Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор различных способов сушки лекарственных растений и технологического сушильного оборудования малой и средней производительности 13
1.1 Лекарственные растения их классификация по ботаническим, физико - механическим и иным признакам. Особенности сушки лекарственных растений и требования, предъявляемые к сушильным установкам 13
1.2 Сравнительный анализ способов сушки лекарственного растительного сырья и сушильного оборудования 18
Цели и задачи исследований 30
Выводы 31
2. Теоретическое обоснование интенсификации процесса сушки лекарственного сырья с помощью ИК-нагрева и стимулирующего охлаждения 32
2.1 Теоретические предпосылки к исследованию процессов сушки растительного сырья 32
2.1.1 Формы связи влаги с растительным материалом и его влажно-стные характеристики 32
2.1.2 Общие подходы в технологии сушки материалов растительного происхождения 36
2.2 Морфологический анализ функциональных и структурных признаков построения эффективной технологической схемы подвода тепла при сушке растительного материала. Синтез рациональной системы 37
2.3 Тепло- и массообмен при воздействии потоков ИК +конвєктивной энергии на лекарственный материал 47
2.4 Обоснование параметров и основ конструкции сушильной установки с ИК-подводом тепла и стимулирующем охлаждением 56
Выводы 60
3. Экспериментальные исследования режимов сушки лекарственных растений с ИК-облучением и стимулирующим обдувом неподогретым воздухом 62
3.1 Лабораторная модель сушильной установки и методика проведения экспериментальных исследований 62
3.2 Обоснование выбора спектральных характеристик ИК-нагревателя для лекарственных растительных материалов 69
3.3 Выбор оптимального соотношения составляющих временного цикла сушки растительных материалов 74
3.4. Применение теории планирования экспериментов для построения математической модели 78
3.4.1 Основная идея теории планирования экспериментов 78
3.4.2 Анализ динамических характеристик сушки лекарственного растительного материала при ИК-нагреве и стимулирующим охлаждением 82
3.4.3 Влияние параметров продолжительности сушки, удельного расхода эл. энергии, временного параметра на конечную влажность продукта 84
Выводы 96
4. Производственные испытания установки для сушки лекарственных растений 97
4.1 Условия испытаний 97
4.2 Результаты испытаний 99
Выводы 100
Общие выводы 102
Список литературы 104
Приложение 1 115
Приложение 2 123
Приложение 3 126
Приложение 4 128
Приложение 5 134
Приложение 6 136
- Сравнительный анализ способов сушки лекарственного растительного сырья и сушильного оборудования
- Тепло- и массообмен при воздействии потоков ИК +конвєктивной энергии на лекарственный материал
- Обоснование выбора спектральных характеристик ИК-нагревателя для лекарственных растительных материалов
- Основная идея теории планирования экспериментов
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач сельскохозяйственного производства является получение продовольственной продукции растительного происхождения, к которой относятся зернобобовые культуры, овощи, фрукты и др. Длительное хранение многих видов растений в натуральном виде в обычных условиях невозможно и требует применения переработки, например сушки. Особую нишу занимают лекарственные растения, на основе которых производятся лечебные препараты, биологические активные добавки (БАД), а также пряности к пище.
В настоящее время из 100 тысяч лекарственных средств, применяемых в мировой медицинской практике, лечебные препараты из растений составляют свыше 30%. В нашей стране доля таких средств и препаратов составляет около 40%.
Наряду с естественными способами сушки, широко используются искусственные способы с помощью специальных сушильных установок. Это требует больших затрат электрической или тепловой энергии от сжигания топлива, так как ежегодно в нашей стране заготавливается более 65 тыс. т лекарственного сырья. При этом не всегда удается добиться требуемых показателей продукта.
Применение электрической энергии представляется наиболее предпочтительным, поскольку позволяет отказаться от затрат на доставку, складирование твердого или жидкого топлива, снизить экологический ущерб окружающей среде, получить необходимые свойства за счет «тонкого» управления технологией сушки.
В настоящее время фермерские и индивидуальные хозяйства специализируются на выращивании лекарственных растений и поставке лекарственного сырья для гомеопатических аптек и фармакологических производств. В связи с этим совершенствование способов сушки и создание электрических сушильных установок небольшой производительности, обеспечивающих эф-
фективный технологический процесс и снижающих энергоемкость сушки, является актуальной задачей.
Цель работы. Повышение эффективности сушки продуктов растительного происхождения за счет инфракрасно-конвективного воздействия, обеспечивающего снижение энергоемкости и продолжительности сушки.
Объект исследования - процесс сушки растительного сырья при периодическом воздействии инфракрасного (ИК) - лучистого потока и стимулирующего конвективного охлаждения.
Предмет исследования - закономерности рабочего процесса сушки растительного сырья при циклическом воздействии «ИК-нагрев-обдув воз-духом-обдув нагретым воздухом»
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. При решении поставленных задач использовались законы и положения теплотехники, тепло - и массообмена, электротехнологии, автоматизации технологических процессов, теории планирования экспериментов. В экспериментальных исследованиях использовались современные средства измерительной техники. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методом математической статистики и регрессионного анализа. Оценка показателей готового продукта производилась с учетом требований ГОСТ 21908-93 на лекарственное сырье. Научная новизна работы:
развита классификация лекарственных растений с разделением по физико-механическим фракциям, позволяющим обосновать технологию и температурные режимы сушки;
предложен способ сушки с однонаправленными влаго- и температурным напором, позволяющий сократить энергозатраты и продолжительность процесса, защищенный патентом Российской Федерации на изобретение № 2216257.
- обоснованы параметры циклов ИК-нагрева и конвективного обдува про
дукта, позволяющие снизить продолжительность и энергоемкость процесса
сушки;
- разработана конструктивно-технологическая схема установки для индиви
дуальных и фермерских хозяйств, реализующая заявленный способ сушки.
Практическая значимость работы:
обоснован и практически реализован новый способ сушки растительных материалов (лекарственного растительного сырья) с соотношением циклов «ИК-нагрев - обдув воздухом - обдув нагретым воздухом», повышающий эффективность процесса;
для основных групп растительного лекарственного сырья определены оптимальные режимы сушки, позволившие снизить затраты электроэнергии в 1,17 раза, сократить продолжительность сушки в 1,2 раза по сравнению с непрерывным ИК-нагревом;
разработан и испытан опытный образец сушильного шкафа с электрическими ИК-излучателями (ТЭНами) и программным управляющим устройством, обеспечивающим необходимые временные циклы сушки для каждой группы лекарственного растительного сырья.
Реализация научно-технических результатов. Разработаны рекомендации по определению технико-технологических параметров для проектирования сушильной установки, реализующей заявленный способ сушки. Результаты исследований использованы и внедрены в Государственном Автономном Учреждении «Саратовский областной питомник» г. Аткарска Саратовской области. Теоретические и экспериментальные результаты исследований используются в учебном процессе при изучении дисциплины «Светотехника и электротехнология» студентами специальности 110302. На защиту выносится:
- математическое описание процесса сушки «ИК- нагрев-конвективное
охлаждение»;
- обоснование спектральных характеристик ИК-нагревателя для сушки рас-
тительного лекарственного сырья;
- результаты математического моделирования параметров сушки в зависи-
мости от конечной влажности продукта;
- результаты экспериментальных исследований режимов сушки основных групп лекарственного сырья при цикличном подводе тепловой энергии.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 115-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова (Саратов, 25-30 ноября 2002г., 4.2); международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию со дня рождения профессора А.Г. Рыбалко (Саратов, 11-12 июля 2006г., 4.2); международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию Саратовского госагроуниверситета (Саратов, 2008г., Ч.2.); Всероссийской научно-практической Международной конференции «Вавилов-ские чтения» в 2007-2009 гг.; XV международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (Тамбов, 18-19 сентября 2009 г.); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» в 2010 г., на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова в 2001-2006 гг.
Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе, одна - в рецензируемых изданиях, указанных в «Перечне...ВАК», общий объём публикаций составляет 3,49 печатных листа, из них 1,82 печатных листа принадлежат лично соискателю.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 140 страницах компьютерного текста, содержит 11 таблиц, 27 рисунков, 6 приложений. Список литературы включает 120 наименований.
Сравнительный анализ способов сушки лекарственного растительного сырья и сушильного оборудования
В настоящее время существует большое количество различных способов сушки продуктов растительного происхождения. При создании технологического сушильного оборудования необходимо выполнить следующие требования, это: универсальность сушилки, равномерный нагрев сушимого сырья, достаточная производительность, малая энергоемкость сушки, сушильное производство должно быть экологически чистым. На основе проведенного аналитического обзора [9,11,29,33,34,35,39,40,41,65,104,105,106] различных способов сушки лекарственных растений и технологического сушильного оборудования малой и средней производительности, нами предложена классификационная схема сушки растительного материала, приведенная на рисунке 1.1.
Используемые в настоящее время способов сушки лекарственного растительного сырья делятся на следующие группы:
—естественная сушка;
— искусственный способ сушки.
Естественная сушка (без искусственного нагрева) подразделяется на: а) воздушно-теневую, осуществляемую на открытом воздухе, но в тени, под навесами, на чердаках, в специальных сушильных сараях, б) солнечную, под открытым небом или в солнечных сушилках. Воздушно — теневая сушка используется для сушки листьев, трав и цветков. В простейших случаях сырьё для сушки раскладывают под навесами или в специальных сушильных сараях. Однако предпочтительнее сушку осуществлять в специально оборудованных воздушных сушилках или на чердаках. Сушка в воздушных сушилках, сушильных сараях и чердачных помещениях протекает медленнее, чем на открытом воздухе под навесами, но обеспечивает сырьё лучшего качества [80,81,104,105,106]. С целью снижения потерь и повышения качества заготавливаемого сырья во многих странах, где природно-климатические условия отличаются высокой относительной влажностью воздуха, с большим количеством осадков, применяется сушка растительной массы на вешалах.
Этот способ получил распространение в Дании, Швейцарии и других странах [98,99]. Сушка данным способом не снижает качества сырья, но в этом случае требуются значительные затраты ручного труда, чтобы развесить растительную массу на вешалах [65]. Однако такая сушка имеет ряд недостатков: зависит от времени года и состояния погоды. Вместе с тем в сараях, чердачных помещениях сушка нежелательна из - за находящихся в них пыли, мелких грызунов и т.п. Это всё приводит к порче или делает продукцию вовсе непригодной для дальнейшего использования.
Солнечная сушка применяется в районах с жарким сухим климатом, преимущественно для коры, корней, корневищ и других подземных частей растений, которые, как правило, почти не повреждаются под влиянием солнечной радиации. К преимуществам солнечного способа сушки относится более быстрое обезвоживание, чем при воздушно - теневой сушке. Как при воздушно - теневой, так и при солнечной сушке во избежание увлажнения сырья на ночь его необходимо убирать в помещение или укрывать плотной тканью. Естественный способ сушки хотя и малозатратный по капитальным вложениям но требует дополнительных затрат ручного труда.
Искусственный способ сушки или тепловая сушка с применением искусственного подогрева используется для высушивания различных групп сырья (стебли, листья, корни, цветки и т.п.). Она обеспечивает быстрое обезвоживание и может применяться при любых погодных условиях и в любых районах заготовок растительного сырья. В зависимости от подачи тепла, различают кондуктивную, конвективную, терморадиационную, комбинированную сушку. Рассмотрим некоторые из них, проанализируем и оценим эффективность конкретных известных типов сушильного оборудования.
Кондуктивный способ сушки основывается на передаче тепла высушиваемому продукту путём контакта с нагретой поверхностью. Достоинства этого способа дает возможность быстрее сушить растительное сырье. Сборно-разборная конструкция позволяет легко монтировать и демонтировать сушилку, а также перевозить ее в кузове грузового автомобиля [47]. Так, например, рис Л. огневая камерная сушилка ЦС-215. Но эта сушилка не выгодна тем, что работает на твёрдом топливе (дрова), имеет низкий КПД из-за несовершенства сушилки, в ней трудно поддерживать на заданном уровне температуру внутри сушильной камеры.
Сушильные установки, основанные на этом способе сушки, металлоемки. Удельные энергозатраты составляют 1,5 — 1,7 кВт-ч/кг испаренной влаги. Вместе с тем, высокого качества конечного продукта достичь не удается вследствие неравномерности влажности конечного продукта; продукт, контактирующий с нагретой поверхностью, пересушивается, что приводит к необратимости процессов восстановления [33,47,104]. Кондуктивный способ лучше сочетать с другими способами.
Конвективная сушка получила широкое применение в сельском хозяйстве, перерабатывающей промышленности. При конвективном способе сушильная продукция подвергается воздействию теплоты воздушного потока, т.е. имеет место гидротермическая обработка влажного материала. Многочисленные конструкции сушилок могут быть разделены на сушилки стационарного и переносного типов. Стационарные сушилки обычно устанавливают в хозяйствах, где возделываются лекарственные растения, или на крупных заготовительных пунктах. Переносные сушилки предназначены для сушки главным образом "дикорастущего" лекарственного сырья. Разборные переносные сушилки удобны для транспортировки и позволяют организовать сушку сырья непосредственно в районах заготовки. Конвективный способ хорошо подходит для предварительной сушки в комбинации с другими способами. Также он может использоваться для сушки во всём диапазоне влаж-ностей при относительно низких требованиях к качеству сушёной продукции.
Вместе с тем, этому способу присуще также недостатки, которые существенно снижают качество конечного продукта. А, именно, при таком способе сушки испарение влаги происходит только с поверхности, что приводит к появлению пленки, затрудняющей сушку и ухудшающей качество сушеной продукции: снижается восстанавливаемость продукта при замачивании, изменяется цвет, вкус и естественный аромат продукта. Высокая температура и большая продолжительность сушки способствуют развитию окислительных процессов, что приводит к потерям АДВ в сушеном продукте и не способствует эффективному подавлению первичной микрофлоры. Конвекционный способ сушки имеет существенный недостаток, так как для получения тепловой энергии используется пар, жидкое и газообразное топливо, что не позволяет сделать сушильное производство экологически чистым. Конвективные сушильные установки имеют довольно высокие удельные энергозатраты, составляющие от 1,6 до 2,5 кВт-ч/кг испаренной влаги [29,55,105]. Широкое применение находит заготовка растительного сырья с досушиванием активным вентилированием. Активное вентилирование холодным воздухом в настоящее время можно причислить к промышленным способам сушки. Принудительная продувка воздухом высушиваемого материала производится вентилятором. При сушке растительной массы холодным воздухом энергия расходуется только на преодоление сопротивления слоя продувке. Сушка растительной массы зависит от распределения воздушного потока в слое высушиваемого продукта. В местах интенсивного вентилирования растительная масса быстро высыхает, и воздух впоследствии пронизывает эти места, не поглощая влаги, а на менее интенсивно вентилируемых частях слоя растительная масса остаётся длительное время влажной и может испортиться. Этот способ сушки более производителен, чем способ сушки на вешалах или решётках, но при влажности воздуха менее 65 % сушка с помощью активного вентилирования крайне затруднительна [55].
При сушке подогретым воздухом удаётся получить необходимую производительность сушильного оборудования. В качестве примера на рис. 1.3 представлена схема хранилища лекарственной массы с установкой активного вентилирования подогретым воздухом [9,35,80,81].
Тепло- и массообмен при воздействии потоков ИК +конвєктивной энергии на лекарственный материал
Рассмотрим закономерности, обусловленные энергетикой тепло- и массообмена при термическом воздействии на растительный материал (стебли, листья, корни, соцветия). Лекарственная ценность такого материала зависит от качества сушки, которая, в свою очередь, связана с величиной подведенной теплоты, длительности воздействия, скорости сушки. Вместе с тем эффективность такого процесса напрямую связана со способом нагрева, стимуляцией вытеснения влаги и ее вывода за пределы сушилки [5,27,31,37,42,43,50,51,82,85].
В нашем исследовании основная тепловая обработка материала происходит за счет нагрева от ИК-источника тепловой энергии. Охлаждение материала холодным воздухом является вспомогательной операцией, понижающей температуру поверхности тела с целью интенсификации вытеснения влаги. Последующий затем обдув, подогретым воздухом удаляет выступившую на поверхность влагу и выносит ее из камеры. Поэтому при рассмотрении теоретических положений тепло- и массообмена будем основываться на вышеотмеченных особенностях данного способа сушки лекарственных растений.
В общем виде, при РЖ-нагреве материала электромагнитная волна от источника достигает нагреваемого тела, проникает в него на определенную глубину и преобразуется в тепловую энергию и нагревает тело по всей глубине проникновения.
Качество высушенного материала в значительной степени зависит от количества теплоты, подведенной к материалу и длительности воздействия на объект сушки. При этом эффективность процесса сушки определяется способом подвода теплоты и соотношением количеств теплоты на нагрев и на испарение влаги из этого материала. Количества теплоты, передаваемое от ИК-источника материалу, определяется по закону Стефана-Больцмана, следующим выражением [55]
Интегрирование уравнения (2.4) по объему dV и площади dF представляющее собой решение трехмерной задачи, весьма громоздко, трудно анализируемое. В целях упрощения дальнейших выводов целесообразно рассматривать тепло- и массообмен, как одномерную задачу, считая, что перемещение влаги от центра идет в направление нормали к поверхности материала, что фактически и происходит на практике.
Как отмечалось ранее, эффективность нагрева материала достигается за счет выбора спектра ИК-излучения, максимально соответствующего оптическим свойствам нагреваемого тела. Иными словами, наибольшее поглощение лучистого потока материалом возможно, если длина волны, на которую приходиться максимум излучения источника Лтах, соответствует длине волны Хм наибольшей поглощательной способности этого материала
Учтем данный коэффициент при одномерном решении уравнения (2.4). Далее, введем понятие средней температуры (tcp), т.е. среднее значение данного параметра по объему тела, «средняя удельная плотность материала» (уср), «средняя его теплоемкость» (Сср), а также температурная разность (tM0) с индексом «ср». Тогда после преобразований уравнение (2.3) для одномерной задачи примет вид
Первое слагаемое правой части уравнения (2.8) представляет собой теплоту, идущую на нагрев вещества, второе слагаемое определяет количество теплоты, расходуемой на испарение влаги, последнее слагаемое этого уравнения учитывает потери теплоты в окружающую среду. Проведем дальнейшее преобразование уравнения теплового баланса ИК-сушки лекарственного материала. Для этого обозначим среднюю по объему материала влажность w, % следующим образом
Коэффициент Кх. в уравнениях теплообмена является управляемым фактором. Для максимального проникновения в материал ИК-излучения необходимо, чтобы 7 =1,0. Это возможно, если будет иметь равенство шах= Хм, что достигается путем выбора по закону Вина (2.2) соответствующей температуры ИК-источника.
Теперь рассмотрим массоперенос при сушке материала. Он как количественно, так и качественно зависит от температуры нагрева материала [31,42,52,58,89]. Основываясь на уравнениях теплообмена (2.3; 2.4) и законе сохранения вещества в процессах сушки, составим уравнение баланса массопереноса в объеме материала V, ограниченного площадью поверхности F. В общем случае его можно выразить следующим образом
При решении данного уравнения используем тот же подход, что и при интегрировании уравнения (2.4), т.е. представим массоперенос как одномерную задачу, при которой перемещение в материале влаги идет от центральных слоев материала к его поверхности по нормали.
Левая часть уравнения (2.13) определяет количество влаги, испаряемой из материала за единицу времени (кг/с). Ставим задачу интенсифицировать этот процесс. Рассмотрим это более подробно.
Эффективность движения влаги в материале обусловлена двумя факторами, которые возникают при его нагреве: градиентом влагосодержания grad и и температурным градиентом grad t. Они могут иметь как положительный, так и отрицательный знаки.
Условимся, что если градиенты grad и, grad t имеют отрицательные знаки, то это способствует процессу сушки материала. Обратный знак у градиентов является препятствием перемещению влаги к поверхности материала.
Поясним это подробнее. Если знак градиента влагосодержания отрицательный (- grad и), то это значит, что он не совпадает с вектором потока влаги, которая стремится от центра материала на его поверхность, что способствует процессу сушки. Отрицательный знак у температурного градиента (- grad t) говорит о том, что вектор теплового потока в материале направлен от центральных его слоев к поверхности, что совпадает с направлением потока влаги, стремящейся также к поверхностным слоям материала. Это также способствует процессу сушки.
Из выражения (2.13) следует, что плотность потока влаги im при сушке материала зависит от коэффициента потенциалопроводимости ат, который определяется влагосодержанием тела, его структурным строением, состоянием влаги (осмотически связанная, капиллярная влага и т.д.), а также градиентом grad и. Вместе с тем, данное выражение в явном виде не раскрывает влияние термодиффузионного процесса на величину потока влаги внутри тела.
Академиком Лыковым А.В. [89] было открыто явление термодиффузии жидкой влаги в материале при его сушки, или так называемая термовлагопроводность, и установлен новый фактор, вызывающий перемещение влаги- температурный градиент и соответствующий ему коэффициент термовлагопроводности д. При сушке материала конвективным способом подвода теплоты, при низких температурах, это не будет оказывать должного воздействия на процесс сушки.
Обоснование выбора спектральных характеристик ИК-нагревателя для лекарственных растительных материалов
Для реализации предлагаемой технологии сушки необходимо сделать выбор наиболее целесообразных спектральных диапазонов поглощения материалом ИК-лучистой энергии и, в соответствии с этим, определить длины волн инфракрасного излучателя, при которых будет осуществляться эффективный нагрев материала.
Как отмечалось в разделе теоретических исследований, первым необходимым условием осуществления сушки лекарственного сырья по предлагаемому способу, является правильный выбор спектральной характеристики ИК-источника, которая будет обеспечивать наибольшее проникновение инфракрасного излучения в сушимый материал. Иными словами, длина электромагнитной волны, на которую приходится максимум излучения (Хтах) ИК-источника должна находиться в диапазоне наибольшей поглощательной способности материала (Хм). В этом случае коэффициент поглощения телом ИК-потока ix.= Amax(2.5) близок к единице, что является необходимым, но, все же, недостаточным условием для интенсификации подвода тепла к материалу сушки.
Чтобы исключить это несоответствие, ставим задачу, исследовать спектральные характеристики лекарственного сырья и ИК-излучателя и обосновать выбор наиболее целесообразных диапазонов спектров поглощения для лекарственных растительных материалов, а таюке излучения для ИК-нагревателя (ТЭНа) [3,37].
Спектр поглощения лучистой энергии влажными материалами растительного происхождения характеризуется наибольшим всплеском (до 70...90 %) в области длин волн Хм 2,5...15,0 мкм [82]. Это свойство растительного сырья по своему характеру сходно с поглощательной способностью воды, поскольку именно вода составляет до 70...80 % от общей массы материала. Поглощение ИК-лучистого потока растительным материалом в коротковолновой части спектра {1 =0,8...1,2 мкм) является незначительным (менее 30 %) [82].
Вместе с тем, глубина проникновения ИК-излучения в растительный материал по всему спектру поглощения также не одинакова. Так при Хм близкой к 3,0...5,0 мкм она составляет от 3 до 5 мм. По мере увеличения Хм глубина проникновения излучения в материал падает, и в области Хм=12...15мкм она уменьшается в 2...3 раза [58,82].
Основываясь на вышеизложенном, считаем целесообразным использовать для сушки лекарственных растительных материалов коротковолновый и средневолновый спектры диапазона ИК-поглощения, как наиболее эффективные по степени нагрева и глубины проникновения лучистого потока в материал, т.е. по длинам волн это будет составлять: для листьев и соцветий Хм=3,0...5,5 мкм, для корней и стеблей Хм=3,0...5,0 мкм.
Теперь рассмотрим этот вопрос с позиции спектральных характеристик инфракрасного источника тепловой энергии при его воздействии на сушимый материал. Ранее было дано обоснование выбора в качестве такого источника для сушки трубчатого электронагревателя — ТЭНа, как наиболее надежного, безопасного и технологичного ИК-излучателя.
Основываясь на законах теплового излучения и светотехники, рассмотрим данный вопрос с позиции управляемости факторов, обеспечивающих эффективность заявленного способа сушки. Исходными здесь являются ранее установленные граничные условия наибольшего поглощения лучистой энергии нагревателя сушимым материалом, которые были определены в диапазоне Хм-3,0...5,5 мкм.
Следовательно, используя для ИК-сушки коротковолновый спектр излучения ИК-источника, получаем, во-первых, более высокую тепловую мощность излучателя. Во-вторых, данный спектр излучения хорошо проникает в толщу материала, вызывая тем самым его глубинный прогрев. Таким образом, оба эти фактора создают благоприятные условия для сушки лекарственного растительного материала, будут способствовать сокращению времени на этот процесс. Исходя из этого, считаем, что граничными условиями наиболее целесообразного диапазона длин волн ИК-излучателя (ТЭНа), который обеспечивает эффективное проникновение лучистого потока в растительный материал и позволяет получить ИК-поток более высокой плотности, является диапазон с длинами волн lmax=3,0...4,0 мкм.
Вышерассмотренные положения представлены совместными спектральными графическими характеристиками (рис.3.4) энергетической светимости ИК-источника Ехг и относительной поглощательной способностью сушимого материала М(Х), которые наглядно характеризуют технологическое взаимодействие ИК-нагревателя (ТЭНа) с сушимым материалом (корни цикория).
Представленные совместные спектральные характеристики РЖ-излучателя и лекарственного материала показывают, что изотерма РЖ-источника (4), соответствующая его абсолютной температуре Т=964 К, накладывается своей Хтах=3,0 мкм на кривую М (X) материала именно в зоне наибольшего поглощения материалом лучистого потока нагревателя, что соответсвует вышепринятым спектральным интервалам. Ріменно при этой температуре излучатель генерирует высокую плотность РЖ-потока при наибольшей глубине его проникновения в материала, что способствует сокращению времени сушки но, при этом, температура материала не превышает значения предельно допустимой температуры сушки по условиям ГОСТа.
Изотермы (3) и (5) менее соответствуют эффективности данного процесса. Так энергетическая светимость Ехт(Х) кривой (3) при t=799 К, хотя и остается расположенной в эффективном диапазоне РЖ-поглощения лучистой энергии материалом, однако энергетическая плотность ее потока в три раза меньше Таким образом, можно сделать вывод о том, что температурный режим нагревателя (Т=964 К) со спектральной характеристикой (4) в наибольшей степени отвечает вышеустановленным условиям ИК-нагрева растительного материала в процессе его сушки.
Основная идея теории планирования экспериментов
Основной идеей теории планирования многофакторных экспериментов является выбор количества и условий проведения опытов, минимально необходимых для отыскания оптимальных выходных параметров и составления математического описания системы с помощью регрессионного уравнения (полинома) [10,83]. Полином может быть использован, как для более точного определения координат экстремума, так и в качестве аппроксимирующего выражения для описания реального объекта. В последнем случае применение многофакторного эксперимента к исходной модели системы дает ее упрощенную математическую модель, облегчающую решение задачи анализа и синтеза. Успешное применение теории планирования многофакторного эксперимента зависит от того, насколько точно выполнены требования, предъявляемые к параметрам оптимизации и факторам. Под параметрами оптимизации здесь необходимо понимать реакцию исследуемой системы на воздействие факторов - независимых переменных. Система может характеризоваться сразу несколькими параметрами и для каждого из них может быть получена аналитическая зависимость от факторов. Однако при прохождении оптимума должен быть выбран один параметр оптимизации, остальные будут выступать в качестве ограничений. Параметр оптимизации должен быть количественным, измеряемым при любом сочетании факторов однозначно. Факторы должны удовлетворять требованиям управляемости и однозначности, а совокупности факторов - требованию совместимости, то есть любая совокупность параметров из выборочного диапазона их изменения не должна приводить к неопределенности выходного параметра. Это требование должно учитываться при выборе диапазона факторов. Область варьирования факторов определяется на основе проведения предварительных экспериментов.
Зависимость выходного параметра от влияющих на него факторов Y=f(Xi,X2...)X,)i позволяет провести анализ, оптимизацию и синтез системы, оценить точность полученных результатов.
Среди методов математического планирования широко распространен метод полнофакторного эксперимента [10,69,83]. Он представляет систему экспериментов, содержащих все возможные неповторяющиеся комбинации выбранных факторов в заданных уровнях варьирования. Этот метод позволяет одновременно изучать влияние многих факторов на исследуемый процесс и дает возможность получить полином п-й степени (функцию отклика) для математического описания исследуемого процесса в некоторой локальной области многофакторного пространства, лежащего в окрестности выбранной точки с координатами (хоі хо2 —Хоц)- Полученную функцию отклика можно использовать также для оптимизации процессов, то есть определять параметры, при которых явление или процесс будет протекать наиболее эффективно.
При построении модели объекта в виде аппроксимирующего полинома функции отклика осуществляется моделирование исследуемого процесса путем физического эксперимента. Информация об объекте может быть обобщена в виде таблиц, отражающих в дискретной форме связь между параметрами объекта и функцией отклика. Для установления непрерывной связи требуется создать регрессивную модель объекта. Метод полного факторного эксперимента основан на положении о том, что исследуемую непрерывную функцию Y-f(Xj,X2...,Xtl), имеющую все производные в заданной точке с координатами XQI,XO2, —хоп, можно разложить в ряд Тейлора
Проверка экспериментальных данных на адекватность необходима во всех случаях на стадии экспериментальных исследований. Методы оценки адекватности основаны на использовании доверительных интервалов, позволяющих с заданной доверительной вероятностью определять искомые значения оцениваемого параметра.
Критерий согласия Фишера целесообразно применять при малой выборке [83].
Ниже изложены результаты анализа динамических характеристик сушки лекарственных растений при цикличном ИК-нагреве и конвективным стимулирующим охлаждением.
