Расчет комбинированной сушильной установки
Введение
Сушкой называется процесс удаления из материала любой жидкости, в результате чего в нём увеличивается относительное содержание сухой части. На практике при сушке влажных материалов, в том числе пищевых продуктов, удаляют главным образом воду, поэтому под сушкой понимают процесс обезвоживания материалов. Т.о., хотя понятие сушка является более общим, однако практически термин “сушка” и “обезвоживание” являются идентичными.
Материалы сушатся с различной целью: для уменьшения массы (это удешевляет их транспортировку), увеличения прочности (керамические изделия, древесина), повышения теплоты сгорания (топливо), повышения стойкости при хранении и для консервирования (зерно, пищевые продукты, биопрепараты).
Большинство пищевых продуктов являются влажными телами, содержащими значительное количество воды. Вода входит в состав растительных и животных тканей и являются необходимой составной частью пищи человека. Однако избыток воды снижает питательную ценность пищевых продуктов, значительно удорожает их транспортировку и может вызвать порчу продуктов вследствие жизнедеятельности различных микроорганизмов в водной среде. Поэтому большинство пищевых продуктов подвергают сушке, в процессе которой их влажность значительно снижается.
Сушка – это сложный технологический (физико-химический) процесс, который должен обеспечить не только сохранение качественных показателей материала, но в ряде случаев и улучшение этих показателей.
Процесс тепловой сушки пищевых продуктов заключается в переводе влаги, находящейся в них, в парообразное состояние и удаление образующегося пара во внешнюю, окружающую продукты, среду.
Существуют различные методы сушки материалов. Можно выделить 2 основных принципа:
- удаление влаги из материала без изменения её агрегатного состояния – в виде жидкости,
- удаление влаги из материала с изменением её агрегатного состояния, т.е. при фазовом преобразовании жидкости в пар.
1 Состояние вопроса
Мясо – один
из основных источников полноценных
и легкоусвояемых белков. В нем
содержится значительное количество витаминов группы В, микроэлементов.
Входящие в состав мяса экстрактивные
вещества, определяющие его вкусовые и
ароматические свойства, благоприятно
влияют на секреторную деятельность желудочно-кишечного
тракта.
Биологическая ценность мяса зависит
от содержания в нем мышечной ткани, в
состав белковых веществ которой входят
в оптимальных количественных соотношениях
незаменимые аминокислоты.
В настоящее время высушивание мяса в том или ином виде
получает широкое распространение. Во-первых,
для производства пищевых концентратов
и продуктов быстрого приготовления. Во-вторых,
при консервировании мяса на продолжительное
время, методами конвективной, ИК и сублимационной
сушки. В-третьих, при производстве сырокопченых
и сыровяленых колбас. Мясо может высушиваться
как в цельномышечном состоянии, так и
в измельченном, что несомненно повышает
скорость обезвоживания и доведения продукта
до нужной степени остаточной влаги.
Сушка - завершающая операция технологического
процесса производства сырокопченых и
сыровяленых цельномышечных мясопродуктов.
Продолжительность сушки составляет от 3 до 15 суток и зависит от вида изделий. Для филея, шейки и балыка, которые коптят и сушат в оболочке, длительность процесса - 10-15 суток; для окороков, рулетов, грудинки - 3-7 суток.
Сушку осуществляют в специальных камерах, оснащенных системой кондиционирования, поддерживающей определенную температуру (12-15 °С), относительную влажность (75-82%) и скорость движения воздуха (0,05-0,1 м/с).
Цель сушки - обезвоживание изделия, что сопровождается снижением влагосодержания, увеличением концентрации сухих веществ (и в первую очередь, поваренной соли и коптильных веществ), обеспечивающих консервирующее действие.
В связи с наличием
в продукции сохраненной
Однако, кроме чисто физического обезвоживания, в мясопродуктах протекает ряд сопряженных друг с другом биохимических, физико-химических и микробиологических процессов, ход которых во многом предопределяет качество готовых сырокопченых (вяленых) изделий.
В частности, продолжается развитие тканевых ферментов и микроорганизмов, деятельность которых вызывает частичную деструкцию клеточных элементов мышечной ткани, формирование выраженных упруго-эластичных и твердообразных свойств, сдвиг рН в кислую сторону (в интервале 5,0-5,4). При этом снижение уровня рН вызывает уменьшение водосвязывающей способности, интенсифицирует процессы цветообразования, стимулирует деятельность молочнокислой микрофлоры.
Основная сложность реализации технологии сырокопченых и сыровяленых изделий как раз и заключается в необходимости создания условий для селективного развития микрофлоры. В мясном сырье, поступающем на переработку, находится большое количество самых разнообразных микроорганизмов, но только лишь некоторые из них нам необходимы для технологических целей.
В условиях посола (введение хлорида натрия, нитрита), копчения (воздействие фенолов), сушки (обезвоживание, увеличение концентрации соли, снижение уровня рН) количественно-видовой состав микрофлоры существенно изменяется. В начале сушки задерживается рост грамотрицательных бактерий на фоне нарастания количеств молочнокислых бактерий и микрококков. В конце сушки санитарно-показательная микрофлора полностью отмирает, а количество молочнокислых после достижения максимума стабилизируется и даже несколько снижается. Этому же способствует применение при посоле Сахаров, при сбраживании которых образуются уксусная, молочная, муравьиная и другие кислоты, накопление которых, кроме снижения рН и подавления развития патогенных микроорганизмов, обеспечивает формирование вкусо-ароматических показателей.
В целом букет "ветчинности" обусловлен наличием карбонильных соединений (альдегиды, кетоны), серосодержащих компонентов (меркаптаны), органических кислот, спиртов, эфиров, фенолов.
Специфика механизма цветообразования в сырокопченых изделиях определяется невысокими температурами ведения процесса, постепенным снижением влагосодержания и увеличением концентрации поваренной соли. В этих условиях падает активность естественных ферментных систем, что оказывает негативное действие на реакции формирования окраски. Однако сдвиг рН в кислую сторону значительно ускоряет этот процесс.
Применительно к технологии сырокопченых цельномышечных мясопродуктов следует иметь в виду, что:
- с целью ускорения
процесса обезвоживания,
- использование при
изготовлении сырокопченых (вяленых)
изделий сырья, имеющего
- добавление в посолочную
смесь 0,3% глюконо-дельталактона
интенсифицирует развитие
- наличие в готовых сырокопченых изделиях 4-7% (в среднем - У/о) поваренной соли обеспечивает микробиологическую стабильность продукции при хранении;
- обесцвечивание сырокопченых
(вяленых) изделий (особенно в
летний период) обусловлено чрезмерным
накоплением перекисей,
- при нарушении рекомендуемых параметров сушки (температура, относительная влажность и скорость движения воздуха) на поверхности изделий может образовываться чрезмерно уплотненный слой, препятствующий испарению влаги и ухудшающий внешний вид и вид на разрезе. Для устранения этого дефекта опустите изделие на 15-20 мин. в теплую воду, после чего продолжите сушку;
- при применении воздуха
с повышенной относительной
- сушку следует вести, расположив изделия на рамах или вешалках таким образом, чтобы между ними оставались промежутки, достаточные для свободной циркуляции воздуха;
- наилучшим образом сушка проходит в камерных сушилках; сушилки зального типа - менее эффективны.
Изменение состояния
белков мышечной ткани при автолизе
мяса, замораживании, сушке и последующем
хранении во многом предопределяет особенности
его технологической обработки.
Температура денатурации
Практически решение вопроса о максимальной
температуре продукта в процессе сушки
должно быть сделано с учетом продолжительности
воздействия этой температуры и степени
обезвоживания мышечной ткани, поскольку
устойчивость белков к тепловому воздействию
при обезвоживании возрастает. В случае
сублимационной сушки вареного мяса, в
котором белковые вещества денатурированы
предварительной тепловой обработкой,
температура продукта на стадии удаления
остаточной влаги может быть более высокой.
Повышенное содержание соединительной
ткани в мясе снижает его биологическую
ценность и отражается на скорости и равномерности
его обезвоживания в процессе сушки.
Наличие плотной соединительной ткани
и хрящей затрудняет выделение влаги при
сушке кусков мяса и замедляет процесс
их регидратации.
Высокое содержание жировой ткани в мясе,
поступающем на сушку, может принести
к пониженной скорости сушки и уменьшению
количества влаги, воспринимаемой высушенным
мясом при его регидратации, так как в
период испарения остаточной влаги не
исключена возможность расплавления жира
и уменьшения в связи с этим свободного
сечения пор.
Окислительные превращения жиров на стадии
храпения высушенного мяса могут значительно
ухудшить его органолептические показатели
и понизить питательную ценность. Нежелательные
изменения в результате накопления продуктов
окислительного превращения жиров могут
быть особенно значительными в свином
мясе и мясе птицы, в жирах которых содержится
большое количество непредельных жирных
кислот.
Сушка мяса, как и другие способы технологической обработки мяса, обеспечивает сохранность исходных свойств сырья, поэтому уровень развития автолитических процессов оказывает существенное влияние на свойства высушенного продукта.
В некоторых исследованиях отмечается, что при органолептической оценке кулинарных блюд, приготовленных из говяжьего мяса после сушки разных стадий автолиза, наиболее нежным и сочным было мясо длительных сроков созревания. По некоторым данным высушенное говяжье мясо на разных стадиях автолиза, имеет разные физико-химические и органолептические показатели. Для осуществления процесса тепловой сушки получили ленточные и ИК сушильные установки разных конструкций и исполнений, где главным рабочим органом является ленточный конвейер. Частные случаи данных сушильных установок показаны на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 – Схема ИК сушильной установки
В корпусе аппарата 1 расположен конвейер 3, несущий продукт 2. Установка оборудована излучателями 4. В зависимости от технологических нужд могут использоваться ИК - элементы различных конструкций и видов, с разными температурами поверхности, частотой излучения, габаритными размерами и т.д.
Рисунок 2 – Схема ленточной сушилки
Ленточная сушилка для хлопка показана. Лентой является металлическая сетка 5, прикрепленная к звеньям цепи, огибающей звездочки 1. Влажный материал укладывается на движущуюся бесконечную металлическую ленту 5 на загрузочном участке и поступает в сушилку, проходя зоны, где установлены циркуляционные вентиляторы 2. В каждой зоне имеются два вентилятора 4, насаженные на одном валу, и два подогревателя 3 из ребристых труб. Воздух для разрыхления материала циркулирует снизу вверх. Над конвейером в одном с ним направлении движется сетка 6, служащая для задерживания частиц, увлекаемых воздухом; в конце и вначале камеры эта сетка очищается специальными скребками. Несмотря на наличие сетки, ребристые подогреватели быстро засоряются частицами высушиваемого материала и требуют остановки сушилки для их чистки. Высушенный материал сходит с конвейера в ящик или на отводящий транспортер.
2 Технические описания работы установки
2.1 Описание принципа работы технологической схемы
Рисунок 3 –
Технологическая схема
Исходный продукт – фарш, с размером частиц 3 мм с начальным содержанием влаги Wн1=38% и температурой tн1=10°С из бункера Б1 подается в ленточную сушилку МЛС. Сбоку в сушильную камеру вентилятором В нагнетается воздух, нагреваемый в калориферной батарее КБ. Воздух на входе в калориферную батарею имеет температуру t0=10°С и относительную влажность φ0=79 %. В калориферной батарее воздух нагревается до температуры t1=102°С. Подогрев воздуха в калориферной батарее осуществляется за счёт конденсации греющего пара, имеющего давление 0,31 МПа. Из верхней части сушильной камеры отработанный воздух с температурой t2=80°С поступает на очистку от мелких частиц в циклон ЦН-11 и далее выбрасывается в атмосферу. Подсушенный продукт с температурой tк1=33°С и влажностью Wк1=18% из нижней части сушильной камеры поступает в шнековый измельчитель Ш, куда также поступает фарш после циклонной очистки воздуха и далее, измельченный до частиц размером 1мм, попадает на ленточный транспортёр ИК сушильной установки, с общей мощностью всех излучательных элементов 46 кВт. Высушенный продукт выходит из сушильной камеры с температурой tк2=72°С и влажностью Wк2=4% и далее на ленточный транспортер.
2.2 Описание принципа работы проектируемого аппарата
Рисунок 4 – Схема проектируемой комбинируемой сушильной установки
Фарш поступает в сушилку из бункера по направляющей 4 с начальными параметрами Wн1=38% и температурой tн1=10°С. Сбоку, через патрубок 1 поступает воздух с t1=102°С в сушильную камеру, где идет процесс сушки. Фарш попадая в сушильную камеру встречается с нагретым воздухом, средняя температура которого tср=91°С и с этого начинается процесс сушки. Воздух из сушилки отводится через патрубок 2 с температурой t2=80°С. Вместе с воздухом вылетают частички фарша, которые осаждаются в циклоне при очистке воздуха. Высушенный продукт отводится из сушилки через патрубок 3 с конечной влажностью Wк1=18% и с помощью шнека дозируется на ленту ИК сушильной установки, где расположено 46 излучающих элементов 5, мощность каждого составляет 1кВт. С этого начинается вторая стадия сушки. На выходе продукт имеет характеристики: температура tк2=72°С и влажность Wк2=4%. Далее высушенный фарш поступает на ленту конвейера.
3 Технические расчеты проектируемого аппарата
3.1 Материальный расчет проектируемого аппарата
Принимаем исходный продукт – говядина 1 категории, измельченная на волчке с диаметром решетки 3 мм. Теплоемкость – 3458 Дж/кг К /1, стр. 107/. Зададим начальные и конечные характеристики продукта:
1-ая стадия (конвективная
сушка) – начальная влажность W
2-ая стадия (ИК сушка) - начальная влажность Wн2=Wк1=18% и температура tн2=tк1=33°С, конечная влажность Wк2=4% и температура tк2=72°С.
Из уравнения
материального баланса
,
где Gк – производительность установки по сухому веществу, кг/ч;
Wн – начальная влажность продукта, %;
Wк – конечная влажность продукта, %.
Тогда производительность
по начальному продукту составит:
Материальный баланс 2-ой стадии:
Материальный баланс 1-ой стадии:
3.2 Тепловой расчет проектируемого аппарата
К основным параметрам влажного воздуха относятся:
- температура t,°С
- относительная влажность воздуха φ,%
- удельное влагосодержание х, кг/кг
- энтальпия I, кДж/кг
Тепловой расчет 1-ой стадии сушки
Удельное
влагосодержание воздуха
где 0,622 – отношение мольных масс водяного пара и воздуха /6, 423 стр./ ;
Рн – давление насыщенного водяного пара при данной температуре воздуха, Па /6, 548 стр./ ;
В – общее давление паровоздушной среды, Па. (Для Европейской части СНГ принимается 745 мм рт. ст. = 99100 Па.) /6/.
Удельное влагосодержание воздуха на входе в калорифер:
Т.к. подогрев воздуха в калорифере происходит при неизменном влагосодержании воздуха, то удельное влагосодержание воздуха на входе в калорифер тоже, что и на входе в сушилку:
Энтальпия влажного воздуха представляет сумму энтальпий сухого воздуха и водяного пара, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:
где Сс.в. – средняя удельная теплоёмкость сухого воздуха, (при t<200°С Сс.в.=1,01 кДж/(кг.К)) /6, 513 стр./
t – температура влажного воздуха, °С;
х – удельное влагосодержание воздуха, кг/кг;
in – удельная энтальпия перегретого пара, кДж/кг.
где r0 – удельная теплота парообразования воды, (при 0°С r0=2493,1 кДж/кг) ;
cn – средняя удельная теплоёмкость водяного пара;
cn=1,97 кДж/(кг.К) /6, 528 стр./
Энтальпия воздуха на входе в калорифер:
кДж/кг
Энтальпия воздуха на выходе из калорифера (на входе в сушилку):
, кДж/кг
Уравнение внутреннего теплового баланса сушилки:
где - разность между удельными приходом и расходом тепла непосредственно в сушильной камере, кДж/кг влаги;
Сж – теплоемкость воды. Сж = 4,19 кДж/(кг.К) /6, 537 стр./ ;
qтр – удельный расход теплоты на подогрев транспортных устройств.
Пренебрегаем ввиду
qм – удельный расход теплоты, расходуемый на нагрев материала;
qп – потери в окружающую среду. Условно принимаем равными 200 кДж/4, 242 стр./.
см - теплоемкость высушенного материала /1, 107 стр./:
Дж/кг К
кДж/кг
Зададим температуру на входе в сушилку 102°С, на выходе 80°С.
кДж/кг
Запишем уравнение рабочей линии сушки:
Для построения рабочей линии сушки на диаграмме I-х необходимо знать координаты (I и х) минимум двух точек. Координаты одной точки известны:
I1=119,18 кДж/кг, х1=0,006 кг/кг,
Для нахождения координат второй точки, зададимся произвольным значением х, и определим соответствующее ему значение I. Пусть х=0,008 кг влаги/кг с.в., тогда:
, кДж/кг
Через две точки на диаграмме I-х с координатами I1, х1 и I, х поводим линию сушки до пересечения с заданным конечным параметром t2=80°С. В точке пересечения линии сушки с изотермой t2=80°С находим параметры воздуха: х2=0,011 кг /кг, I2 = 115 кДж/кг.
Расход воздуха на сушку:
(9)
кг/с
Средняя температура воздуха в сушилке:
Среднее влагосодержание воздуха в сушилке:
кг/кг
Средняя плотность воздуха:
кг/м3
Средняя плотность водяных паров:
кг/м3
Средняя объемная производительность по воздуху:
м3/с
Расход тепла на сушку:
кВт
Тепловой расчет 1-ой стадии сушки
Запишем уравнение теплового баланса /2, стр. 52/:
q = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6
где q – тепло, приносимое лучистым потоком;
q1 – расход тепла на нагрев изделия;
q2 – расход тепла на испарение влаги;
q3 – расход тепла на плавление жира;
q4 – расход тепла на нагрев конвейера;
q5 – расход тепла на нагрев воздуха;
q6 – расход тепла на потери в окружающую среду.
Для определения расхода тепла на нагрев мясопродуктов используем уравнение:
q1 = G{b[(tк - tн)Св + а0r] + g[C1(tпл - tн) + a1r1 + (tк - tн)С2 + (11)
+ Сc (tк - tн)(1 – b – g)]}
где G – масса нагреваемого продукта, кг;
tк – конечная температура продукта, °С;
tн – начальная температура продукта, °С;
b – весовая доля воды;
Св – удельная теплоемкость воды, кДж/кг;
Сс – удельная теплоемкость сухого остатка, равная 1,67 кДж/кг К;
g – весовая доля жира (принимаем 5%);
1 – b – g – весовая доля сухого остатка;
tпл – температура плавления жира. tпл = 40°С;
С1 и С2 – удельная теплоемкость жира соответственно до и после плавления, кДж/кг К;
а0 – доля испарившейся воды;
а1 – доля расплавившегося жира (принимаем 5%) ;
r1 – удельная скрытая теплота плавления жира, кДж/кг (r1 = 130 кДж/кг) ;
r – удельная скрытая теплота испарения воды, кДж/кг (r2 = 2493,1 кДж/кг).
Конечную температуру воды можно представить так:
tk = tн(emτ + ατn)/2
где α, n, m – опытные величины для разных видов излучателей. К установке принимаем излучатель КИ – 1000, для него эти величины соответственно равны 0,855; 0,383; 0,0061;
τ – время обработки продукта, принимаем 30 секунд.
tk = 33 (2,710,0061 30 + 0,855 300,383) = 72 °С
q2 = r2Gвл
где Gвл – количество испаренной влаги, кг
q2 = 2493,1 51,22 =127696,582 кДж/кг
q3 = r1Gж
где Gж – количество расплавленного жира, кг
q3 = 130 0,05 351,22 = 2282,9 кДж/кг
Значениями q4, q5 пренебрегаем, а значение q6 учтем как потери в размере 5% от общих затрат энергии.
q1 =351,22 {0,18 [(72 – 33) 4,190 + 0,14 2493,1] + 0,05 [6,28 (40 -
- 33) + 0,05 130 + 6,28 (72 - 33) + 1,67 (1 – 0,18 – 0,05) (72 - 33)]} = =38464 кДж/кг
q = 1,05 (38464 + 127696,582 + 2282,9) = 176866,5 кДж/кг
Расход тепла на сушку составит Q2 = 49,13 кВт.
3.3 Конструктивный расчет проектируемого аппарата
Расчет ленточной сушильной установки.
Определим рабочую длину ленты:
где ρн - насыпная плотность высушенного материала, кг/м³ (ρ=1100 кг/м³) /1/;
f - площадь поперечного сечения высушенного материала на ленте, м²;
При сушке материалов, сохраняющих форму:
где b – рабочая ширина ленты, м;
h – высота слоя продукта, м (зададим h = 0,01м)
(16)
Принимаем ширину ленты В = 1250 мм.
Примем продолжительность сушки фарша 50 мин.
Зная длину ленты и время сушки, можно рассчитать скорость движения ленты:
Принимаем общее число лент 3. Тогда рабочая длина каждой ленты составит 10,42 м.
Диаметр приводного барабана принимаем d = 0,15 м.
С учетом относительного смещения лент и рамы общая длина корпуса сушильной установки составит 11 м, ширина 1,525 м и высота 1,1 м.
Рассчитаем потери давления в сушилке, которые будут складываться из потерь, обусловленных прохождением потока воздуха через металлическую сетку ленты (∆Рс) и слой продукта (∆Рпр). Ввиду низкого коэффициента местного сопротивления металлической сетки (ζ = 0,05), потерями давления пренебрегаем.
∆Рпр = 3 h (ρм – ρв) g (1 – ε) (17)
где 3 – количество слоев продукта (принимается по числу лент);
h – высота слоя продукта, м;
ρм и ρв – плотность материала и воздуха соответственно;
ε – порозность слоя (принимаем ε = 0,4).
∆Рпр = 3 0,01 (1100 – 0,6) 9,81 (1 – 0,4) = 194,13 Па
Расчет ИК сушильной установки.
Определим общее число элементов излучения:
n = k Q2/q1 (17)
где k – коэффициент запаса (принимаем k = 1,05);
q1 – теплота, выделяемая одним элементом (для элемента КИ – 1000 это значение составляет 1 кВт)
n = 1,05 49,13/1 = 51,58
Таким образом к установке принимаем 52 элемента КИ – 1000.
С учетом размеров
ИК элементов и с целью