Hydrodynamics of a dense bed potatoes in the course of drying superheated steam

ПРОИЗВОДСТВО ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

УДК 542.47:532.5

Профессор В.М. Кравченко, магистр А.О. Дутова

(Воронеж, гос. ун-т ннж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473)255-38-96

Гидродинамика плотного слоя картофеля в продессе сушки перегретым паром

Рассмотрена сушка картофеля в активной гидродинамической обстановке стационарного слоя перегретым паром атмосферного давления. Исследована гидродинамика стационарного слоя и определены зависимости в аналитическом и графическом виде.

In article potatoes relation, as object of drying in an active hydrodynamic situation of a stationary layer is considered by superheated steam of atmospheric pressure. The hydrodynamics of a stationary layer is investigated and dependences and an analytical and graphic look are defined.

Ключевые слова: картофель, перегретый пар, гидродинамика, классификация.

Пищевое растительное сырье как объект сушки характеризуется следующими показателями:

- по технологическим свойствам - допустимая температура нагрева, влажность;

- агрегатному состоянию - твердые, пастообразные, суспензии, растворы;

- по биохимическому составу.

Этих признаков недостаточно для выбора рационального типа аппарата. В связи с этим в НИИхиммаше разработана классификация, в основу которой положены характеристические числа Bi, Bi', Fo, Fo', обусловливающие тип теплофизической задачи. По значению чисел Лыкова Lu все материалы разбиты на три типа, которые, в свою очередь, подразделены на пять классов. Наиболее рациональной следует считать классификацию, в основу которой положены факторы, определяемые природой и свойствами материала, влияющие на кинетику тепловых и массообменных процессов тепловой обработки и независящие от параметров процесса. Развитие этого принципа на основе классификации форм связи влаги с материалом, предложенной П.А. Ребиндером, позволяет детализировать ее применительно к продуктам растительного происхождения. Классификация по формам связи влаги дает возможность понять специфику процессов обезвоживания материалов с различными формами связи, но еще не позволяет определить целесообразный тип аппарата и оценить время удаления влаги из материала.

©Кравченко В.М., Дутова А.О., 2014

На основе комплексного анализа свойств пищевого растительного сырья установлено, что наиболее полно отражают свойства материалов как объектов сушки характеристики, определяющие внутреннюю структуру материала и его теплофизические характеристики, которые дают возможность оценить диффузионное сопротивление движению влаги к поверхности и термическое сопротивление материала. Общий подход к классификации исследованного пищевого растительного сырья состоит в учете сорбционно-структурных характеристик, видов и энергии связи влаги с материалом и их адгезионно-когезионных свойств.

В разработанной классификации (таблица) исследованные пищевые продукты растительного происхождения разделены на три группы в порядке уменьшения критического диаметра пор, которому соответствует усложнение внутрипористой структуры и увеличение диффузионного сопротивления движению влаги к поверхности материала.

Таблица

Классификация пищевого растительного сырья как объекта сушки

перегретым паром

Группа материалов Критический диаметр пор <Зкр; нм Ранг адгезионно- когезионного коэффициента Характеристика пористой структуры материала и вида связи влаги Вид материалов

Первая 88 Широкопористые ма- Свекловичный жом,

86 териалы со свободной морковь, лук репча-

84 3 и физико- тый, свекла столовая,

82 механической формой картофель

77 связи влаги. Высоко-

влажные материалы с

переходными

формами

Вторая 65 Влажные материалы с Гречневая крупа,

63 переходными порами, ядрица, овсяная кру-

61 4 свободной влагой и па, рис шлифован-

59 адсорбционно- ный, пшено

57 связанной влагой

микропор

Третья 54 Влажные материалы с Крупа перловая, фа-

53 микропористой струк- соль, горох целый,

51 6 турой с переходными кукуруза зубовидная,

49 порами и зерна кофе

42 адсорбционной

формой связи влаги

Кроме того, каждый вид продукта подразделяется по мере изменения их адгезионно-когезионных свойств, затрудняющих получение устойчивых гидродинамических режимов обработки.

К 1 группе относятся широкопористые пищевые продукты, диаметр пор которых находится в пределах 77...88 нм. При обезвоживании из них удаляется свободная поверхностная влага и влага микрокапилляров. Это высоковлажные пищевые продукты. При подготовке их к обезвоживанию в процессе измельчения появляется поверхностная влага, снижающая сыпучесть за счет внутреннего коэффициента трения. По значению ранга адгезионно-когезионного коэффициента первая группа имеет Как = 3. При обезвоживании из материалов этой группы в основном удаляется свободная влага, влага макро- и микрокапилляров и незначительная часть влаги адсорбционно-связанной влаги.

Ко 2 группе относятся пищевые продукты с критическим диаметром пор в интервале 57...65 нм. По значению ранга адгезионно-когезионного коэффициента ко второй группе относятся материалы имеющие Как = 4. Достижение конечной влаги

продуктов второй группы связано с удалением свободной влаги в незначительном количестве, в основном влаги микрокапилляров и частично адсорбционносвязанной влаги. К материалам этой группы необходимо подвести энергию для преодоления сил адсорбции. Продолжительность влагоудаления по сравнению с материалами первой группы увеличится.

К 3 группе относятся пищевые продукты с критическим диаметром пор в интервале 51...42 нм, из которых необходимо удалить в незначительном количестве физико-механическую связанную влагу и в основном адсорбционно-связанную влагу. К материалам этой группы необходимо подвести энергию для преодоления сил адсорбции, но продолжительность влагоудаления по сравнению с материалами 2-й группы будет выше.

Данная классификация может пригодится при разработке аппаратов для сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья перегретым паром.

Для исследования процесса сушки и тепловой обработки пищевого растительного сырья, в том числе картофеля, перегретым паром атмосферного давления использовалась опытно-промышленная установка (рис. 1).

V 20 4 5 6 21

Рис. 1. Опытно-промышленная установка: 1 - стойки; 2 - вентилятор;

3 - электродвигатель; 4 - заслонка; 5 - пароперегреватель; б - патрубок для ввода пара; 7 - переходник; 8 - вибропровод; 9 - газораспределительная решетка; 10 - рабочая камера; 11 - ротационный питатель; 12 - камера выгрузки; 13 - регулирующий шибер; 14 - рециркуляционный трубопровод; 15 - окно; 16 - термометр; 17 - и-образный манометр; 18 - диафрагма; 19 - потенциометр; 20 - щит управления; 21 - парогенератор

В состав блока входит вентилятор 1, парораспределитель 2, пароперегреватель 3, рабочая камера 4 с газораспределительной решеткой 5, вытяжной диффузор 6, рециркуляционный трубопровод 7, переходник 8. В переходнике 8 установлена заслонка 9 для регулирования скорости пара и заслонка 10 для удаления избытка пара в случае необходимости. Загрузка и выгрузка продукта в рабочую камеру 4 осуществляется с помощью ротационных дозаторов 11 секторного типа.

Расположенные в шахматном порядке по высоте пароперегревателя трубчатые электронагреватели (ТЭНы) способствуют равномерному распределению потока по объему камеры. Над ТЭНами установлены жалюзи для регулирования направления движения потока теплоносителя.

В рабочей камере находится газораспределительная решетка, выполненная из сита со штампованными круглыми отверстиями диаметром 1,0 мм и шагом расположения 2,0 мм. Для загрузки и выгрузки продукта установлены ротационные дозаторы с регулируемым приводом, позволяющим изменять частоту вращения в пределах 0,05...0,21 с1.

Вытяжной диффузор предназначен для монтажа рециркуляционного контура теплоносителя. Унос мелких фракций материала с отработанным теплоносителем предотвращает сетка с живым сечением 80 %, находящаяся в верхней части рабочей камеры. На рециркуляционном контуре установлены диафрагма для измерения скорости теплоносителя и патрубок подачи пара в установку в начальный момент времени.

Система автоматического управления температурой позволила регистрировать температуру продукта в нескольких точках по длине газораспределительной решетки, температуру теплоносителя на входе в слой продукта и на выходе из рабочей камеры. С ее помощью управляли работой ТЭНов паронагревателя для поддержания заданной температуры теплоносителя.

Влажность продукта в процессе тепловой обработки определяли методом отбора проб. Электроэнергию, затраченную на перегрев пара, подсчитывали по показаниям электросчетчика на щите управления.

Производительность установки регулировали изменением скорости вращения с помощью сменных звездочек цепной передачи привода дозаторов.

В конце решетки установили переливной порог, позволяющий поддерживать заданную величину удельной нагрузки продукта на газораспределительную решетку.

Расходом пара управляли с помощью заслонок, изменяя скорость подачи теплоносителя в камере сушки. Кроме того, контроль осуществляли через дифференциальный микроманометр с напорной термостатирующей трубкой Пито.

Гидростатическое сопротивление слоя продукта в процессе обработки измеряли и - образными манометрами.

Исследования процесса сушки жома проводились в интервале влагосодержа-ния и = 9,0...0,1 кг/кг, температуры перегретого пара Т„ = 423...493 К, скорости перегретого пара на входе в слой жома V = 1,5...3,5 м/с, удельной нагрузки на газораспределительную решетку д = 24...60 кг/м2.

Площадь, занимаемая одним блоком установки, составляла 1,3 м2. Масса всей установки - 280 кг. Удельный расход тепла на 1 кг испаренной влаги - 3600 кДж, удельный расход пара - 0,014 кг/кг испаренной влаги, удельные затраты электроэнергии - 0,2 кВт-ч/кг испаренной влаги.

Основной составной частью картофеля является вода, характеризующая его влажность в интервале 75...85 %.

Картофель термолабилен к высокой температуре в процессе обработки, что обусловлено разложением химического состава при длительной обработке теплоносителем высокой температуры. Известно, что кратковременное воздействие высокой температуры при обработке картофеля приводит к незначительным изменениям химических и питательных веществ, что позволяет получить готовый продукт с хорошим качеством. Кроме того, высокая начальная влажность картофеля ограничивает перегрев продукта и его отрицательное влияние, что обусловлено тем, что температура влажной поверхности не превышает температуру мокрого термометра, которая определяется разностью между температурой перегретого пара и поверхностью материала. Поэтому интервал температур перегретого пара в изучаемом процессе принят 403...433 К, при котором максимальная температура мокрого термометра не превышает 333 К, что соответствует нормальному технологическому режиму тепловой обработки.

Скорость движения перегретого пара в процессе обработки принята в интервале изменения режима 0,8...8,0 м/с. Она не оказывает влияния на качественные показатели готового продукта, но имеет большое значение для организации активной гидродинамической обработки кипящего слоя и сокращения продолжительности процессов тепловой обработки картофеля. Кроме того, на создание активной гидродинамической обстановки оказывают большое влияние физико-механические и структурные свойства картофеля.

Одной из особенностей технологии производства сушеных овощей является процесс бланширования перед сушкой для сохранения органолептических качеств.

В процессе обработки картофеля перегретым паром имеет место конденсация пара на поверхности измельченного продукта (температура насыщения 373 К). Таким образом, создаются условия, соответствующие требованиям проведения бланширования. Поэтому без дополнительных затрат энергии можно совместить процессы бланширования и сушки в процессе обработки картофеля перегретым паром. Картофель имеет большую начальную влажность по сравнению с зерновыми продуктами. Поэтому стационарный слой измельченного картофеля представляет собой систему с достаточно сложными характеристиками. Поверхность частиц этого слоя покрыта тонкой пленкой влаги, обусловливающей адгезионно-когезионные свойства. Поэтому описание измельченного слоя представляется очень сложным, в связи с чем целесообразно рассматривать его как изотропную среду с основными обобщенными характеристиками: порозность £ и удельная поверхность дисперсного слоя а.

Результаты исследований по определению порозности стационарного слоя картофеля с размером граней бхбхб мм приведены ниже. Величину рг определяли пик-нометрическим методом, насыпная плотность рна_с = 670 кг/м3, плотность продукта рс = 1096 кг/м3, порозность слоя £ = 0,389.

Удельную поверхность слоя, состоящего из частиц кубической формы, можно представить уравнением

где к - константа Козени-Кармана.

Так как дисперсности частиц (с^,,,;,х/с^,,т)<2, то структуру слоя можно считать монодисперсной, тогда к = 4. Поскольку частицы в слое соприкасаются между собой, то часть поверхности исключается из активного тепло - и массообмена. Вводя коэффициент экранировки къ = 0,93, определим эффективную удельную поверхность слоя:

Динамика изменения удельной поверхности в процессе сушки представляет собой значение площади удельной поверхности картофеля в процессе сушки при

= 31,97, ш = 23,55%.

Зависимость гидравлического сопротивления слоя картофеля от времени в начале процесса сушки перегретым паром при различных температурах приведена на рис. 2.

Анализ графиков показывает, что гидравлическое сопротивление экспоненциально уменьшается в плотном слое. Затем после испарения пленки конденсата гидравлическое сопротивление продолжает снижаться. В продолжение процесса наблюдаются участки с незначительным изменением АР, что обусловлено окончанием процесса испарения конденсата с поверхности частиц слоя.

Изменение АР связано с изменением порозности слоя, влажности и усадкой частиц слоя. Установлено также, что коэффициент гидравлического сопротивления слоя частиц продукта А зависит в основном от скорости перегретого пара и практически не зависит от величины удельной нагрузки слоя картофеля на решетку (рис. 3).

Коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формуле

нсл-у-ц-кО-Е')2 ’

а' = а - кп.

а = 80, ш = 64,93 %; а = 67,9, и/ = 29,13 %; а = 55,94, ш = 32,77 %; а = 43,8, ш = 24,01 %; а =

Л = А/Кеп,

где А - 1,0393; п - 0,94.

а

б

Рис. 2. Зависимость гидравлического сопротивления слоя картофеля от времени при температуре перегретого пара, К: а - 403; 6-413; в - 423

в

4

v

s

s

N

14

Л' *1' V Ш til'

^ —

Рис. 3. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления слоя от критерия Рейнольдса

В области движения сушильного агента с преобладанием сил инерции (Re3<2000) коэффициент гидравлического сопротивления А зависит от скорости пара, удельной площади поверхности слоя продукта, которая является функцией влажности. Значения критерия Re3, вычисленные с учетом изменения всех входящих в него величин в процессе влаготепловой обработки картофеля перегретым паром, изменялись в диапазоне от 485,1 до 3167,1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург, А.С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов [Текст]: справочник / А.С. Гинзбург, М.А. Громов, Г.И. Красовская.- М.: Агропромиздат, 2006. - 296. с.

2. Узаков, Г.Н Исследование теплофизических характеристик картофеля при длительном хранении [Текст] / Г.Н. Узаков, А.Т. Теймурханов, А.Б. Вардияшвили, Р.А. Захидов // Хранение и переработка сельхозсырья.- 2009.- № 3. - 158 с.

REFERENCES

1. Ginzburg, A.S. Heatphysical characteristics of foodstuff: Reference book / A.S. Ginzburg, M.A. Thunders, G.I. Krasovskaya.- М.: Agropromizdat, 2006. - 296 . p.

2. Uzakov, G.N. Research of heatphysical characteristics of potatoes at long storage / G.N. Uzakov., A.T. Teymurkhanov, A.B. Vardiyashvili, R.A. Zakhidov // Storage and agricultural raw materials processing.- 2009 .- № 3. - 158 p.