Радиационно-конвективная сушка овощей и фруктов

Использование инфракрасных лучей для сушки материалов позволяет значительно интенсифицировать процессы вследствие увеличения плотности теплового потока на поверхности материала и проникновения этих лучей на некоторую глубину.

К инфракрасным относятся лучи с длиной волны L от 0,77 до 340 мкм. Практическое применение, в частности для сушки,, имеет излучение с длиной волны от 0,77 до 5—6 мкм.

В качестве генераторов ИК-излучения для промышленных сушильных установок в нашей стране и за рубежом применяются нагреватели разных типов и конструкций. Они различаются длиной волны максимума излучения, зависящей от температуры и методов нагрева (электрический, газовый) и конструкции элемента сопротивления (металлические, керамические, силитовые). Превращение лучистой энергии в тепловую обусловлено терморадиационными спектральными свойствами продукта, т. е. его пропускающей, отражательной и поглотительной способностью. Энергия ИК-излучения превращается в тепло только в том случае, если она поглощается облучаемым веществом. Для разных материалов степень поглощения и глубина проникновения ИК-лучей различны, так как материалы избирательно относятся к длине волны падающего излучения. Длина волны в свою очередь зависит от температуры генератора ИК-излучения. Таким образом, спектральные оптические свойства продукта и спектральные характеристики нагревателей взаимосвязаны и имеют первостепенное значение. При обоснованном выборе типа излучателя и режима облучения обеспечивается проникновение инфракрасного излучения в глубь продукта, что интенсифицирует процессы тепло- и массообмена.

Овощи и картофель обладают ярко выраженными оптическими свойствами. С увеличением толщины слоя овощей увеличивается отражение ИК-лучей, что объясняется их рассеивающей способностью.

Для сушки овощей, картофеля, фруктов и многих других влажных продуктов рекомендуется область спектра с длиной волны 1,2—2,2 мкм при наиболее целесообразной температуре «серого» источника излучения порядка 1527° С (Lmах = 1,6 мкм).

Кинетика нагрева и сушки картофеля и овощей ИК-лучами изучена сотрудниками ВНИИКОПа и ВНИЭКИпродмаша . Объектами исследования были картофель, морковь и свекла, нарезанные кубиками 6X6X6 и 9X9X9 мм, и лук в виде колец, В качестве генератора ИК-излучения была использована зеркальная лампа накаливания марки ЗС1. Экспериментальные исследования проведены на лабораторной сушильной установке ВНИЭКИпродмаша марки А1-ШКС. Нагрев картофеля и овощей инфракрасными лучами проводили в плотном слое при непрерывном и прерывистом облучении, а также в виброкипящем слое с подачей воздуха комнатной температуры и нагретого. В первых трех вариантах опыты проводились на сушеном картофеле, в последующих — на влажных продуктах. Расстояние от поверхности лампы до материала в зависимости от высоты слоя изменялось в пределах от 145 до 215 мм. В этих пределах плотность лучистого потока составляет примерно 2100 Вт/м².

Кривые нагрева терморадиацией слоя картофеля толщиной 20 и 60 мм свидетельствуют о том, что проникновение ИК-излучения имеет место на глубину 4—5 мм. Для частиц, расположенных на глубине 10—20 мм, изменение температуры очень незначительное. В то же время в частицах, расположенных на поверхности слоя, температура резко возрастает. Через 2—10 мин после включения лампы ИК-нагрева температура поверхностного слоя материала достигает значения выше предельно допустимого, начинается подгорание продукта, а потом и полное обугливание.

Как видно из графиков (рис. 1), нагрев продукта происходит от поверхности внутрь. Кривые распределения температур имеют примерно параболический характер. При этом наблюдается резкое возрастание температуры во времени и постепенное уменьшение ее с увеличением расстояния частицы продукта от поверхности.

В слои толщиной более 10 мм степень проникновения ИК- лучей очень незначительна.

При прерывистом режиме облучения в плотном слое нагрев материала чередуется с отлежкой. Во время отлежки температура поверхности материала снижается: часть тепла передается окружающему воздуху, часть — более глубоко расположенным частицам. При этом нагрев внутренних слоев материала увеличивается, а опасность перегрева поверхностного слоя уменьшается.

Рис. 1. Распределение температур по толщине слоя при разной продолжительности непрерывного ИК-нагрева (расстояние от лампы до слоя ~205 мм):

1 — 3 мин; 2 — 6 мин; 3 — 9 мин; 4 — 12 мин; 5 — 15 мин; 6 — 18 мин.

Изучение влияния прерывистого ИК-излучения на степень прогревания слоя сушеного картофеля показало, что кусочки продукта, расположенные глубже 3—4 мм от поверхности, не прогревались и изменения их температуры не обнаружено. В то же время при всех режимах прерывистого облучения (соотношение продолжительности нагрева и отлежки изменялось в пределах от 1 : 40 до 1 : 1 — нагрев 2 с и отлежка 2 с) перегрева поверхностного слоя и изменения цвета частиц не наблюдалось.

С увеличением продолжительности отлежки интенсивность нарастания температур уменьшается, прогрев поверхности материала очень незначителен. Наибольший прогрев поверхностного слоя продукта достигается при прерывистом облучении с частотой импульсов 1 : 1 и 1 :2.

Таким образом, прерывистое облучение плотного слоя материала устраняет опасность перегрева частиц на поверхности, но эффективно только при сушке относительно тонких слоев (до 10 мм). Малоэффективна также сушка плотного слоя продукта при непрерывном ИК-излучении.

Рис. 2. Кривые нагрева и сушки кубиков моркови 9x9x9 мм при конвективно-радиационном и конвективном подводе тепла (G = 60 кг/м², А=5 мм. n = 570 колебаний в минуту, Vв = 2,1 м/с, tв = 80° С):

1— непрерывный ИК-нагрев; 2 — без ИК- нагрева.

При ИК-облучении виброкипящего слоя значительной толщины (от 10 до 80 мм) с использованием воздуха комнатной температуры вследствие интенсивного перемешивания частиц продукта все они многократно и попеременно попадают в ноле ИК-облучения, однако воздух интенсивно охлаждает частицы, и поэтому достигаемый эффект весьма незначителен. Чтобы избежать охлаждения продукта, необходимо применять подогретый воздух, т. е. осуществлять конвективно-радиационный подвод тепла к виброкипящему слою.

Изучение кинетики нагрева и сушки бланшированных ово­щей и картофеля в виброкипящем слое при комбинированном конвективно-радиационном теплопроводе (при А 5 и 8 мм,n 570 и 450 колебаний в минуту, G/F—60—80 кг/м2; vв 2,0—2,5 м/с и tв 105—60° С) показало, что все кусочки продукта прогрева­ются равномерно и более интенсивно, чем при конвективном (рис. 2).

Интенсификация прогрева продукта способствует повышению коэффициента диффузии влаги внутри продукта, что очень важно для таких влагоинерционных материалов, как картофель и овощи.

Дополнительный подвод тепла за счет радиации ускоряет процесс обезвоживания. Так, продолжительность сушки моркови до 12%-ной влажности составила 106 мин при непрерывном комбинированном теплоподводе, а без ИК-облучения 120 мин. В процессе сушки овощей и картофеля в виброкипящем слое с конвективно-радиационным подводом тепла создаются высокие тепловые напряжения на поверхности частиц. Благодаря этому происходит очень быстрое обезвоживание и образование «корочки». Быстрый нагрев поверхности создает в то же время температурный градиент, способствующий перемещению влаги к центру кусочка, т. е. явление термовлагопроводности становится тормозом сушки. Корка препятствует испарению влаги с поверхности в окружающую среду.

Представляет интерес сочетание конвективно-радиационной сушки с прерывистым (осциллирующим) режимом облучения. Такое облучение позволяет избежать перегрева продуктов, что очень важно для сохранения его качества, а также снизить расход электроэнергии при использовании высокотемпературных ИК-излучателей.

При отключении генератора ИК-лучей происходит выравнивание температур по сечению кубика, температурный градиент меняет свой знак и влага направляется от центра к поверхности. Происходит интенсификация процесса обезвоживания, а образование корки исключается.

Исследования симметричного и асимметричного прерывистого режима облучения при разных соотношениях длительности облучения и отлежки (от 5 до 60 с) показали, что при всех режимах процесса удаление влаги из картофеля идет практически одинаково интенсивно. Несколько интенсивнее удаляется влага в первом периоде сушки при асимметричном облучении (20 с облучение, 40 с отлежка).

При сушке моркови до 12%-ной влажности наибольшее ускорение сушки достигнуто при симметричном осциллирующем режиме 1 : 1 (20 с облучение и 20 с отлежка); длительность сушки составила 78 мин против 106 мин при непрерывном ИК-облучении.

При обезвоживании лука оптимальное соотношение продолжительности облучения и отлежки составило 1:2 (20 и 40 с), свеклы — 2:1. Наибольшая интенсификация процесса обеспечивается при максимально допустимых температурах воздуха: для картофеля и свеклы—100° С первые 60 мин, затем 80° С; моркови — 120° С первые 30 мин, затем 80° С; лука — 80° С на протяжении всего процесса. Удельная нагрузка для всех продуктов 80 кг/м², скорость воздуха 2,0 м/с. Сушка овощей и картофеля по этим оптимальным режимам позволяет получить продукт хорошего качества, отвечающий требованиям ГОСТа.

Продолжительность обезвоживания в виброкипящем слое при конвективно-радиационном подводе тепла и оптимальных режимах по сравнению с сушкой без ИК-облучения сокращается: картофеля на 18, моркови на 22, лука и свеклы—на 25%.

Сушка овощей и картофеля в виброкипящем слое в сочетании с инфракрасным облучением высушиваемых продуктов позволяет максимально интенсифицировать процесс.

Удельная производительность [в кг/(м²-ч)] сушильной установки при обезвоживании в виброкипящем слое с использованием лучистого теплообмена по сравнению с конвективной сушкой увеличивается: картофеля в 5,7, моркови в 7,5, лука в 7,9 и свеклы — в 5,8 раза. Благодаря значительному ускорению процесса и повышению производительности общий расход электроэнергии меньше, чем при сушке в виброкипящем слое.

Экспериментальное исследование терморадиационной сушки овощей в плотном слое по режимам, рекомендованным для паровых конвейерных сушилок, показало, что при этом также обеспечивается интенсификация процесса. Так, при обезвоживании лука до влажности 14% продолжительность процесса при комбинированном подводе тепла составила 70, а до влажности 7% 90 мин, тогда как при конвективном подводе тепла продолжительность сушки лука соответственно 210 и 268 мин.

Продолжительность сушки свеклы кубиками 9x9x9 мм до 14%-ной влажности в плотном слое при конвективно-радиационном теплоподводе уменьшается в 2 раза по сравнению с конвективным способом (90 мин против 180). Установлено, что при дополнительной обработке свеклы ИК-лучами быстрее и легче можно получить продукт с пониженным содержанием влаги (6—8%), что достигается за 135 мин. Здесь уместно отметить, что продолжительность сушки свеклы в виде кубиков с гранью 6 мм до влажности 8% на паровых конвейерных сушилках составляет 260 мин, а с гранью 9 мм — 528 мин.

Таким образом, экспериментально доказана возможность интенсификации процесса сушки овощей на используемых в промышленности паровых конвейерных сушилках при условии дополнительного подвода тепла за счет ИК-энергии. Установка на сушилках генераторов ИК-излучения — недорогое мероприятие и окупится за один сезон работы оборудования.

В Воронежском технологическом институте А. И. Плешковым был изучен процесс радиационно-конвективной сушки картофеля, моркови и свеклы в состоянии псевдоожижения с применением ИК-нагрева. Опыты проводили на лабораторной экспериментальной установке, в камере которой смонтирован дополнительный источник тепла, выполненный в виде трубчатого электронагревателя.

Для исследования брали овощи, нарезанные кубиками, параллелепипедами, гофрированной стружкой с размером частиц от 6,2 до 12,4 мм.

Внесение в псевдоожиженный слой источника ИК-излучения создает благоприятное сочетание положительных свойств псевдоожиженного слоя и ИК-нагрева. Так, продолжительность сушки картофеля до конечной влажности 6% при температуре воздуха 120° С без облучения составляла 88 мин, а с облучением при температуре 300° С — 50 мин.

В рассматриваемом процессе почти отсутствовал период постоянной скорости сушки, что объясняется малой влагопроводностью овощей при интенсивной влагоотдаче с поверхности материала в условиях кипящего слоя, а также значительной объемной усадкой продукта. Повышение удельной нагрузки и относительной влажности воздуха приводит к увеличению продолжительности процесса. Его можно значительно интенсифицировать при увеличении первоначальной удельной поверхности частиц. Так, для гофрированной стружки картофеля, имеющей развитую удельную поверхность, длительность сушки до конечной влажности 6,3% при температуре воздуха 120° С и излучателя 250° С составляла 17 мин, а для кубиков картофеля размером 5x5x5 мм, удельная поверхность которых в 1,15 раза меньше, — 37 мин.

Продолжительность сушки картофеля и овощей при дополнительном погружении в слой продукта нагревателей сокращается примерно в 1,7 раза по сравнению с сушкой в всевдоожиженном слое.

Необходимо отметить, что при введении греющих поверхностей непосредственно в слой продукта не исключена возможность перегрева, пригорания и поджаривания частиц при соприкосновении их с нагретыми до высокой температуры генераторами ИК-лучей. Кроме того, теплообменные устройства занимают часть объема слоя, что ухудшает качество «кипения» частиц продукта и уменьшает полезный объем сушильной камеры.

В КТИППе В. П. Дущенко и Г. П. Ганя изучен процесс сушки яблок ИК-излучением с применением соплового обдува на специальной экспериментальной установке.

Сушке подвергали сортированные мытые яблоки, нарезанные кружками толщиной 6—7 и 10 мм, размещенные на лотке внутри сушильной камеры. При этом использовали обогрев ИК-излучением в сочетании с сопловым обдувом и осциллирующие режимы — чередование облучения с обдувом.

Применение чистого ИК-излучения не дало положительных результатов, так как при расстояниях от поверхности продукта до ИК-излучателей менее 280—300 мм, которые обеспечивали значительную интенсификацию сушки, продукт подгорал. При осциллирующем режиме скорость сушки меньше в течение всего процесса, а длительность ее больше.

Наилучшим оказался комбинированный способ с одновременным использованием обогрева ИК-излучением и соплового обдува поверхности продукта горячим воздухом. Продолжительность сушки яблок в виде кружков толщиной 10 мм при удельной нагрузке 6,5 кг/м², температуре 60° С, скорости 15,3 м/с, расстоянии от источника излучения 180—300 мм, ширине щели 3 мм и шаге между соплами 110 мм составляла 115 мин. Удельный расход электроэнергии на 1 т готового продукта был 7600 кВт, удельный расход влажного воздуха На 1 кг испаренной влаги — 28 кг.