СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СУШКИ ПРОДУКТОВ, СОДЕРЖАЩИХ СВОБОДНУЮ И СВЯЗАННУЮ ВЛАГУ, ПРИ СМЕНЕ РЕЖИМА СУШКИ Российский патент 2008 года по МПК F26B25/22 

Изобретение относится к способам определения длительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения длительности сушки продуктов (Сборник технологических инструкций по овощесушильному производству. - Мичуринск: Роспотребсоюз, 1978 - с.101-102 - 118 с.), заключающийся в периодическом контроле влагосодержания продукта в процессе сушки путем отбора проб продукта на выходе из сушилки и в установлении на основании результатов этого анализа необходимости продолжения сушки или ее прекращения.

Однако известный способ является длительным и трудоемким; позволяет приближенно определить длительность сушки. При таком способе сушка прекращается, как правило, при снижении влагосодержания ниже требуемого стандартом значения, что приводит к дополнительным энергетическим затратам.

Технической задачей изобретения является сокращение количества анализов влагосодержания продукта в процессе сушки, повышение точности определения длительности сушки продуктов.

Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе определения продолжительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, при смене режима сушки, заключающегося в периодическом измерении влагосодержания продукта в процессе сушки, сравнении результатов измерения с требуемой конечной влажностью продукта и определении на этой основе продолжительности сушки, новым является то, что предварительно проводят сушку продукта при определенном режиме, характеризующемся значением температуры, относительной влажности и скорости движения сушильного агента, периодически проводят измерения влагосодержания продукта в процессе сушки с целью установления графической зависимости влагосодержания продукта во времени, на основании которой определяют общее эквивалентное влагосодержание продукта, соответствующее интервалу удаления влаги от начального до конечного влагосодержания, максимальную скорость процесса и продолжительность периода постоянной скорости; при смене режима сушки проводят три или четыре измерения влагосодержания продукта в периоде постоянной скорости сушки, определяют методом наименьших квадратов максимальную скорость процесса по результатам этих измерений, а длительность сушки при смене режима сушки определяют по расчетной зависимости

где τ - продолжительность сушки, с; W_экв - общее эквивалентное влагосодержание продукта, кг/кг; N_max - максимальная скорость процесса сушки, с^-1.

Технический результат заключается в сокращение количества анализов влагосодержания продукта в процессе сушки, а использование математических методов обработки экспериментальных данных и возможность прогнозирования длительности процесса по результатам анализа его начальной стадии повышают точность определения длительности процесса сушки продуктов.

На фиг.1 приведены кривые сушки прессованной бумаги, на фиг.2 - кривые сушки свекловичной обессахаренной стружки.

Способ заключается в том, что предварительно проводится сушка продукта при определенном режиме, характеризующемся значением температуры, относительной влажности и скорости движения сушильного агента, в процессе которой периодически проводятся измерения влагосодержания продукта с целью установления графической зависимости влагосодержания продукта во времени, на основании которой определяют количество общего эквивалентного влагосодержания по методу, изложенному в патенте RU № 2230311 «Способ определения прочности связи влаги с веществом», Арапов В.М., Казарцев Д.А., Арапов М.В.; Опубл. 10.06.04, Бюл. № 16. Покажем, что величина общего эквивалентного влагосодержания является величиной постоянной при удалении влаги от фиксированных значений начального и конечного влагосодержания и не зависит от режимов сушки. Применим для описания кинетики сушки законы химической кинетики. На основании этого определим скорость процесса сушки в общем виде уравнением:

где U, U_н, U_p - соответственно текущее, начальное и равновесное влагосодержание материала, кг/кг; τ - продолжительность сушки, с; n - коэффициент, называемый порядком реакции; А - коэффициент, с^-1; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кг·К); Т - абсолютная температура тела, K; Е - энергия активации, Дж/кг.

Анализ обширного экспериментального материала по сушке различных материалов (Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. Сажин Б.С. Основы техники сушки. М.: Химия, 1984. - 320 с.) показал, что в первом периоде сушки, когда скорость процесса постоянна, температура материала равна температуре "мокрого" термометра Т_м(К), n=0. В первом периоде сушки удаляется преимущественно свободная (слабосвязанная) влага, поэтому энергией связи можно пренебречь и энергию активации молекул принять равной теплоте парообразования r. Тогда скорость сушки в первом периоде N₁(c^-1) описывается уравнением

Во втором периоде сушки удаляется связанная влага, энергию активации вычисляем по уравнению

где [ϕ(U,T)] - уравнение кривой десорбции высушиваемого материала;

Е_св - энергия связи влаги с материалом, вычисленная по уравнению Ребиндера, Дж/кг.

Скорость второго периода сушки

где N₂(U) - скорость второго периода сушки, с^-1.

Температура материала, начиная с критического влагосодержания, повышается, постепенно достигая температуры осушающего газа Т_c (по "сухому" термометру при U_p). Ее можно найти по температурной зависимости Т=f(U), которая во втором периоде сушки имеет вид плавной кривой. Интенсивность нагрева материала при высушивании обычно оценивают относительным температурным коэффициентом сушки (Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - С.471).

Температурный коэффициент сушки В можно представить степенной функцией влагосодержания. Представим эту зависимость уравнением

где а и m - эмпирические коэффициенты;

U_кр - критическое влагосодержание, кг/кг.

Показатель степени m не зависит от режима сушки и определяется природой вещества. После интегрирования уравнения (6) получаем

Постоянную интегрирования и эмпирический коэффициент «а» находим при условии, что равновесному влагосодержанию материала соответствует его температура Т_c, а критическому - Т_м. Тогда температура материала определяется по уравнению:

где

Т_с - температура осушающего газа на входе в аппарат, К. На основании уравнений (5) и (8) можно доказать решающее влияние начальной скорости на весь последующий процесс сушки. Преобразуем показатель экспоненты в уравнении (5)

где

Тогда уравнение скорости сушки во втором периоде после преобразований с учетом уравнения (3) приобретает вид

Полученные кинетические уравнения позволяют рассчитать продолжительность сушки τ, которая суммируется из продолжительности первого τ₁ и второго τ₂ периодов:

где U_к - конечное влагосодержание вещества, кг/кг.

Анализ уравнений (11) и (12) показывает, что:

При установлении физического смысла переменной W исходим из следующих положений. Единицами измерения величин W₁, W₂, W_об является влагосодержание. Поэтому N₁τ соответствует количеству влаги, отнесенной к абсолютно сухой массе и удаляемой из материала в течение всего периода сушки до U_к при условии, что сушка протекает с постоянной скоростью. В действительности скорость сушки во втором периоде с понижением влагосодержания материала непрерывно уменьшается. Это происходит в соответствии с возрастанием энергии связи влаги с материалом и уменьшением теплового потока, передаваемого конвекцией от осушающего газа материалу. Во втором периоде сушки удаляются водные фракции с различной энергией связи. Количество водных фракций и содержащейся в них воды определяется природой вещества и является важнейшей характеристикой материала как объекта сушки. Поэтому параметр W_об можно определить как общее эквивалентное влагосодержание материала; W₁, W₂, - эквивалентное влагосодержание первого W₁=U_н-U_кр и второго периодов сушки соответственно; W₂ - переменная величина, зависящая от конечного влагосодержания материала.

Как видно из определения, эквивалентная влага удаляется с постоянной (максимальной) скоростью первого периода при данном режиме сушки. Эквивалентное влагосодержание - это количество эквивалентной влаги в материале, отнесенное к сухой массе, для удаления которой требуется такое же время, что и для удаления до U_к, действительного полифракционного состава влаги из этого материала при данном режиме сушки.

Существующее понятие влагосодержания количественно оценивает содержание влаги в материале, эквивалентное влагосодержание является количественно-качественной оценкой содержания влаги.

Методику экспериментального определения эквивалентного влагосодержания рассмотрим на примере сушки фильтровальной бумаги (Филоненко Г.К. Сушильные установки. / Г.К.Филоненко, П.Д.Лебедев. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1952). На фиг.1 приведены кривые сушки прессованной бумаги, полученные экспериментальным путем при режимах сушки, указанных в таблице 1. Строим на графике кривых сушки прессованной бумаги шкалу эквивалентного влагосодержания - W, которая проводится параллельно оси влагосодержания U. Принимаем на оси W начало отсчета (нулевая точка) - на уровне, соответствующем начальному влагосодержанию U_н; масштаб, равный масштабу оси U; направление оси - сверху вниз, т.е. противоположное оси U. Из точки U_н на кривой сушки проводим касательную к графику функции U=f(τ), тангенс угла наклона которой определяет максимальную скорость процесса (скорость первого периода сушки). Определяем длительность сушки прессованной бумаги в опыте №1 по точке пересечения горизонтальной прямой U_к=const с кривой сушки № 1. В рассматриваемых примерах за U_к принято U_к=0,1 кг/кг. Из полученной точки на кривой сушки проводим прямую линию, параллельную оси W, до пересечения с ранее проведенной касательной в точке U_н к U=f(τ). Пересечение этих прямых определяет величину общего эквивалентного влагосодержания. В опыте №1 общее эквивалентное влагосодержание при сушке прессованной бумаги от U_н=1,50 кг/кг до U_к=0,1 кг/кг составляет W_об=2,55 кг/кг. Аналогично определяем общее эквивалентное влагосодержание прессованной бумаги при остальных режимах сушки.

Из этого примера видно, что общее эквивалентное влагосодержание в диапазоне влагосодержания прессованной бумаги от U_н до U_к есть величина постоянная и не зависит от режима сушки.

Максимальную скорость процесса можно определять на основании измерения влагосодержания продукта на начальной стадии процесса, соответствующей периоду постоянной скорости сушки. Если провести n измерений, то, используя метод наименьших квадратов, максимальную скорость процесса сушки N_max определим по расчетной зависимости:

где n - количество проведенных измерений; U_i - влагосодержание продукта на начальной стадии сушки в момент времени τ_i, кг/кг.

Затем, учитывая полученное значение максимальной скорости сушки, находим длительность конвективной сушки по расчетной зависимости (1).

Графическая иллюстрация предлагаемого способа приведена на фиг.2, кривая 4 сушки свекловичной обессахаренной стружки (Кретов Т.И. Влияние температуры сушильного агента на процесс сушки пищевых волокон. /И.Т.Кретов, Ю.В.Ряховский, Л.Н.Шахбулатова // Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности: Сб. науч. тр. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 1998. - Вып.8. - С.21-22), экспериментальные данные которой приведены в таблице 2. На начальной стадии процесса, когда скорость сушки является максимальной и постоянной, проводим 4 измерения влагосодержания продукта, например точки А, В, С, D, и наносим их на график. Кривая сушки, определяющая максимальную и постоянную скорость процесса, графически представляет собой прямой луч l. Если действительное количество влаги в продукте заменить эквивалентной влагой, то она будет испаряться с максимальной скоростью и тогда кривая сушки при удалении эквивалентной влаги представляет собой прямой луч. Процесс сушки заканчивается, когда из продукта удалится вся эквивалентная влага. Графически этот момент характеризуется точкой пересечения прямой с горизонтальной прямой W=const и соответствующим временем сушки τ, определяемой по оси времени.

Определим значения максимальной скорости процесса и его продолжительности для кривой 1:

Определим значения максимальной скорости процесса и его продолжительности для кривой 2:

Определим значения максимальной скорости процесса и его продолжительности для кривой 3:

Определим значения максимальной скорости процесса и его продолжительности для кривой 4:

Определим значения максимальной скорости процесса и его продолжительности для кривой 5:

Полученные при расчете значения продолжительности процесса сушки τ_расч близки к полученным экспериментальным путем.

Преимущества описанного способа перед известным заключаются в сокращении количества анализов влагосодержания продукта в процессе сушки, а использование математических методов обработки экспериментальных данных и возможность прогнозирования длительности процесса по результатам анализа его начальной стадии повышает точность определения длительности процесса сушки продуктов.

Полученная информация может быть использована для определения продолжительности процесса сушки и возможного регулирования сушки на начальной стадии процесса.

Таблица 1

№12345Т_с, К364,0351,6343,0332,6334,0Т_м, К314,2311,6311,2306,4304,6

Таблица 2Время, минВлагосодержание продукта, % при температуре сушильного агентаt=50°Ct=60°Ct=70°Ct=80°Ct=90°C0610610610(A) 6106105560,5550,1534,2(В) 515,2496,510510,04489,6457,4(С) 419,4381,115461,03430381,8(D) 324,7267,520412,1370,8306,9231,2153,125362,6310,9231,2165903031025417511046352542101407625402201801105010451901509030550160120681505513494505 6011476360 651006020  7080436  7565280  8056180  854510   90405   95300   100200   10510    1105    1150    1200    

Изобретение относится к способам определения длительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Способ определения длительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, при смене режима сушки заключается в том, что в начале берут опытную партию данного продукта, подвергают ее сушке в используемом сушильном аппарате при одном из возможных режимов сушки, на основании чего ориентировочно определяют период постоянной скорости и строят кривую сушки, по которой определяют эквивалентное влагосодержание, соответствующее количеству удаляемой в процессе сушки влаги, затем подвергают сушке очередную партию продукта, режим сушки которой может отличаться от режима сушки опытной партии, в процессе сушки этой партии продукта определяют методом наименьших квадратов максимальную скорость процесса, соответствующую периоду постоянной скорости сушки, на основании трех или четырех измерений влагосодержания продукта на начальной стадии сушки, а длительность конвективной сушки определяют по расчетной зависимости. Способ позволяет сократить количество анализов влагосодержания продукта в процессе сушки и повысить точность определения длительности сушки продуктов. 2 табл., 2 ил.

Способ определения продолжительности сушки продуктов, содержащих свободную и связанную влагу, при смене режима сушки, заключающийся в периодическом измерении влагосодержания продукта в процессе сушки, сравнении результатов измерения с требуемой конечной влажностью продукта и определении на этой основе продолжительности сушки, отличающийся тем, что предварительно проводят сушку продукта при определенном режиме, характеризующемся значением температуры, относительной влажности и скорости движения сушильного агента, периодически проводят измерения влагосодержания продукта в процессе сушки с целью установления графической зависимости влагосодержания продукта во времени, на основании которой определяют общее эквивалентное влагосодержание продукта, соответствующее интервалу удаления влаги от начального до конечного влагосодержания, максимальную скорость процесса и продолжительность периода постоянной скорости; при смене режима сушки проводят три или четыре измерения влагосодержания продукта в периоде постоянной скорости сушки, определяют методом наименьших квадратов максимальную скорость процесса по результатам этих измерений, а длительность сушки при смене режима сушки определяют по расчетной зависимости

,

где τ - продолжительность сушки, с;

W_экв - общее эквивалентное влагосодержание продукта, кг/кг;

N_max - максимальная скорость первого периода сушки, с^-1, определяемая методом наименьших квадратов на основании трех или четырех измерений влагосодержания продукта на начальной стадии сушки.