CONVECTIVE AND RADIATION SPRAY DRYER FOR LIQUID AND PASTE-LIKE FOOD MATERIALS
Abstract and keywords
Abstract (English):
The rational design of a spray dryer with convective and radiation energy input for drying liquid and paste-like food materials is presented. During the development of the spray dryer the results of numerous experimental and analytical studies, including the analysis of scientific-technical and patent literature, are taken into account. The distinctive feature of the proposed solution is an additional infrared radiation energy input during convective spray drying of food materials. In addition, the interaction of contacting product streams and a drying agent is carried out at active aerodynamic vortex mode. Thus, there is an increase in the intensity of the drying process, the temperature drop of the drying agent and, as a consequence, the temperature of the dried product to ensure its quality. The proposed principle of drying can be implemented in a constructive modernization of the existing units of spray drying. Combining methods of energy release during spray drying causes expansion of the use of spray drying technology to obtain high-quality dried dispersed plant material.

Keywords:
food technologies, convective spray drying, radiation infrared energy input, aerodynamic vortex mode, drying agent
Text
Введение Распылительные сушильные установки широко применяются в пищевой промышленности для обезвоживания жидких и пастообразных биополимерных систем при производстве сухих дисперсных материалов, в частности для сушки рыбных бульонов и гидролизатов, растительных экстрактов, плодоовощных концентратов, бактериальных препаратов, молока, яичных продуктов и др. Совершенствованию энергоемкой операции сушки уделяется значительное внимание, т. к. обезвоживание в большей степени определяет стоимость готового продукта и, кроме того, оказывает влияние на качественные показатели товарной продукции [1, 2]. Практический интерес представляют результаты исследований по разработке и внедрению рациональных конструкций распылительных сушилок, позволяющих реализовать на практике нестационарные аэродинамические режимы при сушке [3-5]. Для ряда жидких пищевых растительных материалов (экстракты, плодоовощные соки и т. п.) технология сушки распылением применяется ограниченно, т. к. не обеспечивает надежное, эффективное и качественное высушивание [1]. Объекты и методы исследования Целью исследований являлась разработка рациональной конструкции устройства с конвективно-радиационным энергоподводом для сушки жидких и пастообразных пищевых материалов. На основе анализа научно-технической и патентной литературы, результатов комплекса экспериментальных исследований сделан вывод, что перспективным является конструкторское решение, предлагаемое ниже (рис. 1, 2). Процесс распылительной сушки пищевых материалов осуществляется за счет комбинирования конвективного и радиационного энергоподвода при активном вихревом аэродинамическом контакте продукта и сушильного агента, что позволяет увеличить интенсивность процесса, снизить температуру сушильного агента и, как следствие, температуру продукта для обеспечения качества сухих дисперсных материалов. Устройство работает следующим образом. Исходный продукт, подвергаемый сушке, подается распылителем 3 в объем сушильной камеры 1. Ввод сушильного агента осуществляется по патрубкам 2 и 4. В сушильной камере 1 осуществляется комбинация прямотока и перекрестного тока при контакте сушильного агента и продукта, за счет дополнительной перекрестной подачи сушильного агента в щелевые зазоры между перегородками 8. Распыленные частицы продукта при контакте с сушильным агентом и инфракрасным излучением (рис. 2) высыхают, отбираются через систему отсоса 5, отделяются от потока отработавшего сушильного агента в циклоне 6 и отбираются через сборники сухого продукта 7. Рис. 1. Установка конвективно-радиационной распылительной сушки: 1 - сушильная камера; 2, 4 - патрубки для ввода сушильного агента; 3 - распылитель; 5 - система отсоса; 6 - циклон; 7 - сборник сухого продукта; 8 - прямоугольные перегородки; 9, 10 - крепления; 11 - стержневые крепежные элементы; 12 - инфракрасные излучатели; 13 - отражатели; 14 - крепления Рис. 2. Схема распределения потоков в установке конвективно-радиационной распылительной сушки: I - исходный продукт; II - сушильный агент; III - инфракрасное излучение; IV - сухой продукт; V - отработавший сушильный агент Благодаря вводу сушильного агента через патрубок 4 по касательной к окружности сушильной камеры 1 и наличию в ней вертикальных прямоугольных перегородок 8, осуществляется дополнительная равномерная подача сушильного агента в щелевые зазоры между перегородками. При этом распыленные частицы продукта, увлекаемые потоками теплоносителя, начинают вращаться относительно оси сушильной камеры и совершают движения по нисходящей спиралевидной траектории. Таким образом достигается активный вихревой аэродинамический контакт продукта и сушильного агента в сушильной камере, что позволяет увеличить время пребывания распыленных частиц продукта в сушильной камере. Спиралевидная траектория движения частиц определяет большее время контакта продукта с сушильным агентом в сушильной камере по сравнению с традиционным прямолинейным движением вниз, что позволяет либо уменьшить высоту сушильной камеры при заданной производительности, либо увеличить интенсивность процесса и производительность установки. Вертикальные прямоугольные перегородки 8 и сушильная камера 1 выполнены одинаковыми по высоте для равномерного подвода сушильного агента и выравнивания температуры сушильного агента в сушильной камере 1, в результате чего достигается увеличение интенсивности процесса сушки. Сушильный агент, проходя через пространство между перегородками 8, разделяется на несколько перекрещивающихся потоков, которые отталкивают распыленные частицы от поверхности перегородок и, следовательно, от стенок сушильной камеры. Перекрещивающиеся потоки сушильного агента компенсируют центробежную силу, действующую на частицы в процессе их спиралевидного движения. Таким образом исключается налипание частиц продукта на внутреннюю поверхность большого цилиндра сушильной камеры, обеспечивается интенсивное обтекание частиц сушильным агентом и увеличивается интенсивность процесса сушки. Положительный эффект действия предлагаемого устройства обеспечивается за счет усовершенствования конструкции сушилки. В дальнейшем планируются исследования по учету при проектировании сушильной техники кинетических закономерностей и комплекса свойств объектов сушки, в том числе термодинамических, структурно-механических и теплофизических. Кроме того, необходима разработка математических моделей [6] для оперативного управления процессом и качеством продукции, а также автоматизации работы сушильной установки [7]. Конструктивные особенности предлагаемого устройства запатентованы (заявки на патенты на полезную модель № 2014148752/06 (078440) РФ и № 2015120308). Заключение По результатам исследования можно сделать следующие выводы: 1. Конвективная составляющая позволяет: - обеспечить высушивание частиц при активном аэродинамическом контакте с сушильным агентом; - организовать распыление исходного продукта, пневмотранспорт высохших частиц и их отделение от потока отработавшего сушильного агента. 2. Радиационная составляющая позволит смягчить температурные режимы сушки. Конструктивные особенности предлагаемого устройства запатентованы. Предложенный принцип организации сушки может быть реализован при конструктивной модернизации действующих установок распылительной сушки. Комбинирование способов энергоподвода при распылительной сушке обусловливает расширение области использования распылительной технологии сушки для получения сухих дисперсных растительных материалов.
References

1. Aleksanyan I. Yu. Raspylitel'naya sushka rastitel'nyh ekstraktov. Teoriya. Praktika. Modelirovanie / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, O. A. Petrovichev: monogr. Germany, Saarbrucken: LAP Lambert Academic Publishing GmbH&Co.KG, 2011. 162 c.

2. Aleksanyan I. Yu. Innovacionnye tehnologii pererabotki syr'ya rastitel'nogo proishozhdeniya / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, L. M. Titova // Innovacionnye tehnologii APK Rossii - 2014: materialy II konf. v ramkah Mezhdunar. nauch.-tehnolog. foruma «Bioindustriya - osnova zelenoy ekonomiki, kachestva zhizni i aktivnogo dolgoletiya». M., 2014. S. 12-18.

3. Aleksanyan I. Yu. Raspylitel'naya sushilka / I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, O. E. Guba, Yu. S. Feklunova // Tehnologii pischevoy i pererabatyvayuschey promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya. 2015. № 1 (5). S. 61-66.

4. Guba O. E. Razrabotka racional'nyh sposobov konvektivnoy sushki dlya zhidkih produktov / O. E. Guba, Yu. A. Maksimenko, S. A. Tereshonkov // Pischevaya promyshlennost'. 2010. № 10. S. 24-25.

5. Maksimenko Yu. A. Sushil'naya ustanovka dlya polucheniya poroshkov iz zhidkih produktov / Yu. A. Maksimenko, N. A. Podledneva, O. E. Guba // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2011. № 2 (52). S. 41-44.

6. Maksimenko Yu. A. Modelirovanie i sovershenstvovanie teplomassoobmennyh processov pri konvektivnoy sushke rastitel'nogo syr'ya v dispergirovannom sostoyanii / Yu. A. Maksimenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2013. № 2. S. 19-24.

7. Maksimenko Yu. A. Avtomatizaciya tehnologicheskih processov pri pererabotke syr'ya rastitel'nogo proishozhdeniya / Yu. A. Maksimenko, E. P. Dyachenko, Yu. S. Feklunova, E. R. Telichkina // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2014. № 3. S. 21-29.