СПОСОБ СУШКИ ПРОДУКТОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК A23L3/54 A23B7/02 

Изобретение относится к технологии сушки с помощью сушильной техники различных продуктов растительного происхождения - овощей, фруктов, грибов, лекарственного сырья, а также иных материалов.

Известен способ конвективной сушки (авторское свидетельство на изобретение СССР, 785615, кл F 26 B 3/28 // F 24 J 3/02, 1980) (аналог) путем циркуляции подогретого воздуха через сушимый материал. Известно также и то, что скорость сушки и энергоемкость сушки, качество сушимого материала зависят от скорости воздушного потока, его влагосодержания и его температуры. Однако сам по себе этот процесс длителен и не может быть существенно сокращен по той причине, что градиент температуры в сушимом материале при конвективном нагреве материала направлен от его наружных слоев, т.к. они нагреты в большей степени вовнутрь, где слои материала нагреты менее. В этом случае температурный градиент материала не совпадает по направлению с градиентом влагонапора из продукта, так как влага при сушке стремится выйти из глубинных слоев материала на его поверхность. Такое относительное положение направлений векторов температуры материала и влагонапора из материала не способствует скорому удалению влаги из материала и снижает эффективность данного способа сушки, что является недостатком аналога.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ сушки материала, когда он нагревается от специального источника инфракрасной (ИК) энергии и последующего за этим охлаждения материала потоком холодного воздуха, например от вентиляторов (патент Российский Федерации на изобретение "Способ сушки высоковлажных материалов" 2043585, МКИ6 F 26 В 3/30, опубл. 1995г. ) (прототип). При этом каждый источник энергии, т.е. ИК-излучатель и система подачи через сушильный материал холодного воздуха работают в импульсном режиме: ИК-нагрев продукта сменяется конвективным его охлаждением, и так циклично, пока влажность продукта не достигнет кондиционных значений. При этом в данном патенте приводится рекомендуемые плотности ИК-потока (4,5. . .8,5 кВт/кв. м) и длина волны ИК-лучей (2...10 мкм), а температура нагрева материала составляет 0,8...0,9 от предельной температуры сушки, охлаждение ведут до достижения температуры материала, равной 0,4...0,6 его предельной температуры.

По существу предлагаемого в патенте способа сушки материала такое сочетание видов подводимой к материалу энергией является более рациональным, так как использование для нагрева материала ИК-лучистого потока, обладающего высокой проникающей способностью, позволяет осуществить прогрев материала на максимальную глубину с одинаковой температурой. После достижения заданной по технологии сушки температуры ИК-источник энергии выключают и включают вентиляторы, подающие на нагретый продукт холодный воздух. В результате такого обдува материала холодным воздухом оказывается, что его поверхностные слои менее нагреты, чем глубинные слои материала, в результате чего возникает температурный градиент, вектор которого направлен из глубины материала на его поверхность, что соответствует направлению вектора влагонапора из глубинных слоев материала на его поверхность и является необходимым по недостаточным условиям выноса свободной влаги из сушимого материала на его поверхность.

Недостатком принятого за прототип патента является то, что предложенный в нем способ сушки материала не может быть высокоэффективным по той причине, что в нем отсутствует механизм выноса этой влаги за пределы сушильной камеры, ибо при влажности холодного воздуха более 65%, обдувающего сушимый продукт, эффективного съема влаги с сушильного продукта получить нельзя (Кудрявцев И.Ф. и Карасенко В.А. "Электрический нагрев и электротехнология" М., Колос, 1975, стр.209).

Другим существенным недостатком рассматриваемого способа сушки, принятого за прототип, является то, что он не учитывает предварительный выбор длины волны ИК-излучателя в соответствии со спектральной чувствительностью сушимого конкретного продукта. Это снижает эффективность поглощения ИК-энергии продуктом и требует повышенного расхода энергии пока продукт не достигнет кондиции влажности 12...13%.

Технической задачей предлагаемого изобретения способа сушки продуктов растительного происхождения и других материалов является выбор рационального сочетания радиационного-конвективного подвода тепла к сушильному материалу, а также предварительного выбора в соответствии с наибольшей поглащательной способностью сушимого продукта длины волны ИК-излучателя, на которую приходится максимум излучения.

Задача достигнута в предлагаемом способе сушки продуктов растительного происхождения путем формирования его слоя и последующего в импульсном режиме нагрев-охлаждение облучения ИК-лучами с плотностью теплового потока 4,5-8,5 кВт/кв. м до достижения температуры продукта 0,8-0,9 от его предельной температуры сушки и охлаждения до 0,4-0,6 от его предельной температуры сушки, а затем согласно изобретению перед началом сушки предварительно подбирается длина волны ИК-источника, на которую приходится максимум излучения (λ_max, мкм), в соответствии с наибольшей поглащательной способности сушимого продукта (λ=3,7-4,5 мкм), после чего его верхние слои охлаждаются холодным воздухом для интенсивного вытеснения свободной влаги на поверхность сушильного продукта, а затем продукт вновь обдувается нагретым до 45...55^oС воздухом для съема выступившей на поверхность продукта влаги и выноса ее за пределы сушильной камеры.

Операции способа предлагаются следующие: продукт формируется на сетчатых поддонах, затем включаются ИК-источники лучистой энергии, в результате чего он нагревается до температуры 0,8...0,9 от предельно допустимого значения температуры сушки при длительности облучения 0,65...0,75 от времени всего цикла сушки (20 минут), плотности теплового потока 4,5...8,5 кВт/кв. м и подбором длины волны ИК-излучения с тем, чтобы она соответствовала наибольшей поглащательной способности сушимого материала, а охлаждение ведут, продувая через нагретый в ИК-лучах продукт холодный воздух, понижая тем самым температуру его поверхностных слоев до 0,4...0,6 от максимальной температуры сушки с длительностью периода 0,05...0,15 от времени цикла, а затем с целью эффективного снятия выступившей на поверхность продукта влаги осуществляется четвертый этап - продувка продукта подогретым до 45...55^oC воздухом, который имеет пониженное влагосодержание и способен снять и вывести выступившую свободную влагу с поверхности продукта за пределы сушильной камеры, и эту операцию повторяют до тех пор, пока влажность продукта не достигнет 10-12%.

Предлагаемый способ сушки растительной продукции состоит из четырех этапов, каждый из которых предназначен для выполнения определенной задачи.

Вначале сушки того или иного растительного продукта он укладывается определенным слоем на поддоны сушильного шкафа с тем, чтобы обеспечить наибольшее проникновение ИК-лучистого потока в продукт. Затем, исходя из накопленных экспериментальных данных или по справочным материалам, устанавливается спектральная чувствительность продукта, т.е. та длина волны ИК-излучения, которая в наибольшей степени поглащается продуктом, и, превращаясь в тепловую энергию, вызывает его наибольший нагрев. Для большинства корнеплодов и ботвы - морковь, свекла, петрушка, корень валерианы и т.п. длина волны, соответствующая наибольшей поглащательной способности этих продуктов, лежит в пределах λ=3,7...4,5 мкм, что соответствует средневолновому диапазону ИК-излучения.

Сущность изобретения заключается в том, что под выбранную длину волны, имеющую для данного продукта наибольшую поглащательную способность, настраивается ИК-излучатель таким образом, чтобы длина волны его лучистого потока, на которую приходится максимум излучения, соответствовала наибольший поглащательной способности этого продукта, что обеспечит эффективный нагрев сушимого материала. Эту операцию можно выполнить путем установления нужной температуры нагрева ИК-нагревателей, используя для этого критериальное уравнение смещения В. Вина: λ_max 2896/T, где λ_max - длина ИК-лучистого потока, на которую приходится максимум излучения, мкм; 2896 - постоянная Вина, мкм, К; Т - абсолютная температура излучателя, К.

Как следует из уравнения, изменяя температуру ИК-излучателя путем изменения питающего напряжения, на нагревателях можно выбрать необходимую длину волны, на которую приходится максимум ИК-энергии и которая соответствует наибольшей поглащательной способности объекта сушки.

Следующий этап - это включение ИК-излучателей и прогрев продукта до 0,80. . .0,90 от максимальной температуры сушки. Подводимая плотность лучистого потока находится в пределах 4,5...8,5 кВт/кв. м. Длительность облучения составляет 0,55. . .0,65% от 20-минутного цикла. После прогрева продукта до заданной температуры ИК-излучатели отключаются и включается вентилятор, который продувает холодный воздух через нагретый в ИК-лучах продукт. При этом температура поверхностных слоев продукта понижается до 0,45...0,55 от максимальной температуры нагрева. Длительность периода охлаждения, как правило, составляет 0,05...0,15 от 20-минутного цикла.

После такого обдува в продукте возникает перепад температур между внутренними и поверхностными слоями продукта, в результате чего образуется градиент температуры, вектор которого направлен из глубинных слоев продукта к его поверхностным слоям. Это совпадает с направлением вектора выхода свободной влаги из продукта на его поверхность. Чем не больше разность температур между глубинными слоями продукта и его поверхностными слоями, тем выше температурный градиент, тем сильнее напор свободной влаги из глубины продукта на его поверхность. Этим достигается необходимое условие интенсификации процесса удаления свободной влаги из продукта.

Чтобы достичь поставленной задачи изобретения - необходимо эффективно удалить выступившую на поверхность продукта влагу и вынести ее за пределы сушильной камеры. Для этого в процесс сушки вводится четвертый этап - продувка через продукт воздуха, подогретого с помощью калорифера до 45...55^oС и нагнетаемого в сушилку вентилятором. В качестве электрического подогревателя можно использовать открытые спирали, а также оребренные ТЭНы. Подогрев холодного воздуха на 1^oС снижает его влажность на 5% (Кудрявцев И.Ф. и Карасенко В. А. "Электрический нагрев и электротехнология", М., Колос, 1975 г., стр. 209).

Подогретый до температуры 45...55^oС воздух имеет низкое влагосодержание и поэтому легко снимает выступившую на поверхность продукта влагу и выносит ее за пределы сушильной камеры. Этим этапом достигается достаточность условия интенсификации всего процесса сушки продуктов растительного происхождения, снижается энергоемкость сушки, повышается качество сушимого материала.

Итак, сопоставительный анализ предлагаемого технического решения по способу сушки со способом, предлагаемым в прототипе, позволяет сделать вывод, что заявленные технические решения по выбору длины волны, на которую приходится максимум ИК-излучения в соответствии с наибольшей поглащательной способности объекта сушки, а также введения в этот процесс этапа обдува продукта нагретым воздухом для эффективного съема вышедшей на поверхность влаги и выноса ее за пределы сушильной камеры, обладают новизной и выгодно отличают предлагаемое решение способа сушки от способа сушки по прототипу.

Способ может быть осуществлен с помощью сушильного шкафа (чертеж):
1 - корпус шкафа;
2 - ИК-излучатели;
3 - контейнер;
4 - крепление для излучателей;
5 - перегородка;
6 - воздуховод для подачи горячего воздуха;
7 - воздуховод для выхода охлажденного воздуха;
8 - сушимый материал (лекарственные травы);
9 - центробежный вентилятор;
10 - калорифер.

Процесс сушки включает в себя укладку продукта в контейнеры (3), которые затем устанавливаются в шкаф (1), имеющий ИК-излучатели (2), причем нагрев продукта ИК-потоком происходит как сверху, так и снизу. Затем включаются ИК-излучатели и идет процесс глубинного прогрева продукта. После цикла ИК-нагрева излучатели отключаются и включается вентилятор (9), который продувает холодный воздух через сетчатые боковины контейнеров на материал, охлаждая его поверхностные слои до установленной температуры, после чего включается калорифер (10), подающий по тем же каналам нагретый воздух на продукт и, снимая с продукта выступившую на его поверхность влагу, выносит ее через воздуховод (7) за пределы сушильной камеры.

После двадцатиминутного периода цикл вновь повторяется и так до тех пор, пока продукт не достигнет кондиционной влажности 12...13%. Временные циклы операций ИК-нагрева, конвективного охлаждения, обдува подогретым воздухом можно осуществить с помощью программного реле времени, настроенного на тот или иной режим.

В качестве примера осуществления способа приведены сравнительные характеристики процесса сушки лекарственного сырья (корневища валерианы, шалфей) по технологии, предлагаемой в прототипе и по способу настоящей заявки (см. таблицу).

Временные циклы операций подбираются экспериментально для каждого продукта. Из вышеприведенного следует, что предлагаемый способ сушки продуктов растительного происхождения позволяет существенно сократить время сушки, повысить качество конечного результата, уменьшить энергозатраты.

Изобретение относится к технологии сушки с помощью сушильной техники и продуктов растительного происхождения - овощей, фруктов, грибов, лекарственного сырья и других иных материалов и осуществляется с помощью ИК-излучения и конвективного обдува. Для каждого случая определяется спектральная чувствительность сушимого материала. Затем ИК-излучатели сушильной камеры настраиваются (путем изменения их температуры) на длину волны так, чтобы длина волны ИК-излучения, на которую приходится максимум электромагнитной энергии, соответствовала наибольшей поглощательной способности продукта. Затем включаются ИК-излучатели с плотностью теплового потока 4,5...8,5 кВт/кв. м и происходит нагрев продукта до температуры 0,8...0,9 от предельно допустимой температуры сушки. Затем они выключаются и включается вентилятор, который охлаждает его верхние слои до температуры 0,45...0,55 от максимальной температуры сушки. Следующим этапом обеспечивается обдув продукта нагретым до 45...55^oС воздухом. Процесс идет пока продукт не достигнет кондиционной влажности 10. ..12%. Предлагаемый способ сушки продуктов растительного происхождения позволяет повысить эффективность самого процесса, повысить качество сушимого материала. 1 ил., 1 табл.

Способ сушки продуктов растительного происхождения путем формирования их слоя и последующего в импульсном режиме нагрев-охлаждение облучения ИК-лучами с плотностью теплового потока 4,5-8,5 кВт/кв. м до достижения температуры продукта 0,8-0,9 от его предельной температуры сушки и охлаждения до 0,4-0,6 от его предельной температуры сушки, отличающийся тем, что предварительно подбирают длину волны ИК-источника, на которую приходится максимум излучения (λ_max, мкм), соответствующий наибольшей поглощательной способности продукта(λ= 3,7-4,5 мкм), а затем его верхние слои охлаждают холодным воздухом для интенсивного вытеснения свободной влаги на поверхность сушимого продукта, после чего продукт вновь обдувают нагретым до 45-55^oС воздухом для съема выступившей на поверхность продукта влаги и выноса ее за пределы сушильной камеры и эту операцию повторяют до тех пор, пока влажность продукта не достигнет 12-13%.