Расчет производительности и энергозатрат. Автоклавы, стерилизаторы и пастеризаторы рассчитываются на основе уравнения теплового баланса.

Производительность автоклава П_А (шт/мин) определяется по формуле ,

где: n_Б – количество банок, загружаемых в автоклав; τ – продолжительность полного цикла работы автоклава, мин.

Уравнение теплового баланса автоклава имеет вид

, Дж/с.

где: Q₁ – расход тепла на нагрев автоклава, Дж/с; Q₂ – расход тепла на нагрев сеток, Дж/с; Q₃ – расход тепла на нагрев банок, Дж/с; Q₄ – расход тепла на нагрев продукта, Дж/с; Q₅ – расход тепла на нагрев воды в автоклаве, Дж/с; Q₆ – потери тепла в окружающую среду, Дж/с.

Производительность стерилизатора непрерывного действия ,

где: M – количество банок одновременно находящихся в стерилизаторе, шт; τ – продолжительность цикла стерилизации, с.

Для стерилизатора с цепным транспортирующим органом

,

где: V – скорость движения цепей транспортера, м/с; a – расстояние между центрами банок, м; n_К – число банок в одном банкодержателе, шт.

Тепловой баланс стерилизатора непрерывного действия

,

где: Q₁ – расход тепла на нагрев банок, Дж/с; Q₂ – расход тепла на нагрев продукта, Дж/с; Q₃ – расход тепла нагрев транспортирующих средств, Дж/с; Q₄ – расход тепла на подогрев доливаемой вода, Дж/с; Q₅ – расход тепла на компенсацию потерь в окружающую среду, Дж/с.

Контрольные вопросы

1. 
   Как осуществляется передача теплоты в процессе темперирования и повышения концентрации пищевых сред?
   
2. 
   Какое оборудование предназначено для изменения температуры вязких и жидких пищевых сред?
   
3. 
   Как классифицируется оборудование для темперирования и повышения концентрации пищевых сред?
   
4. 
   Какие функции выполняет двойной предохранительный клапан в пищеварочном котле?
   
5. 
   Каково устройство и принцип действия оборудования, представленного в разделе 4.1?
   
6. 
   Какие факторы и как влияют на интенсивность и эффективность работы рассмотренного теплообменного оборудования?
   
7. 
   В чем сущность расчета производительности и энергозатрат рассмотренного оборудования?
   
8. 
   Какие преимущества имеют многокорпусные выпарные установки перед однокорпусными аппаратами?
   
9. 
   В какой последовательности происходит уваривание сиропов и рецептурных смесей в змеевиковом аппарате непрерывного действия?
   
10. 
    В чем преимущество роторно-пленочных испарителей перед трубчатыми и пленочными?
    
11. 
    С какой целью и как осуществляется дезодорация жидких пищевых продуктов?
    
12. 
    С какой целью проводится ошпаривание и бланширование картофеля, овощей и фруктов?
    
13. 
    Какие виды оборудования применяются для стерилизации и пастеризации?
    

4.2. Аппараты для сушки пищевых сред
Изучить самостоятельно [2, с. 792…796]:

1. 
   Способы сушки.
   
2. 
   Научное обеспечение процесса сушки.
   
3. 
   Классификация оборудования
   

4.2.1. Барабанные сушильные агрегаты
Барабанные сушилки применяются для сушки семян подсолнечника (одно- и двухбарабанные), зерна (СЗСБ-8), сахара-песка (СБУ-1), молочного сахара (СБА-1), отжатого жома (А2-ПСА), витаминной муки (АВМ) и других сыпучих материалов. Основным элементом барабанных сушилок является горизонтальный или наклонный (под углом α= 3…5⁰, рис 4.19) вращающийся цилиндрический барабан, внутри которого перемещается по длине, перемешивается и сушится сыпучий продукт.

Внутри барабана установлены различного типа насадки (рис. 4.18), способствующие повышению эффективности процесса сушки. Конструкции насадок (внутренних устройств) выбираются в соответствии с требованиями технологического процесса (подъемно-лопастные – а, б, в; распределительные – д, е; концентрические – в, з; перфорированные – г, ж; канальные – ж, з, и и др.) Основной характеристикой сушильного барабана является его влагонапряжение по испаренной влаге A = 6…44 кг/(м³·ч), величина которого зависит от степени заполнения и частоты вращения барабана, теплофизических свойств и размеров продукта, а также от температуры, влажности и скорости движения сушильного агента.

Барабан приводится во вращение при помощи зубчатого венца, надетого на него. Венец находится в зацеплении с зубчатым колесом редуктора. Частота вращения барабана 1…8 мин^-1. Диаметр барабана зависит от производительности сушилки и составляет 600…2800 мм.

Представленная на рис. 4.19 барабанная сушилка работает следующим образом. Влажный материал поступает в сушилку через питатель. При вращении барабана высушиваемый материал пересыпается и движется к раз-

Рис. 4.18. Насадки сушильных барабанов

грузочному отверстию. За время пребывания материала в барабане происходит его высушивание при взаимодействии с теплоносителем – в данном случае топочными газами, которые поступают в барабан из топки.

Сушильные газы и материал могут двигаться прямотоком или противотоком. При прямотоке удается избежать перегрева материала, так как при этом горячие газы взаимодействуют с материалом с высокой влажностью. Чтобы исключить большой унос пыли, газы просасываются через барабан вентилятором со скоростью 2…3 м/с. Перед выбросом в атмосферу отработанные газы очищаются в циклоне.

Барабанная зерносушилка СЗСБ-8 предназначена для сушки различных зерновых культур любой степени влажности и засоренности без предварительной очистки (рис.4.20).

Сушильный барабан шестисекционный с подъемно-лопастной системой внутренних устройств. В передней (конусной) части барабана шесть винтовых дорожек, подводящих материал к секторам. Сушильный барабан заканчивается конусным патрубком, к наружному фланцу которого присоединено съемное подпорное кольцо с шестью люлькам, и имеет два бандажа, которыми опирается на металлические ролики, приводящие барабан в движение за счет приводного механизма 9. Зерно выгружается непрерывно при помощи шлюзового затвора разгрузочной камеры 3 и разгрузочного элеватора 5.

Рис. 4.19. Схема барабанной сушилки:

1 – топка; 2 – бункер; 3 – барабан; 4 – бандажи; 5 – зубчатое колесо; 6 – вентилятор; 7 – циклон; 8 – приемный бункер; 9 – шлюзовый питатель; 10 – опорные ролики.

Охладительная колонка 4 вертикальная, образована из двух концентрических цилиндров, нижняя часть которой перфорирована, верхняя – сплошная. Кольцевое пространство между цилиндрами служит емкостью для зерна, в которой происходит охлаждение. К верхней части внутреннего цилиндра присоединен всасывающий патрубок вентилятора 6, который отводит отработанный воздух.

Зерно через загрузочную камеру 10 поступает в сушильный барабан 2, где лопатки барабана и крестовины подхватывают зерно и поднимают его вверх, откуда оно ссыпается вниз. При каждом таком ссыпании под действием воздушного напора и подпора загрузки зерно перемещается вдоль барабана. Агент сушки, выходя из топки 1 и проходя через барабан 2, омывает ссыпающийся с пола материал, высушивает его и отводится вентилятором 7.

Рис. 4.20. Барабанная зерносушилка СЗСБ-8

З ерносушилка работает под разряжением во избежание утечки агента сушки через неплотности. Сочленение вращающегося барабана с загрузочной и разгрузочной камерами осуществляется через скользящие лабиринтовые уплотнения. Регулирование пропускной способности зерносушилки осуществляется с пульта управления 8.

Техническая характеристика: производительность по пшенице – до 8 т/ч; установленная мощность 28,2 кВт; расход условного топлива 95 кг/ч; испарительная способность – 560 кг испаренной влаги в час.

Расчет производительности и энергозатрат. Уравнение, связывающее основные параметры работы сушилки с вращающимся барабаном, имеет вид:

,

где: G – объемная пропускная способность барабана, м³/с; n – частота вращения барабана, с^-1; φ – угол наклона барабана, рад; ψ – угол наклона материала к оси барабана, рад; α – угол естественного откоса сыпучего продукта, рад; R – внутренний радиус барабана, м; r – радиус, касающийся слоя материала, м.

Производительность барабанной сушилки по готовому продукту, кг/ч:

,

где: V_П – объем продукта, находящегося в барабане, м³; ρ – насыпная плотность продукта, кг/м³; τ – время пребывания сыпучего продукта в барабане, с.

Частота вращения барабана n (с^-1) при заданном угле наклона барабана φ равна: ,

где: k – эмпирический коэффициент; L, D – длина и диаметр барабана, м.

Мощность N (кВт) электродвигателя привода барабана

,

где: k_З – коэффициент, зависящий от вида насадки и степени заполнения барабана;

4.2.2 Вальцовые сушилки
Вальцовые сушилки предназначены для сушки жидких и пастообразных материалов, например казеин, лактоза, кормовые дрожжи, различные пасты и другие материалы. Греющий пар поступает в вальцы, вращающиеся навстречу друг другу. Один из барабанов находится в подвижных подшипниках, что позволяет регулировать зазор между барабанами, а, следовательно, и толщину пленки высушиваемого материала.

Продукт, подлежащий сушке, подается питателем на рабочую поверхность барабанов и образует на их поверхности тонкую пленку. По мере вращения барабана продукт высушивается и снимается ножом, а затем шнеком отводится за пределы сушилки. В случае необходимости досушки материала вальцовая сушилка снабжается гребковым досушивателем.

Рис. 4.21. Вальцовая сушилка:

1 – досушиватель; 2 – корпус; 3 – привод; 4 – ведущий валец; 5 – сифонная трубка; 6 – нож; 7 – ведомый валец.
Расчет производительности и энергозатрат. Производительность вальцовой сушилки П (кг/с)

,

где: D_В – диаметр вальцов, м; h – ширина слоя продукта на вальцах, м; n – частота вращения вальцов, с^-1; δ – толщина слоя продукта на вальцах, м; ρ – плотность продукта, кг/м³.

Мощность привода вальцовой сушилки (кВт)

,

где: P – сила, потребная для срезания слоя на 1 м длины ножа, Н/м (P = 300 Н/м); L – длина вальца, м (L = 1 м); z – число вальцов(z = 2); μ – коэффициент трения ножа о вальцы (μ = 0,18); α – угол наклона ножа к касательной вальца (α = 30…45°); η – КПД передачи (η = 0,8…0,85).

4.2.3. Ленточные конвейерные многоярусные сушилки
Ленточные многоярусные конвейерные сушилки применяют для сушки макаронных изделий, сухарей, фрухтов, овощей, крахмала и др. Число конвейерных лент может достигать пяти.

Каждый транспортер ленточной сушилки (рис. 4.22) имеет индивидуальный привод, свободное сечение сетчатой ленты транспортера порядка 50%. Между ветвями транспортеров расположены калориферы – трубчатые ребристые подогреватели, обогреваемые паром. Воздух в сушилку подается вентилятором и проходит перекрестным по отношению к материалу потоком через ленты транспортеров. Отработанный воздух удаляется через зонт в трубу в верхней части сушилки. Скорость движения ленты транспортера регулируется вариатором в пределах 0,1…0,7 м/мин.

К конвейерным сушилкам относятся Г4-КСК-90 (для сушки картофеля и овощей), СКО-90 (для сушки овощей и фруктов), СПК-4Г и ЛС-2А (для сушки короткорезанных и длинных макаронных изделий), 4СП (для сушки скрученного чайного листа) и др.

Конвейерная ленточная сушилка Г4-КСК-90 (рис. 4.23) имеет сварной металлический корпус 3, внутри которого расположены пять ленточных транспортеров. Продукт загружается транспортером 2 на верхнюю ленту, последовательно перемещается с одной ленты на другую сверху вниз и выходит с нижней ленты со стороны, противоположной месту загрузки продукта в сушилку. На транспортере установлен раскладчик 1 скребкового типа, который приводится в движение от автономной приводной станции 12. Для нагрева воздуха между линиями транспортера установлены подогреватели, каждый из которых снабжен собственным подводом пара и отводом конденсата. Воздух поступает под нижнюю ленту, а затем последовательно проходит через подогреватели и все вышерасположенные ленты. Влажный воздух удаляется через вытяжные камеры 4 с помощью осевых вентиляторов 6 через воздуховоды 9. Вытяжные камеры снабжены клапанами 7 для регулирования отвода сушильного агента.

Для перемешивания продукта с целью равномерной сушки и предотвращения слипания в начале верхнего ленточного конвейера установлен ворошитель-разравниватель, приводимый в движение от автономного привода 5.

Рис. 4.22. Ленточная сушилка:

1 – корпус; 2 – ленточный конвейер; 3 – ведущие барабаны; 4 – ведомые барабаны; 5 – калориферы; 6 – бункер с загрузочным устройством.

Для привода ленточных конвейеров сушильной камеры служат две станции 10, одна приводит в движение первый, третий и пятый, а другая – второй и четвертый конвейеры. Для удобства обслуживания сушилка комплектуется лестницей 8, а также предусмотрен щит управления 11.

Техническая характеристика: производительность по сухому картофелю – 0,046 кг/с; производительность по испаренной влаге – 670 кг/с; площадь рабочей поверхности – 90 м²; ширина ленты – 2 м; число конвейеров – 5; скорость движения конвейера – 0,1…0,6 м/мин; общая площадь поверхности подогревателей – 1465 м²; общий расход пара 2400 кг/с; мощность электродвигателей – 14,7 кВт.

Рис. 4.23. Конвейерная ленточная сушилка Г4-КСК-90

Расчет производительности и энергозатрат. Масса высушенного продукта, выходящего из ленточной сушилки П (кг/ч) рассчитывается по формуле

,

где: G – пропускная способность по влажному продукту, кг/ч; u₁ и u₂ – начальная и конечная влажность продукта, %.

Расход пара на сушку D (кг/с) рассчитывается по формуле

,

где: Q – расход теплоты в воздухоподогревателе, Дж/кг; i и i_К – энтальпия греющего пара и конденсата, Дж/кг.

Камерные сушилки являются простейшими конвективными сушилками и представляют собой корпус, внутри которого находятся вагонетки. На полках вагонеток размещают влажный материал (сухари, овощи, фрухты, макароны и т.п.). Теплоноситель нагнетается в сушилку вентилятором, предварительно подогретый в калорифере и проходит над поверхностью высушиваемого материала или пронизывает слой материала снизу вверх. Часть отработанного воздуха смешивается со свежим. Эти сушилки периодического действия работают под атмосферным давлением. Они применяются в малотоннажных производствах для сушки материалов при невысоких температурах в мягких условиях. Камерные сушилки имеют низкую производительность и отличаются неравномерностью сушки материала.

Туннельные сушилки применяются для сушки техже продуктов, что и камерные. По организации процесса они относятся к непрерывнодействующим. Сушилки представляют собой удлиненный прямоугольный корпус, в котором по рельсам перемещаются тележки с высушиваемым материалом, расположенным на полках. Время пребывания тележек в сушильной камере равняется продолжительности сушки за один проход тележки. Сушильный агент подается вентилятором через калорифер в сушильную камеру. Перемещение тележек происходит с помощью толкателя. Сушилка имеет самоотворяющиеся двери.

Горячий воздух взаимодействует в сушилках с материалом в прямотоке либо в противотоке, в ряде случаев осуществляется рециркуляция воздуха и его промежуточный подогрев в сушильной камере. Калориферы и вентиляторы могут устанавливаться на крышке сушилки, сбоку или в тоннеле под сушилкой. Отработанный воздух из сушилки выбрасывается через газоход.

4.2.4. Агрегаты с кипящим и виброкипящим слоями
Агрегаты с кипящим и виброкипящим слоями используются для сушки различных мелкозернистых продуктов. Внутри сушилок на одной или нескольких ступенчатых решетках продукт высушивается в кипящем или виброкипящем состояниях.

Для обеспечения равномерного кипения частиц продукта сушильный агент подается под решетку равномерно и с соответствующей скоростью распределяется по всей площади. Сушка в виброкипящем слое характеризуется высокой интенсивностью, но сопряжена с повышенным расходом электроэнергии и высокими зарядами статического электричества.

Агрегаты с кипящим слоем могут иметь прямоугольную или цилиндрическую форму, коническую форму с фонтанирующим или вихревым слоями, а также с локальным фонтанированием. По способу теплоотвода конструкции агрегатов можно разделить на агрегаты с подводом теплоты только с псевдоожижающим агентом, с перегретым распыливаемым растровом и кондуктивно – через теплообменник в слое.

Сушилки Р3-0СС применяются для сушки молочного сахара, сушилки А1-КВР-12 – для сушки круп и хлебопекарных дрожжей, сушилки А1-ОГК – для сушки казеина, установки А1-ФМУ – для сушки меланжа.

Рис. 4.24. Сушильная установка для сушки молочного сахара Р3-0СС

Сушилка Р3-0СС (рис. 4.24) состоит из сушильной камеры 6, виброколонки для подсушивания продукта 7, зоны 5 интенсивной сушки, зоны 4 охлаждения. Продукт загружается питателем 8, выгружается через выпускное устройство в нижней части охладителя. Воздух засасывается вентилятором 2 через фильтр 1 из атмосферы, нагнетается в калорифер 3 и отводится через скруббер 9.

Молочный сахар питателем подается в виброподсушиватель 7, затем попадает в зону сушки и далее в зону охлаждения.

Техническая характеристика: производительность по сухому продукту влажностью 3% – 200…250 кг/ч; начальная влажность продукта 10…13%; расход пара – 50 кг/ч; установленная мощность – 8,3 кВт.

Сушилка А1-ОГК (рис. 4.25) содержит сушильную камеру 3 с питателем 2 для подвода исходного сырья, калориферно-вентиляционные станции первого и третьего коробов 1 и второго и четвертого коробов 4, циклонную установку 5 и отсасывающий вентилятор 6. Вибропривод 8 сушильной установки расположен между вторым и третьим коробами сушилки.

Рис. 4.25. Сушилка А1-ОГК

для сушки казеина

Короба сушилки попарно крепятся между собой при помощи стяжек 10. Привод осуществляется от электродвигателя 13, соединенного ременной передачей с промежуточным валом, который при помощи конических передач соединен с двумя эксцентриковыми валами 11, расположенными перпендикулярно продольным осям коробов. Эксцентриковые валы снабжены маховиками, установленными в подшипниках и при помощи двух пар эксцентриков (сдвинутых по фазе на 180°) шатунов 9 и пальцев передают вибрацию парам коробов, соединенных с пластинчатыми и роликовыми направляющими 7, благодаря чему обеспечивается вертикальная вибрация.

Обслуживающие площадки 12 вынесены наружу, а стенки сушильной камеры приближены к стенкам коробов. Шатуны снабжены резинометаллическими шарнирами, что повышает надежность работы соединений.

Техническая характеристика: производительность по высушенному казеину – 200 кг/ч; поверхность решет – 7,2 м²; амплитуда колебаний – 8 мм; частота колебаний – 6 Гц; расход пара – 950 кг/ч; максимальный расход воздуха – 25000 м³/ч; установленная мощность – 35 кВт.

Производительность и энергозатраты. Средний объемный расход воздуха в сушилке, м³/ч ,

где: F – площадь газораспределительной решетки аппарата, м²; V – средняя скорость сушильного агента в аппарате, м/с.

Теплота, полезно используемая в сушилке, кДж/ч,

,

где: S – поверхность дисперсного продукта в сушилке, м²; α – коэффициент межфазового теплообмена, Вт/м²·К; Δt – средний температурный напор теплоносителя, °C.

Производительность сушилки, кг/ч

,

где: d – средний диаметр частиц продукта, м; φ – коэффициент формы частиц продукта; ε – средний коэффициент порозности слоя (φ = 0,55…0,7); V – объем слоя высушиваемого продукта, м³.

4.2.5. Вакуум-сублимационные сушилки
Обезвоживание в глубоком вакууме пищевых продуктов производится при остаточном давлении в сушильной камере 13,3…133,3 Па (0,1…1,0 мм.рт.ст.). При этом давлении сублимационная сушка протекает при отрицательных температурах, а вода находится в состоянии льда. Процесс сублимации льда и десублимации паров воды происходит при давлении и температуре ниже тройной точки фазового равновесия воды, которой соответствует температура 0,098°C и парциальное давление водяных паров 613,2 Па (4,58 мм.рт.ст.).

При сублимационной сушке продукты сначала быстро замораживают, а потом помещают в вакуумную камеру, где производится откачка давления остаточных газов до 2,7…8,0 Па. В вакууме происходит интенсивное испарение льда с поглощением теплоты. Испаряемая влага не откачивается насосами, а конденсируется на десублиматорах, охлаждаемых до температуры ниже -55°C.

Рис. 4.26. Сублимационная сушилка периодического действия

При сушке сублимацией в период охлаждения и самозамораживания (первый период) испаряется 5…20% влаги, в период сушки сублимацией (второй период) из продукта в замороженном состоянии удаляется 75…80% влаги, тепловой сушкой (вакуумная досушка) удаляется 5…15% влаги. Продолжительность сублимационной сушки длительная и колеблется 8…20 ч (в зависимости от режима сушки).

Затраты теплоты на испарение 1 кг воды при сублимационной сушке (кДж/кг): при замораживании воды – 334,9; при сублимации льда (-15°C) – 269,2; при десублимации пара (-30°C) – 334,9; суммарные затраты – 6442,3.

Сублимационные сушилки применяются для сушки ценных пищевых продуктов, когда к высушенному продукту предъявляются высокие требования в отношении хранения (мясо в замороженном состоянии, овощи, фрукты и т.п.).

<предыдущая страница | следующая страница>