Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы сушки и стимуляции семян сельскохозяйственных культур 14
1.1. Строение растительных материалов и тканей 14
1.2. Свойства семян как объектов сушки и стимуляции 18
1.3. Способы сушки семян 26
1.4. Способы стимуляции семян 32
1.5. Кинетика сушки семян 44
1.6. Установки для сушки зерна и семян других сельскохозяйственных культур. Инфракрасные излучатели 49
Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования 58
Глава 2. Описание опытной установки и методики эксперимента 63
2.1. Опытная установка для исследования осциллирующей РЖ-сушки и стимуляции семян 63
2.2. Методика проведения эксперимента 66
2.3. Измерительные приборы и их характеристики 70
2.4. Семена, выбранные в качестве объектов исследования осциллирующей ИК-стимуляции 75
Выводы по главе 2 76
Глава 3. Экспериментальные исследования осциллирующей ИК термообработки (сушки) семян 78
3.1. Предварительное исследование стимуляции семян, обладающих различной всхожестью 78
3.2. Условия осциллирующей ИК-стимуляции семян лука репчатого 83
3.3. Влияние длительности замачивания семян на их энергию прорастания и всхожесть после осциллирующей ИК-тнрмообработки 85
3.4. Влияние продолжительности осциллирующей инфракрасной термообработки на всхожесть и энергию прорастания семян лука 87
3.5. Влияние температурного режима осциллирующей ИК термообработки на энергию прорастания и всхожесть семян 89
3.6 Влияние длительности хранения семян на стимулирующий эффект 94
3.7. Стимуляция семян без замачивания 95
3.8. Исследование кинетики осциллирующей ИК-сушки 96
Выводы по главе 3 100
Глава 4. Математическое моделирование процесса тепломассообмена при осциллирующей инфракрасной сушке семян 102
4.1. Взаимосвязанный тепломассоперенос при сушке в осциллирующем электромагнитном поле 102
4.2. Проверка адекватности математической модели взаимосвязанного тепломассопереноса при осциллирующей ИК-сушке 112
4.3. Численный эксперимент по изучению влияния коэффициента экстинкции на динамику ИК-нагрева материала 115
4.4. Численный эксперимент по изучению влияния интенсивности теплообмена поверхности пластины с окружающей средой на динамику осциллирующего ИК-нагрева материала 118
4.5. Численный эксперимент по изучению влияния интенсивности сушки на динамику осциллирующего ИК-нагрева материала 120
4.6. Изменение среднеобъёмной температуры и градиента температуры при х = R в пластине в условиях её осциллирующей ИК-сушки 122
4.7. Осреднение среднеобъёмной температуры по времени 124
Выводы по главе 4 125
Глава 5. Аппаратурное оформление осциллирующей ИК-термообра ботки семян, инженерная методика расчёта сушилки, экономический анализ эффективности процесса осциллирующей термообработки семян 127
5.1. Аппаратурное оформление процесса осциллирующей ИК-термо-обработки семян 127
5.2. Инженерная методика кинетического расчёта осциллирующей ИК-сушки 134
5.3. Исследование массопроводности семян 142
5.4. Исследование равновесного влагосодержания семян 153
5.5. Проверка адекватности математической модели кинетики сушки 158
5.6. Расчет относительного коэффициента термодиффузии из изотермы десорбции 165
5.7. Влияние термодиффузии на кинетику сушки 168
5.8. Экономический анализ эффективности процесса осциллирующей термообработки семян 171
Выводы по главе 5 179
Заключение и выводы по работе 182
Литература 184
Приложения 198
- Способы сушки семян
- Методика проведения эксперимента
- Взаимосвязанный тепломассоперенос при сушке в осциллирующем электромагнитном поле
- Проверка адекватности математической модели кинетики сушки
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одной из основных задач сельскохозяйственного производства является повышение урожайности выращиваемых культур на основе использования современных технологий возделывания. Эффективным способом её решения является, в частности, повышение качества посевного материала с помощью воздействия на семена физическими факторами. Для этого в сельскохозяйственной практике используют разнообразные приемы предпосевной обработки семян - обогрев, воздействие электромагнитным полем и др. Перспективным способом сушки и стимуляции семенного материала является его термообработка инфракрасными лучами с применением осциллирующего температурного режима. При применении этой технологии исключается перегрев материала, и улучшаются его семенные качества, сокращаются энергозатраты и увеличивается эффективность сушки.
Однако этот процесс исследован далеко не полностью, не изучено сохранение стимулирующего эффекта в зависимости от продолжительности хранения семян до момента их высева, не исследовано влияние начальной влажности семян, продолжительности ИК-воздействия температурного режима ОИКТ на качественные показатели семян, длительности сохранения эффекта стимуляции. Не исследована динамики температурного поля, развивающегося в семени при осциллирующей ИК-сушке.
Вышеизложенное предопределяет актуальность избранной темы и определяет цель и задачи исследования.
Объект исследования: семена овощных культур, отличающиеся низкой всхожестью.
Предмет исследования. Осциллирующая инфракрасная термообработка семян как средство сушки и стимуляции семян.
Методы исследования. Лабораторные экспериментальные исследования ИК-термообработки, энергии прорастания, всхожести семян, их влажности в соответствии с нормативными документами, статистические методы обработки опытных данных, аналитические методы теплопроводности, методы математического моделирования с постановкой вычислительных экспериментов.
Цель работы. Совершенствование технологий сушки и стимуляции семян.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Определить, какое место занимает осциллирующая ИК-термообработка (сушка) семян в системе производства и подготовки семян к посеву. Установить режимы и параметры осциллирующей ИК-термообработке (ОИКТ), при которых достигается наибольший эффект стимуляции семян, т.е. повышение энергии прорастания и всхожести.
-
Провести теоретическое исследование тепломассопереноса при осциллирующем электромагнитном подводе энергии к высушиваемому материалу, в том числе при ОИКТ.
-
Разработать инженерную методику расчёта процесса осциллирующей ИК-сушки семян.
-
Исследовать массопроводные свойств семян и их равновесную влаж-
ность, что необходимо для реализации этой методики. 5. Дать анализ экономической эффективности осциллирующей ИК-
термообработки (сушки) семян. Научная новизна результатов работы. 1.Определен характер влияния технологических параметров ОИКТ: начальной влажности семян (длительности замачивания при предпосевной обработке), продолжительности ИК-термообработки, максимальной температуры нагрева семян в цикле, температурного гистерезиса, длительности хранения семян после ОИКТ, на величину стимулирующего эффекта.
-
-
Впервые сформулирована и аналитически решена задача взаимосвязанного тепломассопереноса в пластине (слое) при электромагнитном энергоподводе.
-
Проведено компьютерное моделирование процесса ИК-термообработки, показана целесообразность ее применения для выбора режимных параметров процесса. Проанализирован эффект термовлагопроводности в этом процессе.
-
Предложен метод расчета ИК-сушки с использованием найденного решения. Исследованы массопроводные и гигротермические свойства ряда семян.
-
Дана экономическая оценка эффективности применения ОИКТ для сушки семян, собранных с поля, и для их предпродажной и предпосевной стимуляции.
Практическая ценность полученных результатов и их реализация. 1. Полученные в результате исследования данные обосновывают целесообразность и эффективность применения осциллирующей инфракрасной термообработки жизнеспособных семян, особенно с низкими посевными качествами.
-
-
-
-
Определены режимы и параметры осциллирующей ИК-термообработки исследованных семян с целью достижения наибольшего стимулирующего эффекта. Подана заявка на патент (№ 2012158013, 28.12.20112 «Способ осциллирующей инфракрасной термообработки семян).
-
Предложен метод расчёта кинетики осциллирующей ИК-сушки для практического использования данных по массопроводности и равновесному влагосодержанию семян.
4 Рекомендованы типы аппаратов для проведения процесса ОИКТ и дана экономическая оценка целесообразности применения осциллирующей ИК- технологии для сушки семян, собранных с поля, и для их предпродажной и предпосевной стимуляции.
5. Разработанные методики экспериментального исследования ИК- стимуляции семян и теоретически обоснованные методы расчета взаимосвязанного тепломассопереноса при осциллирующей электромагнитной сушке материалов могут быть использованы для решения аналогичных задач для других объектов исследования и используются в учебном процессе при подготовке магистров по направлению 140100.68 - «Теплоэнергетика и теплотехника». Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
-
Результаты экспериментальных исследований по ОИКТ семян.
-
Математическая модель взаимосвязанного тепломассопереноса для пластины (слоя) в условиях электромагнитной сушки (ИК-сушки, сушки токами высокой и сверхвысокой частоты).
-
Результаты компьютерного моделирования ОИКТ.
-
Метод расчета кинетики осциллирующей ИК-сушки,
Апробация результатов работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на IV междунар. научно-практич. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка, термовлажностная обработка материалов), СЭТТ-2011» (Москва, 2011); междунар. научно-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ресурсоэнергосберегающие технологии и оборудование» (Киев. Национальный технич. ун-т. Украины, 2011); междунар. на- учно-практич. конф. «Инновационные энергоресурсосберегающие технологии» (Москва, МГАУ, 2012); соискатель награжден грамотой за активное участие во II этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов вузов Министерства сельского хозяйства РФ по Центральному федеральному округу (технич. науки) (Рязань, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы, изложена на 185-ти страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 22 таблицы, списка использованных источников (135 наименований) и приложения.
Способы сушки семян
Для сушки семян применяют различные способы: конвективный, контактный (кондуктивный), инфракрасный, сушку токами высокой и сверхвысокой частоты (соответственно ТВЧ- и СВЧ-сушка), вакуумный, но удельный вес каждого из этих способов при сушке семян весьма различен. В настоящее время наиболее широко применяемым для сушки семян способом является конвективный, на долю которого приходится подавляющее число сушилок. Отличительные особенности каждого из указанных способов, их преимущества и недостатки, применимость для тех или иных материалов освещены в [4,12,14,19,28, 82, 134].
Конвективный способ широко применяют для крупнотоннажных производств, например, для сушки зерна, он является основным. При конвективной сушке сушильный агент служит не только для передачи теплоты зерну, но и одновременно для поглощения испарившейся из него влаги. Сушить зерно и семена конвективным способом можно смесью топочных газов с воздухом или атмосферным воздухом, без нагревания или нагретым в теплообменнике. Сушка нагретым воздухом исключает попадание в сушильную камеру продуктов сгорания топлива (сернистого газа, дыма). Конвективный способ сушки можно применять при разном состоянии семенного (зернового) слоя — в плотном или разрыхлённом, в пересыпающемся, падающем или взвешенном состоянии [29]. Сушка в плотном не подвижном слое применяется в различного типа напольных, треугольных, ромбических сушилках.
При сушке семян в плотном движущемся слое контакт между семенами сохраняется. Однако вследствие относительного смещения семян точки контакта непрерывно обновляются. Активная поверхность из-за смещения семян также меняется, что способствует ускорению процесса сушки. При движении слоя несколько увеличивается его скважистость, что также повышает скорость сушки. Зерно и семена высушиваются более равномерно, чем в неподвижном слое [30 - 33]. Сушка в плотном движущемся слое происходит в шахтных, колонковых, жалюзийных, бункерных и карусельных сушилках [33-35]. При сушке данным способом необходимо обеспечить равномерность движения зерна по сушильной камере. Из-за неравномерности движения зерна неравномерность нагрева может достигать более 10С [33].
Сушка в пересыпающемся слое. Такой способ сушки применяют в барабанных сушилках, в которых семена можно сушить независимо от их влажности и засоренности. Семена хорошо перемешиваются и интенсивно продуваются сушильным агентом, при этом они равномерно нагреваются и высушиваются. Процесс сушки происходит при температуре агента сушки 150 ... 200 С. Продолжительность сушки составляет 20 ... 40 минут, съем влаги - до 6 процентов [29]. Недостатки этой конструкции: сушка осуществляется смесью топочных газов и воздуха (подогрев воздуха в рекуперативном теплообменнике до температуры 150 ...200С приводит к неоправданно большим энергозатратам и поэтому не применяется); невозможность сушки семян влажностью более 21% в потоке (необходим неоднократный их пропуск через сушилку); невозможность обеспечить применение мягких режимов сушки (их применение приводит к 4-х кратному уменьшению производительности и влагосъема) [29]. Конвективную сушку разрыхлённого или кипящего (псевдоожижен-ного) слоя осуществляют на сетке (сите) восходящим потоком сушильного агента. В зависимости от скорости сушильного агента семенной (зерновой) слой имеет разную степень разрыхления, начиная от слабо разрыхлённого до кипящего. При больших площадях сетки не обеспечивается равномерное продувание семенного слоя. Поэтому наблюдается неравномерность нагрева и сушки семян. В кипящем слое при высоте слоя 100 мм и температуре сушильного агента 120...140С, температура семян почти достигает максимально допустимого значения (50...60 С), а снижение влажности семян за это время составляет не более 2,0...2,5%. При начальной температуре сушильного агента 60С влажность семян снижается за 1 мин на 1%. Вследствие малого снижения влажности при быстром нагревании зерна и семян зерносушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем не нашли широкого практического применения [29].
Конвективные технологии сушки в плотном продуваемом слое обладают большой энергоемкостью, что приводит к повышенному потреблению жидких и газообразных видов топлива, энергия сжигания которых используется в процессах конвективной сушки. При этом снижается экологическая чистота процесса сушки. Близкие по сущности проблемы возникают при использовании технологий сушки в псевдоожиженном (кипящем) слое и других, основанных на поверхностном обогреве высушиваемых продуктов [36, 37]. Однако, конвективный способ сушки зерна, проводимый в аппаратах шахтного типа, является единственно приемлемым в конструктивно-технологическом отношении при больших производитель-ностях (20 .. .50 т/ч).
Контактный (кондуктиеный) способ сушки. Сушка семенного или зернового слоя, насыпанного непосредственно на горячую поверхность, малоэффективна и требует большого расхода теплоты. При таком способе сушки нижний слой семян, соприкасающийся с горячей поверхностью, быстро нагревается, в то же время поверхностный слой почти не нагревается и не просушивается [29].
Контактный подвод теплоты, как правило, применяется при сушке в вакууме. В вакуум-сушилках теплота передаётся зерну от стенок паровых труб, а испаряемая влага непрерывно откачивается вакуум-насосом. Чем больше величина вакуума в зерносушилке, тем интенсивнее испаряется влага из зерна и тем ниже температура его нагрева. Однако значительный расход электроэнергии на работу вакуум - насосов, потребность в установке парового котла, необходимого для выработки пара, подаваемого в греющие трубы, и охладителя высушенного зерна, а также сложность устройства для обеспечения герметичности поступления зерна в вакуум-сушилку и при выпуске из неё является причиной того, что вакуумные зерносушилки не нашли широкого применения [29].
Современные технологии сушки семян должны обеспечивать высокое качество конечного продукта, опираться на такие физические механизмы обезвоживания, физические процессы, ход которых не так сильно связан с изменяющимися в процессе сушки технологическими свойствами продуктов. Согласно [38] перспективна сушка термолабильных материалов, к числу которых относятся и семена, в электромагнитном поле: путём радиационной сушки (в инфракрасном диапазоне частот), токами высокой (ТВ) и сверхвысокой (СВ) частоты.
При сушке в электрическом поле высокой частоты семена находятся в поле токов высокой частоты, энергия поля поглощается семенами и расходуется на испарение влаги и нагрев семян. Температура семян быстро повышается (в течение нескольких секунд), причём однородный материал нагревается равномерно по всей толщине. Разогрев семян происходит за счёт того, что переменное электромагнитное поле, проникая в массу семян, заставляет многократно поворачиваться на 180 (туда и обратно) диполь-ные молекулы воды, находящейся в материале, с частотой, равной частоте поля, которая составляет сотни тысяч колебаний в секунду. При этом за счёт трения молекул друг о друга происходит разогрев влажных семян.
СВЧ-сушка проводится в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц. Чем больше частота электромагнитного поля, те меньше глубина его проникновения в материал. При ТВЧ-сушке она составляет до 0,5 м, при СВЧ-сушке - до 0,15 м, а при инфракрасной сушке измеряется миллиметрами.
Влияние ТВЧ- и СВЧ-поля на семенные и продовольственные качества зерна трактуются разными авторами неоднозначно. Этот способ требует большого расхода электроэнергии (до 5 кВт-ч на 1 кг испарённой влаги) [29]. ТВЧ и СВЧ- способы сушки применимы только при небольших производительностях сушилок, т.к. при большой производительности возникают непреодолимые проблемы в необходимости подвода большой электрической мощности.
Воздушно-радиационный способ сушки зерна. К этому способу относят солнечную сушку, когда зерно или семена рассыпают на открытой площадке, и они нагреваются от солнечных лучей, а испарившаяся влага поступает в атмосферу. Скорость солнечной сушки увеличивается при тонком зерновом слое и при наличии ветра над слоем. Солнечную сушку применяют в отдельных случаях для сушки небольших партий семенного материала.
Методика проведения эксперимента
Для получения семян высокого качества с хорошей энергией прорастания и всхожестью можно совмещать процессы ИК-сушки и стимуляции [3, 21, 112]. Этот процесс изучался в работах [3,112] применительно к семенам с полевой влажностью, т.е. сразу после уборки семян, закладываемых на хранение. Было установлено, что инфракрасная сушка, проводимая в осциллирующем режиме, вызывает значительную стимуляцию семян, проявляющуюся в увеличении их всхожести и энергии прорастания. В данной работе, в отличие от [3, 112], исследовался процесс предпосевной инфракрасной термообработки ранее высушенных семян исключительно с целью их стимуляции. Изучалось влияние длительности предварительного увлажнения семян и длительности их последующей осциллирующей ИК-сушки на процесс стимуляции семян растений, обладающих разной всхожестью и разными теплофизическими параметрами.
Было отмечено, что наибольший эффект стимуляции наблюдается при облучении влажных семян. Поэтому семена предварительно увлажняли, варьируя длительность увлажнения, следовательно, начальную влажность семян. Увлаженные семена подвергали ИК-сушке.
Сушку-стимуляцию семян осуществляли осциллирующим ИК-способом в сушильной камере установки, описанной выше. Этот процесс можно разбить на две стадии: стадию выхода процесса на заданный осциллирующий температурный режим и стадию сушки в пределах температур высушиваемых (стимулируемых) семян в заданном температурном интервале tmm ... tmax. Первая стадия цикла включала в себя время прогрева семян от начальной температуры гн=20С до максимальной tmax, задаваемой по условиям эксперимента, с последующей «отлежкой» его до температуры mm =34 С при выключенном ИК-излучателе. При достижении этой температуры автоматически включались излучатели и происходила ИК-сушка -до достижения материалом температуры tmm, после чего излучатели автоматически отключались. Последующие циклы «нагрев-отлежка» автоматически повторялись в тех же пределах температур. Средняя температура семян при сушке, таким образом, составляла tcp «(/mm + /max)/2,C. Этот температурный режим поддерживался с помощью системы автоматического регулирования, которой была оснащена установка (рис. 2.1) [3].
Сушка (стимуляция) семян, помещаемых на сетчатый поддон, осуществлялась в плотном монослое. В течение всего процесса сушки поверхности семян обдувались продольным потоком воздуха комнатной температуры - для удаления испаряемой влаги. Температура семян в опытах отслеживалась с помощью бесконтактного пирометра Raytek MID LT 02, сигналы с которого передавались на блок управления процессом нагрева семян, который периодически включал и отключал питание излучателей.
Создавалась оптимальная в отношении увеличения всхожести семян плотность теплового потока, составляющая согласно [3] 1890 Вт/м . В качестве излучателей были выбраны лампы OSRAM Siccatherm, т.к. наибольший стимулирующий эффект семян при их ИК-сушке из числа исследованных в [3] излучателей (лампы OSRAM Siccatherm, трубчатые лампы накаливания КГТ-220 - 600, керамические излучатели ELCER ECS1) наблюдался при применении именно ламп OSRAM, имеющих максимум излучения на длине волны 1,1 мкм. Технические характеристики инфракрасной лампы OSRAM Siccatherm, использованной в данной работе, представлены в табл. 2.1.
Влажность семян определяли следующим образом [113, 114]. Извлеченные из сушильной камеры после проведения опыта семена помещали в бюксы, предварительно взвешенные и пронумерованные, и взвешивали навеску материала с бюксом. После проведения опыта определяли влажность материала весовым методом по ГОСТ 12041-82 «Семена сельскохозяйственных культур. Метод определения влажности». Для этого бюксы с открытыми крышками помещали в воздушный термостат и выдерживали в нём при условиях t = 130С в течение т = 40...60 мин. (в зависимости от культуры). После этого вынимали из термостата бюксы, надевали на них крышки, и далее они остывали в эксикаторе до комнатной температуры, затем производилось взвешивание бюкса с высушенным материалом.
Влажность семян в процентах (w, %) вычисляли с точностью до 0,1% влажности по формуле где: Mi - масса пустого бюкса и его крышки, г; М2 — масса бюкса с крыш- кой и навеской до сушки, г; М3 - масса бюкса с крышкой и навеской после сушки, г; М3 - масса бюкса с крышкой и навеской после сушки, г [11].
По результатам измерения влажности образцов, взятых на анализ через различные значения времени сушки, строили кривую сушки, определяли начальную влажность семян, рассчитывали и строили кривую скорости сушки, анализировали процесс с помощью Microsoft Excel или Mathcad. Расчет кривой скорости сушки из кривой сушки осуществляли с помощью программы Mathcad.
Порядок проведения эксперимента:
1. Увлажняли семена определенное время (от 10 мин. до 180 мин.)
2. Включали приборы и прогревали установку в течение одного часа для выхода на заданный температурный режим.
3. Подключали преобразователь интерфейса АС4 и весы к ПК.
4. Размещали семена плотным монослоем на сетке в сушилке.
5. Измеряли вес семян вместе с сеткой, на которой они были расположены. Первоначальный вес навески фиксировали в лабораторном журнале, остальные измерения веса осуществляли в процессе эксперимента через определенные интервалы времени (они фиксировались в программе «СAS MWP - система сбора данных»).
6. Запускали программу «Owen Process Manager».
7. Запускали отсчёт веса в программе «CAS MWP - система сбора данных».
8. Включали обдув семян и одновременно с ним секундомер.
9. Перед взвешиванием семян, которое проводили периодически с определённым интервалом, обдув отключали (вручную), а после взвешивания опять включали.
10. После прекращения опыта выключали обдув и сохраняли полученные экспериментальные данные с помощью программы Owen Report Viewer и CAS MWP - система сбора данных.
11. Отключали электропитание, подаваемое на излучатели с помощью электрического автомата.
12. Часть высушенных семян помещали в бюкс с притёртой крышкой, взвешивали и далее анализировали на влажность по методике, описанной в данном параграфе.
13. Оставшиеся семена делили на три части и использовали для определения всхожести и энергии прорастания (сразу после термообработки, через три месяца и через восемь месяцев после нее). Процесс сушки длился до истечения заданного промежутка времени. Значения температуры семян, воздуха на входе и выходе из сушильной камеры, относительной влажности - в процессе сушки отображались на экране с помощью программы «Owen Process Manager», а после эксперимента архивировались в ПК с помощью программы «Owen Report Viewer» для обработки [115, 116]. По результатам экспериментов строили кривые сушки и кривые скорости сушки, рассчитывали энергетические затраты на импульсную ИК- стимуляцию семян.
Взаимосвязанный тепломассоперенос при сушке в осциллирующем электромагнитном поле
В последние годы всё чаще для проведения процесса сушки используются осциллирующие и импульсные режимы [2, 22, 78, 120 - 124], которые в зависимости от решаемой технологической задачи проводят путём: 1) осцилляции скорости сушильного агента, продуваемого через слой материала в режиме, например, псевдоожижения [120], 2) чередования процессов конвективного нагрева материала и последующей вакуумной сушки [121,122], чередования стадий нагрева и остывания слоя материала при его облучении электромагнитным полем [22, 78], при импульсном энергоподоводе [2, 123,124], вызванном, например, ударным нагружением материала [124]. Осциллирующий режим создаёт щадящие условия сушки, что чрезвычайно важно для термолабильных материалов - в целях сохранения их кондиционных свойств. При сушке материалов в электромагнитном поле необходим осциллирующий режим, при котором стадии облучения материала чередуются со стадиями обдува материала газовой средой с невысокой температурой - во избежание перегрева материала. Это может быть сушка с подводом энергии только с помощью электромагнитного поля, когда материал обдувается холодным газом (например, атмосферным воздухом), либо комбинированная конвективно-электромагнитная сушка, при которой для повышения энергетической эффективности процесса часть энергии, затрачиваемой на сушку, подводится конвективно.
При проведении процесса сушки термолабильного материала в осциллирующем электромагнитном поле важно знать динамику температурного поля материала для того, чтобы можно было выбрать правильный технологический режим и оценить возникающие в материале температурные градиенты, способные вызывать термодиффузию и молярный перенос влаги. Для получения информации о температурном поле материала, высушиваемом в осциллирующем электромагнитном поле (это может быть инфракрасная сушка или сушка материала токами высокой или сверхвысокой частоты) ниже сформулирована и аналитически решена задача взаимосвязанного тепломассопереноса при сушке плоского материала (пластина или плоский слой высушиваемого материла), обдуваемого потоком газа (сушильного агента).
Вышеизложенное в полной мере относится к осциллирующей (импульсной) инфракрасной сушке семян, рассматриваемой в данной работе. Постановка и аналитическое решение задачи [125, 131]. При формулировке задачи приняты следующие условия и допущения:
- тело имеет форму неограниченной пластины толщиной R и находится на поверхности, непроницаемой для потоков теплоты и влаги;
- противоположная поверхность тела участвует в процессе тепломассобме-на с потоком газа по законам тепло- и массотдачи;
- термодиффузия и молярный перенос влаги в теле отсутствуют (это условие правомерно, поскольку рассматривается низкотемпературная сушка термолабильных материалов);
- электродиффузией согласно [14] также пренебрегаем; следовательно, внутренний массоперенос осуществляется только путём массопроводности;
- при формулировке задачи теплопроводности принимаем допущение об отсутствии внутренних фазовых превращений (сток теплоты на испарение влаги имеет место у поверхности тела);
- поглощение лучистой энергии происходит согласно закону Бугера Ламберта-Бера;
- коэффициент проницаемости тела равен нулю;
- циклы «нагрев-остывание» тела одинаковы по длительности с одинаковыми значениями в них длительностей стадий нагрева и остывания;
- все теплофизические и электрофизические характеристики материала, кинетические характеристики процесса, а также температура сушильного агента и концентрация пара в нём постоянны.
Коэффициент массопроводности к в процессе сушки изменяется, являясь функцией температуры и влагосодержания материала: к = f(u,t), но применение зональной методики расчёта [15] позволяет учесть это изменение.
Зная интенсивность сушки і(т), сформулируем задачу одностороннего нагрева пластины в осциллирующем электромагнитном поле с учётом стока теплоты на испарение влаги следующим образом
Выражение q{x) = \x q0 exp[-u. (i? - )] в (4.9) описывает количество тепловой мощности, выделяющейся в единице объёма пластины в плоскости с координатой х-в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера, Вт/м3.
Как видно из (4.12), математическая формулировка задачи предполагает, что сток теплоты на испарение влаги происходит у поверхности тела. В целях общности постановки задачи сделано предположение, что начальная температура в пластине распределена неравномерно - согласно функции f2(x) в (4.10).
Полученное аналитическое решение (4.51) может быть использовано, в частности, для расчёта и численного моделирования динамики нагрева материала при его осциллирующей РПС-сушке (для расчёта локальных температур) - по уравнению (4.51), расчёта и численного моделирования изменения во времени среднеобъёмной температуры материала - по уравнению (4.52), оценки максимальных температурных градиентов, возникающих в материале в этом процессе - по уравнению (4.53).
Проверка адекватности математической модели кинетики сушки
Для проверки адекватности математической модели расчета кинетики сушки зональным методом с использованием полученных данных по коэффициентам массопроводности и равновесных влагосодержаний были рассчитаны кривые сушки для семян горчицы белой и лука репчатого сорта «Штутгартер ризен», опытные кривые сушки для которых приведены соответственно на рис. 3.9 и 3.11. Опытные кривые сушки были получены для монослоя семян, лежащих на сетке и обдуваемых продольным потоком атмосферного воздуха. В этих условиях каждое семя сохло индивидуально, поэтому для расчета кинетики сушки этих семян применимо решение задачи массопроводности для единичного семени в форме уравнения (5.15).
Для выбора значений коэффициентов Bj и ц. необходимо знать величину числа Ві = фсЯ)/(кі pQA ). Оценим его значение.
Для условий проведения осциллирующей ИК-сушки коэффициент массоотдачи Рс определим по критериальному уравнению для плоского продольно обдуваемого слоя [14] Sh = 0,49Re0-61 Sc 33Gu0 135 . (5.25)
Число Рейнольдса для условий эксперимента равно Re=V=OT =U5-104 (526) где v = l,5 м/с - скорость обдува семян; / = 0,12 м - длина потока в направлении обдува; v-15,61 -10"6 м2/с - кинематическая вязкость воздуха при 20 С.
Число Шмидта Sc для системы «водяной пар-воздух» в широком диапазоне температур равно [15] равно Sc = 0,71. Число Гухмана для условий эксперимента: Gu = (Тс-Тмт)/Тс = (293-289)/293 = 0,0136, где Тс- температура сушильного агента в сушилке, К; Тмт- температура мокрого тер мометра в сушилке, К, найденная по H,d - диаграмме влажного воздуха при tCH= 20 С и фсн= 67%. Число Шервуда при этих значениях чисел подобия составляет: Sh = 0,49 Re0-61 Sc 33Gu0 135 = 0,49 (1,15 104 )0 61 0,710-33 0,013 60Д35 = 73,46. Следовательно, коэффициент массоотдачи равен Pc=Numg = 73,462,405112"5 =0,015 м/с, (5.28) где = 2,45-10 5 м2/с - коэффициент диффузии водяного пара в воздухе (коэффициент взаимодиффузии) при температуре 37С.
При средней температуре материала tM = 37 С и влагосодержании воздуха, обдувающего поверхность семян, d = 0,01 кг/(кг сух. в - ха) парциальное давление пара у поверхности семян: pn = Pd/(0,622 + d) = 0,98-105-0,01/(0,622 + 0,01) = 1550 Па. (5.29) Следовательно, концентрация пара у поверхности семян равна: Сс.п =pJ{Run) = 1550,6/(462-310) = 0,0108 кг/м3. (5.30)
Допуская в условиях изотермической сушки линейную аппроксимацию равновесной зависимости wp =/(сс): ир = Ар -Сс, в дальнейших расчётах принимали ир = и .
Коэффициент распределения равен: где ир= 0,07 кг влаги/(кг сухого материала) - равновесное влагосодержа-ние для семян горчицы; ир =0,0824 кг влаги/(кг сухого материала) - то же для семян лука.
Коэффициент массопроводности семян горчицы при tM = 37С согласно данным, приведенным на рис. 5.12, в интервале влагосодержаний 21 - 52 % составляет к = (6,4 - 8,8)-10" м /с, а коэффициент массопроводности семян лука сорта «Штутгартер ризен» в интервале концентраций
Возьмем для оценки числа Bi средние значения коэффициента массопроводности к: для горчицы к = 7,3-10"11 м2/с, а для лука к = 5,15-10" м /с. Тогда для семян горчицы, имеющих сферическую (шарообразную) форму диаметром d = 2,16 мм (табл. 5.1) число Віот равно:
Для семян лука, имеющих цилиндрическую форму (при длине цилиндра / = 0,9 мм и диаметре d = 1,7 мм - табл. 5.1) найдем отдельно числа Bim для цилиндрической и плоской поверхности. Для цилиндрической поверхности:
Таким образом, и для семян горчицы, и для семян лука задача является смешанно-диффузионной и расчет кинетики сушки зональным методом надо вести по формулам, приводимым ниже [15].
Для плоской поверхности \іПІ - первый положительный корень характеристического уравнения ctg00 = - . (5.39)
Отметим, что вследствие изменения коэффициента массопроводности по расчетным зонам изменяются и числа ц.ш,, ц.ц,, цП1, что необходимо учитывать в расчете. Ниже приводятся результаты расчета кинетики сушки семян горчицы и лука репчатого по приведенным выше формулам.
В соответствии с зональным методом весь диапазон влагосодержа-ний высушиваемых семян, в пределах которых осуществлялась сушка, разбивали на ряд концентрационных зон, в пределах которых коэффициент массопроводности принимали постоянным. Расчет вели в следующей последовательности :
1) для каждой концентрационной зоны выбирали значение коэффициента массопроводности к, м /с (для семян лука - см. график на рис. 5.11, для семян горчицы - график на рис. 5.12) при температуре 37С;
2) рассчитывали длительность каждой концентрационной зоны т,, используя уравнение (5.33) для семян горчицы и уравнение (5.36) для семян лука;
3) суммируя длительности концентрационных зон, находили время сушки до конечного влагосодержания (сообразуясь с конечным влагосодержани-ем опытных кривых сушки), которое для семян горчицы принимали равным 21%, а для семян лука - 15%.
Расчетные величины по концентрационным зонам приведены в табл. 5.6 для семян горчицы и в табл. 5.7 - для семян лука.
Сопоставление опытных и расчетных кривых сушки приведено на рис. 5.18 и 5.19. Как видно из таблиц 5.6 и 5.7 и графиков на рис. 5.18 и 5.19, расчетное время сушки при сушке семян горчицы от начального влагосодержания 52% до конечного 21% составляет 57,6 мин, а опытное - 60 мин, для семян лука при сушке от начального влагосодержания 48% до конечного 15% - соответственно: расчетное время 38,3 мин, а опытное - 40 мин. Относительная ошибка расчета времени сушки в первом и во втором случае составляет 4 %.
Проведенное сравнение показывает адекватность математической модели расчета кинетики осциллирующей ИК-сушки зональным методом с использованием полученных в работе данных по коэффициентам массо-проводности и равновесных влагосодержаний.
Похожие диссертации на Сушка и предпосевная стимуляция семян осциллирующим электромагнитным полем в инфракрасном диапазоне частот
-
-
-
-
-
-
-
-
-
