Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов

Представлен анализ кинетических характеристик процессов тепловлагопереноса при сушке капель (частиц) солодовых экстрактов.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2010
Автор: Турчина, Т.Я.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут технічної теплофізики НАН України 2010
Назва видання:Промышленная теплотехника
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60543
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов / Т.Я. Турчина // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-60543
record_format dspace
spelling irk-123456789-605432014-04-17T03:01:17Z Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов Турчина, Т.Я. Теория и практика сушки Представлен анализ кинетических характеристик процессов тепловлагопереноса при сушке капель (частиц) солодовых экстрактов. Наведено аналіз кінетичних характеристик процесів тепловологопереносу при сушінні крапель (часток) солодових екстрактів. Analysis kinetics characteristics of heat moisture transfer during drying of malt extracts droplets (particles) are represented. 2010 Article Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов / Т.Я. Турчина // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60543 66.047 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Теория и практика сушки
Теория и практика сушки
spellingShingle Теория и практика сушки
Теория и практика сушки
Турчина, Т.Я.
Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов
Промышленная теплотехника
description Представлен анализ кинетических характеристик процессов тепловлагопереноса при сушке капель (частиц) солодовых экстрактов.
format Article
author Турчина, Т.Я.
author_facet Турчина, Т.Я.
author_sort Турчина, Т.Я.
title Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов
title_short Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов
title_full Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов
title_fullStr Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов
title_full_unstemmed Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов
title_sort кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов
publisher Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate 2010
topic_facet Теория и практика сушки
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60543
citation_txt Кинетика процессов тепловлагопереноса при сушке капель термопластичных материалов – солодовых экстрактов / Т.Я. Турчина // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 3. — С. 43-49. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv AT turčinatâ kinetikaprocessovteplovlagoperenosaprisuškekapelʹtermoplastičnyhmaterialovsolodovyhékstraktov
first_indexed 2025-07-05T11:36:14Z
last_indexed 2025-07-05T11:36:14Z
_version_ 1836806700955336704
fulltext ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №3 43 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ УДК 66.047 Турчина Т.Я. Институт технической теплофизики НАН Украины КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВЛАГОПЕРЕНОСА ПРИ СУШКЕ КАПЕЛЬ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ – СОЛОДОВЫХ ЭКСТРАКТОВ Наведено аналіз кінетичних характеристик процесів теплово- логопереносу при сушінні крапель (часток) солодових екстрактів. Представлен анализ кинетиче- ских характеристик процессов те- пловлагопереноса при сушке капель (частиц) солодовых экстрактов. Analysis kinetics characteristics of heat moisture transfer during drying of malt extracts droplets (particles) are represented. b – температурный коэффициент сушки; С – концентрация сухих веществ; с – удельная теплоемкость влажного материала; m – масса; Т – температура; u – влагосодержание; τ – время; δ – размер капли; кр.1 (2, 3) – первая (вторая, третья) критическая точка. Индексы нижние: в – воздух; вх – вход; вых – выход; зав – завершающий; к – капля; кон – конечный; м.т. – мокрый термометр; о – исходный, начальный; общ – общий; пор – порошок; ст – стенка. Введение Сушка распылением многокомпонентных систем на растительной основе, включающих термолабильные биологически активные веще- ства [1–4], осложнена такими их свойствами, как: – адгезионность частиц при соприкоснове- нии с горячими поверхностями, обусловленная низкой температурой размягчения сахаров, ор- ганических кислот и др. [1–6], – гигроскопичность и повышенная сорбци- онная способность дисперсного порошка [2, 5, 7], – малая диффузионная способность (в от- личие от чистых однокомпонентних растворов неорганических веществ) [4, 8]. Такими сложными объектами сушки распы- лением являются солодовые экстракты [9]. На- ряду с богатым аминокислотным, белковым и минеральным составом все же основную часть (более 80 % общей массы сухих веществ) этих продуктов составляют полисахариды, в т.ч. мальтоза, глюкоза, фруктоза, декстрины и др., которые определяют их принадлежность к био- полимерам и которым характерны названные выше свойства, осложняющие процесс распы- лительной сушки. Ввиду все возрастающего спроса на много- функциональные пищевые добавки из нату- рального растительного сырья, к которым от- носятся и солодовые экстракты, выполняющие одновременно ряд функций, например, при из- готовлении хлебо-булочных, кондитерских из- делий (заменители сахара, разрыхлители, кра- сители, обогащение биологически активными веществами иммунологического свойства [5, 10, 11]), освоение их производства в сыпучей порошкообразной форме является актуальным. Цель данной работы заключалась в анализе влияния температурных параметров на кинети- ческие характеристики процессов тепловлаго- переноса при сушке капель ячменно–солодово- го экстракта (далее по тексту ЯСЭ) различного ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №344 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ начального содержания сухих веществ, в опре- делении наиболее рациональных температур- них режимов процесса распылительной сушки. Кинетические характеристики процессов тепловлагопереноса при сушке капель ЯСЭ Особенности технологии получения по- рошков солодових экстрактов и влияние тем- пературных режимов сушки на эффективность работы экспериментальной распылительной сушилки с камерой диаметром 1,3 м, оснащен- ной центробежным дисковым распылителем, на адгезионные явления в камере и выход по- рошка были изложены ранее [4, 5]. В данной работе представлен анализ кинетических ха- рактеристик процессов тепловлагопереноса при сушке капель ЯСЭ с содержанием сухих веществ Со = 25, 35, 45 % при Тв = 160, 180 оС, полученных при обработке экспериментальних термо- (Тк(τ)) и массограмм (m(τ)) [5]. На рис. 1 представлены графические за- висимости изменения во времени темпера- туры капли Тк, интенсивности влагопере- носа dm/dτ и влагосодержания u при сушке ка- пель ЯСЭ для вышеуказанных значений Со при температуре воздуха Тв=160 ± 3 оС. Совместный анализ графических зависимо- стей (рис.1) показал следующеее. Для значений Со = 25 и 35 % (а, б) на термограммах до точки кр.1 испарение влаги происходит при темпе- ратуре капли, близкой к температуре мокрого термометра (46…55 оС), которая несколько по- вышается с повышением концентрации раство- ренного вещества в поверхностном слое. Установлено, что увеличение содержания сухих веществ с 25% до 45% приводит к сокра- щению периода испарения влаги со свободной поверхности капли, при этом относительное время τкр.1 ⁄ τобщ оценивалось по продолжитель- ности постоянного значения dm/dτ в этом пе- риоде. Для капель ЯСЭ с Со= 45 % (рис. 1, в) про- цесс сушки протекает практически с самого начала при значительном росте Тк и потому можно считать, что процесс сушки состоит из a) б) в) Рис. 1. Зависимости Тк(τ) (1), dm/dτ(τ) (2) и u(τ) (3) при сушке капель ЯСЭ с Со: а) 25 %, б) 35 %, в) 45 %; Тв = 160 оС. трех стадий: коркообразования, кипения и до- сушки. Как видно из рис. 1, в этот период яв- ляется продолжением периода прогрева капли от начальной температуры Тк(о) до температу- ры капли (в некоторой условно обозначенной точке (кр.1)) Тк(кр.1) ≈ 65 оС, до которой ско- рость изменения температуры капли является величиной постоянной dTк ⁄dτ ≈ const. Сразу за кратковременным прогревом наблюдается уве- личением температуры капли до температуры кипения растворителя (воды) при Тк=Ткип ≈ 100 оС (точка кр.2). Как видно из рис. 1, на отрезке кривой Тк(τ) от первой критиче- ской точки кр.1 до точки кр.3 отмечает- ся общий характер изменения температуры капель ЯСЭ и значительное влияние исходно- го содержания сухих веществ на длитель- ность заключительного периода – периода ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №3 45 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ Табл. 1. Кинетические характеристики процесса сушки капель ЯСЭ при Тв = 160 оС падающей скорости сушки. Так, если при Со= 25 % значение относительного времени периода досушки к общему времени сушиль- ной стадии сушки составляет ~ 0,23, то для Со= 45 % это значение увеличивается до ~ 0,40. Период кипения для Со= 25 и 35 % (рис. 1, а, б) характеризуется перегибами на термограмме в критических точках кр.2 и кр.3 и протекает по линейной зависимости при практически постоянной температуре капли Тк=Ткип= const и составляет ~ 0,33 об- щей длительности сушильного периода. При Со= 45 % (рис. 1, в) такие перегибы на термо- граммах менее выражены, а продолжитель- ность периода кипения сокращается до 0,20. Относительное время сушки капель ЯСЭ до критических точек кр.2 и кр.3 (τкр.2/τобщ и τкр.3/τобщ) в большей степени зависит от содержания сухих веществ в исходном про- дукте. По результатам расчетов относительное время сушки капель ЯСЭ (45 %) до третьей критической точки (τкр.3/τобщ) сокращается по сравнению с каплями ЯСЭ (25 %) на ~ 25 %. Установлено, что при сушке капель ЯСЭ при Тв=160 оС значения отношения интенсивностей массопереноса в периоде коркообразования (после кр.1) к интенсивности в испарительном периоде (до кр.1) (dm/dτ)кр.1–кр.3 / (dm/dτ)кр.1 мало отличаются (0,72…0,78) (табл. 1). Характерной особенностью изменения вла- госодержания в каплях ЯСЭ в процессе сушки является их линейная зависимость от времени на каждом из рассмотренных отрезков кри- вой u(τ) (рис. 1). Скорость изменения влаго- содержания (скорость сушки) du/dτ (табл. 1) в высокотемпературной стадии сушки мало зависит от исходной концентрации сухих ве- ществ, при этом относительная величина (du/dτ)кр.1–кр.3⁄(du/dτ)кр.1 несколько увеличива- ется (табл. 1). Относительные значения влагосодержа- ний u/uо в критических точках кр.1, кр.2, кр.3 (табл. 1) показали, что при исследуемых значе- ниях Тв содержание сухих веществ в исходном Параметр Со, % (uo, мг⁄мг) 25 (3,0) 35 (1,86) 45 (1,22) u/uо кр.1 кр.2 кр.3 0,58 0,28 0,17 0,76 0,35 0,20 0,73 0,45 0,25 (dm/dτ)кр.1–кр.3 (dm/dτ)кр.1 0,72 0,76 0,78 (du/dτ)кр.1, кг/кг⁄с 0,044 0,040 0,030 (du/dτ)кр.1–кр.3, кг/кг⁄с 0,023 0,021 0,018 (du/dτ)кр.1–кр.3 (du/dτ)кр.1 0,52 0,53 0,60 dТк/du, оС/кг/кг ~ 63 80 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №346 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ продукте способствует их увеличению, что ука- зывает на снижение диффузионной способно- сти образующейся оболочки из растворенных веществ на поверхности высушиваемой капли. На рис. 2 представлены графические зави- симости изменения температури капли Тк(τ), интенсивности массопереноса dm/dτ(τ) и вла- госодержания u(τ) от времени при сушке ка- пель ЯСЭ при температуре воздуха Тв= 180 оС. Как видно из рис. 2, при температуре воз- духа 180 оС отмечается в общем идентичный с рассмотренными выше кривими (рис. 1) харак- тер изменения температуры капли в процессе сушки. Повышение интенсивности процессов при повышении Тв обуславливает сокращение как периода испарения со свободной поверх- ности (рис. 2, а, б), так и отдельных периодов в высокотемпературной стадии сушки (кор- кообразования и кипения). Увеличение темпе- ратуры сушки на 20 оС (со 160 до 180 оС) спо- собствует сокращению общего времени сушки капель ЯСЭ для всех исследованных концентра- ций сухих веществ на ~ 20...25 %. Установле- но, что при общем повышении интенсивности процессов тепло- и массопереноса повышение температурного режима сушки практически не влияет на значения отношения (dm/dτ)кр.1–кр.3 / (dm/dτ)кр.1 и они находятся в том же диапазоне величин, что и при Тв=160 оС (табл. 1, 2). Для кривых u(τ) (рис. 2) характерным яв- ляется линейная зависимость изменения вла- госодержания капель ЯСЭ от времени сушки до третьей критической точки (кр.3), при этом значения скорости влагопереноса для Со= 35… 45 % оказались близкими величинами (рис. 2, б, в) для обеих стадий сушки (до и после точки кр.1) (табл. 2). Как показали визуальные наблюдения и данные начальных и конечных размеров капель (частиц) ЯСЭ при сушке [5], для такого продук- та характерно многократное раздувание частиц в периоде кипения с резким изменением их раз- меров в большом диапазоне вплоть до точки кр.3, что способствует увеличению площади поверхности и интенсификации процесса вла- a) б) в) Рис. 2. Зависимости Тк(τ) (1), dm/dτ(τ) (2) и u(τ) (3) при сушке капель ЯСЭ с Со: а) 25 %, б) 35 %, в) 45 %; Тв=180 оС. гообмена. После точки кр.3 процесс раздувания идет на убыль, но размеры высушенных частиц остаются больше начальных (δкон > δо) [5]. На основании полученных результатов установлено, что при сушке капель ЯСЭ для концентраций сухих веществ Со= 25 и 35 % про- цесс протекает при близких значениях темпера- турного коэффициента сушки b = dТк /du, а для Со= 45 % – при более высоких его значениях (табл. 1, 2). На основе полученных данных исследова- ний тепломасообменных характеристик про- цесса сушки капель ЯСЭ: относительных зна- чений критических влагосодержаний (u/uо)кр.1, (u/uо)кр.2, (u/uо)кр.3, интенсивности массопе- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №3 47 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ Параметр Со, % (uo, мг⁄мг) 25 (3,0) 35 (1,86) 45 (1,22) u/uо кр.1 кр.2 кр.3 0,67 0,37 0,14 0,82 0,53 0,16 0,83 0,53 0,29 (dm/dτ)кр.1–кр.3 (dm/dτ)кр.1 0,70 0,77 0,81 (du/dτ)кр.1, кг/кг⁄с 0,060 0,035 0,032 (du/dτ)кр.1–кр.3, кг/кг⁄с 0,040 0,033 0,031 (du/dτ)кр.1–кр.3 (du/dτ)кр.1 0,67 0,94 0,97 dТк/du, оС/кг/кг ~ 72 80 Табл. 2. Кинетические характеристики процесса сушки капель ЯСЭ при Тв=180 оС реноса dmк /dτ, скорости сушки du/dτ и темпе- ратурного коэффициента сушки b = dТк/du уста- новлено, что повышение температурних пара- метров сушки капель ЯСЭ на 20 оС (со 160 до 180 оС) способствует увеличению интенсивно- сти процессов влагопереноса в высокотемпера- турной стадии в 1,5...2,0 раза. Следует отметить, что при сушке капель ЯСЭ с Со=45 % значительное снижение интен- сивности влагопереноса в завершающем пе- риоде – периоде досушки (после точки кр.3), обусловленное большим диффузионным со- противлением процессу влагопереноса образо- вавшейся корочки на поверхности частицы, а также повышенным значением относительного влагосодержания в точке кр.3 (табл. 2), приво- дит к существенному увеличению его продол- жительности (рис. 2). Это позволяет утверж- дать, что дальнейшее увеличение концентрации сухих веществ в экстракте, подаваемом в рас- пылительную сушилку, нецелесообразно. Из приведенных графиков видно, что в за- вершающем периоде сушки – после точки кр.3 – интенсивность влагопереноса (du/dτ)зав в 2...3 раза ниже (в 3 раза – для Со= 45 % при Тв= 180 оС), чем в предыдущих периодах, что может обуславливать повышенные адгезион- ные свойства частиц. Термопластические и адгезионные свой- ства высушенных частиц ЯСЭ изучались с по- мощью кинокамеры методом визуальных на- блюдений за изменениями формы и состояния частиц при соприкосновении с металлическим заостренным щупом в потоке теплоносителя при постоянной его температуре (160 и 180 оС) и за пределами потока теплоносителя – при температуре частицы, охлажденной до темпе- ратуры окружающей среды. Исследования показали, что в диапазо- не концентраций сухих веществ в экстракте Со = 25…45 % высушенные частицы в потоке теплоносителя находятся в пластичном состоя- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №348 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ нии. При соприкосновении с щупом частицы склонны к деформации. Выведение щупа из ча- стиц сопровождается нарушением целостности частиц и отрывом части продукта, прилипшего к щупу. Иная картина наблюдалась при выведении высушенных частиц за пределы потока высоко- температурного теплоносителя в среду возду- ха с Тв = 20...40 оС. В результате охлаждения происходило отвердевание частиц. При сопри- косновении с щупом частицы на спае остава- лись неподвижными, форма их не изменялась, проткнуть их не удавалось: щуп скользил по их поверхности. На основании полученных результатов можно утверждать, что если невозможно ис- пользовать структурирующие белковосодержа- щие добавки (типа СОМ), улучшающие усло- вия высушивания и снижающие адгезионные свойства частиц порошка ЯСЭ, то процесс рас- пылительной сушки солодовых экстрактов сле- дует проводить с обязательной организацией охлаждения высушенного порошка на выходе из распылительной камеры следующим обра- зом: • 1 стадия охлаждения – во взвешенном состоянии – до 60...65 оС; • 2 стадия охлаждения – при перемешива- нии (за пределами сушильной камеры в отдель- ном аппарате с кипящим, виброкипящим слоем либо шнекового типа) – до 35...40 оС. Такой постепенный метод охлаждения по- рошка позволит избежать значительных тем- пературных напряжений в массе высушенного продукта и конденсации влаги на поверхности частиц и тем самым избежать повышения ад- гезионной способности материала в камере и в узлах выгрузочного устройства распылитель- ной сушилки. Выводы 1. На основе экспериментальных данных определены значения основных кинетических характерристик процессов тепловлагоперено- са при сушке капель ЯСЭ: скорости сушки в отдельных периодах, температурного коэффи- циента сушки, а также соотношений этих ве- личин, обусловленных влиянием внутренних процессов тепловлагопереноса. 2. Установлено, что для сушки капель ЯСЭ с Со= 45 %, протекающей в высокотемператур- ной стадии, закономерны повышенные значе- ния относительного влагосодержания в точке кр.3, что характерно для коллоидных растворов с малой диффузионной способностью и суще- ственно увеличивает длительность заключи- тельного периода досушки. Это указывает на нецелесообразность более высокой концентра- ции сухих веществ в подаваемом на сушку экс- тракте. 3. Обоснованы рациональные температур- ные параметры процесса сушки солодовых экс- трактов в условиях распылительной сушиль- ной установки: - концентрация сухих веществ в ЯСЭ при по- даче в сушилку – Со ≈ 42…45 %; - температура теплоносителя (воздуха) на входе в сушильную камеру – Твх ≈ 180 ± 5 оС, - температура теплоносителя на выходе из сушильной камеры – Твых ≈ 90 ± 3 оС. ЛИТЕРАТУРА 1. Dolinsky A., Maletskaya K., Snezhkin Y. Fruit and vegetable powders production technology on the bases of spray and convective drying methods.– Drying Technology.– 2000.– V.18.– № 3.– Р. 747–758. 2. Долинский А.А., Малецкая К.Д., Шмор- гун В.В. Кинетика и технология сушки распы- лением. – К.: Наукова думка. – 1987. –224 с. 3. Хухенху Б., Куц П.С., Чижик К.Г. и др. Некоторые свойства облепихового сока как объекта сушки// Тезисы докладов V межд. конф.: ИТМО, 2004.– Т.2.– С. 258–259. 4. Малецька К.Д., Турчина Т.Я. Вплив температурних режимів на ефективність про- цесу розпилювального сушіння солодових екстрактів./ Наукові праці ОНАХТ. – Одеса, 2009.– Вип.35.– Т.2.– С.152–157. 5. Малецкая К.Д., Заритовская А.Г., Тур- чина Т.Я. Особенности технологии получения порошков солодовых экстрактов для обогаще- ния хлебопродуктов. / Наукові праці ОДАХТ.– ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №3 49 ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СУШКИ Одесса, 2001.– №21.– С. 276–279. 6. B. Adhikari, T. Howes, B.R. Bhandari, and V. Truong. Characterization of the surface stickness of fructose-maltodextrin solution during drying.– Drying Technology. – 2003.– V. 21.– № 1.– Р. 17– 34. 7. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Опти- мизация процессов распылительной сушки. – Киев: Наукова думка.– 1984.– 320 с. 8. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Изд-во «Химия», 1964. – 574 с. 9. Ємельянова Н.О., Гречко Н.Я., Кошо- ва В.М., Суходол В.Х.. Технологія солодових екстрактів, концентратів квасного сусла і квасу / За ред. Н.О. Ємельянової. – К.: ІСДО, 1994. – 152 с. 10. Лукьянова Е.М., Самборская Е.П., Гут- ман Л.Б., Закревський А.А и др. Новые про- дукты диетического и лечебного питания для беременных женщин и детей. / Под ред. Е.М. Лукьяновой. – Киев : Наук. думка, 1991.– 144 с. 11. Бакулина О.О. Развитие пищевых техно- логий: использование растительных экстрак- тов// Пищ. пром-ть., №5. – 2007. – С.32–33. 12. ТУ У 18.193–94. Зміна №4 – 1998. «Ек- стракти солодові і продукти на їх основі». Получено 25.02.2010 г.