СПОСОБ СУШКИ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК A23B7/02 A23L3/54 

Изобретение относится к технике сушки и может быть использовано в пищевой, медицинской, микробиологической, химической и родственных отраслях промышленности.

Широко известен способ радиационной сушки [1] в соответствии с которым обрабатываемый материал облучают потоком инфракрасного излучения. Условием применимости указанного способа для сушки термолабильных материалов является поддержание такого режима нагревательных элементов, при котором не происходит разложение целевых компонентов продукта. При этом интенсивность процесса, пропорциональная (T_н)⁴, резко снижается (T_н температура нагревательного элемента).

Известен также [2] способ сушки термолабильных материалов, взятый за прототип, включающий размещение обрабатываемого материала в вакуумной камере и облучение его потоком инфракрасного излучения. При реализации этого способа испарение влаги осуществляется в мягком режиме, т.е. при температуре насыщения, соответствующей давлению в камере. Однако и в этом случае при интенсивном режиме сушки сохраняется высокая вероятность недопустимого перегрева обезвоженного (частично или полностью) продукта лучистым потоком от высокотемпературного источника, спектр которого близок спектру излучения абсолютно черного тела, так что максимуму спектральной интенсивности по закону Вина соответствуют длины волн λ_m 2885/T_н. При T_н 600 700 K λ_m 4,8 4,1 мкм. Эти волны интенсивно поглощаются сухими поверхностями. Для уменьшения вероятности указанного перегрева приходится соответственно снижать интенсивность подводимого теплового потока, т.е. существенно увеличивать время сушки.

Задачей, решаемой изобретением, являются повышение качества целевых компонентов продукта и интенсификация процесса сушки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что подвод тепла к размещенному в вакуумной камере продукту производят радиационным потоком, максимум спектральной интенсивности которого лежит в диапазоне длин волн, соответствующем максимуму поглощательной способности воды и максимуму отражательной способности сухого продукта.

Предлагаемое использование для энергоподвода излучения волн, длина которых лежит в диапазоне, соответствующем максимуму поглощательной способности воды, обеспечивает селективный теплоподвод к участкам продукта, имеющим поры, которые насыщены влагой. Выбор части спектра, соответствующей максимуму отражательной способности обезвоженного продукта, позволяет предотвратить перегрев продукта без существенного ограничения теплоподвода к участкам, в которых происходит интенсивное испарение жидкости. Проведение процесса в вакууме также способствует снятию ограничений по мощности, подводимой к источникам теплоизлучений, поскольку испарение влаги осущестляется при достаточно низкой температуре, соответствующей давлению насыщенных паров, поддерживаемому в вакуумной камере. Таким образом, предлагаемый способ позволяет реализовать селективный энергоподвод, т.е. подводить тепло целенаправленно, преимущественно к содержащейся в продукте влаге и одновременно снизить до возможного минимума нежелательный перегрев уже высушенной части материала.

При этом, как следует из изложенного, достигаются эффекты интенсификации процесса за счет сокращения первого периода сушки и повышения качества продукта за счет существенного снижения температуры его перегрева. Более того, отсутствие сильного перегрева уже высушенных участков материала предотвращает повышенную миграцию влаги от поверхности к глубинным слоям против градиента температуры, существенно замедляющую в обычных условиях процесс сушки, что также благоприятно влияет на технологию получения целевого продукта без использования осциллирующего режима теплопровода. Уменьшение температурных градиентов в продукте в процессе сушки, а следовательно, и снижение интенсивности упомянутой выше термоградиентной миграции влаги способствует повышению качества высушиваемого материала, так как при этом эффективно уменьшаются локальные деформации, обусловленные капиллярным стягиванием малых объемов материала, в которых остается "запертой" капиллярными силами мигрировавшая туда из более горячих участков остаточная влага.

Применение излучателей, имеющих при умеренных температурах (T_н 600.800 K) максимум спектральной интенсивности вблизи λ_m 1 мкм, обеспечивает также проникание существенной части лучистого потока на глубину до 1,5.2 мм высушиваемого материала растительного происхождения. В соответствии с формулой Вина для получения такого эффекта обычный нагревательный элемент, спектр излучения которого близок к спектру абсолютно черного тела, должен быть нагрет до температуры T_н 2880 K, что практически достигается применением так называемых светлых излучателей, выполненных в виде кварцевых ламп.

"Подповерхностный" прогрев высушиваемого материала обеспечивает, в известном смысле, селективный подвод тепла к содержащейся там влаге, предотвращая тем самым типичный для традиционных способов сушки отток влаги от поверхности вглубь с образованием плотной, стянутой капиллярными силами корочки, существенно затрудняющей удаление пара от высушиваемых глубинных слоев. Более того, закипание влаги в приповерхностном слое, происходящее в условиях вакуума при достаточно низких температурах, может в некоторых случаях даже разрушить имеющуюся у высушиваемого продукта корочку.

Кроме того, такая процедура приповерхностного интенсивного прогрева влаги перед сушкой или на начальном ее этапе является своеобразной формой бланшировки продукта, заменяющей традиционные формы бланшировки острым паром или кипятком и в отличие от них практически не снижающей витаминное содержание продукта.

При атмосферной сушке с использованием высокотемпературных светлых излучателей такие эффекты достигаются тремя мощными тепловыми импульсами продолжительностью по 15.20 с, обеспечивающими интенсивный прогрев подповерхностного слоя до 140.160^oC, что при наличии у высушиваемого продукта плотной кожицы ведет к взрывообразному ее разрушению (зерно). Для термолабильных материалов такая технология безусловно неприемлема.

Следует подчеркнуть, что только в условиях вакуума использование излучателей с описанными выше спектральными характеристиками позволяет получить указанные эффекты.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

Пример 1. Производится сушка моркови. Требуется провести процесс максимально интенсивно, причем температура моркови в процессе сушки не должна превышать 35^oC. В соответствии с предлагаемым способом продукт размещают в сушильной камере, где создают и поддерживают давление 5500 Па. В качестве источника излучения используют ТЭН, покрытый переизлучающей керамикой, которая применена для обмазки ТЭНов в термошкафах ТШ-901, ТШ-902 и ТШ-903. При нагревании до температуры T_н 400^oC спектр излучения такого ТЭН имеет четко выраженный максимум на длине волны λ 1,5 мкм, соответствующей первому локальному максимуму поглощающей способности воды. Благодаря такому выбору спектральной характеристики излучателя основная часть теплового потока поглощается водой в приповерхностных порах обрабатываемого материала и затрачивается на ее испарение. Отражательная способность сухой моркови в указанном диапазоне длин волн максимальна. Поэтому существенного перегрева продукта в результате его облучения высокотемпературным источником энергии не происходит. Перегрев продукта в результате кондуктивной теплопередачи от испаряющейся влаги также исключен, поскольку благодаря поддержанию в камере давления P 5500 Па, процесс испарения осуществляется при температуре T 35^oC, соответствующей указанному давлению на кривой равновесия. Указанные факторы обеспечивают возможность повышения мощности, подводимой к ТЭНам, без риска порчи продукта вследствие его недопустимо высокого и существенно неравномерного перегрева. Тем самым достигаются эффекты интенсификации процесса сушки и повышения качеств продукта.

Кроме того, для интенсификации процесса сушки вместо используемых в термошкафах ТШ-901, ТШ-902, ТШ-903 стержневых ТЕНов, покрытых переизлучающей керамикой и обеспечивающих относительно малую эффективную площадь излучающей поверхности в вакуумной камере, параллельно полкам с высушиваемым продуктом устанавливают плоские излучатели с аналогичным переизлучающим покрытием, что позволит приблизительно в пять раз увеличить эффективную площадь излучателей и соответственно интенсивность излучения. Тепло к излучателям подводится с помощью электронагревательных элементов или от циркулирующего в специальных каналах излучателя горячего пара. С помощью терморегулятора подачу электроэнергии или горячего пара к излучателю прекращают, как только установленный на полке с высушиваемым продуктом температурный датчик нагреется до температуры T 36^oC, и включают снова при охлаждении этого датчика до температуры T 34^oC.

Пример 2. Производят сушку моркови, причем ее температура в процессе сушки не должна превышать 35^oC. Как и в примере 1, продукт размещают в сушильной камере, где создают и поддерживают давление P 5500 Па. Однако в качестве источника тепла здесь используют лазер, генерирующий когерентное излучение в узком диапазоне длин волн с максимумом при l 1 мкм, соответствующим максимальной поглощательной способности воды и одновременно минимальной поглощательной способности уже высушенного продукта. С помощью терморегулятора лазер отключают, как только установленный на полке с высушиваемым продуктом температурный датчик нагреется до температуры T 36^oC, и включают снова при охлаждении температурного датчика до температуры T 34^oC.

Источники информации
1. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М. Химия, 1970, 428 с.

2. А.с. СССР N 771423, кл. F 26 B 5/06, 1978, прототип.

Использование: изобретение относится к технике сушки и может быть использовано в пищевой, медицинской, микробиологической, химической и родственных отраслях промышленности. Сущность изобретения: для повышения качества целевых компонентов продукта и интенсификации процесса сушки подвод тепла к размещенному в вакуумной камере продукту производят радиационным потоком, максимум спектральной интенсивности которого лежит в диапазоне длин волн, соответствующем максимуму поглощательной способности воды и максимуму отражательной способности сухого продукта. Причем только в условиях вакуума использование излучателей с соответствующими спектральными характеристиками позволяет получить указанные эффекты.

Способ сушки термолабильных материалов, включающий размещение обрабатываемого материала в вакуумной камере и облучение его потоком инфракрасного излучения, отличающийся тем, что облучение материала производят потоком, максимум интенсивности которого лежит в интервале длин волн, соответствующем максимуму поглощательной способности воды и максимуму отражательной способности сухого продукта.