Теоретические и экспериментальные исследования инфракрасной сушки термолабильных материалов

Аннотация

Сушка высоковлажного и термолабильного материала требует обоснования температуры и длительности процесса. Это обусловлено необходимостью сохранения качественных показателей продукта и экономичности процесса. Использование инфракрасной (ИК) сушки позволяет решить эту проблему, так как существенно сокращается длительность по сравнению с конвективной сушкой.

Полный текст

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.