Расчёт радиационных сушилок

ИК излучение широко применяется для сушки пищевых продуктов. Наибольшее применение нашли радиационные сушилки, которые имеют длину испускаемой волны от 0,4 до 10 мкм. Энергия диапазона лучей, которые находятся в видимой зоне (0,4 — 0,76 мкм) очень мала. 

Радиационная сушка приводит к гораздо более сильному испарению влаги из продукта. Тепловой поток имеет мощность, которая превышает мощность потока от конвективной сушки в среднем в 50 раз.

Недостатком метода сушки с помощью ИК лучей является возможность их применения только для обработки материала, который имеет тонкую толщину слоя.

Источниками ИК излучения, которые применяются для сушки пищевой продукции, являются электрические и газовые излучатели. Если касаться вида излучателей, то активно используются ламповые нагреватели. Это связано с тем, что они работают без задержки включения, т.е. они безынерционные.

Производя тепловой расчет радиационной сушильной установки, в которой источниками излучения являются лампы, надо установить их количество и местоположение в камере сушилки. Если расчет ведется для газовых излучателей или с электрическими панелями, то определяют их поверхность. Кроме того, существуют сушки открытого и закрытого типов. Для первого типа радиационных сушилок необходимо сделать расчет вентиляции в производственном цехе, где установка расположена. Количество расходуемого воздуха для сушилки закрытого типа определяется исходя из допустимой концентрации паров растворителя в воздухе. Тепловой расчет проводится по формулам для лучистого теплообмена. Исходя из него определяется не только мощность, но и количество ламп, которые нужны для сушки (для ламповых сушилок). Кроме того, необходимо рассчитать и продолжительность процесса сушки. Этот расчет радиационных сушилок производится на основании формул, которые получены из уравнения теплового баланса установки.

Плотность облучения для случая расположения излучателей (ламп) в углах прямоугольника рассчитывается по формуле:

,

где Е – плотность облучения, Вт/м²;
Р – мощность каждой лампы, Вт;
U_э – коэффициент, который характеризует эффективность используемого источника. Он приблизительно составляет от 0,70 до 0,85;
l – расстояние от одной лампы до другой, м. Определяется по формуле:

,

а – коэффициент неоднократных отражений. Его вычисляют так:

,

где - коэффициент отражения камеры сушилки;

- коэффициент отражения продукта;

- доля потока лучей, которые отражаются камерой. Эта величина принимается равной от 0,7 до 0,8.

Плотность облучения для случая расположения ламп в шахматном порядке находится из формулы:

.

В этом случае расстояние между двумя лампами определяется так:

.

Когда определена плотность излучения, то можно просчитать, сколько ламп необходимо:

,

здесь F₀ – площадь поверхности облучаемого продукта;

= 0,70\(\div\)0,75 – энергетическая эффективность лампы (КПД). Это отношение между мощностью излучения и потребляемой мощностью.
Если рассматривать панельный тип излучателей, то их мощность Р [Вт]  определяется уравнением:

,

- КПД для темного излучателя, к которым и относятся панельный тип излучателей.

Плотность облучения рассчитывается следующим образом:

,

\(\varepsilon\) - степень излучателя;
Т_ИЗ – температура панельного излучателя. Она измеряется в К. Для расчета применяется уравнение:

,

здесь Q_ИЗ – тепло, которое образуется при излучении, ккал/ч;
Т_МАТ – абсолютная температура материала, К;

- приведенная степень черноты для системы обрабатываемый продукт – излучатель. Определяется так:

,

- степень черноты обрабатываемого продукта;

- степень черноты используемого излучателя;

  - величина, которая определяется исходя из формы и расположения тел относительно друг друга. Этот параметр определяется на основании табличных и графических данных. Если известен коэффициент теплоотдачи , то Е находится по формуле:

,

здесь, - отношение площади всей поверхности к той части, которая подверглась облучению;
t_МАТ – можно принять либо самую высокую температуру материала, либо ту, которая с течением времени не изменяется (она называется установившейся), °С;
t_В – температура воздуха в сушильной установке, °С;
А – доля поглощения продуктом излучения (коэффициент поглощения).
Из уравнения теплового баланса процесса сушки получают уравнение кинетики обрабатываемого продукта. Из него находят температуру и длительность обработки:

,

Значения B и D’ вычисляются по формулам:

,

,

здесь  -коэффициент теплоотдачи, ккал/(м²·°С);

- отношение площади поверхности обрабатываемого слоя к объему;

с — теплоёмкость обрабатываемого продукта, ккал/(кг·°С);

— плотность обрабатываемого продукта, кг/м³;

t₀ — начальная температура тела, °С.

Материал подготовлен по книге "ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ", О.В. Чагин, Н.Р. Кокина, В.В. Пастин : Иван. хим. - технол. ун-т.:Иваново. 2007. 138 с.  и другим источникам.