CC BY
80
664.1.048.5
УСТАНОВКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ И СУШКИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В ВАКУУМЕ
А.А. ЕМЕЛЬЯНОВ, В.В. ДОЛЖЕНКОВ, К.А. ЕМЕЛЬЯНОВ
Орловский государственный технический университет,
302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29; факс: (4862) 416-684, электронная почта: emel@ostu.ru
Устройство для концентрирования и сушки жидких пищевых продуктов в вакууме включает брызгоуловитель, обеспе -чивающий высокое качество дистиллята, ловушку, защищающую вакуумный насос от капельной фазы выпариваемой жидкости и сборник конденсата от аварийного выброса рабочей жидкости насоса, дополнительный вентиль, позволяющий формировать импульс разрежения в испарителе. Устройство обеспечивает кипение выпариваемой жидкости при температурах до 50°С. Исследовано выпаривание пенообразующих жидкостей. Регулирование давления в испарителе позволило подавлять пенообразование и ускорять выход процесса выпаривания в установившийся режим, а воздействие импульса разрежения - инициировать кипение. В целом достигнуто повышение эффективности устройства. Ключевые слова: вакуумное выпаривание, жидкий пищевой продукт, концентрирование и сушка.
Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме, применимая на малых предприятиях и фермерских хозяйствах, рассмотрена в [1]. Однако режимы работы исследованы при дистилляции водопроводной воды. В отличие от воды жидкие пищевые продукты при кипении образуют пену. Возникновение пены существенно снижает производительность процесса выпаривания вплоть до по лно й о стано вки.
С целью повышения эффективности работы вакуумная установка оснащена дополнительными элементами и исследовано выпаривание пенообразующих жидкостей.
Блок-схема вакуумной установки для концентрирования и сушки жидких пищевых продуктов приведена на рис. 1. Установка включает испаритель 1 рабочим объемом 40 л, соединенный паропроводом 2 с горизонтальным кожухотрубчатым конденсатором 3. Паропровод содержит 6 параллельно включенных вакуумных шлангов длиной 750 мм с проходным диаметром 19 мм. Горизонтальный конденсатор, предназначенный для конденсации пара, подсоединен трубопроводом 4 к вертикальному конденсатору 5. Вертикальный конденсатор осуществляет охлаждение конденсата и соединен через вентиль 6 со сборником конденсата 7.
Г
7 8 10
Рис. 1
При больших скоростях выпаривания вертикальный конденсатор охлаждает смесь пара и конденсата и повышает эффективность устройства [2]. В конденсаторах использовано водяное охлаждение. Сборник конденсата подсоединен через ловушку для жидкой фазы 8 и вентиль 9 к форвакуумному насосу 10, обеспечивающему разрежение до 6 Па Ловушка, с одной стороны, защищает насос от проникновения жидкой фазы, а с другой, - сборник конденсата от аварийного попадания рабочей жидкости насоса. На внутренней стороне крышки испарителя смонтирован брызгоуловитель 11. Брызгоуловитель, разделяя паровую и жидкую фазы, защищает конденсат от брызг кипящего продукта и обеспечивает его чистоту и прозрачность [3]. При сушке в испаритель, помимо высушиваемого материала, загружают рабочие тела 12 в виде шаров из нержавеющей стали. В рубашке испарителя установлено 6 трубчатых электронагревателей 13 мощностью 2,2 кВт каждый. Испаритель помещен в ячейку 14 с двумя осями вращения. Привод 15 обеспечивает колебательное вращение ячейки на пол-оборота относительно оси симметрии и осуществляет перемешивание материала при ее горизонтальном расположении. Положение оси симметрии ячейки изменяется с помощью рукоятки 16. Терморегулятор 17 поддерживает заданную температуру рабочей жидкости в рубашке испарителя.
В отличие от устройства [1] рассматриваемое устройство имеет в два раза больший проходной диаметр шлангов паропровода, оснащено брызгоуловителем, ловушкой для жидкой фазы и дополнительным вентилем, установленным между вертикальным конденсатором и сборником конденсата.
Исследовано влияние проходного диаметра шлангов паропровода на характеристики процесса выпаривания при дистилляции воды. Зависимости времени выхода процесса дистилляции т (кривые 1, 2) в установившийся режим и температуры кипения ґ (кривые 3, 4) от мощности нагрева N при остаточном давлении Р = 8 Па и разном проходном диаметре шлангов паро-
5
т, мин
/,°С
60
50
40
30
В процессе выпаривания изменяется как влажность выпариваемого продукта, так и скорость удаления влаги. На рис. 3 представлены кривые сушки (а) и скорости сушки (б) сока черной смородины. При начальной массе О0 использовавшегося в эксперименте сока массы сухого вещества Ос и начальной влаги Овл0 соответствовали известным данным [5], составляя для черной смородины Ос = 0,17 О0 и Овл0 = 0,83 О0. В ходе экспери -мента измеряли массу конденсата и определяли влажность продукта относительно массы сухого вещества
О 0 —О
ус ____ влО конд
(1)
N, кВт
Рис. 2
провода приведены на рис. 2. Из кривых т (И) и ґ (И) следует, что при 2-кратном увеличении проходного диаметра время выхода в установившийся режим дистилляции и температура кипения уменьшаются в среднем на ~15%. Снижение температуры кипения на 10°С до величин ґк < 50°С при максимальной мощности установки N = 13,2 кВт обеспечивает минимальные потери биологической активности при высокой производительности выпаривания жидкого сельскохозяйственного сырья. Изменение проходного диаметра шлангов паро провода не повлияло на производительность установки. В установившемся режиме скорость выпаривания возрастает с подведенной мощностью от 10 % • ч-1 при удельной мощности И/О0 = 70 Вт/кг до 60 % • ч-1 при И/О0 = 440 Вт/кг, отнесенной к массе О0 загруженного сырья.
В экспериментах использованы натуральные ягодные соки и спиртосодержащие жидкости. Перед началом кипения жидкость образовывала пену. Пенообра-зование, замедлявшее процесс выпаривания, подавлялось при отключенном нагреве повышением остаточного давления в испарителе путем отсечки форвакуумного насоса с помощью вентиля 9 [4]. После снижения уровня пены и ликвидации угрозы ее попадания в паропровод давление в испарителе уменьшали до первоначальной величины, плавно открывая вентиль. В случае возникновения пенообразования операцию регулирования давления повторяли.
В результате подавления пены выпариваемая жидкость переходила в стадию объемного кипения. Кипение, сопровождавшееся испарением свободной влаги, конденсацией паров и поступлением конденсата в сборник, в течение нескольких минут выходило в установившийся режим. В установившемся режиме изменением мощности нагрева достигалась заданная температура кипения При удалении влаги из натуральных соков температуру кипения поддерживали на уровне ґк < 50°С. Кипение сопровождалось разбрызгиванием жидкости. Наличие брызгоуловителя обеспечивало разделение пара и жидкой фазы, при этом, несмотря на бурное кипение и интенсивное разбрызгивание, конденсат, поступавший в сборник, оставался чистым и прозрачным.
Из кривой сушки/°(т) (рис. 3, а) следует, что через время запаздывания тз = 12 мин, включавшее прогрев и подавление пенообразования, в сборник начал поступать конденсат. Пена, возникшая через 8 мин после включения нагрева при температуре 29°С, увеличиваясь в объеме, поднималась к паропроводу и угрожала выбросом продукта в сборник конденсата. Повышением давления в испарителе путем отсечки насоса уровень пены был снижен до минимального. После опускания пены плавным подсоединением насоса жидкость переведена в состояние объемного кипения. Кипение сопровождалось поступлением конденсата в сборник и протекало без угрозы попадания пены в паропровод.
Выпаривание растительных жидкостей включает испарение свободной и связанной влаги. Испарение свободной влаги характеризуется неизменными температурой кипения и скоростью поступления конденсата в сборник, которые составили 4 = 34°С, V = = йГ /йг = 2,4 ч-1. При достижении первой критической влажности /кр1 = 2,7, определяющей переход от удаления свободной влаги к удалению влаги связанной, скорость поступления конденсата в сборник начала уменьшаться во времени. Поступление конденсата прекратилось при влажности / с = 1,6. По окончании конденсации ось испарителя была переведена в горизонтальное положение и осуществлено перемешивание продукта путем колебательного вращения испарителя вокруг оси симметрии. Перемешивание привело к дополнительной кратковременной конденсации, снизившей влажность до второй критической величины /¡р 2 = 1,4, в 3,6 раза меньшей первоначального значения /н = 5, после чего выпаривание, продолжавшееся
3,5 ч, было завершено.
/'
6
К
4
/¿1
2
Рис. 3
/, °С Л Па; V, л
т, мин
Рис. 4
В результате графического дифференцирования кривой сушки /с (т) построена кривая скорости сушки (рис. 3, б). Из зависимости w( / ) следует, что на участке 2,7 < /с <5 имело место удаление свободной влаги со скоростью w _ 2,4 ч-1. При 1,4 < / < 2,7 удалялась связанная влага с постоянно убывающей скоростью. По окончании конденсации перемешивание продукта привело к скачкообразному возрастанию скорости удаления влаги до 1,2 ч-1 с последующим уменьшением до нуля. Согласно [6], влажности /р2 < /° < /^ соответствует удаление капиллярной влаги.
В опытах со спиртосодержащей жидкостью наблюдалось снижение эффективности работы форвакуумного насоса, что повышало остаточное давление и существенно сдерживало начало дистилляции. Снижение эффективности можно объяснить проникновением и конденсацией паров спирта в рабочей жидкости насоса. С целью ускорения начала дистилляции установлен дополнительный вентиль 6 между вертикальным конденсатором и сборником конденсата. Вентиль, отсекая испаритель, позволял создавать в сборнике конденсата более глубокое разрежение и затем формировать импульс разрежения в испарителе, инициируя объемное кипение.
Испытания проведены на 20 л жидкости с содержанием спирта 18% об. После включения форвакуумного насоса в системе установилось разрежение 12 Па. Временные зависимости температуры в камере испарителя (кривая 1), остаточного давления в системе (2) и объема дистиллята (3) приведены на рис. 4. Регулированием мощности нагрева в камере испарителя достигнута температура 60°С. Однако выдержка в течение 20 мин при ґ = 60°С не привела к кипению жидкости. Дополнительный кратковременный нагрев повысил температуру в испарителе и давление в системе до ґ = 70°С и Р = 13 Па, не вызвав кипения. На 80 мин был перекрыт вентиль между вертикальным конденсатором и сборником конденсата. После отсечки испарителя пары спирта перестали поступать в насос, и в течение 10 мин остаточное давление в сборнике конденсата уменьшилось на треть до 8,6 Па. Последующее под-
ключение сборника к испарителю позволило сформировать в испарителе импульс разрежения, результатом которого явилось взрывное вскипание жидкости. Одновременно с возникновением объемного кипения началось поступление дистиллята в сборник и снижение температуры в испарителе. Включение нагрева в момент начала дистилляции обеспечило устойчивый режим выпаривания со скоростью 18 л/ч при остаточном давлении в системе 9,3 Па.
Снижение эффективности работы форвакуумного насоса могло приводить к выбросу рабочей жидкости в сборник конденсата. Для защиты сборника от аварийного попадания рабочей жидкости насоса, а также для защиты насоса от капельной фазы выпариваемой жидкости между сборником конденсата и насосом установлена ловушка с объемом, превышающим объем рабочей жидкости насоса. Испытания ловушки проведены при дистилляции спирта-сырца с содержанием спирта 60% об. и при выпаривании сока черной смородины. В результате дистилляции в ловушке скапливалась жидкость, ее объем составлял 0,2% от объема конденсата. При выпаривании сока имел место аварийный выброс масла из насоса. Однако все масло оказалось в ловушке и не попало в сборник конденсата
Таким образом, рассмотрено устройство для концентрирования и сушки жидких пищевых продуктов в вакууме. Применение шлангов паропровода с увеличенным проходным диаметром обеспечило кипение выпариваемой жидкости при температурах /к < 50°С. Показано, что регулированием остаточного давления в испарителе достигается снижение уровня пены и обеспечивается переход к объемному кипению. Воздействием импульса разрежения инициировано кипение спиртосодержащей жидкости. Введение в устройство брызгоуловителя обеспечило высокое качество дистиллята. С помощью ловушки, установленной между сборником конденсата и насосом, обеспечена защита насоса от капельной фазы выпариваемой жидкости и сборника от аварийного выброса рабочей жидкости насоса. Введением дополнительных элементов в конструкцию обеспечено повышение эффективности работы устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Емельянов А .А., Золотарев А.ГЕмельянов К.А. Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме // Пищевая пром-сть. - 2007. - № 12. - С. 52.
2. Пат. 2316701 РФ. Устройство для удаления влаги в вакууме / А.А. Емельянов, К. А. Емельянов, А.Г. Золотарев // БИПМ. -2008. - № 4.
3. Пат. 2327092 РФ. Устройство для удаления влаги в ва-кууме / А.А. Емельянов, К. А. Емельянов, В.В. Долженков, А.Г. Золо -тарев // БИПМ. - 2008. - № 17.
4. Пат. 2 327356 РФ. Способ вакуумной сушки / В.В. Дол-женков, А.А. Емельянов, К.А. Емельянов, А.Г. Золотарев // БИПМ. -2008. - № 18.
5. Химический состав пищевых продуктов. - М.: Агро -промиздат, 1987.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971.
Поступила 07.07.08 г.
SET FOR FLUID FOOD PRODUCTS CONCENTRATION AND DRYING IN VACUUM
A.A. EMELYANOV, V.V. DOLZHENKOV, K.A. EMELYANOV
Oryol State Technical University,
29, Naugorskoe high., Oryol, 302020; fax: (4862) 416-684, e-mail: emel@ostu.ru
The set for concentration and drying of fluid food products in a vacuum includes the spray trick, which provides for high quality of distillate, the trap, which protects the vacuum pump from fluid phase of evaporated liquid and the condensate collector from damage blow-out of pressure liquid, the additional valve, which allows forming the vacuum pulse in the evaporator. The set provides for evaporated fluid boiling at temperatures below 50C. The evaporation of the frothed fluids is examined. Pressure control in the evaporator allows to suppress the frothing and to accelerate the evaporation process outlet in the steady-state conditions. The vacuum pulse influence allows initiating the boiling. As a whole, a rise of the set efficiency is reached.
Key words: vacuum evaporation, liquid food substance, concentration and drying.
621.867.8.001.573
ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ РАБОТЕ ПНЕВМОТРАНСПОР ТНЫХ УСТАНОВОК
В.П. ТАРАСОВ, ЕС. ЛЯМКИН, А.В. ТАРАСОВ
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова,
НПО «Алтайзернопроект»,
656099, г. Барнаул, ул. Ленина, 46; тел./факс: (3852) 26-05-54; электронная почта: рґиі 10@mail.ru
Проведен анализ причин высоких энергозатрат, появления неустойчивости при работе пневмотранспортных установок и влияния применяемого оборудования на процесс пневмотранспортирования.
Ключевые слова: пневмотранспорт, устойчивость, энергозатраты.
Исследования возможности снижения энергозатрат на осуществление процесса пневмотранспортирования [1-4] свидетельствуют, что этого можно добиться, если осуществлять процесс при небольших (близких к скорости витания) скоростях. Транспортирование при небольших скоростях позволяет также уменьшить износ материалопровода, особенно отводов, уменьшить, а в некоторых случаях исключить, разрушение частиц материала. Кроме того, при работе пневмотранспорт-ной установки с небольшими скоростями воздуха снижаются выбросы в атмосферу, сокращаются затраты на очистку воздуха.
Однако при уменьшении скорости воздуха ниже определенного предела процесс транспортирования становится неустойчивым: наблюдаются колебания параметров; причем со снижением скорости воздуха эти пульсации становятся все существенней, пока не наступит так называемый «завал» материалопровода и прекращение процесса. Граница устойчивости определяется экспериментом и достаточно размыта, данные различных источников могут сильно отличаться. Это нельзя объяснить ошибками, неточностями выполненных работ, поскольку более чем за 100 лет экспериментальных исследований и опыта эксплуатации накопилось огромное количество фактов, подтверждающих размытость границы. Скорее всего, разноречивость получаемых результатов - свидетельство неучтенных факторов, условий работы пневмотранспортных установок, применяемого оборудования и проведения экспериментов.
В лаборатории пневмотранспорта и газоочистки АлтайГТУ в течение уже 40 лет выполняются науч-
но-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке и применению систем пневмотранспорта. Результаты с успехом внедрены на многочисленных предприятиях пищевой отрасли.
Сформулированы основные недостатки в подходах к изучению процесса пневмотранспортирования, предложены отдельные пути их решения [4, 5]. Главными причинами, тормозящими дальнейшее развитие знаний в этой области, следует считать разобщенность усилий исследователей (в связи с многоотраслевой областью применения), сложность и многообразие происходящих явлений. При разработке моделей процесса делаются многочисленные упрощения. Наиболее грубыми, приводящими к существенному искажению модели, следует считать допущение о стационарности происходящих явлений, а также пренебрежение влиянием отдельных элементов системы на ее работу в целом: не в полной мере учитывается взаимовлияние оборудования, входящего в состав пневмотранспорт-ной системы. Попытки такого учета имеют частный характер: рассматриваются связи лишь отдельных элементов пневмотранспортной установки (например, ма-териалопровода и воздуходувной машины) по отдельным параметрам (например, по давлению и расходу), при этом неустановившиеся режимы работы, как пра -вило, не учитываются.
Нам представляется целесообразным на основе учета как можно большего количества связей между характеристиками оборудования пневмотранспортной установки объяснить некоторые факты и противоречия, прежде всего, появление неустойчивости при сни-
