Способ ик-сушки топинамбура и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2596071:
Общество с ограниченной ответственностью "Западносибирский биотехнологический центр по селекции и семеноводству картофеля и топинамбура" (RU)
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к сушке топинамбура, может применяться в сельском хозяйстве и в пищевой промышленности. Способ сушки топинамбура предусматривает подготовку сырья, формирование слоя, воздействие ИК-лучами, контроль температуры топинамбура оптическим пирометром. Контролируют температуру излучающей поверхности, которую определяют путем расчета. Устройство для сушки топинамбура включает загрузочный бункер 2, сушильную камеру 1, ИК-излучатель 3, транспортеры 4. Оптические пирометры 6 ориентируют на поверхность ИК-излучателей. Изобретение должно обеспечить интенсификацию процесса сушки и повысить качество высушенного топинамбура. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к сушке топинамбура, может применяться в сельском хозяйстве и в пищевой промышленности.
Известен способ сушки топинамбура, заключающийся в том, что сушку проводят в два этапа: на первом - в плотном слое, а на втором - в псевдосжиженным слое, причем материал обрабатывают перегретым паром.
Для этого способа могут быть использованы сушилки плотного и псевдоожиженного слоя, например (Птицын С.Д. Зерносушилки. - М.: Машгиз, 1962. - С. 81; 101).
Эти способ и устройство хотя и позволяют получить качественный продукт, но технология его получения сложна, а технические средства по конструкции существенно различаются, что ведет к повышенным эксплуатационным и капитальным затратам.
Известен способ импульсной ИК-сушки термолабильных материалов, предусматривающий подготовку сырья, формирование слоя, воздействие ИК-лучами в импульсном режиме «нагрев-охлаждение» до заданной влажности, причем контроль температуры ведут оптическим пирометром, замеряющим температуру материала (Патент RU 2393397, БИПМ №13, 27.06.2010).
Известно устройство для его осуществления, включающее сушильную камеру, ИК-излучатели, отражатели, вентилятор, блок управления и оптический пирометр, определяющий температуру материала.
Эти способ и устройство по своей технической сути наиболее близки к заявленному и выбраны за прототип.
Недостаток способа заключается в том, что материал (семена) периодически охлаждаются и на повторный нагрев нужно дополнительное тепло, что снижает интенсивность процесса. Недостаток устройства заключается в низкой эффективности контроля температуры материала.
Технической задачей изобретения является интенсификация процесса сушки и повышение качества высушенного продукта.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе сушки топинамбура, предусматривающем подготовку сырья, формирование слоя, воздействие ИК-лучами, контроль его температуры оптическим пирометром, согласно изобретению контролируют температуру излучающей поверхности, которую поддерживают равной:
где T, θ0 - температура поверхности ИК-излучения и начальная температура топинамбура, К;
к - экспериментальный коэффициент;
Qд - допустимое теплосодержание сырья, Вт/кг;
f - удельная поверхность частицы, м2/кг;
η - доля теплоты, пошедшая на испарение свободной влаги;
δ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м2·К4;
εпр - приведенная степень черноты сырья.
Техническая задача достигается также тем, что устройство для ИК-сушки, включающее загрузочный бункер, сушильную камеру, ИК-излучатели и транспортеры, согласно изобретению снабжено оптическим пирометром, ориентированным на поверхности ИК-излучателей.
Данный способ может быть реализован только в данном устройстве.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг 2 - зависимость влагосодержания I и температуры II от времени.
Устройство включает сушильную камеру 1, загрузочный бункер 2, инфракрасные излучатели (ИК) 3, транспортеры 4, вентилятор 5, оптические пирометры 6, ориентированные на поверхности ИК-излучателей, блок управления 7, приемный бункер 8, ворошители 9, патрубок 10, отражатели 11.
Устройство функционирует следующим образом.
Нарезанный на кубики 6×6×6 мм топинамбур из загрузочного бункера 2 поступает на транспортер 4, подвергается воздействию ИК-потоком от излучателей 3, поступает на следующий транспортер 4, затем на третий и выводится из камеры 1. Температуру поверхности ИК-излучателя поддерживают заранее рассчитанной путем изменения напряжения, подаваемого на ИК-излучатели 3 от сигнала оптического пирометра 6 на блок управления 7, например, с погрешностью ±1°С. Высушенный материал разгружают в приемный бункер 8 и отправляют на охлаждение и дальнейшую обработку.
Равномерность обработки материала обеспечивают ворошителями 9.
На первом транспортере 4 удаляется свободная и слабосвязанная влага, на втором - капиллярная влага из широких пор, на третьем - из мелких пор. Каждый транспортер 4 снабжен отдельным приводом, что позволяет синхронизировать его движение и на выходе получить высушенный до кондиционной влажности материал при температуре не более предельно допустимой.
Способ осуществляет следующим образом.
Сырье подготавливают, формируют слой, воздействуют ИК-лучами, перегружают с транспортера на транспортер и разгружают, при этом поддерживают температуру на поверхности ИК-излучателя, рассчитанную исходя из предельно допустимой θпд.
Плотность ИК-потока q записывают в виде (Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности // - М.: Агропромиздат. - 1986. - 108 с):
где Т, θ0 - температуры поверхности излучения и материала, К;
δ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м2·К4;
εпр - приведенная степень черноты поверхностей.
Допустимая плотность потока может быть записана (Птицын С.Д. Зерносушилки. - М.: Машгиз, 1962. - 50 с):
где Qд - допустимое теплосодержание, Q≈23,5 ккал/кг за экспозицию в 1,5 ч, что сопоставимо с временем ИК-сушки тонкого (0,01 м) слоя топинамбура;
f - удельная поверхность частицы материала, м2/кг;
η - доля теплоты, пошедшая на испарение свободной влаги, ;
Qис, Qн - теплота на испарение свободной влаги и нагрев материала, кДж;
Qис=r(Uн-Uкр), Qн=с(θпд-θ0), где Uн, Uкр - начальное и критическое влагосодержание материала, кг вл./кг сух. мат.;
r - удельная теплота испарения, кДж/кг.
Выражение (1-η) введено в (2) на том основании, что в первый период сушки (Uн-Uкр) вся теплота поступает на испарение свободной влаги и материал не нагревается.
Приравнивая правые части выражений (1) и (2), запишем:
Оптические термометры, ориентировочные на излучающие поверхности, поддерживают Т=const в соответствии с (3).
Пример. В лабораторной инфракрасной сушилке FD-230; N=140 Вт (Япония) высушивали навеску топинамбура из кубиков размером 6×6×6 мм в монослое. Исходная влажность - Wн=82%; конечная - Wк=10%. Температура ИК-поверхности (лампы) в опыте изменялась от 375 в начале до 372 К в конце сушки. Расстояние от лампы до навески материала составило 50 мм, пары влаги удалялись свободной конвекцией. Стабилизацию температуры поверхности лампы увязывали с температурой нагрева θпд=55±1,5°C, что соответствует величине Qд изменением напряжения.
Расчет проведен при δ=5,6 Вт/м2·К4; εпр=0,73; f=1,0 м2/кг; θ0=20°С; Uн=5,0; Uк=4,0; Uкр=4,1 кг/кг; η=0,95; θ0=298 K. Величину Uкр можно определить по формулам, приведенным в (Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - С. 120).
Удовлетворительное (±10%) совпадение эксперимента с расчетом по (3) получено при к=1,02.
Эффективность предложенного способа заключается в интенсификации процесса сушки и повышении качества высушенного продукта за счет отсутствия периодического охлаждения и составляет не менее 15%.
1. Способ ИК-сушки топинамбура, предусматривающий подготовку сырья, формирование слоя, воздействие ИК-лучами, контроль его температуры оптическим пирометром, отличающийся тем, что контролируют температуру излучающей поверхности, которую поддерживают равной:
,
где Т, θ0 - температура поверхности ИК-излучения и начальная температура топинамбура, К;
к - экспериментальный коэффициент;
Qд - допустимое теплосодержание частицы, Вт/кг;
f - удельная поверхность частицы, м2/кг;
η - доля теплоты, пошедшая на испарение свободной влаги;
δ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м2·К4;
εпр - приведенная степень черноты системы излучатель-материал.
2. Устройство для ИК-сушки топинамбура, включающее загрузочный бункер, сушильную камеру, ИК-излучатель и транспортеры, отличающееся тем, что оно содержит оптические пирометры, ориентированные на поверхности ИК-излучателей.