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.

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 , 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 ). 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 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 направлен от поверхности к середине продукта, а температурный градиент 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 и поток влаги, вызванный термовлагопроводностью , причем эти два потока влаги направлены в противоположные стороны. Суммарный поток влаги будет равен . 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.

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.

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 Q_Х от источника тепла повышается температура и энтальпия рабочего тела, и высокопотенциальная теплота Q_Г передается источнику высокой температуры.

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

, (1.1)

где Т_Г, Т_Х – температура рабочего тела цикла в нагревателе и охладителе, К.

Значение m_ИД всегда больше единицы, и при уменьшении разности (Т_Г - Т_Х) величина m_ид возрастает. Однако в реальном тепловом насосе, где необходимо обеспечить перепады температур DT_ОХЛ и DT_НГ (рисунок 4, б), коэффициент преобразования, отнесенный к технологической схеме подготовки воздуха, записывается в виде

, (1.2)

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

Величина m_вз показывает, что с энергетической точки зрения для нагрева целесообразнее применять тепловой насос, чем прямое преобразование электрической энергии, так как при температуре Т_Г 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

, (1.3)

где е_НГ - эксергия теплового потока в нагревателе НГ;

е_НГ - 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 Т_Г.

Действительной КОП m_д 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 Q_К 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 d_Н, j_Н 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.

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 t_с, процесс изменения средней температуры продукта и среднего влагосодержания продукта , анализируя динамику изменения полей температуры , влагосодержании , и парциальных давлений водяного пара , учитывая температуру нагрева и параметры кондиционированного воздуха ( , , ), при условии , .

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 t_ПДнач, 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.

Рисунок 2.1 - Схема одноконтур­ной сушилки с тепловым насосом

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 - d_l так как температура поверхности имеет значение t_oxn 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 t_l, 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.