Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ развития и применения сублимационной сушки в сельскохозяйственном производстве
1.1 Анализ экспериментальных и теоретических работ по
интенсификации процесса сублимационной сушки
1.1.1 Физические основы интенсификации процесса сублимационной сушки
1.1.2 Сублимационная сушка материала в тонком слое
1.1.3 Сублимация гранулированного продукта в виброслое
1.1.4 Сублимация в поле токов высокой частоты
1.2 Задачи исследований
2 Анализ теоретических исследований энергетических составляющих сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом
2.1 Метод конечных отношений в теории оценки себестоимости продукции и ее снижение
2.1.1 Метод конечных отношений в теории энергосбережения
2.1.2 Связь энергоемкости продукции с рыночными параметрами
2.1.3 Методы расчета энергоемкости и определяемых ею параметров в производственных процессах
2.1.4 Энергоемкость технологического процесса
2.2 Конвективная сушка в вакууме
2.2.1 Область давлений, в которой выполняются условия для создания принудительной циркуляции воздуха
2.2.2 Id - диаграмма влажного воздуха для условий низкого вакуума
2.3 Диэлектрическая сушка в вакууме
2.3.1 Диэлектрический нагрев пищевых продуктов
2.3.2 Сушка с применением диэлектрического нагрева
2.4 ИК - сушка в вакууме 67
2.4.1 ИК - нагрев пищевых продуктов 67
2.4.2 Сушка под действием ИК- излучения 69
2.5 УЗ - сушка в вакууме 70
2.5.1 УЗ - воздействие на пищевые продукты 70
2.5.2 Сушка под действием УЗИ '^
2.6 Выводы по главе '*
3 Теоретические исследования энергетических составляющих сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом 77
3.1 Конвективная сушка в вакууме '
3.1.1 Расчет теоретической энергоемкости конвективно-вакуумной сушки ''
3.1.2 Оценка энергоемкости конвективно-вакуумной сушки 79
3.2 Диэлектрическая сушка в вакууме 80
3.2.1 Расчет процесса сушки с применением диэлектрического нагрева 80
3.2.2 Оценка энергоемкости диэлектрическо-вакуумной сушки 86
3.3 ИК - сушка в вакууме 87
3.3.1 Расчет плотности потока ИК-излучения при испарительном самозамораживании жидких термолабильных продуктов 87
3.3.2 Оценка энергоемкости ИК-составляющей сушки о і
3.4 УЗ - сушка в вакууме 92
3.4.1 Расчет сушки под действием УЗИ р~
3.4.2 Оценка энергоемкости УЗ-составляющей сушки 93
3.5 Оптимизация энергоемкости технологии сублимационной сушки
с комбинированным энергоподводом 93
3.5.1 Формализованное изображение процесса энергопотребления комбинированной сублимационной сушки концентратов 93
3.5.2 Энергоемкость технологического процесса для качественной составляющей
3.5.3 Оптимизация энергосбережения энергетических составляющих сушки на основе метода конечных отношений 3.5.4 Диаграммная техника
3.6 Выводы по главе
4 Экспериментальные исследования энергосбережения сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения на установках с комбинированным энергоподводом
4.1 Методы и аппаратура для экспериментального исследования процессов испарительного замораживания и сублимационной сушки жидких термолабильных пищевых продуктов
4.1.1 Экспериментальная вакуум-распылительная установка
4.1.2 Экспериментальная вакуумная сушилка с конвективно-звуко-диэлектрическим энергоподводом
4.1.3 Установка сублимационной сушки непрерывного действия с комбинированным энергоподводом жидких термолабильных продуктов пищевого назначения УСС-НД-КЭ-Ж-01
4.1.4 Алгоритм работы установки УСС-НД-КЭ-Ж-01
4.1.5 Система управления установкой УСС-НД-КЭ-Ж-01
4.2 Энергосбережение
4.2.1 Лабораторные испытания на макетах
4.2.2 Испытания УСС-НД-КЭ-Ж-01
4.3 Анализ результатов исследований
4.4 Выводы по главе
5 Технико-экономические характерстики и экономическая эффективность разработанных установок и технологий
5.1 Технико-экономический анализ энергоемкости технологического процесса на УСС непрерывного действия 147
5.2 Выводы по главе 152
Общие выводы 154
Список литературы
- Физические основы интенсификации процесса сублимационной сушки
- Область давлений, в которой выполняются условия для создания принудительной циркуляции воздуха
- Оценка энергоемкости конвективно-вакуумной сушки
- Экспериментальная вакуум-распылительная установка
Введение к работе
Актуальность темы. Устойчивое функционирование перерабатывающей сферы АПК напрямую связано с уровнем ее технологического оснащения и эффективностью использования имеющихся ресурсов и, в первую очередь, энергетических и материальных.
Среди продуктов питания, обладающих защитными функциями, превалирующее значение имеют плоды, ягоды, овощи и их соки. Но ярко выраженная сезонность сельскохозяйственного производства овощного и плодово-ягодного сырья, сложность сохранения высоких биологических свойств без специального оборудования не позволяют его использовать на протяжении всего года.
К другой группе продуктов питания, обладающих защитными функциями, относятся молоко и молочные продукты. Среди всех средств, направленных на коррекцию кишечного дисбактериоза, наибольшим терапевтическим эффектом обладают биологические препараты и продукты на основе бифидо- и лактобактерий.
Одним из способов переработки пищевой продукции является сушка, позволяющая сохранить основные свойства продукта. Однако, это достигается не при всех способах сушки, и кроме того, зачастую энергозатраты на этот процесс настолько велики, что не покрываются заложенной прибылью. Поэтому одним из важнейших требований, предъявляемых к современному оборудованию сушки, является минимизация энергоемкости технологического процесса .
Особенно актуальна эта проблема стала в связи с удорожанием энергоносителей, в том числе и электроэнергии. Для вступления России в ВТО одним из необходимых условий должно быть повышение цен на энергоресурсы до уровня мировых, следовательно, цены на электроэнергию и топливо и далее будут повышаться, что приведет к существенному увеличению себестоимости продукции.
В этой связи задачи снижения энергоемкости процесса сушки и кардинального улучшения качества сушеной продукции являются актуальными и практически значимыми.
Вакуум-сублимационная сушка (ВВС) как метод консервирования, основанный на принципе низкотемпературного обезвоживания и позволяющий наиболее полно сохранить биологически активные и питательные вещества содержащиеся в исходном сырье, особенно перспективен для получения качественно новых продуктов функционального назначения. Так как ухудшение экологической ситуации, нарушение структуры питания населения делают актуальным поиск природных биологически активных веществ (БАВ), способных повысить устойчивость организма к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды
Перспективы развития сублимационной техники связаны с переходом к установкам поточно-циклического и непрерывного действия, повышением эффективности сублимационного оборудования за счет интенсификации процесса обезвоживания. В ИжГСХА по заказу департамента кадровой политики и образования МСХиП РФ с 1996г. выполнялось НИОКР «Глобулин» на тему «Разработка и изготовление опытного образца установки для вакуумной сублимационной сушки различных термолабильных объектов».
Цель работы. Состоит в исследовании и разработке энергосберегающих мероприятий в технологии сублимационной сушки жидких, термолабильных продуктов.
Научная новизна. В результате работы: разработан способ испарительного самозамораживания и сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения с комбинированным энергоподводом в едином вакуумном цикле;
- разработаны математические модели, создающие возможность расчета энергоемкости технологического процесса;
- обоснованы " основные энергетические параметры, режимы работы ВСУ с комбинированным энергоподводом для сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения, ранее не применяемые в сельском хозяйстве.
Практическая ценность работы определяется следующими основными результатами:
-разработан и испытан опытный образец лабораторной непрерывно действующей сублимационной установки с производительностью 1 кг/ч по испаряемой влаге УСС-НД-КЭ-Ж-01, обеспечивающей эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;
-разработан типовой технологический процесс ВСС для установок серии УСС-НД-КЭ-Ж и передан на производственные испытания в учебное опытное хозяйство «Июльское» и на ЗАО «Ижмолоко» совместно с установками УСС-НД-КЭ-Ж-02 с производительностью по испаряемой влаге 10 кг/ч;
-в учебных пособиях для проведения лабораторных работ на темы: «Сушка жидких термолабильных продуктов пищевого назначения»» и «Изучение установок сублимационной сушки непрерывного действия для жидких термолабильных продуктов пищевого назначения типа УСС-НД-КЭ-Ж-01»; -в публикациях теоретического журнала «Хранение и переработка сельскохозяйственной продукции».
Реализация результатов исследования. Работа является продолжением исследований вопросов теории и практики сублимационной сушки, как одного из наиболее энергоемких производств, связана с решением прикладных вопросов энергосбережения и технологии.
В работе использованы результаты собственных исследований аспиранта и исследования, выполненные специалистами Научно-исследовательского института вакуумного электронного машиностроения (Ижевск), Специального конструкторского технологического бюро «Продмаш» (Ижевск), Ижевской государственной сельскохозяйственной академии.
Для разработки исходных требований к энергосбережению в сублимационной сушке на установках непрерывного действия с комбинированным энергоподводом на кафедре МПСХП Ижевской государственной академии была создана установка, на которой аспирантом исследованы энергосберегающие мероприятия сублимационной сушки плодово-ягодных соков и других термолабильных продуктов.
Физические основы интенсификации процесса сублимационной сушки
Традиционно процесс сублимационной сушки рассматривается как обезвоживание замороженного материала (рисунок 1.1) с плоской заглубляющейся поверхностью льда [39, 78...81, 88...94, 115...118, 153,]. В соответствии с рисунком 1.1а под действием радиационного qp или кондуктивного qK потока теплоты к замороженному материалу имеют место следующие составляющие: - перенос теплоты через сухой слой (qi) можно записать выражением т= (Г.-Г.). (1.1) где Xj - коэффициент эффективной теплопроводности; 5i - толщина капиллярно-пористого сухого слоя; Тк — температура на поверхности образца; Тс — температура на поверхности сублимации, К. Тс Ts, где Ts -температура насыщения водяных паров в вакууме; - тепловой поток фазового перехода (qc) выразить формулой с1с=а Р тг, (1.2) FprfU]. где а - коэффициент испарения (сублимации); Рс, Тс - давление, температура на поверхности сублимации; Ps - давление насыщенных водяных паров у поверхности сублимации; R - удельная газовая постоянная водяного пара; гс - теплота сублимации; - тепловой поток, затраченный на нагрев льда выше температуры насыщения Ts внутри капиллярно-пористого тела (дл) (рисунок 1.1) будет: (]д=1±АТ = Ытл-Т,), (1.3) где Хя - теплопроводность льда; 82 - толщина слоя льда внутри продукта; Тл - температура льда.
Обычно в процессе сублимации qc qr qn. Теплоперенос при сублимационной сушке сопровождается соответствующими активными газодинамическим потоками с поверхности сублимации в вакуум (рисунок 1.16). На рисунке 1.2 показана качественная картина парогазовых потоков в вакууме (давление Рк 100 Па) над капиллярно-пористой поверхностью тела. Из рисунка 1.2 можно сделать вывод, что высокая интенсивность газодинамических потоков должна учитываться при организации тепло-массообмена в сушильной установке.
Вопросы внешнего тепло-массообмена подробно изучены в [35, 62, 93, 97,103, 105,169], которые выявили следующее.
На рисунке 1.4 показано изменение параметров сублимационной сушки при терморадиационном энергоподводе q(x) и периоды обезвоживания
Принципиальным вопросом для конструирования сушильного оборудования и разработки оптимальной технологии является знание общего времени сублимационного обезвоживания продукта, длительностей удаления свободной и связанной влаги в слоях материала различной толщины. М.К. Волога в [30] эти данные получены при сублимационной сушке яичного меланжа толщиной до 5 мм и представлены на рисунках 1.5... 1.7. Как видно из рисунков общее время и периоды сушки существенно зависят от толщины материала.
Общая формулировка задачи, в соответствии с рисунком 1.3, терморадиационной сушки материала в рамках зональной модели для толстых слоев материала запишется в виде: дТ dS _ Я д2Т Прягс (dl 1 д ср дх2 (l + S)cp\dT 2 dt) Т(х,0) = Т„ T(h,x) = Т„ = const, Т(0,т)=Т4. (1.6) Исходя из сложности механизма теплообменного процесса сублимационной сушки предложены следующие методы его интенсификации (рисунок 1.3): - согласно гипотезе А.В. Лыкова и А.А. Гухмана подвод теплоты необходимо осуществлять непосредственно в зону сублимации [62, 104...105]; - произвести уменьшение гидродинамических сопротивлений в процессе обезвоживания Ron,R ) и R,/, [58, 93...94].
Подвод теплоты непосредственно в зону сублимации может осуществляться тремя способами: - переходом к тонкому слою материала и подводом инфракрасного излучения соответствующей длины волны практически в весь объем [24, 54, 76...79,88,91,96, 101...102]; - использование СВЧ-генераторов для подвода теплоты в весь объем материала независимо от его толщины [27, 65, 96, 118, 125, 171]; - использование объемного электромагнитного облучения непрерывно движущегося высушиваемого материала к источнику или от источника излучения энергии сушки [124].
На практике уменьшение гидродинамических сопротивлений потоку сублимирующего пара Ron, R& (рисунок 1.1) решается, как правило, комплексно: - путем эффективного перемешивания с продолжительным контактом частиц продукта в псевдожиженном слое и истиранием высушенного слоя [71, 115...118,124]; - механической вибрацией частиц продукта на нагретой поверхности [23,48,88,109,176]; - распылением продукта в вакуум и механической вибрацией образующихся замороженных гранулированных частиц на нагретой поверхности [94].
Проведение физического анализа позволит определить основные подходы к методам интенсификации процесса сублимационной сушки, наметить пути исследований по созданию высокоэффективных сублимационных установок непрерывного действия.
При исследовании терморадиационной сублимационной сушки в тонком слое принципиально важное значение имеет анализ динамики сублимационного обезвоживания при переходе к тонкому слою и оценка его оптимальной толщины [24, 102]. Д.П. Лебедев в [91] методом радиоактивной метки окиси трития определены поля влагосодержания и представлены результаты исследований динамики сублимационной сушки в вакууме в слоях замороженного яичного меланжа толщиной 5; 3; 1; 0,5 мм.
На рисунке 1.8 показаны зависимости 8 - /fr/rj, определяющие развитие толщины зоны сублимации при удалении кристаллической влаги во времени, где тк — период, соответствующий окончанию сублимации кристаллической влаги. Во всех экспериментах температура внешней поверхности материала, обращенной к излучателю, не превышала 40С. Па рисунке 1.9 представлено изменение температур в слоях замороженного меланжа различной толщины.
Область давлений, в которой выполняются условия для создания принудительной циркуляции воздуха
Сублимационная сушка материала в виброслое позволяет преодолеть возможный перегрев отдельных участков слоя гранулированного продукта, повысить производительность и уменьшить габариты сушилки за счет увеличения температуры греющей поверхности [23. 88, 109, 176].
На рисунках 1.14, 1.15 представлены кривые кинетики сушки водород окисляющих бактерий при различной частоте и амплитуде колебаний. Увеличение амплитуды от 0,09 до 0,47 мм и частоты колебаний от 0 до 100 Гц ускоряло процесс сублимационного обезвоживания. Так, при увеличение амплитуды колебаний от 0,09 до 0,47 мм время сушки продукта сокращалось в полтора раза. Рассмотрим механизм процесса сушки в виброкипящем слое. Принято [176] называть минимально относительное ускорение (отношение ускорения вибрации к ускорению свободного падения), при котором частицы могут отрываться от вибрирующей поверхности, критическим относительным ускорением Ккр. На практике Ккр \ и зависит от давления среды, высоты слоя, формы и размеров гранул, механических свойств материала и других параметров. Как и в условиях атмосферной сушки в виброкипящем слое [176] при Ккр \ вибрация нагретой поверхности не может вызывать перемешивание гранулированного материала. С увеличением параметров вибрации (А, \)) перемешивание начинается с верхних слоев и далее уходит в глубь слоя, в конечной стадии при /0 =1,150...1,315 охватывая весь объем материала. По сравнению с гранулированным льдом гранулированная сухая биомасса начинает перемешиваться несколько позже. Перемешивание охватывает весь объем материала при / ,= 1,06...1,31 в вакууме, а при атмосферном давлении - при Ккр= 1,15...1,47.
Улучшение процесса перемешивания сыпучих материалов в вакууме можно объяснить газодинамической обстановкой вокруг гранулированных частиц, образованием у поверхности каждой из них слоя пара повышенной плотности, переходящего при остаточном давлении менее 13,3 Па в активные струйные потоки, рисунок 1.2. Эти струйные потоки в виброкипящем слое перекрываются, создавая переменное поле давлений у поверхности частиц. В работе [97] для одиночной частицы и свободной поверхности сублимации подробно описан механизм этого процесса, исследованный авторами различными методами.
С целью изучения влияния влажности на процесс перемешивания гранулированного материала были проведены опыты с влажной (замороженной) гранулированной и сухой гранулированной биомассой. При атмосферной сушке увеличение влажности гранулированных материалов приводит к увеличению трения между частицами и стенкой и ухудшает процесс их перемешивания. При пониженном давлении увеличение количества замороженной влаги приводит к увеличению упругости гранул материала, некоторому уменьшению трения и улучшению перемешивания частиц. Как показали эксперименты (v=50 Гц, остаточное давление 133 Па), для влажной (замороженной) гранулированной биомассы (влажность 70%) величина Ккр составляла 1,07 и для сухой гранулированной биомассы (влажность 5%) Ккр=\,0&&; при той же толщине слоя материала для гранулированного льда Ккр= 1,068. Приведенные данные подтверждают, что уменьшение влажности приводит к ухудшению перемешивания гранулированного материала.
Э. Муховский и Э. Шлюндер [109] считают, что размер и форма частиц оказывают существенное влияние на процесс перемешивания под воздействием вибрации. В проведенных экспериментах по вибрации гранулированного льда (при частоте и=50 Гц и амплитуде А=0,105 мм) так же имела место некоторая зависимость процесса перемешивания от формы частиц. Результаты экспериментов показывают, что при вибрации гранулированного льда, который имел цилиндрическую форму (04 мм, h=3 мм) Ккр—1,068, а при вибрации гранулированного льда, который имел сферическую форму, Ккр=\,Ъ5. Влияние формы частиц на их перемешивание, по-видимому, можно объяснить тем, что для сферических частиц в процессе сублимации более равномерно формировался газовый слой пара у их поверхности, что приводило к уменьшению гидродинамического сопротивления.
Оценка энергоемкости конвективно-вакуумной сушки
Принято считать, что необходимым условием для достижения экономической эффективности является уменьшение затрат на энергию сушки.
Наибольший экономический эффект новая техника имеет тогда, когда при меньших капитальных затратах она обеспечивает и меньшую себестоимость продукции. В том случае, когда более низкая себестоимость может быть достигнута только за счет увеличения капитальных вложений, вопрос решается соизмерением дополнительных капитальных затрат с экономией по текущим затратам, то есть путем соизмерения сроков окупаемости дополнительных капитальных вложений.
Запишем условия эффективности конвективно-диэлектрической камеры следующим образом: ЗклІАдЦ, + (1-аКд)Ут] Эк [акЦ, + (1-ак)Ут], (3.8) где Экд и Эк - энергия при конвективно-диэлектрической и камерной сушке соответственно; акл и ак - доля затрат энергии при КД и конвективной сушке; Ц, и Ут - соответственно стоимость 1 кВт ч электрической энергии и эквивалентной ему количества тепловой энергии.
Энергия, подводимая к конвективной камере, может быть записана формулой: к теор "OK - теор пот.кэ W-- / где ЭТСОр - теоретические затраты энергии на нагрев замерзших гранул и испарения из них 1 кг влаги; аок - доля энергии от теоретической, необходимая для воздухообмена и влаготеплообработки при конвективной сушке; Э110т.к. -энергия, затрачиваемая на покрытие различного вида тепловых потерь в расчете на 1 кг испаряемой влаги.
Допустим, что теоретические затраты энергии при конвективно-диэлектрической сушке такие же, как и при конвективной, т.е. где гг - кпд высокочастотный установки; акд(т\г -1) Этсор - потери в СВЧ магнетроне; аад - доля затрат высокочастотной энергии от теоретической на нагрев и испарение влаги из продукта при конвективно-диэлектрической сушке.
Значит сокращение затрат при КД сушке возможно только за счет сокращения величины тепловых потерь.
Пренебрегая всеми потерями за исключением потерь энергии через ограждение камеры, запишем величину потерь энергии в расчете на 1 кг испаряемой влаги для конвективной камеры: где К - коэффициент теплопередачи многослойной стены сушильной камеры; tp - среднее значение температуры воздуха внутри сушильной камеры за весь рассматриваемый промежуток времени; t0 - среднее значение температуры окружающего воздуха за тот же промежуток времени; рб - базисная плотность продукта; WHa4 и WK0H - соответственно начальная и конечная влажность продукта; SK/VK - отношение площади внутренней поверхности конвективной камеры к объему загрузки продукта в нее; гк - продолжительность оборота конвективной камеры; г - рассматриваемый промежуток времени, в течение которого происходят потери тепла.
Запишем условие для теоретических затрат энергии на сушку: cv( -0-(ioo + 0 + 0 meop 3600 1, (3.16) V нач кон J где СдР - среднее значение теплоемкости замороженных гранул в процессе нагрева; t„a4 и tK011 - среднее значение температуры продукта соответственно в начале и в конце периода прогрева; 0 - среднее значение скрытой теплоты парообразования за весь период сушки.
Допустим, что сушильные камеры установлены в помещении со средней температурой t0 = 16С. Продукт прогревается до температуры tHa4= 16С, tK0H = 60С, W„a4 = 60%, WK0H = 7%, СдР = 2,1 кДж/кг К, среднее значение скрытой теплоты парообразования - 2500 кДж/кг. После подстановки в (3.11) имеем Этеор = 0,8 кВт ч/кг. Для современных камер Bvs « 0,2, К = 0,45 - 1,8 Вт /(м С). Примем К = 0,00045 кВт/(м2 С), tp=60C и t„=l 6С.
Н.А. Першанов показал [126], что наилучшие условия для конвективно-диэлектрической сушки имеют место при продолжительность ее примерно в 2 раза меньшей чем при конвективной сушке. Расход электроэнергии ВЧ при этом составит « 0,2 ... 0,25 кВт ч на 1 кг испаряемой влаги. Принимая \.Ю1 = 0,5ч, а - доля затрат ВЧ энергии от теоретической на нагрев и испарение влаги из продукта при КД сушке акл, 1)к=0,65. При таких условиях согласно Н.А.Першанову [126] КД сушка эффективна по сравнению с конвективной только для сушки древесины и только толщиной более 100 мм. Для увеличения КПД существуют 2 направления; одно понижение давления - за счет чего используются потери ВЧ энергии; второе - использование потерь энергии на источнике СВЧ энергии (магнетроне). Рассмотрим в нашем случае второй вариант. Радиатор магнетрона должен стоять в цепочке при организации циркуляции воздуха после конденсатора. При этом тепло, отводимое от радиатора, будет использоваться для испарения влаги из материала. Теоретически (при предлагаемой конструкции и практически) вся энергия, рассеиваемая на магнетроне: может быть использована для сушки. Потери энергии на магнетроне ЭПОт.м. можно записать:
где аад - доля затрат СВЧ энергии на испарение влаги; rjMar- кпд магнетрона. С учетом выражения (3.17) энергия, подводимая к конвективно-диэлектрической камере, может быть записана: - кде теор Цд\Пг - 1 Л л -- теор "" окд - теор " " пот.кд w-1 / Условие равенства энергетических затрат при конвективной и конвективно-диэлектрической сушке запишется следующим образом: акд СПг - 1 + Л л )ЭТеор= PeBtwBvsOic- їкд) (3.19)
Согласно Н.А.Першанову [126] КД сушка эффективна для всех материалов. Сделанный вывод справедлив однако только при равенстве стоимости электрической и тепловой энергии. В действительности электрическая энергия дороже тепловой энергии. Условие эффективности, учитывающее соотношение цен на электрическую и тепловую энергию, может быть получено из выражения (3.8). Подставим в 3.8 значение Эке из (3.9), Экде из (3.8), Эпот.к из (3.11), Эпот.кд из (3.8).
Экспериментальная вакуум-распылительная установка
Можно обозначить произведение последовательных энергоемкостей (энергетической, продукционной и качественной) общей энергоемкостью процесса производства qn = qn pa6q-j qKa4.
Полученное соотношение позволяет сделать некоторые выводы по требованиям к организации и по оценкам технологического процесса. Необходимо напомнить, что дробь представлена соотношением производных по времени. Целесообразно проанализировать соотношение при Р„ = const, поскольку желательно увеличивать интенсивность производства без увеличения расхода энергии. При этом существует возможность только одновременного изменения qn и Мп, обеспечить которое можно за счет одновременного повышения эффективности использования энергии и интенсивности подвода вещества. По общему виду приведенного соотношения можно дать определение некоторым частным случаям. Если М„ 0 (т.е. масса вещества с течением времени почти не изменяется), то при Рн = const процесс будет заключаться в аккумулировании энергии в массе вещества.
В зависимости от физико-химических свойств высушиваемого материала и конструктивных элементов сушильной камеры могут возникнуть потери энергии. Наша задача определить энергоемкость технологического процесса воздействия каждого из энергетических составляющих сушки. СВЧ и ИК излучение, УЗИ и фильтрационный поток газа через некоторый объем криогранулированного материала совершает работу по сушке. Как эта энергия используется, зависит от конструктивных параметров сушильной камеры.
Энергоемкость технологического процесса qm, согласно [74], будет определяться энергоемкостью подвода энергии излучения к поверхности облучаемого объема qnow, энергоемкостью процесса передачи энергии qnep слою вещества и энергоемкостью совершаемой излучением в веществе работы qpa6, т.е. qTn= Яподв пер раб- Первый сомножитель определяется несоответствием пространственного распределения потока излучения и размеров поверхности облучаемого материала. Второй - коэффициентом ослабления потока в веществе и толщиной слоя вещества, третий - несоответствием реальных значений потока излучения и его распределения по частотам с физическими требованиями к этим параметрам. При теоретическом обосновании режимов технологии описываемой сушки показано, что можно получить цподв близким к единице. Значение Qpa6 определено применением СВЧ, ИК, УЗИ или (и) конвективной составляющей энергии сушки. Основной сложностью разработки технологии является приближение к единице энергоемкости передачи q„ep.
В традиционных технологических схемах, в которых вещество располагается слоем на какой-либо подложке, энергоемкость будет определяться долей энергии излучения, поглощаемой этим слоем. Для изотропной нерассеивающей среды поглощение излучения подчиняется, как известно, экспоненциальному закону ослабления Бугера. Согласно ему отношение потока излучения Фвых и облученности ЕВЬХ иа выходе некоторого слоя толщиной S к соответствуюшим их значениям на поверхности среды равно От. = EO«L = exp(-aS), (3.76) где а - показатель поглощения среды Энергоемкость технологического процесса с учетом принятых допущений (при Яподв 1,0 и qpa6 1,0) будет определяться выражением Чш = Ф = - , (3.77) Ф0-Фяы, \-ехр{-а8) Поскольку входящий в формулу параметр Фвых зависит от требований к качеству облучения, необходимо ввести качественный показатель в формулу. Качество облучения можно характеризовать коэффициентом равномерности облучения по глубине, т.е. отношением минимальной облученности Emjn к максимальной Етах
Сопоставление выражений (3.76) и (3.78) показывает органически противоречивую связь между энергетикой и качеством процесса оптического облучения: увеличение толщины слоя S с целью лучшего использования потока излучения приводит к увеличению неравномерности облучения и, наоборот, уменьшение д с целью более равномерного облучения приводит к увеличению энергетических потерь. Определяющими являются требования к равномерности облучения. Для подобных технологий равномерность устанавливается на уровне 0,7...0,9. В традиционной технологии, когда облучается слой на подложке, выполнение этого требования обеспечивается высокой энергетической платой в виде энергоемкости, имеющей значение порядка qrn = 5,0. Для указанного верхнего предела неравномерности 0,9 энергоемкость составляет qTn = 10,0. Основной причиной столь существенного расхождения качественных и энергетических параметров является несоответствие пространственных характеристик потока излучения и перемещаемой среды. Наиболее простым выходом из эхого противоречия является оптимизация толщины слоя согласно критерию эффективности процесса облучения
