Nie tylko suszarnia, czyli o linii technologicznej do suszenia żywności
5 sierpnia 2020
Suszarnie promiennikowo – konwekcyjne
15 września 2020

    Najstarsza metoda suszenia, w której produkt ogrzewany jest powietrzem o podwyższonej temperaturze, nazywa się metodą konwekcyjną. Jest to również metoda najczęściej stosowana w urządzeniach suszarniczych, dlatego też przybliżymy jej podstawowe aspekty, wpływające na dobór poszczególnych parametrów wykonywanych przez nas maszyn.

Proces technologiczny odparowania wody

     Metoda konwekcyjna jest to jedna z bezpośrednich metod suszenia, w której przepływający czynnik suszący ogrzewa produkt. Powoduje to ruch wody z wnętrza materiału do jego powierzchni, skąd jest ona odbierana przez przepływający czynnik suszący. W niniejszym artykule przyjęto, że czynnikiem tym jest ogrzane powietrze, ale należy pamiętać, że można również zastosować, m.in. N2 lub parę przegrzaną.

Powietrze przepływające przez komorę urządzenia ogrzewane jest w nagrzewnicy powietrza zasilanej najczęściej gazem ziemnym, olejem bądź prądem elektrycznym. Alternatywne, mniej powszechnie stosowane rozwiązania pozwalające na podwyższenie temperatury czynnika suszącego to, np. pompy ciepła lub nagrzewnice parowe.

Zachodzący w trakcie suszenia wewnętrzny transport masy to bardzo złożony proces zachodzący wskutek m.in.:

  • Różnicy stężeń pary wodnej zarówno w produkcie, jak też na jego powierzchni,
  • Sił kapilarnych,
  • Skurczu produktu oraz lokalnych gradientów naprężeń pary wodnej,
  • Różnicy wartości ciśnienia i temperatury w komorze urządzenia oraz wewnątrz produktu,
  • Sił grawitacyjnych.

 

Prędkość, z jaką zachodzi odparowywanie wody z produktu, nazywana szybkością suszenia, pozwala na wyróżnienie następujących etapów procesu suszenia metodą konwekcyjną:

  • Etap wstępny

     Jest to etap, w trakcie którego produkt jest podgrzewany, a jego temperatura, wskutek dużego gradientu  między wnętrzem materiału a czynnikiem suszącym, szybko wzrasta.

  • Pierwszy okres suszenia

   W tym okresie szybkość suszenia ma stałą wartość. Na początku temperatura produktu wzrasta do poziomu temperatury mokrego termometru, czyli najniższej temperatury przy danej wilgotności i ciśnieniu, w której ciało można ochłodzić poprzez odparowanie wody znajdującej się na jego powierzchni. Potem ma ona stałą wartość, ponieważ ciepło wnikające z otoczenia jest zużywane w całości na odparowanie wody z powierzchni materiału. W trakcie tego etapu ma miejsce odparowanie wody powierzchniowej i trwa on dopóki powierzchnia produktu jest zwilżona.

  • Drugi okres suszenia

   Etap drugi charakteryzuje się malejącą szybkością suszenia. W trakcie niego wilgotność materiału dąży do wilgotności równowagowej, tj. takiej, przy której jest ona w stanie równowagi z poziomem wilgotności czynnika suszącego. Usuwana zostaje wówczas woda związana znajdująca się w produkcie. W trakcie trwania tego etapu, wymiana ciepła i masy przebiega coraz wolniej, ponieważ wraz ze spadkiem wilgotności i wzrostem temperatury panującej we wnętrzu produktu, maleje gradient stężenia wilgotności i temperatury między wnętrzem produktu a środowiskiem.
O czasie trwania ostatniego etapu decyduje szybkość, z jaką zachodzi migracja wody z wnętrza do powierzchni produktu. Na koniec całego procesu suszenia temperatura produktu wzrasta do poziomu temperatury czynnika suszącego.

Zmiany szybkości suszenia i temperatury produktu w poszczególnych etapach zostały zilustrowane na rysunku poniżej.

Parametry suszenia metodą konwekcyjną

Głównymi parametrami decydującymi o wydajności procesu suszenia oraz jakości uzyskanego suszu są:

  • temperatura przepływającego powietrza

Temperaturę stosowaną w procesie suszenia określa się na podstawie oczekiwanej wydajności oraz jakości otrzymanego produktu. Zastosowanie wyższej temperatury czynnika suszącego powoduje:

    • wzrost szybkości dyfuzji pary wodnej, a tym samym skrócenie czasu trwania procesu,
    • zmniejszenie zawartości związków odżywczych, związków lotnych, antyoksydantów i fenoli w suszu,
    • w zależności od rodzaju produktu, możliwość jego większego skurczu. Mniejszy skurcz jest obserwowany w przypadku materiałów, których powierzchnia pod wpływem wysokiej temperatury ulega utwardzeniu, ograniczając tym samym zmiany objętości materiału,
    • powstanie możliwości intensyfikacji spękań produktu wskutek zwiększonej wartości naprężeń wewnętrznych,
    • większe zmiany barwy produktu, intensywniejsze jego brunatnieniem oraz zmniejszenie zawartości chlorofili,
    • spadek aktywności wody w suszu, co pozwala na zahamowanie rozwoju większości bakterii i grzybów,
  • prędkość przepływającego powietrza

Przepływ powietrza pozwala na utrzymanie stałej wartości temperatury i wilgotności we wnętrzu komory urządzenia.

Przepływające przez komorę urządzenia powietrze ogrzewa produkt poddawany procesowi suszenia oraz odbiera wodę z jego powierzchni. Wraz ze wzrostem prędkości czynnika suszącego, ciśnienie przy powierzchni materiału maleje. Transportowana z wnętrza materiału woda napotyka na powierzchni na mniejszy opór, co w konsekwencji przekłada się na skrócenie czasu trwania procesu suszenia. Jednakże należy pamiętać, że prędkość powietrza nie może być dowolnie duża, gdyż mogłoby to skutkować unoszeniem lekkich produktów, ich silniejszym pyleniem oraz większymi stratami energetycznymi. Ucieczkę ciepła wraz z wyrzucanym powietrzem można ograniczyć stosując, np.:

    • system rekuperacji,
    • częściowo lub całkowicie zamknięty obieg powietrza wykorzystujący system wykraplania wody z powietrza wylotowego.

Zastosowanie większych przepływów powietrza implikuje także zwiększenie nakładów inwestycyjnych i eksploatacyjnych z uwagi na konieczność zakupu wentylatorów oraz nagrzewnic o większej mocy.

  • wilgotność przepływającego powietrza

Wilgotność czynnika suszącego decyduje o ilości wody, jaką może on odprowadzić z powierzchni produktu.

 

     W procesie suszenia, w zależności od rodzaju produktu i oczekiwanych efektów, mają zastosowanie różne rozwiązania dotyczące przepływu czynnika suszącego względem produktu. Powietrze może poruszać się:

  • W tym samym kierunku, co produkt (w suszarniach taśmowych i bębnowych pracujących w trybie ciągłym), w tzw. współprądzie

   Wzdłuż kierunku ruchu taśmy transportowej czynnik suszący traci swoją temperaturę i staje się coraz wilgotniejszy, natomiast temperatura materiału rośnie. Rozwiązanie to jest zalecane w przypadku produktów wrażliwych na działanie wysokiej temperatury oraz łatwopalnych.

  • Przeciwnie do ruchu produktu produkt (w suszarniach taśmowych i bębnowych pracujących w trybie ciągłym), w tzw. przeciwprądzie

   W tym przypadku materiał o najniższej wilgotności styka się z czynnikiem suszącym o najwyższej temperaturze, dlatego też sposób ten może być stosowany jedynie w przypadku produktów odpornych na działanie wysokiej temperatury. Osiągana jest wówczas najniższa wilgotność końcowa, a proces przebiega z największą wydajnością.

  • Równolegle, w poprzek produktu nieporuszającego się, bądź poruszającego się na taśmach

   Metoda ta pozwala na zapewnienie najbardziej jednorodnych warunków suszenia, w których każda partia materiału suszona jest czynnikiem o stałej temperaturze i wilgotności. Istnieje wtedy lepsza możliwość regulacji parametrów procesu;

  • Prostopadle do warstw produktu

   W przypadku zastosowania prostopadłych względem produktu przepływów powietrza, bardzo ważne jest zapewnienie możliwości przepływu czynnika suszącego zarówno przez produkt, jak też podłoże na którym on spoczywa. Realizuje się to, m.in. układając produkt na tacach perforowanych.

 

     Innymi ważnymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę w procesie projektowania urządzenia wykorzystującego konwekcyjną metodę suszenia są:

  • rodzaj produktu,
  • właściwości fizyczne i chemiczne produktu, w tym:
    • współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję,
    • efektywny współczynnik dyfuzji,
    • współczynnik przenikania masy,
    • porowatość,
  • stopień rozdrobnienia produktu,
  • oczekiwana wydajność procesu
  • wymagana jakość otrzymanego suszu.

Przykładowo produkt charakteryzujący się większym stopniem rozdrobnienia suszy się szybciej, a zdolność otrzymanego suszu do rehydratyzacji rośnie. Ma na to wpływ przede wszystkim zwiększenie powierzchni właściwej materiału, przez którą może być odprowadzana woda. Należy także zwrócić uwagę, czy dany produkt, ze względu na jego właściwości fizyczne i chemiczne, nie stwarza zagrożenia wybuchowego – w takim przypadku należy zmniejszyć zawartość tlenu w czynniku suszącym. Trzeba także, w celu uniknięcia nadmiernego wzrostu ciśnienia we wnętrzu urządzenia w razie wybuchu, wybudować dodatkowe kanały wybuchowe umożliwiające odprowadzenie gazu. Stosowane w takich przypadkach specjalne systemy zabezpieczeń oraz alarmowe pozwalają na skuteczną kontrolę parametrów procesu i wcześniejsze ostrzeganie, zapewniając tym samym wymagany poziom bezpieczeństwa.

Podczas projektowania i wykonywania urządzeń bierzemy pod uwagę wszystkie te aspekty.  Stosujemy ponadto różnorodne rozwiązania zapewniające bezpieczeństwo i komfort użytkowania naszych suszarni. W tym celu, m.in.  wyposażamy maszyny w tłumiki akustyczne pozwalające na ograniczenie generowanego hałasu poniżej dopuszczalnych poziomów. Projektowane i wykonywane przez nas maszyny mają najwyższą jakość oraz spełniają wymagania dotyczące bezpieczeństwa i higieny pracy, poświadczone certyfikatem CE.

Ograniczenia i zalety metody konwekcyjnej

Metoda konwekcyjna jest jedną z najbardziej energo– i czaso- chłonnych w porównaniu, np. z metodą promiennikową, co wynika, m.in. z faktu, że w metodzie tej produkt ogrzewany jest wyłącznie powierzchniowo, a dopiero potem ma miejsce transport energii cieplnej do wnętrza materiału.

Długi czas trwania procesu suszenia sprawia, że jakość produktu może ulec pogorszeniu. Susz otrzymany metodą konwekcyjną ma mniejszą zawartość, m.in. związków odżywczych oraz bioaktywnych od otrzymanego metodą promiennikową. Znane są jednak sposoby minimalizacji negatywnego wpływu długiej ekspozycji na działanie powietrza o wysokiej temperaturze, takie jak:

  • prowadzenie procesu suszenia w warunkach niestacjonarnych, tj. przy zastosowaniu naprzemiennych cykli nagrzewania i chłodzenia produktu w momencie, gdy zachodzi ryzyko destrukcji materiału;
  • stosowanie hybrydowych metod suszenia, np. konwekcyjno – promiennikowej, czy też konwekcyjno – mikrofalowej;
  • wprowadzenie obróbki wstępnej produktu, np. blanszowania.

Metoda konwekcyjna nie jest zalecana w przypadku produktów silnie pylących albo wydzielających zanieczyszczenia, gdyż istnieje wówczas prawdopodobieństwo zanieczyszczenia środowiska zewnętrznego przez powietrze wyrzucane z kanałów wyrzutowych. Nie należy jej również stosować do suszenia materiałów, dla których wskutek intensywnego pylenia i utleniania istnieje niebezpieczeństwo wybuchu.

Należy także pamiętać, że suszarnie konwekcyjne wymagają wykonania systemu kanałów wentylacyjnych oraz, jeśli nagrzewnice zasilane są gazem, spalinowych. Konieczne jest ponadto wykonanie licznych przyłączy, np. gazu, prądu elektrycznego lub pary wodnej w zależności od rodzaju zastosowanego urządzenia ogrzewającego czynnik suszący. Jednakże pomimo, że powierzchnia zabudowy jest większa niż w przypadku, np. metody mikrofalowej, całkowite koszty inwestycyjne potrzebne na budowę urządzenia są niższe, co wynika, m.in. z prostej konstrukcji urządzenia.

Metoda konwekcyjna jest jedną z najlepiej zbadanych. Znane są rozwiązania umożliwiające precyzyjną kontrolę parametrów procesu suszenia, a tym samym uzyskanie oczekiwanych rezultatów dotyczących zarówno wydajności, jak też jakości suszu. Projektowanie i budowa suszarni wymaga jednakże szerokiej wiedzy i dużego doświadczenia. Posiadają je nasi projektanci, którzy każdy projekt traktują indywidualnie i ustalają parametry urządzenia tak, by spełniały one oczekiwane przez inwestora założenia.