A A A

Suszenie konwekcyjne

Rola powietrza przy suszeniu konwekcyjnym. Przy suszeniu kon­wekcyjnym rolę czynnika doprowadzającego ciepło spełnia powietrze. Powietrze ogrzane od źródła ciepła dopływa do suszonego surowca, przekazuje mu swoje ciepło na ogrzanie, a następnie na wyparowanie wody, a samo przy tym się oziębia. Oziębione powietrze wraz z wyparo­waną wodą odpływa od surowca, a na jego miejsce napływa nowe, tak­że ciepłe. Jak widać, powietrze spełnia tu rolę czynnika doprowadzające­go ciepło oraz czynnika odprowadzającego odparowaną wodę. Możliwość przyjęcia wody przez powietrze uzależniona jest od sto­pnia nasycenia wilgocią, czyli od wilgotności względnej. Wilgotność względna, to stosunek wilgotności bezwzględnej (masa pary wod­nej znajdującej się w danej chwili w 1 kg powietrza) do wilgotności ma­ksymalnej (masa pary wodnej w 1 kg powietrza nasyconego), charaktery­zuje powietrze pod względem zdolności pochłaniania wody. Wilgotność względną podaje się zwykle w procentach. Jeżeli wil­gotność powietrza wynosi np. 50%, tzn. że znajduje się w nim 50% tej wilgotności, której wystarczy na zupełne jego wysycenie w danej temperaturze (50% wilgotności maksymalnej). Ciepło właściwe powietrza jest niskie i wynosi 0,25 kcal/kg. Ciepło parowania wody jest wysokie i wynosi w temperaturze 60°C 563,3 kcal/kg. Aby dostarczyć wystarczającą ilość ciepła do odparowania wody z surowca umieszczonego w suszarni, przez suszarnię musi przepłynąć znaczna ilość powietrza. Nawet gorące powietrze przepływające przez suszarnię nie odda tyle ciepła, by mogła wyparować taka ilość wody, która byłaby zdolna nasycić go wilgocią. W suszarnictwie owiewowym (konwekcyjnym) pożądane jest, by powietrze wydalane z suszarni miało wilgotność względną około 70%. Aby uzyskać tę wilgotność, musiałoby ono być kilka razy całkowicie zawracane do suszarni po uprzednim dogrzaniu. Zawracanie powietrza do nowego obiegu nazywa się recyrkulacją. Ten sam efekt można uzys­kać, gdy część powietrza uchodzącego z suszarni (zwykle 15%) wymie­ni się ze świeżym, a resztę po dogrzaniu zawróci ponownie do suszarni. Zawracając powietrze ponownie do suszarni uzyskuje się poprawie­nie ekonomiki suszenia przez mniejsze zużycie ciepła do jego ogrza­nia. Gdybyśmy do suszami wprowadzali ciągle nowe powietrze, należało­by go podgrzewać od temperatury otoczenia (zwykle 18°C) do tempe-tury około 80—90°C. Przy stosowaniu recyrkulacji podgrzewa się je do około 45°C. Ponadto bez regulacji nagrzewania powietrze byłoby zbyt suche, szybciej odbierałoby wodę z powierzchni surowca, niż mogłaby ona podsiąknąć z głębszych jego warstw, co mogłoby doprowadzić do po­wierzchniowego przegrzania i wytworzenia skorupy utrudniającej dal­sze suszenie. Suszenie tego rodzaju przeprowadza się w różnych typach suszarek kon wekcyj nych. Zmiany zachodzące w przepływającym powietrzu. W związku z tym, że powietrze w suszeniu konwekcyjnym spełnia rolę czynnika doprowa­dzającego ciepło i odprowadzającego wilgoć, jego właściwości fizyczne nie są nigdy stałe. Od cech fizycznych powietrza i ich zmian zależy przebieg suszenia. Niektóre z tych zmian i proces suszenia omówione zostaną w oparciu 0 jedną z suszarek konwekcyjnych Schieldego, której schemat pokazany jest na rysunku 39. W załączonym schemacie surowiec do suszenia znaj­duje się na sitach (1, 2). Aby proces suszenia mógł zachodzić, musi być stały dopływ ciepła 1 ciągły ruch powietrza. W suszarni tej ciepło dostarcza para grzejna doprowadzona do kaloryferów pierwszego ogrzewania (3) i drugiego ogrzewania (4), od których nagrzewa się powietrze wchodzące otworem (5) i przechodzące przez całą komorę (6) dzięki ssącemu działaniu wen­tylatora (7). Powietrze wchodzące otworem (5), np. o temperaturze 40°C i wil­gotności względnej 50%, przechodząc przez komorę grzejną (3) zostaje podgrzane do temperatury np. 70°C. Jego wilgotność maksymalna na skutek ogrzania wzrasta. Ponieważ jego wilgotność bezwzględna w tym czasie nie ulega zmianie, pociąga to spadek wilgotności względnej do około 11%. Powietrze to dochodzi do sit (2) z surowcem, oddaje mu ciepło potrzebne na wyparowanie wody, chłodząc się np. do 55°C i przyj­mując równocześnie wyparowaną wodę. Jego wilgotność maksymalna obniża się (chłodzenie powietrza), wilgotność bezwzględna zaś wzrasta, gdyż do powietrza dochodzi wyparowana woda. Pociąga to za sobą wzrost wilgotności względnej, przez co chłonność wilgoci przez powie­trze maleje. Dla podniesienia chłonności jest ono ponownie przepuszczane przez grzejniki (4). Ponieważ brak jest tu dopływu wilgoci — wilgotność bez­względna powietrza nie zmienia się. W związku z podgrzaniem powie­trza wilgotność maksymalna wzrasta. Z powyższego wynika, że wil­gotność względna maleje. Powietrze przechodzące przez sita. górne (2) podlega zmianom jak przy przejściu przez sita dolne (2). Z przyczyn podanych poprzednio powietrze po jednorazowym przejściu przez sita nie nasyci się dostatecznie wilgocią. Zassane przez wentylator (7), dzięki regulowaniu odpływu za pomocą klapy (8), w znacznej części zostaje skierowane ponownie do suszarni. Ilość tego powietrza powinna być re­gulowana, by wychodzące przewodem (9) miało wilgotność względną 70%. Gdy wilgotność ta jest mniejsza, przymyka się klapę (8), (mniej­szy dopływ powietrza z suszarni, większy % powietrza zawracającego), a gdy większa — otwiera się ją, aby zapewnić większy odpływ powie­trza bardziej nasyconego wilgocią. Przebieg suszenia — odparowanie wody. Cały czas suszenia surowca można podzielić na trzy okresy: 1) okres stałej szybkości suszenia — parowanie powierzchniowe, 2) okres spadającej szybkości suszenia — parowanie również po- wierzchniowe, ale ograniczone przenikaniem wody z głębszych warstw surowca, 3) okres dosuszania — parowanie wewnętrzne i powierzchniowe. W okresie pierwszym surowiec, będąc bogaty w wodę, łatwo ją od­daje. Suszenie odbywa się na powierzchni, woda szybko podsiąka z warstw bliższych powierzchni, a następnie z warstw głębszych. Okres ten trwa do czasu, gdy podsiąkanie staje się wolniejsze. W okresie drugim podsiąkanie wody kapilarami surowca jest wol­niejsze od parowania, w związku z tym szybkość jego jest ograniczona i coraz bardziej maleje. Dopływające z powietrzem ciepło, nie zużyte na parowanie, nagrzewa surowiec, podnosząc jego temperaturę prawie do temperatury powietrza suszącego. W okresie trzecim na skutek nagrzania się całego surowca woda za­czyna parować również w jego kapilarach. Część wody przechodzi na powierzchnię w postaci pary, część pozostaje w postaci wody podsiąka-jącej (dyfuzja wody w kierunku większego stężenia suchej substancji i podsiąkanie kapilarne). Parowanie jest wówczas wewnętrzne i powierz­chniowe. Gdy istnieją prawidłowe warunki suszenia — gdy właściwie dobra­ny jest dopływ ciepła, przedstawiony przebieg suszenia zachodzi bez za­kłóceń. Jeśli w pierwszym okresie suszenia powietrze jest suche i gorące, szybkość przepływu jest duża, woda nie nadąża przeniknąć z środkowych warstw ku powierzchni. Wtedy następuje szybkie wysuszenie powierzch­niowe i temperatura tej warstwy nadmiernie szybko się podnosi. Może to doprowadzić do denaturacji białek i karmelizacji cukrów, w wyniku czego wyloty kapilar zostają zamknięte, powstaje skorupa utrudniają­ca podsiąkanie wody ku powierzchni i przerywa dalszy, prawidłowy przebieg suszenia. W trzecim okresie suszenia z braku wilgoci w surowcu, która ła­godziłaby ujemne działanie ciepła (działa powietrze suche i gorące), mo­że dojść do zapieczenia nawet środkowej części produktu. Temperatura suszenia. Zakres stosowania temperatur uzależniony jest od wrażliwości surowca na działanie ciepła. Wysokie temperatury mogą wywołać zmiany barwy, zapachu, smaku i konsystencji. Ogólnie dąży się do jak najdalej posuniętego obniżenia temperatury, wprowadząjąc metody suszenia sublimacyjnego, np. suszenie zamrożonego surowca, suszenie próżniowe bez zamrożenia oraz inne rozwiązania tego typu. Przy suszeniu konwekcyjnym ogólnie przyjmuje się, że surowców aromatycznych jak: cebula, pory, selery, oraz zawierających dużo cu­krów, zwłaszcza prostych, nie należy suszyć w temperaturach wyższych od 50°C, pozostałe zaś w temperaturach nie wyższych od 65°C. Tem­peratura suszenia zależy również od cech indywidualnych surowca i de­likatności jego struktury oraz od wilgotności względnej powietrza. Czas suszenia. Zależy od wielu różnych czynników. Podniesienie temperatury, obniżenie wilgotności względnej powie­trza, zwiększenie jego ruchu w suszarni, zmniejszenie drogi podsiąka-nia wody (cieńsza warstwa, rozdrabnianie), użycie surowca o mniejszej zawartości wody oraz zabiegi ułatwiające suszenie, jak blanszowanie (usunięcie nalotu woskowego, delikatne spękanie skórki, odklejenie bło­ny protoplazmatycznej od błony komórkowej) lub obranie ze skórki — przyspieszają proces suszenia. Czas suszenia zwykle nie przekracza 24 godzin, z tym, że dla wa­rzyw, które łatwiej oddają wodę, wynosi 4—12 godzin. Ze względów eknomicznych i dla jakości suszu korzystnie jest, gdy czas suszenia jest krótszy. Momentem ograniczającym szybkość susze­nia jest przenikanie wody z środkowych warstw surowca. Kierunek przepływu powietrza. Powietrze przy wejściu do suszarni może się spotkać albo z surowcem najbardziej podsuszonym i przepły­wać w kierunku przeciwnym do niego (przeciwprąd), albo z surowcem najmniej podsuszonym i przepływać w kierunku zgodnym z jego prze­pływem (współprąd). W pierwszym wypadku stosowane jest tzw. suszenie w przeciwprą-dzie. Suszenie takie przedstawione jest w omawianej suszarni Schielde-go, w której sita z surowcem są przesuwane z góry na dół, powietrze zaś płynie w przeciwprądzie. Zaletą tego suszenia jest lepsze dosuszanie pro­duktu, gdyż różnica temperatur i niska wilgotność względna stwarzają ku temu warunki. Równocześnie istnieje niebezpieczeństwo „zapiekania" suszu z wymienionych już powodów przy omawianiu poszczególnych okresów suszenia. Przy suszeniu w przeciwprądzie surowiec najzimniejszy i najbo­gatszy w wodę, a zatem najbardziej odporny na działanie temperatury, spotyka się z ochłodzonym już częściowo powietrzem o wyższej wil­gotności względnej. Pociąga to za sobą zwolnienie suszenia, przeciw­działa zaskorupieniu powierzchni surowca. Suszenie w przeciwprądzie zalecane jest dla owoców nie obranych z surowców wymagających znaczniejszego wysuszenia. Przy suszeniu we współprądzie układ jest odwrotny. Powietrze naj­bardziej suche i ciepłe spotyka się z surowcem najbardziej wilgotnym, szybko suszy jego powierzchnię i może wywołać jej zaskorupienie. Oprócz tych dwu podstawowych kierunków ruchu powietrza ist­nieją jego modyfikacje możliwe dzięki różnej konstrukcji suszarek. Ruch powietrza w różnych typach suszarek może być prostolinio­wy, ze zmiennym kierunkiem przepływu, lub okrężny. Przy typach su­szarek, w których powietrze uchodzi do góry, kierunek może być pro­stoliniowy, jednokierunkowy. Przy poziomym kierunku ruchu powie­trza (suszenie tunelowe) warunki suszenia nie są równomierne i powie­trze może się rozwarstwiać. W górnych warstwach są lepsze warunki suszenia. W tym przypadku korzystnie jest ukierunkować przepływ po­wietrza, by płynęło ono przez sita ułożone np. na wózkach, a nie wzdłuż sit. Szybkość przepływu powietrza. Ruch powietrza w suszarni może być wywołany wentylacją naturalną (kominkową) lub mechaniczną. Wentylacja kominowa możliwa jest dzięki obniżaniu się ciśnienia at­mosferycznego u wylotu komina w miarę podnoszenia otworu komino­wego oraz dzięki obniżeniu się masy właściwej powietrza ciepłego (na­syconego parą wodną), co powoduje ruch powietrza w górę. W przemys­łowym suszeniu owoców i warzyw sama naturalna wentylacja nie wy­starcza, gdyż daje małe szybkości przepływu, obniżając przez to odrywa­nie się powietrza już wilgotnego od suszonej powierzchni. Odgrywa ona jednak ważną rolę jako ułatwiająca wentylację mechaniczną. Wentylacja mechaniczna polega na zasysaniu powietrza, a przez to zmuszeniu go do przepływu przez elementy grzejne i sita z surowcem. Zasysanie musi być tak ukierunkowane, by ruch ten wywołany pracą wentylatorów pokrywał się z naturalnym ciągiem, a jego wielkość była tak duża, by mógł pokonać opory stawiane po drodze i wywołać szyb­kość rzędu 2,5—6 m/s, która zapewnia prawidłowe suszenie. Powietrze powinno być raczej zasysane (wentylator w otworze wy­lotowym), gdyż wówczas w suszarni wytwarza się zmniejszone ciśnie­nie, niż wtłaczane (wentylator w otworze wlotowym) zwiększone ciś­nienie. Szybkość ruchu powietrza mierzy się anemometrem lub za po­mocą rurek Pitota. Wilgotność względna powietrza. Wilgotność względna powietrza w procesie suszenia ulega zmianie, jak to już wykazano poprzednio. Przy suszeniu można wyróżnić wilgotność względną — powietrza wprowadza­nego do suszarni i odprowadzanego z suszarni. Największe zmiany w wilgotności względnej następują w czasie przepływu powietrza przez komorę grzejną, zwłaszcza gdy wchodzi tam powietrze chłodne. Wilgotność powietrza wchodzącego do suszarki przy suszeniu w prze-ciwprądzie powinna wynosić 10—25%, co zależy od nawodnienia suszo­nego surowca. Aby uzyskać taką wilgotność, nie można wprowadzać je­dynie chłodnego powietrza do komory grzejnej suszarni, lecz trzeba dodać do niego powietrza bogatszego w wilgoć (recyrkulacja). Wilgotność powietrza wychodzącego przy przeciwprądzie ze wzglę­du na większy efekt suszenia powinna wynosić około 50%. Ze względu jednak na duże straty ciepła przy wyprowadzeniu gorącego powietrza (około 50°C) przy wysyceniu wilgocią tylko 50% korzystnie jest pod­nieść tę wilgotność do 65% przez zastosowanie zwiększonej recyrkulacji. Przy wilgotności 70% suszenie przebiega również prawidłowo. Zasada suszenia w suszarkach konwekcyjnych. Suszenie konwekcyj­ne można przeprowadzić w różnego rodzaju suszarkach jak: komorowych, tunelowych, taśmowych, bębnowych i rozpyłowych. Wspólną ich cechą jest to, że materiał suszony znajduje się w stru­mieniu powietrza suszącego, od którego pobiera ciepło oddając wilgoć unoszoną przez nie na zewnątrz suszarki. Podstawowym elementem suszarek komorowych jest komora z sita­mi, na których spoczywa surowiec. Jedną z częściej spotykanych suszarek komorowych jest suszarka typu Schieldego (rys. 39). Suszenie w tej suszarce przebiega następują­co: z wysuniętego ostatniego dolnego sita zdejmuje się susz, a na jego miejsce nakłada się jedną warstwę przygotowanego surowca do susze­nia. Sito w tym czasie spoczywa na podnośniku sit (10). Sito z pod­nośnika (10) podawane jest do górnej części suszarni. W tym czasie, dzięki specjalnym urządzeniom zapadkowym, wszystkie sita zostają prze­mieszczone o jedno miejsce w dół. Sito z surowcem zostaje teraz wsu­nięte w najwyższe położenie (12). Następnie na opuszczony nieco pod­nośnik wyciąga się ostatnie sito z górnej części komory (13) i po prze­mieszaniu surowca wsuwa się na wolne miejsce pod kaloryferami środ­kowymi (4). Dalsze czynności powtarzają się jak poprzednio. Czynności przy suszeniu i jego kontroli polegają na: sprawdzeniu ciśnienia pary grzejnej doprowadzonej do kaloryferów, temperatury su­szu (oraz na ich regulowaniu), okresowym sprawdzeniu działania garn­ków kondensacyjnych, przekładaniu sit, mieszaniu surowca, kontroli sta­nu jego suszenia, dokładnym oczyszczeniu sita przed ponownym zała­dunkiem, kontroli szybkości przepływu powietrza wychodzącego i regu­lowaniu recyrkulacji. Podstawową częścią suszarek tunelowych jest tunel (wydłużona ko­mora), wewnątrz którego przesuwa się suszony materiał, umieszczony na sitach spoczywających na wózkach. Są to suszarki o działaniu ciągłym. Zasadniczą częścią suszarek taśmowych jest tunel lub komora, we­wnątrz której na taśmie bez końca, wykonanej z siatki, jest przesuwany suszony materiał. Zasadniczą częścią suszarek bębnowych jest obracający się bęben o niedużym nachyleniu. Do bębna doprowadzone jest podgrzane powie­trze (najczęściej gazy spalinowe przy użyciu paleniska jako źródła cie­pła). Surowiec doprowadzony do bębna dzięki różnym dodatkowym urzą­dzeniom (listwy, łopatki wewnątrz bębna) przy jego obrocie jest stale przesypywany i równomiernie przesuwany ku przodowi. Spotykając się z gazami spalinowymi suszy się i opuszcza bęben na drugim końcu, już jako susz. Ten typ suszenia jest mało przydatny do owoców, warzyw i grzy­bów. Był używany do suszenia wytłoków z jabłek przy produkcji pre­paratów pektynowych. Suszarki rozpyłowe stosuje się do suszenia surowców o konsystencji płynnej. Zasadniczą częścią tych suszarek jest komora, w której dopro­wadzony do suszenia płyn jest rozpylany przy użyciu dysz lub pod dzia­łaniem siły odśrodkowej powstałej w wyniku dużej szybkości wirowa­nia talerzy, na które spada ciecz. Materiał suszony rozpyla się w suszar­ce na drobne kropelki o średnicy kilku mikrometrów. Dzięki temu zwięk­sza się powierzchnia parowania cieczy, co powoduje skrócenie czasu suszenia do paru sekund. Szybkie suszenie wymaga dopływu większej ilości ciepła w jednostce czasu. Z tych względów doprowadzone powie­trze suszące ma wyższą temperaturę niż stosowane przy innych ty­pach suszarek, ale nie stanowi ono niebezpieczeństwa dla suszu, gdyż temperatura jego szybko spada na skutek oddawania ciepła do suszenia. Spadające drobne kropelki suszonej cieczy szybko schną i już jako pro­szek opadają na dno. Wadą suszenia rozpyłowego są bardzo duże straty substancji aro­matycznych. Nowym rozwiązaniem suszenia rozpyłowego jest suszenie metodą Birsa, w której omawiana wada jest znacznie zmniejszona. Suszenie przy tej metodzie przeprowadza się w wieżach o wysokości 60 m i średnicy 15—30 m. Produkt rozpylony na kropelki o średnicy 0,3—3,0 mm spa­da z wieży w dół, spotykając się z powietrzem o temperaturze około 20°C. Suche powietrze unosi się w górę z szybkością 0,1—1,0 m/s, prze­ciwdziałając szybkiemu opadaniu kropli. Czas spadania kropli, a przez to samo czas suszenia, wynosi 50—200 sekund. Temperatura najwyższa jest w dolnej wieży, wilgotność zaś najwyższa w górnej. Ma to poważ­ny wpływ na jakość suszu. Aromaty ulatniające się w dolnej części wie­ży spotykają się w przeciwprądzie z kropelkami suszonej cieczy i są przez nią absorbowane. Denaturacja koloidalnych części jest znikoma, przez co susz wykazuje wysoki stopień rehydratacji.