Конвективно-радиационная распылительная сушилка для жидких и пастообразных пищевых материалов

УДК 664.8.047:536.24

Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова, Н. Э. Пшеничная, Н. М. Шакесов

КОНВЕКТИВНО-РАДИАЦИОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СУШИЛКА ДЛЯ ЖИДКИХ И ПАСТООБРАЗНЫ1Х ПИЩЕВЫ1Х МАТЕРИАЛОВ

Представлена рациональная конструкция устройства с конвективно-радиационным энергоподводом для сушки жидких и пастообразных пищевых материалов. При разработке конструкции распылительной сушилки приняты во внимание результаты многочисленных экспериментально-аналитических исследований, в том числе анализа научно-технической и патентной литературы. Особенностью предложенного решения является дополнительный радиационный инфракрасный энергоподвод при конвективной распылительной сушке пищевых материалов. Кроме того, взаимодействие контактирующих потоков продукта и сушильного агента осуществляется при активном вихревом аэродинамическом режиме. Таким образом достигается увеличение интенсивности процесса сушки, снижение температуры сушильного агента и, как следствие, температуры высушиваемого продукта для обеспечения его качества. Предложенный принцип организации сушки может быть реализован при конструктивной модернизации действующих установок распылительной сушки. Комбинирование способов энергоподвода при распылительной сушке обусловливает расширение области использования распылительной технологии сушки для получения качественных сухих дисперсных растительных материалов.

Ключевые слова: пищевые технологии, конвективная распылительная сушка, радиационный инфракрасный энергоподвод, вихревой аэродинамический режим, сушильный агент.

Введение

Распылительные сушильные установки широко применяются в пищевой промышленности для обезвоживания жидких и пастообразных биополимерных систем при производстве сухих дисперсных материалов, в частности для сушки рыбных бульонов и гидролизатов, растительных экстрактов, плодоовощных концентратов, бактериальных препаратов, молока, яичных продуктов и др. Совершенствованию энергоемкой операции сушки уделяется значительное внимание, т. к. обезвоживание в большей степени определяет стоимость готового продукта и, кроме того, оказывает влияние на качественные показатели товарной продукции [1, 2]. Практический интерес представляют результаты исследований по разработке и внедрению рациональных конструкций распылительных сушилок, позволяющих реализовать на практике нестационарные аэродинамические режимы при сушке [3-5].

Для ряда жидких пищевых растительных материалов (экстракты, плодоовощные соки и т. п.) технология сушки распылением применяется ограниченно, т. к. не обеспечивает надежное, эффективное и качественное высушивание [1].

Объекты и методы исследования

Целью исследований являлась разработка рациональной конструкции устройства с конвективно-радиационным энергоподводом для сушки жидких и пастообразных пищевых материалов. На основе анализа научно-технической и патентной литературы, результатов комплекса экспериментальных исследований сделан вывод, что перспективным является конструкторское решение, предлагаемое ниже (рис. 1, 2). Процесс распылительной сушки пищевых материалов осуществляется за счет комбинирования конвективного и радиационного энергоподвода при активном вихревом аэродинамическом контакте продукта и сушильного агента, что позволяет увеличить интенсивность процесса, снизить температуру сушильного агента и, как следствие, температуру продукта для обеспечения качества сухих дисперсных материалов.

Устройство работает следующим образом. Исходный продукт, подвергаемый сушке, подается распылителем 3 в объем сушильной камеры 1. Ввод сушильного агента осуществляется по патрубкам 2 и 4. В сушильной камере 1 осуществляется комбинация прямотока и перекрестного тока при контакте сушильного агента и продукта, за счет дополнительной перекрестной подачи сушильного агента в щелевые зазоры между перегородками 8. Распыленные частицы продукта при контакте с сушильным агентом и инфракрасным излучением (рис. 2) высыхают, отбираются через систему отсоса 5, отделяются от потока отработавшего сушильного агента в циклоне 6 и отбираются через сборники сухого продукта 7.

/ввм 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2015. № 2

14 Е -1!

Рис. 1. Установка конвективно-радиационной распылительной сушки: 1 - сушильная камера; 2, 4 - патрубки для ввода сушильного агента; 3 - распылитель; 5 - система отсоса; 6 - циклон; 7 - сборник сухого продукта; 8 - прямоугольные перегородки; 9,10 - крепления; 11 - стержневые крепежные элементы; 12 - инфракрасные излучатели;

13 - отражатели; 14 - крепления

Рис. 2. Схема распределения потоков в установке конвективно-радиационной распылительной сушки: I - исходный продукт; II - сушильный агент; III - инфракрасное излучение;

IV - сухой продукт; V - отработавший сушильный агент

Благодаря вводу сушильного агента через патрубок 4 по касательной к окружности сушильной камеры 1 и наличию в ней вертикальных прямоугольных перегородок 8, осуществляется дополнительная равномерная подача сушильного агента в щелевые зазоры между перегородками. При этом распыленные частицы продукта, увлекаемые потоками теплоносителя, начинают вращаться относительно оси сушильной камеры и совершают движения по нисходящей спиралевидной траектории. Таким образом достигается активный вихревой аэродинамический контакт продукта и сушильного агента в сушильной камере, что позволяет увеличить время пребывания распыленных частиц продукта в сушильной камере.

Спиралевидная траектория движения частиц определяет большее время контакта продукта с сушильным агентом в сушильной камере по сравнению с традиционным прямолинейным движением вниз, что позволяет либо уменьшить высоту сушильной камеры при заданной производительности, либо увеличить интенсивность процесса и производительность установки. Вертикальные прямоугольные перегородки 8 и сушильная камера 1 выполнены одинаковыми по высоте для равномерного подвода сушильного агента и выравнивания температуры сушильного агента в сушильной камере 1, в результате чего достигается увеличение интенсивности процесса сушки.

Сушильный агент, проходя через пространство между перегородками 8, разделяется на несколько перекрещивающихся потоков, которые отталкивают распыленные частицы от поверхности перегородок и, следовательно, от стенок сушильной камеры.

Перекрещивающиеся потоки сушильного агента компенсируют центробежную силу, действующую на частицы в процессе их спиралевидного движения. Таким образом исключается налипание частиц продукта на внутреннюю поверхность большого цилиндра сушильной камеры, обеспечивается интенсивное обтекание частиц сушильным агентом и увеличивается интенсивность процесса сушки.

Положительный эффект действия предлагаемого устройства обеспечивается за счет усовершенствования конструкции сушилки. В дальнейшем планируются исследования по учету при проектировании сушильной техники кинетических закономерностей и комплекса свойств объектов сушки, в том числе термодинамических, структурно-механических и теплофизиче-ских. Кроме того, необходима разработка математических моделей [6] для оперативного управления процессом и качеством продукции, а также автоматизации работы сушильной установки [7]. Конструктивные особенности предлагаемого устройства запатентованы (заявки на патенты на полезную модель № 2014148752/06 (078440) РФ и № 2015120308).

Заключение

По результатам исследования можно сделать следующие выводы:

1. Конвективная составляющая позволяет:

— обеспечить высушивание частиц при активном аэродинамическом контакте с сушильным агентом;

— организовать распыление исходного продукта, пневмотранспорт высохших частиц и их отделение от потока отработавшего сушильного агента.

2. Радиационная составляющая позволит смягчить температурные режимы сушки.

Конструктивные особенности предлагаемого устройства запатентованы.

Предложенный принцип организации сушки может быть реализован при конструктивной

модернизации действующих установок распылительной сушки. Комбинирование способов энергоподвода при распылительной сушке обусловливает расширение области использования распылительной технологии сушки для получения сухих дисперсных растительных материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексанян И. Ю. Распылительная сушка растительных экстрактов. Теория. Практика. Моделирование / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, О. А. Петровичев: моногр. Germany, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing GmbH&Co.KG, 2011. 162 c.

2. Алексанян И. Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Л. М. Титова // Инновационные технологии АПК России - 2014: материалы II конф. в рамках Междунар. науч.-технолог. форума «Биоиндустрия - основа зеленой экономики, качества жизни и активного долголетия». М., 2014. С. 12-18.

3. Алексанян И. Ю. Распылительная сушилка / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, О. Е. Губа, Ю. С. Феклунова // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. 2015. № 1 (5). С. 61-66.

4. Губа О. Е. Разработка рациональных способов конвективной сушки для жидких продуктов / О. Е. Губа, Ю. А. Максименко, С. А. Терешонков // Пищевая промышленность. 2010. № 10. С. 24-25.

5. Максименко Ю. А. Сушильная установка для получения порошков из жидких продуктов / Ю. А. Максименко, Н. А. Подледнева, О. Е. Губа // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2011. № 2 (52). С. 41-44.

6. Максименко Ю. А. Моделирование и совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии / Ю. А. Максименко // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 2. С. 19-24.

7. Максименко Ю. А. Автоматизация технологических процессов при переработке сырья растительного происхождения / Ю. А. Максименко, Э. П. Дяченко, Ю. С. Феклунова, Э. Р. Теличкина // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2014. № 3. С. 21-29.

Статья поступила в редакцию 12.09.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Максименко Юрий Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; amxs1@yandex.ru.

ISSN 1812-9498. ВЕСТНИК АГТУ. 2015. № 2

Феклунова Юлия Сергеевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование»; 1305julia@mail.ru.

Пшеничная Надежда Эдуардовна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Технологические машины и оборудование»; 1305julia@mail.ru.

Шакесов Мирлан Нурланович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование»; 1305julia@mail.ru.

Y. A. Maksimenko, Y. S. Feklunova, N. E. Pshenichnaya, N. M. Shakesov

CONVECTIVE AND RADIATION SPRAY DRYER FOR LIQUID AND PASTE-LIKE FOOD MATERIALS

Abstract. The rational design of a spray dryer with convective and radiation energy input for drying liquid and paste-like food materials is presented. During the development of the spray dryer the results of numerous experimental and analytical studies, including the analysis of scientific-technical and patent literature, are taken into account. The distinctive feature of the proposed solution is an additional infrared radiation energy input during convective spray drying of food materials. In addition, the interaction of contacting product streams and a drying agent is carried out at active aerodynamic vortex mode. Thus, there is an increase in the intensity of the drying process, the temperature drop of the drying agent and, as a consequence, the temperature of the dried product to ensure its quality. The proposed principle of drying can be implemented in a constructive modernization of the existing units of spray drying. Combining methods of energy release during spray drying causes expansion of the use of spray drying technology to obtain high-quality dried dispersed plant material.

Key words: food technologies, convective spray drying, radiation infrared energy input, aerodynamic vortex mode, drying agent.

REFERENCES

1. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Petrovichev O. A. Raspylitel'naia sushka rastitel'nykh ekstraktov. Teoriia. Praktika. Modelirovanie [Spray dryer for plant extracts. Theory. Practice. Modeling]. Germany, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing GmbH&Co.KG, 2011. 162 p.

2. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Titova L. M. Innovatsionnye tekhnologii pererabotki syr'ia ras-titel'nogo proiskhozhdeniia [Innovation technologies for processing vegetable raw materials]. Innovatsionnye tekhnologii APK Rossii - 2014: materialy II konferentsii v ramkakh Mezhdunarodnogo nauchno-tekhnologicheskogo foruma «Bioindustriia - osnova zelenoi ekonomiki, kachestva zhizni i aktivnogo dol-goletiia». Moscow, 2014. P. 12-18.

3. Aleksanian I. Iu., Maksimenko Iu. A., Guba O. E., Feklunova Iu. S. Raspylitel'naia sushilka [Spray dryer]. Tekhnologii pishchevoi i pererabatyvaiushchei promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniia. 2015, no. 1 (5), pp. 61-66.

4. Guba O. E., Maksimenko Iu. A., Tereshonkov S. A. Razrabotka ratsional'nykh sposobov konvektivnoi sushki dlia zhidkikh produktov [Development of the rational means of convective drying for liquid products]. Pishchevaia promyshlennost', 2010, no. 10, pp. 24-25.

5. Maksimenko Iu. A., Podledneva N. A., Guba O. E. Sushil'naia ustanovka dlia polucheniia poroshkov iz zhidkikh produktov [Drying unit to obtain the powders from liquid products]. Vestnik Astrakhanskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, no. 2 (52), pp. 41-44.

6. Maksimenko Iu. A. Modelirovanie i sovershenstvovanie teplomassoobmennykh protsessov pri konvek-tivnoi sushke rastitel'nogo syr'ia v dispergirovannom sostoianii [Modeling and improvement of heat and mass exchange processes at convective drying vegetable raw materials in dispersed condition]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2013, no. 2, pp. 19-24.

7. Maksimenko Iu. A., Diachenko E. P., Feklunova Iu. S., Telichkina E. R. Avtomatizatsiia tekhnologi-cheskikh protsessov pri pererabotke syr'ia rastitel'nogo proiskhozhdeniia [Automation of technological processes

while processing vegetable raw materials]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2014, no. 3, pp. 21-29.

Maksimenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; amxs1@yandex.ru.

Feklunova Yuliya Sergeevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; 1305julia@mail.ru.

Pshenichnaya Nadejda Eduardovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's course Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; 1305julia@mail.ru.

Shakesov Mirlan Nurlanovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Technological Machines and Machinery"; 1305julia@mail.ru.

The article submitted to the editors 12.09.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS