Дисер по обезвоживанию (Расчет режимов обезвоживания клубники), страница 6

Рис.13. Принципиальная схема двухступенчатой установки для криоконцентрирования жидких пищевых продуктов 1....4—вертикальный кожухотрубный оросительный кристаллизатор; 5....6—системы орошения внешней и внутренней поверхности труб; 7—емкости для сбора и плавления льда; 8—теплообменники для. охлаждения исходного раствора; 9,11,12—емкости-накопители для продукта и концентрата; 10—регенеративный теплообменник; 13,15—екости для хладоносителя I и II ступени сгущения.

а—исходный раствор; б—концентрируемый раствор; в—концентрат; г—ледяная вода; д—хладоноситель; е—расплав; ж—жидкий хладоагент; з—парообразный хладоагент; к—технологическая вода.

3. Совершенствование способов низкотемпературного обезвоживания

Качество быстрорастворимых порошков для приготовления напитко можно существенно повысить, применяя технологию обезвоживания, включг ющюю следующие технологические операции: предварительную подготовк сырья, замораживание, сублимационную сушку, инспекцию высушенного прс дукта, его упаковывание и хранение [21,23,38,49].

Основной фактор, сдерживающий развитие этой технологии — отнс сительно высокие затраты на удаление влаги из продукта, может быть преодо лен путем интенсификации замораживания продукта и его гранулирования пе ред сушкой, совершенствования способов и разработки режимов сублима ции, сокращающих продолжительность сушки, а также за счет комбинирован ного обезвоживания жидких пищевых продуктов криоконцентрированием ь сублимационной сушкой.

3.1. Интенсификация замораживания жидких пищевых продуктов

Анализ зарубежных публикаций (Г.Альберт, Г.Хаас, А.Е.Прескот и др.) посвященных замораживанию продуктов растительного и животного происхождения под избыточным давлением инертного газа, показал перспективность этого направления при подготовке жидких пищевых продуктов к сублимационному обезвоживанию.

Длд экспериментальных исследований под руководством и при участии автора разработана многофункциональная установка (рис.14), позволяющая производить исследования по замораживанию продуктов в условиях свободной конвекции и вынужденного движения газовой среды при скоростях до 5м/с, температуре до 233 К и давлении в диапазоне 0.1—4.0 МПа. '

Исследованиями установлено [13,16], что при замораживании продуктов под избыточным давлением инертного газа (Р до 1.6 МПа) в условиях сво: бодной конвекции, продолжительность замораживания сокращается в 3—4 раза (рис.15), вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи от поверхно-

сти продукта к охлаждаемой среде («возрастает от 11.3 до 4^.1 Вт/м К).

Рис.14. Схема экспериментальной установки для исследования замораживания продуктов под избыточным давлением инертного газа 1—баллон с инертным газом, 2—вентилятор, 3—морозильная камера, 4—лоток с образцом, 5—испаритель холодильной машины, 6—потенциометр, 7— термопары, 8—холодильная машина.

Экспериментальное изучение теплообмена при замораживании в среде инертного газа при Р=0.1—3.1 МПа позволило нам определить зависимость в критериальной форме:

№ = В (Сг-Рг)п, (24)

где В=3.1, гНЗ.175 при (Сг-РгНШ—0.42)103 и В=0.175, п=0.336 при' (вг -РгНО.42—29.93)108.

С целью интенсификации процесса замораживания нами проведеь опыты под избыточным давлением газа при вынужденном движении сре£ [19]. Анализ кривых кинетики замораживания (рис.16), показал, что при эт1 режимах продолжительность замораживания сокращается примерно в два р за

о /¿¿> /¿о 36о ёоо

Рис.15. Температурные кривые замораживания образца при различных давлениях инертного газа: 1—0.1 МПа, 2—1.1 МПа, 3—3.1 МПа, 4—температура поверхности испарител холодильной машины.

■¿«-•с*

0.75 0.50 0.25

- 3;4-~Р- 0.1 Ша 1;2-~Р= 1.6 ¿Па

5" 1 и ц1> к !

¡и Со /оо

Рис.16. Кинетика замораживания при естественной (2; 4) и вынужденной (1; 3) конвекции г — температура в геометрическом центре образца, К; 1ц — начальная температура образца, К; ь — температура в морозильной камере, К.

Новизна решений подтверждена рядом авторских свидетельств 12,13,45], в том числе на устройство для получения гранулированного продук-а [20], позволяющих сократить время замораживания в 2 раза, получить гра-|улы с развитой поверхностью и, тем самым, сократить продолжительность ;ушки.

3.2. Исследование сушки при осциллирующих режимах

В процессе сублимационной сушки с углублением фронта сублимации, образующийся сухой слой продукта оказывает существенное солротив-1ение теплопередаче и паропереносу, в результате чего снижается интенсив-

ность испарения (Б, кг/м ч). Интенсифицировать процесс, как показал анализ физической модели и зависимостей, предложенных Э.И.Гуйго, Э.И.Каухчеш-зили и др. для расчета продолжительности сушки, можно, изменяя условия внешнего и внутреннего тепломассопереноса в периоде падающей скорости сушки. Воздействуя на интенсивность двух одновременно протекающих процессов: подвода тепла к фронту сублимации и отвода образующегося пара из зоны испарения сквозь высохшие слои к поверхности продукта, нами получены высокие значения (Б) в периоде падающей скорости сушки за счет циклического изменения давления парогазовой среды в сублимационной камере [22,24,26,52].

При этом меняются в сторону увеличения теплофизические характеристики продукта, в первую очередь эффективная теплопроводность ( ~ в 1.5 раза) и коэффициент паропроницаемости осушенного слоя в 2 раза), которые являются основными факторами, обуславливающими скорость сушки.

С увеличением давления парогазовой среды увеличивается конвективная составляющая теплового потока от нагревательных элементов к поверхности продукта, интенсифицируя внешний теплообмен, но при этом несколько-ухудшается внешний массоперенос и снижается скорость сушки. За счет теплопроводности высушенного слоя продукта дополнительный тепловой поток достигает зоны сублимации, в результате чего кратковременно повышаются

температура и давление в глубине слоя. Во второй фазе цикла с понижени давления до рабочего, при вакуумировании системы увеличивается скорос сублимации, интенсифицируется внутренний перенос пара от фронта суб/ мации к поверхности материала за счет аккумулированной продуктом тепло в первой фазе цикла и интенсивного самоиспарения при снижении давлень При этом температура продукта снижается до ее первоначального значени? зоне испарения, соответствующей температуре сублимации.

Предельное значение Р1, до которого может быть повышено давлен! парогазовой среды в объеме сублимационной камеры, лимитируется недог стимостью повышения температуры в зоне сублимации образца, при котор( происходит его размораживание.

Исходя из физической модели процесса, нами запатентован [25] сп соб получения порошков из овощных и фруктовых соков.

Для экспериментальной проверки предложенного способа обезвож; взния нами были проведены исследования на модифицированной сублимац) онной установке 12-9С (рис.17), дооснащенной радиационным энергоподв* дом (4) и весами ВЛТК-500 (6) для контроля убыли массы продукта при ег обезвоживании.

Рис.17. Схема модифицированной сублимационной установки 12-9С 1—вакуумный насос-, 2—термопарный вакуумметр; 3—потенциометр; 4—нг греватель; 5—лоток с продуктом; б—весы; 7—сублиматор; 8—десублиматор 9—холодильная машина: 10—микронатекатель.

Сублимационная камера (7) имеет игольчатый натекатель для ручной ¡гулировки давления (10), которое контролируется по показаниям вакууммет-1 ВТ-2А (2). Температуру продукта (5), поверхностей нагревателей (4) и десуб-(магорз (8) измеряли с помощью термопарной сети с потенциометром (3). нергоподвод контролировали ваттметром, а регулировали с помощью лабо-зторного автотрансформатора. Управление процессом осуществляли по экс-)емальным температурам, начальную и конечную влажность продукта опре-эляли по стандартной методике. Стенд оснащен холодильной машиной (9) и зкуумным насосом (1).

Экспериментально получены следующие значения параметров процес-з (рис.18): в первой фазе цикла общее давление в сублимационной камере 'об) увеличивается до 500—700Г1а путем натекания инертного газа со скоро-гью изменения Роб=30—бОПа/с, продукт выдерживается при этом давлении течении 30....180 сек. и затем Роб снижается во второй фазе до рабочего =20—бОПа со скоростью 2—5 Па/с.. Дальнейшее увеличение давления мало пияет на коэффициент эффективной теплопроводности, приводит к плавле-ию кристаллической фазы продукта и, соответственно, к ухудшению его каче-гва.

180 182 104 186 ХВЬ С, мин

Рис.18. Циклограмма давления (1) и изменения температуры в слое продукта (в) и на его поверхности (а).

333 313

60 120 180 240 300 360

Рис.19. Кинетика и температурные кривые сублимационной сушки

свекольного сока:

1, 2, 3—соответственно интенсивность испарения и температура продукта Сана поверхности слоя, б — в слое) при постоянном давлении; 1,2,3 —то же в осциллирующем режиме; 4—лоток с продуктом.

Сравнение кривых кинетики сушки при постоянном давлении и в ос циллирующем режиме (рис.19), показало, что продолжительность процесс; последнего меньше на 20—25%, а качественные показатели продукта, высу шенного по этим режимам — идентичны и соответствуют требованиям стан да рта.

Результаты исследований использованы при подготовке нормативно технической документации на производство натурального пищевого красите ля из свеклы, а также для разработки рекомендаций по внедрению технологи ческих режимов на Детчинском комбинате овощных концентратов.

3.3. Вакуум-сублимационное обезвоживание сконцентрированных растворов

Анализ физической модели при обезвоживании растворов [5,36,66,78. показал, что существуют определенные значения содержания водорэствори-

1ых веществ в концентрате и толщины слоя высушенного продукта (деп )■ при оторых удельная объемная производительность оборудования (ву) становш-я максимальной. Это обусловлено комплексным влиянием на свойства про-, укта следующих факторов: с одной стороны, повышение содержания раство-имых веществ увеличивает теплопроводность высохшего слоя, интенсифици-уя процесс, с другой — уменьшает паропроницаемость слоя продукта в ваку-ме [27,32,46,67], что приводит к увеличению продолжительности сушки.

На рис.20 показана [49] зависимость удельной производительности ублимационной установки Су по сухому продукту (свекольный сок) от толщи-ы слоя (5сл. В опытах изменяли содержание водорастворимых веществ в диа-азоне 10—50%, а толщину слоя на лотке в пределах 2-12-10 м. Характер ависимостей свидетельствует о явно выраженном максимуме производи-ельности при определенной Сх. Оптимальные значения получены при обез-оживании 40%-ного концентрата в слое толщиной 6-10 м. Дальнейшее уве-ичение толщины слоя продукта или его концентрации приводит к снижению роизводительности и к увеличению затрат на комбинированное обезвожива-ие.

1 0 2 4 б 8 10 К $ГО3, ы

Рис.20. Зависимость удельной объемной производительности (Су) от толщины слоя высушиваемого продукта (5СЛ) при различных концент рациях свекольного сока: 1—50%, 2—40, 3—30, 4—20, 5—10% с.в.

Основная трудность, с которой мы столкнулись при сублимации ко центрированных растворов, особенно с повышенным содержанием Сахаров пектинов, это образование при сушке пенообразной структуры верхнего сл( продукта, обладающей низкой теплопроводностью и плохой паропроницаем стью, что приводило к резкому снижению скорости сушки и уносу продукт Для устранения этого явления нами запатентованы и исследованы два споо ба [37,51,56,60,62,81].

1. На поверхность предварительно замороженного слоя продукта П( ред сушкой наносили тонкий слой воды или слабоконцентрированного раств< ра того же продукта;

2. При образовании пенообразной структуры на поверхности продукт в процессе сушки, циклически изменяли давление паровоздушной среды сублимационной камере.

По первому способу, наносимый тонкий слой относительно тепло жидкости частично подплавляет и разбавляет поверхностный высококонцент рированный слой продукта; путем "глазирования" повышали при сушке парс проницаемость поверхностного слоя, не снижая при этом эффективной тепле проводности основного слоя концентрата. Был обезвожен 40%-ный концент рат свекольного сока до остаточной влажности <4 %; концентрат разливали лотки слоем 6—8мм, замораживали при температуре 243—238 К и глазирова ли поверхность льдом толщиной около 1 мм, затем продукт высушивали в ва куум-сублимационной камере при рабочем давлении 40—бОПа.