В. Н. Васильев, В. Е. Куцакова, С. В. Фролов ТЕХНОЛОГИЯ СУШКИ ОСНОВЫ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области технологии продуктов питания и пищевой инженерии в качестве учебника для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров 260100 «Продукты питания из растительного сырья» и 260200 «Продукты питания животного происхождения» Санкт-Петербург ГИОРД 2013 УДК 664.021.3/4.64(035) ББК 36.81-5:41.47 В19 Рецензенты: С. Т. Антипов, доктор технических наук, профессор кафедры машин и аппаратов пищевых производств, проректор по научной и инновационной деятельности (Воронежский государственный университет инженерных технологий); И. А. Макеева, доктор технических наук, профессор Васильев В. Н. <...> Основы тепло- и массопереноса : учебник для вузов / В. Н. Васильев, В. Е. Куцакова, С. В. Фролов. <...> Приведены конкретные примеры расчетов процессов конвективной и кондуктивной сушки пищевых продуктов в агрегатах периодического и непрерывного действия. <...> Классификация методов обезвоживания, тепловой сушки и сушильных установок . <...> Кинетические закономерности процесса сушки дисперсных материалов в агрегатах непрерывного действия . <...> Массообмен при сушке пленки продукта на поверхности инертной частицы. <...> Время пребывания дисперсного материала в агрегатах непрерывного действия . <...> Распылительная сушилка для жидких и пастообразных материалов. <...> Методика инженерного расчета сушильных агрегатов для сушки сыпучих пищевых продуктов и белоксодержащих паст, суспензий, эмульсий. <...> Охрана окружающей среды и способы очистки отработанного теплоносителя. <...> Расчет основных параметров топочных газов, выходящих из топки и поступающих в барабанный агрегат . <...> Принципы обезвоживания и методы сушки весьма разнообразны. <...> Повышение производительности сушильных установок может быть достигнуто как экстенсивными методами — путем увеличения габаритов сушильной камеры, уменьшения простоев <...>
Технология_сушки._Основы_тепло-_и_массопереноса.pdf
УДК 664.021.3/4.64(035)
ББК 36.81-5:41.47
В19
Рецензенты: С. Т. Антипов, доктор технических наук, профессор кафедры
машин и аппаратов пищевых производств, проректор
по научной и инновационной деятельности (Воронежский
государственный университет инженерных технологий);
И. А. Макеева, доктор технических наук, профессор
Васильев В. Н.
В19
Технология сушки. Основы тепло- и массопереноса : учебник для вузов /
В. Н. Васильев, В. Е. Куцакова, С. В. Фролов. — СПб. : ГИОРД, 2013. — 224 с. : ил.
ISBN 978-5-98879-175-1
В учебнике представлены основы теории и техники сушки пищевых продуктов.
Даны главы, включающие гигростатику и формы связи влаги с материалом. Рассмотрены
также статика, кинетика процесса сушки в виде аналитических решений, дифференциальных
уравнений массопереноса, а также эмпирических уравнений, полученных
с использованием методов теории и подобия. Приведены конкретные примеры расчетов
процессов конвективной и кондуктивной сушки пищевых продуктов в агрегатах периодического
и непрерывного действия. Дан расчет вспомогательного оборудования.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки
бакалавров и магистров 260100 «Продукты питания из растительного сырья» и 260200
«Продукты питания животного происхождения».
УДК 664.021.3/4.64(035)
ББК 36.81-5:41.47
ISBN 978-5-98879-175-1
© ООО «Издательство „ГИОРД“», 2013
Стр.2
Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Глава 1. Классификация методов обезвоживания, тепловой сушки
и сушильных установок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1. Принципы и методы обезвоживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2. Классификация методов тепловой сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3. Конвективная сушка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4. Классификация конструкций сушильных установок . . . . . . . . . . . . 15
Глава 2. Влажный воздух как сушильный агент. Основы гигростатики . . . . . . . 23
2.1. Основные параметры влажного воздуха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2. Температура мокрого термометра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3. Определение влажности воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4. I-d-диаграмма влажного воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5. Основные принципы построения I-d-диаграммы . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6. Изменение состояния влажного воздуха в I-d-диаграмме
и построение линий tм
= const . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Глава 3. Влага в материале . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1. Влажный материал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2. Физико-химические характеристики воды. Классификация
форм связи влаги в материалах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3. Энергия связи влаги с материалом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4. Увязка классификации форм связи влаги с изменением
свойств влажных материалов при их обработке . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Глава 4. Взаимодействие влажного материала и воздуха до гигротермического
равновесного состояния. Основы статики сушки. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1. Изотермы сорбции и десорбции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2. Классификация влаги в материале в увязке с процессом
ее удаления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5
Стр.3
Оглавление
Глава 5. Материальный и тепловой баланс процесса сушки . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.1. Материальный баланс сушильных установок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2. Тепловой баланс подогревателя воздуха. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3. Тепловой баланс конвективной сушильной камеры . . . . . . . . . . . . . 51
5.4. Аналитический расчет процесса сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5. Построение процесса в I-d-диаграмме и методика
графоаналитического расчета расхода воздуха и тепла . . . . . . . . . . . 54
5.6. Методика аналитического расчета параметров воздуха
в сушильной установке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.7. Варианты сушильного процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.7.1. Вариант с рециркуляцией отработавшего сушильного
агента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.7.2. Вариант с промежуточным подогревом сушильного
агента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.8. Определение энергетического коэффициента полезного
действия сушильной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Глава 6. Кинетические закономерности процесса сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.1. Экспериментальные закономерности процесса сушки. . . . . . . . . . . 64
6.2. Кривые сушки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.3. Кривые скорости сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4. Температурные кривые . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.5. О кинетике процесса сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.6. Аппроксимационные формулы для времени сушки . . . . . . . . . . . . . 74
6.7. Дифференциальное уравнение теплопереноса в процессах
конвективной сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.8. Дифференциальное уравнение переноса влаги. . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.9. Период постоянной скорости сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.10. Период убывающей скорости сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.11. Кинетика сушки квазиодномерного тела. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.12. Кинетика сушки хлеба. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.13. Сублимационная сушка плодов и ягод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.14. Усушка при холодильном хранении пищевых продуктов . . . . . . . . . 91
6.15. Усушка при охлаждении и замораживании пищевых продуктов. . . 93
6.16. Числа (критерий) подобия тепло- и массопереноса
в процессах сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6
Стр.4
Оглавление
6.17. Кинетические закономерности процесса сушки дисперсных
материалов в агрегатах непрерывного действия . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.18. Агрегаты с кипящим и фонтанирующим слоями . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.19. Щелевой агрегат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.20. Барабанный агрегат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.21. Массообмен при сушке пленки продукта на поверхности
инертной частицы. Продолжительность процесса. . . . . . . . . . . . . . 109
6.22. Удельное объемное заполнение агрегата продуктом.
Коэффициенты массообмена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.23. Сушка распылением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.24. Контактный способ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Глава 7. Время пребывания дисперсного материала в агрегатах
непрерывного действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.1. Труба-сушилка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2. Горизонтальный барабанный агрегат со шнековой насадкой. . . . . 136
7.3. Агрегат со щелевым подводом теплоносителя . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Глава 8. Конструкции сушильных камер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.1. Камеры с кипящим слоем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2. Распылительная сушилка для жидких и пастообразных
материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.3. Распылительная сушилка А1-ОРЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.4. Распылительная сушилка ЦТР-500 фирмы «Нема» . . . . . . . . . . . . . 161
8.5. Распылительная сушильная установка RS-1000 . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.6. Вращающиеся барабанные агрегаты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.7. Сублимационная сушилка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Глава 9. Методика инженерного расчета сушильных агрегатов
для сушки сыпучих пищевых продуктов и белоксодержащих паст,
суспензий, эмульсий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.1. Поисковая работа перед проектированием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
9.2. Потери напора в трубопроводах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.3. Охрана окружающей среды и способы очистки отработанного
теплоносителя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.4. Общие вопросы гидродинамики омывания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.4.1. Скорости взвешивания и уноса частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7
Стр.5
Оглавление
9.4.2. Порозность и высота кипящего слоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
9.5. Потери напора при движении теплоносителя через агрегат
при конвективной сушке дисперсных пищевых продуктов . . . . . . 192
9.6. Методика инженерного расчета вихревого сушильного
аппарата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.7. Методика инженерного расчета барабанного агрегата
для сушки семян подсолнечника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Глава 10. Расчет вспомогательного оборудования сушильных установок . . . . . 201
10.1. Топка на природном газе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.2. Расчет основных параметров топочных газов, выходящих
из топки и поступающих в барабанный агрегат . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10.3. Паровые калориферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Приложение 1. Зависимость между давлением пара
и его температурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Приложение 2. Определение относительной влажности воздуха
по аспирационному психрометру. Разность показаний сухого
и влажного термометров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Стр.6