Інертний носій для сушіння харчових продуктів на його поверхні у віброкиплячому шарі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 664.8.047, 66.03

Національний університет харчових технологій

Інертний носій для сушіння харчових продуктів на його поверхні у віброкиплячому шарі

Анотація

інертний теплопровідність фторопласт віброкиплячий

У статті розглянуто перспективу застосування для сушіння рідких матеріалів віброкиплячого шару інертних тіл, який складається із суміші частинок, що мають різні адгезійні, фізико-механічні властивості, теплопровідність і теплоємкість фторопласту та алюмінію. З урахуванням адгезійних властивостей доведено доцільність використання інертних тіл з фторопласту у формі куба зі стороною 4...5 мм, а алюмінію -- сферичної форми з діаметром 4,6...4,7 мм. При цьому співвідношення кількості інертних тіл з фторопласту та алюмінію у віброкиплячому шарі становить 1:(1,40... 1,42).

Ключові слова: інертний носій, фторопласт, сушіння, віброкиплячий шар, алюміній.

Abstract

Inert support for drying foodstuff on its surface in the vibrating fluid bed

R. Yakobchuk, V. Yaroviy

National University of Food Technologies

This article considers the prospect of using a vibrating fluid bed of inert bodies consisting of the mix of particles having various adhesion, physic-mechanical properties, heat conductivity and thermal capacity of fluoroplastic and aluminum, for fluid materials drying. Taking into account the adhesion properties, the expediency of using the inert support of fluoroplastic in the form of a cube with the sides of 4...5 mm, and of aluminum having the spherical shape with a diameter of 4.6...4.7 mm is presented in this paper. At that, the proportion of the inert particles of fluoroplastic and aluminum in a vibrating fluid bed is 1:(1.40... 1.42).

Key words: Inert support Fluoroplastic Drying Vibrating fluid bed Aluminum

Article history:

Received 13.11.2016 Received in revised form 01.12.2016

Accepted 24.12.2016

Corresponding author: R. Yakobchuk

E-mail: npnuht@ukr.net

Аннотация

Инертный носитель для сушки пищевых продуктов на его поверхности в виброкипящем слое

Р.Л. Якобчук, В.Л. Яровой

Национальный университет пищевых технологий

В статье рассмотрена перспектива применения виброкипящего слоя инертных тел, состоящего из смеси частиц, имеющих различные адгезионные, физико-механические свойства, теплопроводность и теплоемкость фторопласта и алюминия, для сушки жидких материалов. С учетом адгезионных свойств доказана целесообразность использования инертных тел из фторопласта в форме куба со стороной 4...5 мм, а также из алюминия -- сферической формы и имеющих диаметр 4,6...4,7мм. При этом соотношение количества инертных частиц из фторопласта и алюминия в виброкипящем слое составляет 1:(1,40...1,42).

Ключевые слова: инертный носитель, фторопласт, сушка, виброкипящий слой, алюминий.

Постановка проблеми. Виробництво дрібнодисперсних сухих продуктів, таких як натуральні барвники, продукти харчування, корми, добрива, лікарські препарати тощо з мінімальними витратами енергетичних ресурсів є одним із важливих завдань у харчовій промисловості.

Перспективним напрямом сушіння рідких і пастоподібних харчових продуктів є сушіння їх на поверхні інертних частинок у киплячому або вібро- киплячому шарі. При цьому важливим питанням є обґрунтування вибору розмірів, форми та матеріалу інертних тіл.

Одним із шляхів інтенсифікації процесу сушіння є застосування бінарного шару інертних частинок, що складається із суміші частинок, які виготовляються з різних матеріалів, наприклад, фторопластових та алюмінієвих частинок.

Унаслідок різних теплофізичних та адгезійних властивостей алюмінієвих і фторопластових частинок, відповідного співвідношення їх в об'ємі сушильної камери можна забезпечити покращення енергетичних показників сушарки, стабілізацію температурного режиму в сушильній камері, а також більш рівномірне відшарування висушеного матеріалу.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Аналіз науково-технічної інформації щодо реалізації способів сушіння для отримання дрібнодисперсних сипких харчових продуктів показав, що перспективним є спосіб сушіння в киплячому або віброкиплячому шарі інертних частинок шляхом розпилення рідкого продукту на його поверхню, що істотно перевершує сушіння розпиленням як по вихідній концентрації дисперсій, так і за напругою по випареній волозі [1; 2; 3; 4; 6; 7].

При сушінні суспензій і розчинів у сушарках з віброкиплячим шаром інертних частинок розміри апаратів скорочуються на 1.. .2 порядки порівняно з розпилювальними сушарками [4].

При розробці ефективного способу висушування рідких продуктів на поверхні інертних частинок (тіл) у киплячому або віброкиплячому шарі важливим завданням є вибір матеріалу інертних тіл, їх форми та геометричних розмірів.

Перспективними є дослідження процесу сушіння харчових продуктів на поверхні інертних тіл, які мають форму кубиків чи куль зі скла, сталі, фторопласту, алюмінію і композитів з них. Важливим фактором при цьому є розмір цих тіл. Так, П.Г. Романков зазначає, що при збільшені розмірів інертних тіл до 6.12 мм продукт, що висушується, складається в основному з частинок розміром близько 300 мкм і має вигляд «лусочок» або крупинок. При цьому значно підвищується продуктивність сушарки, але збільшується швидкість теплоносія, що потребує додаткових енерговитрат [4].

Інші автори вказують на доцільність та ефективність сушіння рідких і кристалоутворюючих розчинів у псевдозрідженому шарі бінарних інертних тіл, що складаються із суміші фторопластових та алюмінієвих частинок [1; 2].

В.Є. Куцакова [2] наводить результати дослідження сушіння в киплячому шарі на поверхні інертних тіл з металу і скла. Однак ці матеріали мають кут змочування а<90°, тому при їх використанні в сушильних установках необхідно збільшувати напір і швидкість теплоносія для створення киплячого шару, що, у свою чергу, призводить до збільшення енерговитрат.

Сушіння рідких і пастоподібних матеріалів цим способом супроводжується здрібнюванням висушеного продукту й винесенням його з повітряним потоком із сушарки. Середній час перебування часток продукту у шарі визначається швидкістю випаровування вологи з поверхні, кінетикою стирання висушеного матеріалу й обчислюється хвилинами. Матеріал не перегрівається, тому спосіб може бути застосований для сушіння термо- чутливих продуктів. Зіткнення інертних тіл спричиняє безперервне руйнування сухої плівки матеріалу, що утворюється, на поверхні інертного тіла; процес сушіння відбувається в основному в першому періоді.

Проте недостатньою є інформація щодо впливу розмірів, форми та матеріалу інертних частинок (тіл) на тепло- та масообмін при сушінні харчових продуктів.

Метою статті є обґрунтування вибору розмірів, форми та матеріалу інертних тіл для сушіння на їх поверхні рідких і пастоподібних харчових продуктів.

Матеріали і методи. Для вирішення поставленої мети було використано фторопласт кубічної форми з розмірами сторін 3, 4, 6 мм. Дослідження зміни температурних параметрів частинок фторопласту проводили на експериментальній установці ВЛВ-100, що складається з теплоізольованого корпусу, вагового пристрою з тарілкою для розміщення матеріалу, джерела тепла, відбивної перегородки, контактного термометра, зразків матеріалу, пристрою для вимірювання температури (ПІД-регулятор з інтерфейсом RS-485 ОВЕН ТРМ101-КР) з термопарами.

У кубику фторопласту до його середини просвердлювали глухий отвір діаметром 0,5 мм. На поверхню і в отвір куба поміщали термопари, що під'єднані до вимірювача температури. Спочатку вмикали експериментальну установку для прогрівання її до заданої температури (85, 95 °С), а потім поміщали в неї кубики фторопласту з термопарами. Замір температури проводили протягом 25 хв, фіксуючи її за допомогою ПІД-регулятора з інтерфейсом RS-485 ОВЕН ТРМ101-КР.

Виклад основних результатів дослідження. Існує велика кількість патентів на інертний носій з покращеними властивостями. Так, запропоновані різні способи застосування термо- і біметалевих елементів у вигляді пластинок, лінз та інших конструкцій [1; 4]. Потрапляючи поперемінно в зону газорозподільної решітки і в об'єм з різними температурами, такі елементи деформуються, і продукт відшаровується. Проте ці носії дуже складні, дорогі і недовговічні.

Аналіз пропозицій щодо виготовлення інертних носіїв наштовхує на думку про використання для їх виготовлення різнорідних матеріалів, але з простою формою частинок. Йдеться про використання суміші частинок, які близькі за густиною і розмірами, але суттєво відрізняються адгезійними, теплофізичними, фізико-механічними і електрофізичними властивостями. Аналіз можливих матеріалів підтвердив, що найбільш ефективною є комбінація частинок із фторопласту та алюмінію [1].

Порівняння властивостей алюмінію та фторопласту показує, що теплопровідність і температуропровідність алюмінію майже на три порядки вища, ніж у фторопласту, тому швидкість сушіння в шарі нагрітих фторопластових та алюмінієвих частинок буде вищою, ніж у шарі тільки фторопластових. Густина алюмінію та фторопласту достатньо близька, що дає змогу за певних умов уникнути явища сегрегації у віброкиплячому шарі.

Унаслідок дуже великої різниці твердості, коефіцієнтів температурного розширення, теплофізичних властивостей, змочуваності й адгезії для алюмінію та фторопластових частинок можна очікувати більш рівномірного відшарування висушеного матеріалу.

Для вибору матеріалу та розмірів інертних тіл були проведені дослідження нагрівання фторопласту кубічної форми розміром 3, 4 і 6 мм з визначення зміни температури інертного тіла по об'єму. Зміни температури частинки фторопласта за температури теплоносія 85 і 95 °С представлені на рис. 1...3. Такі температури були обрані з урахуванням вимоги до промислових сушарок, в яких температура продукту не повинна перевищувати 70.90 °С.

а)б)

Рис. 1. Зміна температури кубика фторопласту на поверхні -- 1 та в його середині -- 2 при розмірі сторін 3 мм за температури: а) -- 85 °С, б) -- 95 °С

а)б)

Рис. 2. Зміна температури кубика фторопласту на поверхні -- 1 та в його середині -- 2 при розмірі сторін 4 мм за температури: а) -- 85 °С, б) -- 95 °С

Тривалість дослідження, хвТривалість дослідження, хв

^{а) б)}

Рис. 3. Зміна температури кубика фторопласту на поверхні -- 1 та в його середині -- 2 при розмірі сторін 6 мм за температури: а) -- 85 °С, б) -- 95 °С

З аналізу отриманих кривих нагріву (рис. 1...3) видно, що температура кубика фторопласту всередині і на його поверхні різна. Ця різниця обумовлена теплофізичними характеристиками, що описано вище, а також залежить від його розмірів і температури теплоносія.

При розмірі кубика 3 мм різниця між внутрішньою температурою й температурою його поверхнею мінімальна і має значення 2.3 °С, при 6 мм -- 4.6 °С, при 4 мм -- 3.5 °С. З розміром сторін 3 мм кубик фторопласту буде швидко нагріватися і швидко охолоджуватися при нанесенні на його поверхню продукту, порівняно з кубиком із стороною 6 мм він повільніше нагрівається і, відповідно, повільніше охолоджується. Проте при стороні 6 мм необхідні більші швидкості і температури теплоносія, тривалість прогрівання сушильної камери при цьому зросте, тому доцільно використовувати кубики фторопласту зі стороною 4 мм, що є найбільш оптимальними.

Доцільність використання як інертних частинок кубиків фторопласту підтверджується адгезійними властивостями самого матеріалу, кут змочування якого лежить в межах 90°<а<180°[5].

Аналіз результатів досліджень показав, що доцільно використовувати інертні частинки кубічної форми з фторопласту зі стороною 4.5 мм, що є найбільш оптимальними.

В [1] доведена доцільність і ефективність використання сушіння в киплячому шарі на бінарних інертних частинках із суміші фторопластових і алюмінієвих частинок при сушінні дисперсій і кристалоутворюючих розчинів.

Враховуючи аеродинамічні властивості віброкиплячого шару інертного матеріалу, характер циркуляції його в об'ємі сушильної камери, особливості тепломасообміну та сколювання плівки сухого продукту з поверхні інертних тіл, доцільно ввести у віброкиплячий шар інертні частинки сферичної форми, які виготовлені з алюмінію. При цьому маса алюмінієвої частинки повинна відповідати масі фторопластової, яка має кубічну форму. Так, для частинки кубічної форми зі стороною 4 мм алюмінієва частинка повинна бути діаметром 4,6.4,7 мм. З урахуванням сталої площі тепломасообміну кількість інертних частинок із фторопласту та алюмінію порівняно з віброкипля- чим шаром інертних частинок з фторопласту повинна бути у співвідношенні 1:(1,40.. .1,42).

Висновок

На підставі виконаних досліджень та аналізу досліджень інших авторів щодо сушіння рідких продуктів у киплячому та віброкиплячому шарі інертних частинок установлено доцільність використання суміші інертних частинок з фторопласту у вигляді куба із стороною 4.5 мм та алюмінію сферичної форми з діаметром 4,6...4,7 мм при співвідношенні їх кількості 1:(1,40... 1,42).

Література

1. Коновалов В.И. Кинетика сушки дисперсий на бинарном инертном носителе / В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, А.Н. Шикунов, А.Н. Утробин // Избр. докл. V Минского междунар. форума по тепломассообмену. -- Минск : ИТМО, 2004. -- С. 7 -- 11.

2. Куцакова В.Е. Интенсификация тепло- и массообмена при сушке пищевых продуктов / В.Е. Куцакова, А.Н. Богатырев. -- Москва : Агропромиздат, 1987. -- 236 с.

3. Муштаев В.И. Сушка дисперсных материалов / В.И. Муштаев, В.М. Ульянов. -- Москва : Химия, 1988. -- 352 с.

4. Романков П.Г. Сушка во взвешенном состоянии / П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская. -- Москва : Химия, 1968. -- 360 с.

5. Якобчук Р.Л. Дослідження кута змочування та поверхневого натягу дріжджів пивних / Р.Л. Якобчук, І.В. Житнецький, В.Л. Яровий // Харчова промисловість. -- 2008. -- № 6. -- С. 15--17.

6. BenaliM. (2012), Drying of yellow pea starch on inert carriers: Drying kinetics, moisture diffusivity, and product quality. Journal of Food Engineering 110(3), pp. 337--344, http: //dx.doi .org/ 10.1016/j.j foodeng.2012.01.003.

7. Hatamipour M.S., Mowla D. (2006), Drying behaviour of maize and green peas immersed in fluidized bed of inert energy carrier particles. Food and Bioproducts Processing 84(3), pp. 220--226, http://dx.doi.org/10.1205/fbp.05002.

Размещено на Allbest.ru