Способ сушки растительных материалов
Изобретение относится к области сушки растительных материалов и может быть использовано, в частности, для сушки пищевых продуктов, а именно: овощей, грибов, фруктов, зелени, специй и др. Способ заключается в том, что теплоноситель в системе сушильная камера - теплообменник-конденсатор - направляют по замкнутому циклу движения - выход из камеры сушки - вход в теплообменник-конденсатор - выход из теплообменника-кондесатора - вход в камеру сушки. Теплоноситель обезвоживают путем конденсации паров влаги, находящихся в теплоносителе, на стенках радиатора теплообменника-конденсатора, после чего теплоноситель вновь нагревают до температуры 85-95°С и пропускают через сушильную камеру до момента воздействия вакуумного импульса на высушиваемый продукт. Образовавшаяся в теплообменнике-конденсаторе влага удаляется из него путем открытия клапанов, соединяющих теплообменник-конденсатор со шлюзовой камерой. Изобретение позволяет улучшить качество сушки при использовании существующего оборудования. 1 ил.
Изобретение относится к области сушки растительных материалов и может быть использовано, в частности, для сушки пищевых продуктов, а именно: овощей, грибов, фруктов, зелени, специй и др.
Известен способ сушки пищевых продуктов (см. патент РФ №2018245 М. кл. 5 А23L 3/52), включающий обработку сырья жидкой двуокисью углерода при давлении выше атмосферного, вспенивание или вспучивание сырья при сбросе давления до атмосферного и удаление влаги повышением температуры и/или понижением давления, причем обработку сырья жидкой двуокисью углерода осуществляют в поле механических ультразвуковых колебаний частотой 18-12 кГц, а удаление влаги осуществляют в поле электромагнитных колебаний высокой частоты не менее 850 МГц.
К недостаткам известного способа сушки можно отнести высокие эксплуатационные расходы за счет безвозвратных потерь жидкой углекислоты, а применение высокочастотных колебаний требует создания дополнительной защиты обслуживающего персонала, поскольку они вредны для здоровья человека.
Известен способ сушки высоковлажных материалов растительного и животного происхождения (см. патент РФ №2048245, М. кл. 6 F26В 3/30), осуществляемый путем формирования слоя материала и последующего облучения ИК-лучами до заданной влажности, причем сушку ведут в импульсном режиме нагрев-охлаждение. При этом облучение ИК-лучами осуществляют в диапазоне 2-10мкм с плотностью потока 4,5-8,5 кВт/м кв. до достижения температуры материала, равной 0,8-0,9 его предельной температуры сушки, а охлаждение ведут до достижения температуры материала, равной 0,4-0,6 его предельной температуры сушки.
К недостаткам известного способа сушки относятся высокие энергетические затраты и большая продолжительность процесса сушки.
Известен более совершенный способ сушки растительных материалов (см. заявку РФ №9910825/13 М. кл. 7 А23В 7/02, опубликовано в БИПМ №7 от 10.03.2002 года), включающий сушку продукта в вакууме путем циклического чередования нагрева и выдержки в вакууме, при котором растительный материал предварительно нагревают до температуры, не вызывающей денатурации их исходных качественных характеристик, вакуумирование осуществляют импульсами до 0,1-13,0 кПа за 0,05-15,0 сек с выдержкой 5-600 сек, а сброс вакуума до атмосферного давления происходит адиабатическим испарением влаги из высушиваемого материала в замкнутой сушильной камере. Циклы нагрева, импульсного вакуумирования с выдержкой под вакуумом и сброса вакуума с адиабатическим испарением влаги повторяют до достижения требуемой конечной влажности растительных материалов.
К недостаткам способа относятся невозможность достижения атмосферного давления пара жидкости растительного материала при температуре ниже 100 градусов Цельсия, тем более при адиабатическом испарении, без подвода тепла, только за счет изменения внутренней энергии. Достижение атмосферного давления в изолированной емкости возможно только в случае нагрева растительного материала выше 100 градусов С, что приведет к денатурации качественных характеристик продукта и превратит его в несъедобный или малопригодный для питания продукт.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу решением-прототипом является способ сушки растительных материалов по патенту РФ №2238490 М. кл. 7 F26В 5/04. Способ включает в себя несколько циклов скоростного вакуумирования растительных материалов в сушильной камере при помощи ресивера, трубопроводов с быстродействующими клапанами с постоянным подогревом растительного материала в изолированной от атмосферы сушильной камере. Во время подогрева и выдержки материалов под остаточным вакуумом нагрев осуществляют до температуры, не вызывающей денатурации материала, до получения давления пара в замкнутом объеме сушильной камеры, равного равновесному давлению пара при данной температуре. Объем ресивера при соединении его с сушильной камерой обеспечивает создание давления в ней меньше равновесного давления пара при данной температуре, причем диаметр трубопроводов, соединяющих сушильные камеры с ресивером, рассчитывается по предложенной в описании к изобретению математической формуле.
К недостаткам способа-прототипа можно отнести то, что нагрев растительного материала в герметичной камере сушки насыщенным соковым паром приводит запариванию материала, к увеличению времени процесса сушки и получению недостаточно качественного продукта.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности повышение качества сушки пищевых и растительных продуктов иного назначения и сокращение капитальных затрат на изготовление необходимого специального оборудования.
Поставленная изобретением задача достигается тем, что теплоноситель в системе сушильная камера - теплообменник-конденсатор направляют по замкнутому циклу движения - выход из камеры сушки - вход в теплообменник-конденсатор - выход из теплообменника-кондесатора - вход в камеру сушки, при этом теплоноситель обезвоживают путем конденсации паров влаги, находящихся в теплоносителе, на стенках радиатора теплообменника-конденсатора, после чего теплоноситель вновь нагревают до температуры 85-95 градусов С и пропускают через сушильную камеру до момента воздействия вакуумного импульса на высушиваемый продукт, после чего образовавшаяся в теплообменнике-конденсаторе влага удаляется из него путем открытия клапанов, соединяющих теплообменник-конденсатор и шлюзовую камеру.
Признаки изобретения, выраженные тем, что теплоноситель в системе сушильная камера - теплообменник-конденсатор направляют по замкнутому циклу движения - выход из камеры сушки - вход в теплообменник-конденсатор - выход из теплообменника-кондесатора - вход в камеру сушки, при этом теплоноситель обезвоживают путем конденсации паров влаги, находящихся в теплоносителе, на стенках радиатора теплообменника-конденсатора, после чего теплоноситель вновь нагревают до температуры 85-95 градусов С и пропускают через сушильную камеру до момента воздействия вакуумного импульса на высушиваемый продукт, после чего образовавшаяся в теплообменнике-конденсаторе влага удаляется из него путем открытия клапанов, соединяющих теплообменник-конденсатор и шлюзовую камеру - являются признаками новыми, неочевидными, превышающими известный уровень техники, неожиданными, имеют изобретательский уровень и направлены на достижение поставленной изобретением задачи сокращения времени сушки, повышения качества и снижения капитальных удельных затрат.
Так, движение теплоносителя по замкнутому кругу позволяет постоянно охлаждать циркулирующий через него теплоноситель до температуры ниже точки росы и конденсировать влагу на наружных стенках теплообменника-конденсатора. Соединение его со шлюзовой камерой позволяет удалять из теплоносителя влагу, которая конденсируется в процессе нагрева растительных материалов после вакуумного импульса и не оказывает в дальнейшем влияния на процесс сушки. При этом предотвращается запаривание растительных материалов, повышается качество сушки и производительность за счет постоянной конденсации влаги в процессе нагрева растительных материалов и ее последующего удаления.
На фиг.1 схематично представлена установка для сушки растительных материалов при помощи которой осуществляется предлагаемый способ сушки растительных материалов.
Установка для сушки растительных материалов (продукта) состоит из сушильных камер 1 и 2, каждая из которых оборудована направляющими 3 для равномерного распределения теплоносителя, калориферами 4 для нагрева теплоносителя и вентиляторами для подачи теплоносителя во всему объему сушильной камеры и циркуляции его через теплообменник-конденсатор. Трубопроводы 6 со встроенными в них быстродействующими пневмоклапанами 7 и 8 связывают сушильные камеры 1 и 2 с ресивером 9. Каждая сушильная камера 1 и 2 имеет клапан 11 для слива накопившейся во время сушки влаги из камеры. Герметичные двери 12 обеспечивают загрузку и выгрузку тележки с растительным материалом. Вакуумный насос 13 обеспечивает заданный вакуум в ресивере 9. Шлюзовая камера 14 предназначена для сбора и удаления конденсата из ресивера 9 и теплообменника-конденсатора 15, который охлаждается, например, водой. Для слива жидкости из шлюзовой камеры 14, без разгерметизации всей установки, используют клапаны 16, 17, 18. Для слива конденсата из теплообменника-конденсатора 15, без разгерметизации установки, используют клапаны 19 и 20. Работу пневмоклапанов 7 и 8 обеспечивает компрессор 21, который через пульт управления обеспечивает быстродействующие клапаны сжатым воздухом. В полости сушильных камер установлены датчики температуры 22 растительного материала и теплоносителя. Теплообменник-конденсатор 15 соединен с сушильной камерой 1 следующим образом: с одной стороны - с входом 23 у тыльного торца камеры и с другой стороны - с выходом 24, расположенным около дверок сушильной камеры 1. В полости теплообменника-конденсатора 15 смонтирован радиатор 25 для охлаждения и конденсации влаги теплоносителя. Тележка 26 с сетчатыми поддонами закатывается в полость сушильной камеры 1.
Предлагаемый способ сушки растительных материалов поясняется на работе одной из камер и осуществляется следующим образом:
Растительный материал, предназначенный для сушки, предварительно вымытый, очищенный и нарезанный, согласно требованиям стандарта, равномерно укладывают на сетчатые поддоны, которые затем устанавливают на тележку 26, которую закатывают в сушильную камеру 1, после чего герметично закрывают двери 12, включают нагрев калорифера 4, вентилятор 5 и нагревают воздух в камере сушки первоначально при атмосферном давлении. При этом сушильная камера 1 изолирована от ресивера 9 и внешней среды при помощи закрывания быстродействующих клапанов 7 и клапанов 10, 11, 16, 17, 18. При этом клапан 19 для слива конденсата из теплообменника-конденсатора 15 открыт. Одновременно включаются проточная промышленная технологическая вода для охлаждения теплообменника, вакуумный насос 13 для создания в ресивере давления 30-40 мм рт.ст. Одновременно с вакуумным насосом 13 включают компрессор 21. Растительный материал в камере сушки 1 нагревают до среднеобъемной температуры не вызывающей ее денатурации. Нагрев приводит к снижению поверхностного натяжения воды в клетках и межклеточном пространстве растительного материала и к увеличению давления пара воды до значений, равных равновесному давлению пара при данной температуре. В процессе нагрева растительного материала до заданной температуры паровоздушная смесь через выход 24 поступает в теплообменник-конденсатор 15, где, соприкасаясь с трубами радиатора 25, охлаждается ниже точки росы. Обезвоженный теплоноситель через вход 23 вновь поступает в сушильную камеру 1. При этом влага теплоносителя конденсируется на охлаждаемом радиаторе теплообменника-конденсатора 15 и стекает по трубопроводу через открытый клапан 19 в шлюзовую камеру 14. Частично обезвоженный теплоноситель снова подогревается и поступает на нагрев растительного материала. При достижении заданной температуры клапан 19 закрывают и с помощью быстродействующих клапанов 7 за время, равное 0,1-05 сек, камеру сушки 1 соединяют с ресивером 9, в котором предварительно создано давление 30-40 мм рт.ст., создавая тем самым в сушильной камере 1 вакуум, под действием которого растительный материал выдерживают в течение заданного времени в зависимости от вида растительного материала, например для моркови - одну минуту. Далее сушильную камеру 1 изолируют от вакуума посредством закрывания быстродействующего клапана 7. При быстром, резком воздействии вакуума на растительный материал его температура понижается на 10-15 градусов С. При этом свободная влага под действием более глубокого вакуумирования начинает выходить из растительного материала и скапливаться на дне сушильной камеры 1, которую в дальнейшем и сливают в шлюзовую камеру 14. Затем открывают клапан 19 и ведут подогрев растительного материала до заданной температуры, например в течение 7 минут для моркови. При этом греющий теплоноситель постоянно циркулирует через теплообменник-конденсатор 15, а выделившаяся влага стекает в шлюзовую камеру 14. Равномерную подачу теплоносителя при продувке, нагреве, многократном чередовании вакуумирования и выдержки растительного материала по всему объему изолированной сушильной камеры осуществляют потоками теплоносителя (паровоздушной смеси) при помощи регулируемых направляющих 3.
Нагрев растительного материала с циркуляцией теплоносителя через теплообменник-конденсатор, скоростное вакууумирование с нагревом, выдержка под остаточным вакуумом с прогревом растительного материала по всему объему и циркуляцией теплоносителя через теплообменник-конденсатор составляют один цикл сушки. В зависимости от свойств растительного материала: плотности, толщины и др. параметров - количество циклов может быть, по крайней мере, более двух, т.е. количество циклов может быть увеличено многократно до достижения остаточной требуемой влажности.
После выдержки растительного продукта под остаточным вакуумом, нагревом его теплоносителем с циркуляцией через теплообменник-конденсатор 15 и достижения заданной температуры растительного материала после вакуумного импульса, закрывают клапан 19 и давление в сушильной камере 1 сбрасывают за 0,5-5 сек, до давления ниже равновесного давления насыщенного пара для данной температуры и вновь делают выдержку растительного материала в создавшемся в сушильной камере, более глубоком вакууме. Во время этой выдержки растительного материала под вакуумом, через клапаны 16 без разгерметизации установки производят удаление - слив образовавшейся - выделившейся из растительного материала - воды и конденсата, уловленных ресивером и скопившихся в шлюзовой камере 14. Далее сушильную камеру 1 посредством перекрытия быстродействующего клапана 7 изолируют от ресивера 9. При этом непрерывно происходит циркуляция теплоносителя через теплообменник-конденсатор 15 и подогрев растительного материала под остаточным давлением до среднеобъемной температуры, не вызывающей денатурации растительного материала.
Вода в растительных материалах находится в двух основных структурных элементах: в полостях клеток и капилляров - свободная влага и в стенках клеточных оболочек - связанная влага. Размер клеточных пор находится в пределах 100 А и 10 А. Максимальное количество связанной влаги, которое может находиться в растительных материалах, примерно одинаково для всех растительных материалов и составляет при 20 градусах С примерно 30% масс. Вся остальная влага является свободной. При сушке продуктов с влажностью более 30% в первую очередь удаляется свободная влага, а затем связанная.
При нагревании растительных материалов гигроскопичность понижается и часть связанной влаги переходит в свободную. Сушка растительных материалов на предлагаемой установке включает в себя две стадии. На первой стадии производят удаление свободной влаги, когда влага из капилляров и межкапиллярного пространства удаляется за счет быстрого создания давления насыщенных паров воды в объеме сушильной камеры и находящихся в ней растительных материалов при данной температуре и влага выталкивается из капилляров за счет расширения растворенного и защемленного в растительных материалах газа и частично происходящего процесса парообразования.
В отличие от прототипа, где нагрев производится насыщенным паром и сушки практически не происходит, процесс переходит в запаривание, в предложенном способе на первой же стадии прохождения насыщенных паров теплоносителя через теплообменник-конденсатор происходит постоянное дополнительное удаление влаги за счет охлаждения паров ниже точки росы и на сушку поступает ненасыщенный пар, исключающий запаривание растительных материалов.
На второй стадии производится удаление связанной влаги только за счет интенсивного парообразования и последующего удаления ее из объема пор растительного материала. Это достигается тем, что предварительно нагретый растительный материал при давлении, равном равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре, подвергают быстрому соединению с вакуумом ресивера и многократному кратковременному созданию в сушильной камере давления ниже равновесного давления насыщенных паров.
Создание в сушильной камере 1 давления ниже равновесного давления насыщенных паров приводит их к ненасыщенному состоянию, аналогично перегретому пару и резкому превращению влаги, находящейся на поверхности растительного материала в пар. Это приводит к охлаждению жидкости на поверхности растительного материала ниже температуры ее кипения при данном давлении. Вследствие низкой теплопроводности растительных материалов пар, находящийся во всем объеме и внутри капилляров, не успевает охладиться до температуры ниже температуры кипения и вследствие повышенного его давления по отношению к наружной поверхности выдавливает влагу из капилляров. Создание в сушильной камере 1 давления ниже равновесного приводит также к резкому расширению защемленных и растворенных в капиллярной жидкости газов. Резкое увеличение объема газа выталкивает жидкость из капилляров в объем сушильной камеры в виде мелкодисперсной фазы.
На второй стадии сушки растительных материалов в отличие от способа прототипа, эффективность действия на процесс сушки теплообменника-конденсатора еще более возрастает, так как постепенно вся выделившаяся из растительного материала влага в процессе нагрева переходит в парообразное состояние и проходя через теплообменник-конденсатор, постоянно обезвоживается и непрерывно стекает в шлюзовую камеру 14 и на сушку поступает ненасыщенный пар.
Конкретный пример осуществления предлагаемого способа сушки растительного материала.
Процесс сушки растительных материалов экспериментально реализован на опытной установке, технологическая схема которой представлена на фиг.1.
В две сушильные камеры 1 и 2 объемом по 4 м куб. загружают растительный материал, который подготовлен к сушке - вымыт, порезан и распределен ровным слоем на сетчатых поддонах.
Пример 1. Сушке подвергали морковь столовую с начальным массовым содержанием влаги 83%. Предварительно вымытую, очищенную и нарезанную в форме кубиков с размерами от 5 до 10 мм морковь разложили на сетчатые поддоны слоем толщиной 30 мм. Требуемая конечная влажность по ГОСТ 12326-66 «Морковь столовая сушеная для экспорта» должна быть не более 8%. В каждую сушильную камеру 1, 2 на тележках было установлено по 8 поддонов с кубиками моркови. В один из кубиков моркови был установлен термодатчик игольчатого типа. В каждой сушильной камере для проведения процесса сушки были установлены оребренные электрические ТЭНы и осевой вентилятор.
Для создания вакуума в ресивере 9 использовали вакуумный насос, который обеспечивал создание рабочего вакуума в ресивере 9 и отсос балластных газов из него. Скоростное вакуумирование осуществляли при помощи ресивера и пневмоклапанов 7 и 8. Охлаждение теплообменника 15 проводили холодной проточной водой.
Сушильную камеру 1 герметично закрыли и включили воду для охлаждения теплообменника-конденсатора 15, включили калориферы 4 и вентиляторы 5 для нагрева воздуха и моркови в сушильной камере 1. Воздух из калорифера выходил с температурой 90 градусов С при атмосферном давлении в сушильной камере 1, которая была изолирована от ресивера 9 и от внешней среды путем перекрытия быстродействующих клапанов 7 и клапанов 10, 11, 16, 17, 18. Клапан 19 находился в открытом состоянии. Одновременно с включением подогрева включили вакуумный насос 13 для создания в ресивере 9 давления 30-40 мм рт.ст., после достижения среднеобъемной температуры моркови 60 градусов С (время нагрева составило 12 минут) закрыли клапан 19 и включили быстродействующий клапан 7, соединяющий сушильную камеру 1 с ресивером 9, и сделали выдержку моркови под вакуумом в течение 1 минуты. Затем быстродействующий клапан 7 сушильной камеры 1 перекрыли, изолировав таким образом сушильную камеру 1 от ресивера 9, открыли клапан 19 и сделали выдержку моркови при одновременном ее нагреве под остаточным вакуумом в течение 10 минут. При этом калорифер работал без отключения и температура в сушильной камере достигла 90 градусов С, а температура моркови во время выдержки при остаточном вакууме вновь достигла 60 градусов С, быстродействующие клапаны 8 сушильной камеры 2 в это время находились в положении «закрыто».
Данные операции повторили три раза и общее время, которое потребовалось для удаления свободной влаги составило 30 минут.
Свободную влагу, выделившуюся из моркови в состоянии пара и сконденсированную в теплообменнике-конденсаторе 15, удалили путем открытия клапана 19.
Во время выдержки моркови под остаточным вакуумом в первой сушильной камере запустили нагрев во второй сушильной камере 2 с такой же последовательностью проводимых в ней операций сушки.
Удаление связанной влаги до остаточной влажности 8% производили посредством проведения операций скоростного вакуумирования с нагревом и выдержкой моркови под вакуумом в течение 1 минуты, нагревом моркови в сушильной камере под остаточным вакуумом при циркуляции теплоносителя до температуры 60 градусов С в течение 3-х минут. Количество вышеуказанных циклов при этом получилось пять.
Общее время сушки моркови составило:
- 30 минут удаление свободной влаги,
- 15 минут удаление связанной влаги.
Всего 45 минут. Полученный продукт по своим качественным показателям соответствовал ГОСТ 12326-66.
Пример 2. Сушке подвергли лук репчатый с начальной влажностью 86%.
Предварительно вымытый, очищенный и нарезанный в форме кружков, колец, пластинок толщиной 1-3 мм лук разложили на сетчатые поддоны слоем толщиной до 30 мм и провели сушку, как описано в примере 1. Время удаления свободной влаги при проведении операции скоростного вакуумирования и выдержки под вакуумом составило 1 минуту, а время нагрева с выдержкой при остаточном вакууме - 3 минуты, количество циклов - пять. Удаление связанной влаги проводили скоростным вакуумированием в течение 0,5 минут, нагрева - 2 минуты, количество циклов - пять.
Общее время сушки лука составило:
- 20 минут на удаление свободной влаги,
- 12,5 минут на удаление связанной влаги.
Всего 32,5 минут. Полученный продукт по своим показателям соответствовал ГОСТ 12325-6 «Лук репчатый сушеный для экспорта».
Пример 3.
Сушке подвергли картофель с начальной влажностью 79%.
Предварительно вымытый, очищенный и нарезанный картофель в форме кубиков размером от 5-10 мм загрузили в сушильную камеру и подвергли сушке, как описано в примере 1. После окончания сушки массовая доля влаги в картофеле составила не более 8% и сушеный картофель соответствовал по своим показателям ГОСТ 28432-90 «Картофель сушеный», высший сорт.
Продолжительность выдержки растительного материала каждого вида после скоростного вакуумирования, выдержки под остаточным вакуумом определяется практическим путем до достижения готовым продуктом заданной влажности.
Предлагаемый способ сушки растительных материалов, в частности продуктов питания, успешно прошел экспериментальные испытания в условиях промышленного предприятия по сушке овощей в г.Барнауле и дал хорошие, стабильные результаты по качеству сушки.
Применение предложенного способа сушки овощей позволяет использовать существующее оборудование и предотвращает возможные затраты на изготовление дорогостоящего и громоздкого оборудования.
В настоящее время авторами проводится работа по более широкому использованию предлагаемого способа.
Способ сушки растительных материалов, включающий повторяющуюся, по крайней мере, два раза последовательность проведения операций в замкнутом объеме сушильной камеры - нагрева растительного материала при помощи теплоносителя до температуры, не вызывающей денатурации растительного материала, вакуумирования с выдержкой после вакуумирования, отличающийся тем, что теплоноситель в системе сушильная камера - теплообменник-конденсатор направляют по замкнутому циклу движения - выход из камеры сушки - вход в теплообменник-конденсатор - выход из теплообменника-кондесатора - вход в камеру сушки, при этом теплоноситель обезвоживают путем конденсации паров влаги, находящихся в теплоносителе, на стенках радиатора теплообменника-конденсатора, после чего теплоноситель вновь нагревают до температуры 85-95°С и пропускают через сушильную камеру до момента воздействия вакуумного импульса на высушиваемый продукт, после чего образовавшаяся в теплообменнике-конденсаторе влага удаляется из него путем открытия клапанов, соединяющих теплообменник-конденсатор и шлюзовую камеру.
