Tema proiectului

Sa se dimensioneze procesul tehnologic de conservare prin uscare a 1000 kg lactoza cu ajutorul radiatiilor infrarosii. Uscarea se face pana la o umiditate de 2% iar capacitatea instalatiei de uscare este de 40kg lactoza/sarja (o sarja dureaza 2 minute ).

Se cere:

a)               randamentul de uscare a lactozei stiindu-se ca produsul are la intrare o umiditate de 12%;

b)              cantitatea de lactoza obtinuta stiind ca pierderile la uscare sunt, pe langa apa evaporata, de 2%, numarul de pungi de 0,5 kg necesare ambalarii lactozei;

c)               numarul de sarje ce se realizeaza pentru uscarea lactozei, precum si timpul necesar uscarii;

d)              bilantul de materiale in varianta analitica

e)               numarul de lampi necesare stiind ca puterea necesara este de 13 Kw iar puterea unei lampi folosite este de 250 w.

A. Partea generala

1.Introducere

Radiatiile infrarosii sunt cunoscute inca din 1800, insa aplicatiile lor industriale au inceput abia in 1935, cand uzinele Ford din SUA au realizat primele instalatii cu radiatii infrarosii pentru uscarea lacurilor si vopselelor, in productia de automobile, elaborand dupa aceasta data mai multe procedee industriale de uscare cu radiatii infrarosii.

In perioada 1940 - 1944 a inceput folosirea procedeelor de uscare industriala cu radiatii infrarosii si in Europa. Succesul primelor operatii de uscare cu radiatii infrarosii, indeosebi in domeniul uscarii peliculelor de lac, a determinat raspandirea acestui procedeu de uscare, care prezinta o serie de avantaje fata de uscarea prin convectie, desi nu intotdeauna poate sa o inlocuiasca complect. Acest fapt a contribuit la constructia de noi surse de radiatii infrarosii, la perfectionarea celor existente si la realizarea de noi instalatii mai eficace si mai economice.

Instalatiile industriale de uscare se pot clasifica dupa mai multe criterii. Astfel, dupa felul energiei folosite pentru producerea radiatiilor infrarosii, instalatiile de uscare se impart in doua categorii

insatlatii de uscare la care producerea radiatiilor infrarosii se obtine prin incalzirea filamentului lampilor cu incandescenta sau a rezistorilor din tuburi, panouri metalice sau ceramice, cu ajutorul energiei electrice;

instalatii de uscare, la care producerea radiatiilor infrarosii se obtine prin incalzirea panourilor metalice sau ceramice, cu ajutorul energiei termice, utilizandu-se indeosebi combustibili gazosi.

Dupa felul radiatorului, instalatiile de uscare se impart in :

instalatii cu lampi cu incandescenta ;

instalatii cu radiatoare tubulare cu rezistente electrice ;

instalatii cu panouri radiante metalice sau ceramice cu rezistente electrice ;

instalatii cu panouri radiante metalice sau ceramice cu arzatoare cu gaze.

Dupa caracterul lor, instalatiile de uscare cu radiatii infrarosii se impart in :

instalatii de uscare fixe (stationare);

instalatii de uscare portabile sau mobile.

Instalatiile de uscare fixe, din punct de vedere constructiv se impart in :

instalatii de uscare tip etuva (tip camera);

instalasii de uscare tip tunel, la care deplasarea materialelor de uscat se face pe vagonete, benzi sau conveiere.

Instalatiile de uscare fixe se executa fie deschise (fara ingradiri), fie inchise, cu izolatie termica. Cele de tip deschis nu sunt economice, intrucat intre materialul de uscat si aerul rece din incapere se produce continuu un schimb de caldura, ceea ce pe de-o parte reduce viteza uscarii, iar pe de alta parte necesita un consum suplimentar de caldura pentru mentinerea temperaturii constante a materialului. Instalatiile de tip deschis se folosesc de obicei pentru uscarea peliculelor de lac cu uscare rapida, in celelalte cazuri fiind folosita uscarea de tip inchis, cu izolatie termica.

Instalatiile de uscare tip portabile se folosesc pentru uscarea diferitelor utilaje. Ca surse de radiatii infrarosii la acest tip de instalatii se folosesc de obicei lampi cu incandescenta.

2. Consideratii privind alegerea instalatiilor cu radiatii infrarosii

Alegerea instalatiilor cu infrarosii se face dupa examinarea mai multor factori, care pot fi grupati in doua categorii :

factori care tin seama de conditiile practice de exploatare a instalatiilor;

factori economici.

Prima categorie de factori se refera la : natura si caracteristicile fizico-chimice ale materialelor care urmeaza a fi supuse tratamentului termic si conditiile de exploatare.

In acest scop, trebuie indicate natura materialelor, greutatea specifica, cantitatea de solvent sau de lichid care urmeaza a fi evacuat, precum si natura acestora, coeficientii de reflexie, absorbtie si transmisie, forma si rezistenta mecanica a materialului, etc.

Aceste elemente sunt importante pentru ca ele determina alegerea tipului de instalatie (cu camera, tunel, etc.), precum si caracteristicile constructive ale acestora (natura surselor, volumul incintei, felul izolatiei, puterea instalata, etc.). In afara de acestea, trebuie sa mai tinem seama si de alte elemente particulare proprii specificului industriei respective si produselor de tratat, cum ar fi : uniformitatea calitatii produselor, aspectul exterior, etc.

Stabilirea conditiilor privind tratamentul termic sunt la fel de importante in alegerea instalatiilor. Acestea sunt : temperatura de prelucrare a materialului, inclusiv tolerantele admisibile, esalonarea temperaturilor in cursul unui ciclu de functionare, conditiile de racire a produselor dupa tratament, temperatura de aprindere a produselor, etc.

Daca toate aceste date nu sunt cunoscute, urmeaza sa se faca incercari pe instalatii proba, folosind esantioane din materialul respectiv.

Alegera instalatiilor de incalzire si uscare cu radiatii infrarosii, ca de altfel si a altor instalatii asemanatoare, necesita si cunoasterea conditiilor in care aceste instalatii vor functiona (conditii de exploatare), cum ar fi : locul de amplasare rezervat instalatiei, dimensiunile cladirilor, posibilitatea de acces, natura atmosferei (de exemplu prezenta vaporilor corozivi), gradul de calificare a mainii de lucru, gradul de automatizare cerut al instalatiilor, locul de stocare a materialelor inainte si dupa tratament, etc.

Toate aceste indicatii nu trebuie neglijate, ele servind, in fond, la alegerea cat mai corecta a instalatiilor si deci la obtinerea unor rezultate cat mai bune.

In final, se vor lua informatii asupra conditiilor de alimentare cu energie. De exemplu, in cazul energiei electrice, se va studia posibilitatea de furnizare, natura curentului electric, tensiunea de alimentare, costul energiei, etc.

Factorii economici de care trebiue sa tinem seama la alegerea instalatiilor cu radiatii infrarosii sunt : investitiile de capital si cheltuielile de exploatare.

3. Constructia unei instalatii de uscare (conservare) IR

Pentru a realiza constructia unei astfel de instalatii trebuie mai intai determinate, din punct de vedere constructiv, elementele instalatiei. Ca exemplu vom descrie o instalatie tip folosita adesea la uscarea prin radiatii infrarosii. Camera de uscare sau de incalzire este formata din doua tuneluri : unul interior si unul exterior, executate din tabla de otel.

Prin tunelul interior se deplaseaza banda transportorului. Partea inferioara a benzii transportorului trece pe sub tunelul interior. Banda transportorului se deplaseaza cu o viteza care depinde de lungimea tunelului si cantitatea de material care urmeaza a fi uscat. In unele cazuri, in special la uscarea produselor agricole, este necesar ca la intrarea in tunel sa fie o temperatura mai joasa decat in restul tunelului, unde materialul se usuca pana la parametrii de umiditate doriti. Sarcina termica a radiatiilor trebuie sa corespunda acestei cerinte.

In spatiul dintre cele doua tuneluri sunt amplasate arzatoare cu placi din ceramica si tevile recuperatorului, in care se preincalzeste aerul inainte de intrarea lui in tunelul interior.

Radiantii sunt deobicei asezati in zig-zag. Radiantii inferiori transmit caldura partii de jos a tunelului, care se incalzeste pana la 200 - 300ºC si devine sursa de radiatii infrarosii. Daca banda transportorului este o plasa, iar tunelul interior este construit fara partea de jos, radiantii inferiori iradiaza nemijlocit materialul si afara de aceasta, gazele arse ridicandu-se in sus, incalzesc materialul prin convectie.

Radiantii din partea superioara sunt astfel montati, incat energia radianta a lor sa fie indreptata fie asupra plafonului tunelului interior, fie direct asupra materialului. In primul caz, plafonul devine sursa de radiatii infrarosii. In al doilea caz, se indeparteaza registrele respective de pe tunelul interior.

Asemenea constructie permite, pe de o parte, efectuarea proceselor termice de productie, iar pe de alta parte efectuarea cercetarilor experimntale in vederea determinarii regimurilor optime de prelucrare a diverselor materiale.

Buncarul, asezat in fata tunelului, alimenteaza instalatia cu material pentru prelucrarea termica; grosimea materialului se regleaza in functie de procesul tehnologic stabilit. Intregul tunel este izolat termic de mediul inconjurator.

4. Tehnica securitatii muncii

In cazul exploatarii instalatiilor cu radiatii infrarosii vor fi luate masuri de tehnica securitatii muncii, privind urmatoarele feluri de traumatisme, specifice acestui fel de prelucrare termica:

Electrocutarea. Temperaturile ridicate existente in camera de uscare favorizeaza deteriorarea conductelor electrice si creeaza posibilitati multiple de electrocutare.

Instalatiile de transport, ventilator, etc actionate electric prezinta de asemenea pericole de traumatisme electrice. Pentru protectia contra electrocutarii sunt folsite mijloace obisnuite: punerea la pamant a carcaselor si uneltelor, manusi de cauciuc, cizme, covorase,etc.

Actiunea temperaturilor inalte. Functionarea instalatiilor cu radiatii infrarosii este legata de mari degajari de caldura, insotite de temperaturi ridicate. Acestea pot produce socuri termice pesonalului de deservire. Ca masuri de protectie contra traumatismelor respective se foloseste : imbracaminte speciala de protectie, disciplina riguroasa a muncii, izolatia termica sigura, controlul temperaturii, etc.

Explozii si incendii. In cazul tratamentelor termice in care se degaja vapori inflamabili, trebuie sa se ia chiar de la proiectare o serie de masuri speciale.

In aceasta categorie intra : uscarea produselor din care se degaja eter, acetona, benzol, benzina, alcool, etc. Amestecul acestor vapori cu aerul este inflamabil (explozibil), chiar in concentratie relativ mica. Ele pot produce explozii si incendii daca temperatura din camera de uscare depaseste temperaturile lor de aprindere.

Pentru uscari de acest fel, trebuie sa se ia chiar prin proiect, atat masuri care sa impiedice izbucnirea unor incendii, cat si masuri in vederea localizarii si stingerii incendiului izbucnit.

Printre aceste masuri se pot mentiona urmatoarele :

- constructia instalatiei de uscare sa fie executata numai din materiale neinflamabile;

instalatia sa fie amplasata intr-o incapere separata, distantata de alte cladiri si protejata fata de cladirile cele mai apropiate;

- ventilatia trebuie asigurata in asa fel, incat concentratia de vapori de solvent sa nu poata depasi limitele admisibile;

- instalatia terebuie prevazuta cu dispozitive de oprire a functionarii surselor de radiatie, in cazul incetarii ventilatiei.

Mai trebuie mentionat ca in ceea ce priveste pericolul de explozie, radiatoarele electrice luminoase avand o temperatura exterioara (a balonului) de numai 150 - 170 sunt mai indicate decat cele intunecate, care au o temperatura mult mai ridicata.

Actiuni mecanice. In cadrul instalatiilor de incalzire si usacre cu radiatii infrarosii, functioneaza o serie de mecanisme mecanice (transportoare, ventilatoare), cauze posibile de diferite traumatisme mecanice. Se vor lua masuri de protectie adecvate (plase de protectie).

De asemenea, trebuie luat in consideratie traumatismele care pot avea loc in cazul reparatiilor din interiorul camerelor de uscare, traumatisme legate in special de lucrari de reparatii executate in conditii incomode (cazul camerelor inguste si joase).

5. Aplicatii ale radiatiilor infrarosii in industria alimentara

Radiatiile infrarosii isi gasesc aplicabilitate in cadrul industriei alimentare in special la conservarea alimentelor. Conservarea alimentelor cu ajutorul infra rosiilor are ca principiu de baza reducerea continutului de apa a acestora (uscarea). Principalele industrii in care se folosesc radiatiile IR sunt industria laptelui si cea a moraritului si panificatiei.

5.1. Aplicatiile radiatiilor IR in industria laptelui

Pasteurizarea laptelui. In industria laptelui se folosesc cu succes instalatiile de pasteurizare-sterilizare cu radiatii infrarosii.

Instalatiile respective au capacitatea cuprinsa intre 250 - 10000 l/h si sunt formate dintr-o sursa de radiatii infrarosii, un schimbator de caldura tubular, construit din sticla permeabila pentru radiatii IR si un recuperator de caldura. Circulatia laptelui se face cu ajutorul unei pompe din otel inoxidabil, antrenata de un motor electric de curent alternativ trifazat.

Consumul de energie electrica este cuprins intre 1,2 - 1,6 kWh/l, in functie de debitul instalatiei. Ca accesorii, instalata este dotataa cu un tremometru inregistrator, cu reglare automata a temperaturii, cu o precizie de 0,1ºC Instalatia poate fi utilata cu o sectiune de sterilizare si o zona de tratare cu radiatii UV pentru imbogatirea produsului cu vitamina D.

Laptele este aspirat de catre pompa si introdus in zona de recuperare, unde se preincalzeste de catre laptele care iese din zona de tratare cu radiatii infra rosii. Dupa preincalzire, laptele este trecut in zona de tratare, unde, timp de trei secunde se incalzeste la 90ºC.

Cercetarile microbiologice au stabilit ca prin utilizarea unei astfel de instalatii de pasteurizare cu radiatii infra rosii, se obtine o inactivare a bacteriilor in proportie de , fiind mai eficace decat instalatiile clasice.

Uscarea lactozei. Pentru conservarea lactozei cristaline, umiditatea ei trebuie redusa pana la 2%. In acest scop se poate folosi un cuptor tip tunel, construit din tabla de aluminiu si utilat cu lampi cu radiatii IR de 250 W fiecare. Lactoza este antrenata de o banda rulanta, intr-un strat de 1 - 1,5 cm. Banda este inclinata fata de lampi pentru a se realiza o reducere a intensitatii iradierii in faza finala si pentru a se evita caramelizarea lactozei. Distantele optime dintre lampi si banda sunt de 12 cm la intrarea lactozei si 19 cm la iesire. Temperatura medie realizata este de 80ºC.

Vaporii de apa care se degaja sunt indepartati din camera de uscare cu ajutorul unui curent de aer cald antrenat de pompa.

Alimentarea benzii de lactoza se face de un dozator cilindric.

Pentru amestecarea stratului de lactoza, transversal pe banda sunt montate doua cutite fixe, asezate cu o inclinatie de 45º. Aceste cutite rad suprafata benzii, amestecand partial lactoza. Unul din cutite este asezat la jumatatea benzii, iar al doilea la ¾ din lungimea benzii.

Intreaga instalatie ocupa un spatiu de 3,5 m², realizand, pe langa uscare, si o sterilizare, prin distrugerea bacteriilor. Capacitatea instalatiei este de 40 kg lactoza umeda, respectiv 4 kg apa evaporata, procesul de uscare fiind continuu si complet mecanizat.

5.2. Aplicatiile radiatiilor infrarosii in industria moraritului si panificatiei.

Uscarea cerealelor. Operatia de usacre a cerealelor este necesara in cazul insilozarii pentru o durata mai lunga, produsele recoltate trebuind sa aiba o umiditate cat mai scazuta, cat si in cazul unei operatii de macinis, care include eliminarea apei aderente in urma proceselor de spalare.

In primul caz, procesul de uscare decurge mai greu, deoarece este necesar sa se elimine apa din interiorul boabelor, pe cand in al doilea caz se elimina numai apa aderenta, uscarea facandu-se intensiv. Uscarea cerealelor spalate se face in cele mai bune conditii cu radiatii infrarosii intunecate (obscure), deoarece apa este transparenta pentru radiatiile cu lungime de unda mica si opaca pentru cele cu lungime de unda mare. Ca urmare, pelicula de apa aflata la suprafata boabelor absoarebe radiatiile infrarosii intunecate, transformandu-le in caldura.

Uscarea cerealelor dupa recoltare cu radiatii infrarosii ridica probleme speciale, deoarece durata procesului de uscare este destul de mare, difuzia si eliminarea apei facandu-se lent. Radiatiile infrarosii, avand o capacitate penetranta destul de redusa, nu pot asigura evaporarea apei din straturile interioare ale bobului intr-un timp scurt, din care cauza exista pericolul supraincalzirii boabelor la suprafata. Pentru a evita acest lucru este obligatoriu agitarea intensiva a cerealelor in timpul uscarii.

Tratarea cerealelor cu infrarosii prezina importanta si in vederea distrugerii insectelor. Efectul de distrugere a insectelor (dezinsectia) este foarte rapid si se bazeaza pe faptul ca insectele sunt in general de culoare mai inchisa decat cerealele, se incalzesc la o temperatura mai ridicata (peste pragul letal) fara ca produsele alimentare sa fie afectate. S-a constatat ca tratarea timp de 50s a boabelor cu radiatii infrarosii, asigura atat distrugerea insectelor, a larvelor, cat si a oualelor ascunse in boabe.

Efectul de incalzire a cerealelor depinde de gradul de absorbtie a energiei radiante, care este functie de lungimea de unda a radiatiei. Astfel in domeniul de lungimi de unda de 1,8 - 3 μ, porumbul, orzul si graul absorb 30 - 60% din energia radianta, pe cand secara si orezul numai 8 - 17%. Prin urmare, primele trei cereale se pot usca cu radiatii infrarosii cu lungimea de unda cuprinsa intre limitele aratate, insa costul uscarii este destul de ridicat deoarece se consuma o cantitate mare de energie electrica.

In general, folosirea radiatiilor infrarosii se face pentru obtinerea unei uscari preliminare (pintr-o expunere intermitenta), realizandu-se totodata si dezinsectia, uscarea finala facandu-se intr-un uscator cu convectie. Prin acest procedeu se obtine o reducere insemnata a consumului de energie si o crestere a capacitatii uscatorului prin convectie. Pentru a se mari si mai mult eficacitatea economica, s-au introdus radianti din ceramica poroasa cu ardere fara flacara, care folosesc ca agent de combustie gazul metan. Prin folosirea acestor tipuri de radianti, cheltuielile necesare pentru incalzire au fost mult reduse (de sase ori). Instalatiile de acest gen realizeaza o uscare combinata, radiatie si convectie, rolul radiatiilor infrarosii fiind de a realiza incalzirea rapida a granelor pana la 50ºC. Timpul de iradiere este de 20 s la o pauza de 40 s. Durata totala a tratamentului in zone de radiatii fiind de circa 1,5 min.

Uscarea fainii. Uscarea fainii urmareste un dublu scop : se realizeaza o reducere a umiditatii, ceea ce permite o buna conservare si totodata o imbunatatire a calitatii de panificatie a fainii, in special de secara. Pentru uscarea fainii se folosesc lampi sau uscatoare cu radianti electrici ,, intunecati'', insa cei mai economici sunt radiantii cu gaze.

B. Partea tehnologica

Se calculeaza randamentul de uscare:

Formula randamentului de uscare este:

unde:

a₁ - umiditatea initiala a produsului, %

a₂ - umiditatea finala a produsului, %

Se calculeaza procentul de apa evaporata:

12 - 2 = 10% apa evaporata

Se calculeaza cantitatea de lactoza pe baza apei evaporate:

Daca:

100 kg lactoza........10 kg apa.......90 kg lactoza uscata

1000 kg............x..........y

x = 100 kg apa

y = 900 kg lactoza uscata

Se calculeaza cantitatea de lactoza pe baza pierderilor de produs:

100 kg lactoza uscata......98 kg raman......2 kg se pierd

900 kg..............x₁............y₁

x₁ = 882 kg lactoza ramane

y₁ = 18 kg se pierd in urma procesului tehnologic

Se calculeaza numarul de pungi de 0,5 kg necesare ambalarii lactozei uscate:

882 kg : 0,5 = 1764 pungi

Se determina numarul de sarje ce se realizeaza pentru conservarea lactozei:

1 sarja..................40 kg lactoza umeda

z....................1000 kg

z = 25 de sarje

Se calculeaza timpul de productie:

1 sarja.................2 minute

25 sarje..................w

w = 50 minute

8 Bilantul de materiale in varianta analitica:

Pentru a afla numarul de lampi necesare se foloseste formula :

Pentru a obtine o putere de 13 Kw se vor folosi 52 de lampi de 250 w.

C. Concluzii

Tendintele actuale cu privire la alimentatia populatiei se manifesta in sensul consumarii unor alimente cu proprietati cat mai apropiate de cele naturale. Astfel, in domeniul industriei alimentare se incearca o procesare optima - care sa asigure valoarea nutritiva maxima a alimentelor respective.

Conservarea alimentelor cu radiatii IR reprezinta una din metodele cele mai eficiente atat din punctul de vedere al deprecierii continutului produsului respectiv cat si din punct de vedere al rapiditatii si simplitatii si costurilor industriale ale executiei.

In ultimul timp, folosirea radiatiilor IR are o aplicabilitate tot mai mare, atat in industria alimentara (conservarea alimentelor, reducerea populatiei bacteriene de pe unele utilaje) cat si in alte domenii cum ar fi industria constructoare de autoturisme, industria textila, industria materialelor plastice, constructii, terapeutica, etc.

In industria alimentara pe langa utilizarea radiatiilor IR la conservarea si uscarea unor alimente sau materii prime pentru diverse alimente, acestea isi gasesc o utilizare tot mai larga in domenii precum panificatia : maturarea fainii, coacerea biscuitilor, coacerea painii, etc. Avantajul principal care face ca radiatiile IR sa se impuna este in principal costurile scazute de productie, acestea putand sa fie in unele cazuri si de 6 ori mai mici decat prin metodele clasice cu combustibili.

Tratarea cu radiatii IR a cerealelor, cu ridicarea temperaturii pana la 60C permite un macinis mai bun si o crestere a randamentului in faina. In cazul cerealelor este binecunoscut efectul de dezinsectie al acestor radiatii, ceea ce alaturi de proprietatile lor conservante (uscarea, distrugerea microorganismelor) face ca folosirea lor in acest domeniu sa fie mult mai ieftina si prin eliminarea insecticidelor scade riscul de contaminare a cerealelor.

O consideratie demna de luat in seama este puterea de penetrare scazuta a radiatiilor IR ceea ce duce la o supraincalzire a alimentelor tratate la exterior. Se recomanda folosirea lor doar la prafuri, fainuri, macinisuri si in aceste cazuri pentru a evita neplacerile se recomanda agitarea intensiva a acestora in timpul uscarii.

Bibliografie

V. Prisacaru, B. Ponomarev - Radiatii infrarosii si aplicatii industriale; Ed. Tehnica, Bucuresti.

Internet