Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время становится все более актуальной проблема интенсификации тепловых, массообменных процессов в различных отраслях промышленности и техники.
Различают пассивные и активные методы интенсификации различных процессов. К пассивным относят методы, связанные, например, с дополнительной турбулизацией потока с помощью различного рода конструктивных элементов. Активные методы связаны с непосредственным воздействием физических полей (электрических, магнитных, ультразвуковых и др.) на процессы и участвующие в них среды, которые являются наиболее эффективными с точки зрения как энергетических, так и экономических затрат на их реализацию.
Для проведения инженерных расчётов широкое распространение получили пакеты вычислительной гидродинамики, тепло- и массообмена, прочности и электродинамики. Среди них можно упомянуть такие, как CFX, FLUENT, ANSYS, ABAQUS, FlowVision, Pro/Mechanica и другие, которые решают задачи численным методом.
Данные программы способны учитывать только внешнее воздействие на процесс переноса, что приводит к определённым трудностям при решении задач тепломассообмена, в которых в качестве интенсификации процесса переноса используется внутренний источник тепла.
Следовательно, для того, чтобы минимизировать затраты на проектирование установок с использованием электротехнологий, сделать их энергоэффективными, в качестве интенсификации процессов переноса, необходимо разрабатывать методику расчёта процессов тепло- и массообмена.
Актуальность отмеченной проблемы с её недостаточной теоретической и практической изученностью предопределила выбор темы диссертационного исследования.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА.
Цель исследований. Создание инженерной методики расчёта процессов тепло- и массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, включающей разработку математических моделей, алгоритмов и программ расчета: кинетических характеристик, процессов теплопередачи и массопереноса в поле ультразвука (УЗИ) под действием конвективного теплообмена, инфракрасного (ИК) и СВЧ излучения.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
- разработать физическую и математическую модели процессов нагрева посредством ИК, СВЧ излучения и массопереноса в поле УЗИ;
- описать корреляционные зависимости для способов нагрева ИК, СВЧ излучения и коэффициент диффузии для массопереноса в поле УЗИ;
Объект исследований. Процессы теплопередачи и массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.
Предмет исследований. Корреляционные зависимости, характеризующие влияние электротехнологий таких, как ИК-излучение, СВЧ-излучение и УЗИ, на процессы тепло- и массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.
Научная новизна. В результате работы:
разработаны математические модели частных электротехнологических процессов непрерывной сублимационной сушки измельченного или гранулированного продукта с комбинированным энергоподводом, описывающие: испарительное самозамораживание термолабильных продуктов пищевого назначения и ИК сушку; сублимационную сушку замороженного продукта в полях СВЧ и УЗИ;
предложена формула внутреннего источника тепла для нестационарных задач нагрева материала при сублимационной сушке измельченного или гранулированного продукта под действием СВЧ излучения;
установлена корреляционная зависимость коэффициента диффузии в технологических процессах сублимационной сушки термолабильных продуктов пищевого назначения на установках с комбинированным энергоподводом.
Практическая ценность:
разработаны алгоритм и программный комплекс расчётов тепло- и массопереноса в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом, защищённый свидетельством государственной регистрации ЭВМ, который повышают эффективность проектирования параметров электротехнологических установок сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом. Данные расчётов программы могут быть использованы при разработке оптимальных режимов управления процессами сушки и выборе способов сушки, что ведёт за собой повышение эффективности использования и экономичности работы электрооборудования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели нагрева под действием ИК и СВЧ излучений, массопереноса в поле ультразвука пригодны для исследования электротехнологических процессов сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом.
2. Инженерные методики расчета нестационарного процесса нагрева с внутренним источником тепла и коэффициента диффузии в процессе массопереноса в поле УЗИ в установках сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом содержат новые сведения методологических основ создания надёжного и энергоэффективного оборудования.
3. Разработанные алгоритм и программный комплекс расчёта электротехнологических процессов в установках сублимационной сушки позволяют сократить время решения задачи не менее чем на 50%.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса сублимационной сушки конвективно-вакуумно-звуко-диэлектрическим способом криогранулянта сока чёрной смородины и конвективно-звуко-диэлектрическим способом рябины обыкновенной позволяют определять оптимальные мощностные параметры электрооборудования установки.
Методами исследования являются методы нестационарной теплопроводности, математические модели на основе компьютерных моделей, методы аналогий, теории погрешностей, статистические и экспериментальные методы. В процессе исследований, при обработке и оформлении результатов использованы компьютерная программа Maple, язык программирования Visual Basic и приложения Microsoft Office.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждаются корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов математического моделирования экспериментами, оценкой погрешностей исследований.
Личный вклад автора. Модели, алгоритмы и инженерные методики, программный комплекс, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично.
Совместно с научным руководителем к.т.н., профессором Литвинюк Н.Ю. и аспирантами кафедры ТОППП разработана установка и проведены экспериментальные исследования.
Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии руководителя диссертационной работы и научного консультанта к.т.н., доцента Воробьёвой Л.С.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях: «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450-летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008; «Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса», Ижевск, 2009; «Зоотехническая наука на Удмуртской земле. Состояние и перспективы», Ижевск, 2009; «Научное обеспечение развития АПК в современных условиях», Ижевск, 2011.
Публикации. Основные положения работы и результаты исследований опубликованы в 9 печатных изданиях, причем четыре статьи в изданиях рекомендованных ВАК, одна статья находится в печати (журнал Хранение и переработка сельхозсырья), получено свидетельство программы расчёта процессов тепло- и массопереноса в установках сублимационной сушки.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 120 страницах основного текста, содержит 32 иллюстраций, 6 таблиц, 2 приложения и список литературы содержит 161 наименование, в том числе 11 на иностранном языке.
