Конструирование экономичной и эффективной сушилки сельскохозяйственных продуктов с инфракрасными нагревателями жидкого теплоносителя в вакуумном шкафу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструирование экономичной и эффективной сушилки сельскохозяйственных продуктов с инфракрасными нагревателями жидкого теплоносителя в вакуумном шкафу

Инфракрасная сушка в атмосфере глубокого вакуума - наиболее актуальной, перспективный в данный момент, промышленный метод обработки овощей и фруктов с применением инфракрасного излучения. Создание оборудования обработки сельхозпродуктов тонкий и специфический процесс, состоящий из множества циклов.

Отличительной особенностью разработанного сушильного агрегата является то, что сушка проходит инфракрасным излучением в атмосфере глубокого вакуума. Для вакуумной сушки продуктов сельского хозяйства в условиях полной герметизации вакуумных сушильных камер и полного отсутствия воздуха в сушильной камере промышленность использует специфические свойства вакуума. При этом методе происходит бережная обработка продуктов, содержащих термочувствительные вещества, удаление остатка влаги из продуктов при помощи понижения температуры кипения воды в условиях вакуума, к примеру -46°C при давлении 100мбар.

Процесс вакуумной сушки происходит с исключением возможного движения воздуха, т.к. он практически полностью удаляется из сушильного шкафа. При этом отсутствие воздуха и, соответственно, кислорода в сушильной камере сказывается на сведении к минимуму процессов окисления в продуктах и развития микроорганизмов в них, что и является основой консервации пищевых продуктов с помощью этого метода. Управление сушильным процессом довольно простое и происходит при помощи применения пульта управления, на который поступает информация от датчиков влажности и температуры, что позволяет устанавливать и регулировать требуемые параметры для оптимального процесса сушки. Излишек влаги удаляется системой внешней вытяжки.

Ниже мы постараемся подробно объяснить и обосновать все технические решения, которые воплотились в конструкции этого нового прогрессивного метода сушки.

Вначале об инфракрасном излучении, которое используется при подогреве продуктов и материалов при сушке. Инфракрасные (ИК) лучи - это электромагнитное излучение, подчиняющееся законам оптики и, следовательно, имеющее ту же природу, что и видимый свет. Эти лучи занимают спектральную область между красным видимым светом (длина волны 0,74 мкм) и микроволновым излучением (100 мкм). В свою очередь, инфракрасную область спектра условно разделяют:

¦ коротковолновая ооласть: 0,74 --1,5 мкм; (температура нагревательного элемента более 800°С)

¦ средневолновая область: 1,5 - 5,6 мкм; (температура нагревательного элемента до 600°С)

¦ длинноволновая область: 5,6 --100 мкм; (температура нагревательного менее 300°С)

ИК-лучи выделяются всеми нагретыми твердыми и жидкими телами. При этом длина излучаемой волны зависит от температуры тела - чем она выше, тем короче волны и выше интенсивность излучения. Хотим также напомнить, что при невысоких температурах излучение нагретого твердого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется темным. При повышении температуры излучаемые предметом волны смещаются в видимую область спектра, и предмет вначале кажется темно-красным, затем красным, желтым и, наконец, при высоких температурах - белым. Все приборы являются инфракрасными, но отличаются длиной волны инфракрасного излучения. Те из них, которые называют длинноволновыми, имеют невысокую температуру излучающей поверхности и потому выделяют волны наиболее длинные из используемого диапазона, их называют темными - при рабочей температуре поверхности до 300°С, данные обогреватели не светятся. У средневолновых приборов температура поверхности выше (до 600°С), и их обычно называют серыми, а коротковолновые, с максимальной температурой (выше 800°С), - белыми или светлыми.

Инфракрасная сушка

При обычном, конвекционном (горячим воздухом) способе сушке сначала нагревается воздух, который в свою очередь нагревает ткани, а от них тепло переходит к влаге, содержащейся в продукте. Принцип инфракрасной сушки заключается в том, что молекулы воды, находящиеся в продукте, поглощают ИК-лучи и, возбуждаясь, нагреваются. То есть, в отличие от всех других видов сушки, энергия подводится непосредственно к воде продукта, чем и достигается высокая эффективность и экономичность. При таком принципе нет необходимости значительно повышать температуру сушимого продукта, и можно интенсивно вести процесс испарения при температуре 40-60 градусов. При других способах необходимо греть продукт до 100-105 градусов, иначе процесс сушки будет длиться 20-30 часов.

Это сушилки использующие в своей работе - Инфра-лучи (определённой длины) проникают до 6-12мм и поглощаются водой продукта, а не его тканью, что позволяет сушить всего при 40-60С. -Основная энергия проникает до 6-7мм и интенсивнее, чем при конвективном способе. -Происходит более эффективное воздействие на молекулярную структуру продукта. -Практически полная сохранность витаминов (80-90%), цвета, вкуса. -При замачивании (10-20мин) восстанавливается свежий вид продукта и можно делать любую дальнейшую кулинарную обработку. Продукт будет стерильным. До года м.б. хранение без спец. тары (при низкой влажности среды), при этом потери витаминов 5-15%. В герметической таре хранение до 2лет. -Т.к. вода продукта поглощает лучи и нагревается (энергия подводится непосредственно к воде), то КПД высок (менее 1кВт.ч/кг). - Более дорогая цена по сравнению с конвективными сушилками быстро окупается за счет меньшего удельного расхода электричества. Инфракрасная сушка наиболее актуальной и перспективной в данный момент является сушка продуктов питания с применением инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение твердых тел обусловлено возбуждением молекул и атомов тела вследствие их теплового движения. При поглощении инфракрасного излучения облучаемым телом в нем увеличивается тепловое движение атомов и молекул, что вызывает его нагревание. Перенос энергии происходит от тела с большим потенциалом переноса тепла к телу с меньшим потенциалом. Для пищевых продуктов глубина проникновения инфракрасных лучей достигает 6 - 12 мм. На эту глубину проникает небольшая часть энергии излучения, но температура слоя, лежащего на расстоянии 6-7 мм от поверхности материала, растет значительно интенсивнее, чем при нагреве конвективным способом. Коротковолновые инфракрасные лучи оказывают более сильное воздействие на пищевые продукты как за счет большой глубины проникновения, так и более эффективного воздействия на молекулярную структуру продуктов.

Однако внимания заслуживают не только свойства получаемых сухопродуктов, но особенности оборудования для сушки продуктов с помощью инфракрасного излучения и технологических процессов, основанных на этом принципе. Технология инфракрасной сушки влажных продуктов позволяет практически на 100% использовать подведенную к сухопродукту энергию.

Поскольку молекулы воды, находящиеся в продукте, поглощают инфракрасные лучи и, возбуждаясь, нагреваются, то есть, в отличие от всех других видов сушки, энергия подводится непосредственно к воде продукта, чем достигается высокое КПД, то при таком подводе тепла нет необходимости значительно повышать температуру подвергающегося сушке продукта, и можно вести процесс сушки при температуре 40-60 градусов. Такая сушка продукта дает два преимущества: во-первых, при таких температурах максимально сохраняется продукт: не рвутся клетки, не убиваются витамины, не карамелизируется сахар; во-вторых низкие температуры не греют сушильное оборудование, то есть нет потерь тепла через стенки, вентиляцию. В то же время инфракрасное излучение при температуре 40-60 градусов позволяет уничтожить всю микрофлору на поверхности продукта, делая сухопродукт практически стерильным.

Кроме всего перечисленного сушильное оборудование универсально и позволяет перерабатывать любые растительные и животные продукты с получением быстро восстанавливаемых сухих продуктов. Оборудование для сушки овощей, оборудование для сушки фруктов как и все сушильное оборудование, применяемое при этом виде сушки овощей и фруктов и других продуктов, обладает следующими достоинствами:

- самое низкое удельное энергопотребление на 1 кг испаренной влаги;

менее 1 кВт.ч/кг (в два раза меньше любых сушильных установок);

- сушка продуктов производится при низкой температуре - 50-60 градусов Цельсия;

- сушка продуктов производится с высокой скоростью - 30-200 мин;

- простота и надежность, низкая цена и высокая окупаемость.

Условия хранения сушеных продуктов выгодно отличаются от условий хранения свежих овощей и овощей, переработанных другими способами. Данная сушилка для продуктов при отсутствии особых температурных условий, на одной и той же площади можно расположить в 8-10 раз большее количество продукции. Шкаф для сушки фруктов максимально сохраняет форму, вкус и запах продуктов. Сушка продуктов по этой технологии позволяет сохранить содержание витаминов и других биологически активных веществ в сухом продукте на уровне 80-90% от исходного. При непродолжительном замачивании (15-20 минут) прошедший ИК-сушку продукт восстанавливает все свои натуральные физические, химические свойства и может употребляться в свежем виде или подвергаться любым видам кулинарной обработки. До года сушёные ИК-лучами продукты при низкой влажности окружающей среды можно хранить без специальной тары. Даже в таких условиях хранения продукты потеряют всего 10-15% витаминов. В герметичной упаковке сухопродукт может храниться до двух лет.

Сушка продуктов по данной технологии позволяет сохранить содержание витаминов и других биологически активных веществ в сухом продукте на уровне 80-90% от исходного сырья. При непродолжительном замачивании (10-20 мин.) прошедший сушку продукт восстанавливает все свои натуральные органолептические, физические и химические свойства и может употребляться в свежем виде или подвергаться любым видам кулинарной обработки. Сушка продуктов (сушка овощей и фруктов, сушка рыбы, мяса, круп и т.д.) таким способом дает возможность производства разнообразных пищевых концентратов быстрого приготовления: первые, вторые, третьи блюда, закуски, каши, крупы, овощные и фруктовые порошки, которые используются в хлебопекарной, кондитерской промышленности, как компонент сухих смесей детского питания. По сравнению с традиционной сушкой, овощи, обработанные инфракрасной сушкой после восстановления обладают вкусовыми качествами, максимально приближенными к свежим. Кроме того, порошки, прошедшие инфракрасную сушку, обладают противовоспалительными, детоксирующими и антиоксидантными свойствами. Применение продуктов, прошедших инфракрасную сушку, в молочной, кондитерской, хлебопекарной промышленности дает возможность расширить ассортимент пищевой продукции со специфическими вкусовыми свойствами. Инфракрасная сушка дает продукты не содержащие консервантов и других посторонних веществ, эти продукты не подвергается воздействию вредных электромагнитных полей и излучений. Само инфракрасное излучение безвредно для окружающей среды и человека, как и использующее его оборудование для сушки фруктов, оборудование для сушки овощей, мяса, рыбы, зерна, круп и т.д. инфракрасный излучение вакуумный сушка

Прошедший сушку продукт не критичен к условиям хранения и стоек к развитию микрофлоры. До года сухопродукты могут храниться без специальной тары (при низкой влажности окружающей среды), при этом потери витаминов составляют 5-15%. В герметичной таре сухопродукт может храниться до двух лет. Сушка продуктов дает их уменьшение в объеме в 3-4 раза, а в массе в 4-8 раз по сравнению с исходным сырьем (в зависимости от его вида). Восстановленный путем замачивания в воде сухопродукт может подвергаться любой традиционной кулинарной обработке: варке, жарке, тушению и т.п., а также может употребляться в пищу в сыром или сухом виде.

При температуре 40-60 °C такая сушка продукта дает преимущества:

* при таких температурах максимально сохраняется продукт: не рвутся клетки, не уничтожаются витамины, не карамелизируется сахар;

* низкие температуры не греют сушильное оборудование, то есть, нет потерь тепла через стенки и вентиляцию;

* самое низкое удельное энергопотребление на 1 кг испаренной влаги;

* менее 1 кВт.ч/кг (в два раза меньше любых сушильных установок);

* сушка продуктов производится при низкой температуре - 40-60 °C;

* сушка продуктов производится с высокой скоростью - 30-200 мин;

* простота и надежность, низкая цена и высокая окупаемость.

В то же время инфракрасное излучение при температуре 40-60 °C позволяет уничтожить всю микрофлору на поверхности продукта, делая сухопродукт практически стерильным.

Примеры сельскохозяйственной продукции перерабатываемой помощью инфракрасной сушки:

* Морковь

* Лук

* Капуста

* Свекла

* Укроп

* Петрушка

* Кабачки

* Баклажаны

* Сладкий перец

* Тыква

* Яблоки

Другой отличительной способностью разработанного сушильного агрегата является новая конструкция инфракрасных излучателей. В связи с тем, что сушка продуктов происходит при температуре 40-60 °C в агрегате примененых "темным" излучателям энергии.

"Темные" излучатели имеют температуру поверхности 200 - 500 °C (в среднем около 350 °C). Внутренняя поверхность "темных" излучателей нагревается электрическими элементами или природным газом. Активной поверхностью являются, как правило, трубки, по которым пропускаются продукты сгорания при использовании газовых инфракрасных излучателей. Сжигание газа осуществляется при помощи атмосферных горелок или горелок под давлением.

К "темным" излучателям энергии относятся, также, трубчатые электрические нагреватели (ТЭН) с алюминиевыми рефлекторами, а также панельно-плиточные нагреватели, поскольку их излучающая поверхность имеет температуру темного накала, не превышающую 500° С. При использовании "темных" излучателей поглощение инфракрасных лучей поверхностью мало зависит от ее цвета, и скорость сушки покрытий различных цветов и оттенков почти одинакова. "Темные" излучатели с температурой поверхности излучения 400° С испускают инфракрасные лучи с длиной волны 3,7--5 мкм, которые поглощаются и отражаются почти одинаково многими телами, свободно проникают в глубь покрытия, нагревают его быстро и равномерно. Трубчатый электроизлучатель изготовлен из стальных или керамических трубок. Внутрь трубок вставлены спирали нихромовой проволоки и запрессован песок или окись магния. Рефлекторы, изготовленные из полированного алюминия, вместе с трубками прикреплены к панели защелками. Концы спиралей соединены с контактными стержнями.

Как дешевый, быстрый в монтаже ТЭН нашел широкое применение в производстве и в быту, но если объективно рассмотреть обоснованность такого широкого применения ТЭНов, то выявляется немало отрицательных сторон ТЭНов, таких как:

- ТЭНы являются неремонтируемыми и невосстанавливаемыми изделиями;

- инерционность ТЭНов;

- необходимость вывода узла герметизации из зоны нагрева и обеспечение дополнительных условий эксплуатации;

- достаточно большая вероятность отказов, в течение первых 500 часов работы ТЭНы имеют до 10 % отказов;

- общая коррозия металлов внутри ТЭНа вследствие того, что электроизоляционный наполнитель в процессе эксплуатации приходит во взаимодействие со сплавом сопротивления и металлом оболочки;

ТЭН усложняет конструкцию сушильного шкафа в целом, уровень технологической безопасности его работы в атмосфере сушильного пространства очень низок. Вместе с тем продукты при сушке могут выделять вещества или образовывать пыль, которые в воздухе могут образовывать взрывчатые и пожароопасные смеси. И главное все время сохраняется опасность работы с агрегатом из-за пробоя или нарушения электрической изоляции при воздействии влажных паров.

В связи с этим нами предпринят поиск нового излучателя, свойства которого преодолевают вышеуказанные недостатки. Нами установлен в сушильной камере нагреватель жидкого теплоносителя типа НТ - это устройства, позволяющие путем преобразования энергии в тепловую, получать тепло. Нагреватели жидкого теплоносителя работают на всех видах теплоносителей, в том числе антикоррозийных и незамерзающих, что существенно продлевает срок эксплуатации систем теплоснабжения. Они абсолютно взрыво -, пожаро -, электро -, экологически безопасны и не требуют постоянного обслуживания. Это позволяет, полностью компьютеризировать отопительный процесс. Тем самым сокращаются затраты, связанные с обслуживанием оборудования. Производимые нагреватели жидкого теплоносителя позволяют значительно уменьшить рассматриваемые в данной статье затраты.

Благодаря высокому коэффициенту эффективности преобразования энергии в тепловую, при эксплуатации нагревателя жидкого теплоносителя значительно снижаются затраты на теплоснабжение.

Энергетика многих современных химических процессов основана на применении жидких теплоносителей и рабочих сред со специфическими химическими, теплофизическими и реологическими свойствами. На ряде таких производств успешно применяют нетоксичные нефтяные масла-теплоносители, отличающиеся достаточно высокими термической стабильностью и температурой самовоспламенения.

Высокотемпературные нефтяные масла - теплоносители, работоспособные до 280-320оС, представляют собой продукты глубокой переработки нефти, в которых благодаря технологическим процессам, достигается высокое содержание ароматических углеводородов. Высокотемпературные нефтяные масла-теплоносители, работоспособные в диапазоне 280-320оС, представляют собой продукты глубокой переработки нефти, в которых благодаря технологическим процессам достигается высокое содержание ароматических углеводородов. Поэтому чаще всего эти масла обозначаются аббревиатурой АМТ (ароматизированное масло-теплоноситель), а следующая затем цифра указывает примерную предельно допустимую температуру длительного применения.

Масло теплоноситель АМТ-300 (ТУ 38.101537-75) - нефтяной жидкий теплоноситель, производимый из экстрактов фенольной очистки дистиллятов сернистых нефтей посредством их доочистки и депарафинизации. Отличается высокой термической стабильностью и температурой самовоспламенения.

Применяется в закрытых системах, исключающих контакт в горячем виде с воздухом, предельно допустимая температура масла при интенсивной принудительной циркуляции - не выше 280єС. Масло содержит специально подобранную композицию присадок, улучшающую отвод тепла от стенок, ограничивающую старение масла и коксообразование внутри нагревательной системы. Максимальная температура, достигаемая при применении синтетических масел, составляет около 410°C.

Масло теплоноситель Transсal SA - представляет собой высокотемпературный синтетический жидкий теплоноситель, обладающий более высокой термической стабильностью, чем обычные жидкие теплоносители на базе минеральных масел, благодаря чему его можно применять при средних температурах приблизительно на 20°С выше. Эта жидкость имеет низкое давление насыщенных паров, высокую удельную теплоемкость и высокую теплопроводность. В правильно сконструированной и работающей системе теплоноситель служит несколько лет. Теплоносители могут использоваться как в жидкой, так и парообразной фазе.

Оборудование с такими теплоносителями является идеальной основой для использования тепла в самых различных производственных процессах.

По сравнению с водой и паром термомасла обладают следующими преимуществами:

работают в широком температурном диапазоне от 50°C до 410°C;

имеют широкий спектр мощности: до 45 МВт для одного нагревателя;

оптимально распределяют тепло;

характеризуются большой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплоотдачи;

препятствуют коррозии в отопительных системах, а также ином оборудовании;

не нуждаются в предварительном изменении химического состава (в сравнении, например с водоподготовкой для производства пара);

не требуют использования котлов высокого давления (термомасло, благодаря своей высокой точки кипения циркулирует в системе почти без давления);

является экологически чистым топливом (весь технологический цикл является закрытым, поэтому отсутствуют выбросы в окружающую среду).

Нагревание топочными газами через жидкостную баню относится к простейшим способам нагревания промежуточными теплоносителями.

В случае нагревания на масляной бане (до температур 200--250 °С) аппарат снабжают рубашкой, заполненной маслом. Топочные газы омывают рубашку и передают тепло маслу, а масло через стенки аппарата--обрабатываемым материалам. Рубашка соединена трубопроводом с расширительным бачком, в который перетекает часть масла, когда объем его увеличивается при нагревании. В этот же бачок выбрасывается масло при бурном вскипании влаги (почти всегда содержащейся в свежем масле) в случае нагревания масла выше 100-- 120 °С.

Нагревание через жидкостные бани не обеспечивает высоких коэффициентов теплопередачи, так как в рубашке в жидком промежуточном теплоносителе возникают только очень слабые конвекционные токи. Для повышения коэффициентов теплопередачи используют установки с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем. Нагревание дымовыми газами с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем. Этот процесс осуществляется на установках с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Установка с принудительной циркуляцией жидкого теплоносителя показана на рис. 1. Для наполнения системы необходимое количество теплоносителя перекачивают в нее из сборника 1 насосом 2.

После этого сборник 1 разобщается с системой перекрытием вентилей, и при работающем насосе 2 теплоноситель начинает циркулировать через трубчатый нагреватель 3 (расположенный в печи) и рубашку обогреваемого аппарата.

Рис. 1. Схема нагревательной установки с принудительной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя: 1 - сборник теплоносителя; 2 - насос; 3 - трубчатый нагреватель: 4 - обогреваемый аппарат; 5 --расширительный бачок

В трубчатом нагревателе теплоноситель воспринимает тепло топочных газов, а в рубашке обогреваемого аппарата 4 отдает его обрабатываемому материалу.

Циркуляционные насосы должны безотказно работать при высокой температуре.

Нагреватель жидкого теплоносителя (термального масла) представляет собой теплоизолированную цистерну с горелкой, дымовой трубой и шкафом управления. Термальное масло нагревается до 180оС с помощью горелки RIELLO (Италия), и циркулирует по системе нагрева. Особенность этой конструкции - "мягкий" щадящий режим нагрева битума, предотвращающий нефтепродукты от преждевременного старения. Мощность горелки регулируется автоматически, в зависимости от заданной температур

Рис 2.

Расход жидкого промежуточного теплоносителя при нагревании в установках с естественной или принудительной циркуляцией определяют из уравнения теплового баланса:

где Gпp - количество перерабатываемого в обогреваемом аппарате продукта, кг/ч; Спр--теплоемкость перерабатываемого продукта, кДж/(кг°С); tпр. и tap. K - начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, °С; Qп - потери тепла в окружающую среду, кДж/ч; остальные обозначения те же, что и в предыдущем равенстве.

Отсюда расход жидкого промежуточного теплоносителя составит

В зависимости от заданных температур и давлений для установок с естественной и принудительной циркуляцией подбирают соответствующие жидкие промежуточные теплоносители: высокотемпературные органические теплоносители, силикон). (Рис 3)

Рис 3.

Размещено на Allbest.ru