Изучение процесса сушки материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра технологического оборудования животноводческих и перерабатывающих предприятий

Методические указания

к лабораторной работе по дисциплине

Процессы и аппараты пищевых производств

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ МАТЕРИАЛОВ

Направление подготовки бакалавров

110800, 260100, 260200, 260800

Уфа 2013

Рекомендовано к изданию

методической комиссией факультета

пищевых технологий

(Протокол №31от января 2013 г.)

Составители: доценты Мартынов В.М., Галин Н.М.

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой

«Технологическое оборудование животноводческих

и перерабатывающих предприятий»

доцент Мартынов В.М.

1. Цель работы

Изучение кинетики терморадиационной и конвективной сушки влажных материалов.

2. Содержание работы

1. Ознакомление с конструкцией сушильных шкафов для терморадиационной и конвективной сушки влажных материалов.

2. Изучение кинетики сушки материалов в терморадиационной и конвективной сушилке.

3. Построение по результатам опыта кривых сушки, скорости сушки и температурных кривых.

4. Нахождение по экспериментальным данным первой критической влажности, приведенной критической влажности и коэффициента сушки для обеих сушилок.

5. Определение времени терморадиационной и конвективной сушки, необходимого для достижения конечной влажности.

3. Оснащение рабочего места

Термосушильный шкаф УС-4, шкаф сушильный электрический СЭШ-3М, весы аналитические электронные HL-100, термометр ТС-4М, цифровой термометр-таймер SA 880 SSX, эксикатор, бюксы алюминиевые с сетчатым дном (4 шт.), тигельные щипцы, высушиваемый материал.

4. Общие сведения

Сушкой называют процесс удаления влаги из влажных материалов путем ее испарения.

Характер протекания процесса сушки наиболее полно описывается графиками: кривая сушки (в координатах влажность материала - время), кривая скорости сушки (в координатах скорость сушки - влажность материала) и температурными кривыми (в координатах температура материала - влажность материала). Характер этих кривых обусловлен физико-химическими свойствами материалов, в частности, изменением коэффициента влагопроводности и градиента влагосодержания при сушке.

Данные для построения кривых получают в лабораторных условиях при фиксировании массы образца материала и его температуры в процессе сушки.

5. Описание лабораторной установки

Для терморадиационной сушки фруктов, овощей, ягод, трав, грибов и других продуктов питания растительного происхождения используется термосушильный шкаф УС-4 (рисунок 1). Он представляет собой сушильную камеру в виде прямоугольного параллелепипеда, оборудованную источниками теплоты - нагревательными элементами, расположенными над выдвижными ярусами (лотками). На лотки помещают высушиваемый материал. Терморадиационная сушка осуществляется посредством комбинированного воздействия теплового потока и инфракрасного излучения. Благодаря специальной конструкции нагревательных элементов, спектр излучения которых близок к естественному солнечному спектру в инфракрасной его части, высушенный продукт получают с сохранением цвета, вкуса и запаха, а также органической структуры молекулярных соединений. сушильный терморадиационный конвективный влажность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Термосушильный шкаф УС-4

Шкаф сушильный электрический СЭШ-3М предназначен для сушки зерна, зернопродуктов и других влагосодержащих материалов при температуре 105 и 130°С. Он представляет собой небольшую сушильную камеру, защищенную слоем теплоизоляции, с дверкой для загрузки бюкс (рисунок 2). Сушильная камера снабжена вращающимся столом, приводимым во вращение турбинкой с шестеренчатым редукторным устройством. Турбинка расположена под столом в кожухе электрического нагревателя шкафа. Вращение этой турбинки и обмен воздуха в шкафу обеспечиваются воздушным потоком, создаваемым центробежным вентилятором с вертикальной осью вращения. Крылатка вентилятора помещена в нижней части сушильного шкафа и получает вращение от электродвигателя.

Рисунок 2 - Шкаф сушильный электрический СЭШ-3М

6. Методика проведения работы

6.1 Определение начальной влажности материала

Из партии обильно увлажненного материала (овощи, зерно, и т.п.) отбирают две пробы (около 5 г) и помещают их в алюминиевые бюксы с сетчатым дном, массу которых определяют заранее.

Бюксы с пробой взвешивают на электронных весах HL-100 и ставят в сушильный шкаф СЭШ-3М, температура в котором при помощи терморегулятора поддерживается постоянной и равной 105°С. Каждая навеска высушивается до постоянной массы (до тех пор, пока 2 очередных взвешивания не дадут одинакового результата). Для этого бюксы с интервалом 1 час вынимают из сушильного шкафа, и после охлаждения в эксикаторе с присутствием хлорида кальция взвешивают на весах.

Протокол для определения начальной влажности представляют в форме таблицы 1.

Таблица 1 - Определение начальной влажности материала

Проба	Масса бюкса, г mб	Масса пробы c бюксом, г mпб	Масса пробы, г m=mпб-mб	Масса пробы с бюксом после сушки в сушильном шкафу, г mсб mсб mnсб	Масса пробы после сушки, г mс=mnсб-mб	Влажность пробы, % W0
1								W01
2								W02

6.2 Проведение замеров для определения температуры и влажности материала при терморадиационной сушке

Включают обогрев термосушильного шкафа УС-4.

Берут алюминиевый бюкс с сетчатым дном, определяют его массу без крышки и помещают в него увлажненный материал из той же партии, из которой брали две пробы для определения начальной влажности материала. Толщину слоя рассыпного влажного материала в бюксе следует принять равной 15-25 мм. Следует учитывать, что с ростом этой толщины увеличивается продолжительность процесса сушки, а со снижением толщины слоя затрудняется определение температуры материала, который уменьшается в объеме к концу сушки.

Взвешивают на весах HL-100 бюкс с исходным материалом и замеряют его температуру путем ввода через боковое отверстие в бюксе датчика электронного термометра SA 880 SSX.

После прогрева сушильного шкафа замечают время начала опыта и помещают в него бюкс с высушиваемым материалом. Через определенные интервалы времени (от 20 до 30 минут) производят измерение убыли влаги в материале и измеряют температуру материала. Для этого вынимают бюкс с материалом, закрывают его крышкой, помещают в него датчик электронного термометра и после стабилизации показаний термометра (2-3 мин.) данное значение температуры принимают за истинное значение. Рекомендуется перед каждым замером температуры материала прогреть щуп термометра до температуры предыдущего замера. Прогрев щупа можно произвести над тем же сушильным шкафом УС-4 за счет выходящего из него теплого воздуха. Затем взвешивают бюкс на весах без крышки. Результаты замеров заносят в таблицу 2. Опыт заканчивают после того, как практически прекратится уменьшение массы материала.

Таблица 2 - Результаты опыта по терморадиационной (конвективной) сушке

Замер	Время замера, мин. ф	Температура материала, 0С t	Масса материала с бюксом, г mвб	Масса материала, г m=mвб-mб	Влажность материала, % W	Влажность материала к сухой массе, %
0	0	t0	mвб0	m0	W0
1	ф1	t1	mвб1	m1	W1
…	…	…	…	…	…	…
i	фi	ti	mвбi	mi	Wi
…	…	…	…	…	…	…
k	фk	tk	mвбk	mk	Wk
Масса бюкса mб =

6.3 Проведение замеров для определения температуры и влажности материала при конвективной сушке

Для лабораторного исследования конвективной сушки используется сушильный шкаф СЭШ-3М.

Методика проведения конвективной сушки аналогична методике, описанной в пункте 6.2. Ввиду того, что скорость сушки в данном шкафу выше, чем в терморадиационной сушилке УС-4, толщину слоя исходного материала можно увеличить до 30 мм. При такой значительной толщине высушиваемого слоя материала в бюксе замеры температуры можно производить при помощи термометра ТС-4М, вмонтированного в крышку бюкса.

Результаты замеров заносят в таблицу 2.

7. Обработка опытных данных

7.1 Расчет начальной влажности материала

Влажность материала в процентах, отнесенную к общей массе, определяют по формуле

.

Результаты расчетов по данной формуле заносят в таблицу 1.

По результатам расчета для двух проб находят среднюю начальную влажность материала

.

Кривые сушки строят обычно, используя влажность материала по отношению к сухой массе, которую можно рассчитать по формуле

.

7.2 Расчет влажности материала

Влажность материала по отношению к сухой массе для i-го замера (i = 1, 2, …, k) определяют по формуле

,

где - масса влаги в материале для i-го замера;

- масса сухой части материала, определенная по формуле

,

где - масса материала, загруженного в сушильную камеру;

- начальная влажность материала, %.

Масса влаги в материале для i-го замера равна

,

где - масса материала при i-ом замере.

7.3 Построение кривой сушки

На основании данных таблицы 2 на миллиметровой бумаге откладывают на оси ординат значения влажности , начиная от начальной , а по оси абсцисс - время ф от начала опыта в минутах (рисунок 3).

Рисунок 3 - Кривые: 1 - сушки материала; 2 - нагрева материала

7.4 Построение кривой скорости сушки

Кривую скорости сушки строят методом графического дифференцирования кривой сушки. Для этого на кривой сушки (см. рисунок 3) помечают несколько (6-10) точек. В каждой точке проводят касательную к кривой и находят тангенс угла ш наклона каждой касательной. Например, для точки 6 тангенс угла касательной будет рамен

,

где а - величина отрезка на оси ординат, %

б - величина отрезка вдоль оси абсцисс, мин.

Рисунок 4 - Кривая скорости сушки

Найденные таким образом тангенсы угла наклона касательных во всех точках имеют размерность % / мин.; они показывают изменение влажности материала за единицу времени. Рассчитанные значения скорости сушки записывают в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты графического дифференцирования кривой сушки

Номер точки на кривой сушки	Влажность материала Wc, %	Скорость сушки dWc / dф, %/мин
1	Wc1
…	…	…
n	Wcn

При нахождении скорости сушки будет обнаружено, что для некоторых точек в начале процесса тангенсы угла наклона одинаковы. Этот период сушки называют периодом постоянной скорости - N. В этот период происходит интенсивное испарение влаги на поверхности материала. В этой области удаляется влага, которая слабо связана с сухим веществом материала, например, осмотически удержанная вода. Теплота испарения такой воды не превышает теплоту испарения свободной воды.

При некоторой влажности, называемой первой критической , влажность на поверхности материала становится равной гигроскопической. С этого момента происходит углубление зоны испарения, уменьшается коэффициент влагопроводности (коэффициент диффузии влаги), и процесс сушки протекает с убывающей скоростью - это второй период.

Кривая сушки асимптотически с течением времени приближается к линии равновесной влажности . Равновесная влажность материала - это влажность, соответствующая состоянию динамического равновесия между материалом и влажным воздухом, т. е. когда парциальное давление пара у поверхности материала равно парциальному давлению пара в воздухе. Влажность зависит от режима сушки.

По данным таблицы 3 на миллиметровой бумаге строят кривую скорости сушки в координатах dW^c / dф - W^c, т. е. на оси ординат откладывают скорость сушки, а на оси абсцисс - влажность материала (рисунок 4). На этом графике также отмечают критическую точку, соответствующую ей критическую влажность и два периода сушки.

Следует заметить, что для некоторых материалов, прочно удерживающих влагу (например; адсорбированную, микрокапиллярную), и характеризующихся малой влагопроводимостью, период постоянной скорости может иметь малую величину или совсем отсутствовать.

7.5 Построение температурной кривой

Строят кривую нагрева материала t = f ( ф ). Ее можно построить на графике (рисунок 3). Строят также температурную кривую t = f(W^c), представленную на рисунке 5.

Рисунок 5 - Температурная кривая

На температурной кривой должен быть получен участок с постоянной температурой материала, равной температуре мокрого термометра (воздуха) t_{м ,} что соответствует периоду постоянной скорости сушки.

Известно, что испарение влаги в этот период не приводит к перегреву и порче термолабильного материала.

После первой критической точки температура материала увеличивается и может достигнуть температуры воздуха t_c при равновесной влажности.

Однако обычно сушку заканчивают по достижении некоторого конечного влагосодержания , определяемого требованиями технологической практики.

7.6 Расчет времени проведения процесса

При проектировании сушильных установок, как и аппаратов для других технологических операций, очень важным является расчет времени проведения процесса.

Продолжительность процесса можно рассчитывать на основании полученных опытным путем кривых сушки и скорости сушки. Так, продолжительность сушки в первый период равна

,

где - соответственно начальная и первая критическая влажность, %;

N - скорость сушки в первый период, % / мин.

Для периода убывающей скорости расчет длительности процесса усложняется вследствие сложной конфигурации кривой скорости сушки. Продолжительность сушки в этот период может быть определена приближенно с помощью так называемого коэффициента сушки K ( по методу академика А.В. Лыкова ).

Для расчета K используют экспериментальную кривую скорости сушки данного материала, заменяя в ней криволинейный отрезок (во втором периоде) наклонной прямой, проводимой от точки до горизонтального участка, соответствующего периоду постоянной скорости. Прямую линию проводят таким образом, чтобы площадь под графиком оставалась неизменной (отрезаемая и прирезаемая площади были равны). Верхний конец этой прямой соответствует так называемой приведенной критической влажности , которой заменяют первую критическую влажность (рисунок 4).

Тогда

,

а продолжительность сушки в первый и во второй период определяется по уравнению

;

.

Общая продолжительность сушки составляет

.

8. Оформление отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) задание (цель работы);

2) методику проведения работы;

3) протоколы наблюдений;

4) все необходимые расчеты;

5) графические зависимости;

6) выводы.

9. Контрольные вопросы

1. Какой технологический процесс называют сушкой?

2. Что является движущей силой этого процесса?

3. Что называют скоростью сушки?

4. При каких условиях скорость сушки в первом периоде постоянна?

5. Как называют скорость сушки во втором периоде, и чем определяется в этот период скорость процесса?

6. Что такое равновесное влагосодержание материала?

7. Как изменяется температура материала в процессе сушки?

8. В каком периоде сушки влага в материале перемещается из внутренних слоев к поверхности?

9. Что такое коэффициент сушки?

10. Как получены формулы для расчета длительности сушки?

11. Приведите схемы конструкций сушилок с различными методами подвода энергии для сушки продуктов растительного происхождения.

Библиография

1. Гинзбург А.С., Основы теории и техники сушки пищевых продуктов.- М.: Пищевая промышленность, 1973.- 528 с.

2. Лыков А.В. Теория сушки.- М.: Энергия, 1968.- 470 с.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971.- 784 с.

Размещено на Allbest.ru