Низкотемпературной сушки (литературный обзор)

1.1 Способы низкотемпературной сушки

В нашей стране и за рубежом известен и применяется ряд способов низкотемпературной сушки пищевых продуктов и установок для их осуществления, использующие тепловой насос. Особенности процесса сушки пищевых продуктов выявляются на том, что тепловые насосы способны обеспечивать и жестко поддерживать параметры воздуха (температуру, влагосодержание) как сушильного агента.

 
  низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru

Процесс сушки происходит следующим образом. В начале процесса убыль влагосодержания происходит медленно (рисунок 1.1). В этот промежуток времени t1 температура во всех точках продукта увеличивается с течением времени (предполагается, что начальная температура продукта меньше температуры адиабатического насыщения воздуха).

Поэтому эта стадия процесса сушки называется начальной стадией или стадией прогрева продукта. После начальной стадии влагосодержание продукта уменьшается с течением времени по линейному закону (кривая сушки на этом участке имеет вид прямой). Следовательно, убыль влагосодержания в единицу времени (скорость сушки) будет величиной постоянной. Температура поверхности продукта в течение этого времени не изменяется и равна температуре адиабатического насыщения воздуха (температуре мокрого термометра).

Температура в центре материала в начале процесса сушки повышается медленно, по сравнению с температурой поверхности, и несколько позже достигает температуры мокрого термометра (рисунок 1.1).

Таким образом, температуры поверхности и центра продукта становятся одинаковыми (температурный градиент внутри продукта равен нулю), перепад температуры между температурой воздуха и температурой поверхности продукта становится величиной постоянной. Тогда, при неизменном коэффициенте теплообмена, интенсивность сушки будет постоянной, следовательно, этот период t2 является периодом постоянной скорости сушки, при котором температура продукта остается неизменной.

Второй период продолжается до некоторого критического влагосодержания низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , начиная с которого температура поверхности материала повышается с течением времени, а скорость сушки уменьшается (прямолинейный участок кривой сушки переходит в кривую, асимптотически приближающуюся к равновесному влагосодержанию низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru ). Температура центра продукта также повышается с течением времени, но температурная кривая немного отстает от температурной кривой для поверхности тела. Таким образом, внутри продукта возникает температурный градиент, который постепенно уменьшается и при достижении равновесного влагосодержания низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru становится равным нулю. Этот период сушки t3 с непрерывным повышением температуры материала и с непрерывным уменьшением скорости сушки называют периодом падающей скорости. В равновесном состоянии убыли влагосодержания не происходит, а температура материала равна температуре воздуха.

Таким образом, на основе совместного анализа кривой сушки и температурных кривых весь процесс сушки делится на три периода: период прогрева t1, период постоянной скорости t2, и период падающей скорости t3.

При применении описанного выше подхода к сушке в продукте происходят следующие физические процессы. В результате испарения влаги и прогрева материала с поверхности внутрь продукта градиент влагосодержания низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru направлен от поверхности к середине продукта, а температурный градиент низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru направлен в противоположную сторону – от середины к поверхности. Таким образом, возникают два противоположно направленных потока тепла и влаги: вследствие влагопроводности - поток влаги W, направленный от середины к поверхности продукта, и в результате теплопроводности - поток тепла Q, направленный от поверхности к середине (рисунок 1.2). Вследствие этого возникает два противоположно направленных потока влаги: поток влаги, вызванный влагопроводностью низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru и поток влаги, вызванный термовлагопроводностью низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , причем эти два потока влаги направлены в противоположные стороны. Суммарный поток влаги будет равен низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru . Процесс сушки по описанному подходу в H-d диаграмме изображен на рисунке 1.3. Количество удаляемой воздухом влаги из продукта составляет Dd = d1 - d2 кг/кг.

низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru

Таким образом, обзор литературы показал, при традиционном методе сушки во время процесса сушки имеет место противоположное направление потоков тепла и влаги, что препятствует передвижению влаги изнутри продукта к его поверхности, чем замедляется процесс сушки и увеличивается расход энергии на сушку.

1.2 Схемы низкотемпературных сушильных установок

1.2.1 Термодинамические основы теплового насоса

В качестве источника тепла низкого температурного потенциала в тепловом насосе, вводимом в низкотемпературную сушку, может быть использован атмосферный или отработанный подогретый в сушилке воздух, отходящая технологическая теплая вода.

Важными характеристиками источника тепла низкого температурного потенциала является теплоемкость, располагаемые температурные напоры и массовый расход, величина коэффициентов теплоотдачи.

Термодинамический цикл работы теплового насоса идентичен циклу работы холодильной машины. Термин "тепловой насос" носит условный характер, поскольку, как показано современными положениями физики и термодинамики, теплота не является материальной субстанцией, и не может «перекачиваться» с низшего температурного уровня на верхний, как это предполагалось применительно к теплороду в работе С. Карно.

Принципиальная схема теплового насоса содержит те же элементы, что и холодильная машина (рисунок 1.3): компрессор КМ с приводным двигателем Дв, источник тепла низкого потенциала ИНП, охладитель Охл, нагреватель НГ, источник тепла высокого потенциала ИВП и расширитель - детандер Дт.

низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru

Работа идеального теплового насоса, как и идеальной холодильной машины, описывается идеальным циклом С. Карно (рисунок 1.3, б), где процесс отвода тепла рабочим телом цикла от источника низкой температуры ИНП осуществляется в изотермическом процессе 4—1, внешняя работа двигателя расходуется на сжатие рабочего тела в компрессоре КМ в адиабатическом процессе 1-2, теплоотвод от рабочего тела в нагревателе НГ к источнику высокой температуры осуществляется в изотермическом процессе 2-3, и последующее адиабатное расширение рабочего тела в процессе 3-4 проводится в расширителе Дт; работа расширения возвращается к компрессору КМ, тем самым сокращая величину приводимой энергии.

Таким образом, в результате расхода приводной энергии N и подвода низкопотенциальной теплоты QХ от источника тепла повышается температура и энтальпия рабочего тела, и высокопотенциальная теплота QГ передается источнику высокой температуры.

Основной внешней термодинамической характеристикой теплового насоса принимается коэффициент преобразования тепла (КОП) m, который характеризует отношение количества тепла QГ, переданного источнику высокой температуры ИВП, к затраченной в цикле работе LЦ. Для идеального теплового насоса значение QГ равно количеству тепла, отданного в нагревателе QК, а затраченная в цикле работа LЦ = LКМ – LДТ. Тогда

низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , (1.1)

где ТГ, ТХ – температура рабочего тела цикла в нагревателе и охладителе, К.

Значение mИД всегда больше единицы, и при уменьшении разности (ТГ - ТХ) величина mид возрастает. Однако в реальном тепловом насосе, где необходимо обеспечить перепады температур DTОХЛ и DTНГ (рисунок 4, б), коэффициент преобразования, отнесенный к технологической схеме подготовки воздуха, записывается в виде

низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , (1.2)

и хотя значение mвз > 1, наличие необратимостей в цикле приводит к потерям энергии, вследствие чего mвз < mид.

Величина mвз показывает, что с энергетической точки зрения для нагрева целесообразнее применять тепловой насос, чем прямое преобразование электрической энергии, так как при температуре ТГ тепловой насос позволяет трансформировать один джоуль электроэнергии в m раз больше джоулей теплоты.

Для оценки внутренней энергетической эффективности теплового насоса, т.е. эффективности преобразования энергии в самом тепловом насосе, используется эксергетический КПД, записываемый применительно к рисунку 1.4 в виде

низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , (1.3)

где еНГ - эксергия теплового потока в нагревателе НГ;

еНГ - подведенная к двигателю Дв эксергия, обеспечивающая работу теплового насоса.

К рабочим веществам тепловых насосов предъявляются те же требования, что и к хладагентам. Верхний температурный уровень тепловых насосов выше, чем в холодильных машинах, поэтому в качестве рабочих тел применяют воздух, аммиак R717, хладоны R133, R142. Основные требования к рабочим веществам - стабильность характеристик и невысокие значения давлений при температуре ТГ.

Действительной КОП mд зависит, таким образом, от многих факторов: температурного, свойств рабочего тела, вида термодинамического цикла, рабочих коэффициентов компрессора, необратимостей в теплообменных аппаратах и ряда других.

С целью приближения к циклу Карно в ряде случаев стремятся обеспечить подвод и отвод тепла в условиях, близких к изотермическим. Для этого в качестве рабочих тел подбираются хладагенты, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Рабочие вещества поглощают теплоту при испарении и отдают при конденсации. Сжатие должно осуществляться в области сухого перегретого пара, чтобы обеспечить безопасную безаварийную эксплуатацию компрессора; жидкое рабочее тело расширяют в процессе дросселирования; это упрощает регулирование работы, но некоторое количество полезной работы в цикле теряется и КОП уменьшается.

В системе с замкнутым контуром циркуляции воздуха осуществляется последовательная хладо- и теплообработка воздуха, при этом в охладителе-испарителе Охл-И отводится теплота Q0, влажный воздух охлаждается ниже температуры точки росы и осушается на величину Dd1 (процесс 4-1), после чего поступает в нагреватель-конденсатор НГ-Кд, где воспринимает теплоту конденсации QК и повышает свою энтальпию и температуру (процесс 1-2).После дополнительного подогрева теплотой сжатия в вентиляторе ВН (процесс 2-3) воздух поступает в сушильную камеру СКм, где осуществляется сушильный процесс 3-4.

В этой системе можно обеспечить плавное регулирование dН, jН путем изменения температур охлаждающей поверхности и конденсации рабочего тела, полностью утилизируется теплота, затраченная на испарение влаги из продукта; удельный расход энергии в обычных сушилках составляет около 4000 кДж/кг, в то время как в такой схеме он не превышает 600¸800 кДж/кг.

 
  низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru

Использование той или иной модификации системы низкотемпературной сушки обусловливается конкретными условиями их эксплуатации, в перечень которых входят температура и относительная влажность окружающего воздуха и выходящего из сушильной камеры, наличие и тепловая мощность источника низкотемпературного тепла, целесообразность использования вырабатываемого холода для обработки воздуха как сушильного агента, высушиваемого продукта или другого охлаждаемого материала, вид приводной энергии для компрессора теплового насоса (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина) и др.

2.1 Обоснование физической модели

Основными требованиями к сушильным установкам - обеспечение равномерности сушки и получение высококачественного продукта во всем объеме сушильной камеры при высоких технико-экономических показателях.

Таким образом, для проведения эффективного процесса низкотемпературной сушки в кондиционированном воздухе необходимо рассчитать продолжительность сушки tс, процесс изменения средней температуры продукта низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru и среднего влагосодержания продукта низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , анализируя динамику изменения полей температуры низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , влагосодержании низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , и парциальных давлений водяного пара низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , учитывая температуру нагрева низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru и параметры кондиционированного воздуха ( низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru ), при условии низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru , низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru .

Применительно к сушке пищевых продуктов система одноконтур­ной сушилки с кондиционированным воздухом комплектуется с тепловым насосом и вентилятором ВН (рис. 4.6). В сушильную камеру СКм, куда поступает продукт температурой tПДнач, противотоком подается подогретый воздух температурой t1 и низкой относительной влажностью ϕ1. Подогретый сухой воздух ассимилирует влагу из продукта в изоэнтальпийном процессе 1-2 (рис. 4.7) и понижает свою температуру до t2. Тепло, подводимое к продукту от воздуха, возвра­щается в воздух в скрытом виде, так как с понижением температуры воздуха его влагосодержание d2 и относительная влажность ϕ2 повышаются.

низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru

Рисунок 2.1 - Схема одноконтур­ной сушилки с тепловым насосом

низкотемпературной сушки (литературный обзор) - student2.ru

Насыщенный влагой и остывший воздух с параметрами t2, d2, ϕ2 поступает в охладитель-испаритель Охл-И, где в результате теплообмена с кипящим хладагентом воздух охлаждается до температуры и осушается до состояния d2 и ϕ2 в процессе 2-3. При этом на поверх­ности охлаждения выпадает влага в количестве Δd1 = d2 - dl так как температура поверхности имеет значение toxn ниже температуры точки росы t0. Затем воздух поступает в нагреватель-конденсатор хладагента НГ-Кд, где подогревается без изменения влагосодержания в процессе 3-4 до состояния t4, ϕ4. В вентиляторе ВН осуществля­ется дополнительный подогрев до состояния tl, ϕ1, и воздух вновь поступает в СКм, контур циркуляции воздуха замы

Рисунок 2.2 - Отображение процессов обработки воздуха в одноконтур­ной сушилке с тепло­вым насосом на Н—d- диаграмме

Порядок работы оборудования теплового насоса, осуществляюще­го замкнутый цикл хладагента, описан ранее.

Сушильная установка с типовым насосом, разработанная А.Г.Ионовым и А.Э.Сусловым, предназначена для вяления рыбы и представ­лена на рис. 4.8. При работе системы воздух, подогретый в нагревателе-конденсатора НГ-Кд, вентилятором подается в туннель, где ассимилирует влагу из рыбы. Теплота, подводимая к рыбе от воздуха в явном виде вследствие разности температур, затрачивается на испарение влаги, в результате температура воздуха понижается, а его влажность повышается. В поверхностном воздухоохладителе Охл-И воздух осушается и охлаждается, а в выносном конденсаторе НГ-Кд нагревается без изменения влагосодержания. Затем воздух дополни­тельно подогревается в вентиляторе. При изменении тепловой нагрузки на конденсатор НГ-Кд тепло частично отводится в дополни­тельном конденсаторе Кд, что позволяет регулировать режим сушки рыбы.

Наши рекомендации