Лекція 14 (1) Тема. ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ

Лекція 21-22.

 5.5 СУШІННЯ

5.5.1. Загальна характеристика процесу

Сушінням називається процес вилучення вологи з твердих, вологих, пастоподібних та рідких матеріалів шляхом її випаровування та відводу пари, що утворюється. При цьому волога з матеріалу видаляється шляхом дифузії з внутрішніх шарів до поверхні та випаровуванням її в навколишнє середовище. Вологу з матеріалів можна усунути різноманітними способами: механічним, фізико-хімічним і тепловим.

Під час механічного способу вологу видаляють пресуванням, відсмоктуванням насосами, фільтруванням, центрифугуванням. За цього випадку забезпечується часткове вилучення вологи з матеріалу. Фізико-хімічний спосіб базується на абсорбції вологи хлористим кальцієм, сірчаною кислотою, силікагелем та іншими гігроскопічними речовинами. Спосіб складний, оскільки пов'язаний з приготуванням та регенерацією порівняно дорогих абсорбентів. Застосовується в лабораторній практиці і для осушування газів. Під час теплового способу вологу з матеріалів видаляють випаровуванням, випарюванням і подальшою конденсацією. Спосіб застосовують у випадку необхідності найповнішого вилучення вологи з матеріалу. В основі механічних і фізико-хімічних способів лежить принцип вилучення з продуктів вологи без зміни її агрегатного стану, тобто у вигляді рідини. Під час теплових способів волога переходить у пароподібний стан і видаляється з продуктів у вигляді водяної пари.

Цей спосіб сушіння пов'язаний з витратою теплоти, що йде на зміну агрегатного стану вологи. Сушіння є найбільш енергоємним процесом вилучення вологи з матеріалів. Відомо, наприклад, що на вилучення 1 кг вологи випаровуванням у багатокорпусній випарній установці питома витрата теплоти становить 0,7-0,8 МДж, а для вилучення 1 кг вологи сушінням ці витрати складають 3-6 МДж. Тому в практиці спостерігається прагнення до комбінування різноманітних способів вилучення вологи: наприклад, механічне зневоднювання + сушіння, випаровування + сушіння. При цьому сушіння проводиться наприкінці технологічного процесу оброблення вологих продуктів (до досягнення порівняно низької залишкової вологості). Завдання сушіння не обмежується вилученням вологи. Це водночас і технологічний процес, під час якого змінюються властивості матеріалів (структурно-механічні, фізико-хімічні, технологічні та біологічні). Так, під час переробки на млинах сухого зерна збільшується вихід борошна і зменшується витрата енергії на його одержання. Таке борошно краще зберігається.

Сушіння насінного зерна підвищує схожість насіння. Сушіння продуктів проводиться з метою запобігання або уповільнення фізико-хімічних, біологічних та інших процесів; підвищення термінів зберігання; зменшення площі складських приміщень при зберіганні; зниження транспортних витрат; концентрації поживних речовин; одержання якісно нових продуктів (на-приклад, сухого молока). Сушіння широко застосовується в багатьох харчових та переробних виробництвах і ресторанному господарстві. У бурякоцукровому виробництві висушують цукор-пісок, цукор-рафінад і жом; у спиртовому - відходи виробництва: барду, кормові та харчові дріжджі; в пивоварному - солод; у крахмало-паточному - крохмаль та відходи виробництва; у макаронному - макаронні вироби. Сушінню піддаються також такі харчові продукти, як зерно, молоко, бульйони, соки, м'ясо, яйця, плоди, овочі, хліб та ін. Процес сушіння все ширше застосовують у харчуванні для одержання сухих напівфабрикатів з тіста, швидкорозчинних овочевих і фруктових порошків, сухарів, консервації залишків харчів тощо. Розрізняють два види сушіння: природне та штучне. Природне сушіння проводять на відкритому повітрі без додаткового нагрівання. Цим способом сушать тютюн, рибу, сіль, зерно, овочі, плоди та іншу рослинну сировину. Штучне сушіння здійснюється в спеціальних сушильних установках з підведенням теплової енергії. Розрізняють основні способи штучного сушіння - контактний і конвективний; і спеціальні - радіаційний, діелектричний і сублімаційний.

Під час контактного (або кондуктивного) сушіння теплота до продукту передається від теплоносія (повітря, димових газів або водяної пари) або будь-якого іншого джерела через стінку, що їх розділяє. Контактним способом сушать молоко, дріжджі, картопляне пюре, агар, пастоподібні овочеві та фруктові продукти. Конвективне сушіння протікає під час безпосереднього стикання нагрітого сушильного агента з вологим матеріалом. Цим способом, найбільш розповсюд-женим у сушильній техніці, сушать хлібні та макаронні вироби, цукор, овочі, плоди, зерно, молоко, желатин, меланж, деякі кондитерські вироби (мармелад, пастилу). Радіаційне сушіння здійснюється шляхом опромінення продукту інфрачервоним промінням. Особливістю сушіння вологого продукту за допомогою теплових інфрачервоних променів є швидке його прогрівання, в той час, як повітря в просторі між ІЧ-випромінювачами і матеріалом майже не нагрівається. Під час діелектричного сушіння продукт нагрівається в полі струмів високої та надвисокої частот. Сублімаційне сушіння - це вилучення вологи з матеріалу шляхом перетворення її на лід, а після цього, проминувши рідку фазу, - на водяну пару.

5.5.2. Властивості вологих матеріалів, види зв'язку вологи

Більшість харчових продуктів є вологими тілами, що містять велику кількість води. Вона входить до складу рослинних і тваринних тканин. Вологий матеріал складається з трьох фаз: твердий скелет (сухі речовини), рідина (вода) і газ (повітря, водяна пара). Більша частина продуктів є пористими тілами, у порах яких знаходиться повітря або водяна пара. Оскільки маса газової фази або повітря порівняно з масою твердого скелету і рідини надто мала, то нею нехтують, вважаючи, що вологі матеріали складаються з абсолютно сухої твердої речовини та вологи. Процес вилучення вологи з продукту супроводжується порушенням зв'язку вологи з матеріалом, на що витрачається енергія. Від характеру цього зв'язку залежать режими сушіння, що забезпечують найбільш ефективне вилучення вологи. На сьогодні прийнято класифікацію форм зв'язку вологи з матеріалом, в основу якої покладено енергетичний принцип, тобто оцінюється кількість енергії, необхідної для вилучення вологи з даного матеріалу.

Відповідно з цією класифікацією форми зв'язків поділяють на три великі групи: хімічну, фізико-хімічну та механічну. Хімічно зв'язана волога - це волога, що знаходиться в хімічному сполученні з матеріалом і при сушінні не видаляється. Фізико-хімічний зв'язок включає такі форми: адсорбційну, осмотичну та структурну. Адсорбційно зв'язана волога удержується завдяки адсорбції шарів молекул на внутрішній поверхні мікропор твердого матеріалу. Осмотично зв'язана волога знаходиться всередині пор і каналів твердого тіла; вона відділена напівпроникними мембранами і вміщується в твердих тілах рослинної та колоїдної будови. Структурна волога потрапляє всередину клітин гелю під час утворення його і міститься в клітинах рослинних тканин. Механічна волога міститься в капілярах тіла - капілярна волога і на його поверхні (поверхнева або волога змочування). Механічно зв'язана волога (інколи її називають вільною або зовнішньою) має надто неміцний зв'язок з матеріалом і легко може бути видалена з нього механічним способом (наприклад, пресуванням) або випаровуванням (так само, як вона випаровується з поверхні води). Залежно від переважної форми зв'язку вологи з матеріалом усі тверді харчові продукти прийнято розподіляти на три групи: капілярно-пористі, колоїдні та капілярно-пористі колоїдні. У капілярно-пористих матеріалах волога зв'язана механічно капілярною силою (наприклад, цукор, сіль). Під час сушіння вони робляться крихкими.

У процесі сушіння мало стискуються. Під час зволоження добре поглинають будь-яку рідину. До колоїдних відносяться продукти, в яких переважає адсорбційно і осмотично зв'язана волога (наприклад, желатин, мучне тісто). Під час сушіння вони не стають крихкими; від висушування сильно стискуються, зберігаючи еластичність. Під час зволоження колоїдні матеріали вбирають тільки близькі за полярністю рідини. Капілярно-пористі колоїдні матеріали мають різні форми зв'язку вологи (наприклад, зерно, хліб, овочі та інші продукти). Під час сушіння цих матеріалів спостерігається усадка, а під час зволоження - сильне набухання. У результаті сушіння більшість з продуктів цієї групи набувають крихкості (наприклад, хлібні сухарі).

Властивості вологих матеріалів характеризуються рядом параметрів, у тому числі температурою, вологістю, теплоємністю, теплопровідністю та ін.

Виражене у відсотках відношення маси вологи в матеріалі до загальної його маси називають вологістю

Відношення маси вологи в матеріалі до маси абсолютно сухої речовини називають вологовмістом. Вологовміст вимірюється в кг/кг або у відсотках.

Зазвичай волога в матеріалі розподілена нерівномірно. Тому розрізняють середню концентрацію вологи в матеріалі або концентрацію в даній точці.

5.5.3. Статика сушіння

Статика сушіння вивчає взаємодію вологого матеріалу з навколишнім середовищем. Вона встановлює зв'язок між початковими й кінцевими параметрами матеріалу і сушильного агента, що беруть участь у цьому процесі.

Цей зв'язок виражають у вигляді рівнянь матеріального і теплового балансів. Із статики сушіння визначають масу випареної вологи, витрати сушильного агента і теплоти.

Залежно від умов вологий продукт віддає в навколишнє середовище вологу або поглинає її. Навколишнє середовище - це вологе повітря, яке складається із сухого повітря та водяної пари. Процес сушіння здійснюється внаслідок різниці тисків водяної пари в навколишньому середовищі і в поверхні вологого матеріалу.

У процесі сушіння вологість матеріалу зменшується і наближається до певної залишкової вологості матеріалу, яку називають рівноважною вологістю.

При цьому парціальний тиск пари на поверхні матеріалу дорівнює парціальному тиску пари в повітрі.

Вологу, яку можна видалити в процесі сушіння, вид визначають різницею між вологістю матеріалу і рівноважною вологістю (яка визначається відносною вологістю повітря) і виражають у відсотках:

Щоб збільшити вид, потрібно зменшити, тобто для сушіння потрібно використати повітря з меншою відносною вологістю.

Розглянемо матеріальний і тепловий баланси конвективного сушіння вологого матеріалу.

1) кількість матеріалу після сушіння

2) кількість видаленої вологи

Питома витрата повітря, тобто витрата його на 1 кг вологи, що видаляється з матеріалу,

Зазвичай розрахунки повітряних сушарок здійснюють графічним методом за допомогою побудови процесу сушіння на I-Х-діаграмі вологого повітря.

5.5.4. Кінетика сушіння

Кінетика сушіння простежує зміни основних параметрів вологого матеріалу і вологого повітря в часі. її характеризують графіками трьох видів: криві сушіння, криві швидкості сушіння та температурні криві.

Протікання процесу сушіння вологого матеріалу в часі зображається кривою сушіння - графіком залежності вологовмісту матеріалу від часу (рис. 5.21). Для кожного конкретного вологого матеріалу крива сушіння будується шляхом зважування зразка, який поміщено в лабораторну сушарку, через визначені проміжки часу або автоматично протягом усього процесу.

З наведеного графіка видно, що весь процес сушіння можна розподілити на три періоди: нагрівання матеріалу, постійної швидкості сушіння і падаючої швидкості сушіння. Перший етап називають періодом прогрівання матеріалу, на цій стадії видаляється лише незначна частина вологи. Для тонких матеріалів та тіл невеликих розмірів початкова стадія сушіння дуже мала і тому під час розрахунків не враховується.

Після періоду прогрівання вологість матеріалу змінюється за лінійним законом і, отже, швидкість сушіння, що являє собою зміну вологості за одиницю часу, буде постійною.

У цей період кількість вологи, що підводиться до поверхні матеріалу, з якої відбувається випаровування, відповідає кількості вологи, що випаровується з поверхні. Період постійної швидкості сушіння триває до певного значення, що називається першою критичною вологістю (точка К1 на рис. 5.21). У цей період сушіння видаляється вільна волога, що міститься в мікрокапілярах, та волога змочування, і частково волога внутрішніх шарів.

Після критичної точки К1 йде третій період, під час якого швидкість сушіння спадає, асиметрично наближаючись до нульового значення, відповідного рівноважній вологості. У періоді спадаючої швидкості сушіння до поверхні матеріалу підводиться менше вологи, ніж може випаруватися, бо починає видалятися більш міцно зв'язана волога (адсорбційна і осмотична). Поверхня матеріалу покривається скоринкою, що перешкоджає підведенню вологи до поверхні.

Для аналізу сушильного процесу слугує також крива швидкості сушіння, побудована способом графічного або аналітичного диференціювання кривої сушіння. Криву швидкості сушіння будують у координатах: по горизонталі - відсотковий вміст вологи в матеріалі, а по вертикалі - величину похідної. Крива швидкості сушіння свідчить про те, що в періоді прогрівання матеріалу швидкість сушіння дуже зростає (вертикальна пряма).

Досягнувши максимального значення, швидкість сушіння залишається деякий час постійною (періоду постійної швидкості відповідає горизонтальна пряма лінія), а після цього після першої критичної точки К1 швидкість поступово знижується до нуля (точка А). Вологість продуктів при цьому досягає рівноважного значення.

Крива швидкості в періоді спадаючої швидкості сушіння різноманітних матеріалів має різну форму, що залежить від виду зв'язку вологи з продуктом.

5.5.5.0сновні апарати для сушіння продуктів

Апарати, застосовувані для сушіння харчових продуктів, відрізняються великою різноманітністю конструкцій і можуть бути класифіковані за такими ознаками: за способом підведення теплоти до висушуваного матеріалу конвективні, контактні та спеціальні; за типом теплоносія — повітряні, газові та парові; за величиною тиску в сушильній камері - атмосферні та вакуумні; за способом дії - періодичної та безперервної дії; за направленням руху матеріалу і сушильного агента (в конвективних сушарках) - прямоточні, протитечійні, перехресного і змішаного потоку; за станом шару матеріалу в апараті - з нерухомим, рухомим, киплячим і фонтануючим шаром; за конструкцією сушильної камери - барабанні, шахтні, камерні, стрічкові, трубчасті, коридорні, вальцеві, розпилювальні та ін. Розглянемо принципові схеми найбільш широко застосовуваних для сушіння харчових продуктів контактних і конвективних апаратів. Контактні (кондуктивні) сушарки застосовуються для сушіння як твердих, так і рідких і пастоподібних продуктів. Для сушіння твердих продуктів серед контактних сушарок розповсюдження отримали вакуумні (рис. 5.23) та атмосферні сушильні шафи. їх застосовують для сушіння пекарських дріжджів, крохмалю, плодів, рафінаду і різноманітних термолабільних матеріалів. Шафа — це камера 1, у якій є порожні плити 2. Продукт розміщується на деках 4 на плитах 2, що обігріваються глухою парою. Волога видаляється з сушарки через штуцер З вакуумним насосом, що з'єднаний із сушильною камерою через конденсатор, для уловлювання вологи з повітря. Сушильні шафи відносяться до апаратури періодичної дії, в якій великий відсоток робочого часу витрачається непродуктивно (завантаження, вивантаження матеріалів). Недоліком є й те, що сушіння матеріалу здійснюється в нерухомому шарі.

Для сушіння рідких і пастоподібних продуктів (молока, агару, желатину, картопляного та овочевого пюре) під вакуумом і з атмосферним тиском застосовують вальцьові сушарки безперервної дії: одновальцьові і двовальцьові. Двовальцьова сушарка (рис. 5.24) має два порожні вальці (барабани) З і 5, що приводяться в обертання від електродвигуна через редуктор і поволі обертаються назустріч один одному. У проміжок між вальцями через патрубок 4 подається висушуваний матеріал. Всередину порожнистих вальців через порожнисту цапфу подається гріюча пара, конденсат відводиться через спеціальну трубку. На поверхні вальців утворюється тонка суха плівка продукту, яка зчищається з поверхні ножами 2 і б, і падає в бункери 1 і 7. Продуктивність вальцьових сушарок пропорційна довжині та діаметру вальців, а також швидкості їхнього обертання, яка залежить від часу, що вимагається на висушування матеріалу. Конвективні сушарки - апарати, в яких випаровування вологи з висушуваного матеріалу відбувається за рахунок теплоти газоподібного сушильного агента під час контакту матеріалу і теплоносія. До цієї групи сушарок належать камерні, тунельні, стрічкові, барабанні, розпилювальні, пневматичні, сушарки з псевдозрідженим і віброкиплячим шаром. Багатострічкові сушарки безперервної дії (рис. 5.25) застосовуються для сушіння овочів, плодів, сухарів, крохмалю, макарон та інших виробів. Усередині сушильної камери 2 розміщені один над одним декілька стрічкових транспортерів 3, стрічки яких (тканеві, сітчасті або металеві) рухаються в протилежних напрямках. Матеріал із завантажувального бункера І надходить на стрічку верх-нього транспортера, переміщується вздовж сушильної камери 2 і після цього пересипається на розташований нижче транспортер.

Повітря подається вентилятором 4 через калорифери 5 у сушильну камеру 2, де пронизує шар матеріалу на кожній перфорованій стрічці. Стрічкові сушарки бувають прямоточними, протитечійними і з перехресним потоком, вони також можуть вироблятися з рециркуляцією і проміжним підігріванням повітря. За рахунок цього в стрічкових сушарках досягаються м'які умови сушіння. Рівномірність сушіння досягається завдяки багаторазовому перемішуванню продукту під час пересипання зі стрічки одного транспортера на інший. Сушарки 3 киплячим (псевдозрідженим) шаром в останні 20-30 років отримали широке розповсюдження для сушіння багатьох сипких матеріалів (зерна, цукру-піску, хлібопекарських дріжджів, овочів, плодів, комбікормів тощо), а також паст і розчинів. Застосовуються апарати круглого і прямокутного перетину, одно- і багатокамерні, безперервної дії, періодичні та напівбезперервні. На рис. 5.26 зображено схему конвективної установки для сушіння в "кип-лячому" шарі. Вологий матеріал розміщують на пористій перегородці (решітці) 1. Сушильний агент (повітря) відповідних параметрів подається під решітку 1, проникає крізь решітку в верхню частину сушильної камери 4, прогріває шар продукту 2 і перетворює його на псевдозріджений стан. При цьому відбувається рівномірне нетривале сушіння, і готовий продукт отримує високу якість. Повітря разом з водяною парою відводиться з сушарки через патрубок 3. При сушінні рідких та в'язких продуктів у "киплячому" шарі останні розпорошуються, осідають на псевдозрідженому шарі інертного матеріалу (наприклад, гранулах фторопласту) і швидко висушуються. Після цього здійснюється відділення висушеного продукту від інерту.

Останніми роками вивчено процес сушіння різноманітних харчових продуктів (овочів, казеїну, дріжджів) у віброкиплячому шарі та запропоновано цілий ряд конструкцій вібросушарок. При такому способі сушіння інтенсивне перемішування матеріалу відбувається в результаті одночасного впливу вертикальних вібрацій решітки і висхідного повітряного потоку. Застосування вертикальних вібрацій решітки з великою амплітудою (5-10 мм) і малою частотою значно розрихлює шар, покращує його однорідність і забезпечує стале "кипіння" зі швидкістю повітря, що в два рази нижче від критичної на нерухомій решітці. Сушіння у віброкиплячому шарі є високоінтенсивним процесом і дозволяє, порівняно із сушінням на парових конвейєрних сушарках, зменшити його тривалість (наприклад, для овочів - у 2-3 рази), одержувати швидкорозварювальні сушені овочі і плоди високої якості із зниженою вологістю. Матеріали з великою початковою вологістю (молоко, соки, яйця, желатин, ферментні препарати та ін.) сушать в розпилювальних сушарках безперервної дії (рис. 5.27). Ці апарати складаються із сушильної камери /, всередині якої знаходиться спеціальний, розпилювальний пристрій 2, і пилоуловлювального апарата-фільтра 4 для повітря.

Висушуваний матеріал через патрубок З безперервно надходить у камеру 1 і за допомогою відцентрових пристроїв 2 (або форсунок) розпилюється (диспергується в повітряне середовище). Оскільки швидкість сушіння значною мірою зумовлюється величиною частинок висушуваного продукту, то зрозуміле прагнення до максимального збільшення поверхні випаровування. Відзначимо, що площа поверхні 1 кг розчину в результаті розпилення збільшується в декілька тисяч разів, досягаючи 600 м . Розмір частинок звичайно не перевищує 10-15 мкм.

У внутрішній простір камери 1 назустріч продукту подається нагріте до температури 120-150°С профільтроване повітря. Для висушування потрібні част-ки секунди, температура продукту завдяки високій швидкості сушіння під час процесу залишається близькою до температури мокрого термометра. Повітря, що виходить із сушарки, пропускають через повітряний фільтр 4 (рукавний або патронний), де воно звільняється від частинок порошку, винесених ним із сушильної камери. Висушений матеріал у вигляді порошку збирається на дні сушарки, звідки шнеком 5 виводиться з камери через патрубок 6. Перевагою розпилювальних сушарок є можливість використання теплоносіїв з високою температурою навіть для сушіння термолабільних матеріалів (молока, яєць). Рідкі продукти, які піддаються сушінню, доцільно попередньо згущувати на вакуум-випарних установках, що дозволить істотно знизити питому витрату теплоти. Застосовують і двоступінчасту сушильну установку, перший ступінь якої - розпилювальна сушарка, а другий - сушарка із псевдозрідженим шаром.

 5.5.6. Спеціальні та перспективні методи сушіння

Останніми роками промисловість і наука накопичили багатий досвід сушіння харчових продуктів. Основною метою при цьому є максимальне збереження в продукті смакових і ароматичних речовин, а також живильних властивостей. Не втрачає актуальності й завдання впровадження нових високоінтенсивних процесів і апаратів, заснованих на електрофізичних методах. Висушені продукти тваринного та рослинного походження, що виробляються сьогодні, під час сушіння дають значну усадку, зменшуючися в об'ємі в 3-4 рази, а в процесі подальшої гідратації повільно відновлюються, поглинаючи воду. З метою усунення цих недоліків останніми роками розроблено ряд нових методів одержання швидковідновлювальних сушених продуктів. До них відноситься одержання пористих продуктів шляхом: - інтенсивного підведення теплоти до центру продукту (в ІЧ-променях, ВЧ і НВЧ-полях); - створення перепаду тиску пари, що викликає руйнування структури продукту і збільшення його пористості ("вибухове" сушіння і сушіння перегрітою парою); - конвективного сушіння з попереднім заморожуванням; - сублімаційного сушіння; - сушіння у вспіненому стані. Використання інфрачервоних променів для сушіння матеріалів дозволяє значно інтенсифікувати процеси внаслідок збільшення густини теплового потоку на поверхні матеріалу і проникнення цих променів на деяку глибину (0,1-2 мм). Як генератори ІЧ-випромінювання для промислових сушильних установок застосовуються спеціальні електричні лампи із дзеркальними відбивачами або ке-рамічні екрани чи панелі, що обігріваються газом. На рис. 5.28 зображено схему стрічкової терморадіаційної сушарки.

Джерелом енергії ній є лампи 2, оснащені рефлекторами /, що спрямовують промені на транспортер, який переміщує висушуваний продукт 3. Під час інфрачервоного опромінення густина теплового потоку на поверхні матеріалу в 20-100 разів більша, ніж під час конвективного сушіння, тому, обираючи режим опромінення, враховують технологічні особливості матеріалів. Так, для ряду харчових продуктів (плоди, овочі, зерно, молоко та ін.) у зв'язку з необхідністю збереження в них вітамінів рекомендується застосовувати комбіновані методи оброблення. Під час ІЧ-опромінення швидке нагрівання поверхні ви-сушуваних частинок продукту створює температурний градієнт, що сприяє переміщенню вологи до центра частинок, тобто явище термовологопровідності стає гальмом сушіння. Крім того, швидке сушіння поверхні частинок призводить до утворення на них скоринки, що перешкоджає випаровуванню вологи в довкілля. Заслуговує на увагу поєднання радіаційно-конвективного сушіння з переривчастим (осциллюючим) режимом опромінення. Таке опромінення дозволяє уникнути перегрівання продукту, що дуже важливо для збереження його якості, а також знизити витрату енергії. Під час відключення генератора ІЧ-променів відбувається вирівнювання температур по перетину частинок, температурний градієнт змінює свій знак і волога спрямовується від центру до поверхні. Відбувається інтенсифікація процесу сушіння, а утворення скоринки виключається. Про ступінь інтенсифікації під час комбінованого оброблення можна судити за такими даними. Під час симетричного осцилюючого режиму (20 с опромінення і 20 с від ліжка) тривалість сушіння моркви до 12%-ої вологості становить 78 хв проти 106 хв під час безперервного ІЧ-опромінення. Максимально інтенсифікувати процес сушіння овочів і картоплі можна, комбінуючи киплячий або віброкиплячий шар та ІЧ-опромінення. У даному випадку створюється сприятливе поєднання позитивних властивостей псевдозрідженого шару та ІЧ-нагрівання. ВЧ- і НВЧ-нагрівання харчових продуктів - прогресивний технічний прийом, що дозволяє значно інтенсифікувати теплові та масообмінні процеси. Під час сушіння у НВЧ-полі теплота виділяється в усьому об'ємі тіла, але внаслідок тепловіддачі від зовнішньої поверхні температура глибинних шарів виявляється вищою, ніж на поверхні. Різниці температур і вологості, що виникають у матеріалі, прискорюють переміщення во-логи з глибини тіла до поверхні (направлення концентраційної і термодифузії збігаються) в десятки й сотні разів порівняно з конвективним сушінням. Проте внаслідок підвищеної витрати електроенергії на 1 кг випаровуваної вологи діелектричне сушіння застосовують тільки в поєднанні з конвективним. На рис. 5.29 зображено схему установки для сушіння хрусткої картоплі в полі НВЧ на кінцевій стадії технологічного процесу. Сушарка складається з двох паралельних тунелів із загальною системою повітрозабезпечення. Кожний тунель живиться від магнетрона потужністю 25 кВт через хвилевід 1. На кінці тунелю встановлюється пастка 2, в якій затухає енергія, що не поглинається продуктом. На конвеєрній стрічці 4 з шаром картоплі 76-125 мм, температурою повітря, що подається вентилятором З у 100° С, тривалість оброблення до вологості сухої картоплі І % становить усього 2,5-4 хв. У цій установці високочастотна енергія витрачається тільки на нагрівання матеріалу і на створення температурного градієнта. Вилучення вологи з поверхні проводиться шляхом конвекції. Виконані досліди з сушіння струмами НВЧ цукру-рафінаду, хліба, овочів та фруктів. Проте струми НВЧ ще широкого не застосовуються для сушіння цих матеріалів. Відзначимо, що застосування високочастотного сушіння обмежене також через необхідність суворого дотримання умов особливих заходів техніки безпеки. Сублімаційне сушіння - це сушіння матеріалів у замороженому стані, під час якого волога, що знаходиться в стані льоду, переходить у пару, обминаючи рідкий стан, тобто відбувається сублімація. Таке сушіння є різновидністю контактного вакуум-сушіння, але проводиться під глибшим вакуумом. Остаточний тиск у сублімаційних сушарках становить 133,3-13,3 Па (1,0-0,1 мм рт. Ст..). Процес іде за відповідно низьких температур (близько -50 0С). Сушіння сублімацією проводять в установках (рис. 5,30), що складаються із сушильної камери-субліматора 1, конденсатора-виморожувача 4 і системи високо вакуумних насосів. Вологий продукт попередньо заморожують за температури близько -15... -18°С. Для більшої частини харчових продуктів охолоджування нижче ніж -18°С може призвести до необоротних змін білкових речовин. Заморожений продукт у деках 3 кладуть на порожнисті плити 2 (всередині їх може циркулювати гаряча вода) субліматора 7, де у високому вакуумі відбувається випаровування льоду і додаткове охолоджування продукту. Коли значну частину вологи у вигляді пари усунено з продукту, включають нагрівання гарячою водою і матеріал досушують за температури близько 30° С. Водяна пара із субліматора надходить у труби кожухотрубного конденсатора-виморожувача 4, у міжтрубному просторі якого циркулює низькотемпературний холодоносій (аміак, розсіл) з холодильної установки. У трубах конденсатора відбувається конденсація і заморожування водяної пари. Звичайно встановлюються два конденсатора (на рис. 5.30 умовно показано один), що працюють поперемінно: у той час як в одному конденсаторі відбувається конденсація і заморожування, другий розморожується для вилучення льоду. Продукти, висушені сублімацією, зберігають структуру, колір, смак, запах, поживні властивості, біологічну цінність (білки, вітаміни) і можуть зберігатися тривалий час. Цим способом сушать харчоконцентрати, м'ясні й молочні продукти, овочі і плоди. Але цей спосіб дорогий і складний в апаратурному відношенні. Однак витрати на обладнання та експлуатацію цілком виправдовуються високою якістю висушених продуктів. На закінчення зупинимось на деяких перспективних методах сушіння, які ще не отримали значного поширення. Суттєвість "вибухового" сушіння полягає в тому, що підготовлену сировину спочатку підсушують до вологості 25-45% (залежно від виду продукту), а після цього завантажують у спеціальний апарат - "гармату", де піддають його "вибуху". Апарат - це циліндр, що обертається навколо горизонтальної осі. Для його нагрівання є розташовані під ним газові пальники. З одного боку циліндр має глуху кришку, а з другого - герметичну кришку, що закривається із замикаючим пристроєм. У апарат завантажують продукт, закривають кришку, встановлюють циліндр у горизонтальне положення, включають нагрів та привід. Після досягнення тиску в циліндрі близько 1,0-2,5 МПа скидають тиск. Це призводить до миттєвого перетворення частини вологи, що міститься в продукті, на пару, в результаті чого продукт набуває пористої структури (об'єм збільшується в 15-20 разів). Час відновлення сушених овочів і картоплі під час такого способу оброблення становить 5-7 хв. Цей процес не знайшов широкого застосування через ряд недоліків апарата: низька продуктивність, періодичність дії, високий рівень шуму під час роботи. Суть способу сушіння продуктів переробки плодів та овочів (пюре, паст, концентрованих соків) у спіненому стані з одержанням швидковідновлювальних порошків полягає в тому, що пюреподібний або концентрований рідкий продукт збивають у стійку піну з використанням піностабілізуючих речовин і висушують до вмісту вологи 2-4%. Спінювання надає продукту більш жорстку структуру і збільшує його поверхню для прискорення дифузії вологи. З точки зору теплопередачі цей спосіб не ефективний, бо піні притаманна низька теплопровідність. Проте піносушіння - це порівняно швидкий спосіб сушіння (тривалість процесу для різних продуктів становить 3-20 хв), що не потребує високої температури. Для стабілізації піни використовують емульгатори (сухе молоко, агар, желатин, крохмаль, метилцелюлозу та ін.), для покращення спінювання через збиту масу в деяких випадках продувають повітря. Сушіння піни найчастіше здійснюють конвективним способом на стрічкових сушарках. Висушений продукт подрібнюють, просівають та пакують у герметичну тару. Піносушінню піддають соки та пюре малини, полуниці, яблук, пюре з томатів, картопляне пюре та ін.

Питання для самоперевірки

1. На які три групи можна розподілити вологі тверді матеріали в харчових виробництвах?

2. Назвіть три форми зв'язку вологи з матеріалом. Яка волога віддаляється в процесі сушіння?

3. Чому найпоширеніший процес називають конвективним сушінням?

4. Чи сприяє підвищенню швидкості сушіння явище термовологопровідності?

5. За допомогою яких показників оцінюють економічність процесу сушіння?

6. Які способи сушіння ви знаєте? У яких установках вони реалізуються?

7. Яким чином досягають збільшення поверхні випаровування вологи в сушарках?

8. За яких умов здійснюється сушіння сублімацією?

9. Дайте оцінку різним типам і конструкціям сушарок, які застосовуються в харчовій промисловості.

10. Який принцип роботи контактних сушарок? Будова і робота сушарок.

11. Нові способи сушіння, які застосовуються в харчовій промисловості. Для сушіння яких харчових продуктів їх застосовують і чому? Техніко-економічна оцінка нових методів сушіння.

12. Складіть матеріальний баланс процесу повітряного сушіння.