Способ интенсификации сушки термолабильных материалов

Аннотация

В статье проанализированы методы интенсификации сушки термолабильных материалов. Предлагаютсяв конструкции вакуумного и атмосферного сушильного аппарата для термолабильных материалов.

Ключевые слова: сушка, вакуум, термолабильные продукты.

Введение. Актуальной проблемой в медицине, химической, пищевой и других отраслей промышленности является внедрение в производство прогрессивных технологий, использующих вторичные энергоресурсы и позволяющие получать продукцию высокого качества [1, 2]. В сушильной отрасли приоритетное место данный вопрос занимает при обезвоживании термолабильных материалов, для которых, как правило, необходимо использовать энергоемкие методы вакуумной и вакуумно-сублимационной сушки, поскольку высушиваемые материалы, полученные обезвоживанием в разреженной среде, характеризуются высоким сохранением биохимического состава. При этом применение атмосферных методов сушки является нежелательным, так как это приводит к губительным воздействием высоких температур теплоносителя, а также кислорода воздуха, способствующего потемнению цвета высушиваемого материала под действием окислительных ферментов.

Материалы и методы. Процессы сушки материалов в вакууме, по сравнению с атмосферными методами сушки, сопровождаются повышенными энергозатратами, связанными с наличием в схеме установки большего числа энергопотребляющих источников (вакуумного насоса, компрессора холодильной машины, электрических нагревателей), поэтому научные исследования в этой сфере направлены на интенсификацию сушки путем снижения энергетических затрат процесса. Так, способ низкотемпературного обезвоживания веществ в вакууме, который с целью экономии энергии на нагрев материала осуществляется путем снижения подводимой мощности пропорционально массе испаряемой воды при постоянной температуре продукта [3]. Кроме того, тепло конденсата, полученного в процессе обезвоживания вещества в вакууме, используется для предварительного подогрева исходного вещества. В целом, авторы этой работы отмечают, что процесс ведется в температурном диапазоне, нижний предел которого ограничивается температурой испарения воды при рабочем давлении в технологическом объеме, а верхний - условиями, обеспечивающими отсутствие необратимых потерь полезных свойств исходного вещества и возможностью уничтожения живых клеток организмов и растений.

В способе вакуум-сублимационного обезвоживания жидких термолабильных продуктов, который реализуется на установке, состоящей из нескольких секций со ступенчатым понижением давления, подвод теплоты к каждой последующей секции осуществляется за счет конденсации на теплопроводящей перегородке испарившихся паров влаги из продукта, находящегося на предыдущей секции [4]. Таким образом, энергия на нагрев материала расходуется только на нижней секции.

В [5]вакуумную сушку материалов путем их кондуктивного нагрева на подогреваемых полках предлагается вести в две стадии. На первой стадии давление среды понижается до значения, соответствующего температуре насыщения паров исходного материала, но не ниже значения давления тройной точки воды, и поддерживается на этом уровне. После установившегося режима давления к материалу подводится теплота при температуре, не превышающей предельно допустимую температуру материала. На второй стадии температура полок поддерживается на том же уровне, а степень вакуума понижается до 0,5 мм рт. ст. или ниже. Сушка материала во второй стадии ведется до достижения материалом температуры, близкой к температуре полок и влажности не выше 5 %.В другом варианте автор предлагает на первой стадии после нагрева материала на 5-7 ⁰С давление в вакуумной камере понизить настолько, чтобы продукт охладился до первоначального состояния. Этот цикл проводится до тех пор, пока температура материала не будет оставаться неизменной и после этого переходят ко второй стадии сушки.

Результаты и обсуждения. Во всех вышеперечисленных работах осуществление процесса сушки довольно сложно, поскольку должно сопровождаться высокой степенью контроля и регулирования режимных параметров.

В ряде работ [6, 7, 8] в качестве энергоносителя для нагрева высушиваемого материала использована теплота холодильного агента или хладоносителя. Так, в способе вакуум- сублимационного обезвоживания веществ, замороженные гранулы продукта, в толще которых находятся источники нагрева, нагреваются теплотой холодильного агента, нагнетаемого компрессором десублиматора при одновременном охлаждении и конденсации хладоносителя в зоне сушки [6].

Теплота паров фреона, выходящих из второй ступени компрессора, также используется для нагрева материала при непрерывной сублимационной сушке жидких продуктов [7]. Однако температура конденсации холодильного агента обычно не превышает 45 ⁰С, в то время как при сушке к термолабильным материалам допустимо подводить более интенсивный тепловой поток, достигающий 50-65 ⁰С [9]. Это означает, что использование теплоты конденсации холодильного агента как основного источника нагрева материала не способствует интенсификации процесса обезвоживания. В свою очередь, удлинение продолжительности процесса сушки приводит к ухудшению качественных характеристик готового продукта [10].

Гинзбург А.С [11] отмечает, что вакуумную сушку целесообразно применять при условии, если материал сушится до влажности выше критической, т.е. в период постоянной скорости сушки.

К. Паулсен, П. Фосбол и др. затрагивают вопрос о комбинировании процессов вакуум- сублимационной и воздушной сушек [12]. При этом вакуум-сублимационную сушку предлагается проводить до удаления из материала 50-60 % влаги. Как отмечают авторы, совмещение процессов вакуум-сублимационной и атмосферной сушек позволяет сохранить преимущества вакуум- сублимационной сушки, а также на 20 % снизить энергозатраты на процесс.

Выводы. Таким образом, из анализа современных способов интенсификации обезвоживания термолабильных материалов можно выявить следующие перспективные направления исследований: - использование теплового насоса в качестве источника энергии для нагрева высушивае-мого материала;- комбинирование способов вакуумной и атмосферной сушек.

На основании данных заключений разработаны конструкции вакуумно-атмосферных сушильных установок, схемы которых приводятся на рисунках 1 и 2, которые предназначены для интенсификации процесса вакуумно-атмосферной сушки термолабильных материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ломачинский В.А. Перспективные способы энергосбережения при переработке растительного сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. - № 7. - С. 11-12.
2. Гаряев А.Б., Данилов О.Л., Ефимов А.Л., Яковлев В.И. Энергосбережение в энергетике и технологиях. - М.: МЭИ, 2002.
3. Патент РФ № 2134854. Способ низкотемпературного обезвоживания веществ в вакууме. Опубл. 20.08.99.
4. Сидоров М.Н. Совершенствование процесса вакуум-сублимационного обезвоживания жидких термолабильных продуктов: Дисс. ... канд. техн. наук. - Воронеж, 1997, С. 176.
5. Патент РФ № 2121638. Способ вакуумной сушки материалов и устройство для вакуумной сушки материалов. Опубл. 10.11.98.
6. Патент РФ № 2119623. Способ вакуум-сублимационного обезвоживания и установка для его осуществления. Опубл. 27.09.98.
7. Патент РФ № 2119620. Способ непрерывной сублимационной сушки жидких продуктов и сушилка для его осуществления. Опубл. 27.09.98 г.
8. Парфенопуло М.Г., Шахов С.В., Шека Э.Н., Небольсин А.Г. Барабанная вакуум- сублимационная сушилка, работающая по принципу теплового насоса // Сб. науч. тр. /Воронеж.гос. технол. акад. - 2001. Вып. 11. - С. 10-12.
9. Корнеева О.С., Омельченко О.М., Кононков П.Ф. Исследование процесса сушки нетрадиционного инулинсодержащего сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - № 1. С. 42-43.
10. Филоненко Г.К., Гришин М.А., Гольденберг Я.М., Коссек В.К. Сушка пищевых растительных материалов. - М.: Пищевая промышленность, 1971. - 437 с.
11. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1973. - 528 с.
12. бзоры докладов на заседаниях комиссий //Холодильная техника.-1992.-№2.-С. 11