Экспериментальное исследование режимных параметров процесса инфракрасной сушки продукции растениеводства

Процесс сушки продуктов растениеводства делится на два периода. Первый – период постоянной температуры материала. В это время из продукта удаляется свободная и капиллярная влага. Скорость сушки в этом периоде постоянна, а температура продукта равна температуре мокрого термометра. Второй период – период повышающейся температуры материала. Скорость сушки при этом непрерывно уменьшается, а температура материала растет. Процесс испарения заканчивается, когда температура и влагосодержание материала становятся постоянными [ 1. Лыков А. В. Теория сушки. Стр. 85].

В первом периоде сушки влага испаряется с поверхности продукта. Это происходит под действием разницы давлений насыщенного пара на поверхности испарения и парциального давления пара в воздухе над поверхностью продукта. Испарение влаги с поверхности создает перепад влагосодержания в слоях продукта, который вызывает перемещение влаги от центра к поверхности материала.

Как указано в [2], поверхностное испарение усиливается при: повышении скорости воздуха над поверхностью; понижении барометрического давления, влажности и температуры воздуха над поверхностью; повышении температуры поверхности испарения.

Отсюда следует, что при одинаковых режимных параметрах (температура поверхности испарения, влагосодержание, температура и скорость воздуха в камере) скорость сушки продукта в первом периоде равна скорости испарения воды с открытой поверхности [Лыков А. В. Теория сушки. Стр. 105]. При фиксированной тепловой мощности источника энергии увеличение скорости вентиляции объема камеры должно приводить к уменьшению влажности и температуры над поверхностью испарения за счет притока свежего воздуха с низкой температурой и влагосодержанием из помещения, что способствует росту скорости сушки. С другой стороны, увеличение расхода вентилирующего воздуха приведет к снижению температуры поверхности испарения за счет интенсификации теплообмена между поверхностью и воздухом при инфракрасной сушке и за счет увеличения массового расхода воздуха при конвективной сушке.

Особенностью сушки продукции растениеводства является то, что для получения продукта высокого качества его температура должна быть не более 500С. Увеличение температуры продукта приведет к распаду витамина С в готовом продукте. Клейстеризация крахмала в продуктах происходит при 62 … 73 0С, распад красящих веществ происходит при температуре 800С [3].

Таким образом, целью исследования является определение режимных параметров (температура поверхности испарения, влагосодержание, температура и скорость воздуха в камере) процесса ИК сушки, обеспечивающих максимальную скорость сушки при заданной температуре продукта.

Экспериментальные исследования процесса сушки выполнены в лабораторной сушильной камере, оснащенной инфракрасным и конвективным источниками нагрева (см. рис.1). Рабочий объем камеры составляет 950х350х600 мм3. Стенки камеры теплоизолированы листовым пенопластом толщиной 50мм, а внутренний объем камеры выстелен пенофолом толщиной 3мм с алюминизированным отражающим покрытием. В камере на весах установлен сетчатый лоток размерами 810х335 мм. Источник инфракрасного излучения – инфракрасные излучатели с «изотермическими» отражателями [2] и линейными лампами накаливания температурой спирали 3000К и общей электрической мощностью 800Вт. Источник конвективного тепла – проволочный спиральный нагревательный элемент мощностью 800Вт. Нагревательный элемент выполнен из медного провода диаметром 0,31 мм, который равномерно навит на раме размерами 950х350 мм. Воздух снаружи в камеру попадает через плоскую щель между дном и фронтальными стенками камеры, проходит через сетку конвективного нагревателя, далее - через сетку лотка и через 2 цилиндрических отверстия в потолке камеры выходит наружу. Для принудительной вентиляции в отверстиях установлены вентиляторы общим объемным расходом 100м3/час. В экспериментах измеряли убыль массы продукта сушки, температуру продукта на лотке, температуры на входе и выходе воздуха из камеры и относительную влажность воздуха на выходе из камеры. Рабочий диапазон измерений массы – 0-2000г, температуры - 0-100°С, относительной влажности воздуха - 0-100%. Разрешающая способность, соответственно, 0,1г, 0,1°С, 0,1% влажности. Погрешность измерения массы - ±0,5г, температуры - ±1,5°С, влажности - 2%. Экспериментальные данные регистрировались в память персонального компьютера с интервалом 30с.

В качестве продукта сушки использовали яблоки, морковь, свеклу, нарезанные ломтиками или соломкой, виноградную выжимку, а также физическую модель растительного сырья. По форме связи жидкости продукты растениеводства являются капиллярно пористыми коллоидными телами [1]. Их влагоудерживающая способность непостоянна и может изменяться в зависимости от вида, сорта, условий созревания и хранения. Для воспроизведения физико-химических свойств продукта сушки в эксперименте нами применена физическая модель коллоидного тела, представляющая собой войлочные пластины толщиной 10-20 мм или войлочные цилиндры - «пыжи» диаметром 15 мм и высотой 10 мм (см. рис.2). Войлок пропитывали водой и водными растворами желатина. Влага в структуре войлока удерживается адсорбцией и физико-механической связью. Коллоидную связь влаги моделируют растворы желатина. В эксперименте масса сухих пыжей при температуре воздуха 15°С и относительной влажности 60% составляла 120 грамм, а войлочных пластин – 106 грамм. Перед сушкой пыжи (пластины) выдерживались в воде или растворе желатина в течение 30 минут. После этого для стекания остатков жидкости пыжи (пластины) выкладывались на сито, на котором находились в течение 5-10 минут. Концентрация желатина составляла 1,5%. Масса влажных пыжей перед сушкой составляла 850-1000 грамм, масса влажных пластин войлока – 750-810 грамм.

Рис. 1. Лабораторная сушильная камера.

Сушку войлочных пластин и свободной влаги выполняли инфракрасным способом. Влажные пластины и воду помещали в металлический лоток размерами 333х225 мм2, который подвешивали на весах в среднем сечении лабораторной камеры взамен сетчатого лотка. Для сушки задействовали только верхний ряд излучателей (тепловая мощность 400Вт), излучение которых направлено на поверхность пластин или воды. Камеру принудительно вентилировали расходом воздуха 50 м3/час (скорость движения воздуха в сечении лотка – 0,085м/с). Для измерения температуры термопары размещали по глубине слоя воды и пластин войлока (см. рис.3). В проведенных экспериментах влажность воздуха на выходе из сушильной камеры составляла 20±2%. На рис.4 приведены кривая испарения свободной поверхности воды и изменения в процессе испарения температуры термопар, установленных в камере.

Рис. 2. Физическая модель растительного сырья.

2 – 7 номера термопар. Рис.3. Схема расположения термопар в слое войлока.

Линия m на рис.4 позволяет определить, что для принятого режима сушки скорость испарения составила 6,76 мг/с или 90,3 мг/с·м2. Линия 1 отражает изменение температуры в помещении, где установлена сушильная камера.

m – кривая испарения; 1, 8 – температура на входе в камеру и выходе из камеры; 2 – 7 – температуры в слое воды. Рис.4. Изменение массы воды и температур в камере в процессе испарения воды.

Линии 2-7 соответствуют показаниям термопар, установленных по глубине слоя воды. Постепенное снижение температуры каждой из этих термопар, а затем резкий скачок температуры вверх свидетельствуют о приближении спая термопары к поверхности, а затем к ее выходу на поверхность и сухому нагреву от источника излучения.

На рис.5 приведены кривая сушки листа войлока и изменения температуры термопар, установленных в камере и в толще войлока.

m – кривая сушки; 1, 8 – температура на входе в камеру и выходе из камеры; 2 – 7 – температуры в толще войлока (см. рис.3). Рис.5. Изменение массы влажного войлока и температур в камере в процессе сушки.

Для проведения сушки войлока на дно лотка укладывались полоски войлока, укрывающие дно на 10-15% площади, затем лоток наполняли водой на высоту полосок. Сверху укладывали две пластины войлока, выдержанные в воде.

Линия сушки войлока имеет характерный излом, разбивающий процесс сушки на 3 периода. Первый и второй периоды – сушка листов войлока, третий – испарение воды из-под листов. Наличие воды под слоем войлока гарантировало насыщение влагой нижней стенки листа войлока, то есть постоянство тока влаги от дна к поверхности. Моменту «отрыва» воды от нижней стенки листа войлока соответствует рост температуры термопар, размещенных в толще листа войлока у его поверхности (кривые 2-7 на рис.5). Существенно нелинейный участок перехода от 1-го периода сушки ко 3-му соответствует 2-му периоду – периоду падающей скорости сушки, когда из войлока испаряется адсорбционная влага. Наличие коллоидной формы связи воды и продукта сушки приводит к увеличению доли испаряемой влаги в периоде падающей скорости сушки [1]. Скорость сушки войлока по данным на рис.5 составила 6,1 мг/с или 81,3 мг/с·м2

На рис.6 приведены кривые испарения свободной поверхности воды и сушки пластин войлока, выдержанной в воде. На рис. 7 и 8 приведены временные зависимости температуры при сушке свободной поверхности воды и пластин войлока.

Рис.6. Кривые испарения свободной поверхности воды 1 и сушки пластин войлока 2.

1 – температура воздуха на входе в камеру, °С; 2 – температура воздуха на выходе из камеры, °С; 3 – температура поверхности воды, °С.

Рис. 7. Временные зависимости температуры при испарении воды со свободной поверхности.

1 – температура воздуха на входе в камеру, °С; 2 – температура воздуха на выходе из камеры, °С; 3 – температура поверхности войлока, °С.

Рис. 8. Временные зависимости температуры при испарении воды из войлока.

Отличие в скоростях испарения вызвано потерями энергии на нагрев войлока выше температуры мокрого термометра. [Лыков. Стр. 106].

Несущественность периода падающей скорости сушки войлока и 10%-е отличие скорости сушки войлока и скорости испарения свободной поверхности воды позволяют предположить, что основная часть влаги из продукции растениеводства испаряется как влага свободной поверхности.