Theoretical and experimental studies of infrared drying of heat-labile materials

Abstract

Drying of high-moisture and heat-labile material requires the substantiation of temperature and duration of process. This is due to the necessity of preserving of product quality and economical efficiency of process. Use of infrared drying allows to solve this problem, because the duration is significantly reduced in comparison with convection drying.

Full Text

Вопросам ИК сушки пищевых продуктов посвящено много исследований [1-6]. Большинство предлагаемых способов сложны и базируются на дискретной подаче теплоты. В данной работе рассмотрены вопросы ИК сушки, определены ее длительность и допустимая плотность ИК потока при постоянном теплоподводе, которая позволяет получить качественный продукт, но с более простым аппаратурным оформлением. Цель исследований - расчет времени сушки и допустимой плотности ИК потока. Частица с определяющим размером 0,005 м подвергается воздействию ИК потока на полную глубину. Она практически сразу нагревается до температуры , при этом начинается процесс интенсивного испарения влаги. Фронт сушки с координатой с течением времени перемещается в глубь частицы с образованием сухой и мокрой зон. Пар и защемленный воздух удаляются из частицы естественной конвекцией. Уравнение теплопроводности, которое описывает одномерное стационарное поле в телах произвольной формы, может быть записано в виде [7]: , (1) где - обобщенная координата, м; - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·ºС). На поверхности частицы происходит конвективный теплообмен со средой, описываемый граничным условием третьего рода: , (2) где - коэффициент теплопроводности сухой области материала, Вт/(м·ºС); - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м·ºС); - определяющий размер частицы, м; - время, ч. Решение задачи (1)-(2) имеет вид [7]: , (3) где - время сушки частицы, ч; - время распространения сухой зоны до центра частицы, ч; - число Био; ; , - конечное и начальное влагосодержания частицы, кг вл / кг сух. мат. Величину найдем, приравняв величину ИК потока к теплу, затраченному на нагрев частицы и испарение влаги. Поток теплоты от излучающей поверхности, Вт/м2, запишем в виде [8]: , (4) где , - температура излучающей поверхности и средняя температура частиц, К; - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4); - приведенная степень черноты для системы «излучатель - частица». Количество теплоты, затраченное на испарение влаги, Вт/м2: , (5) где - масса частицы, кг; - разность влагосодержаний, кг вл / кг сух. мат.; - удельная теплота испарения влаги, кДж/кг; - доля теплоты, пошедшая на испарение влаги; - поверхность частицы, м2. Приравнивая (4) и (5) и обращая внимание на то, что отношение есть удельная поверхность частицы , получаем: . (6) Величину можно определить из критериального уравнения свободной конвекции, предварительно вычислив из: , (7) где - число Нуссельта; , - критерии Грасгофа, Прандтля. При переходе к слою высотой с учетом (3) запишем: , (8) где - экспериментальный коэффициент. Величину допустимого теплового потока , Вт/м2, можно определить по формуле: , (9) где - теплоемкость материала, кДж/(кг∙°С); - предельно допустимая температура нагрева материала, °С; - длительность теплового воздействия, ч. Так, ≈ 35 Вт/м2 при = 60 °С; = 2 кДж/(кг∙°С); = 1 м2/кг; =1 ч. Полученная величина на ~14% ниже, чем для теплового воздействия при конвективной сушке семян пшеницы и экспозиции = 1,5 ч [9]. Следовательно, выражение (9) можно использовать и для ИК сушки термолабильных материалов, по крайней мере при близкой экспозиции. Метод экспериментальных исследований предусматривал высушивание нарезанных кубиков топинамбура размером 6×6×6 мм в монослое и в слое высотой 0,025 м. Экспериментальная установка FD-230 (Япония) включала инфракрасную лампу с регулируемой мощностью, помещенную в корпус, в нижней части которого на расстоянии 0,05 м размещали поддон с нарезанными кубиками. Каждые 5-10 мин проводили взвешивание и определяли массу и температуру материала. Максимальное влагосодержание составило = 4,6 кг/кг, минимальное - 0,1 кг/кг. Мощность лампы регулировали таким образом, чтобы температура материала составляла 60, 70 и 80 °С (замерялась с погрешностью ±0,5 °С). Высушенный продукт охлаждали, размалывали и определяли содержание инулина. Температуру греющей поверхности лампы и материала определяли инфракрасным пирометром. Экспериментальные значения в монослое совпадают с расчетными по формуле (3) с погрешностью ±15% при эквивалентном значении = 0,2 Вт/(м∙°С). В слое высотой = 0,025 м величина , рассчитанная по формуле (8), совпадает с экспериментом при = 0,2 Вт/(м∙°С) и = 0,75. Кривые ИК сушки топинамбура имеют классическую форму, характерную для конвективного подвода теплоты: два периода, разделенных критической влажностью ≈ 0,26…0,28 кг/кг. В монослое температура материала в течение ~5-10 мин повышается до 48-70 ºС и в конце сушки достигает предельной. Для слоя толщиной = 0,025 м для первого периода средняя температура материала близка к температуре мокрого термометра, затем постепенно повышается и в конце сушки достигает 48-50 ºС (см. рисунок). Выводы Длительность ИК сушки зависит от интенсивности теплоподвода, влагосодержания и удельной поверхности материала. Плотность непрерывного ИК потока 35 Вт/м2 обеспечивает нагрев топинамбура до = 60 °С при полном сохранении содержания инулина.