Способы сушки зерна

Сушка зерна производится разными способами, при этом удаление влаги может быть без изменения ее агрегатного состояния, то есть в виде жидкости, или путем превращения жидкости в пар. Первый случай наблюдается при контактном массообмене, когда смешивается влажное зерно с сухим или с любым гигроскопическим веществом, например, с гранулированным силикагелем. Сюда же можно отнести сушку механическим путем - отжимом, центрифугированием. Во втором случае, наиболее распространенном, требуются затраты теплоты. По этому признаку можно считать, что в основе классификации способов сушки лежит механизм передачи теплоты зерну.

Теплота может передаваться зерну путем конвекции, кон-дукции, радиации, в поле ТВЧ, СВЧ. В некоторых случаях находят применение вакуумная и сублимационная способы сушки.

Способы подвода теплоты при сушке зерна

Конвективный способ сушки зерна. Источником теплоты является нагретый воздух или продукты сгорания топлива. При этом агент сушки не только передает зерну теплоту, но и одновременно поглощает испарившуюся из него влагу. Это - одно из достоинств конвективного способа сушки. Схема осуществления этого способа проста: агент пронизывает слой зерна, нагревает его, поглощает испарившуюся влагу и затем выходит наружу. Причем передача теплоты конвекцией возможна как при неподвижном зерновом слое, так и при непрерывном или периодическом движении. Слой зерна может быть разрыхленным, во взвешенном состоянии, "кипящим" и т. д. Это второе достоинство конвективного способа сушки. Эффективность испарения влаги зависит от температуры агента сушки и скорости его движения в межзерновом пространстве. Следовательно, перемешивание зернового слоя в процессе сушки способствует более быстрому и равномерному нагреванию зерна и более лучшему испарению влаги.

В камерных сушилках, где просушиваемый материал находится в неподвижном состоянии, равномерность сушки может быть достигнута реверсивным продуванием слоя зерна.

В шахтных сушилках зерновая масса движется непрерывно сверху вниз под действием сил гравитации с небольшой скоростью или периодически, но с большой скоростью. Двигаясь по поверхности коробов, расположенных в шахматном порядке, зерновая масса перемешивается, это облегчает движение агента сушки в зерновом слое.

Конвективную сушку с пересыпающимся слоем зерна применяют в барабанных сушилках.

В практике зерносушения распространены три технически возможных варианта сушки: прямоточная, противоточная и сушка с поперечным движением сушильного агента. Принцип прямотока - направления движения зерна и агента сушки совпадают. При этом горячий агент сушки соприкасается с холодным и влажным зерном при большой разнице температур между ними. Это приводит к быстрому нагреванию зерна и усиленному испарению влаги в начальной стадии сушки. Происходит высыхание краевых слоев зерна, зона испарения перемещается в глубь зерновки, и выход влаги из внутренней части зерна прекращается. Для зерна сушка прямотоком нецелесообразно вследствие ограничений в допускаемой температуре его нагрева.

Принцип противотока — направления движения агента сушки и зерна противоположны. При этом горячий агент сушки соприкасается с теплым, высушенным зерном. Здесь допустима более высокая температура нагрева зерна, так как термолабильность его растет с понижением влажности. Следующие за первым слои зерна соприкасаются с агентом сушки, имеющим пониженную температуру за счет поглощения влаги, испарившейся из первого слоя зерновой массы. Принцип противотока в большей степени применим при сушке зерна.

Принцип перекрестного тока - движение агента сушки и зерна строго перпендикулярны. Это неблагоприятный вариант сушки, так как зерно со стороны входа агента сушки более сухое, чем на той стороне, где он выходит. Этот недостаток устраняется реверсивным движением агента сушки, но эффективность зависит от толщины продуваемого слоя зерна.

В шахтных сушилках, скорее всего, имеет место смешанное движение сушильного агента относительно массы зерна: и перекрестное, и вертикальное.

На величину нагрева зерна влияют температура агента сушки и время воздействия этой температуры. Чем больше агента сушки поступает в сушилку, тем быстрее он проходит межзерновое пространство и тем интенсивнее протекает процесс сушки. Однако скорость его движения ограничена и не должна превышать 6 м/с на выходе из коробов во избежание уноса зерна. Однако недостаточная подача сушильного агента может привести к запариванию зерна, так как малые объемы его не в состоянии поглотить всю испаряющуюся влагу.

Считается нормой, когда в процессе сушки отработавший агент сушки насыщен водяным паром до 70 - 80 % (вначале около 5 %).

Кондуктивный способ сушки зерна. Источником теплоты служат нагретые поверхности, с которыми контактирует влажное зерно. При этом способе нагретый газ или пар обогревает изнутри трубы, размещенные в сушилке. Зерно соприкасается с поверхностью этих труб, нагревается, а испаряющаяся влага поглощается окружающей средой. Кондуктивный способ находит применение в подовых сушилках, где зерно сушится на кирпичной поверхности в неподвижном состоянии и периодически перемешивается.

На крупозаводах и мельницах использовались паровые сушилки и кондиционеры при подготовке зерна к переработке с целью подогрева его при незначительном снижении влажности.

Однако кондуктивный способ сушки неэффективен, не обеспечивает сохранения качества зерна, поэтому в системе хлебопродуктов практически не используется.

Радиационная сушка зерна. Источником теплоты, необходимой для нагревания зерна и испарения из него влаги, являются генераторы излучения. Генераторами излучения служат специальные лампы, которые помимо инфракрасных лучей (ИК-лучи) излучают видимые лучи. В этом случае имеет место сушка субинфракрасными лучами.

Генераторами излучения могут быть темные нагретые тела (керамические или металлические), которые излучают ИК-лучи.

В практике применяют специальные лампы, у которых нить накала имеет температуру 2000 °C абс. (8920 °C абс. у обычной лампы). Светоотдача их составляет 1/3 светоотдачи обычной осветительной лампы, поэтому 80 - 90 % подводимой электроэнергии преобразуется в энергию ИК-излучения. Лампы наполнены смесью азота и аргона, внутри покрыты тонким слоем серебра, который служит рефлектором. Энергетический КПД лампы около 0,7, плотность излучения колеблется в пределах 0,2 - 2,0 Вт/см2, расстояние ламп от просушиваемого материала 150 - 450 мм.

Главное преимущество таких ламп - отсутствие инерционности, то есть сушильные установки приводятся в действие почти мгновенно после включения.

При радиационной сушке поверхностный слой зерна на глубину 1-2 зерновки нагревается до температуры 50 °C в течение 1-2 мин, а при интенсивном облучении слабое проникновение ИК-лучей в зерновой слой не превышает 10-15 мм. Это вызывает большую неравномерность нагрева и сушки зерна.

Экспериментальные исследования по сушке пшеницы ИК-лучами показали, что тепловое воздействие на зерно не отличается от воздействия теплоты при конвективной сушке. Однако облучение без одновременного продувания воздухом создает в зерне значительный температурный градиент, что затрудняет продвижение влаги из центра к поверхности.

Установлено, что обличение необходимо сочетать с одновременным продуванием воздуха, так как в этом случае температурный градиент меняет свой знак, и тогда движение влаги направлено в сторону поверхности.

Оптимальными параметрами признаны: скорость движения воздуха 0,01 м/с и его температура 20 °C, режим облучения прерывистый, отволаживание между облучениями - 40 мин. При этих условиях экспозиция сушки составляет 17 мин при снижении влажности до 4,5 %.

В связи с малым проникновением ИК-лучей через зерновой слой рекомендуется ИК-облучение применять в комбинации с слегка нагретым воздухом, тогда энергия ИК-лучей служит для быстрого предварительного нагрева зерна.

В зависимости от исходной влажности зерна сушка происходит в один или два этапа:

  • 1. Нагрев зерна ИК-лучами в течение 1 мин до 60 °C, при этом влажность уменьшается на 1 - 1,5 %. Затем отлежка зерна в течение 10 мин при продувке холодным воздухом температурой 20 °C со скоростью 0,01 м/с. Далее сушка зерна в течение 15 мин нагретым воздухом с температурой 60 - 70 °C.
  • 2. Облучение в течение 30 с, при этом температура зерна повышается до 65 °C. Затем отлежка в течение 30 - 40 с с продувкой холодным воздухом и далее сушка в течение 15-20 мин воздухом, нагретым до 60 °C.

Сушка заканчивается охлаждением зерна в течение 15 мин наружным воздухом, движущимся со скоростью 0,2 м/с. За это время слой зерна толщиной 50 мм охлаждается с 40 до 22 °C.

Сушка в поле ТВЧ (СВЧ). При этом способе сушки материал прогревается за счет диэлектрических потерь.

Диэлектрический нагрев основан на смещении зарядов и связанных с ними молекул при воздействии на материал переменного электромагнитного поля. В поле токов высокой частоты молекулы поляризуются и начинают колебаться в зависимости от частоты. Эти колебания сопровождаются трением, в связи с чем часть электрической энергии превращается в теплоту.

Диэлектрический нагрев в диапазоне сверхвысоких частот называют СВЧ-нагревом, определяя тем самым диапазон используемых длин волн электромагнитного поля. Отличительной особенностью диэлектрического нагрева является способность СВЧ-поля нагревать одновременно весь объем материала. Исходя из этого, диэлектрический нагрев иногда называют «объемным нагревом» или «безградиентным нагревом».

Особенности сушки с помощью ТВЧ (СВЧ):

  • 1) мгновенный нагрев материала;
  • 2) градиенты температуры и влажности направлены в одну сторону - к центру материала, что способствует перемещению влаги из внутренних слоев к поверхности.

Для зерновых культур характерна определенная величина диэлектрической проницаемости (е). Так, для ржи, ячменя и овса при влажности 13 - 14 % е = 2...2,7, для пшеницы 2,7 - 4,4. С увеличением влажности диэлектрическая проницаемость растет. Например, при влажности пшеницы 16 - 25 % s = 5,5...7,5.

Коэффициент потерь (Л?5) зависит, главным образом, от формы связи влаги с материалом. Для пшеницы величина (Х§) резко изменяется с влажности 14 %, то есть после появления капиллярной влаги.

Исследованиями установлено, что допустимые температуры нагрева семенного и продовольственного зерна при сушке ТВЧ и конвективным способом близко совпадают. Расход электроэнергии более чем в 2 раза выше, чем при конвективной сушке. Поэтому комбинированный способ сушки, когда прогрев зерна осуществляется за счет энергии ТВЧ, а удаление влаги с помощью подогретого до 40 - 50 °C воздуха, более эффективен.

Сушка зерна с помощью диэлектрического нагрева пока не получает широкого применения из-за значительного расхода электроэнергии и сложности конструкции сушильного аппарата.

Вакуумная сушка зерна. Особенность этого способа заключается в том, что процессы сушки можно интенсифицировать при более низких температурах высушиваемого материала. Тепло передается зерну контактным способом от нагретых поверхностей, а образующиеся водяные пары непрерывно отводятся и конденсируются. Расход воздуха на сушку при вакууме значительно меньше, чем при обычном давлении.

От разности температур поверхности нагрева и материала зависит интенсивность испарения влаги. Чем выше вакуум, тем ниже температура материала и тем выше теплообмен между материалом и поверхностью нагрева. Кроме того, нагрев зерна до 50 °C не ухудшает качество клейковины пшеницы, а сушильные процессы протекают более равномерно.

В вакуумных сушилках потери теплоты с отработанным агентом сушки практически отсутствуют, поэтому и расход теплоты более низкий, чем в обычных сушилках. Кроме того, возможность применения более низких температур агента сушки и 57 нагрева зерна представляют большой интерес для сушки семенного зерна. Вместе с тем вакуум-сушилки отличает большой расход электроэнергии, велики затраты на создание вакуума, обеспечение герметичности, что сдерживает широкое применение вакуумного способа сушки зерна.

Сублимационный способ сушки. Сушка материалов в замороженном состоянии при глубоком вакууме называется сушкой сублимацией. Это наиболее совершенный способ сушки, так как качество продукта не только не ухудшается, а полностью сохраняются исходные свойства его, затраты же теплоты минимальны. При этом способе удаляемая влага переходит из твердой фазы в газообразную, минуя жидкое состояние, поэтому процесс сублимации определяется интенсивностью испарения влаги.

Сублимация возможна, когда парциальное давление водяного пара в окружающей среде ниже упругости пара над поверхностью льда (на поверхности испарения), следовательно, образующийся при этом пар должен быть удален из сушильной камеры.

Установлено, что сушка сублимацией является специфическим процессом, где почти в чистом виде проявляется массобмен, и это приводит к возрастанию теплообмена в сотни раз. Сушильный процесс состоит из трех периодов в процессе удаления влаги: замораживания, сублимации и вакуумной сушки.

В периоде самозамораживания материал охлаждается, а температурный градиент направлен вовнутрь его. Длительность этого периода зависит от структуры, формы, влажности продукта, а также степени вакуума и условий подвода теплоты.

В периоде сублимации температура продукта изменяется незначительно, интенсивность удаления влаги не изменяется, то есть сушка протекает в периоде постоянной скорости сушки. Длительность этого периода зависит от условий ведения сушильного процесса: можно регулировать количество подаваемой теплоты продукту или изменять остаточное давление в сушильной камере. В случае, например, повышения того и другого параметра периода сублимации может не быть, и тогда будем иметь обычный процесс сушки в вакууме, а вместо процесса самозамораживания - процесс самоохлаждения.

Определение оптимального режима сушки при сублимации обусловливается рядом факторов:

  • - температурой сублимации продукта;
  • - скоростью достижения необходимого вакуума в сушильной камере;
  • - степенью вакуума в сушильной камере;
  • - способом укладки продукта (толщиной слоя, количеством рядов и т. д.),
  • - степенью облучения продукта;
  • - температурой поверхности вакуум-конденсатора.

Температура сублимации влияет на длительность процесса, равномерность удаления влаги из массы продукта. Не допускается локальный прогрев продукта выше температуры его оттаивания.

Скорость получения вакуума влияет на качество продукта. При очень быстром снижении давления в сушильной камере, что может привести к большей разности давлений внутри продукта и в окружающей среде, воздушные включения, расширяясь, повредят качество сублимационного продукта (вспучивание, трещины и т. д.). Исходя из этого, рекомендуется снижение давления производить постепенно и равномерно вплоть до глубокого вакуума.

Степень вакуума в сушильной камере увязывается с вопросом нормирования вакуума и обогрева продукта, необходимым для начала сушильного процесса замороженного продукта. Для пищевых продуктов наиболее интенсивно сушка протекает при остаточном давлении ниже 133 Па (1 мм рт. ст.).

Что касается способов укладки продуктов, подлежащих сублимации, и степени их облучения в каждом конкретном случае, требуются поиски оптимальных параметров с учетом исходных свойств того или иного материала.

Для зерновых культур целесообразность сушки сублимационным способом не выявлена ни с точки зрения технологической, ни с точки зрения технико-экономической. Поскольку способ сушки сублимацией является совершенным из всех существующих способов консервирования, обеспечивающий полное сохранение исходного качества продукта, то необходимость исследований хотя бы для семенного зерна несомненна.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >