Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ современного оборудования и технологий сушки. постановка цели и задач исследований 11
1.1. Описание объекта сушки и технологической схемы его переработки 13
1.2. Обзор конструкций установок и технологий сушки зерновой и другой сельскохозяйственной продукции 17
1.3. Основные понятия теории сушки. Ограничения конвекционных механизмов обезвоживания в диапазонах мальіхвлажнс<лейвьісушиваемьіхс>бьектов 22
1.3.1. Внутренний тепло- и массообмен 23
1.3.2. Внешний тепло-и массообмен 26
1.4. Специфика технологий и оборудования сушки зерновой продукции 28
1.5. Физика процессов взаимодействия с влажными объектами электромагнитных волн СВЧ диапазона 30
1.6. Аналитический обзор существующего оборудования для реализации микроволновых технологий обезвоживания 36
1.7. Цель и задачи исследования 42
Глава 2. Разработка теоретических основ микроволновоконвекционной сушки семян с твердой оболочкой .47
2.1. Общие подходы к микроволново-конвекционной сушки диэлектриче ских объектов с малой начальной влажностью 47
2.2. Физическая модель процесса комбинированного (микроволново конвекционного) обезвоживания для случая относительно малых соотношений мощности электромагнитного и теплового энергетических потоков 50
2.3. Математическая модель процесса микроволново-конвекционной сушки 53
2.4. Учет эффективной площади поверхности и изменения теплопроводности продукта 63
2.5. Учет пространственной неоднородности влажности продукта 66
2.6. Алгоритм, программа и методика расчета 70
2.7. Результаты экспериментальной проверки модели для анализа и оптимизации процессов микроволново-конвекционной сушки 75
Глава 3. Экспериментальное исследование режимов микроволново-конвекционной сушки семян расторопши 82
3.1. Разработка экспериментальной установки и методики эксперимента 82
3.2. Результаты экспериментального исследования режимов «параллельного» микроволнового конвекционного воздействия 87
3.3. Результаты экспериментального исследования режимов «последовательного» микроволново-конвекционного воздействия 91
3.4. Экспериментальное исследование комбинированного микроволново-конвекционного воздействия в диапазоне малых влажностей продукта (от 13 до 5%) 94
3.5. Экспериментальная оптимизация пространства взаимодействия при комбинированном (микроволново-конвекционном) обезвоживании низковлажных мелкодисперсных объектов 97
Глава 4. Результаты разработки установки микроволново- конвекционной сушки семян расторопши с периоди ческим воздействием энергетических потоков 103
4.1. Определение основных параметров многоцикловой микроволново-конвекционной установки сушки в общем технологическом процессе переработки семян расторопши 103
4.2. Конструкция установки сушки семян расторопши и других продуктов с низкой исходной влажностью 105
4.3. Результаты производственных испытаний многоцикловои микроволново-конвекционной установки сушки семян расторопши. Рекомендации по тех-нологачесгамрежимам(^шакиизксіілуатацииустшіовки 114
4.4.Технико-экономические параметры разработанного оборудования 122
4.5. Выводы 127
Общие выводы по диссертации 129
Литература 132
Приложения 147
- Обзор конструкций установок и технологий сушки зерновой и другой сельскохозяйственной продукции
- Физическая модель процесса комбинированного (микроволново конвекционного) обезвоживания для случая относительно малых соотношений мощности электромагнитного и теплового энергетических потоков
- Результаты экспериментального исследования режимов «параллельного» микроволнового конвекционного воздействия
- Конструкция установки сушки семян расторопши и других продуктов с низкой исходной влажностью
Введение к работе
Сушка (обезвоживание) продуктов растительного происхождения широко применяется в различных технологиях их переработки и хранения. Существующие процессы и оборудование обезвоживания очень разнообразны по конструкциям и областям применения; их технико-экономические показатели также существенно различаются.
Эффективность процесса обезвоживания растительного сырья зависит от диапазона начальной и конечной влажности и ряда физико-механических, химических и других свойств продукта, способа сушки, технологии и технических характеристик оборудования.
Особенно трудно обеспечить эффективную, требующую относительно малых затрат энергии сушку семян с твердой оболочкой, в которых влага содержится в связанном виде и отделена от внешней среды плотной оболочкой семени. В настоящее время объемы сушки и переработки таких семян увеличиваются и составляют сотни тонн в сезон. Из сушеных семян получают пищевые добавки, специи, лечебные масла и другие натуральные продукты. Типичным представителем такой группы продуктов являются семена расторопши. В процессе обезвоживания необходимо обеспечить высокое качество высушиваемого продукта и сохранить его полезные вещества и витамины, что накладывает дополнительные ограничения на режимы сушки. В этом случае неэффективными становятся не только существующие конвекционные установки с поверхностным подводом тепла, но и современные микроволновые и комбинированные установки, предназначенные для продуктов средней и высокой влажности.
Цеха по переработке таких семян с твердой оболочкой оснащаются современным, компактным оборудованием и имеют производительность 300...500 кг/ч, важнейшим является требование экологической чистоты процесса переработки семян и высокой сохраняемости полезных веществ и витаминов.
Анализ и исследования показывают, что при такой производительности
5 оборудования и требованиях решать проблему сушки семян с твердой оболочкой необходимо, реализуя электротехнологии микроволново-конвекционных периодических воздействий на высушиваемый продукт. При этом установки сушки должны быть компактными, встраиваться в технологическую линию переработки семян, и обладать определенной универсальностью, чтобы при необходимости обеспечить сушку других продуктов с аналогичным диапазоном параметров.
Развитие отраслей, перерабатывающих продукты растительного происхождения, стимулирует развитие и становление новых технологий и оборудования обезвоживания. В настоящее время уже существует большое количество различных технологий сушки: естественная сушка [10, 11], аэрационная [10-14], конвекционная [10-24], сушка в псевдокипящем слое [10,11, 25, 26], инфракрасная сушка [20, 26-28], микроволновая [29-56], сублимационная [20, 57]. Эти технологии различаются по физическими механизмам, лежащим в их основе, по оборудованию, созданному и выпускаемому для их реализации, могут быть легко оценены и подвергнуты корректному сравнению друг с другом с использованием относительно небольшой системы критериев: шзоизводительности, энергоемкости, скорости сушки, сохраняемости полезных веществ и витаминов.
Проведенный в настоящей работе анализ с использованием указанной системы критериев показал, что наиболее экологически чистыми, эффективными и компактными являются электрические установки. Однако данные установки не должны основываться на конвекционных принципах обезвоживания для сушки семян с твердой оболочкой. Такие механизмы обезвоживания [10-24] не обеспечивают достаточно высокого качества продукции и характеризуются большой энергоемкостью процесса. Указанные недостатки конвекционной сушки обусловлены спецификой взаимодействия горячего воздуха с высушиваемыми объектами при низких уровнях исходной влажности, каковыми практически всегда являются семена с твердой оболочкой и, в частности, семена растороп-ши, в силу запирания влаги во внутренней мягкой структуре семени.
При уменьшении влажности высушиваемых продуктов тепло- и массо-проводность снижаются, т.е., чем ниже влажность, тем больше доля тепловой энергии, не проникающей вглубь высушиваемых продуктов, а переизлучаемой в пространство. Энергоемкость процесса при этом возрастает, время сушки многократно увеличивается, возникают локальные перегревы продукта - в первую очередь, его поверхностных слоев. Это напрямую отражается на качестве готовой продукции. Увеличение времени и температуры процесса сушки приводит к потере пищевой ценности продукта - снижению сохраняемости содержащихся в нем полезных веществ и витаминов, ухудшению его органолептических свойств. Эта проблема достаточно серьезно стоит для зерна и семян подсолнечника, диапазон влажности которых, проходимый в процессе сушки, лежит, как правило, в пределах от 14 до 20%. Для семян же расторопши, у которых этот диапазон смещается в интервал 6-13%, эта проблема приобретает принципиальное значение.
Перспективными представляются электротехнологии сушки, использующие в качестве источника энергии микроволновое излучение [29-56]. Преимущества, которые способны обеспечить такие электротехнологии, опираются на ряд свойств, характеризующих взаимодействие микроволнового излучения с диэлектрическими объектами. К ним, прежде всего, относятся объемный характер выделения энергии при облучении объектов электромагнитными волнами СВЧ диапазона в отличие от любых других методов сушки, при использовании которых энергия выделяется исключительно на поверхности объектов, и тем хуже проникает внутрь, чем ниже их влажность. В этой связи энергоемкость процесса микроволновой сушки слабо зависит от тепло- и массопроводности продукта. Более того, при соответствующих электродинамических решениях установок микроволновой сушки и организации техпроцесса обезвоживания эффективность его слабо зависит от влажности обезвоживаемого продукта. Кроме того, микроволновая энергия выделяется селективно, то есть именно в тех областях, которые характеризуются самыми высокими диэлектрическими параметрами є (диэлектрическая проницаемость) и tgS (тангенс угла диэлектри-
7 ческих потерь) и содержат наибольшее количество влаги, что обеспечивает высокую конечную однородность объектов по влажности. Еще одно достоинство микроволновой сушки - малое время и относительно низкая температура процесса сушки, что является основой [19, 43, 58] для высокого уровня сохраняемости полезных веществ и витаминов в высушиваемых продуктах. Так как в микроволновых технологиях сушки используется только электроэнергия и не используется энергия сжигания газов, жидкого и твердого топлива, обеспечивается их полная экологическая чистота.
Все это делает применение микроволновой энергии в технике сушки чрезвычайно привлекательным и перспективным. Следует лишь найти рациональные, научно-обоснованные подходы к ее использованию для обезвоживания каждой конкретной группы продуктов.
В настоящей диссертационной работе исследуются рациональные подходы к использованию микроволновой энергии в процессе сушки семян расто-рогапи. Плоды этой культуры являются типичным представителем группы семян с твердой оболочкой и отличаются относительно малой исходной влажностью (не более 13%) и процесс ее дальнейшей переработки (в первую очередь процесс производства лечебного масла) требует получения исходного сырья с высокой точностью задания конечной влажности сушки 5...6%. Обеспечение сушки при таких влажностях и необходимость точного попадания в соответствующий диапазон конечной влажности является достаточно сложной технической задачей, трудно разрешимой при используемых ранее подходах, основанных на применении оборудования конвекционной сушки [59, 60].
В этой связи представляется актуальным поиск новых электротехнологий сушки семян с твердой оболочкой, которые обеспечивали бы эффективную миграцию влаги из внутренних слоев семени, преодоление твердой оболочки семени и интенсивное удаление накапливающейся на поверхности продукта влаги. Это позволяет обеспечить выход на поверхность следующей порции влаги, что поддерживает высокую скорость сушки при низкой энергоемкости.
8 В работе предложено использовать для сушки семян с твердой оболочкой
многократно-повторяющиеся (периодическое) воздействие энергетических потоков в микроволново-конвекционных конвейерных установках. Найдены рациональные соотношения параметров для таких установок. Определено значение скоростей воздушного теплового потока, обеспечивающее эффект перемешивания ("псевдокипения") продукта при сушке.
Таким образом, данная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы в области электрификации сельского хозяйства, а именно, созданию электротехнологии и оборудования, обеспечивающего минимальную энергоемкость процесса сушки семян с твердой оболочкой (в частности, семян расторопши) со сверхнизкой начальной влажностью с одновременным обеспечением высокой точности по достижению требуемой конечной влажности, не зависящей от фактической исходной влажности продукта.
Исследуемые в настоящей диссертационной работе физические и технологические процессы, а также оборудование, на котором они реализуются получили название микроволново-конвекционных в отличие от конвекционно-микроволновых, исследованных в предьідущих работах [112, 113]. Различия в терминологии связаны с тем, что в [112, 113] исследуются процессы, в которых на продукт воздействует изначально конвекционный поток, снимающий свободную влагу, а затем уже воздействует микроволновое излучение. В настоящей же работе принципиально изначальное воздействие микроволнового излучения, создающего необходимый для эффективной тепловой конвекционной сушки градиент температуры.
Объектом исследования является процесс микроволново-конвекционного обезвоживания с многократно-периодическим воздействием на высушиваемый продукт энергетических потоков различной физической природы - микроволнового и конвекционного теплового.
Предметом исследования является электроустановка микроволново-конвекционной сушки семян расторопши, разработанная с целью снижения
9 удельных энергозатрат на обезвоживание при сохранении высокого качества подвергнутого сушке продукта.
В процессе исследований необходимо было определить рациональное соотношение мощностей энергетических потоков, воздействующих на продукт, и на основании полученных данных разработать комбинированную микроволно-во-конвекционную установку сушки семян расторопши, обеспечивающую обезвоживание продукта в заданных диапазонах влажностей с сохранением в нем полезных веществ и витаминов при минимальных энергозатартах на технологи-чесісий процесс обезвоживания.
Научная новизна состоит в:
- обосновании, исследовании и реализации для сушки низковлажных семян с твердой оболочкой режима повторяющихся периодических воздействий микроволнового и конвекционного энергетических потоков, позволившего эффективно извлекать из объектов сушки связанную влагу при снижении энергоемкости процесса в 1,3... 1,7 раза;
- разработке математической модели процесса комбинированной сушки; получении выражения для определения скорости убывания массы продукта в процессе сушки, и эмпирического поправочного коэффициента, учитывающего эффект «псевдокипения» продукта при обезвоживании;
-экспериментальном определении рационального соотношения мощностей микроволнового и конвекционного воздействия, составляющего 2:3, соответственно, а также длин рабочих зон воздействия в установке.
Одновременно представлялось необходимым удовлетворить еще ряд важных и актуальных требований, в том числе обеспечить уменьшение металлоемкости установки (оборудования) и занимаемых им производственных площадей, повысить технологичность процесса и минимизировать трудозатраты обслуживающего персонала, снизить долю ручного труда.
Практическая значимость проведенных в диссетрационной работе исследований состоит в том, что на основе созданных научных положений удалось:
10 разработать, смонтировать и внедрить установку микроволново-конвекционной сушки семян расторопши с периодическим воздействием энергетических потоков в ООО "Иван-да-Марья" г. Кузнецк Пензенской области; - разработать рекомендации, позволяющие обеспечить рациональные параметры процесса обезвоживания в зависимости от исходной влажности поступающих для переработки низковлажных семян с твердой оболочкой и обеспечить при этом высокое качество высушиваемого продукта;
- практически реализовать новую электротехнологию обезвоживания семян с твердой оболочкой (продуктов со сверхнизкой начальной влажностью), основанную на периодическом воздействии энергетических потоков различной физической природы - микроволнового и конвекционного теплового.
Выполненные в диссертационной работе исследования проводились в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИМЭСХ СГАУ им. Н.И. Вавилова в рамках комплексной темы №6 «Повышение эффективности систем энергетического обеспечения предприятий АПК», раздел 2 - «Электрификация технологических процессов в производственной и перфабатьюающих отраслях АПК», а также планом научно-исследовательских работ ФГУП СНПФ «Агроприбор» г.Саратов.
Результаты работы апробированы и доложены на 3 научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников Саратовского ГАУ (1999-2003 г.).
По теме диссертации опубликовано 7 работ (в том числе 6 научно-технических статей) и 1 технический отчет по НИР.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры ПЭЭСХ СГАУ и научному руководителю кандидату технических наук, доценту Льви-цыну А.В., а также коллективам научно-производственных фирм "Диполь" и "Агроприбор", оказавшим неоценимую помощь в постановке задач исследования и проведении настоящей работы.
Обзор конструкций установок и технологий сушки зерновой и другой сельскохозяйственной продукции
Существует сложившийся за годы развития сушильной отрасли набор требований, предъявляемых к сушильным технологиям и оборудованию сушки. Конструкции сушилок должны обеспечивать равномерный нагрев и сушку продукта высокой производительности процесса Кроме того, они должны быть экономичными по удельному расходу энергии (либо топлива), иметь возможно меньшую металлоем кость. И, наконец, современные сушилки должны быть универсальны в части воз-мохшостей сушки различных материалов.
Сложилась определенная классификация установок сушки по целому ряду признаков [20,65,75,76]:- по способу подвода тепла к влажному материалу - конвекционные (высушиваемый материал омывается потоком предварительно нагретого сушильного агента), кондукгив-ные или контактные (обеспечивается непосредственный контакт высушиваемого материала с нагреваемой поверхность), радиационные, которые, в свою очередь, разделяются по диапазонам частот используемого электромагнитного излучения: инфракрасные (ИК), с токами высокой частоты (ТВЧ) и со сверхвысокочастотными (СВЧ) полями;- по давлению воздуха в сушильной камере - атмосферные, вакуумные, сублимационные;- по характеру работы - аппараты периодического и непрерывного действия;- по виду сушильного агента - аппараты, использующие нагретый воздух, дымовые газы, смесь воздуха с дымовыми газами или перегретый пар;- по механизмам циркуляции сушильного агента - установки с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией (за счет использования центробежных и осевых вентиляторов);- по характеру движения сушильного агента относительно материала - прямоточные (при одинаковом направлении движения сушильного агента и материала), противоточные (при противоположном направлении движения материала и сушильного агента), с пронизыванием слоя материала потоком сушильного агента;- по способу нагрева сушильного агента - сушильные установки с паровыми, либо огневыми калориферами;- по кратности использования сушильного агента - с однократным и многократным применением нагретого воздуха в различных вариантах;- по виду объекта сушки для твердых - крупных, мелких, пылевидных, жидких и пастообразных материалов;- по конструктивным признакам - тоннельные, камерные, шахтные, коридорные, барабанные, вальцевые и др. Рассмотрим наиболее типичное и широко применяемое сушильное оборудование.
Самое широкое промышленное применение получили конвекционные сушилки различных конструкций: камерные, барабанные, пневматические, с кипятим слоем [10-13, 18-28].
В основном варианте конвекционной сушилки сушильный агент, предварительно нагретый в калорифере до максимально допустимой температуры, движется в ней, непосредственно соприкасаясь с высушиваемым материалом.
В камерной сушилке основным узлом является сушильная прямоугольная камера, внутри которой помещается высушиваемый продукт. Сушка осуществляется либо чистым нагретым воздухом, либо смесью топочных газов с воздухом. Сушилки бывают двухкамерные, коридорного типа, шкафные.
Барабанные сушилки представляют собой цилиндр с внутренней насадкой для пересыпания и перемешивания материала с целью улучшения его контакта с сушильным агентом. Барабан медленно вращается (0.5...8 обЛмин). Именно такие сушилки (наряду с шахтными) наиболее часто используются для сушки зерна [59,60]. Более подробно барабанные и шахтные сушилки будут описаны в разделе 1.3.
Общий для всех перечисленных выше установок принцип конвекционной сушки состоит в продувке слоя продуктов подогретым воздухом, либо иным тешіоагентом. Скорость испарения (количество испаренной в единицу времени влаги) dy/dt с поверхности S зависит от соотношения парциального давления пара в окружающей среде h, парциального давления насыщенного пара в пограничном слое продукта Н и общего барометрического давления В следующим образом:где S - коэффициент испарения, обусловленный вязкостью и другими параметрами воздуха [20,66]. Зависимость величин Н и h от температуры носит характер, показанный качественно на рис. 1.4. При низких температурах неизбежна малая скорость сушки. При температурах же порядка 80... 90С, еще не чреватых серьезными химическими изменениями в продукте, значение величины (H-h) в выражении (1.1) многократно увеличивается по сравнению с ее значением при комнатной температуре, и процесс идет достаточно эффективно. Однако по мере снижения влажности продукта скорость сушильного процесса падает, а его энергоемкость возрастает. Физически это обусловлено быстрым ухудшением тепло- и массообмена в продуктах по мере их высыхания. При малых влажностях интенсивный контакт теплоносителя с поверхностью продукта не приводит к сколь либо заметному разогреву внутренних слоев продукта, и его неиспользованная энергия через теплоизоляцию сушильного оборудования и каналы для отвода испаренной влаги уходит на обогрев окружающей среды.
Применительно к зерну, имеющему малую исходную влажность (20-25%), негативные особенности конвекционной сушки начинают сказываться непосредственно с самого начала сушильного процесса В целом же по всему проходимому в процессе сушки зерна диапазону влажностей общая энергоемкость процесса обезвоживания составляет 6-7 кВт ч на один кг испаренной влаги (физическим пределом минимизации энергоемкости сушильного процесса при нормальном барометрическом давлении является величина R= 0.72 кВт ч/кг — количество энергии, необходимое для разогрева от 20 до 100С и испарения 1 кг воды). Для еще менее влажных семян расторопши эта величина при конвекционной сушке достигает 10-12 кВт ч/кг.
В установках использующих конвекционный метод сушки, имеется еще один весьма существенный недостаток: для получения тепловой энергии в них используются пар, жидкое и газообразное топливо, что не позволяет сделать сушильное производство экологически чистым.
В сушилке с кипящим (псевдоісипящим) слоем достигается интенсивное перемешивание материала, ускоренный тепло- и массообмен, благодаря чему сушильный агент может использоваться при повышенных температурах без значительной потери качества конечного продукта. Сведения об энергоемкости процесса обезвоживания в таких сушилках достаточно противоречивы, однако, по имеющимся оценкам [65] она несколько ниже, чем в классических конвекционных сушилках, и составляет 2... 3.2 кВт ч/кг.
Специфика процесса обезвоживания в таких сушилках заключается в том, что нагретый воздух движется в вертикальном направлении (снизу вверх) с такой скоростью, что силы давления воздуха на частицы продукта уравновешивают действующие на эти частицы гравитационные силы. В результате каждая частица как бы «парит» независимо от других и все элементы ее поверхности одинаково эффективно взаимодействуют с потоком нагретого воздуха, то есть вся площадь ее поверхности является площадью испарения, что несколько уменьшает энергоемкость процесса (по сравнению с упомянутыми выше ленточными сушилками). Однако тепло- и массообмен между внешней поверхностью частиц и внутренними областями в этой технологической схеме ничем не отличается от типичного для конвективной сушки, что и приводит к многократному увеличению энергоемкости и снижению скорости сушки при малых влажно-стях продукта и, соответственно, к общему увеличению энергоемкости процесса
Для сушки зерна использование таких сушилок проблематично в силу специфического соотношения массы зерен и величины площади их поверхности, однако, некоторые компоненты метода конвекционной сушки достаточно перспективны в сочетании с рассматриваемыми в настоящей работе другими методами и будут рассмотрены ниже (см. главы 2,3).
Контактные, сублимационные и инфракрасные сушильные установки имеют, как правило, весьма ограниченное или специализированное применение, и для сушки зерна и семян расторопши практически не применяются. В силу этого, в настоящей работе не рассматриваются.
Физическая модель процесса комбинированного (микроволново конвекционного) обезвоживания для случая относительно малых соотношений мощности электромагнитного и теплового энергетических потоков
Рассмотрение проводится [109,110] для мелкодисперсных объектов сушки - диэлектрических материалов (в настоящей диссертационной работе это семена расторогапи), движущихся в виде потока постоянного сечения через систему, в которой они пронизываются (в направлении «снизу - вверх») потоком подогретого воздуха. В направлении, перпендикулярном скорости движения потока диэлектрических материалов и скорости потока воздуха, на эти объекты воздействуют потоки СВЧ-энергии, поступающие в объекты сушки с двух сторон с одинаковым уровнем мощности Ро/2 (рис.2.3). При этом потоки энергии взаимодействуют с диэлектриком, нагревают его и приводят к нагреву и, соответственно, к выводу на поверхность потока диэлектрических объектов и испарению с этой поверхности содержащейся в объектах влаги.
При описании конвекционной сушки обычно используют трехступенчатую модель процесса, состоящую из трех последовательно переходящих друг в друга этапов (рис. 2.4):- этапа прогрева продуктов (объектов сушки), сопровождающегося ростом скорости сушки и температуры материала (зона, обозначенная цифрой 1 на рис. 2.4 а, б, в);-этапа постоянной скорости сушки, на котором вся поступающая в продукт тепловая энергия уходит на фазовый переход влаги (из жидкого в газообразное состояние), чем обеспечивается термостабилизация продукта и постоянство всех остальных параметров процесса (зона, обозначенная цифрой 2 на рис. 2.4 а, б, в);
технологический поддон со слоем высушиваемых семян расторопши, массой пт, Р0 /2- потоки СВЧ-энергии, направления распространения указаны стрелками; VB - скорость направленного движения теплового агента конвекционной сушки; Vn - скорость движения продукта; h - толщина слоя продукта; m - масса продукта. начальный этап; 2 - участок постоянной скорости сушки; 3 - участок спада скорости сушки): а - динамика снижения влагосодержания продукта; б - изменение скорости сушки; в - изменение средней температуры продукта.- этапа снижения скорости сушки и роста температуры продукта, начало которого обусловлено появлением дефицита влаги в продукте и связанным с этим недостатком оставшейся части влаги для использования всей поступающей в объект сушки тепловой энергии, что приводит к неоднородности сушки, локальным перегревам продукта и переизлучению части энергии в окружающее пространство (зона, обозначенная цифрой 3 на рис. 2.4 а, б, в).
Именно для последнего этапа характерен резкий рост градиента температуры, направленного навстречу градиенту влажности и значительно препятствующего диффузионным процессам, обусловленным наличием последнего. Для преодоления этих проблем и предлагается использовать СВЧ-энергию, формирующую противоположно направленный градиент температуры, который, складываясь с градиентом температуры, обусловленным воздействием на поверхность потока семян тепловой энергии, уменьшает величину последнего, превращает его в нуль или даже создает встречно направленный градиент температуры VT (меняет знак градиента).
Одно из наиболее важных предположений, положенных в основу физической и математической модели рассматриваемого процесса - это предположение о том, что следует рассматривать не все три этапа сушки, а только второй этап. В обоснование его можно привести, как минимум два довода:- с одной стороны, микроволновая энергия быстро разогревает объект во всем его объеме и длительность первого этапа при ее использовании многократно уменьшается;- с другой стороны, можно исходить из того, что если даже на втором этапе, где скорость конвекционной сушки максимальна, использование СВЧ-энергии повышает скорость и снижает энергоемкость процесса, то, тем более, еще весомее будет ее влияние на ход третьего этапа процесса сушки (т.е. фактически рассматривается «ограничение снизу»).
Такой подход позволяет уйти от построения сложной и неудобной для практических расчетов модели, учитывающей нестационарные эффекты на первом и третьем этапах процесса. Аналогичный подход уже использовался ранее для упрощения построения математической модели тепловой конвекционной сушки [11-14, 18], однако в случае воздействия на диэлектрические объекты электромагнитных полей СВЧ диапазона, появляется более весомое физическое обоснование для его применения.
К другим упрощающим предположениям, положенным в основу модели, следует отнести следующие:- весь поток тепловой энергии Q0 проходит через слой продуктов (не имеет возможности частично «обойти» его);- вся СВЧ-энергия Р0, доведенная до границы потока диэлектрических объектов, используется в процессе сушки;- поток диэлектрических материалов имеет постоянное геометрическое сечение и постоянную плотность (рассмотрение ведется в относительно малом поддиапазоне влажностей).
С учетом высказанных выше предположений и строилась математическая модель комбинированного (микроволново-конвекционного) процесса. При этом погрешности, обусловленные использованием упрощающих предположений, были частично скомпенсированы введением в математическую модель поправочных эмпирических коэффициентов, определенных из сопоставления результатов расчетов и экспериментов, описываемых в главе 3 (разделы 3.1-3.3). Правомерность принятых при построении математической модели допущений подтверждена экспериментально.
Результаты экспериментального исследования режимов «параллельного» микроволнового конвекционного воздействия
Результаты параллельного (одновременного) воздействия на влажные объекты обоих энергетических потоков - конвекционной сушки с инжекцией в пространство взаимодействия 1% СВЧ энергии (рис. 3.5, кривая 2) и с инжекцией 5% СВЧ энергии (рис. 3.5, кривая 3) - сравнивались с результатами конвекционной сушки без инжекции СВЧ энергии (рис. 3.5, кривые 1). Все кривые представлены в виде зависимостей массы объекта (изначально одинаковой во всех проводимых экспериментах) от времени с начала процесса. При этом в первых двух сериях (начальные массы 3 кг семян расторопши без перемешивания - рис. 3.5 а и с перемешиванием - рис. 3.5 б) сыпучие (мелкодисперсные) объекты сушки подвергались воздействию энергетических потоков при толщине слоя около 40 мм, а в третьей серии (7 кг расторопши с перемешиванием -рис.3.5 в) слой продукта достигал 120 мм.
Результаты, представленные на рис.3.5, обрабатывались с целью определения реальной энергоемкости каждого из процессов в заданном диапазоне влажностей По результатам предварительно определенной влажности %0 (%),
Начальная точка на кривой убывания влаги т2о (соответствующая 20%-ной влажности) и конечная точка mi2 (соответствующая 12%-ной влажности) определялись как
Далее на кривой убывания влажности определялись значения времени tJ2 (соответствующее значению массы навески m == m ) и Іго (соответствующее значению массы навески m = тго), и общее время прохождения указанного интервала влажностей At = t]2 -120.
Далее определялась общая энергоемкость процессагде Рконв, Рсвч - мощности конвекционного теплового потока и инжектируемой СВЧ энергии, соответственно.
Полученные таким образом данные, представленные в виде зависимости энергоемкости процесса R от доли инжектируемой в процессе СВЧ энергии Рсвч/Рконв (рис. 3.6) для расторопши без перемешивания с m = 3 кг (рис.3.6а), расторопши с перемешиванием m = 3 кг (рис.3.66) и расторопши с перемешиванием m = 7 кг (рис. 3.6 в), показали, что для случая начальной навески с m = 3 кг (без перемешивания) наблюдается значительное снижение энергоемкости в диапазоне 1% РСвч/Рконв 2%, с замедлением темпа снижения энергоемкости при увеличении этого соотношения. Особенно эффект заметен на относительно небольшом слое (т=3 кг) с перемешиванием (рис. 3.6. б) Для более коррект Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что относительно малые дозы микроволновой энергии, инжектируемой в подвергаемые конвекционному (тепловому) обезвоживанию сыпучие мелкодисперсные диэлектрические объекты, могут прітодить к существенному (многократно превышающему затраты СВЧ-энергии) снижению энергоемкости конвекционного процесса при начальных влажностях объектов сушки 20...28%.
При снижении исходной влажности семян расторошпи до 13... 18% необходимо увеличение доли СВЧ энергии при комбинированном обезвоживании. Определение рациональных соотношений СВЧ и конвекционного потоков энергии выполнено в 3.4. Полученные результаты могут, видимо, служить основой для создания энергосберегающих технологий и оборудования промышленной сушки зерновых и других мелкодисперсных диэлектрических объектов с относительно малой исходной влажностью.
Результаты исследований, представленные в настоящем разделе получены для случая одновременного воздействия на влажный объект обоих энергетических потоков (микроволнового и теплового конвекционного).
Однако в реальных ситуациях гораздо чаще (с точки зрения технической реализации микроволново-конвекционных технологий) представляет интерес рассмотрение случая «последовательного» воздействия СВЧ энергии и конвекционного теплового потока в виде нескольких циклов (см. главу 4).
Эксперименты по изучению характеристик процесса обезвоживания с последовательным воздействием конвекционного теплового и электромагнитного СВЧ энергетических потоков проводились на той же экспериментальной установке и по той же методике проведения эксперимента. Отличие заключалось в том, что магнетронные генераторы, инжектирующие СВЧ-мощность в рабочую камеру, включались в одни промежутки времени, а поток теплого воздуха подавался в ту же камеру в другие промежутки времени.
При этом для каждого соотношения РСВч/Рконв варьировались (при фиксированном времени конвекционного нагрева) интервалы времени СВЧ-воздействия. Варьирование времени циклов облучения продуктов СВЧ энергией эквивалентно изменению соотношения мощностей Рсвч/Рконв энергетических потоков. Так, для результатов, представленных на рис. 3.5 а, РСВч/Рконв=5%, на рис. 3.5 б - 3%, на рис. 3.5 в - 1%. Первоначально эксперименты проводились для навески семян растороппш с исходной влажностью -25% (с достижением конечной влажности 12%) и с начальной массой навески 3 кг.
Результаты экспериментов показали (рис. 3.7., 3.8., 3.9.), что действие СВЧ-излучения при последовательном воздействии на объект двух энергетических потоков несколько слабее, чем при параллельном воздействии, даже при равных временных интервалах взаимодействия с продуктом каждого из энергетических потоков. Однако различие это постепенно уменьшается по мере увеличения числа последовательных циклов.КрОМе ТОГО, ЭКСПерИМеНТЫ, ПрОВедеННЫе ДЛЯ раЗНЫХ ОТНОШеНИЙ Рсвч/Рконв,показали принципиальную возможность увеличения эффективности последовательного воздействия при возрастании этого отношения.Полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности использования для комбинированного обезвоживания последовательных воздействий, что существенно расширяет возможности практической реализации предлагаемой электротехнологии.
Однако при последовательном воздействии необходимо увеличение доли СВЧ-излучения. Причем, как показали дальнейшие исследования, это увеличение тем значительнее, чем ниже исходная и конечная влажность подвергаемых
Конструкция установки сушки семян расторопши и других продуктов с низкой исходной влажностью
Установка комбинированной сушки предназначена для обезвоживания семян расторопши и может быть использована для сушки других сельскохозяйственных продуктов с низкой начальной влажностью (до 25-30%). Она может также применяться для сушки и термообработки любых других диэлектрических материалов, продуктов и изделий, если они при этом не выделяют агрессивных и токсичных паров, газов, аэрозолей и т.п.
Принцип действия установки основан на комплексном взаимодействии электромагнитного поля СВЧ (рис.4.1) и конвекционного потока горячего воздуха (рис. 4.2.) с непрерывно перемещающимся с помощью конвейера объек том сушки; при этом СВЧ энергия обеспечивает равномерный нагрев продукта во всем объеме и вывод содержащейся в нем влаги на поверхность объекта сушки, а конвекционный тепловой поток удаляет влагу с поверхности продукта и выносит ее из рабочей зоны.
Общий вид установки комбинированной сушки расторопши показан на рис. 4.3., 4.4. и 4.5. В состав установки входят следующие основные узлы:- электродинамическая микроволновая система, состоящая из 10 секций, сгруппированных в виде трех модулей, включающих соответственно четыре, три и три микроволновых секции. Каждая из секции содержит по 2 источника СВЧ - мощности;- два модуля конвекционной сушки (МКС), содержащие вентиляторы, блоки нагрева и воздуховоды;- двухцепной транспортер с закрепленными на нем технологическими поддонами;- электрически регулируемый электропривод транспортера;- систему приточно-вытяжной вентиляции с подогревом воздушного потока, обеспечивающую удаление влаги из рабочего канала установки и выполняющую роль третьего модуля конвекционной сушки;- пульт управления установкой;- блок входных (балластных) резисторов, обеспечивающих (при необходимости) понижение сетевого напряжения, подаваемого на источники СВЧ энергии.
Технологический процесс комбинированной (конвекционно-микроволновой) сушки семян расторопши основан на рациональном сочетании различных физических механизмов обезвоживания. На начальном этапе обезвоживания используется механизм микроволновой сушки (обезвоживания за счет инжекции в продукт СВЧ энергии). Этот процесс осуществляется в электродинамической системе, состоящей из совокупности желобковых волноводов, в которых продукт располагается на специальных диэлектрических поддо нах (рис. 4.1.). Радиопрозрачность этих поддонов позволяет микроволновой энергии беспрепятственно проникать в объекты сушки, которая при взаимодействии с ними (за счет их высоких диэлектрических характеристик - є и tg5) преобразуется в тепловую энергию, вызывающую интенсивный объемный разогрев жидкости в высушиваемых объектах. Разогрев жидкости приводит, в свою очередь, к значительному увеличению давления жидкости и образовавшегося пара в капиллярных системах высушиваемых объектов, интенсификации термодиффузионных процессов и выдавливанию жидкости на поверхность объектов, откуда она удаляется потоком теплого воздуха.
Технологические поддоны выполняются из полипропилена, материала с низісими диэлектрическими параметрами, что обеспечивает малые потери в нем СВЧ энергии и относительно высокой термостойкостью, что обеспечивает формоустойчивость поддонов в техпроцессе сушки. Фактически соотношение диэлектрических параметров поддона и продукта незначительно изменяется в диапазоне от исходной влажности продукта до его конечной (по ГОСТ на этот продукт) влажности, что позволяет обеспечить относительно низкую удельную энергоемкость микроволновой сушки («2,0 -2,5 кВт ч/кг по испаренной влаге).
С учетом сложности сушки семян расторопши, обладающих достаточно малой исходной влажностью и наличием твердой оболочки семени, в установке и, соответственно, в технологическом процессе обезвоживания последовательно осуществляется микроволновое и конвекционное тепловое воздействие на продукт. При этом в блоках электродинамических секций (первой-четвертой, пятой-седьмой и восьмой-десятой) осуществляется микроволновый разогрев продукта, при котором влага "выдавливается" на поверхность семян и существенно снижается значение градиента температуры в слое продукта.
После первого и второго микроволновых модулей поддоны с продуктом с помощью цепного транспортера перемещаются в соответствующий модуль конвекционной сушки, где на продукт снизу-вверх начинает воздействовать поток теплого воздуха, удаляющий выделенную на поверхности после прохожде ния микроволновых модулей влагу.
Схематическое изображение модуля конвекционной сушки представлено на рис. 4.2. Движущийся снизу-вверх нагретый воздух (5) пронизывает по всей плоскости дно технологического поддона с продуктом (2, 3), движущегося на цепном транспортере (4) через модуль конвекционной сушки. Проходя через дно поддона, нагретый воздух попадает в лежащий на нем слой высушиваемого продукта, толщина которого специально подбирается и составляет 35...40 мм (при заданной скорости движения транспортера). При этом удается минимизировать энергоемкость техпроцесса (количество энергии, потребляемой для испарения единицы массы влаги). Как показали производственные испытания (см. 4.3.), дополнительный положительный эффект при сушке семян расторопши обеспечивается за счет их перемешивания потоком теплого воздуха (эффект псевдокипения). Этот эффект достигается, в частности, за счет правильного выбора толщины слоя продукта, создающего необходимое аэродинамическое сопротивление и регулируемого по скорости воздушного потока. При большей толщине слоя эффект будет отсутствовать, при меньшей - часть семян может быть удалена из установки воздушным потоком. Использование эффекта псевдокипения является принципиальной особенностью разработанного техпроцесса. За счет него увеличивается эффективная поверхность съема влаги и интенсифицируется процесс сушки. Действительно, если бы семена расторопши неподвижно лежали заданным слоем на технологическом поддоне (без перемешивания), то влага, вышедшая на поверхность семян, сосредоточенных во внутренних пластах слоя, под воздействием СВЧ энергии, «застревала» бы внутри слоя. Внешние пласты слоя семян расторопши препятствовали бы ее выносу системой влагоудаления из рабочей камеры. В результате перемешивания слоя высушиваемых семян, располагающихся на технологическом поддоне, потоком теплого воздуха, вышедшая на поверхность влага сдувается практически с каждого семени, что существенно улучшает эффективность сушки.Геометрические размеры поддона составляют 300x700 мм и выбраны та
