Классификация способов сушки

Сушка – это не только сложный процесс тепло- и массообмена, но также и сложнейший технологический процесс. Высушенный пищевой продукт должен иметь высокие показатели качества, как органолептические, так и физико-химические. Оптимальный режим сушки должен осуществляться при минимальном затрате тепла и энергии и заключаться в максимальном сохранении химико-технологических показателей качества сырья, используемого для сушки.

Исследования последних лет направлены на совершенствование способов сушки, которые бы обеспечивали максимальную сохранность пищевых и вкусовых достоинств продукта, а также высокую эффективность процесса.

Для современных способов сушки характерна интенсификация процессов тепло- и массообмена, которая достигается различными путями: увеличением поверхности контакта между высушиваемым продуктом и сушильным агентом; снижение относительной влажности сушильного агента; применение комбинированного подвода тепла; повышение скорости перемещения высушиваемого материала и сушильного агента; сочетание обезвоживания с различными технологическими процессами: замораживанием, взрыванием, диспергированием, вспениванием и др.

Существует несколько классификаций способов сушки по различным признакам.

По способу воздействия сушильного агента:

· естественная;

· искусственная.

Естественная сушка – старый способ, используется для сушки плодов, ягод, грибов в регионах с подходящими климатическими условиями. Продукт высушивают на открытом воздухе в тонком слое до равновесной влажности.

Искусственная сушка – проводится в сушильных установках, которые располагают в закрытых помещениях и снабжают необходимыми источниками энергии.

По давлению воздуха в сушильной камере:

· атмосферная;

· вакуумная.

Атмосферная – сушильным агентом является атмосферный воздух с отклонением давления в сушильной камере не выше 49 МПа.

Вакуумная – сушка производится под вакуумом, который создается и поддерживается вакуум-насосом.

По способу подвода тепла к влажному материалу сушилки классифицируются на:

· конвективные – тепловая энергия передается конвекцией;

· кондуктивные – тепловая энергия передается с помощью теплопроводности;

· терморадиационные - тепловая энергия передается с помощью термоизлучения;

· высокочастотные - тепловая энергия преобразуется из электрической внутри высушиваемого материала;

· комбинированные – передача тепла осуществляется с помощью комбинаций вышеупомянутых способов.

В зависимости от направления движения высушиваемого материала и сушильного агента:

· прямоточные – направление движения высушиваемого материала и сушильного агента совпадает;

· противоточные - направление движения высушиваемого материала и сушильного агента противоположное;

· перекресточные - направление движения высушиваемого материала и перпендикулярно направлению сушильного агента.

По виду сушильного агента:

· аппараты, использующие нагретый воздух;

· установки, использующие дымовые газы;

· установки, используемые смесь воздуха с дымовыми газами;

· установки, используемые перегретый пар.

По циркуляции сушильного агента:

· установки с естественной циркуляцией;

· установки с принудительной циркуляцией (при помощи центробежных и осевых вентиляторов).

По способу нагрева сушильного агента:

· установки с паровыми калориферами;

· установки с огневыми калориферами;

· установки с топками на жидком топливе;

· установки с топками на газовом топливе.

По кратности использования сушильного агента:

· с однократным использованием нагретого воздуха;

· с многократным использованием нагретого воздуха.

По виду объекта сушки:

· для твердых материалов (крупных, мелких, пылевидных);

· для жидких материалов;

· для пастообразных продуктов.

По режиму работы:

· периодического действия;

· непрерывного действия.

По конструктивным признакам:

· тоннельные;

· камерные;

· шахтные;

· ленточные;

· барабанные;

· вальцевые и др.

Выбор способа сушки зависит от биохимических и структурно-механических свойств сырья, состояния его при обезвоживании (целые плоды, нарезанные кусочками, жидкие продукты), а также свойств конечного продукта и экономичности процесса.

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).

Максимальный размер капель (D_max,м) определяется по формуле 1.22:

D_max = к* (1.22)

где: к – коэффициент, зависящий от свойств распыляемого вещества;

σ – поверхностное натяжение, Н/м;

g – ускорение силы тяжести, м²/с;

ρ_в – плотность воздуха, кг/м³;

υ – скорость выхода струи, м/с

Скорость движения воздуха в таких установках составляет 0,2-0,4 м/с. Размеры сушильной камеры определяются производительностью установки и факелом распыления и составляют в диаметре 2,6-12,5 м, а высота от 3 до 25 м и более. Чаще всего сушильная камера имеет форму цилиндра с плоским или коническим основанием, реже – форму прямоугольника. Для удаления высушенного продукта на полу камеры (если форма цилиндрическая) или на стенках (при цилиндроконической форме) установлены скребки, которые вращаются с частотой 50 мин^-1 и препятствуют прилипанию продукта к стенкам сушилки. Распылительные устройства в сушилках могут быть в виде форсунок или центробежных дисков.

Преимуществом форсуночного распыления является небольшой расход электроэнергии (на 1 т раствора 2-4 кВт/ч); бесшумность работы; простота конструкции. К недостаткам можно отнести засорение выходных отверстий из-за малого сечения; при увеличении производительности ухудшается качество распыления, поэтому в установках большой производительности устанавливают много форсунок (до 35 шт.).

Дисковой распыление наиболее распространено, так как с помощью быстровращающихся дисков (частота вращения 7500-12000 мин^-1) можно распылять продукты с высоким содержанием сухих веществ (до 50 % и выше). Это возможно потому, что в них нет отверстий для прохода раствора, они не забиваются и обеспечивают однородное распыление. Один диск обеспечивает работу одной сушильной установки любой производительности. К недостаткам дискового распыления можно отнести высокая стоимость устройства; необходимость делать сушильную камеру большего диаметра из-за широкого факела распыления.

Движение распыленных частиц и воздуха в камере может быть прямоточным, противоточным и смешанным. Прямоточное используется при сушке термолабильных продуктов, так как это дает возможность использовать более высокие температуры без опасности перегрева продукта.

Размеры сушильной камеры можно определить, исходя из ее объема, который рассчитывается по уравнению 1.23:

V = (1.23)

где: W – количество испаренной влаги, кг/с (определяется на основании уравнения материального баланса процесса сушки);

τ – продолжительность сушки, с;

А_w – коэффициент напряжения (для форсуночных распылительных установок он равен 2,2-2,4 кг/(м³*ч); для дисковых – 3,1-3,5 кг/(м³*ч).

По объему камеры определяют диаметр (d) и высоту (h), соотношение между ними зависит от способа распыления: для форсуночных сушильных установок d:h = 1: (1,5-2,5); для дисковых распылительных сушилок d:h = 1: (0,8-1,0).

В зависимости от формы и размеров сушильной камеры количество осевшего и уносимого после сушки продукта различно: в цилиндрических камерах остается 65-70 % продукта, а 30-35 % уносится с воздухом; в камерах цилиндроконической формы оседает 30-35 % сухого продукта и 65-70 % уносится с воздухом. Поэтому за сушильной камерой монтируют устройства для выделения сухого продукта из отходящего воздуха (рукавные фильтры, циклоны, мокрые пылеуловители - скрубберы и т.д.).

Из-за высокой скорости испарения влаги температура высушиваемого продукта остается невысокой. Продукты получаются высокого качества с хорошей растворимостью. При этом способе сушки можно регулировать величину частиц, объемную массу, конечную влажность и температуру порошка. По качеству получаемые продукты сравнимы с продуктами сублимационной сушки, но стоимость их на 25-30 % ниже.

К недостаткам распылительной сушки можно отнести большие габариты сушильных установок, недостаточное использование объема сушильной камеры, повышенные расходы теплоты (на 1 кг испаренной влаги затрачивается 2,5-4,0 кг пара).

 

Сушка во взвешенном слое

Способ применяется для сушки круп, плодов и овощей, нарезанных кубиками с размерами грани от 8 до 20 мм.

При сушке во взвешенном слое нагретый воздух движется сквозь слой материала, теплообмен увеличивается в 2 раза. Дальнейшее ускорение сушки происходит за счет перехода материала из неподвижного слоя во взвешенный. Взвешенный слой подразделяется на кипящий и фонтанирующий.

Кипящий слой характеризуется непрерывным и беспорядочным движением и перемешиванием частиц в определенном объеме по высоте, высоко развитой поверхностью соприкосновения материала с нагретым воздухом, так как при этом способе сушки каждая частица равномерно омывается со всех сторон потоком нагретого воздуха. Это приводит к равномерному нагреву материала и мгновенному удалению пограничного слоя испаряющейся влаги. Это позволяет применять повышенные температуры сушильного агента (110-180 ⁰С в зависимости от вида материала). В результате значительно сокращается процесс сушки, уменьшается воздействие теплоты на продукт, увеличивается удельная нагрузка материала, лучше сохраняются свойства продукта (по сравнению с низкотемпературной сушкой в неподвижном слое).

Переход частиц из неподвижного слоя в кипящий происходит при достижении критической скорости воздуха, который пронизывает слой высушиваемого материала. При увеличении скорости движения воздуха происходит разрыхление материала, увеличение его объема и переход частиц во взвешенное состояние.

Высота взвешенного слоя определяется для конкретной скорости движения воздуха. Это объясняется порозностью слоя и скоростью воздуха между частицами высушиваемого материала.

Порозность слоя – отношение объема воздуха между частицами к общему объему слоя, определяется по уравнению 1.24.

m = (V – V₀)/V (1.24)

где: V – насыпной объем слоя, м³;

V₀ – суммарный объем частиц, м³.

Для «кипящего» слоя интервал порозности находится в пределах от 0,55 до 0,83. Увеличение скорости воздуха приводит к увеличению высоты кипящего слоя и увеличению порозности слоя.

Нижний предел кипящего слоя – неподвижный слой материала, верхний – скорость витания, при которой происходит совместное движение материала и воздуха. Критическая скорость должна быть меньше скорости витания, иначе высушиваемый материал будет уноситься с потоком воздуха. Критическая скорость не зависит от величины удельной нагрузки материала.

Скорость витания частиц различных пищевых продуктов (υ_вит., м/с) определяется по формуле 1.25:

υ_вит. = 1,2 + 5,4*К_ф * (1.25)

где: К_ф – динамический коэффициент формы, равный отношению скорости витания частицы данной формы к скорости витания равного по объму шара;

d_э – диаметр частицы, м;

ρ_м – плотность материала, кг/м³;

ρ_в – плотность воздуха, кг/м³

При дальнейшем увеличении скорость движения воздуха начинается фонтанирование. Гидравлическое сопротивление слоя меньше по сравнению с кипящим, оно составляет всего 12-30 % и не зависит от вида материала, формы и размера частиц, является величиной постоянной для данной конструкции камеры.

Скорость воздуха оказывает влияние на продолжительность сушки материала в «кипящем» слой только в период постоянной скорости. В период падающей скорости уменьшение влажности не зависит от скорости воздуха, так как она не ускоряет перемещение влаги внутри материала. Поэтому сушку пищевых продуктов проводят при минимальной скорости, которая обеспечивает устойчивое движение и перемешивание частиц разных размеров для того или иного материала (т.е. развитая стадия кипящего или фонтанирующего слоя).

Удельная нагрузка материала влияет на продолжительность сушки также только в период постоянной скорости сушки. При увеличении удельной нагрузки в 4 раза происходит снижение скорости сушки в этот период за счет снижения потенциала сушильного агента в 1,2 раза. Удаление связанной влаги (остаточной), которое происходит в период падающей скорости сушки, не зависит от удельной нагрузки материала. Оптимальные удельные нагрузки при сушке в «кипящем» слое составляют, в кг/м²: для овощей и круп 100-120; для плодов – 60-80.

Применение высоких температур при сушке приводит к интенсификации удаления остаточной влаги за счет перемещения ее внутри материала в виде пара, испарением влаги внутри частиц. Поэтому продукты можно высушивать до остаточного влагосодержания 1-2 % за небольшой промежуток времени. Глубокая сушка приводит к увеличению продолжительности хранения готового продукта.

Частицы материала в процессе сушки при высоких температурах не дают усадки, сохраняют первоначальную форму и объем. Мелкопористое строение растительных тканей снижают парциальное давление над поверхностью высушиваемых частиц и уменьшают температуру кипения. Происходит интенсивное образование пара внутри частиц, зоной испарения становится весь объем, и усадки продукта не происходит. Но это возможно лишь при развитой поверхности кипящего слоя при равномерном нагреве частиц со всех сторон. Полученные при сушке частицы имеют пористое строение, имеют высокий коэффициент набухаемости (увеличение объема частицы при поглощении воды) и небольшую продолжительность разваривания.

При сушке круп в кипящем слое практически не меняется содержание крахмала, белков и сахаров. Это способствует сохранению высокой пищевой ценности продуктов.

Продолжительность сушки в зависимости от температуры сушильного агента приведена в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Продолжительность сушки продуктов в кипящем слое

Вид высушиваемого продукта	Остаточ-ная влаж-ность, %	Температура сушильного агента на входе, ^0С
Продолжительность сушки в мин
Картофель (8х8х8 мм)
Картофель (8х8х8 мм)
Зеленый горошек
Морковь (10х10х10 мм)
Морковь (10х10х10 мм)
Лук (кольца d= 3 мм)
Лук (кольца d= 3 мм)
Капуста (d= 3 мм)							-
Капуста (d= 3 мм)							-
Хурма (20х20х20 мм)							-
Гречневая крупа
Гречневая крупа

Оптимальными температурами для сушки пищевых растительных материалов являются следующие, ⁰С: для картофеля (в зависимости от сорта) – 110-150; зеленого горошка -130-140; моркови и свеклы – 110-160 ⁰С; лука и капусты – 110-120; яблок и айвы – 110-120; абрикосов и груш – 90-100; хурмы – 160-180.