Расчёт сушилок для твёрдых молочных продуктов

Скорость сушки описывается уравнением:

,

здесь W – удаляемая из продукта влага, кг;
F – поверхность продукта, м²;

  – время сушки, ч.

,

где М₁ – масса продукта до сушки, кг
М₂ – масса продукта после сушки, кг.

Скорость протекания процесса сушки не является величиной постоянной. Чтобы рассчитать время сушки, скорость нужно определять экспериментально. Скорость сушки возрастает, когда поверхность обрабатываемого продукта увеличивается, больше становится скорость движения сушильного агента, увеличивается температура, уменьшается влажность сушильного агента. Также увеличению скорости сушки способствует и перемешивание обрабатываемого продукта.

Помимо вышеперечисленного на интенсивность скорости процесса сушки оказывает влияние состав продукта, его начальная влажность, вид используемого сушильного агента, модификации устройства и пр. Графики зависимости скорости сушки от влажности продуктов имеют практически одинаковый вид для разных материалов.

Рассмотрим график скорости сушки казеина, представленный на рисунке. Первый этап – а-б – происходит резкое возрастание скорости. В этот момент весь слой продукта прогревается.

Второй этап – б-в – скорость сушки остается практически неизменной. Здесь с поверхностного слоя продукта успевает испариться почти столько же влаги, сколько к ней успевает поступать за счет диффузии из внутренних слоев. В тот момент, когда наступает период постоянства скорости сушки, то она не зависит от количества влаги, которое содержалось в молочном продукте первоначально, и от толщины продукта.

Третий этап – достижение критической точки процесса (в). Эта точка соответствует состоянию материала, когда на некоторых участках поверхности произошло сильное подсыхание.

Четвертый этап – в-г – Здесь скорость сушки резко снижается. Наблюдается зависимость скорости сушки от скорости внутренней диффузии влаги в обрабатываемом продукте (изнутри на поверхность). Материал высушивается только до равновесной влажности, на которую влияет содержание паров в воздухе.

Для определения равновесной влажности казеина () используют уравнение:

,

где – относительная влажность воздуха, %.

Взаимосвязь температуры сушки со временем ее воздействия на продукт можно выразить формулой:

,

здесь – длительность воздействия температуры, мин.

Процесс карамелизации, а значит и побурения, молочного сахара происходит уже при 80°С, из-за этого его сушат при температуре в 50-70°С.

Начало процесса сушки является периодом, когда в наибольшей степени существует вероятность денатурации белков в молочном сырье. Именно в этот период влага задерживается на поверхности, здесь увеличивается концентрация солей, это приводит к оплавлению казеинового зерна. Температуру продукта в этот момент можно приблизительно высчитать по формуле:

,

здесь t_в – температура воздуха, °С;
t_п – температура на поверхности продукта, °С;
t_м – температура мокрого термометра, °С;

– выражает отношение действительной (при этой влажности продукта) скорости сушки к максимальной. Это называется приведенная скорость.

Считается, когда =1, т.е. в период постоянства скорости сушки, t_п = t_м . Когда продукт достигает критической влажности, то  t_п = t_в.

По напряжению объема сушилки по испаренной влаге можно судить о экономичности работы установки. Чем больше это напряжение, тем более экономично работает сушилка. Напряжение объема установки А (кг/(ч·м³) находят по уравнению:

,

здесь W – количество удаленной влаги, кг;
V – объем камеры установки, м³.

Напряжение объема сушилки чаще всего определяется на основе эксперимента.

При сушке воздухом теплоноситель соприкасается с влажной поверхностью продукта и насыщается влажными парами.

Количество испаренной влаги W находят из материального баланса сушки:

,

здесь G₁ – масса сырья до сушки, кг;
G₂ – масса высушенного продукта, кг;
L – количество израсходованного воздуха, кг;
d₁, d₂ – содержание влаги в воздухе в начале сушки и в конце, г;

– соответственно начальная влажность сырья и влажность после сушки.

Тепловой баланс:

         (*)

здесь I₁ – энтальпия воздуха, выходящего из нагревательного элемента (калорифера), Дж/кг;
I₂ – энтальпия воздуха из сушильной установки, Дж/кг;
с_вв – теплоемкость влажного воздуха, Дж/(кг·К);
l – количество воздуха, которое требуется для испарения 1 кг влаги, кг;
t₁, t₂ – температура воздуха, которая была в начале процесса и в конце сушки, °С;
i’’_п – энтальпия водяного пара в уходящем из камеры сушилки воздухе, Дж/кг;

– тепловые потери 1 кг воздуха.

Из уравнения материального баланса выражаем расход воздуха l:

Тоже проделываем и с уравнением теплового баланса:

.

На входе в сушильную установку воздух имеет следующие параметры: d₁ - влажность воздуха в том помещении, откуда он забирается для сушки; t₁ – самая высокая температура, при которой еще не начали происходить какие-либо изменения в продукте.  принимают как 10% от расхода тепла. Относительная влажность воздуха, который покидает сушильную камеру, также является величиной заданной. Теперь в уравнении всего две неизвестных: d₂, t₂.

Решение уравнения (*) упрощается, если использовать I-d – диаграмму, что облегчает расчет сушилок для твердых молочных продуктов.

Количество тепла, которое расходуется для сушки, находят по формуле:

,

здесь G₁ – масса исходного сырья, кг;
с – теплоемкость сырья, Дж/(кг·К);
с_п – теплоемкость противней (рам), Дж/(кг·К);
t_ср – средняя температура до которой прогревается продукт и рама, °С;
t₁  – температура продукта и рамы до начала сушки, °С;
r – теплота испарения, Дж/кг;
m – число используемых рам;
G_п – вес рам, кг;
F – рабочая площадь сушилки, м²;
k – усредненное значение коэффициента теплопередачи от сушилки к воздуху, Вт/(м²·К);

– среднее значение разницы температур между сушилкой и воздухом, °С.

По этой формуле можно вести расчет количества расходуемого тепла только в случае использования сушилок с загрузкой молочного продукта на противнях или рамах.

Материал подготовлен по книге "ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ", В.Д. Сурков, Н.Н. Липатов, Ю.П. Золотин; Издание 3-е: Москва: "Лёгкая и пищевая промышленность" и другим источникам.