VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

1. Краткая характеристика способов сушки сельскохозяйственных продуктов

Сушка сельскохозяйственной продукции является важнейшим звеном в системе послеуборочной обработки урожая. Она обеспечивает возможность длительного хранения сырьевых материалов и уменьшает затраты на их транспортировку, позволяет для многих культур интенсифицировать процесс дальнейшей переработки.

Технология сушки продуктов предполагает различные способы подвода теплоты к материалу. По этому признаку различают сушку – конвективную; кондуктивную (контактную); радиационную (инфракрасными лучами); токами высокой частоты; сублимационную.

Во всех перечисленных способах сушки можно использовать электрический нагрев, так как нет принципиальных отличий в технологии сушки (по сравнению с огневыми сушками). Электрическим способом сушки является только сушка токами высокой частоты.

Для интенсификации процесса сушки в сушильных установках реализуют комбинацию перечисленных выше способов.

Конвективная (воздушно-тепловая) сушка является наиболее широко используемым способом сушки большинства влажных материалов в сельскохозяйственном производстве. Нагретый в электрокалорифере или огневом теплогенераторе воздух (или смесь воздуха с топочными газами) проходит через высушиваемый материал, нагревая его и поглощая испарившуюся влагу. Влага удаляется сушильным агентом из зоны сушки.

Наибольшие объемы сушильного материала приходятся на зерновые культуры (рожь, пшеница, ячмень, овес и др.). Для сушки этих культур используют преимущественно шахтные и барабанные сушилки. В небольших объемах зерно сушат в сушилках различных конструкций (ромбических, напольных, карусельных и т.п.).

Кондуктивная сушка осуществляется в сушильных установках, где материал находится на нагретой металлической поверхности. Теплота передается непосредственно от горячей поверхности, а влага поглощается окружающей средой. Конструктивно сушилки выполняют в виде шкафов, греющих панелей, вибрационных наклонных греющих столов, греющих вальцовых барабанов и др.

При кондуктивной сушке можно получить очень большие плотности теплового потока на греющей поверхности. Воспользоваться этим преимуществом при сушке большинства сельскохозяйственных продуктов невозможно по технологическим ограничениям. Для сохранения в высушенном продукте питательных веществ (витаминов, углеводов и др.) температурный режим сушки ограничивают, а это приводит к увеличению времени проведения процесса.

Важным достоинством сушки инфракрасными лучами является селективность (избирательность) нагрева. Лучи различной длины волны по-разному поглощаются материалами и проникают на некоторую глубину, вызывая глубинный прогрев продуктов. Сушку инфракрасными лучами экономически целесообразно комбинировать с конвективной сушкой. Энергия инфракрасных лучей расходуется на быстрый нагрев материала, а нагретый воздух – на удаление влаги. Комбинированные сушильные установки (по сравнению с конвективными) при прочих равных условиях в 2 раза производительнее.

Сушка токами высокой частоты (ТВЧ) является перспективным способом. Преимуществом является равномерное выделение тока во всем объеме влажного материала. Это дает возможность интенсифицировать процесс сушки. Возникающие в материале градиенты температуры и влажности совпадают по направлению. Температура и влажность внутренних слоев оказывается выше поверхностных и это ускоряет перемещение влаги в десятки раз. Воспользоваться в полной мере этим преимуществом при сушке большинства сельскохозяйственных продуктов не удается по технологическим ограничениям. Несоблюдение их может привести к растрескиванию и вспучиванию материала, ухудшению качественных показателей: семенных – потеря всхожести, энергии прорастания, силы роста; продовольственных – снижение качества клейковины, денатурации белков и т. п.

Сложность установок ТВЧи их низкий КПД является сдерживающим фактором для широкого применения в производстве. Но в некоторых случаях нагрев ТВЧ успешно используют: например, при дезинфекции зерна, пастеризации фруктового соков при консервировании.

Сублимационная сушка – это сушка влажных материалов при низкой температуре в условиях вакуума. Известно, что при низких температурах и нормальном атмосферном давлении процесс сушки происходит очень медленно. Уменьшение давления резко увеличивает интенсивность испарения. Вакуумная сушка происходит в герметически закрытом аппарате. При давлении меньшем 4,58 мм. рт. столба (давление насыщенного пара воды при температуре 0⁰С) влажный материал имеет температуру ниже 0⁰С. При этом свободная влага замерзает и ее испарение происходит без плавления. Связанная влага находится в переохлажденном состоянии и удаляется путем превращения жидкости в пар. Чтобы поддержать значительную интенсивность сушки в вакууме, тепло, необходимое для испарения жидкости, подводится к материалу путем теплопроводности от нагретой поверхности (контактная сушка) или радиацией от нагретых панелей (сушка инфракрасными лучами). Таким образом, сублимационная сушка включает следующие фазы: сублимация льда (сушка путем испарения льда); испарение переохлажденной жидкости внутри материала и испарение связанной жидкости при температуре выше 0⁰С.

Сублимационная сушка с точки зрения качества получаемого продукта является наиболее совершенной. Высушенные продукты сохраняют естественный цвет, питательные и вкусовые качества (опыты проводились на яблоках, малине, кусковой рыбе, мясном фарше). При увлажнении быстро восстанавливаются их объем и в значительной степени первоначальные свойства.

Следует иметь в виду, что установки сублимационной сушки по устройству довольно сложные. Они состоят из сушильной камеры, поглотителя влаги (конденсатора и абсорбера) и вакуум насосной установки. Стоимость сушки продуктов в таких установках достаточно высока.

2. Использование I - d диаграммы Л.К. Рамзина при расчете конвективных сушилок

С целью упрощения технических расчетов процесса сушки профессор Л.К. Рамзин в 1918 г. предложил диаграмму состояния влажного воздуха, которая построена с использованием следующих формул.

Влагосодержание - это масса водяного пара, приходящегося на 1кг абсолютно сухого воздуха:

,

где х - влагосодержание сушильного агента, кг/кг; ρ_п- плотность водяного пара, кг/м³; ρ_в - плотность абсолютно сухого воздуха, кг/м³.

Степень насыщения воздуха парами воды можно определить по относительной влажности воздуха:

,

где φ - относительная влажность воздуха; Р_п - парциальное давление паров воды в воздухе при данной температуре t, Па; Р_н - давление насыщенного пара при той же температуре t, Па.

При температуре воздуха выше 100 ⁰С давление насыщенного пара равно барометрическому давлению (Р_н = П).

Если φ = 0, то воздух абсолютно сухой. Если φ = 1, то воздух полностью насыщен парами воды и не может использоваться как сушильный агент.

Энтальпия (теплосодержание) влажного воздуха определяется количеством теплоты, приходящейся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Энтальпия выражается в виде суммы энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара:

i=C_свt+x(r₀+C_пt),

где i - энтальпия влажного воздуха, кДж/кг; C_св - удельная теплоёмкость сухого воздуха (C_св=1,01 кДж./кг·К); C_п - удельная теплоемкость пара(C_п=1,97 кДж/кг·К); - удельная теплота парообразования воздуха при 0°С (r₀=2493 кДж/кг).

После преобразований и подстановки численных значений формула для расчета энтальпии влажного воздуха будет иметь вид:

i = (1,01 + 1,97x)t+ 2493 х.

Диаграмма построена для барометрического давления П = 99,4 кПа.

Изображение действительного и теоретического процессов сушки (рис.1) строят по известным значениям t₀ , х₀ , t₂ , х₂ , иt₁. Линия M₀M₁ изображает процесс нагревания воздуха в калорифере, M₁M₂ - действительный процесс сушки, M₁M'₂ - процесс в теоретической сушилке. Наклонная линия M₁M'₂ характеризует теоретический процесс в сушильной камере, который протекает при постоянной энтальпии i₂ = const. Ее проводят из точки M₁ по изоэнтальпии,которая проходит через эту точку до пересечения с изотермой t₂.

Рис. 1. Схема построения процесса сушки на I - d диаграмме состояния влажного воздуха Л.К. Рамзина

С использованием диаграммы можно оценить эффективность сушильной установки.

Удельный расход сушильного агента (в килограммах сухого воздуха на килограмм испаренной влаги):

,

где x₀ и x₂ - влагосодержание сушильного агента на входе и выходе из сушильной установки соответственно (вкилограммах влаги на килограмм сухого воздуха); L - расход сухого воздуха, кг/с; W - массовый расход испаренной влаги, кг/с.

Удельный расход теплоты (в килоджоулях на килограмм испаренной влаги):

,

где i₀ и i₁ - соответственно энтальпии сушильного агента на входе в калорифер и в сушильную камеру.

3. Исследование характеристик конвективной сушки

3.1 Цель работы и задачи исследований

Целью работы является изучение методики расчета сушильных установок: аналитическая – с использованием уравнений материального и теплового балансов сушильной установки и графоаналитического – с использованием I – d диаграммы влажного воздуха (диаграмма Рамзина Л. К.)

Задачей исследования является экспериментальное определение энергетических характеристик сушильной установки: расход теплоты на сушку, потребляемая мощность электрокалорифера, расход сушильного агента для испарения влаги, тепловой КПД сушки по затраченной теплоте.

3.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из компактной конвективной сушилки и комплекта измерительных приборов и оборудования. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки показана на рис. 2.

Измерительные приборы размещены на лабораторном стенде, к которому с помощью разъема X подключена сушильная установка UZ. Потребляемую сушилкой мощность определяют с помощью амперметра и вольтметра (полную мощность) и вольтметра Р₂ (активную мощность). Лабораторная установка оснащена весами ВЛТК – 500 для взвешивания высушиваемого материала, психрометром для измерения относительной влажности наружного воздуха и сушильного агента, термометром – для измерения температуры наружного воздуха, сушильного агента и высушиваемого материала.

Сушильная установка (рис.3) состоит из основания 1, кассетного блока 2 и крышки 3. В основании размещен электрический двигатель с вентилятором и нагревательный элемент. Установленная мощность составляет 300 Вт. Управление электровентилятором и нагревательным элементом осуществляется одновременно выключателем, расположенным на боковой поверхности основания. В верхней части основания имеется колпачковый воздухораспределитель. Через отверстия воздухораспределителя подогретый воздух (сушильный агент) нагнетается в кассетный блок 2.

Рис. 2 Принципиальная электрическая схема лабораторной установки

Кассетный блок располагается на основании и состоит из 5 цилиндрических пластмассовых кассет, устанавливаемых одна на другую. На перфорированное дно каждой кассеты укладывается высушиваемый материал. Предусмотрено 2 варианта установки кассет, которые обеспечивают межкассетный промежуток (толщину высушиваемого слоя материала) 125 мм и 250 мм.

Кассетный блок закрывается крышкой с тремя щелевыми отверстиями.

Сушильный агент проходит через кассетный блок, нагревает, высушивает материал и удаляется через щелевые отверстия в крышке.

1 2 3

Рис. 3. Сушильная установка

3.3 Методика выполнения работы

Влажный материал (зерно, горох, овощи, картофель) для выполнения опыта тщательно взвесить. Картофель и овощи необходимо предварительно нарезать тонкими (5…7 мм) дольками.

Материал загрузить в кассетный блок сушилки. Первоначально заполняют верхнюю кассету, располагая материал тонким слоем. Последовательно (сверху вниз) заполняют все кассеты.

Перед началом опыта в таблицу 1 записать значения температуры наружного воздуха, его относительной влажности и температуру материала.

Результаты измерений Таблица 1

Материал		Параметры наружного воздуха
Вес до сушки, G1	Вес после сушки, G2	Температура до сушки	Температура после сушки	Температура наружного воздуха	Относительная влажность
г	г	0С	0С	0С	%

Подключить сушильную установку к лабораторному стенду и выключателем на корпусе сушилки включить ее в работу. Зафиксировать время включения сушилки. Принять это значение за нулевую отметку (см. таблицу 2). В таблице 2 записать температуру и влажность воздуха, выходящего из сушилки. Значение этих параметров будут равны значению параметров наружного воздуха (табл. 1).

Через каждые 10…15 минут измерять температуру и влажность воздуха на выходе из сушилки и записывать их значения в таблицу 2.

Результаты измерений в процессе исследования процесса Таблица 2

Показания электроизмерительных приборов	U = … B I = … A P = … Вт
d1, г/кг сухого вещества
τ, мин	0	15	30	45	60	70	80
tвых,0C
φвых, %

После проведения опыта (через 70….80 мин) выключить сушилку и извлечь высушенный материал из кассетного блока. Взвесить материал и записать его значения в таблицу 1.

3.4 Методика обработки опытных данных

При обработке опытных данных необходимо пользоваться I – d диаграммой для влажного воздуха. По диаграмме найти влагосодержание воздуха.

Количество влаги, испаренной сушилкой:

W= , (1)

где G₁, G₂ - вес материала до и после сушки, г;

τ – продолжительность сушки материала, час.

Расход воздуха на испарение влаги:

L = , (2)

где γ_в – удельный объемный вес воздуха;

d₁, d₂ – влагосодержание воздуха на входе и выходе из сушилки.

Затраты теплоты на сушку материала определяем из уравнения теплового баланса:

Q = Q_исп + Q_возд + Q_м + Q_пот. (3)

Количества теплоты на испарение влаги:

Q_исп = Wr, (4)

где r – удельная теплота парообразования, Дж/кг

После составления уравнения теплового баланса и определения его составляющих находим:

1. Тепловой КПД сушильной установки по затраченной теплоты на сушку, %:

η_т= , (5)

где Q_исп – количество теплоты, затраченное на испарение влаги, кДж/ч;

Q_сум– суммарное количество теплоты, кДж.

1. Электрическая мощность калорифера, кДж:

Р_к = , (6)

где η_к – КПД калорифера (принимаем η_к = 0,95…0,98).

1. Проверяем теплопроизводительность калорифера по условию обеспечения технологического процесса сушки, кДж/ч:

Q_сум = , (7)

где: L – расчетный расход воздуха на испарение влаги, м²/час;

С_в – удельная теплоемкость воздуха (С_в = 1 кДж/кг ⁰С);

γ – объемный вес воздуха при t_вых, кг/м.

Примечание: рассчитанные значения Q_сум(по уравнению теплового баланса) и Q´_сум (по пункту 3) могут не совпадать, расхождение не должно превышать 5…10%.

Если Q_сум > Q´_сум, то в уравнении теплового баланса не учтены потери теплоты сушильной установки.

Если Q_сум < Q´_сум, то процесс сушки материала еще не закончен и температура выходящего сушильного агента будет возрастать.

В этом случае уточняем температуру t_вых.:

t_вых = . (8)

4. Выбираем вентилятор для сушильной установки по требуемому расходу воздуха L и потери напора в сушильной установке

Н = ΔН + Н_св, (9)

где ΔН – потери напора в кассетном блоке (ΔН = 80 Па = 80 Н/м² );

Н_св - свободный напор (15…30Па).

Величины ΔН и Н_св зависят от загрузки кассетного блока материалом.

5. Мощность электродвигателя для привода вентилятора, Вт:

, (10)

где η_в – КПД вентилятора (находят по аэродинамической характеристике выбранного вентилятора). КПД вентилятора можно принять ориентировочно в пределах 0,5…0,65.

Выбираем двигатель режима S1 по условию Р_дв ≥ Р_в, η_дв ≈ η_в.

6. Общая установленная мощность сушильной установки, кВт:

. (11)

7. Общая потребляемая мощность, Вт:

. (12)

8. Расход электрической энергии на сушку материала, кВт/ч:

, (13)

где Т – время сушки материала, час

9. Расход теплоты на 1 кг испаренной влаги, кДж/кг:

. (14)

10. Расход электроэнергии на 1 кг испаренной влаги, кВт·ч/кг:

. (15)

3.5 Содержание отчета

Отчет должен содержать: задание; схему экспериментальной установки (упрощенную) со спецификацией; таблицу экспериментальных данных; расчеты по пунктам 1-4; изображение действительного и теоретического процессов сушки на диаграмме Рамзина (на листах бумаги формата А4).

3.6 Контрольные вопросы

1. Чем теоретический процесс сушки отличается от действительного и как оба эти процесса изображаются на I - d диаграмме состояния влажного воздуха Л.К. Рамзина?

2. Как по I - d диаграмме состояния влажного воздуха Л.К. Рамзина определить энергоэффективность сушильной установки?

3. В чем заключается физический смысл теплового КПД сушилки?

4. Как определить тепловой КПД сушильной установки по затраченной теплоте на сушку?

5. Как определить количество влаги, испаренной сушилкой?

6. Как определить расход воздуха на испарение влаги?

7. Как определить количество теплоты на испарение влаги?

8. Как определить электрическую мощность калорифера?

9. Как проверить теплопроизводительность калорифера по условию обеспечения технологического процесса сушки?

10. В каком случае необходимо уточнять температуру t_вых.?

11. Как выбирать вентилятор для сушильной установки по требуемому расходу воздуха L и потере напора в сушильной установке?

12. Как определить мощность электродвигателя для привода вентилятора?

13. Как определить общую потребляемую мощность?

14. Как определить расход электрической энергии на сушку материала?

15. Как определить расход теплоты на 1 кг испаренной влаги?

16. Как определить расход электроэнергии на 1 кг испаренной влаги?

Литература

1. Беззубцева М.М., Мазин Д.А. Энергетика технологических процессов в АПК. Лабораторный практикум. – СПб.: СПбГАУ, 2009. -122 с.

2. Беззубцева М.М., Волков В.С. Практикум по электротехнологическим расчетам. – СПб.: СПбГАУ, 2009. -140с.

3. Беззубцева М.М., Волков В.С., Зубков В.В.Прикладная теория тепловых и массообменных процессов в системном анализе энергоемкости продукции. – СПб.: СПбГАУ, 2013. – 131с.

4. Чагин О.В. , Кокина Н.Р., Пастин В.В. Сушильное оборудование для продуктов. - Иваново: Иван. хим. - технол. ун-т, 2007. – 138 с.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М., 2005. - 753 с.

6. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Изд. 3-е. в 2-х кн: часть 2. Массообменные процессы и аппараты. - М.: Химия, 2002. - 400с.

7. Малин Н.И.Энергосберегающая сушка зерна. - М.: КолосС, 2004.- 240 с.

Код для цитирования: Скопировать