В сушильных установках, работающих по принципу движения нагретого воздуха сквозь слой материала, теплообмен увеличивается приблизительно вдвое по сравнению с установками, в которых движение сушильного агента происходит параллельно материалу. Дальнейшая интенсификация процесса сушки осуществляется за счет перехода материала, сквозь который продувается нагретый воздух, из неподвижного состояния во взвешенное.
Взвешенный слой подразделяется на кипящий, осуществляемый в каналах постоянного сечения, и фонтанирующий — в каналах переменного сечения с постепенным расширением по ходу движения сушильного агента.
Кипящий слой характеризуется непрерывным, беспорядочным движением и перемешиванием частиц в определенном объеме по высоте. Переход слоя частиц материала из неподвижного состояния в кипящее происходит при достижении критической скорости воздуха, проходящего сквозь слой материала. При этом перепад давления слоя приближается к равенству с массой слоя, приходящегося на единицу поверхности сетки. В кипящем слое масса частиц слоя материала уравновешивается силой трения обтекающего потока воздуха.
При прохождении воздуха сквозь слой частиц материала происходит падение напора из-за сопротивления трения о поверхность многочисленных каналов, образованных частицами, и местных сопротивлений от беспрерывных сужений и расширений в этих каналах. Вначале при малых скоростях слой частиц материала остается неподвижным, и увеличение скорости воздуха приводит к увеличению гидравлического сопротивления слоя по степенному закону. При дальнейшем увеличении скорости воздуха происходит разрыхление слоя, увеличение его объема, и при достижении критической скорости воздуха частицы материала переходят в кипящее состояние.
Высота кипящего слоя движущихся частиц — величина вполне определенная для каждой скорости воздуха, что объясняется определенной установившейся порозностью слоя и действительной скоростью воздуха в каналах между частицами материала.
Порозностью слоя называется отношение объема пустых промежутков между частицами к общему объему слоя:
M = (V-V0)/V, где V — насыпной объем слоя; V0 — суммарный объем частиц.
Действительная скорость воздуха в каналах слоя определяется отношением скорости воздуха в свободном сечении канала к порозности слоя.
Для неподвижного слоя круп, нарезанных плодов и овощей порозность слоя находится в интервалах от 0,28 до 0,52, а для кипящего слоя материалов интервал порозности колеблется от 0,55 до 0,83. Следовательно, действительная скорость воздуха в каналах между частицами материала, обеспечивающая кипящее состояние слоя, выше критической скорости воздуха, определенной прибором в свободном сечении камеры. Увеличение скорости воздуха приводит к возрастанию высоты кипящего слоя и к увеличению порозности слоя.
Нижним пределом кипящего слоя является неподвижный слой материала, верхним пределом (явление пневмотранспорта) — скорость витания, при которой происходит совместное восходящее движение материала и воздуха. Критическая скорость воздуха должна быть меньше скорости витания, выше которой материал уносится с воздухом. При скорости витания vвит подъемная сила потока воздуха, действующая на отдельную частицу, при порозности m=1 становится равной ее массе.
В начальной фазе кипящего слоя полного перемешивания всех частиц в процессе сушки не происходит. Интенсивное перемешивание частиц обеспечивается в развитой стадии кипящего слоя при вихревом кипении, когда высота слоя превышает начальную высоту слоя неподвижного материала.
Исследование влияния формы частиц на гидродинамику кипящего слоя проведено на частицах одного эквивалентного диаметра различных форм: шарики, кубики, параллелепипеды, цилиндры.
Сопротивление кипящего слоя не зависит от скорости воздушного потока. Критическая скорость воздуха, соответствующая переходу слоя из неподвижного состояния в кипящее, и критическая скорость воздуха, соответствующая возникновению развитой стадии кипящего слоя, не зависят от величины удельной нагрузки материала.
Влажные частицы крупнозернистого материала переходят в кипящий слой при большей критической скорости воздуха и меньшем сопротивлении слоя, чем сухие частицы. Это объясняется большими силами сцепления влажных частиц, что приводит к образованию агрегатов и многочисленных каналов между ними. Через образовавшиеся каналы проходит основная масса воздуха, что задерживает и затрудняет переход слоя в кипящее состояние, требует дополнительных затрат воздуха и энергии на работу вентилятора.
Установлены величины переходного влагосодержания безусадочных частиц картофеля и корнеплодов (Wпер = 75÷100%), зеленого горошка и всех видов круп (Wпер = 10÷15%). По достижении величины переходного влагосодержания прекращается слипание частиц.
Максимальное гидравлическое сопротивление в фонтанирующих аппаратах наблюдается при потере слоем устойчивости, когда слой начинает расширяться, но частицы еще неподвижны. Максимальное гидравлическое сопротивление слоя не зависит от влагосодержания материала и определяется величиной удельной нагрузки материала на площадь входного поперечного сечения, размерами, формой и плотностью материала.
При дальнейшем увеличении скорости воздуха возникает движение частиц, характерное для начальной фазы фонтанирования, с соответствующей скоростью воздуха vн. ф. Величина гидравлического сопротивления с началом фазы фонтанирования начинает уменьшаться. Это продолжается в большом диапазоне изменения скорости воздуха и прекращается при значении скорости воздуха, соответствующей устойчивому фонтанированию vу. ф. Гидравлическое сопротивление слоя в состоянии устойчивого фонтанирования значительно меньше максимального сопротивления и сопротивления кипящего слоя: оно составляет 12—30% величины удельной нагрузки материала по отношению к площади поперечного сечения слоя, не зависит от вида материала, формы и размера частиц, является величиной постоянной для данной конструкции камеры, определяемой углом раствора конуса.
Для выработки сушеных картофеля, овощей, плодов и круп с низкой остаточной влажностью, высокой питательной ценностью при минимальных затратах теплоты необходимо обеспечить развитую поверхность испарения, равномерный нагрев материала до максимально допустимой температуры, сокращение продолжительности сушки. Всем этим условиям отвечает сушка в развитой стадии кипящего слоя, устраняющая недостатки процесса в плотном неподвижном слое.
Изучение влияния формы и размера частиц на процесс сушки показало, что продолжительность сушки частиц в форме кубиков по сравнению с параллелепипедами одинакового с кубиками сечения, отличающимися только различной длиной, сокращается в 1,5—2 раза. Это происходит в результате увеличения площади поверхности на 19—36% и иного характера движения кубиков в процессе сушки в кипящем слое: если параллелепипеды стремятся занять горизонтальное положение по отношению к потоку воздуха и совершают спокойные колебания, то кубики непрерывно вращаются вокруг своих осей. Благодаря этому происходит срыв пограничного слоя испаряющейся влаги, и процесс сушки кубиков протекает более интенсивно, чем параллелепипедов. Поэтому при сушке пищевых материалов в развитой стадии кипящего слоя лучшей формой резки являются кубики.
Экспериментально найдено, что продолжительность сушки частиц растительных материалов в форме кубиков различных размеров приблизительно равна отношению их эквивалентных диаметров в степени 1,5.
Изучение влияния скорости воздуха на процесс сушки показало, что сушка в кипящем слое значительно ускоряется по сравнению с процессом в неподвижном слое благодаря максимальной поверхности испарения, так как каждая частица в кипящем слое омывается потоком нагретого воздуха со всех сторон и, кроме того, в результате непрерывного вращения и перемешивания частиц происходит срыв пограничного слоя испаряющейся влаги.
Скорость воздуха оказывает влияние на продолжительность сушки материала в кипящем слое только в периоде постоянной скорости сушки. В периоде падающей скорости сушки уменьшение влажности материала практически не зависит от скорости воздуха, так как она не ускоряет перемещение влаги внутри материала. Поэтому сушку пищевых материалов следует проводить при минимальной скорости воздуха, обеспечивающей устойчивое движение и перемешивание частиц, т. е. развитую стадию кипящего либо фонтанирующего слоя.
Изучение влияния удельной нагрузки материала на сушку растительных пищевых материалов в кипящем слое показало, что только в периоде постоянной скорости сушки наблюдается снижение скорости сушки при увеличении удельной нагрузки от 20 до 120 кг/м2, что объясняется уменьшением среднеинтегральных значений потенциала нагретого воздуха при сушке. Удаление остаточной влаги, наиболее прочно связанной с материалом, в периоде падающей скорости сушки не зависит от величины удельной нагрузки материала. Общая продолжительность сушки этих материалов в развитой стадии кипящего слоя практически не изменяется при величинах удельной нагрузки до определенных пределов, так как возрастание удельной нагрузки при прочих равных параметрах нагретого воздуха приводит к увеличению периода постоянной скорости сушки. Так, например, глубокая сушка цикория, нарезанного кубиками размером 10Х10Х10 мм, при снижении влагосодержания от 300 до 3% при удельной нагрузке материала 30 кг/м2 и 120 кг/м2 продолжается соответственно 40 и 48 мин, т. е. возрастание первоначальной удельной нагрузки материала в 4 раза приводит к увеличению продолжительности сушки только в 1,2 раза.
Определены оптимальные удельные нагрузки пищевых материалов при сушке в развитой стадии кипящего слоя (в кг/м2): картофеля, моркови, столовой свеклы, зеленого горошка, цикория, капусты, лука и всех круп — 100—120; всех плодов — 60— 80. Оптимальные удельные нагрузки материала при сушке в неподвижном слое в ленточных конвейерных и туннельных сушильных установках составляют 5—16,5 кг/м2, т. е. в 4—12 раз меньше по сравнению с сушкой в кипящем слое. Производительность сушильных установок с кипящим слоем также выше, чем установок с неподвижным слоем.
Решающее влияние на ускорение процесса сушки пищевых растительных материалов оказывают температура и потенциал нагретого воздуха. В отличие от сушки в неподвижном слое, ограниченной верхним пределом температуры нагретого воздуха 60—80 °С, при сушке термолабильных материалов в кипящем слое можно повысить температуру до 110—180°С в зависимости от вида материала. Этому способствует активное перемешивание так как с понижением влажности сохранность сушеных продуктов значительно увеличивается. При низкотемпературной сушке в неподвижном слое практически невозможна глубокая сушка материалов с сохранением высокого качества продукта, так как на удаление остаточной влаги, наиболее прочно связанной с материалом, нужно затратить несколько часов, причем пределы низкотемпературной сушки ограничены равновесным влагосодержанием (около 6%). При удалении связанной влаги высокие скорости и низкая влагоемкость воздуха практически не ускоряют процесса.
Порча продукта является следствием как температуры, так и продолжительности теплового воздействия. Результаты наших опытов показывают, что суммарная температура материала в течение всего процесса при высоких температурах нагретого воздуха значительно меньше, чем при умеренных температурах агента сушки. Например, для свеклы, нарезанной кубиками 15X15X15 мм, при сушке до остаточного влагосодержания 12% с температурой сушильного агента 140°С суммарная температура будет 3200°С/мин, а с температурой 80 °С — 5800°С/мин, т. е. в 1,81 раза больше.
Кроме усиления температурного воздействия, вызывающего тепловую порчу продукта, в процессе длительной низкотемпературной сушки создаются благоприятные условия для роста бактерий, плесеней, повышается активность окислительных ферментов поврежденных растительных тканей, что также приводит к ухудшению питательной ценности продукта. Наоборот, значительное сокращение продолжительности сушки, т. е. сокращение теплового воздействия, а также разрушение ферментной системы, создание губительных условий для развития микрофлоры способствуют лучшему сохранению питательной ценности пищевых материалов при использовании повышенных температур агента сушки. Кроме того, низкотемпературная сушка является малоэффективной, приводит к увеличению затрат теплоты на испарение влаги по сравнению с высокотемпературной сушкой в развитой стадии кипящего слоя.
Имеются опытные данные, показывающие продолжительность процесса обезвоживания т различных пищевых растительных материалов при сушке их в развитой стадии кипящего слоя до стандартного и низкого влагосодержания при различных температурах воздуха. Применение воздуха с температурами свыше 120 °С приводит к значительной интенсификации удаления остаточной влаги. Это объясняется перемещением се внутри материала преимущественно в виде пара, испарением влаги внутри частиц, что приводит к возникновению градиента давления внутри материала. Поэтому при сушке в развитой стадии кипящего слоя с применением температур нагретого воздуха 130—160 °С картофель, овощи, крупы можно высушить до остаточного влагосодержания 1—2% за короткий промежуток времени. Например, продолжительность сушки картофеля частицами 8X8X8 мм от начального влагосодержания 410% до остаточного 2% составляет при температурах нагретого воздуха 120°С — 70 мин, 130°С — 42 мин, 140°С — 31 мин, 150°С — 30 мин, 160°С — 22 мин.
Глубокая сушка по сравнению с обычной приводит к увеличению сроков хранения готового продукта в несколько раз.
При исследовании процесса сушки пищевых растительных материалов с температурами нагретого воздуха выше 105 °С впервые было обнаружено, что частицы в процессе сушки не дают усадки, сохраняют свою первоначальную форму и объем, имеют пористое строение. Регулированием степени бланшировки и температуры сушильного агента можно получать продукт с первоначальными формой и объемом частиц, либо с увеличенным объемом частиц, либо взорванные частицы.
Мелкопористое строение и лиофильность растительных тканей понижают парциальное давление водяного пара над сильно вогнутым мениском жидкости и уменьшают температуру кипения. При этом происходит интенсивное образование пара внутри частиц, зоной испарения становится весь их объем. Образование большого количества пара при сушке в кипящем слое с температурами нагретого воздуха свыше 105°С способствует получению безусадочных частиц.
Пористое строение безусадочных частиц не препятствует удалению образовавшегося пара в окружающее пространство и тем самым ускоряет процесс сушки. Наоборот, усадка материала приводит к более плотному расположению клеток, уменьшению диаметра пор, затвердеванию материала, что снижает скорость перемещения влаги к поверхности частиц и увеличивает продолжительность сушки. Сохранение первоначальной формы и объема частиц возможно лишь при условии сушки материала в развитой стадии кипящего слоя при равномерном нагреве частиц со всех сторон.
Для обоснования оптимальных режимов сушки изучали изменение органолептических и химико-технологических показателей картофеля, зеленого горошка, гречневой, рисовой, пшеничной и пшенной круп и других материалов. Полученные данные показали, что при сушке картофеля и зеленого горошка потери витамина С при температуре воздуха 110—150°С меньше, чем при температурах 60—90 и 160—180°С. Это объясняется значительным сокращением продолжительности и уменьшением теплового воздействия при температурах агента сушки 110—150°С. Применение температуры воздуха свыше 160 °С не рекомендуется из-за возможного подгорания, так как температура нагрева этих материалов в конце сушки превосходит допустимую для зеленого горошка и картофеля.
Оптимальная температура агента сушки при обезвоживании влажных пищевых материалов находится в следующих пределах (в °С): картофеля в зависимости от сорта — 110—150; зеленого горошка — 130—140; моркови, цикория и столовой свеклы — 110—160; лука и капусты — 110—120; яблок и айвы — 110—120; груш и абрикосов — 90—100; субтропической хурмы — 160—180.
Коэффициент набухаемости является важным показателем качества сушеных пищевых материалов, так как определяет способность восстановления первоначальных свойств при обводнении. Безусадочные частицы пористого строения отличаются большим значением коэффициента набухаемости и меньшей продолжительностью разваривания.
При сушке круп в кипящем слое содержание белковых веществ, крахмала и сахаров практически не изменяется при разных температурных режимах сушки.
Получение быстроразваривающихся круп связано с увеличением гидротермической обработки и применением для сушки в кипящем слое сушильного агента с температурой 120—180 °С. Равномерная кратковременная сушка при такой температуре способствует сохранению высокой питательной ценности продукта.
По окончании сушки крупы необходимо охладить до 20—22 °С. В шахтных аппаратах «Эврика» охлаждение круп достигается за 40 мин, в ленточных конвейерных установках — за 10—15 мин.
Исследование охлаждения круп в развитой стадии кипящего слоя и аэрофонтанной экспериментальной сушильной установке при температуре воздуха 18—22°С, различных удельных нагрузках материала (20—120 кг/м2) и температурах (110—150°С) показало, что продолжительность охлаждения составляет 2—3 мин, т. е. в 4—13 раз сокращается по сравнению с процессом в неподвижном слое.
Источник: Б.Л. Флауменбаум, С.С. Танчев, М.А. Гришин. Основы консервирования пищевых продуктов. Агропромиздат. Москва. 1986