2 Способы сушки пищевых продуктов
Для сушки пищевых продуктов в производстве пищевых концентратов используют два принципиально различных способа. Первый – это тепловая сушка, и второй – это сушка при отрицательных температурах (так называемая сублимационная).
2.1 Тепловая сушка
Сушка тепловым способом как процесс консервирования пищевых продуктов широко распространена в пищеконцентратной промышленности. Сушат вареные крупы, мясо, отвары круп, экстракты кофе и цикория, плодовые соки и другие продукты, являющиеся полуфабрикатами в производстве пищевых концентратов.
При производстве пищевых концентратов применяют различные способы тепловой сушки, отличающиеся один от другого принципом подвода тепла к высушиваемому материалу: конвективный, радиационный и кондуктивный.
Конвективный способ сушки. Основной особенностью конвективной сушки является подвод тепла к высушиваемому продукту с помощью газов и перенос влаги от материалов теплоносителем. В пищеконцентратной промышленности в качестве теплоносителя применяют нагретый воздух.
Кондуктивный (или контактный) способ сушки основан на размещении слоя продукта на горячей поверхности, например, на вальцах сушильной установки. В данном случае высушиваемый материал соприкасается с нагретым металлом вальцов, за счет чего нагревается. Испаряющаяся влага отводится из сушильной установки системой вентиляции.
Радиационный способ сушки предусматривает подвод тепла посредством радиации от источников излучения. Излучателями тепла могут служить нагретые поверхности металла или других каких-либо материалов (темные излучатели) или лампы инфракрасного излучения (светлые излучатели).
Конвективный способ широко распространен при сушке пищевых продуктов в связи с тем, что применение его позволяет максимально сохранить форму материала, поступающего на сушку, и вести ее при условиях, наиболее приемлемых для высушиваемого продукта. Один из существенных недостатков этого способа – большая аэрация высушиваемого материала кислородом воздуха, что иногда нежелательно, например, при сушке материала, содержащего легко окисляемые витамины или непредельные жирные кислоты. Объектом сушки обычно является какое-либо вещество, состоящее из твердой и жидкой фазы (газообразной можно пренебречь). Отношение массы влаги к общей массе влажного материала определяется как влажность этого материала, которая может изменяться в пределах от 0 % до 100 %. Влагосодержание материала определяется как отношение массы влаги в материале к массе его сухого вещества.
2.1.1 Способы и техника тепловой сушки
Выбор способа сушки основан на физико-химических характеристиках пищевых продуктов. Для продуктов первой группы, таких, как вареные крупы, вареный мясной фарш, наилучшим будет конвективный способ сушки, а для плодовых пюре, отваров круп пригодны и конвективный (распылительная сушка) и контактный (кондуктивный) способы. Радиационный способ сушки является модификацией конвективного способа и поэтому также пригоден для продуктов первой группы.
При выборе типа сушилок для того или иного материала следует кроме физико-химической характеристики продукта руководствоваться также и следующим:
– тип сушилки должен обеспечить получение продукта высокого качества с наименьшей потерей первоначальных свойств;
– необходимо обеспечить максимальный съем влаги при наименьших затратах тепла и электроэнергии;
– конструкция сушилки должна обеспечивать возможность автоматизации сушильного процесса.
Одним из важнейших показателей работы сушилок является ее производительность. Для возможности сравнивать производительность сушилок, высушивающих материалы с различным влагосодержанием, принято производительность сушильных аппаратов считать по количеству влаги, испаренной в час (U, кг/ч). Зная этот показатель, можно рассчитать производительность сушилки по конкретному продукту, g (кг/ч), по формуле (3):
где U – количество влаги, испаренной в час, кг/ч;
W1 – влажность продукта при поступлении в сушилку, %;
W2 – влажность продукта после сушки, %.
Этой формулой (3) можно пользоваться для всех видов тепловых сушилок независимо от способа сушки.
2.1.2 Конвективный способ сушки
В пищеконцентратной промышленности для сушки продуктов конвективным способом, в основном, используют сушилки трех типов: конвейерные ленточные, «Эврика» и ВИС-42Д.
Конвейерные ленточные сушилки выпускают нескольких размеров, определяемых рабочей поверхностью транспортных лент, которая может быть 15, 30, 45 и 90 м2. Ширина лент первых двух типов сушилок 1250 мм, ширина лент двух последних типов – 2000 мм. Количество лент в каждой сушилке 4–5, причем при пяти лентах последняя не оборудована калориферами и предназначена для охлаждения высушенного продукта. Пятиленточная конвейерная сушилка СПК-4Г-45 (рисунок 1) состоит из 5 ленточных транспортеров, оборудованных специальными плетеными лентами из нержавеющей стальной проволоки.
1 – привод сушилки; 2 – каркас; 3 – паропровод к калориферам; 4 – наклонный транспортер; 5 – вытяжное устройство
Рисунок 1 – Пятиленточная конвейерная сушилка СПК-4Г-45
Транспортеры расположены один над другим, так что с верхнего продукт может быть пересыпан на нижележащий. Между верхней и нижней лентами транспортера вставлены ребристые трубы (калориферы), служащие для нагревания воздуха, идущего снизу вверх. Устройство нагревательных калориферов внутри самой сушильной камеры и возможность нагрева воздуха перед каждой лентой выгодно отличает эти сушилки от других конструкций.
Однако такое расположение калориферов создает некоторые неудобства при эксплуатации сушилок. Продукт, находящийся на ленте, частично просыпается через нее и засоряет калориферы. Попадая на калориферы, продукт, особенно мучель, спекается в пленку, что понижает отдачу тепла калориферами. Для предохранения калориферов от загрязнения над ними устраивают козырьки, но это нарушает движение воздушных потоков, что также отражается на производительности сушилки.
Установленные одна над другой транспортерные ленты с калориферами заключены в общую металлическую камеру, так что воздух, подаваемый под последнюю ленту, может подняться, только пронизав поочередно все ленты от нижней до верхней. Если такое движение воздуха нарушается, сушилка будет работать ненормально, со значительным снижением к.п.д.
Постепенно насыщаясь влагой, воздух перед каждой лентой подогревается, проходя ряд калориферов, что снижает его относительную влажность и делает более качественным как сушильный агент. Это также является выгодной особенностью данных сушилок.
Воздух в сушилку подают под последнюю ленту специальным вентилятором. Нагретый за счет охлаждаемого продукта на пятой ленте, он, проходя через ребристые калориферы, нагревается еще и пронизывает продукт, находящийся на четвертой ленте, и т.д., до прохода через первую ленту, после чего его собирают в зонт над сушилкой и специальным вентилятором выбрасывают наружу.
В некоторых случаях целесообразно часть воздуха возвращать под первую или вторую ленты (так называемая работа с рециркуляцией воздуха). Во время работы продукт, находящийся на первой ленте, при ее движении все время ссыпается на вторую ленту, со второй – на третью, с третьей – на четвертую и с четвертой – на пятую.
Высушенный и охлажденный продукт с пятой ленты поступает на сборный транспортер, который направляет его на следующий процесс. При работе сушилки необходимо следить за равномерной укладкой (ровным слоем) продукта на ленты. Свободные от продукта места на ленте являются зонами «холостого» прохода воздуха, что резко снижает к.п.д. сушилки. Производительность ленточных сушилок при сушке крупы может быть принята следующей: тридцатиметровой (СПК-30) – 150 кг, сорокапятиметровой (СПК-45) – 225 кг, девяностометровой (СПК-90) – 450 кг напаренной влаги в час. Расход пара на 1 кг испаренной влаги от 2,1 до 2,2 кг. Расход электроэнергии 80 Вт.
Вареные крупы и зернобобовые сушат также на сушилках «Эврика» шахтного типа. Сушилка «Эврика» (рисунок 2) выполнена из двух цилиндров различного диаметра, вставленных один в другой.
Внутренний цилиндр изготавливают из перфорированной листовой нержавеющей стали, с отверстиями размером менее диаметра отдельных крупинок высушиваемого продукта. Внешний цилиндр образуется набором жалюзи, изготовленных из конусных колец шириной 175 мм, выполненных из нержавеющей стали. Образующееся между цилиндрами пространство от 50 до 75 мм представляет собой сушильную камеру, в которой продукт движется сверху вниз. Высота сушилки 9,5 м, наружный диаметр 1,2 м.
Продукт по пути движения пронизывается нагретым в отдельно стоящем калорифере воздухом, поступающим во внутренний цилиндр, и в нижней части сушилки выгружается специальным устройством. Отработавший воздух из сушилки выбрасывается в помещение, где установлена сушилка, и оттуда удаляется в атмосферу вентилятором.
Рисунок 2 – Схема сушилки «Эврика»
Сушилка типа «Эврика» является экономичным аппаратом. Расход пара на 1 кг испаренной влаги составляет в ней от 1,8 до 2,0 кг. Температура воздуха, поступающего в сушилку, от 75 °C до 80 °C, потребная мощность для устройства выгрузки около 0,6 кВт. Производительность сушилки 350 кг сушеной крупы в час.
Однако сушилка имеет ряд недостатков, которые препятствуют ее широкому распространению. К этим недостаткам относится зависание продукта в сушильной шахте вследствие образования комков и налипания материала на жалюзи, что требует периодической очистки таких участков. Из-за этого, невозможно заключить сушилку в специальный корпус и осуществить организованное удаление из нее влажного воздуха. Кроме того, продолжительность сушки вареных круп в этой сушилке в 3-4 раза больше, чем в ленточных конвейерных сушилках. Выше и трудоемкость ее обслуживания.
Для сушки вареных круп и сухого картофельного пюре используют шахтные сушилки ВИС-42Д (рисунок 3).
Шахтная сушилка состоит из каркаса, образующего камеру сушилки, на котором закреплены 20 полок. Полка представляет собой 16 пластин, каждая из них соединена общей тягой. При помощи тяг полки поворачиваются на угол до 90 °. При повороте пластин продукт перемещается с одной полки на другую.
В верхней части шахты для загрузки продукта установлены загрузочная течка, ленточный дозатор и загрузочная каретка.
Все процессы загрузки, перемещения и выгрузки продукта в сушилке ВИС-42Д производятся автоматически.
С торцовых сторон камеры шахты проходят воздушные каналы. Для подогрева и нагнетания воздуха сушилка оборудована вентилятором и калорифером. Сушильная камера термоизолирована. Процесс работы на сушилке ВИС42Д заключается в следующем. Продукт через загрузочную воронку при помощи ленточного дозатора попадает на загрузочную каретку, которая равномерно распределяет его по верхней полке. В процессе сушки крупа последовательно передается с одной полки на другую, и по мере ее продвижения сверху вниз снижается ее влажность.
Сушка продукта производится нагретым воздухом, проходящим из канала вдоль полок.
Высушенная крупа с нижней полки ссыпается в выгрузочную воронку, а оттуда транспортными механизмами передается на следующий процесс.
1 – правая коробка; 2 – левая коробка; 3 – рама с пластинами; 4 – приводная станция; 5 – колонка приводной станции; 6 – рамка разгрузочная; 7 – загрузочная каретка; 8 – загрузочный аппарат; 9 – выгрузочная колонка; 10 – узел подачи воздуха; 11 – торцевые двери; 12 – площадка с лестницей
Рисунок 3 – Сушилка ВИС-42Д
В настоящее время в сушильной практике наметилась тенденция отказа от использования для круп ленточных конвейерных сушилок, сушилок «Эврика» и ВИС-42Д, сушка на которых является классическим примером конвективного способа, и внедрения в практику сушки вареных круп в псевдоожиженном слое, виброкипящем слое, вихревой сушки, так как эти способы дают возможность полнее использовать преимущества конвективного способа сушки.
Исследованиями Г. Я. Маслобоева и П. В. Серегина на примере сушки гречневой крупы было установлено, что оптимальная температура сушильного агента должна быть не более 150 °C, так как более высокая температура вызывает побурение продукта. Получаемая крупа отличалась высоким качеством, так коэффициент ее набухаемости был равен 2,5 вместо 2,3 для крупы, высушенной в сушилке «Эврика», длительность разваривания – 12 минут вместо 20 минут. Расход тепла на 1 кг испаренной влаги составил от 4168 до 5360 кДж, в то время как расход тепла в сушилке «Эврика» составляет 6126 кДж.
Для сушки круп в виброкипящем слое используют установку А1-КВР (рисунок 4) которая состоит из сушильной камеры 1, двух вентиляционнокалориферных станций 2 и батареи циклонов 3. Сушильная камера конструктивно представляет собой прямоугольный металлический каркас с теплоизоляционными и звукоизоляционными панелями и дверями, в которых смонтированы смотровые окна.
В сушильной камере горизонтально расположены четыре металлических короба, попарно (4 и 6, 5 и 7) смонтированных на вертикальных рамах, кинематически связанных с виброприводом. Рамы подвесок колеблются в вертикальной плоскости с амплитудой 8 мм (размах 16 мм) и частотой 450 колебаний в минуту. Поворачивая эксцентриковые втулки и меняя шкив на электродвигателе, амплитуду колебаний можно изменить в пределах от 3 до 8 мм, а частоту – от 450 до 570 колебаний в минуту.
Сушильные короба имеют перфорированные решета, поворотные щитки, при помощи которых регулируется распределение подогретого воздуха под решетами. Высота слоя продукта на решете не должна превышать 100 мм. Регулируется высота поворотным порогом 8, который установлен в коробе в конце решета. Изменение скорости движения продукта вдоль решета достигается путем перемены угла наклона порога.
На сушильной камере смонтирован роторный барабанный питатель 9, обеспечивающий равномерную загрузку сушилки сырым продуктом и регулировку подачи. В бункере питателя установлен ворошитель типа «беличье колесо» 10. Передача от электродвигателя на питатель и ворошитель осуществляется через вариатор и червячный редуктор.
Для улавливания мелких частиц продукта, уносимых в атмосферу отработавшим воздухом, на сушильных коробах на шарнирах установлены сетчатые крышки, очистка воздуха осуществляется также и в батарее циклонов.
Вентиляционно-калориферные станции смонтированы в торцах сушильной камеры и предназначены для подогрева и подачи горячего воздуха. Каждая из них имеет вентиляторы, калориферы, пароводоконденсатопроводную аппаратуру. Одна станция обеспечивает 1-ю и 3-ю зоны, вторая – 2-ю и 4-ю зоны сушки. Необходимое количество холодного воздуха, подаваемого в калориферы для подогрева, регулируется шлюзами с ручным приводом, установленными на всасывающих патрубках вентиляторов.
Для поглощения вибрации весь сушильный комплекс установлен на 12 виброизолирующих опорах марки ОВ-31.
Контроль технологического процесса сушки и управление им осуществляются автоматически контрольно-измерительными приборами и регулирующей аппаратурой по следующей схеме:
1) контроль и автоматическое регулирование температуры воздуха, подаваемого в каждую зону, и контроль температуры отработавшего воздуха;
2) контроль давления пара, подаваемого в калориферы каждой зоны, и контроль давления отработавшего пара;
1 – сушильная камера; 2 – вентиляционно-калориферная станция; 3 – батарея циклонов; 4, 5, 6, 7 – металлические короба; 8 – поворотный порог; 9 – роторный барабанный питатель; 10 – ворошитель типа «беличье колесо»
Рисунок 4 – Схема сушилки А1-КВР
3) сигнализация верхнего уровня продукта в загрузочном бункере;
4) дистанционный контроль частоты вращения питателя;
5) дистанционное управление приводом вентиляторов, вибратора и питателя;
6) автоматическое регулирование давления пара;
7) контроль и регулирование температуры воздуха, подаваемого в сушилку и температуры отработавшего воздуха.
Общий расход пара составляет 1725 кг/ч, а удельный расход воздуха на испарение влаги 107 кг/ч. Производительность по испаренной влаге до 500 кг/ч. Техническая последовательность работы сушилки А1-КВР. Сырой продукт поступает в сушилку через загрузочный питатель. После накопления продукта на первом решете крупа, подталкиваемая следующим потоком, перемещается вдоль решетки и, достигнув заданного уровня, через течку пересыпается на второе решето (сито), затем – на третье и четвертое.
Воздушный поток одновременно с вертикальными вибрациями доводят продукт до псевдоожиженного состояния. Частицы крупы в виброкипящем слое перемешиваются и равномерно омываются сушильным агентом (горячим воздухом). Благодаря этому интенсифицируется процесс сушки.
Производительность и время нахождения продукта в сушильной камере регулируются изменением частоты вращения питателя и высоты порогов.
Через порог четвертого решета продукт поступает на вибролоток и им выводится из сушильной камеры.
Для передачи крупы на плющение после предварительной сушки в 1-й зоне в переходном патрубке сушильного короба имеется направляющая заслонка; при повороте ее крупа с короба 1-й зоны поступает в вибролоток, а им выводится из камеры. В верхней части сушильной камеры установлен лоток для приема крупы от плющильной машины и подачи ее на 2-ю зону сушки.
Для сушки отваров круп и экстракта кофе в пищеконцентратной промышленности используют распылительные сушилки.
Процесс сушки на распылительных сушилках легко автоматизируется, поэтому такие сушилки не требуют большого числа обслуживающих. Процесс протекает очень быстро, что способствует сохранению исходных свойств продукта. При этом следует иметь в виду, что при высокой температуре сушильного агента (от 150 °C до 220 °C) продукт при испарении влаги имеет температуру, близкую к температуре испарения воды, и после сушки, транспортируясь из камеры, не успевает нагреваться.
По своему характеру процесс сушки продукта в распылительной сушилке является конвективным, при котором используются значительно большие количества воздуха, чем в сушилках, описанных выше, а продукт благодаря распылению имеет огромную площадь испарения, что сильно интенсифицирует процесс сушки.
Распылительная установка, как правило, состоит из сушильной камеры, распылительного механизма, воздушного фильтра, калорифера для нагрева воздуха, очистителей отработавшего воздуха и системы нагнетательных и отсасывающих вентиляторов.
Различают распылительные сушилки, работающие с пневматическим и центробежным распылителем продукта. По способу подачи воздуха они бывают параллельные, противоточные и комбинированные, по типу очистителей воздуха – с мешочными фильтрами и с циклонами.
Камера сушилок при центробежном распылении обычно цилиндрическая, при пневматическом – с коническим основанием. Центробежная распылительная сушилка типа «Нема» (рисунок 5) представляет собой сушильную цилиндрическую башню 1 диаметром 4500 мм, высотой 4500 мм. Наружная и внутренняя стенка башни выполнены из металла (внутренняя – из листовой нержавеющей стали). Между стенками имеется теплоизоляционный слой из шлаковой ваты толщиной 70 мм.
Башня имеет два тангенционных ввода 2 для горячего воздуха, расположенных в нижней зоне, и выводное отверстие для отработавшего воздуха в верхнем перекрытии 3. Пол башни обычно выстилают метлахской плиткой. В башне сушильной установки во время работы всегда повышенная температура, а в самом низу и пониженная влажность воздуха. Это приводит к тому, что метлахские плитки, уложенные на цементном растворе, держатся плохо и часто сбиваются с места очистительным механизмом.
В центре пола имеется отверстие для распылительного механизма и прямоугольное отверстие, идущее от центра к периферии, для выгрузки сухого продукта. Внутри башни установлена паровая турбина 4 с распылительным диском 5 и уборочный вращающийся механизм 6, которым высушенный продукт, накапливаемый на полу башни, подается к разгрузочному отверстию. Башня оборудована дверью со смотровым стеклом, через которое наблюдают за процессом сушки.
Мощность установленной паровой турбины 8,09 кВт, частота вращения вала турбины 8000 об/мин при давлении свежего пара на входе в турбину 0,7 МПа и противодавление 0,02 МПа.
Распылительный диск, являющийся основным рабочим механизмом, находится на вертикальном валу турбины на высоте 1850 мм от пола башни. Он изготовлен из нержавеющей стали, имеет верхнее отверстие для подачи продукта и пять расположенных по периферии цилиндрических форсунок с внутренним диаметром 8 мм.
Сверху на башне установлен напорный бачок 7 емкостью 200 л, в который с помощью центробежного насоса подают отвар из сборниковподогревателей. Напорный бачок имеет переливную трубу, соединенную с подогревателем, через которую излишек отвара сливается обратно в сборникподогреватель. На распылительный диск отвар подается из напорного бачка червячным насосом с резиновым статором.
Воздух, используемый для сушки, фильтруется в металлическом фильтре, состоящем из кассет, смазанных висциновым маслом. Коэффициент очистки воздуха от пыли в фильтре от 94 % до 96 % при производительности 14400 м3/ч.
1 – сушильная цилиндрическая башня; 2 – тангенционный ввод; 3 – верхнее перекрытие; 4 – паровая турбина; 5 – распылительный диск; 6 – уборочный вращающийся механизм; 7 – напорный бачок; 8 – рукавный фильтр; 9 – шнек; 10 – сито; 11 – вентилятор
Рисунок 5 – Распылительная сушилка «Нема»
Калориферы для нагрева воздуха состоят из семи последовательно расположенных секций.
Первая секция (по ходу воздуха) обогревается конденсатом, вторая и третья – отработавшим паром после турбины, остальные – паром давлением 0,7 МПа.
Каждый калорифер рассчитан на прохождение 7200 м3 воздуха в час при начальной температуре 15 °C и конечной температуре 140 °C. Общая мощность электродвигателей сушильной установки 22,3 кВт. Проектная производительность сушилки (при сушке молока) 300 кг испаренной влаги в час. Производительность сушильной установки при сушке отвара круп равна 400 кг испаренной влаги в час. Расход воздуха на 1 кг испаренной влаги 3,80 м3.
После запуска сушильной установки, который производится по специальной инструкции, прилагаемой к техническому паспорту, и достижения заданной температуры поступающего в башню воздуха в напорный бачок из сборников-подогревателей подается нагретый до 90 °C жидкий продукт. Необходимо обеспечить постоянство уровня продукта в напорном бачке, что достигается устройством переливной трубы, по которой излишек поступающего продукта возвращается в сборники. Из напорного бачка продукт червячным насосом подается на распыливающий диск, частота вращения которого 8000 об/мин. Под действием центробежной силы продукт непрерывно перемещается к краю диска и через форсунки сбрасывается в виде мелких капель (тумана) в сушильную камеру. Подхватываемый поступающим горячим воздухом туман быстро отдает влагу, и сухие частицы продукта уносятся в фильтр, где оседают. Наиболее крупные высохшие частицы оседают на дно башни, откуда их уборочным механизмом удаляют в приемный шнек 9. Собранный в фильтре 8 продукт попадает в шнек 9 и подается им на охлаждающее сито 10, где помимо охлаждения происходит отделение комочков.
Некоторые частицы продукта, не успев высохнуть, долетают до стен башни, где оседают и высыхают.
Сухой продукт, получаемый на стенках башни, по качеству ниже обычного, и процесс сушки следует вести так, чтобы его было минимальное количество. Это зависит в первую очередь от дисперсности жидкого продукта, поступающего на сушку, его температуры и от работы распылительного диска. Необходимо, чтобы диск вращался без вибрации, внутренняя часть его, соприкасающаяся с продуктом, была гладкой, продукт на диск подавался равномерно. Снижение частоты вращения диска недопустимо. В этом случае жидкость зальет сушильную башню.
Часовой расход пара на нагрев воздуха на сушильной установке «Нема» 1325 кг/ч. Из сушильной башни отработавший воздух направляется в рукавный фильтр 8. Просасывание воздуха через сушильную систему производится с помощью главного вентилятора 11, присоединенного к выходным патрубкам рукавного фильтра.
Для сушки экстракта кофе используют пневматические распылительные сушилки форсуночного типа «Ниро Атомайзер». Сушильная установка (рисунок 6) состоит из сушильной башни 1, воздухонагревателя 2, приточного и вытяжного вентиляторов (на схеме не показаны). Продукт распыляют в башне с помощью форсунки 3, воздух подают в башню сверху параллельно продукту (прямоточный тип подачи воздуха). Сушильная башня выполнена из ряда сварных цилиндрических секций из нержавеющей стали. Нижняя часть башни имеет коническую форму. Корпус сушильной башни термоизолирован и снаружи покрыт листовым алюминием. Башня оборудована люком и смотровыми окнами с подсветом.
Для очистки башни имеется специальная платформа. Она опускается и поднимается тельфером. Горячий воздух получают в прямоточном воздухонагревателе косвенного подогрева, где воздух нагревается сжигаемым в газовых форсунках газом. Горячий воздух смешивается до нужной температуры с холодным воздухом и подается в сушильную башню. На конусной части башни укреплены электромагнитные молотки для облегчения сброса продукта в конус башни. Внизу конус заканчивается виброситом 4 с виброохладителем. Отработавший воздух из башни эвакуируется вытяжным вентилятором через циклон 5, где осаждается захватываемый воздухом мелкий порошок продукта. Производительность по высушенному продукту (влажность 3 %) 125 кг/ч. Расход воздуха на 1 кг испаренной влаги 3,7 м3. Температура воздуха на входе в сушилку 230 °C, на выходе из сушилки – 110 °C. Производительность по испаренной влаге от 270 до 280 кг/ч.
1 – сушильная башня; 2 – воздухонагреватель; 3 – форсунка; 4 – вибросито; 5 – циклон
Рисунок 6 – Распылительная сушильная установка «Ниро Атомайзер»
2.1.3 Кондуктивный способ сушки
Для сушки жидких продуктов на горячей поверхности в тонком слое применяется кондуктивный способ. В данном случае горячей поверхностью являются полые вальцы, внутри которых циркулирует водяной пар. Сушка на вальцах может осуществляться при атмосферном давлении или в вакууме.
Время сушки при этом способе зависит от начального и конечного влагосодержания, толщины слоя продукта, температуры нагрева вальцов и регулируется их частотой вращения. Продолжительность сушки в вакууме сокращается в связи с понижением температуры испарения смеси, при этом производительность сушилки может быть увеличена.
Однако температура готового продукта зависит только от длительности контакта высушенной пленки продукта с горячей поверхностью вальцов после удаления влаги, а не от степени разрежения в камере. Чтобы температура продукта после сушки не поднималась, следует устанавливать съемочные ножи на границе окончания процесса сушки и избегать нахождения на вальцах высушенного продукта.
Для кондуктивной сушки используют одно- и двухвальцовые сушилки. Одновальцовые сушилки оборудуются также несколькими намазывающими валками, роль которых распределять продукт по поверхности сушильного вальца. Двухвальцовые сушилки намазывающих валков не имеют, и продукт распределяется на сушильной поверхности вальцов самими сушильными вальцами.
Одной из распространенных двухвальцовых сушилок является сушильнодробильный агрегат СДА-250 (рисунок 7), который состоит из двухвальцовой сушильной установки, дробилки и транспортирующего устройства.
Двухвальцовая сушилка имеет стальной корпус, внутри которого горизонтально расположены два полых вальца; с торцовых сторон полые вальцы закрыты крышками с отводящими цилиндрами для крепления опор. Крепятся вальцы на подшипниках. Подшипники одного вальца неподвижно прикреплены к корпусу. Крепление другого вальца обеспечивает возможность его горизонтального перемещения для создания нужного зазора.
Вальцы обогреваются паром, который подается внутрь цилиндра; конденсат и вытесняемый воздух через специальное отверстие отводятся наружу. Для снятия продукта с вальцов служат ножи. Они располагаются вдоль образующей цилиндра и на специальной планке поджимаются к вальцам при помощи штурвалов и болтиков.
Рисунок 7 – Сушильно-дробильный агрегат СДА-250 5
Привод сушилки осуществляется электродвигателем через редуктор. Для транспортировки продукта от вальцов в дробилку устанавливаются два шнека и нория. С боковых сторон пространство между вальцами плотно закрыто деревянными пластинами, сверху между вальцами и этими пластинами образуется ванна.
Принцип работы агрегата следующий. Материал, подготовленный к сушке, подается по материалопроводу на вальцы и заполняет ванну, образованную пластинами и вальцами.
Вальцы, вращаясь в противоположном направлении, намазывают на себя материал, находящийся в ванне, на поверхности вальцов он высыхает. От величины установленного между вальцами зазора зависит толщина пленки, высушиваемой на поверхности вальцов.
Высушенная пленка снимается с вальцов ножами и попадает в шнек, который передает продукт на норию, нория загружает его в дробилку, измельченный продукт ссыпается в приемную воронку под дробилкой. Производительность по испаренной влаге от 230 до 250 кг/ч. Частота вращения вальцов от 2 до 4 об/мин. Диаметр вальца 800 мм, рабочая длина вальца 1000 мм. Рабочая поверхность двух вальцов 4,8 м2.
2.2 Сублимационная сушка
Метод сублимационной сушки пищевых продуктов основан на способности льда при определенных условиях испаряться, минуя жидкую фазу, то есть возгоняться.
Чтобы понять сущность этого метода, рассмотрим изменение состояния воды на диаграмме давление – температура (Р – Т).
На рисунке 8 показано состояние воды в зависимости от давления и температуры.
Рисунок 8 – Диаграмма фазового состояния воды в зависимости
от соотношений P – T
По левую сторону линии ВАС лежит область твердой фазы (льда), а сама линия ВАС является границей, которая разделяет на участке АС твердую фазу (лед) и жидкую фазу (воду) и на участке ВА твердую фазу и фазу газа (пара). По левую сторону от линии ВАС всегда будет находиться лед, по правую сторону – до точки А, соответствующей давлению 613,2 Па, вода, а ниже точки А – пар.
Таким образом, если при давлении выше точки А (613,2 Па) подводить тепло ко льду, то он должен сначала превратиться в воду, а при дальнейшем подводе тепла вода начинает испаряться, переходя в газообразную фазу (пар).
Если давление ниже точки А, то, как видно из диаграммы, лед при подводе тепла может перейти только в газообразное состояние (пар), минуя состояние жидкости.
Точка А, так называемая тройная точка, характеризует состояние веществ, при котором возможно существование всех трех его фаз одновременно (твердое тело – жидкость – газ, или применительно к воде: лед – вода – пар). Выше этой точки существуют в зависимости от температуры все три фазы, причем определенным температурам соответствует определенная фаза. Ниже точки А возможно только два состояния вещества (воды) – твердое и газообразное.
Сущность сублимационной сушки и заключается в возгонке льда (воды, превратившейся в кристаллы льда) при давлении паров окружающей среды ниже тройной точки (точки А). Такая возгонка льда непосредственно в пар способствует сохранению формы высушиваемого продукта.
Усадки его, что наблюдается при тепловой сушке, не происходит, и продукт после сушки сохраняет свои линейные размеры.
При оводнении такого продукта вода быстро заполняет поры, откуда во время сушки был сублимирован лед, и продукт быстро восстанавливается. Высушенные методом сублимации продукты сохраняют свои исходные качества, экстрактивные вещества, ферменты и витамины. По вкусовым качествам восстановленные продукты мало отличаются от продуктов, не подвергавшихся сушке.
Сушка сублимационным методом при современном состоянии техники обходится дороже тепловой, поэтому сублимации целесообразно подвергать те продукты, которые невозможно без явной потери качества высушить методом тепловой сушки. К таким продуктам относится, например, творог, при сушке которого тепловым способом получают явно негодный продукт, или мясо кусочками, которые также невозможно получить тепловой сушкой без потери качества. Методом сублимации целесообразно сушить целые плоды и ягоды. Сушку этим методом осуществляют в специальном аппарате – сублиматоре, представляющем собой герметически закрываемый сосуд, в котором расположены полки с помещаемым на них продуктом, к полкам с помощью различных устройств подводится тепло. Сублиматор соединен широкой трубой с другим сосудом – десублиматором, где за счет добавочного охлаждения пары сублимированного льда опять превращаются в лед, намораживаясь на охлаждаемые поверхности (трубы).
Для сублимационной сушки продуктов используются такие установки как УСС-5, УЛГ-24, УЛГ-36, А-10, FD-100, В2-ФСБ и другие. Рассмотрим систему сублиматор – десублиматор на примере установки УСС-5 (рисунок 9).
В системе сублиматор – десублиматор специальными вакуум-насосами поддерживают глубокий вакуум. Сушку в такой системе осуществляют следующим образом. Подготовленный продукт раскладывают на лотки и замораживают в скороморозильном аппарате, затем лотки с продуктом помещают в сублиматор. Если на предприятии нет скороморозильного аппарата, лотки с продуктом можно без предварительного замораживания размещать в сублиматоре. В этом случае при создании глубокого вакуума продукт в результате испарения влаги замерзнет, произойдет так называемое самозамораживание.
Герметически закрыв сублиматор, системой вакуум-насосов создают в нем разрежение (остаточное давление в сублиматоре должно быть от 13,3 до 66,7 Па), и только при достижении вакуума к продукту с помощью нагревательных элементов подводят тепло. Образующийся в результате возгонки льда пар поступает в десублиматор, где намораживается на трубы, охлаждаемые специальным хладагентом (чаще всего аммиаком). В это время температура продукта находится в пределах от минус 10 °C до минус 20 °C. Такая сушка продолжается от 8 до 10 ч (в зависимости от продукта), затем температура повышается, и удаление остаточной влаги происходит при плюсовых температурах.
Полное время сушки от 11 до 12 ч (мясо). Конечная влажность продукта должна быть от 4 % до 5 %. Таким образом, сушка продукта на сублимационной установке может быть разбита на три периода. Первый период – самозамораживание продукта, когда он теряет в зависимости от условий и структуры первоначальную, легко отдаваемую влагу (от 3 % до 4 %). Второй период – сушка продукта в замороженном состоянии – период сублимации (лиофилизация), за это время из продукта удаляется до 80 % влаги. Последний, третий период – это тепловая сушка, осуществляемая при плюсовых температурах. Для получения доброкачественного продукта очень важно, чтобы период тепловой сушки наступил как можно позже и продолжался как можно меньше, чтобы плюсовые температуры не повышались до пределов, при которых разрушались бы биологически активные вещества (витамины, ферменты и пр.), и происходила бы возгонка ароматических веществ.
1 – сублиматор; 2 – десублиматор; 3 – система вакуум-насосов
Рисунок 9 – Установка УСС-5 для сушки методом сублимации
Конструкция сублимационной установки должна обеспечивать не только нормальное течение собственно сублимации, но и условия, необходимые для правильного проведения третьего периода сушки, при этом решающее значение имеет способ подвода к продукту тепла.
В настоящее время в сублимационных установках применяют три основных способа подвода тепла. Первый способ состоит в использовании пустотелых плит, которые могут предельно близко приближаться к продукту. Теплоносителем для нагрева плит служит горячая вода, этиленгликоль и любая другая инертная жидкость, обладающая большой теплоемкостью и теплоотдачей. Второй способ заключается в применении для нагрева продукта так называемых тэнов – нагревателей в виде пластин различных размеров, обогреваемых электроэнергией, пропускаемой через проволоку большого сопротивления. Третий способ подвода тепла – применение кварцевых ламп инфракрасного излучения. Промышленное значение пока имеет первый способ, он позволяет подводить тепло к продукту как радиационно, так и контактно.
Излишне подведенное тепло может вызвать преждевременное оттаивание продукта, что крайне нежелательно, так как приведет к его порче.
Недостаточное количество тепла, подводимое к продукту во время сушки, замедлит скорость сушки и в некоторых случаях может привести к ее остановке. В процессе сублимации, по мере высыхания внешнего слоя продукта, подвод тепла к зоне льда затрудняется, в связи с чем необходимо в этот момент усилить температуру генератора тепла. Однако здесь надо иметь в виду, что чрезмерное повышение температуры источников нагрева может привести к перегреву уже высохших внешних слоев продукта и даже к их подгоранию.
Таким образом, подвод тепла в зону сублимации сквозь уже высушенный продукт снижает скорость сушки. Из сказанного ясно, что для интенсификации процесса сублимации существенное значение имеет метод подвода тепла к высушиваемому продукту.
Перспективным следует считать нагрев с помощью инфракрасного излучения. Это излучение способно проникать в высушиваемый материал на различную глубину, что может обеспечить подвод тепла равномерно по всей глубине зоны сублимаций и исключит перегрев поверхности продукта. При таком способе подвода тепла исключается необходимость плотного прилегания источников энергии к высушиваемому материалу.
Источником инфракрасного излучения могут быть различные плиты, нагреваемые каким-либо теплоносителем, или тэны (темные излучатели), или различные ламповые излучатели (светлые излучатели).
Наиболее широко используются для сублимационной сушки пищевых продуктов установки УСС-5, В2-ФСБ. Основной аппарат установки УСС-5 сублиматор, представляющий собой горизонтальный цилиндр из нержавеющей стали длиной 9,6 м и диаметром 2,8 м. Торцы сублиматора заканчиваются полусферическими крышками, закрываемыми и открываемыми специальными гидроагрегатами. С обеих сторон цилиндра по образующим приварены четыре патрубка для подсоединения вакуумной линии сублиматора и десублиматора. Внутри сублиматора установлены нагревательные элементы, набранные из отдельных горизонтально расположенных полых плит с лабиринтными перегородками. Подача и вывод теплоносителя из плит осуществляется через сильфонные патрубки. Установка снабжена тремя сублиматорами.
Десублиматор представляет собой полый горизонтально расположенный цилиндрический теплообменный аппарат длиной 7,64 м и диаметром 2,2 м. Он состоит из корпуса, выполненного из нержавеющей стали, заканчивающегося с одной стороны неразъемной эллиптической крышкой, а с другой – плоской крышкой из двух полукругов. Цилиндр разделен плоской вакуумноплотной перегородкой вдоль на две половины, работающие как самостоятельные камеры. Обе камеры оборудованы секциями из вертикально расположенных труб, внутрь которых может подаваться хладагент (аммиак). Десублиматор соединен с сублиматором четырьмя (по две на каждую камеру) патрубками, оборудованными шиберными вакуум-затворами ДУ 1200, которыми можно отделить десублиматор от сублиматора. Десублиматор имеет три смотровых окна, патрубки для подвода внутрь воды и слива ее в канализацию после размораживания льда. Он соединен вакуум-проводом (каждая камера отдельно) с системой откачки воздуха. В установке 3 десублиматора. Система откачки состоит из трех насосов ВН-500М и шести насосов ВН-6ГМ и обеспечивает создание вакуума до 66,7 Па.
В качестве теплоносителя используется дифенильная смесь, состоящая из 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилоксида, которая нагревается в отдельно стоящем котле и системой насосов прокачивается через полые плиты, установленные в сублиматоре.
Каждый из сублиматоров и десублиматоров может работать самостоятельно. Работа сублиматоров периодическая, с автономным регулированием и поддержанием основных технологических параметров процессов, осуществляемым с пульта управления.
Помещения, где установлены сублиматоры, разделены плотной перегородкой на две самостоятельные части, так что продукт загружается в сублиматоры с одной стороны, а выгружается с другой. В помещение выгрузки подается кондиционированный воздух (влажностью не более 35 %).
Работа каждого сублиматора состоит из следующих операций:
1) загрузки замороженным продуктом, находящимся на противнях, установленных на специальных тележках;
2) закрытия крышки со стороны загрузки;
3) вакуумирования сублиматора до абсолютного давления воздуха 66,7 Па;
4) сублимации льда с разогревом плит до максимальной температуры;
5) вакуумно-тепловой досушки со снижением температуры нагревательных плит до минимальной заданной величины;
6) девакуумирования сублиматора с прекращением подачи теплоносителя в нагревательные плиты и хладагента в трубы десублиматора;
7) открытия крышки сублиматора со стороны выгрузки продукта;
8) выгрузки из сублиматора тележек с высушенным продуктом.
Продолжительность полного цикла работы сублиматора зависит от состояния и вида высушиваемого продукта.
Противни с разложенным продуктом помещают в морозильные камеры с температурой минус 40 °C и замораживают до температуры от минус 25 °C до минус 30 °C, затем на подвесных тележках по подвесному рельсовому пути подают в загрузочное отделение сублиматоров.
После стыковки подвесных рельсовых путей – внешнего (цехового) и внутреннего (сублиматора) – тележки с продуктом загружают в сублиматор, закрывают крышку и откачивают из системы сублиматор – десублиматор воздух до давления 66,7 Па, пуская в ход четыре вакуум-насоса. По достижении указанного давления вакуум в системе поддерживается только одним насосом ВН-6ГМ. Влага, испаряющаяся в зоне сублиматора из продукта, по вакуумпроводу поступает в десублиматор и намораживается на охлаждающихся трубах, а неконденсирующиеся газы удаляются в атмосферу насосом ВН-6ГМ.
По окончании процесса лед в десублиматоре оттаивается нагнетаемой туда горячей водой. Конструкция десублиматора позволяет оттаивать лед во время сушки, выключая поочереди из системы одну из камер десублиматора. Таким образом, исключается непроизводительная трата времени на подготовку сублиматора к следующему циклу сушки.
По достижении влажности 5 %, чему соответствует температура продукта от 50 °C до 55 °C, система сублиматор – десублиматор отключается от вакуумсистемы и девакуумируется напуском азота. Затем крышку сублиматора со стороны выгрузки открывают, и тележки с продуктом по монорельсу выкатываются (автоматически) из сублиматора в помещение расфасовки. Перед выгрузкой в помещении с помощью кондиционированной установки устанавливаются заданные параметры воздуха. Крышка сублиматора со стороны загрузки в это время должна быть закрыта во избежание попадания в расфасовочное отделение влажного воздуха и увлажнения гигроскопического сублимированного продукта.
Управление процессом сублимирования осуществляется по программе автоматически, однако система предусматривает при необходимости переход на ручное управление.
1. Какие способы сушки используют при производстве пищевых концентратов?
2. Охарактеризуйте способы тепловой сушки.
3. Какие типы сушилок используют при конвективном способе сушки?
4. Опишите принцип работы конвейерных ленточных сушилок.
5. В чем заключается принцип работы шахтной сушилки «Эврика», ее преимущества и недостатки?
6. Какие существуют особенности и принцип работы шахтной сушилки?
7. В каких сушилках осуществляют сушку продукта в виброкипящем слое?
8. Опишите принцип работы сушилки А1-КВР.
9. Для сушки каких продуктов используют распылительные сушилки?
10. Какие распылительные сушилки относятся к пневматическим, а какие – к центробежным?
11. Приведите особенности работы распылительной сушилки «Нема».
12. Опишите принцип работы распылительной сушилки «Ниро Атомайзер».
13. Какие существуют особенности кондуктивного способа сушки?
14. Опишите принцип работы сушильно-дробильного агрегата.
15. Какие существуют преимущества и недостатки сушки продуктов методом сублимации?
16. Охарактеризуйте сушку продуктов методом сублимации с помощью диаграммы.
17. Опишите принцип работы сублимационной установки.
18. Из каких основных узлов состоит сублимационная установка?
19. При каких технологических параметрах и в течение какого времени протекает сушка продуктов методом сублимации?
20. Какие продукты можно сушить методом сублимационной сушки?