Теоретические основы обезвоживания растительных продуктов

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ

Растительное сырье как объект сушки

Виды связи влаги в материале

Химическая связь

Физико-химическая связь

Механическая связь

 

Виды связи влаги в материале

Влажные пищевые продукты, подвергаемые сушке, состоят из твердого сухого каркаса, воды, небольшого количества воздуха и паров. Процесс удаления влаги сопровождается изменением физико-химических показателей продукта, его теплофизических характеристик и структурно-механических свойств.

Вода – основной компонент растительных клеток, на ее долю приходится от 75 до 90 %. Различают свободную и связанную влагу.

Свободная влага – не связана с молекулами вещества, может свободно перемещаться из клетки в клетку. Она используется для питания и поддержания жизнедеятельности клетки. Это основное количество влаги.

Связанная влага – образуется в результате взаимодействия с молекулами вещества и характеризуется следующими физико-химическими свойствами:

· слабо, либо совсем не растворяет вещества, которые растворимы в свободной воде;

· имеет удельную теплоемкость ниже обычной и примерно равной теплоемкости льда;

· замерзает при низких отрицательных температурах

· обладает повышенной плотностью по сравнению со свободной влагой;

· не электропроводна, в отличие от чистой воды, так как не содержит растворимых веществ.

По своим свойствам связанная влага приближается к упругому твердому телу.

В пищевых продуктах одновременно содержатся, как связанная, так и свободная влага. Количественное соотношение между ними зависит от природы продукта. Но даже в одном продукте это соотношение может изменяться при измельчении, внесении добавок, тепловой обработке и т.д.

Удаление влаги из материала при сушке зависит от общего содержания влаги и формы связи влаги с материалом. Связь влаги с материалом характеризуется величиной свободной энергии изотермического обезвоживания – работой, необходимой для удаления 1 моля воды при постоянной температуре без изменения состава вещества при данном влагосодержании. Энергия, затраченная на удаление 1 кг/моль воды из влажного материала, определяется по уравнению (1.1):

А = -R*T*lnφ (1.1)

где: А – энергия связи влаги, Дж/моль;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль*К);

Т – температура, ⁰С

φ – относительная влажность воздуха.

При наличии в материале свободной влаги А=0. По мере удаления влаги прочность ее связи с материалом увеличивается и энергия связи А возрастает. Чем меньше влагосодержание материала, тем больше величина энергии связи.

Ребиндер П.А. классифицировал формы связи влаги с материалом на 3 группы: химическую, физико-химическую и механическую.

Химическая связь

Химически связанная влага подразделяется на воду, связанную в виде гидроксильных ионов и воду, заключенную в кристаллогидраты. Первая образуется в результате химического взаимодействия воды с материалом в определенном соотношении, при котором вода, как таковая, исчезает. Удалить эту влагу можно только в результате химического взаимодействия, реже при прокаливании.

Кристаллогидратная влага входит в структуру кристалла и удаление ее возможно только при прокаливании. Эта влага характеризуется количеством молекул воды, которые входят в состав кристалла.

Химическая связь самая прочная, химически связанная влага при сушке практически не удаляется и на процесс сушки не влияет. Энергия связи химической влаги самая высокая (1-100*10⁵ Дж/моль).

 

Физико-химическая связь

Эта связь менее прочная. К этой группе относится адсорбционно и осмотически-связанная влага.

Адсорбционно-связанная влага. Эта влага удерживается у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой, благодаря молекулярно-силовому взаимодействию поверхности мицелл и гидрофильных центров белков, углеводов и липидов.

Большинство растительных продуктов – гидрофильные коллоиды с высокой молекулярной массой, высокой степенью дисперсности (размер частиц 10 ^-7-10 ^-9 м), большой поверхностью раздела, а это приводит к появлению значительной поверхностной энергии. Под действием избыточной энергии на внутренней и внешней поверхности материала происходит поглощение молекул воздуха и водяного пара из окружающего пространства. Это явление называется адсорбция. Кроме этого, на поверхности может происходить обычное растворение влаги с проникновением внутрь вещества. Это явление называется абсорбция. Или же может происходить химическое взаимодействие между влагой и поверхностными веществами. Это явление называется хемосорбция. Все эти процессы в совокупности называются сорбцией. Но так как преобладает в растительных продуктах адсорбция, то связанную таким образом влагу называют адсорбционной.

Адсорбционно-связанная влага, особенно первый слой молекул – мономолекулярный слой, является наиболее прочно связанной с веществом. Последующие слои связываются с веществом менее прочно, энергия связи уменьшается, и свойства такой влаги приближаются к свойствам обычной воды. При образовании мономолекулярного слоя происходит выделение теплоты адсорбции, это связано с уменьшением поверхностной энергии. Происходит сжатие объема (явление контракции – объем набухшего тела меньше суммы объемов материала и поглощенной влаги).

Удаление этой влаги при сушке связано с дополнительным расходом энергии на теплоту адсорбции и обязательным превращением воды в пар.

Осмотические связанная влага. Эта влага отличается от адсорбционной тем, что соединение с материалом не сопровождается выделением теплоты и связь менее прочная.

Высокая растворяющая способность воды объясняется дипольным характером ее молекул и их способности к образованию водородных связей. Свойства водных растворов зависят от сил взаимодействия между молекулами воды и растворенных веществ. Осмос – процесс диффузии растворителя через полупроницаемую мембрану под действием кинетической энергии молекул. А оболочки соединений, входящий в состав продукта, являются полупроницаемыми. Диффузия растворителя (воды) происходит из области с более высоким парциальным давлением (меньшей концентрации раствора) в сторону меньшего парциального давления (большей концентрации раствора). В результате этого процесса возникает осмотическое давление – сила, которая обусловливает диффузию молекул.

Для растворов величина осмотического давления (Р_осм) равна:

Р_осм. = С*R*T (1.2)

где: С – молярная концентрация раствора;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль*К);

Т – температура, ⁰С.

В результате этого вода в клетке находится в состоянии тургора (связана осмотическими силами). Так как клеточные оболочки эластичные, то они выдерживают такое напряжение. Такое состояние создает опору тканям. Поэтому качество многих плодов и овощей зависит от состояния их тургора. При избытке влаги тургор усиливается, это может привести к растрескиванию плодов и овощей. При недостатке влаги наступает плазмолиз – цитоплазматическая мембрана сморщивается и отделяется от клеточной оболочки.

Осмотически связанная влага находится внутри клеток как бы в полупроницаемом мешочке, не отличается от обычной воды, при сушке перемещается внутри материала без фазового превращения в виде жидкости. Процесс удаления этой влаги из клеток аналогичен и противоположен осмотическому ее проникновению внутрь клеток.

Энергия связи осмотически-связанной влаги определяется уравнением (1.3):

А = - R*T*ln n₀ (1.3)

где: n₀ – молярная доля воды в растворе (n₀ = 1 – n₁);

n₁ – молярная доля растворенного вещества.

 

Механическая связь

Механически связанная влага самая слабая, удерживается за счет заполнения макро- и микрокапилляров. Растительные ткани имеют в зависимости от размера пор микро- или макрокапиллярное строение. Поэтому эту влагу также называют капиллярно-связанной.

Капиллярно-связанная влага обусловлена поверхностным натяжением и капиллярным давлением. Под действием давления происходит поднятие влаги в капиллярах. Высота поднятия воды зависит от радиуса капилляра: при радиусе 10 ^-1 см, высота подъема равна 1,5 см; при 10 ^-6 см – высота подъема 1,5 км. В зависимости от размера капилляры делятся микрокапилляры (радиус меньше 10 ^-7 м) и макрокапилляры (радиус больше 10 ^-7 м).

Капилляры с меньшим радиусом имеют меньшее поверхностное давление, чем более широкие, поэтому вода в них поднимается на большую высоту. В процессе сушки вода из макрокапилляров перемещается в более мелкие и оттуда испаряется. При этом уровень влаги в крупных капиллярах уменьшается, а в мелких – остается постоянным.

Вода, находящаяся в микрокапиллярах, отличается от свободной меньшей вязкостью и поверхностным натяжением и большей теплоемкостью. Температура замерзания такой влаги меньше 0⁰С. Энергия связи в микрокапиллярах определяется по уравнению (1.4):

А = 2*σ*V₀/r (1.4)

где: σ - поверхностное натяжение на границе воды с паровоздушной смесью, Н/м;

V₀ – удельный объем кг/м³;

r – радиус капилляра, м

Это уравнение указывает на увеличение энергии связи с уменьшением радиуса капилляров.

Механически связанная влага практически не отличается от свойств свободной воды, ее можно рассматривать как свободную влагу, которая при сушке легко удаляется в первую очередь.

Свободная влага находится на поверхности продуктов, в крупных порах и макрокапиллярах, она легко удаляется механическим путем (отжатием, прессованием).

Контрольные вопросы

 

1 Какую основную цель преследует процесс сушки, как способ консервирования?

2 В чем особенность заключается особенность растительного сырья как объекта сушки?

3 Как изменяются сухие вещества продуктов при сушке?

4 Что такое свободная и связанная влага, чем они отличаются?

5 Какими свойствами обладает связанная влага?

6 Какие существуют формы связи влаги с материалом?

7 Что такое химически связанная влага?

8 Какими свойствами обладает адсорбционно связанная влага?

9 Чем обусловлена осмотически связанная влага?

10 Что такое капиллярно-связанная влага, как она удаляется при сушке?

 

Кривая сушки и ее анализ

Кривая сушки и ее анализ

В процессе сушки влажных материалов происходят взаимосвязанные процессы тепло- и массообмена между материалом и сушильным агентом. Наружные процессы характеризуются внешним массообменном – испарением влаги, т.е. движением пара от поверхности материала в окружающее воздушное пространство и внешним теплообменом между нагретым газом и поверхностью материала. При испарении влаги с поверхности нарушается равновесие. Внутренние части продукта имеют более высокую влажность и, соответственно, более низкую температуру по сравнению с поверхностными слоями. За счет разности влагосодержание поверхностных и внутренних слоев возникает градиент влагосодержания. Это приводит к процессам внутреннего тепло- и массообмена, при которых происходит перемещение влаги из внутренних, более влажных слоев, к поверхностным и оттуда уже происходит ее испарение. Благодаря наличию градиента влагосодержания происходит непрерывное уменьшение влажности во всем объеме высушиваемого продукта.

На перемещение влаги внутри продукта влияет также и термодиффузия, которая обусловлена перепадом температур. Под ее влиянием влага перемещается от участков с более высокой температурой к участкам с более низкой температурой. При низкотемпературной сушке термодиффузия не имеет существенного значения, но при высокотемпературной сушке она оказывает существенное влияние на процесс сушки. Так, например, при конвективной сушке явление термодиффузии препятствует перемещению влаги из внутренних слоев к поверхности, так как температура внутренних слоев (за счет более высокого влагосодержания) ниже. Поэтому в таких случаях рекомендуется применять осциллирующий режим сушки с поочередной подачей холодного и горячего воздуха. Это вызывает совпадение направления диффузии и термодиффузии влаги и процесс сушки ускоряется. При ускоренных методах сушки (при температурах выше 100 ⁰С) испарение влаги происходит равномерно по всему объему продукта, и влага внутри перемещается в виде пара. Это приводит к появлению градиента давления, так как скорость превращения воды в пар выше, чем скорость выхода его из продукта. За счет этого ускоряется перемещение влаги.

Процессы внутреннего и внешнего тепло- и массообмена между собой взаимосвязаны и приводят к изменению массы продукта в процессе сушки. По изменению массы продукта в процессе сушки нельзя сравнивать работу различных сушильных установок. Для этого пользуются графическим изображением изменения влагосодержания по времени (W-τ), которое называется кривой сушки. Кривая сушки представлена на рисунке 1.2.

Анализируя кривую сушки, можно выделить ряд участков. Участок АВ – период подогрева продукта. В этот период влагосодержание изменяется незначительно. Этот период можно выделить при низкотемпературных режимах сушки продуктов в высоком слое. Участок ВС – период постоянной скорости сушки. Он характеризуется постоянными скоростью снижения влагосодержания (за равные промежутки времени удаляется одинаковое количество влаги) и температурой материала. В этот период удаляется преимущественно свободная влага. Этот период продолжается до наступления критического влагосодержания (w_к). На кривой сушки этому моменту соответствует точка С. Критическое влагосодержание – граница между периодом постоянной (1-й период) и падающей (2-й период) скоростями сушки.

В периоде постоянной скорости сушки интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента и не зависит от влагосодержания и физико-химических свойств продукта.

В периоде падающей скорости сушки (участок СД на кривой сушки) скорость сушки уменьшается по мере снижения влагосодержания продукта. Температура продукта увеличивается и к концу периода приближается к температуре сушильного агента. Процесс сушки продолжается до достижения равновесного влагосодержания, после этого удаления влаги прекращается. В этот период удаляется связанная влага, и постепенное снижение скорости сушки объясняется увеличением энергии связи влаги с материалом. В этот период процесс удаления влаги зависит от влагосодержания, характера связи влаги с материалом, физико-химический свойств материала и параметров сушильного агента.

По кривым сушки определяют скорость сушки в любой период времени. Скорость сушки определяется как тангенс угла наклона касательной, проведенной через данную точку кривой сушки, соответствующую определенному влагосодержанию материала.

tgσ = (1.9)

Максимальная скорость в период постоянной скорости сушки определяется по формуле 1.10.

tgσ_макс.. = ()_макс. = N (%/ч или %/мин) (1.10)

К концу процесса при равновесной влажности скорость сушки равна 0.

Процесс сушки можно охарактеризовать по методу приведенной скорости сушки. На основании этого метода можно определить продолжительность сушки. Приведенная скорость сушки – отношение скорости сушки при данном влагосодержании материала к максимальной скорости первого периода. Она определяется по уравнению 1.11.

Ψ = : ()_макс. = (1.11)

Значения приведенной скорости сушки изменяются от 0 до 1. Для периода постоянной скорости сушки при w ≥ w_к; ψ = 1, а в конце сушки при достижении равновесного влагосодержания w=w_к; ψ = 0.

Метод приведенной скорости сушки позволяет исключить влияние параметров сушильного агента на интенсивность процесса сушки. Зависимость метода приведенной скорости сушки только от физико-химических свойств материала и вида связи с материалом позволяет использовать уравнение продолжительности сушки в расчетах сушильных установок любой производительности. На основании уравнения 1.11 путем интегрирования от начального влагосодержания до критического определяют продолжительность процесса сушки.

Продолжительность сушки τ (мин) определяется по уравнению 1.12.

τ = (1.12)

Показатель степени m является постоянной величиной для данного материала, не зависит от формы и размера частиц, влагосодержания, способа и параметров процесса сушки. Он характеризует вид связи влаги с материалом, физико-химические свойства материала. Поэтому при испарении свободной влаги в периоде постоянной скорости сушки m=0. Установлены 4 значения показателя m для пищевых материалов:

m = 0,5 - для хурмы, клубники, укропа, томатов, перца.

m = 1 - для картофеля, моркови, свеклы, петрушки, лука, сельдерея, капусты, зеленого горошка, абрикосов, яблок, груш, винограда.

m = 2 – для всех видов круп после гидротермической обработки и гороха.

При известных значениях показателя степени m уравнение 1.12 имеет следующий вид.

При m = 0,5:

τ = (1.13)

При m=1:

τ = (1.14)

При m=2:

τ= (1.15)

где: W₁, W_k, W₂, W_р – влагосодержание материала начальное, критическое, конечное и равновесное, %;

А и β – массообменные коэффициенты, определяющие перемещение влаги внутри материала. Величины этих коэффициентов зависят от размера и формы частиц (т.е. длины пути перемещения влаги внутри частицы), а также от фазового состояния перемещаемой влаги (т.е. от температуры и потенциала сушильного агента). Величина коэффициента А с повышением температуры сушки уменьшается. Величина коэффициента β для одного и того же материала может иметь либо положительное, либо отрицательное значение в зависимости от фазового состояния перемещаемой влаги.

Коэффициенты А и β можно рассчитать по уравнениями 1.16 и 1.17.

А = с – dE_ср. (1.16)

β =еЕ_ср. – f (1.17)

где: Е_ср. – среднеинтегральное значение потенциала сушки воздуха, определяется по формуле 1.18.

Е_ср.= (t^с – t^м)_ср. (1.18)

где: t^c и t^м – температура воздуха, измеренная сухим и мокрым термометром, ⁰С.

с, d, e, f - постоянные коэффициенты, зависящие от вида материала, формы и размера частиц. Значения этих коэффициентов приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Значения коэффициентов с, d, e, f

Наименование материала	Размер частиц, мм	Значения коэффициентов
с	d	e	f
Абрикосы	15х15х15		1,35	0,0293	2,40
Айва	15х15х15		5,20	0,0282	2,00
Баклажаны	12х12х12		38,50	0,0430	4,73
Груши	15х15х15		3,77	0,0227	1,75
Зеленый горошек	-		7,85	-	-
Кабачки	8х8х8		27,8	-	-
Кабачки	12х12х12		15,6	-	-
Кабачки	15х15х15		17,6	-	-
Картофель	8х8х8		4,83	0,0191	2,20
Лук	D=3		0,265	0,0012	-0,82
Морковь	10х10х10		0,528	0,00112	-0,842
Пастернак	12х12х12		6,6	-	-
Хурма	10х10х10		4,1	0,306	30,50
Хурма	20х20х20		2,28	0,127	16,55
Цикорий	8х8х8		9,9	-	-
Цикорий	10х10х10		10,0	-	-
Цикорий	15х15х15		10,8	-	-
Яблоки	15х15х15		5,0	0,0575	-2,5
Крупа гречневая	-		11,5	-0,042	1,4
Крупа перловая	-		10,65	-	-
Крупа рисовая	-		7,4	-0,002	0,85
Крупа пшенная	-		12,7	-0,0023	1,6
Крупа пшеничная	-		9,0	-0,004	1,6
Горох	-		23,0	0,0303	2,9

 

Скорость постоянного периода сушки определяется либо по кривой сушки (формула 1.9), либо по уравнению 1.19.

N = a + bE_ср.υρ(F/M_c) (1.19)

где: а и b – постоянные коэффициенты, определяемые видом материала, формой и размером частиц (их значения приведены в таблице 1.5);

υρ- массовая скорость воздуха, кг/(м²*с). При сушке в неподвижном слое следует массовую скорость подставить в виде выражения: ;

F/M_c – величина, обратная удельной нагрузке материала, м²/кг.

Критическое влагосодержание определяется по уравнению 1.20:

W_к = k – lЕ_ср. (1.20)

где: k и l – коэффициенты, зависящие от вида материала, формы и размера частиц (их значения приведены в таблице 1.6).

Если сушка происходит в кипящем слое, то значение критического влагосодержания не зависит от величины массовой скорости воздуха и удельной нагрузки материала.

Значения равновесного влагосодержания W_р следует принимать в зависимости от температуры сушильного агента.

При температуре 100 ⁰С и выше равновесное влагосодержание равно 0.

При температуре 90 ⁰С равновесное влагосодержание равно 1.

При температуре 80 ⁰С равновесное влагосодержание равно 3.

При температуре 60-70 ⁰С равновесное влагосодержание равно 5.

Полученные зависимости позволяют быстро и достаточно точно определить продолжительность сушки пищевых продуктов.

Таблица 1.5 – Значения коэффициентов а и b

Наименование материала	Размер частиц, мм	Значения коэффициентов
а	b
Абрикосы	15х15х15	4,6	1,27
Айва	15х15х15	8,8	2,00
Баклажаны	12х12х12	40,0	1,44
Груши	15х15х15		1,42
Зеленый горошек	-	7,3	0,73
Кабачки	8х8х8	100,0	0,94
Капуста	D=3	20,0	15,40
Картофель	8х8х8	5,4	0,54
Картофель	12х12х12	2,0	0,905
Картофель	15х15х15	11,0	0,36
Лук	D=3	22,0	0,90
Морковь	10х10х10	12,4	0,454
Свекла	10х10х10		0,799
Хурма	10х10х10	6,7	0,306
Хурма	20х20х20	8,2	0,174
Цикорий	8х8х8	4,6	0,836
Цикорий	10х10х10	9,5	0,35
Цикорий	15х15х15		0,58
Цикорий	20х20х20		0,497
Крупа гречневая	-		0,5
Крупа перловая	-		0,308
Крупа рисовая	-		0,46
Крупа пшенная	-		0,69
Крупа пшеничная	-		0,76
Крупа кукурузная	-		1,265
Горох	-		0,192

Таблица 1.6 – Значения коэффициентов k и l

Наименование материала	Размер частиц, мм	Значения коэффициентов
k	l
Абрикосы	15х15х15		6,25
Груши	15х15х15		0,78
Зеленый горошек	-		1,16
Кабачки	8х8х8		10,0
Капуста	D=3		7,6
Картофель	8х8х8		1,1
Картофель	10х10х10		1,08
Лук	D=3		2,7
Морковь	12х12х12		4,1
Свекла	15х15х15		6,5
Хурма	10х10х10		6,25
Хурма	20х20х20		5,0
Цикорий	8х8х8		2,55
Цикорий	10х10х10		1,33
Цикорий	15х15х15		1,75
Яблоки	15х15х15		1,23
Крупа гречневая	-		0,9
Крупа перловая	-		1,58
Крупа рисовая	-		0,17
Крупа пшенная	-		0,3
Крупа пшеничная	-		0,2
Крупа кукурузная	-		0,92

Конвективный способ

Сушка в плотном слое

Распылительная сушка

Сушка во взвешенном слое

Кондуктивный способ сушки

Сушка термоизлучением

Вакуумная сушка

Сублимационная сушка

Конвективный способ

Этот способ самый распространенный. Энергия передается высушиваемому объекту с помощью конвекции. В качестве сушильного агента используется нагретый воздух, топочные газы или перегретый пар. Характерной особенностью конвективной сушки является то, что перенос влаги внутри продукта происходит за счет влаго- и термовлагопроводности как в виде жидкости, так и в виде пара. Сушильный агент является теплоносителем и влагопоглотителем.

Преимуществом этого метода является простота, возможность регулирования температурой высушиваемого материала.

Недостатки. Градиент температуры направлен в сторону, противоположную градиенту влагосодержания, это тормозит удаление влаги из материала. Небольшие коэффициенты теплоотдачи от сушильного агента к поверхности материала (11,6-23,2 Вт/(м²*К).

Важную роль при конвективной сушке играют параметры сушильного агента (температура, относительная влажность, скорость движения), толщина слоя и его состояние (плотный, разрыхленный, взвешенный, диспергированный), а также удельная нагрузка. Поэтому интенсифицировать конвективную сушку можно, регулируя данные параметры.

Температура – с повышением температуры сушильного агента интенсивность испарения влаги увеличивается за счет увеличения теплообмена между высушиваемым материалом и сушильным агентом, а продолжительность сушки сокращается. Однако температура в конце сушки не должна быть выше критической для высушиваемого материала. Для плодово-ягодного сырья она колеблется в пределах 55-65 ⁰С.

Относительная влажность сушильного агента – с уменьшением относительной влажности процесс сушки ускоряется. Но сушка с низкой относительной влажностью связана с излишним расходом тепла и, следовательно, удорожанием процесса. Кроме того, низкая относительная влажность сушильного агента вначале сушки способствует быстрому перемещению влаги и образованию корочки на поверхности, что замедляет сушку. Для плодового и овощного сырья относительная влажность отработанного воздуха должна быть в пределах 35-45 %.

Скорость сушильного агента – зависит от его количества, поступающего в установку, сечения камеры, направления движения. В тоннельных сушилках скорость движения сушильного агента составляет 2,8-3,5 м/с, а в ленточных – 0,2-0,5 м/с. При движении сушильного агента перпендикулярно высушиваемому материалу теплообмен увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с параллельным. Поэтому для сушки в неподвижном слое применение ленточных сушилок более эффективно, чем тоннельных.

Толщина слоя - зависит от вида сырья, формы, коллоидно-химических свойств, начальной и конечной влажности. Сушка плодов и овощей в тонком слое в начале процесса и более толстом в конце создает благоприятные условия для получения продукта хорошего качества и эффективного использования сушильной установки. Этот принцип используется в ленточных сушилках.

Состояние слоя – определяет активную поверхность контакта с сушильным агентом.

Использование нагретого воздуха в качестве сушильного агента, который является одновременно теплопередатчиком, влагопоглотителем и влагоудалителем, обусловливает сравнительную простоту конструкций конвективных сушилок. При других способах сушки находящийся в контакте с продуктом воздух используется лишь для удаления испарившейся влаги.

Технические способы осуществления конвективной сушки самые разнообразные: в плотном слое, во взвешенном, в распыленном состоянии и т.д.

Сушка в плотном слое

Процесс сушки в неподвижном и малоподвижном слое осуществляется в камерных, ленточных, тоннельных и шахтных сушильных установках.

Камерная сушилка - основным узлом является сушильная прямоугольная камера, внутри которой помещается высушиваемый продукт. Это сушилка периодического действия. Сушка производится нагретым воздухом или смесью топочных газов с воздухом. Используется для сушки сухарей, кукурузы в початках, зерна.

Ленточные (конвейерные) сушилки – используются широко на овощесушильных предприятиях для сушки овощей, фруктов, нарезанных на мелкие куски, проваренных круп. Сушка осуществляется воздухом, нагретым в калориферах. Особенностью их является то, что продукт высушивается в плотном слое высотой 7,5-15 см. Эти сушилки непрерывного действия. Представляют собой закрытую теплоизолированную камеру, внутри которой расположены один над другим 4 или 5 бесконечных сетчатых ленточных конвейеров из нержавеющей стали. Сушилка марки Г4-КСК-90 (пятиленточная) приведена на рисунке 1.3.

Каждый ленточный конвейер смещен относительно другого по длине сушильной камеры для пересыпания продукта с одной ленты на другую. Ленты движутся противоположно друг другу. Скорость движения лент может меняться. Ширина ленты до 2 м, длина до 10 м. Для загрузки продукта в сушильную камеру предусмотрен транспортер (1) со скребками. Для перемещения продукта с целью равномерной сушки и предотвращения слипания в начале первой, а также в середине первой, второй и третьей ленты установлены ворошители. Для очистки лент от налипшего продукта под первой и второй лентами (в конце) установлены щетки. Поверхности барабанов очищаются от налипшего продукта скребками, которые установлены у натяжных барабанов первого, второго и третьего ленточного конвейеров. Осыпающиеся куски продукта попадают в установленные под скребками лотки. Из лотков они убираются вручную 1 раз в смену.

Между барабанами ленточных конвейеров установлены калориферы. На каждом ряде калориферов в месте подвода пара установлены вентили, а в местах отвода – конденсатоотводчики. Это позволяет регулировать тепловой режим в каждой зоне. Сушильный агент подается снизу, проходит через все зоны сушилки и отсасывается вентилятором (4).

Высушиваемый продукт загружается в сушильную камеру (2) на верхнюю ленту (3). Пройдя до конца ленты, он пересыпается на следующую, движется в противоположном направлении и выгружается с нижнего транспортера. Температура сушильного агента на входе в сушилку 90-120 ⁰С, на выходе – 55-80 ⁰С.

Ленточные конвейерные сушилки обеспечивают непрерывность процесса. Но ограниченная скорость и неравномерное распределение сушильного агента приводят к неравномерному распределению теплоты и влаги и местным перегревам.

Тоннельные сушильные установки используются для сушки плодов, ягод, грибов, а также для сушки жестяных консервных банок после мойки. Представляют собой сквозную удлиненную камеру, внутри которой высушиваемый продукт перемещается в вагонетках. Каждая вагонетка имеет 20-30 полок, на которых устанавливаются сетчатые поддоны с высушиваемым материалом. На каждый поддон помещается от 15 до 25 кг продукта.

По режиму работы относятся к сушилкам непрерывного действия. Длина этих сушилок от 10 до 100 м, ширина – от 2 до 10 м. При эксплуатации необходимо соблюдать расстояние между материалов, стенами и потолком, а также между вагонетками 70-80 мм. Циркуляция сушильного агента осуществляется как за счет естественной конвекции, так и принудительной, последние сушилки более производительны и экономичнее. В этих сушилках используют реверсирование (изменение направления подачи сушильного агента). Это позволяет увеличить равномерность процесса сушки. Сушильным агентом является смесь топочных газов и воздуха. В сушилке предусмотрена рециркуляция части отработанного воздуха, это повышает экономичность. Начальная температура сушки 45-50 ⁰С, конечная – 75-80 ⁰С. Использование вначале процесса сушки мягких условий для удаления влаги с постепенным повышением температуры благоприятно для фруктов, которые трудно поддаются сушке (виноград, абрикосы).

Применение в них смеси топочных газов с воздухом хотя и экономично по затратам теплоты, но не исключает возможности образования при сушке канцерогенных веществ.

Шахтные сушилки предназначены для сушки сыпучих продуктов. Представляют собой вертикальные шахты прямоугольного сечения размером не менее 80 мм. Стенки чаще всего сетчатые или жалюзийные. Сушилки могут быть прямоточные или рециркуляционные. В прямоточных сушилках продукт проходит через сушильную камеру один раз, в рециркуляционных – несколько раз, число рециркуляций зависит от начальной влажности продукта.

Эти сушилки обеспечивают непрерывность процесса, но скорость сушки в них в 2-3 раза ниже по сравнению с ленточными конвейерными сушилками.

При обезвоживании продуктов в плотном слое не вся поверхность высушиваемого материала участвует в теплообмене. Поэтому процесс протекает медленно, продолжительность сушки высокая, возможны перегревы продукта на отдельных участках. Сушилки громоздки и имеют невысокую производительность. Готовый продукт плохо набухает, восстанавливается при длительном кипячении (20-25 мин).

Значительное ускорение процессов тепло- и массообмена достигается при сушке продуктов в перемешиваемом слое.

Распылительная сушка

Конвективная сушка жидких продуктов в тонкодиспергированном (распыленном) состоянии – один из современных высокоинтенсивных способов. В пищевой промышленности эта сушка используется для обезвоживания овощных и фруктовых паст, пюре, соков.

При обезвоживании распылением жидкие продукты диспергируют на капли малых размеров (5-500 мкм). Это увеличивает поверхность испарения (площадь поверхности 1 кг раствора составляет 600 м²) и продолжительность сушки измеряется секундами (от 5 до 30 с). Очень малый размер частиц устраняет тормозящее действие термовлагопроводности. При этом скорость внутренней диффузии практически не влияет на скорость сушки, в результате чего с огромной поверхности диспергированных частиц удаляется, в основном, поверхностная влага. Это позволяет применять при сушке термолабильных продуктов повышенные температуры сушильного агента (до 180-200 ⁰С).