Технология сушки. Основы тепло- и массопереноса

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.
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

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

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

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

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

Введение

Сушка широко применяется в промышленной переработке сельскохозяйственной продукции для лучшей сохранности сырья, а также при производстве пищевых продуктов как метод их консервирования. Объектами 
сушки могут быть разнообразные материалы на различных стадиях их переработки (сырье, полуфабрикаты, готовые изделия).
Сушка позволяет сократить потери ценных ингредиентов, а также 
эффективно реализовать побочные продукты пищевых производств, 
что в конечном итоге выражается в создании безотходных производств.
Создание высокоэффективной технологии сушки пищевых продуктов и соответствующего этой технологии аппаратурного оформления 
процесса должно развиваться по двум основным направлениям. Первое 
связано с интенсификацией процесса в серийно выпускаемом оборудовании и модернизацией последнего. Второе — с созданием принципиально 
новой прогрессивной технологии и оборудования для ее обеспечения.
Наряду с изложенными положениями следует помнить о значительной энергоемкости процессов сушки. Большое значение имеет реализация этих процессов при высокой интенсивности сушильного процесса, 
обеспечивающего минимальные энергетические затраты.
Пищевые материалы сушатся с различной целью:
1) для уменьшения массы, что удешевляет их транспортирование;
2) повышения стойкости при хранении;
3) как один из методов консервирования пищевых продуктов, таких 
как биопрепараты и пищевые продукты.
Сушка — сложный технологический процесс, который часто является 
решающим этапом производства. Принципы обезвоживания и методы 
сушки весьма разнообразны. Повышение производительности сушильных установок может быть достигнуто как экстенсивными методами — 
путем увеличения габаритов сушильной камеры, уменьшения простоев 
и т. д., так и более эффективными интенсивными методами — путем 
повышения скорости сушки и соответствующего сокращения продолжительности процессов. В свою очередь, это может быть достигнуто 
как за счет увеличения кинетических коэффициентов, таких как диффузионный и молярный перенос влаги, так и за счет повышения движущих 
сил процесса — градиентов влагосодержания, температуры и давления. 

Введение

Повышение движущих сил процесса имеет определенные технологические пределы, связанные с термолабильностью биологических объектов, 
в том числе и пищевых продуктов. Увеличение кинетических коэффициентов возможно введением, например, предварительного нагрева материала перед сушкой, что способствует резкому повышению коэффициента 
диффузии влаги внутри продукта. 
Теория сушки рассматривает общие аналитические и экспериментальные закономерности процесса в их взаимосвязи, вскрывает механизм 
и движущие силы протекания процессов при различных методах энергоподвода. Технология сушки изучает свойства материалов как объектов 
сушки, что является основой рационального выбора процесса и оптимального режима его проведения. Применение отдельных прин ципов 
обезвоживания и методов сушки обусловлено энергией связи влаги 
с материалом. В случае когда агрегатное состояние влаги в продукте 
не изменяется, то удаляется свободная или слабо связанная с материалом влага. При изменении агрегатного состояния влаги скорость сушки и расположение зоны испарения в значительной степени зависят 
от прочности связи влаги с материалом. То есть энергия затрачивается 
как на преодоление силы этой связи, так и на теплоту парообразования. Следует помнить, что большинство пищевых продуктов являются 
коллоидными, а по структуре — капиллярно пористыми материалами, 
в которых влага прочно связана с твердым скелетом. Кроме того, эти 
продукты поступают на сушку с высокой влажностью, причем значительная часть влаги должна быть удалена в процессе сушки. Так, например, 
влажность уменьшается: при сушке овощей с 90 до 6–12 %; при сушке 
белоксодержащих продуктов (молока, мясных гидролизатов, бульонов 
и т. д.) от 80 до 2–6 %.
Примером интенсификации процессов в серийно выпускаемом оборудовании и модернизации последнего может служить анализ процессов 
тепло- и массообмена в барабанном агрегате на примере легких полидисперсных материалов, таких как семена подсолнечника. Можно показать, 
что используемые технологические режимы применительно к подобным 
продуктам не оптимальны, что приводит к низкому термическому коэффициенту полезного действия подобных агрегатов. Незначительная 
модернизация может привести к существенному увеличению производительности, а следовательно, и термического КПД.
Второе направление связано с созданием принципиально нового оборудования, приводящего к максимально возможному массо- и теплообмену. Например, при сушке растворов, суспензий и паст в сравнительно 
недавно разработанных аппаратах вихревого слоя, аппаратах со встречно-закрученными струями и т. д.