CC BY
64
УДК 542.47
И. С. Шолдаев, С. А. Ильина, А. П. Соловьева
О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ (ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ)
Технологические процессы сушки достаточно сложны и энергоемки [1-5 и др.]. В целом в России на них расходуется около 12 % топливных ресурсов. С этой точки зрения конвективная сушка воздухом представляет интерес как способ сушки с наименьшими затратами [5] (это относится и к сельскохозяйственным продуктам [1, 3, 4]). В литературе приводится достаточно большое количество экспериментальных данных по сушке этих продуктов. Отмечается сложность и многостадийность процесса, что затрудняет, очевидно, представление результатов в виде конкретных зависимостей для расчета процессов сушки.
Нами были выполнены экспериментальные исследования с целью уточнить характер основных зависимостей конвективной сушки: m = _Дт) - изменение массы высушиваемого объекта; м> = _Дт) - изменение влажности объекта. Знание характера этих зависимостей позволяет однозначно судить о скорости и других параметрах сушки.
Опыты проводились при конвективной сушке в восходящем потоке воздуха с размещением объекта сушки на металлической сетке (1^1 мм) или на мешковине, т. к. последнее применяется на практике. Объектами сушки являлись тыква, дыня, свекла, морковь, яблоки, семена арбуза, тыквы и кабачков, укроп и др. Первые пять объектов использовались в виде кубиков (12 х 12 х 12 мм и более). В ходе опытов изменяли температуру и скорость воздуха, начальную влажность объекта сушки, температуру и влажность воздуха в помещении. Параметры в опытах изменялись в следующих пределах: начальная влажность - 0,20...0,93; скорость воздуха (естественная сушка) - 0.7,2 м/с; количество образцов объекта - 20.300 в зависимости от их размеров; температура воздуха - 23.45 °С. Изменение общей массы образцов определяли взвешиванием. Всего было проведено около 300 опытов.
Результаты части этих опытов (в связи с ограниченным объемом статьи) приведены на рис. 1-4, из которых видно, что зависимости m = _Дт) и м> = _Дт) имеют одинаковый характер для всех объектов сушки. На рисунках обозначено: m - масса; ml00 - масса 100 семян; м> -влажность, в долях; w0 - начальная влажность; и - скорость воздуха; т - время; п - количество слоев продукта при сушке.
а б
Рис. 1. Изменение массы продукта в процессе сушки: а - обобщенное сравнение способов сушки продуктов [4]: 1 - конвективная сушка; 2 - микроволновая;
3 - вакуумная; 4 - вакуумная + микроволновая; б - изменение массы семян арбуза «Фотон» (крупные семена) при сушке, t = 26 °С: 1 - на мешковине, естественная сушка, 74 шт., п = 1, ^0 = 0,50;
2 - то же, 320 шт., п = 3.4, и = 1,8 м/с; 3 - на металлической сетке, 240 шт., п = 4.5, и = 3,6 м/с, ^0 = 0,38
а б
Рис. 2. Изменение параметров сушки продукта: а - масса семян арбуза (мелкие семена) на мешковине: 1 - естественная сушка, 26 °С, ^0 = 0,60; 2 - конвективная сушка, 45 °С, и = 1,8 м/с, ^0 = 0,46;
3 - то же, 23 °С, и = 1,8 м/с, ^0 = 0,43; 4 - то же, 35 °С, и = 1,8 м/с, ^0 = 0,39; б - влажность семян при конвективной сушке при и = 3,6 м/с, t = 35 °С, на металлической сетке:
1 - семена тыквы «Крошка», 50 шт., п = 1, ^0 = 0,39; 2 - семена кабачка «Сосновский», 130 шт., п = 4.5, = 0,44 и семена арбуза «Фотон», 210 шт., п = 4.5, ^0 = 0,44
а б
Рис. 3. Изменение влажности: а - при конвективной сушке семян арбуза «Фотон», тыквы «Крошка», кабачка «Сосновский» в воздухе на металлической сетке при п = 4.5, 35 °С, w0 = 0,43, и = 3,6 м/с; б - то же при естественной сушке на мешковине: 23 °С, w0 = 0,40, и = 1,8 м/с
На рис. 4 для сравнения приведены зависимости w = Дт) по литературным данным для разнородных продуктов, чтобы показать, что характер этой функции сохраняется и в этих случаях. В литературе другие аналогичные данные по сушке приводятся для картофеля, свеклы, моркови, яблок, тыквы, кабачков, семян подсолнечника, укропа, петрушки и др.
Рис. 4. Изменение влажности при конвективной сушке: 1 - спиртовая барда, и = 1,1 м/с, 90 °С;
2 - то же, и = 1,1 м/с, 40 °С; 3 - то же, и = 0,6 м/с, 90 °С (линии 1-3 [6]); 4 - семена кориандра, V = 81,36 МГц, и = 1,0 м/с, 20 °С [7]; 5 - тыква, и = 0,2 м/с, 40 °С (наши опыты); 6 - хурма, и = 2.3 м/с, 50 °С [4];
7 - семена арбуза «Фотон», и = 3,6 м/с, 35 °С (наши опыты); 8 - семенное зерно, слой 140 мм, и = 0,23 м/с, 50 °С [8]; 9 - яблоки, 90 °С [9]
По характеру зависимостей m = fr), w = fr) при конвективной сушке объектов растительного происхождения можно сделать следующие выводы.
1. Указанные зависимости имеют аналогичный характер для различных видов объектов, при различных начальных условиях (w и др.), при различных температурах и скоростях сушильного агента, включая режим естественной сушки (и = 0).
2. Период постоянной скорости сушки (dw/dr = const) достаточно мал, часто измеряется минутами и несоизмерим с общим временем сушки. Поэтому при определении общих аналитических зависимостей m = fr) и w = fr) гиперболического типа он может быть включен в общие зависимости с незначительной погрешностью.
3. Применение высоких температур для сушки рассмотренных объектов нельзя считать достаточно обоснованным, т. к. короткое время высушивания до заданной влажности достигается при умеренной (до 35 °С) температуре и скорости (до 1,8 м/с и ниже) сушильного агента.
4. Модель Пелега (1988 г.) [4] зависимости относительной влажности в процессах сушки от времени требует существенного уточнения. Характер зависимости w = fr) в наших опытах соответствует выражению
w = т/(а + b • т”),
Z.”
где а и b - постоянные; r - время.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Голубкович А. В., Рудобашта С. П., Нуриев Н. Н. Энергосбережение при активном вентилировании и низкотемпературной сушке зерна озоновоздушной смесью // Хранение и переработка сельхозсы-рья. - 2002. - № 8. - С. 59-60.
2. Лыков А. В. Теория сушки. - М.; Л.: Энергия, 1968. - 472 с.
3. Сушка пищевых растительных материалов и субстратов / Г. К. Филоненко, М. А. Гришин, Я. М. Гольденберг, В. К. Косен. - М.: Пищ. пром-сть, 1998. - 440 с.
4. Influence of air velocity on the drying kinetics of persimmon / J. A. Carcel, J. Bon, J. Garcia-Perez et al. // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы): Материалы 2й Междунар. конф. Т. 1. - М.: Изд-во ВИМ, 2005. - С. 222-225.
5. Heierli I. Nicht nur fur die Kuche // Schweizer Maschinenmarkt. - 1992. - N 30. - S. 28-31.
6. Калошин Е. Н., Резчиков В. А. Изучение процесса сушки кормопродукта из спиртовой барды // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006. - № 8. - С. 61-65.
7. Харин В. М., Агафонов Г. В., Ширшов Е. А. Моделирование кинетики периодического процесса конвективной сушки зернистых материалов в поле ТВЧ // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. -№ 8. - С. 25-29.
8. Энергосбережение при сушке семенного сырья / А. А. Хавин, Д. М. Чалаев, В. С. Шаврин, Р. А. Шапарь / Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы): Материалы 2-й Междунар. конф. Т. 1. - М.: Изд-во ВИМ, 2005. - С. 244-246.
9. Гришин М. А., Бахмутян Н. В. Интенсификация процесса сушки семечковых плодов во взвешенном слое // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы): Материалы 2-й Междунар. конф. Т. 1. - М.: Изд-во ВИМ, 2005. - С. 295-298.
Статья поступила в редакцию 17.11.2006
ON LAWS OF CONVECTION DRYING (BY EXPERIMENTAL DATA)
I. S. Sholdaev, S. A. Ilyina, A. P. Solovyova
On the basis of experimental data it is shown, that in drying of phytoge-nous products it is possible to use dependence w = r / (а + b • r”), where w - humidity; r - time; а, b and ” - constants.
Key words: drying, vegetables, experimental regularities.
