Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пищевые волокна: характеристика, области использования и перспективы производства 8
1.1 Общая характеристика пищевых волокон, физико-химические и метаболические эффекты 8
1.2 Перспективы использования пищевых волокон в технологии продуктов питания 13
1.3 Цель и задачи исследования, структура диссертационной работы 17
1.4 Выбор перспективного способа сушки пищевых волокон и конструкторских решений для его осуществления 20
Глава 2. Статика процесса сушки 35
2.1 Дисперсные и морфологические характеристики пищевых волокон 35
2.2 Состояние равновесия между влажным воздухом и клетчаткой 39
2.3 Внутренняя структура пищевых волокон 44
2.4 Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии пищевых волокон с водой 48
2.5 Теплофизические свойства пищевых волокон 53
Глава 3. Кинетические закономерности протекания процесса сушки пищевых волокон, исследование влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена 62
Глава 4. Изучение гидродинамики взвешенного слоя пищевых волокон 78
Глава 5. Моделирование процесса конвективной сушки в псевдоожиженном слое пищевых волокон 87
5.1 Аналитический численный расчет распределения полей температур в частице пищевого волокна в процессе сушки 87
5.2 Кинетическая модель обезвоживания пищевых волокон в псевдоожиженном слое 93
Глава 6. Практические рекомендации по аппаратурному оформлению процесса сушки пищевых волокон 99
Общие выводы и заключение 105
Список литературы 108
Приложение 126
- Перспективы использования пищевых волокон в технологии продуктов питания
- Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии пищевых волокон с водой
- Кинетические закономерности протекания процесса сушки пищевых волокон, исследование влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена
- Изучение гидродинамики взвешенного слоя пищевых волокон
Введение к работе
В связи с большим ростом населения в мире все более четко выявляется потребность в обеспечении человечества продуктами питания. Проблема биологически полноценного питания, сбалансированного по составу основных пищевых веществ и обогащенного целевыми физиологически активными компонентами, в настоящее время является одной из наиболее приоритетных научно-технических, экономических и социальных задач мирового масштаба, подлежащих решению на государственном уровне.
Исследования, проведенные в Российской Федерации Министерством здравоохранения, выявили серьезный дисбаланс в обеспечении населения микроингредиентами, в частности, было отмечено снижение уровня потребления полноценного белка, полиненасыщенных жирных кислот, ряда витаминов и минеральных веществ, пищевых волокон при повышенном уровне потребления насыщенных жиров и сахара. Это способствует возникновению различных заболеваний, в том числе ожирения. Поэтому в соответствии с разработанной и закрепленной Постановлением Правительства РФ № 917 от 10.08.1998г. в "Концепции государственной политики в области здорового питания населения РФ до 2005 года" и в Проекте "Основы политики Российской Федерации в области здорового питания населения Российской Федерации на период 2006-2010 г.г.". в разряд государственной политики поднят вопрос рационального здорового питания, адекватного медико-биологическим нормам и требованиям.
В настоящее время в нашей стране быстро развивается профилактическая медицина и производство обогащенных функциональными ингредиентами продуктов питания параллельно с ростом интереса населения к собственному здоровью. Все четче вырисовывается необходимость разрабатывать новый ассортимент доступных по стоимости продуктов животного и растительного происхождения с высокой биологической ценностью и гарантированной безопасностью. Разработка и пропагандирование среди населения обоснованных рационов, построенных на включении в них доступных биологически активных и обладающих достаточными вкусовыми достоинствами ингредиентов, определяет возможность увеличения продолжительности жизни и профилактики заболеваемости.
Развитие технологии производства пищевых продуктов опирается на теорию сбалансированного питания, которая фокусирует внимание на важной физиологической роли балластных веществ (пищевых волокон, клетчатки) в функционировании пищеварительной системы человека. Отсутствие и недостаток пищевых волокон в пище привел к уменьшению сопротивляемости человеческого
организма негативному воздействию окружающей среды. Увеличение потребления овощей, фруктов, продуктов переработки злаковых культур не может полностью восполнить дефицит пищевых волокон из-за невысокого их содержания (менее 1%). ВОЗ рекомендует увеличивать потребление фруктов и овощей до 400 г/сут., в то время как среднестатистическое потребление овощей и фруктов россиянами составляет примерно половину от рекомендуемой нормы. Другой наиболее существенный путь решения этой проблемы - выделение пищевых волокон в виде изолированных препаратов для дальнейшего использования их при разработке различных продуктов.
Реализация этого направления осуществляется с большими трудностями, т.к. предусматривает привлечение в производство различных видов сырья, что требует индивидуального подхода при его переработке. Привлекательна с экономической точки зрения возможность выделения балластных веществ из производственных отходов, что позволяет решить вопрос их утилизации и возвращения в производство как полноценного сырья. Несмотря на изобилие и низкую стоимость сырья для производства ПВ, российский производитель предлагает потребителю крайне ограниченный ассортимент ПВ, что сдерживает выпуск профилактических биологически активных добавок и продуктов функционального назначения на их основе. Поэтому актуальна задача создания промышленных технологий получения ПВ и организация специальных производств на территории РФ.
Одним из заключительных этапов производства ПВ является сушка. Процессы теплового обезвоживания характеризуются значительной энергоемкостью. В современных условиях возрастающего потребления энергии, с одной стороны, и дефицита энергетических ресурсов, с другой, все более остро ставятся вопросы энергосбережения в технологии сушения. Несмотря на сформировавшиеся принципы энергосбережения в технологии и технике сушки, нет однозначного решения в их реализации. Поэтому решение задач экономии энергии при получении сухих пищевых волокон, в частности, проведение дополнительных исследований с целью выбора рациональных способа обезвоживания, типа сушильного аппарата, обеспечивающих соответствующие технико-экономические показатели, актуально и требует научного подхода с учетом специфики технологии и свойств сырья.
Диссертационная работа выполнена в рамках Перечня критических
технологий Российской Федерации, утвержденного Президентом Российской
Федерации В.В. Путиным 21 мая 2006 г. Пр-842 (п. «Технологии экологически
безопасного ресурсосберегающего производства и переработки
сельскохозяйственного сырья и продуктов питания»), Федеральной целевой
программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2007- 2012 годы» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-р.), а также в соответствии с координационным планом НИР на кафедре ФГОУ ВПО АГТУ «Технологические машины и оборудование» под руководством профессора, доктора технических наук Алексаняна Игоря Юрьевича.
Перспективы использования пищевых волокон в технологии продуктов питания
С конца XIX - начала XX века развитие технологии производства пищевых продуктов осуществлялось, опираясь практически на твердую научную основу, сформированную в процессе длительной эволюции, - теорию сбалансированного питания. Основополагающими принципами этой теории являются следующие постулаты: потребляемая пища должна обеспечивать поступление питательных веществ в количестве, восполняющем их потерю в процессе жизнедеятельности организма; при этом должны поддерживаться оптимальные соотношения между многочисленными нутриентами, синтез которых не может быть осуществлен непосредственно в организме (незаменимые аминокислоты, жирные кислоты, некоторые моносахариды и другое); из желудочно-кишечного тракта в организм поступают только те вещества, образованные в результате гидролиза пищи, которые непосредственно участвуют в обмене.
До настоящего времени, являясь классической концепцией теория сбалансированного питания определяла не только основные понятия биологической и пищевой ценности продуктов, но и служила практическим руководством при выборе путей и способов переработки сельскохозяйственного сырья в готовые к употреблению пищевые продукты. Помимо формирования традиционных технологий основные положения этой теории послужили мощным импульсом к разработке комбинированных продуктов повышенной биологической ценности, а также препаратов для энтерального и других видов лечебного питания [66,191,197].
В конце 60-х - начале 70-х годов статистика показала, что в странах, где население потребляет большое количество ПВ, значительно реже встречаются рак и другие заболевания толстой кишки [185,200,208,213,216]. Тогда же оказалось, что больные с дивертикулезом толстой кишки вопреки общему мнению лучше чувствуют себя не диете богатой, а не бедной, клетчаткой. Появилось множество исследований химических и физико-химических свойств ПВ, их количества в разных рационах, физиологических эффектов и пр. Необходимость включения ПВ в ежедневные рационы обоснована многими работами [124,165, 173, 176, 177, 178, 212].
Общая потребность населения России в ПВ определяется в 1,5-2,0 млн. т в год. В настоящее время эта потребность удовлетворяется частично на 30-35% за счет использования в питании муки низких сортов, овощей и фруктов. Для выработки недостающего количества концентратов волокон необходима организация специальных производств. Следует отметить, что ПВ (концентраты и компоненты) относятся к достаточно дешевым пищевым добавкам, так как их получают, как правило, из сырья либо недорогого, либо являющегося отходами пищевых производств.
Согласно рекомендациям НИИ питания РАМН, потребление обогащенного продукта должно покрывать с общепринятой порцией 10-50 % суточной физиологической потребности организма в том или ином микронутриенте [56].
В соответствии с рекомендациями ФАО/ВОЗ продукт, в 100 г которого содержится 3 г ПВ, рассматривается как источник этого функционального ингредиента, при содержании 6 г ПВ в 100 г - считается обогащенным ПВ [178].
К основным направлениям использования ПВ в настоящее время относят следующие: рациональное использование зерна пшеницы и ржи; применение вторичных продуктов с высоким содержанием ПВ; использование концентратов ПВ, предварительно выделенных из высоковолокнистого сырья (табл. 1.2). Необходимо отметить таюке широкое применение ПВ в производстве препаратов лечебно-профилактического назначения [89].
Первое направление достаточно успешно реализуется в хлебопекарной промышленности путем расширения ассортимента изделий, вырабатываемых из низких сортов пшеничной и ржаной муки. Предложены технологии приготовления хлебобулочных изделий из цельносмолотого и из специально обработанного зерна, нетрадиционных видов муки (овсяной, ячменной, гороховой, пшенной), текстурированной муки, полученной с применением экструзионных методов обработки зерна [45, 52, 56].
Реализация второго направления предусматривает привлечение в производство пищевых продуктов из различных видов сырья, которое чаще всего не является микробиологически чистым, в связи с чем возникает проблема его специальной подготовки. Поэтому разработки в этом направлении осуществляются с большими трудностями. Наибольшее внимание уделяется использованию отрубей, пивной дробины, различных фруктовых и овощных порошков, пюре, пектинов, выжимок цитрусовых, кукурузной мезги, шротов лекарственных трав.
Несмотря на широкое распространение, высоковолокнистое сырье имеет серьезный недостаток — сложный химический состав. Так, например, в составе отрубей и пивной дробины наряду с волокнами содержится значительное количество крахмала и белка, в составе овощных и фруктовых порошков - сахара и кислоты. Эти компоненты зачастую снижают профилактическое и лечебное действие вводимых добавок. В связи с этим большое значение и перспективу имеет использование их концентратов, выделенных из растительного сырья и отдельных компонентов ПВ. Применение чистых препаратов ПВ позволяет создавать комбинированные композиции компонентов ПВ между собой и с другими веществами [18,69]. Использование в пищевых целях нетрадиционного растительного сырья (например, микрокристаллической целлюлозы) позволит повысить квоту ПВ в питании населения, создавать продукты профилактической направленности с высокой пищевой ценностью [65,88].
Достаточно широкое применение ПВ нашли в мясной, молочной и масложировой промышленности, хлебопекарном и кондитерском производстве. Производитель, ориентируясь на потребность получать прибыль и сохранять качество продукции, все больше уделяет внимания использованию в технологиях производства пищевых добавок, способствующих повышению потребительских свойств изделий, снижению себестоимости за счет повышения выхода готового продукта с гарантией качества и сохранения органолептических показателей. При производстве мясных продуктов при обогащении их ПВ решается технологическая задача формирования необходимой консистенции и улучшения функциональных свойств мясных изделий [92]. Пищевые волокна-клетчатки используются в качестве замены мясного сырья, стабилизаторов и эмульгаторов фаршевой эмульсии, предотвращают отделение влаги при хранении изделий в вакуумной упаковке и замороженных полуфабрикатов из рубленого мяса, снижают возможность образования бульонно-жировых отеков. При производстве молочных десертов, майонеза, йогуртов ПВ способствуют повышению вязкости, гелеобразованию и стабилизации, снижают синерезис [1,6,46,54,71,172]. В кондитерской промышленности введение ПВ во фруктовую начинку повышает ее стабильность при выпечке, предотвращает вытекание из теста, снижает миграцию влаги из начинки в готовое изделие. Обогащение клетчаткой теста для вафель, пряников, печенья способствует продлению срока хранения за счет высокой водопоглотительной способности, снижению расхода эмульгатора и количества возвратных отходов, уменьшению ломкости и гигроскопичности вафельного листа [154].
Необходимо отметить также то, что российский рынок в целом отражает общеевропейские тенденции в области пищевых добавок, но с поправкой на стоимостную составляющую. Например, такие востребованные европейским потребителем сферы как продукты с функциональными добавками и диетические продукты в России пока неразвиты. В европейских странах использование подобных ингредиентов приобрело широкие масштабы около десяти лет назад, только в США рынок функциональных продуктов оценивается почти в 1,5 млрд.
Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии пищевых волокон с водой
В процессе сушки перенос влаги в материале неразрывно связан с переносом тепла, поэтому оба эти явления представляется логичным рассматривать на основе термодинамических аналогий. С учетом термодинамического подхода изучения процессов переноса энергии или вещества для описания процесса массопереноса в объектах сушки введено понятие потенциала влагопереноса (или массопереноса) 0 [82]. Термодинамический метод основан на известных законах классической термодинамики и позволяет дать математическое описание конечных энергетических изменений исследуемых систем, не рассматривая молекулярную структуру вещества и механизм процесса.
Потенциалом переноса парообразной влаги во влажном воздухе является химический потенциал ju. Для влажных материалов в области гигроскопического состояния потенциал влагопереноса можно считать приближенно равным по абсолютной величине химическому потенциалу [95]:
Для переноса влаги в виде жидкости также в первом приближении в области гигроскопического состояния можно принять, что химический потенциал может быть представлен как функция влагосодержания и температуры тела /j=f(U, Т). При расчетах потенциалов переноса обычно выбирают значения потенциала переноса в какой-либо определенной точке тела в качестве нулевого, от которого отсчитывают значения потенциала в любой точке [90]. В области гигроскопического состояния материала при изотермических условиях в качестве нулевого значения принимают химический потенциал влагопереноса при р=1, т.е. химический потенциал свободной воды ц0. Тогда в любой точке влажного тела при любом (р разность химических потенциалов, а значит, движущая сила сорбции:
А.В. Лыковым и Л.М. Никитиной [34] доказано, что химический потенциал в гигроскопической области по абсолютной величине равен энергии связи влаги Е или изменению свободной энергии Гельмгольца: потому потенциалом влагопереноса можно принять Е.
Зная соотношение между влагосодержанием материала U и величиной Aw (см. (2.3)) на основе аппроксимирующих уравнений изотерм сорбции можно определить числовые значения энергии связи Е:
Изменение свободной энергии найдем, продифференцировав известное уравнение Гиббса-Гельмгольца по Up при Р, Т= const: AF = AE-AS, где AS - изменение энтропии, T-AS- величина связанной энергии; получим равновесного влагосодержания Up в процессе сорбции для ПВ представлен на рис. 2.7. Для наглядности изображения величина изменения внутренней энергии представлена с обратным знаком.
В дифференциальное уравнение переноса тепла [80] входит теплота испарения г. При удалении влаги, связанной с материалом, г представляется как сумма теплоты парообразования свободной воды гл и теплоты смачивания гсм, определяемой дифференциальным изменением свободной энергии изотермического обезвоживания. Согласно [144] в диапазоне Т = 295-353К количество тепла для испарения 1 кг влаги с учетом энтропийной составляющей: При неизотермическом переносе влаги, т.е. если режим прогрева влажного материала обуславливает появление в нем не только градиента влажности, но и градиента температуры, влага внутри материала будет перемещаться как благодаря градиенту влажности (явление влагопроводности), так и благодаря градиенту температуры (явление термовлагопроводности или термическая диффузия). Явление термовлагопроводности во влажных материалах (эффект Лыкова [31]) подобно явлению термодиффузии в газах и растворах (эффект Соре). Термовлагопроводность является причиной перемещения влаги по направлению потока тепла, при конвективной сушке создается градиент температуры, противоположный градиенту влажности, что препятствует продвижению влаги изнутри к поверхности материала, так как температура внутренних слоев ниже температуры наружных. Учитывая выше сказанное, движение влаги может происходить в виде молекулярного переноса пара (дти) и в виде переноса жидкости ідтТ), обусловленных созданием в материале градиентов влажности и температуры. Общее количество влаги, переместившееся внутри материала: При стационарном состоянии, когда qm = О, термоградиентный коэффициент 8р есть термодинамический параметр, определяемый как отношение перепада влагосодержания к перепаду температуры в стационарном состоянии при отсутствии влагопереноса: Рассчитаем функциональную зависимость термоградиентного коэффициента 8 от влагосодержания Up для анализа движущих сил в процессе сорбции (десорбции) с целью выбора оптимальных режимов энергоподвода. Перепад влагосодержания равен произведению средней удельной влагоемкости на перепад потенциала влагопереноса: AU = cm-A9, где, как было показано выше (см. (2.7)), в качестве потенциала влагопереноса в в гигроскопической области можно принять А/л, Надо учесть, что в данном случае ст в точках сопряжения зон / имеет два значения, что приводит к разрывности функции 8p=f{lJp) в этих точках. Для графической аппроксимации примем значения ст равные средним значениям ст между величинами соседних участков. Термоградиентный коэффициент 8р зависит от влажности материала, т.е. термическое перемещение влаги так же, как и влагопроводность обусловлено формой связи влаги с материалом. На рис. 2.8 приведена расчетная зависимость 8р = f{jJp) для ПВ. Кривая изменения 8р в зависимости от влагосодержания имеет максимум, который согласно [80] соответствует границе между коллоидно-связанной и свободной (капиллярной и осмотической) влагой. Для ПВ до экстремальной точки при небольших значениях влажности между величиной 8 и влажностью существует прямая зависимость; это обусловлено движением влаги в этой области главным образом в виде пара за счет диффузионных сил (эффект Соре). На этом участке с уменьшением влажности материала поры ПВ постепенно заполняются воздухом, который препятствует термодиффузии пара, поэтому с уменьшением влажности термоградиентный коэффициент снижается, а с повышением влажности он увеличивается. За экстремальной точкой влага движется главным образом в виде жидкости за счет действия защемленного воздуха [31], между величиной 8р и влажностью материала существует обратная зависимость. Объясняется это тем, что с увеличением влажности ПВ поры его заполняются водой, а количество защемленного воздуха уменьшается и при полном насыщении жидкостью 8 « 0. На первом участке {Up 0,215 кг вл./кг св.) коэффициент 8р отрицателен, что связано с явлением относительной термодиффузии в газовых смесях. Воздух, как газ, имеющий большую молекулярную массу, чем водяной пар, начинает диффундировать по направлению потока тепла, а водяной пар перемещается против потока тепла. Эффект относительной термодиффузии значительно усиливается благодаря явлению теплового скольжения. Последнее проявляется в движении газа вдоль неравномерно нагретой стенки: если температура стенки снижается по ее длине, то изменяется и температура прилегающего к ней газа. Тогда вблизи стенки начинается макроскопическое движение газа (в данном случае пара) от холодных мест к горячим, т.е. в направлении, противоположном потоку тепла.
Кинетические закономерности протекания процесса сушки пищевых волокон, исследование влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена
Сушка является нестационарным термодиффузионным процессом, в котором в общем случае влагосодержание и температура материала непрерывно изменяются во времени [34,80,82], поэтому для разработки рациональных конструкций агрегатов и оптимальных режимов влагоудаления необходимо знать кинетические закономерности процесса и условия его моделирования.
Методы описания кинетики процесса сушки можно разделить на три группы [136]: 1) теоретические (математические) - аналитические и численные, основанные на решениях дифференциальных уравнений переноса; 2) полуэмпирические, основой которых также те или иные фундаментальные уравнения тепломассообмена, но для решения используются различные упрощения; 3) эмпирические. Поскольку решение дифференциальных уравнений тепломассопроводности в виду их нелинейности представляет определенные математические трудности, поэтому на практике чаще всего используются различные полуэмпирические методы. Их, в свою очередь, можно разбить по следующим признакам [138]: - аппроксимируется распределение влагосодержания по толщине тела; - аппроксимируется кривая скорости сушки; - решается уравнение массопереноса [78,192].
В качестве примеров наиболее широко освещенных в литературе полуэмпирических методов можно отметить уравнение Г.К. Филоненко для приведенной скорости сушки; зональный метод А.В. Лыкова и развитие метода В.В. Красниковым [68]; способ расчета кинетики сушки дисперсных материалов с разнопористой структурой на основе комплексного анализа дисперсных, сорбционно-структурных и тепловых характеристик [42,68,72,140,161]; построение обобщенных кривых скорости сушки в координатах (N-т-т), где N - скорость сушки в первый период или максимальная скорость сушки в начале второго периода, г -продолжительность сушки.
С помощью опытных кривых сушки можно привести систему дифференциальных уравнений тепломассопереноса либо к уравнению массопроводности [135,137], либо к уравнению теплопроводности и строить дальнейшее математическое описание на их основе [64]. Наиболее эффективно использование методов кинетического расчета с помощью опытных кривых сушки в том случае, когда их получают для дифференциально малого объема аппарата [162], т.к. последующий анализ с учетом гидродинамики потоков, решения уравнений материального и теплового баланса, позволяет получить достоверное описание кинетики и динамики сушки для всего аппарата в целом и обоснованно решать задачу перехода от результатов лабораторных исследований к промышленным сушильным установкам.
При исследовании кинетики обезвоживания использовались ПВ тыквы обыкновенной, начальное влагосодержание которых контролировалось посредством высушивания навесок в вакууме до постоянного веса. Конечная влажность продукта после обезвоживания (wK = 10%) принята из анализа параметров монослоя (см. гл.2).
Кинетику сушки исследовали с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных [36]. В качестве целевой функции выбрана величина съема сухого продукта с единицы объема сушильной камеры в единицу времени: Соответственно для сушки в псевдоожиженном слое размерность целевой функции - кг/(м -час), в полотном слое - кг/(м -час).
Анализ способов и устройств для проведения процесса сушки ПВ (см. гл. 1) предопределил конструкцию двух экспериментальных установок.
Проведен ряд экспериментов по сушке ПВ при радиационном энергоподводе на экспериментальной установке для изучения ИК-сушки (рис. 3.1). ПВ наносились ровным слоем толщиной 1, 2 мм и площадью 0,0026 м2 на пластину из нержавеющей стали Р. Нагрев продукта осуществлялся посредством трубчатых галогенных ламп КГТ-220-1000 3. Измерение убыли массы в процессе сушки проводилось с помощью весов ВЛК-500 7, показания которых фиксировались видеозаписью в реальном масштабе времени с помощью миниатюрной видеокамеры 7, помещенной перед шкалой весов и закрытой от излучения защитным экраном. Видеозапись с последующей расшифровкой осуществлялась ПЭВМ 6. Сушильная камера оборудовалась смотровым окном 1 для визуального наблюдения за процессом. ИК-излучатели располагались на специальной раме 3 на расстоянии 0,1м от рабочей поверхности и были снабжены плоским отражателем из полированного алюминия. включить независимо дин от другого, регулировка напряжения осуществлялась посредством тиристорного регулятора, связанного с приборами контроля напряжения и силы тока на щите управления 5.
Продолжительность сушки до требуемой влажности составила 35-50 мин. Соответственно производительность 2,9-2,4 кг/(м -час). Полученные кривые сушки клетчатки при варьировании толщины слоя продукта и начальной влажности продукта представлены на рис. 3.2. Исследование процессов тепломассообмена при конвективной сушке в псевдоожиженном слое проводились на разработанной сотрудниками кафедры ТМО ФГОУ ВПО АГТУ оригинальной экспериментальной установке (рис. 3.3).
В стеклянную трубу 12 подавался теплоноситель - нагретый в электрокалорифере 6 до определенной температуры воздух. Скорость потока теплоносителя определялась анемометром 7 марки DT 318, гибкий измерительный зонт которого устанавливали в камеру 4. Температуру сушильного воздуха отслеживали по показаниям мультиметра 8, для этого в трубопроводе 9 была установлена термопара «медь-константан» 10. Для равномерного распределения потока сушильного агента по сечению камеры в конструкции предусмотрена газораспределительная решетка 11.
Исследуемый образец продукта вводился в объем сушильной камеры посредством специального пробоотборника однократного использования, который представляет собой изготовленную из металлической мягкой сетки трубку. Определенная масса продукта известной исходной влажности помещалась в пробоотборник, концы которого обминались с целью ликвидации возможного уноса продукта во время сушки. Продукт периодичесіш взвешивался на весах с точностью до 0,0001г.
Исследование гидродинамики кипящего слоя проводилось посредством загрузки на газораспределительную решетку 11 слоя ПВ определенной толщины. Перепад давления в псевдоожиженном слое продукта измерялся с помощью микроманометра ММН - 240 20. Регулировку расхода сушильного агента осуществляли вентилем 2.
Экспериментальные исследования кинетики сушки клетчатки в кипящем слое проводились по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных (приложение 1, табл. П.1). Анализ литературы [4,10,58,63,84,152,156] и постановочные эксперименты позволили установить, что основными факторами, влияющими на интенсивность тепломассообмена в процессе конвективной сушки в псевдоожиженном слое являются: начальная влажность продукта wH (кг/кг), температура Т (К) и скорость V (м/с) сушильного агента.
Изучение гидродинамики взвешенного слоя пищевых волокон
При активном гидродинамическом режиме в сушильном аппарате значительно интенсифицируется технологический процесс без снижения экономической эффективности его работы и обеспечивается высокое качество готового продукта с требуемой остаточной влажностью, что объясняется различными условиями взаимодействия твердых частиц с нагретым потоком сушильного агента. Поэтому знание основных параметров, определяющих гидродинамические характеристики аппарата, необходимо для создания оптимизационных моделей процесса сушки и разработки методик инженерного расчета сушильных установок.
Основными признаками активных гидродинамических режимов являются развитая поверхность взаимодействия фаз, гидродинамическая устойчивость (стабильность гидродинамической обстановки во времени по всему объему аппарата), приближение гидродинамической модели потоков в аппарате к модели идеального вытеснения. Как правило, повышение активности гидродинамической обстановки в сушилке связано с увеличением межфазных относительных скоростей, подвижности и столкновения частиц, а соответственно среднего коэффициента теплоотдачи, что интенсифицирует процесс, однако требует роста затрат. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо решать задачу оптимизации процесса сушки заново.
В настоящей главе рассмотрены вопросы, обеспечивающие решение основных оптимизационных задач гидродинамики кипящего слоя ПВ. Из известных гидродинамических режимов взаимодействия дисперсной фазы с ожижающим агентом можно выделить четыре основных: псевдоожижение, фонтанирование, пневмотранспорт и закрученные потоки [60,128,129,157].
Режимы псевдоожижения осуществляются в аппаратах, в которых скорость ожижающего агента не превышает скорость витания, т.е. пределы существования псевдоожиженного слоя ограничены с одной стороны скоростью псевдоожижения, с другой - скоростью уноса тонкой фракции дисперсного материала. Исключением является проходящий кипящий слой [140], в котором обработанный материал уносится ожижающим агентом, а материал, степень обработки которого недостаточна, образует кипящий слой.
Режим фонтанирующего слоя достигается в конических или щелевых аппаратах, сечение которых расширяется по ходу ожижающего агента. Фонтанирующие слои неоднородны по структуре, их особенностью является восходящее движение твердых частиц в зоне фонтана и последующее нисходящее движение со скоростью на два порядка меньше. В конических и цилиндроконических аппаратах также можно реализовать режим свободного фонтанирования (аэрофонтанный режим), если скорость витания частиц высушиваемого материала существенно изменяется в процессе сушки
Режим пневмотранспорта характеризуется тем, что скорость обтекающей фазы превышает скорость уноса зернистого материала по всему сечению аппарата. Для активизации гидродинамической обстановки пневмотранспорт в аппаратах с изменяющимся сечением и аппаратах со встречными струями позволяет использовать силу инерции дисперсных частиц, в аппаратах с закрученными потоками для этой цели используют действующие на частицы центробежные силы.
При проектировании аппаратов взвешенного слоя необходимо рассчитать гидродинамические параметры слоя, к основным из которых относятся: Ар - потери напора теплоносителя в системе; VKp - скорость начала псевдоожижения (критическая скорость псевдоожижения), минимальная скорость ожижающего агента, при которой слой переходит из стационарного в псевдоожиженное состояние; є - порозность слоя (параметр, определяющий относительный свободный объем);
Кит - скорость уноса частицы в свободных условиях, при которой начинается массовый унос твердых частиц, она примерно равна скорости витания, т.е. скорости потока, при которой одиночная частица находится в равновесии в потоке газа (не уносится и не осаждается).
Известно большое число зависимостей, описывающих основные закономерности кипящего слоя [35,38,19,76,90,127,134,]. Определение скорости VKp, соответствующей началу псевдоожижения, основано на связи между перепадом давления в слое и скоростью потока ожижающего агента в потоке теплоносителя в свободном сечении аппарата. Среди наиболее простых и пригодных для инженерного расчета формул для определения VKp можно отметить уравнение Эргана для зернистых слоев из элементов разного типа, Козени -Кармана [90] для мелких частиц (0,1-1 мм), О.М. Тодеса [35]. Обобщенная полуэмпирическая зависимость О.М. Тодеса имеет наиболее удачную форму, уравнение удобно своей универсальностью и простотой, его можно применять в широком диапазоне чисел Рейнольдса, охватывающем ламинарный и турбулентный режимы. Уравнение рекомендуется использовать для предварительной оценки критической скорости псевдоожижения зернистых монодисперсных слоев с точностью ±30%. При беспорядочной засыпке слоя, если считать в среднем в момент начала псевдоожижения порозность слоя е=0,4, уравнение имеет вид:
Скорость витания Veum рассчитывается по классическим формулам, определяющим скорость свободного осаждения (витания) одиночной частицы, а именно, уравнениям Риттингера, Стокса, Аллена [76,130]. Для расчета интервала существования кипящего слоя — (или ——) -К-Єснт вит наиболее удобна интерполяционная формула П.Г. Романкова [134], справедливая в широком интервале чисел Архимеда: Следует отметить, что все вышеперечисленные теоретические и полуэмпирические зависимости применимы к слоям из монодисперсных частиц, псевдоожиженных в аппаратах постоянного поперечного сечения, и не учитывают многих факторов, оказывающих влияние на критическую скорость кипения -шероховатость поверхности частиц материала, геометрические размеры и форму аппаратов, состояние их внутренних поверхностей, тип газораспределительной решётки и т.д. Потому целесообразно экспериментально определять зависимость критической скорости псевдоожижения для каждого определенного аппарата и обрабатываемого материала [19,38,43,87, 131, 202]. Соотношения для расчета перепада давления Ар в аппаратах кипящего слоя в общем случае выводятся из условия равенства гидродинамического давления и силы, противодействующей псевдоожижению частиц. Поскольку гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя обусловлено, главным образом, силой тяжести материала, то потерями напора, обусловленными трением газового потока о стенки и вызванные местными сопротивлениями (сужениями, поворотами и др.) можно пренебречь. Потери напора значительно зависят от плотности засыпки материала и объема пустот [179,184], линейно увеличиваются с высотой слоя. В случае прохождения воздуха через слой волокнистых и стеблевидных материалов потери напора возрастают с увеличением высоты слоя значительно более интенсивно, в процессе псевдоожижения крупных частиц (в случае, когда отношение диаметра емкости D к размеру частицы продукта d3 меньше 50) на общее сопротивление слоя оказывает значительное влияние прохождение воздуха в граничных зонах емкостей, где материал менее уплотнен. В аппаратах периодического действия для перехода слоя из неподвижного состояния в псевдоожиженное требуется избыточное давление. Этот избыток давления в аппаратах с постоянным поперечным сечением невелик и составляет 1,5-5% от рабочего. В конических аппаратах, особенно работающих в режиме фонтанирования, перепад давления в момент перехода может в 2-3 раза превысить рабочее гидравлическое сопротивление [128]. При выборе тягодутьевого оборудования этот пик давления должен быть учтен.
