипящем слое. -М.: Пищевая
   промышленность. 1966. — 188 с.
6. Тодес О.М. Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем (гидравлические и тепловые основы работы) — Л.: Химия. 1981, — 296 с