Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, технологии и техники сушки хлебопекарных дрожжей 13
1.1. Характеристика дрожжей как биологического объекта сушки 13
1.2. Анализ существующих способов сушки дрожжей и конструкций установок 20
1.3. Представление о механизме сушки дрожжей 30
1.4. Кинетические закономерности сушки при осциллирующем теплоподводе 35
1.5. Особенности тепломассообмена в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе 39
1.6. Анализ литературного обзора и задачи исследования 56
Глава 2. Исследование хлебопекарных дрожжей как объекта сушки 59
2.1. Энергия связи влаги с дрожжами 59
2.2. Усадка дрожжей в процессе сушки 63
2.3. Выводы по главе 68
Глава 3. Исследование процесса сушки хлебопекарных дрожжей в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе 69
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения исследований 69
3.2. Исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя дрожжей 71
3.2.1. Исследование профиля скоростей потока в рабочей камере сушилки 71
3.2.2. Основные закономерности гидродинамики псевдоожиженного слоя хлебопекарных дрожжей 81
3.3. Кинетические закономерности процесса осциллирующей сушки хлебопекарных дрожжей в псевдоожиженном слое 89
3.4. Выводы по главе 93
Глава 4. Моделирование процесса конвективной сушки капиллярнопористых тел в режиме осциллирования 95
4.1. Физические предпосылки 95
4.2. Обоснование вида уравнений математической модели 101
4.3. Постановка граничных условий и формулировка математической модели 107
4.4. Численный метод интегрирования уравнений модели 111
4.5. Результаты вычислительных экспериментов и их анализ 115
4.6. Адекватность математической модели 120
4.7. Выводы по главе 124
Глава 5. Практическое использование основных результатов работы 126
5.1. Комплексная оценка качества сушеных хлебопекарных дрожжей 126
5.2. Разработка конструкций аппаратов для сушки термолабильных материалов в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе и способа сушки 130
5.3. Методика инженерного расчета сушильной установки с псевдоожиженным слоем для хлебопекарных дрожжей 135
5.4. Выводы по главе 140
Общие выводы 141
Список литературы 143
Приложения 164
- Анализ существующих способов сушки дрожжей и конструкций установок
- Исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя дрожжей
- Постановка граничных условий и формулировка математической модели
- Разработка конструкций аппаратов для сушки термолабильных материалов в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе и способа сушки
Введение к работе
Составной частью биотехнологии является производство хлебопекарных дрожжей. Известно, что вкус и аромат хлеба формируются образовавшимися в процессе тестоведения и выпечки продуктами взаимодействия дрожжей и Сахаров муки. Следовательно, решение проблемы повышения потребительских свойств хлеба и обеспечения населения хлебобулочными изделиями по улучшенным рецептурам невозможно без организации производства хлебопекарных дрожжей высокого качества и в требуемом объеме. Дрожжи являются практически единственным разрыхлителем теста, используемым в хлебопечении многие сотни лет.
Производство хлебопекарных дрожжей - древнейшая область биотехнологии. Один из ведущих английских исследователей - микробиологов Давид Берри утверждает: "У дрожжевой технологии впечатляющее прошлое, но ее ожидает еще более блестящее будущее" [1].
Россия - один из крупнейших производителей дрожжей. Более 15 % всех дрожжей, выпускаемых в Европе (без учета Турции), производится на российских дрожжевых заводах. Потребление дрожжей на душу населения в России выше, чем в Западной Европе, где каждый среднестатистический человек потребляет 1 кг дрожжей в год.
В настоящее время отрасль испытывает определенные трудности. Разрыв ранее сложившихся хозяйственных связей, снижение качества сырья и его резкое удорожание, а также существенное повышение цен на энергоресурсы привели к увеличению цены на отечественные дрожжи выше мирового уровня. При этом качество и ассортимент отечественной дрожжевой продукции зачастую уступают импортным. Недостаточно высокий технический уровень российских дрожжевых заводов определяет и низкие показатели эффективности их работы. Выход дрожжей из мелассы в среднем по отрасли составляет 70 %. Следовательно, 30 % ценного углеводсодержащего сырья -мелассы безвозвратно теряется со сточными водами, создавая при этом сложную экологическую обстановку вокруг дрожжевых заводов. Перед российскими заводами возникла угроза потери потребительского рынка. Сложившаяся ситуация требует принятия экстренных мер.
Дальнейшее развитие дрожжевой промышленности в современных условиях связано с новыми направлениями экспериментальных исследований. Этому способствует, в частности, успешное развитие науки о процессах и аппаратах пищевых производств, которая создает обоснованные методики исследования и аппаратурного оформления технологических процессов.
Во ВНИИ пищевой биотехнологии выведены новые высокопродуктивные штаммы дрожжей, которые оперативно внедряются в производство. Созданы и совершенствуются новые технологические схемы, разрабатываются оптимальные режимы. Ряд исследований посвящено математическому моделированию процессов с целью их оптимизации. Внимание конструкторов сосредоточено на модернизации оборудования и разработке более современных его типов. Таким образом, создаются необходимые предпосылки для дальнейшего совершенствования производства на каждом предприятии.
Научные и практические аспекты биотехнологии отражены в работах М.Е. Бекера, У.Э. Виестура, М.П. Гандзюка, И.М. Грачевой, Н.И. Дерканосо-ва, А.В. Думанского, А.Г. Забродского, К.А. Калунянца, В.М. Кантере, A.M. Остапенкова, Е.А. Плевако, Н.М. Семихатовой, Б.М. Смольского, В.Н. Стаб-никова, Т.В. Туляковой, Д. Уайта, Б.Н. Устинникова и других ученых.
Специалистами ВНИИ пищевой биотехнологии было проанализировано состояние производства и уровня техники дрожжевой промышленности России и определены приоритетные направления ее развития [2]. Актуальная проблема, стоящая перед отраслевой наукой и дрожжевой промышленностью, - создание высокорентабельных экологически чистых технологий хлебопекарных дрожжей и дрожжевых препаратов. Решение этой проблемы возможно в двух направлениях: - разработка принципиально новых технологий утилизации сточных вод дрожжевого производства, например, при получении биодобавок в строительные смеси, бетоны и пенобетоны;
- замена традиционного углеводсодержащего сырья - мелассы на отходы или полупродукты перерабатывающих отраслей, содержащие крахмал или лактозу и обеспечивающие замкнутый технологический цикл.
Последние достижения биотехнологии и биоинженерии позволят в будущем коренным образом перестроить традиционную технологию производства хлебопекарных дрожжей за счет создания ферментационного оборудования высокой удельной производительности, систем автоматизации нового поколения, внедрения в производственную практику новых, высокоэффективных штаммов дрожжей и др.
Имеющийся большой научный задел в области производства хлебопекарных дрожжей при соответствующей государственной поддержке позволит улучшить положение дел в дрожжевой отрасли, насытить потребительский рынок продуктами высокой пищевой ценности, конкурентоспособной на западном рынке.
Таким образом, несмотря на уже имеющиеся достижения, необходима разработка новых и совершенствование существующих процессов и аппаратов дрожжевого производства, что является основой для научно-обоснованного подхода к решению проблемы создания продуктивной, ресур-со- и энергосберегающей технологии, обеспечивающей высокое качество готового продукта.
Важнейшими этапами производства хлебопекарных дрожжей, существенно влияющими на качество и себестоимость готового продукта, являются культивирование и сушка.
Из года в год технология сушки дрожжей непрерывно совершенствовалась на основе научных исследований (работы А.С. Гинзбурга, И.А. Мельце-ра, А.С. Нечаевой, Л.Г. Ноткиной, Е.А. Плевако, А.П. Рысина, Н.М. Семиха-товой, Б.М. Смольского, Т.В. Туляковой и других ученых), а также производ 7 ственного опыта. Так, на ряде заводов внедрена разработанная во ВМИИПБТ технология производства высокоактивных сушеных дрожжей "Экспресс" (аналог зарубежных "Инстант").
Однако на сегодняшний день способы сушки характеризуются значительной энергоемкостью и длительностью, зачастую не обеспечивается получение высококачественного готового продукта, не учитываются специфические свойства дрожжей как объекта сушки, значительны потери дрожжей. В связи с этим особую важность приобретают исследования, направленные на дальнейшее изучение принципиальных вопросов теории и практики сушки, а также разработку эффективных способов сушки и конструкций аппаратов. Успешное решение этого направления - актуальная задача, имеющая важное теоретическое и практическое значение.
В настоящей работе приведены результаты исследований и предложены оригинальные конструкции сушильных аппаратов для сушки термолабильных дисперсных материалов в псевдоожиженном слое при осциллирующих режимах.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры промышленной энергетики ВГТА по теме "Исследование процессов тепломассообмена, повышение эффективности технологического оборудования и энергоиспользования" (№ гос. регистрации 01960007320).
Цель работы. Научное обеспечение процесса сушки хлебопекарных дрожжей в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе, определение рациональных технологических режимов, обеспечивающих повышение качества готовой продукции.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- определение энергии связи влаги с дрожжами и их усадки в процессе сушки;
- анализ основных кинетических закономерностей процесса сушки дрожжей в псевдоожиженном слое при осциллирующих режимах; - построение математической модели сопряженного тепловлагообмена в задачах осциллирующей сушки капиллярнопористых тел в псевдоожижен-ном слое;
- определение качественных показателей готового продукта;
- разработка новых оригинальных конструкций сушильных аппаратов и способа сушки термолабильных дисперсных материалов.
Научная новизна.
1) На основе экспериментальных данных проведен анализ влияния основных параметров на эффективность сушки дрожжей в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе;
2) дано математическое описание сопряженного тепловлагообмена при осциллирующем теплоподводе капиллярнопористых тел в псевдоожиженном слое; разработан численный алгоритм интегрирования уравнений модели, основанный на конечно - разностной аппроксимации, который позволил провести численный эксперимент; разработана программа расчета процесса; 3) обоснована целесообразность использования осциллирующих режимов для получения готового продукта высокого качества; 4) на основе теоретических и экспериментальных исследований предложены конструкции аппаратов и способ сушки дрожжей в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе; новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2196285, № 2241927 и №2286520.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы: 1) рациональные режимные параметры осциллирующей сушки дрожжей в псевдоожиженном слое; 2) методика и программа расчета кинетики сушки; 3) комплексное исследование качества готового продукта; 4) оригинальные конструкции аппаратов для сушки дрожжей и способ сушки термолабильных дисперсных материалов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической академии с 2003 по 2005 г.г., на международном форуме "Аналитика и аналитики" (г. Воронеж, 2003 г.), на международной научно-технической конференции "Современные технологии переработки животноводческого сырья в обеспечении здорового питания: наука, образование, производство" (г. Воронеж, 2003 г.), на VII всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (г. Тамбов, 2004 г.), на II международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 2004 г.), на 71 научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Киев, 2005 г.), на V международно-технической конференции "Техника и технология пищевых производств" (Беларусь, г. Могилев, 2005 г.).
На защиту выносятся:
1. Анализ основных закономерностей процесса сушки хлебопекарных дрожжей в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе.
2. Математическая модель и методика расчета процесса сушки капил-лярнопористых тел при осциллирующих режимах в псевдоожиженном слое.
3. Оценка качества сушеных дрожжей.
4. Оригинальные конструкции промышленных установок для осциллирующей сушки термолабильных материалов в псевдоожиженном слое и способ сушки.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений.
Во введении обоснованы актуальность темы и определены основные направления исследований.
В первой главе приведена характеристика хлебопекарных дрожжей как биологического объекта сушки. Проанализированы современные способы и оборудование для сушки дрожжей. Рассмотрены кинетические закономерности и математические модели процесса сушки дисперсных материалов при осциллирующих режимах. Проведен анализ литературного обзора и сформулированы задачи исследования. Во второй главе приведены результаты исследования хлебопекарных дрожжей как объекта сушки: энергия связи влаги с дрожжами и усадка дрожжей в процессе сушки.
В третьей главе описана опытная установка, методика и результаты экспериментального исследования гидродинамики и кинетики процесса осциллирующей сушки дрожжей в псевдоожиженном слое.
В четвертой главе рассмотрена модель сушки в псевдоожиженном слое при осциллирующих режимах, основанная на фундаментальных законах явлений переноса; приведен численный алгоритм интегрирования уравнений модели, который позволил провести вычислительный эксперимент и выполнить его анализ; выполнена количественная проверка адекватности модели.
В пятой главе приведены результаты комплексной оценки качества готового продукта, описаны конструкции аппаратов с псевдоожиженным слоем и осциллирующими режимами сушки, а также способ сушки термолабильных дисперсных материалов.
В приложении к диссертации приводится программа расчета, экспериментальные данные и акты производственных испытаний.
Работа выполнена на кафедре промышленной энергетики ГОУ ВПО Воронежской государственной технологической академии.
Анализ существующих способов сушки дрожжей и конструкций установок
В дрожжевом производстве сушка дрожжей считается одной из главнейших стадий технологического процесса, определяющих качество продукта. При сушке имеется в виду не только обезвоживание микроорганизмов, но и максимальное сохранение их жизнеспособности и первоначальных технологических свойств. С этой точки зрения сушка хлебопекарных дрожжей представляет большие трудности.
Для получения сушеных дрожжей с хорошей подъемной силой, то есть с активными ферментами замазного комплекса, следует использовать для сушки прессованные дрожжи со следующими показателями: подъемная сила не более 70 мин, стойкость при 25 С не менее 60 ч, осмоустойчивость не более 10 мин, выживаемость клеток при высушивании не менее 70 %, содержание влаги и азота не более 75 и 1,6 % соответственно, содержание трегалозы не менее 12 %СВ [13].
Дрожжи соответствующего качества получают направленным выращиванием устойчивых к высушиванию рас дрожжей: отечественные расы ЛВ-7, 608 и 739, ВКПМ У-611, ВКПМ У-752, НР-2 (Швеция), АДУ-166 (Италия) и др. [5, 14, 15, 20]. При этом используются различные технологические приемы [21-23]. Так, пленки крахмального геля и природных источников биологически активных веществ при конвективной сушке хлебопекарных дрожжей предотвращают инактивирующее действие различных факторов и сохраняют активность микроорганизмов. Фирма "Гист-Брокадес" (Нидерланды) вырабатывают новый вид активных сушеных дрожжей "Фермипан". Дрожжи, состоящие из смеси сушеных и прессованных дрожжей в соотношении 1:3, имеют хорошую сохраняемость и высокую ферментативную активность [16]. Следует отметить, что использование различных защитных материалов усложняет технологию дрожжей и удорожает их производство.
Во ВНИИПБТ выполнены комплексные исследования жизнедеятельности дрожжей, позволившие установить закономерности управляемого культивирования высокобелковых дрожжей, пригодных для сушки. На ряде заводов России (Волгоградский, Сарапульский) вырабатывают быстрорастворимые сушеные дрожжи "Экспресс", выгодно отличающиеся от традиционных по технологическим показателям, в частности по подъемной силе [17, 24]. Установлена целесообразность их сушки в псевдоожиженном слое [18]. Аналогичны дрожжи, называемые "Инстант", выпускают зарубежные фирмы во Франции, Турции и в других странах. Однако быстрорастворимые дрожжи имеют существенный недостаток: они быстро теряют свою газообразующую способность во времени, что накладывает жесткие требования к технологии хлеба. По этой причине многие хлебозаводы используют для приготовления теста традиционные хлебопекарные дрожжи [19].
Из года в год технология сушки дрожжей непрерывно совершенствовалась на основе научных исследований (работы А.С. Гинзбурга, И.А. Мельце-ра, А.С. Нечаевой, Л.Г. Ноткиной, Е.А. Плевако, А.П. Рысина, Н.М. Семиха-товой, Б.М. Смольского, Т.В. Туляковой, Д. Уайта и других ученых), а также производственного опыта. Однако и до настоящего времени отсутствуют четко обоснованные режимы с учетом стоимости сушки, качество сушеных дрожжей зачастую бывает невысоким. Вопросы техники сушки дрожжей и сохранения их биологической активности тесно взаимосвязаны и должны решаться совместно [25,26].
В дрожжевой промышленности используются следующие способы сушки дрожжей: в малоподвижном, пересыпающемся, псевдоожиженном и виброкипящем слое.
Способ сушки в малоподвижном слое реализован в ленточных сушильных установках СПК [27]. Внутри камеры расположены сетчатые транспортеры, а снаружи - воздуховоды (короба) с перфорированными воздухораспределительными трубками (рис. 1.1). Трубки введены в сушильную камеру и располагаются под рабочими ветвями транспортера. Промышленные испытания сушилок позволили заключить, что сушка при одном температурном режиме снижает качество дрожжей. Выявлены и другие серьезные недостатки: комкование дрожжей и их прилипание к сеткам, большие теплопотери, трудности и обслуживании.
Рационально использовать ступенчатый режим сушки: воздух с температурой 50...60 С подается под первую и вторую ленты, а с температурой 35...40 С - под остальные нужные ленты [28].
Сушка в пересыпающемся слое осуществляется в агрегате периодического действия шведской фирмы СИА, состоящем из двух барабанных сушилок - атмосферной и вакуумной. В атмосферном барабане после 6...7,5 ч
Исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя дрожжей
С помощью однородных и плоских газораспределительных решеток, а также плоских решеток переменного по сечению сопротивления возможно преобразовать первоначальный профиль скорости потока в заданный квазиравномерный. При решении этой задачи принято допущение, что отклонения скоростей от равномерного их распределения, а также степень неоднородности сопротивления решетки и кривизна ее поверхности невелики [176-178]. Это допущение позволяет основной результат представить в виде линейной связи между профилями скорости потока до решетки и за ней и характеристиками решетки. Одним из решений уравнения Лапласа для возмущенной части функции тока является выражение [176] где Т- функция тока; А - характеристика аппарата за решеткой; В - коэффициент преломлений линий тока за решеткой; х, у- оси координат; а, в -коэффициенты. У стенок камеры, т.е. при у = 0 и у = 1, поперечная скорость &±р и со ответственно дЧ 1дх и исчезают, поэтому е = 0. Тогда уравнение (3.2) принимает вид: Поле скоростей характеризуется функцией тока, которая для возмущенного потока может быть представлена в виде: Проанализируем уравнение (3.23). Первый член правой части этого уравнения характеризует изменение первоначального профиля скорости потока однородной решеткой (плоской с постоянным по сечению коэффициентом сопротивления), установленной нормально к потоку (tgQ = 0), второй влияние изменения коэффициента сопротивления решетки вдоль ее поверхности, а третий - влияние характеристики решетки (величины /gO) [176]. Уравнение (3.23) дает линейную связь между распределением скоростей соответственно перед решеткой со-оо и за ней со+оо и ее тремя характеристиками: коэффициентом сопротивления , коэффициентом преломления В и углом наклона 9.
Причем Таким образом, с помощью уравнения (3.23) при известном профиле скорости потока перед решеткой, заданных коэффициентах сопротивления С, , преломления В и форме решетки tgd можно определить профиль скорости за решеткой. Приведем алгоритм решения этой задачи. Пусть -со = /(у); tgQ = 0; ср = р, т.е. sy = 0, где С,р- коэффициент сопротивления решетки; є - отклонение коэффициента сопротивления решетки. Тогда уравнение (3.23) с учетом выражения (3.22) сводится к виду Проверялось согласие приведенных зависимостей экспериментальным данным, для чего использовались различные конструкции плоских газораспределительных решеток. При этом исходили из следующих основных положений: решетки должны обеспечивать такое распределение теплоносителя по сечению аппарата, которое в максимальной степени ограничивало бы образование застойных зон в слое; обеспечение минимально возможного расхода энергии на транспорт ожижающего агента через решетку; простота конструкции и изготовления, надежность в работе [182]. Учитывалось, что плоские тонкостенные решетки обладают той особенностью, что степень выравнивания потока в сечениях на конечном расстоянии за ними отличается от степени растекания по их фронту. Кроме того, при достижении определенных значений коэффициента сопротивления эти решетки даже усиливают неравномерность потока за ними, придавая профилю скорости характер, прямо противоположный характеру распределения скоростей перед ними. Поэтому нами использовались толстостенные решетки, поскольку степень выравнивания скоростей одинаковая как по их фронту, так и по сечениям на конечном расстоянии за ними.
Установлено эффективное выравнивание скоростей с помощью плоских решеток, у которых глубина отверстий / больше одного-двух диаметров d, то есть 1отв I dome 1 - 2. На рис. 3.3 приведена зависимость коэффициента выравнивания потока К от коэффициента сопротивления решетки р, построенная как по расчетным формулам, так и на основании опытных данных измерений распределений скоростей [183]. Данные аппроксимируются линейной зависимостью
Постановка граничных условий и формулировка математической модели
Нахождение частного (конкретного) решения связано с замыканием рассмотренной системы дифференциальных уравнений при помощи совокупности так называемых граничных условий, состоящих из начальных по времени и краевых условий на границе области решения.
Формулировка начальных условий очевидна Не вызывает сомнения общепринятая постановка граничного условия на оси симметрии - это отсутствие переноса потенциала, которое записывается в градиентном виде:
Постановка краевых условий при г=г0 требует более детального рассмотрения физических явлений на границе тела и окружающей среды. Фактически во всех случаях дисперсных материалов с межфазной границы происходит дополнительно сопряженный тепломассообмен вынесенной к поверхности влаги. В связи с этим сформируем краевые условия исходя из вышесказанного. Следуя А.В. Лыкову и Ю.Ф. Михайлову, краевые условия на поверхности влажного капилярнопористого тела при его нагревании, когда молярно-молекулярный перенос влаги внутри происходит под действием градиентов и, tup, запишем: висимость между количеством теплоты, затраченным на испарение жидкости и на нагревание влажного тела.
Граничные условия делают математическую формулировку не только корректной, но и идентифицируют конкретную физическую картину. Известно, что дрожжи представляют собой термолабильную систему, нагрев которой выше заданного предела температуры приводит к гибели дрожжевых клеток. В связи с этим определение рациональных тепловых режимов связано с управлением температурой сушильного агента. Одним из таких способов, реализуемых в технологии сушки, является задание закона изменения tc в виде периодической гармоники:
Уравнения математической модели (4.50)-(4.57) по классификации представляют собой линейную систему дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа. Принципиально не существует барьеров для получения ее аналитического решения. Однако до сих пор такое решение не получено в силу огромных интеллектуальных затрат. Тем более конечный результат в виде сложного иерархического алгебраического выражения, содержащего специальные функции, если, конечно, он будет когда-либо получен, в практическом плане не будет представлять сколь-нибудь значимого интереса, так как для пользования им необходим компьютер.
В связи с этим нами выбрана другая стратегия получения решения -численная. Численное интегрирование уравнений математической модели основывается на конечно-разностных представлениях. На первом этапе непрерывная область интегрирования разбивается сеткой с шагами АЛ и AFo (рис. 4.3).
Непрерывная область решения, представляющая собой полуограниченную полосу [0,1]х[0,оо], заменяется дискретной, то есть совокупностью узлов, при этом вводятся символические обозначения:
Для аппроксимации уравнений модели на маршевой сетке (рис. 4.3, а) выбран четырехточечный шаблон, позволяющий записать дискретный аналог уравнений модели с первым порядком точности по AFo и вторым по А/? в виде:
Таким образом, разсопряжение условий (4.63) и (4.64) приводит к тому, что они могут быть записаны в эквивалентном виде (4.70). Блок-схема алгоритма, реализующего решение уравнений модели, представлена на рис. 4.4. Кодирование предложенного алгоритма представлено на языке программирования BASIC и реализовано на ПЭВМ Pentium-IV. Программа расчета приведена в приложении. Исходные данные определены на основании известного обширного массива физико-химических характеристик дрожжей: Lu = 0.0024; Рп = 0,01; Р = 10; Fe = 0.0l; Lup = 2; Віш=\00; Ко = 0М; Я/, = 0.1; = 5. Для оп ределения реального масштаба времени указывается значение коэффициента температуропроводности aq -1 10" м/с.
Вначале была проведена серия экспериментов при постоянной температуре подаваемого сушильного агента (рис. 4.5, а). При этом, как видно из рис. 5, б, прогрев частиц практически достигает температуры сушильного агента уже при Fo «40. Среднеинтегральная величина влагосодержания достигает величины » 0,42 (рис. 5, д). Дальнейшее проведение процесса нецелесообразно из-за перегрева дрожжей. Из рис. 4.5, в следует, что на всем протяжении процесса создается антиградиент по фильтрационной составляющей парообразной влаге, препятствующий ее переносу к поверхности межфазного влагообмена (рис. 4.5, г). Результаты вычислительного эксперимента в этом случае показывают, что проведение процесса сушки при постоянной температуре сушильного агента может снизить качественные показатели готовой продукции. Поэтому вычислительные эксперименты были продолжены с целью теоретического подтверждения эффективности осциллирующего закона изменения температуры сушильного агента в процессе. Такие вычислительные эксперименты имеют над собой физическую базу - из-за конечной скорости релаксации температурного поля капиллярнопористого тела возможно подобрать такую частоту осциллирования, которая не приведет к нежелательному перегреву материала.
Разработка конструкций аппаратов для сушки термолабильных материалов в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе и способа сушки
К одной из актуальных задач промышленности относится создание совершенных технологий и их аппаратурное оформление.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований выявлены главнейшие кинетические закономерности процесса сушки хлебопекарных дрожжей в псевдоожиженном слое при осциллирующем теплоподводе, которые использованы при разработке промышленных сушильных аппаратов.
Сушилка с псевдоожиженным слоем для термочувствительных сыпучих материалов (рис. 5.5) содержит вертикальный корпус 1, беспровальную Рис. 5.5. Сушилка с псевдоожиженным слоем для термочувствительных сыпучих материалов: 1-корпус; 2-беспровальная газораспределительная решетка; 3-кольцевые камеры; 4-перегородки; 5-окна; 6-радиальная перегородка; 7-дополнительная радиальная перегородка; 8-окна; 9-наклонные спуски; 10-13-секции; 14-пересыпные окна; 15-газоподводящий короб; 16-19-отсеки; 20-перегородки; 21-крышка; 22-патрубок; 23, 24-загрузочный и разгрузочный патрубки. газораспределительную решетку 2, кольцевые камеры 3, радиальные перегородки 4 с окнами 5 и радиальную перегородку 6, дополнительные радиальные перегородки 7 с окнами 8 и наклонные спуски 9, секции 10-13 кольцевых камер 3, пересыпные окна 14 с проходным сечением, достаточным для про пуска всего находящегося на газораспределительной решетке материала, га-зоподводящий короб 15, разделенный на отсеки 16-19 перегородками 20, крышку 21 с патрубком 22 для отвода отработанного теплоносителя, загрузочный 23 и разгрузочный 24 патрубки [204-206].
Сушилка работает следующим образом. Горячий воздух подается в "горячие" отсеки 16 и 18, а холодный воздух - в "холодные" отсеки 17 и 19. Исходный материал непрерывно поступает через загрузочный патрубок 23 в секцию 10 верхней кольцевой камеры 3, куда поступает также горячий воздух из нижних секций 10. Толщину слоя материала задают путем регулирования расстояния между нижней кромкой радиальных перегородок и верхней поверхностью газораспределительных решеток (не показано). Под действием вертикальных или косых струй воздуха, поступающих из газораспределительной решетки 2, материал ожижается и перемещается по кольцу через окно 8 в "холодную" секцию 11, затем через окно 5 - в "горячую" секцию 12 и, наконец, через окно 8 - в "холодную" секцию 13. Затем материал поступает через пересыпное окно 14 по наклонному спуску 9 в нижерасположенные кольцевые камеры 3, в которых осуществляется аналогичная осциллирующая обработка горячим и холодным воздухом. Высушенный материал выгружается через разгрузочный патрубок 24. Отработанный воздух из всех секций 10-13 верхней кольцевой камеры 3 выводится через патрубок 22. Сушилка для сыпучих материалов (рис. 5.6) содержит вертикальный корпус 1, камеры 2, 3, 4, 5 в виде полуколец с беспровальными газораспределительными решетками 6, пересыпные окна 7, патрубки 8 для передачи материала, загрузочный 9 и разгрузочный 10 патрубки, патрубки 11 для подачи газа и 12 для отвода отработанного воздуха [207, 208]. Процесс сушки проводят Рис. 5.6. Сушилка для сыпучих материалов: 1- корпус; 2-5 -камеры 6-газораспределительная решетка; 7- пересыпные окна; 8- патрубки для передачи материала; 9, 10- патрубки загрузочный и разгрузочный 11- патрубок для подачи воздуха; 12- патрубок для отвода отработавшего воздуха. следующим образом. Разнотемпературный воздух подается в камеры 2, 3, 4, 5 через патрубки 11, причем в верхнюю камеру 2 подается воздух с максимально допустимой температурой, а в нижнюю 5 с минимальной температурой. Организованный таким образом ступенчатый режим сушки обеспечивает максимальное сохранение нативных свойств материала.
Осциллирующий режим сушки достигается подачей горячего и холодного воздуха в камеры 2, 4 и 3, 5 соответственно. Исходный материал непрерывно поступает через загрузочный патрубок 9 в верхнюю камеру 2, куда подается также горячий воздух через патрубок 11. Под действием вертикальный или косых струй воздуха, выходящих из газораспределительных решеток 6, материал ожижается и перемещается по кольцу сквозь окно 7 и патрубок 8 в камеру 3 и, таким образом, проходит через все нижерасположенные камеры. В процессе перемещения материала по камерам сверху вниз осуществляется ступенчатая или осциллирующая ("горячая"-"холодная") его обработка теплоносителем. Отработанный воздух из каждой камеры выводится через патрубки 12.
В каждой из сушилок используются осциллирующие режимы сушки, поэтому в "горячие" секции подается теплоноситель с более высокой температурой без опасности перегрева материала в процессе его обезвоживания. В результате повышается качество готового продукта и увеличивается производительность сушилок за счет интенсификации процессов тепло- и массо-обмена.
