Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ развития приоритетных тенденций ресурсосбережения в машинных технологиях сушки дисперсных продуктов 20
1.1. Общая характеристика объектов исследования 20
1.2. Краткий обзор современной техники и технологии сушки дисперсных продуктов 28
1.3. Способы и аппараты для проведения процесса сушки с использованием закрученных потоков теплоносителя 41
1.4. Гидродинамика аппаратов с закрученными потоками теплоносителя 45
1.5. Тепло- и массообмен при сушке дисперсных материалов в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя 53
1.6. Анализ способов повышения эффективности процесса тепло- и массообмена при сушке дисперсных материалов 57
1.7. Особенности воздействия СВЧ-энергии на пищевые продукты 59
1.8. Основные выводы, научная концепция, постановка цели и задач исследования 63
Глава 2. Комплексная оценка объектов сушки. Методики исследований 66
2.1. Исследование физико-механических свойств 66
2.2. Определение теплофизических характеристик 78
2.3. Изучение электрофизических свойств 84
2.4. Исследование форм связи влаги методом дифференциально-термического и термогравиметрического анализа 86
Глава 3. Исследование гидродинамики и кинетики процесса сушки дробины послеспиртовой зерновой барды с закрученным потоком теплоносителя 95
3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов 95
3.2. Исследование гидродинамики взвешенно-закрученного слоя дробины послеспиртовой зерновой барды 98
3.3. Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса сушки дробины послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя 106
3.4. Исследование кинетики процесса сушки дробины послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя 118
3.5. Моделирование тепломассопереноса в процессе сушки цилиндрической частицы в закрученном потоке теплоносителя 123
3.6. Сравнительная оценка качества дробины послеспиртовой зерновой барды 132
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования процесса сушки семян амаранта в аппарате со взвешенно-закрученным слоем 136
4.1. Исследование гидродинамики закрученного слоя семян амаранта 136
4.2. Математическое планирование и обработка результатов экспериментов 142
4.3. Исследование влияния основных факторов на кинетику процесса сушки семян амаранта 145
4.4. Многофакторный статистический анализ процесса сушки семян амаранта 151
4.5. Математическое моделирование процесса сушки сферической частицы во взвешенно-закрученном слое 155
4.6. Качественная оценка семян амаранта 167
Глава 5. Разработка научно-практических основ процесса СВЧ-сушки семян рапса в закрученном потоке теплоносителя 170
5.1. Математическое планирование и обработка результатов экспериментов 170
5.2. Влияние основных факторов на кинетику процесса сушки семян рапса в СВЧ-аппарате с закрученным потоком теплоносителя 175
5.3. Оптимизация процесса СВЧ-сушки семян рапса в закрученном потоке теплоносителя 181
5.4. Математическая модель процесса СВЧ-сушки сферической частицы в закрученном потоке теплоносителя 188
5.5. Комплексная оценка качества семян рапса 199
Глава 6. Разработка способа сушки семян расторопши в вихревой СВЧ-камере 203
6.1. Математическое моделирование гидродинамической обстановки в вихревой камере 203
6.1.1. Математическое моделирование движения частиц в кольцевом канале 204
6.1.2. Математическое моделирование движения частицы в криволинейном канале 208
6.1.3. Оценка влияния основных параметров процесса 214
6.2. Экспериментальная установка. Математическое планирование проведения экспериментов 218
6.3. Кинетика процесса сушки семян расторопши в вихревой СВЧ-камере
6.4. Выбор рациональных параметров процесса сушки семян расторопши 226
6.5. Сравнительный анализ качества семян расторопши 234
Глава 7. Исследование и разработка способа сушки семян гречихи в аппарате с закрученным потоком теплоносителя 237
7.1. Математическое моделирование распределения полей скоростей теплоносителя и частицы в цилиндроконической сушильной камере, тепло- и массообмена в процессе сушки с регулируемым потоком теплоносителя 237
7.1.1. Движение теплоносителя в сушильной камере 237
7.1.2. Движение частицы в сушильном аппарате 239
7.1.3. Моделирование тепло- и массобмена в процессе сушки частицы гречихи 241
7.1.4. Обсуждение результатов моделирования 247
7.2. Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов 256
7.3. Основные кинетические закономерности процесса сушки семян гречихи в аппарате с закрученным потоком теплоносителя 261
7.4. Математическое планирование многофакторного эксперимента и оптимизация процесса сушки гречихи в аппарате с закрученным потоком теплоносителя 264
Глава 8. Практическое применение результатов научных и проектно-технических решений 270
8.1. Системное проектирование ресурсосберегающих машинных технологий 270
8.1.1. Машинная технология переработки послеспиртовой
8.1.2. Способ безотходной переработки семян амаранта и технологическая линия для его осуществления
8.1.3. Технологическая линия безотходной переработки семян рапса 277
8.1.4. Организация машинной технологии переработки семян гречихи 281
8.2. Разработка высокоинтенсивных сушильных аппаратов с закрученными потоками теплоносителя 285
8.3. Разработка способов автоматического управления процессом сушки в аппаратах с закрученными потоками теплоносителя 292
8.4. Термодинамическая оценка эффективности процесса сушки в вихревой камере с СВЧ-энергоподводом 301
8.5. Концептуальный подход к созданию высокоэффективных ресурсосберегающих машинных технологий сушки дисперсных продуктов в закрученном потоке теплоносителя 307
8.6. Коммерциализация результатов исследований. Промышленное внедрение 309
Основные выводы и результаты работы 310
Библиографический список
- Способы и аппараты для проведения процесса сушки с использованием закрученных потоков теплоносителя
- Изучение электрофизических свойств
- Исследование гидродинамики взвешенно-закрученного слоя дробины послеспиртовой зерновой барды
- Математическое моделирование процесса сушки сферической частицы во взвешенно-закрученном слое
Введение к работе
Актуальность работы. Для обеспечения динамичного устойчивого роста экономики России принципиально важным является переход к инновационному типу ее развития, формированию экономики, основанной на знаниях. Конкурентоспособность России на мировых рынках определяется темпами внедрения новейших научно-технических решений и развития наукоемких производств, эффективностью инновационных процессов. В современном мире широкое использование инноваций в хозяйственной деятельности становится одним из основных источников повышения конкурентоспособности и устойчивого экономического роста. Инновационное развитие агропромышленного комплекса, исходя из стратегии «Инновационная Россия - 2020», представляет собой такой тип экономического развития, основным фактором которого становятся инновации как конечный результат инновационной деятельности.
Стратегия развития пищевой и перерабатывающей промышленности Российской Федерации за период 2012-2020 гг. ставит задачу обеспечения устойчивого снабжения населения высококачественными продуктами питания в объемах и ассортименте, необходимых для формирования правильного, всесторонне сбалансированного рациона питания на уровне рекомендуемых физиологических норм потребления.
Процесс сушки является основной стадией многих технологических процессов в различных отраслях промышленности, определяющий в значительной степени показатели производства и качество готового продукта. Ресурсосбережение наряду с повышением интенсивности влагоотдачи рассматривается как важнейшая задача при разработке новой технологии сушки и конструкций сушилок, а также при совершенствовании существующих.
Значительный вклад в теорию сушки дисперсных материалов внесли такие ученые, как А.В. Лыков, П.А. Ребиндер, К.Г. Филоненко, П.Г. Романков, А.С. Гинзбург, В.И. Муштаев, В.М. Ульянов, Б.С. Сажин, Б.И. Леончик, И.Т. Кретов, СТ. Антипов, А.Н. Остриков, А.А. Шевцов, В.Е. Куцакова, СП. Рудобашта и многие другие.
Прогнозируемый согласно «Стратегии продовольственной безопасности России» рост объемов производства пищевых продуктов приведет к увеличению дефицита ресурсов. Поэтому проблема ресурсосбережения стоит очень остро и решается путем их экономного использования, это требует определенной перестройки во всех отраслях, а также широкого внедрения ресурсосберегающих техники и технологии.
Одним из перспективных направлений создания новой сушильной техники является разработка и внедрение в промышленность высокоинтенсивных аппаратов с закрученными потоками теплоносителя. Использование закрученных потоков теплоносителя, а также
комбинирование их с различными гидродинамическими режимами и СВЧ-энергоподводом позволяет интенсифицировать процесс сушки и расширить область применения сушильных аппаратов. Учитывая это, разработка ресурсосберегающих машинных технологий сушки дисперсных продуктов в закрученном потоке теплоносителя требует научного обоснования и представляет как теоретический интерес, так и практическую ценность.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры машин и аппаратов пищевых производств ВГУИТ на 2011-2015 гг. «Адаптация пищевых машинных технологий к тепло- и массообменным процессам на основе диагностики техники и технологии пищевых производств»; государственного задания 2014/22; ОЦП Воронежской области «Развитие инновационной деятельности в промышленности Воронежской области на 2005-2008 гг.» государственный контракт № 23 «Исследование и разработка инновационной технологии переработки и утилизации основных отходов спиртового производства»; ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. государственный контракт № П2608 «Разработка ресурсосберегающей техники и технологии сушки сельскохозяйственных дисперсных продуктов во взвешенно-закрученном потоке теплоносителя» и государственный контракт № П459 «Разработка ресурсосберегающих технологий комплексной переработки сельскохозяйственного сырья»; приоритетного направления развития НОЦ ВГУИТ «Энергоресурс» «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования пищевой и химической промышленности»; Стратегической программы исследований технологической платформы «Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания» на 2014-2020 гг. «Разработка энергосберегающего оборудования пищевых и перерабатывающих производств АПК».
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - развитие научно-теоретических основ ресурсосбережения в машинных технологиях сушки в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя и разработка высокоэффективных сушилок, способов производства и управления технологическими системами, обеспечивающих повышение качества готового продукта.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
-
Разработать на основании системного подхода научную концепцию создания ресурсосберегающих машинных технологий сушки дисперсных продуктов в закрученном потоке теплоносителя.
-
Провести системную оценку структурно-механических, теплофизи-ческих и электрофизических характеристик дисперсных продуктов как объектов сушки.
-
Разработать и экспериментально апробировать математические модели процесса сушки сферической частицы во взвешенно-закрученном слое,
цилиндрической частицы в закрученном потоке теплоносителя, сферической частицы в СВЧ-аппарате с закрученным потоком теплоносителя.
-
Разработать математические модели процесса движения твердой дисперсной частицы в криволинейном канале, движения дисперсной частицы в вихревой камере, распределения полей скоростей теплоносителя и частицы в цилиндроконической сушильной камере, тепло- и массообмена в процессе сушки с закрученным потоком теплоносителя.
-
Провести комплексные теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических и кинетических закономерностей процессов сушки в закрученном потоке теплоносителя и определить рациональные интервалы изменения параметров процесса.
-
Разработать научно-практические подходы к ресурсосбережению в процессах сушки в закрученном потоке теплоносителя с возможностью оперативного поиска наилучшего варианта между качеством готового продукта и удельными затратами.
-
Разработать новые высокоинтенсивные конструкции сушильных установок с закрученными потоками теплоносителя, а также с применением СВЧ-энергоподвода.
-
Разработать программно-логические алгоритмы функционирования систем многоканального управления, обеспечивающих получение готовой продукции высокого качества при эффективном использовании материальных ресурсов.
-
Выполнить системное проектирование ресурсосберегающих машинных технологий комплексной переработки дисперсных продуктов в закрученном потоке теплоносителя.
10. Провести промышленную апробацию и коммерциализацию разра
ботанных технических решений: высокоинтенсивных сушильных установок,
способов производства и управления в закрученном потоке теплоносителя.
Научная концепция. Разработка и научное обеспечение подходов и методов ресурсосбережения в машинных технологиях сушки в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя; создание высокоэффективных способов производства высушенных продуктов с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа гидродинамических и кинетических закономерностей, математического моделирования и системного проектирования, обеспечивающих ресурсосбережение и высокое качество готового продукта.
Научные положения, выносимые на защиту:
- концептуальный подход к созданию ресурсосберегающих машинных технологий сушки дисперсных продуктов в закрученном потоке теплоносителя, включающий структуризацию процессов сушки в закрученном потоке теплоносителя, построение моделей и обоснование рациональных параметров методами математического моделирования;
результаты теоретических и экспериментальных исследований структурно-механических, тепло- и электрофизических, гидродинамических и кинетических закономерностей тепломассообменных процессов сушки в закрученном потоке теплоносителя и их использование при проектировании высокоэффективных сушильных установок;
комплекс алгоритмов и математических моделей, описывающих процессы сушки дисперсных продуктов в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя;
определение рациональных режимов процессов сушки, способствующих снижению удельных энергетических затрат, повышению производительности и качества готового продукта;
обоснование принципов и методов интенсификации и создания инновационных высокоэффективных машинных технологий, оборудования и способов регулирования и управления процессом сушки в закрученном потоке теплоносителя, обеспечивающих получение готовой продукции высокого качества.
Научная новизна. Разработана совокупность научных положений, представляющих системный концептуальный подход к созданию высокоэффективных ресурсосберегающих машинных технологий сушки дисперсных продуктов в закрученном потоке теплоносителя, направленных на интенсификацию, сбережение и рациональное использование материальных ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций сушильных установок.
Выявлено влияние влажности и температуры на физико-механические, структурно-сорбционные, теплофизические и электрофизические свойства семян расторопши, амаранта, рапса, гречихи, дробины по-слеспиртовой зерновой барды, а также предложены математические уравнения, адекватно описывающие полученные экспериментальные зависимости.
Установлены основные зависимости гидродинамики взвешенно-закрученного слоя. Выявлены механизм и основные закономерности кинетики сушки семян расторопши, амаранта, рапса, гречихи и дробины после-спиртовой зерновой барды в закрученном потоке теплоносителя, нестационарность полей температуры и влагосодержания частиц продукта; определены численные значения и диапазон изменения основных кинетических характеристик; по результатам планирования экспериментов и статистической обработки экспериментальных данных установлено влияние различных факторов на кинетику процесса сушки, проведена теоретическая оптимизация сушильных установок и выявлены рациональные интервалы изменения параметров процесса.
Разработаны и экспериментально апробированы:
- математическая модель динамического изменения полей темпера
туры и влагосодержания в условиях сопряженного тепломассообмена в
процессе сушки семян амаранта во взвешенно-закрученном слое, позволяющая проводить оценку скорости движения теплоносителя в цилиндрической области сушильного аппарата;
математическая модель процесса сушки семян рапса в аппарате с закрученным потоком теплоносителя и СВЧ-энергоподводом, позволяющая проводить вычислительные эксперименты по определению нестационарных полей влагосодержания, температуры и давления с целью установления их структуры и взаимовлияния;
математическая модель распределения полей скоростей теплоносителя и гречихи в цилиндроконической сушильной камере, позволяющая вычислить коэффициенты тепло- и массоотдачи от поверхности частицы к теплоносителю;
математическая модель процесса сушки дробины послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя в безразмерном критериальном виде, позволяющая производить инженерные расчеты по прогнозированию кинетики сушки.
Разработано математическое описание процесса движения дисперсного продукта в кольцевом канале вихревой камеры, устанавливающее связь между высотой кольцевого канала и минимальным расходом теплоносителя и определяющее момент уноса частицы из камеры после высушивания ее в электромагнитном поле СВЧ.
Разработаны конечно-разностные схемы для численного интегрирования уравнений диффузионно-фильтрационной модели А.В. Лыкова с сопряженными граничными условиями, с помощью которых получены динамические распределения полей температуры, влагосодержания и давления, позволяющие определить влияние их структуры на кинетику явлений переноса в процессах сушки в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом.
Разработаны программно-логические алгоритмы функционирования систем управления технологическими параметрами процесса сушки в аппаратах с закрученными потоками теплоносителя с использованием микропроцессорной техники для обеспечения ресурсосбережения и высокого качества готовой продукции.
Практическая значимость работы. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в лабораторных и производственных условиях, результаты математического моделирования, а также анализ работы сушильного оборудования позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных способов сушки с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ № 2263262, 2272230, 2301386, 2338981, 2362102, 2480693). Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанных аппаратах и способах (пат. РФ № 2290583, 2335717, 2340853, 2547345).
Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процесса сушки семян амаранта, рапса, расторопши, гречихи и дробины послеспиртовой зерновой барды в закрученном потоке теплоносителя, а также с применением СВЧ-энергоподвода. Разработан комплекс экспери-ментальных стендов, действующих макетов, приборов и методик для исследования процессов интенсивного обезвоживания дисперсных продуктов в закрученном потоке теплоносителя.
Разработана программа для ЭВМ (свид. Роспатента о гос. регистра-ции № 2015615868) и программно-логические алгоритмы (пат. РФ № 2290583, 2547345, 2239138) функционирования систем, позволяющие обеспечить многоканальное многоуровневое управление и получать готовый продукт высокого качества за счет оптимизации технологических па-раметров процесса сушки дисперсного материала в закрученном потоке теплоносителя.
С целью повышения эффективности процесса сушки и обеспечения ресурсосбережения разработаны: способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в вихревом режиме (пат. РФ № 2335717), способ автоматического управления процессом сушки поли-дисперсных материалов во взвешенно-закрученном слое (пат. РФ № 2340853), способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов в закрученном потоке теплоносителя с СВЧ-энергоподводом (пат. РФ № 2547345), способ автоматического управления процессом сушки дисперсных материалов с рециркуляцией теплоносителя в аппаратах с активной гидродинамикой (пат. РФ № 2350866).
Проведен эксергетический анализ процесса сушки в закрученном потоке, свидетельствующий о термодинамическом совершенстве разработан-ных способов производства. Выполнены расчеты и разработана конструк-торская документация на сушилки со взвешенно-закрученным слоем ВСЖ-300, ВСЖ-1000 (пат. РФ № 2338981).
Разработаны ресурсосберегающие машинные технологии комплекс-ной переработки объектов исследования: технологическая линия белково-витаминного кормопродукта из послеспиртовой зерновой барды (пат. РФ № 2307155), способ безотходной переработки семян амаранта и технологи-ческая линия для его осуществления (пат. РФ № 2426773), технологическая линия безотходной переработки семян рапса (пат. РФ № 2494141); проведено их системное проектирование.
Проданы лицензии (договоры № РД 0065317 от 03.06.2010 г., № РД 0076125 от 04.02.2011 г., № РД 0068245 от 10.08.2010 г., № РД 0119399 от 21.02.2013 г., Л.Д. № 27/10 «НОУ-ХАУ» от 20.08.2010 г.) на право использования интеллектуальной собственности предприятиями ООО «Авангард», ООО «Тигровый орех», ООО «Кормопродукт», 000 «Энергия Природы», ООО «Техинмаш» по патентам РФ на изобретения № 2312280, 2327095, 2338981, 2425311.
Полученные результаты используются в учебном процессе в качестве материалов курсового и дипломного проектирования.
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских, межрегиональных научных, научно-технических и научно-практических конференциях, симпозиумах и семинарах: (Новочеркасск, 2005), (Калининград, 2006), (Казань, 2006), (Тамбов, 2008), (Воронеж, 2004, 2012, 2013, 2014, 2015), (Москва, 2013, 2014, 2015), (Прага, 2014), (Уфа, 2014), (Пенза, 2015) и на отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воро-неж, 2003 - 2016).
Результаты работы демонстрировались на международных, всероссийских, межрегиональных, региональных выставках: «ПРОДГОРГ» (Воронеж, 2004, 2005, 2008), «РОСПРОМЭКСПО» (Воронеж, 2005), «ИННОВ-2005» (Новочеркасск, 2005), «Малый бизнес - опора экономики» (Воронеж, 2007), «Воронежский Промышленный Форум» (Воронеж, 2008, 2009), «Агропромышленная выставка «Золотая осень» (Москва, 2008), «Агропром» (Воронеж, 2009, 2010), «ВОРОНЕЖАГРО» (Воронеж, 2009), «Воронежский Агропромышленный Форум» (Воронеж, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012), по итогам которых работа награждена дипломами и медалями.
За большой вклад в развитие науки и образования губернатором Воронежской области объявлена благодарность (постановление администрации Воронежской области от 19.12.2007 № 1164). Автор является победителем конкурса научно-инновационных и бизнес-проектов среди студентов, аспирантов и работников учреждений высшего профессионального образования Воронежской области (приказ Департамента образования, науки и молодежной политики № 379 от 01.12.2009); награжден ведомственным знаком «Педагог-наставник лауреата премии по поддержке талантливой молодежи» (приказ Департамента образования, науки и молодежной политики № 369 от 22.12.2014). За многолетнюю плодотворную работу по развитию и совершенствованию учебного процесса, значительный вклад в дело подготовки квалифицированных специалистов объявлена благодарность Министерства образования и науки РФ (приказ Министерства образования и науки РФ № 474/к-н от 02.06.2015 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 120 работ, в том числе 4 монографии, 35 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен 21 патент РФ на изобретения и 1 свидетельство Роспатента о регистрации программ для ЭВМ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 345 страницах машинописного текста, содержит 298 рисунков и 55 таблиц. Список литературы включает 252 наименования, в том числе 36 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 133 страницах.
Способы и аппараты для проведения процесса сушки с использованием закрученных потоков теплоносителя
Расторопша пятнистая (рис. 1.5) из рода «Расторопша» семейства «Астровые» [80, 192, 210]. Расторопша - травянистое растение, высотой 1,0...1,5 м. Соцветие - корзинка, длиной 3...6 см, продолговатая, чаще шаровидная, одиночная на верхушке стебля.
Плод - семянка с хохолком, эллиптическая или обратнояйцевидная, слегка сдавленная, голая, блестящая, темно-коричневая или черная с буроватыми продольно-продолговатыми пятнами [210]. Рис. 1.5.Расторопша
Масло семян расторопши содержит следующие кислоты: линолевую - 52...62 %, олеиновую - 18...25 %, а также мири-стиновую, пальметиновую, сте-риновую, бегеновую, арахино-вую, токоферолы. Плотность масла варьируется в пределах 0,927...0,923 г/см3 при +20 С Семена (рис. 1.6) обладают бо гатым химическим составом: жирное масло, эфирное масло, биогенные амины (тирамин, гистамин), флавонолишаны (силибин, силидианин, таксифолин и др.), смолы, минеральные вещества [210].
Расторопша - природный гепатопротектор, лечащая острый и хронический гепатит, цирроз, воспаление желчных протоков, желчнокаменную болезнь, холецистит, рецидив желтухи применяется при хроническом кашле [69, 192, 210].
Шрот и жмых из семян расторопши примеп-няют в качестве кормов для сельскохозяйственных животных, так как он является к высокобелковым растительным кормом, содержащий 24... 39 % сырого протеина, 16,4... 19,5 % клетчатки и 6,6... 8,5 % жира. Гречиха относятся к виду - Fagopyrumesculentum. Травянистое растение семейства Polygonaceae, в котором образуется монотипная триба Fagopyreae. Стебли прямостоячие, голые, ветвистые, равномерно
Гречиха превосходит зерно проса, ржи, пшеницы, и приближается к бобам. Аминокислотный состав белков зерна гречихи представлен в табл. 1.7.
В связи с тем, что процесс сушки является заключительной стадией многих технологических процессов в различных отраслях промышленности, то он в значительной степени определяет эффективность производства и качество высушиваемых продуктов. Интенсификация процесса сушки, созда 29 ниє высокоэффективных сушильных аппаратов и способов управления позволяют существенно повысить качество готового продукта и уменьшить ре-сурсоемкость процесса [11, 61, 99, 128, 129].
Сушильные аппараты для дисперсных продуктов классифицируются следующим образом [11, 12, 210, 61, 191]: по принципу действия - аппараты непрерывного и периодического действия; по способу подвода теплоты - кондуктивные, конвективные и радиационные; по виду теплоносителя (сушильного агента) - нагретый воздух, смесь воздуха с топочными газами, перегретый пар и т.п.; по характеру движения теплоносителя относительно продукта -прямоточные и противоточные; по циркуляции теплоносителя - без циркуляции, с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией; по способу нагрева теплоносителя - сушильные установки с паровыми топками, калориферами и топками на жидком и газовом топливе; по виду объекта сушки - для крупнодисперсного или мелкодисперсного материала; по конструкции - барабанные, камерные, шахтные, ленточные, колонковые, со взвешенным слоем и др. Конвективный способ. Теплоноситель выполняет функции влагопогло-тителя и сушильного агента. Преимущества этого метода: простота и возможность регулирования температуры продукта. Однако, градиент влагосо-держания V W направлен в сторону, противоположную градиенту температуры V Г, что тормозит процесс сушки.
Кондуктивный способ сушки характеризуется на передачей теплоты продукту от соприкосновения с горячей поверхностью. Сушильный агент используется только для удаления пара влаги из аппарата, являясь влагопогло-тителем. Рассмотрим современные сушильные аппараты, используемые для сушки дисперсных продуктов.
Наиболее широкое распространение получили шахтные сушилки такие как ДСП-16, ДСП-32, ДСП-24, ДСП-32-ОТ, А1-ДСП-50 (типа С, СЗ и СК) - стационарные и К4-УСА и К4-УС2-А и А1-УСШ, ЛСО-11, М-819 - передвижные. Сушилка ДСП-32-ОТ (рис. 1.8) обладает компактностью, надежностью, возможностью сушки широкого ассортимента дисперсных продуктов [37, 72]. Она представляет собой установку, использующую две параллельно работающих шахты, каждая из которых состоит из семи секций и по высоте разделена на три участка: первый участок сушки расположен на верхней части шахты; второй участок в средней части шахты; третий участок охладительный.
Технологическая схема работы зерносушилки ДСП-32-ОТ представлена на рис. Влажный материал сквозь самотечную трубу 1 направляется в норию 2, а затем по самотечной трубе 3 в бункер 4 и равномерно распределяется в сушильных шахтах 5 и 6. Выгрузка материала из шахт организовывается выпускным механизмом 11. Сухой охлажденной зерновой материал из аппарата подается на склад или элеватор норией 13.
Технологическая схема зерносушилки ДСП-32-ОТ: 1,3- самотечные трубы; 2 - нория сырого зерна; 4 - бункер; 5, 6 - сушильные шахты; 7, 8 - вентиляторы, соответственно первой и второй сушильных зон; 9 - охладительные шахты; 10 - топка; 11-выпускные механизмы; 12 - вентилятор охладительных шахт; 13 - нория сухого зерна; 14, 15, 16 - напорно-распределительные камеры соответственно охладительной, второй и первой сушильных шахт
Зерносушилка К4-УС2-А (рис. 1.10) используется для сушки зерна пшеницы, овса, ржи, риса, ячменя, кукурузы, подсолнечника, проса и рапса. В качестве теплоносителя используют смесь наружного воздуха с топочными газами. На шасси автомобильного прицепа МАЗ смонтированы сушильная шахта, транспортное оборудование и топка.
Сушильная камера включает в себя две шахты с воздухо распределительным устройством, два ковшовых Г-образных конвейера, два выпускных механизма, три шнека, бункер влажного материала и вентиляторы с заслонками охладительного участка [37, 72].
Изучение электрофизических свойств
Значительный вклад в теорию сушки дисперсных материалов, исследование и математическое описание сложных внутренних и внешних тепло- и массообменных процессов внесли такие ученые А.В. Лыков, П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская, П.А. Ребиндер, К.Г. Филоненко, В.И. Кречетов, , А.С. Гинзбург, П.С. Куц, Ю.И. Смольский, А.А. Гухман, В.В. Красников, М.Ф. Казанский, А.А. Долинский В.И. Муштаев, В.М. Ульянов, А.С. Тимонин, Б.С. Са-жин, В.П. Дущенко и многие другие.
Классификация математических моделей процесса сушки основывается на физических законах и физико-химических балансовых соотношениях. Они служат теоретической основой для получения уравнений кинетики. Они различаются [12]: - модель «термодинамической теории сушки», в которой процесс сушки рассматривается как необратимый термодинамический процесс [61, 128, 191]; - модель «диффузионной теории сушки, в которой процесс сушки рассматривается как массообменный процесс с позиций классической теории молекулярной диффузии [61, 191]; - модель, основанная на «обобщении экспериментальных данных», в которой теоретической базой являются теории вероятностей и математической статистики, подобия и моделирования; - модель, основанная на «законах кинетики химических реакций», в которой процесс сушки рассматривается как физико-химический процесс термического разложения влажного продукта на парообразную влагу и сухое вещество [12].
Различают математические модели «внутренней», «внешней» и «сопряженной» задач в зависимости от стадии скорости процесса сушки [191]. Математические модели «внутренней» задачи описывают кинетику процесса сушки, когда сопротивление переносу влаги внутри продукта значительно превышает диффузионное сопротивление пограничного слоя при удалении свободной влаги с поверхности продукта в окружающую среду.
Величина диффузионного критерия Я m 100. Данные модели справедливы, как правило, для коллоидных материалов, имеющих низкие коэффициенты диффузии.
Математические модели «внешней» задачи справедливы, когда сопротивление переносу влаги пограничного слоя намного больше внутри диффузионного (величина Віm 0,1).
Математические модели «сопряженной» задачи - внутри диффузионное сопротивление и сопротивление пограничного слоя одного порядка, значение Яїm=0,1...100. Такие задачи наиболее сложные и характерные при сушке пищевых продуктов. Существенное влияние на интенсивность сушки оказывает гидродинамическая обстановка в сушильном аппарате и способ подвода теплоты. Выделяют множество математических моделей: в плотном слое, в кипящем слое, в фонтанирующем слое, в виброкипящем слое, в режиме пневмотранспорта и др. В процессе высокоинтенсивной сушки внутри влажного продукта появляется градиент общего давления влажного воздуха. Вследствие чего, осуществляется дополнительный тепло- влагоперенос в виде фильтрационного движения жидкости и пара, градиент общего давления внутри тела характеризуется интенсивным испарением жидкости и наличием гидравлическим сопротивлением скелета тела.
Также данному явлению способствуют микрокапилляры, через которые осуществляется молекулярная диффузия и натекание воздуха из окружающей среды [128]. Используется система дифференциальных уравнений тепловлагопере-носа А.В. Лыкова, которая описывает нестационарный процесс тепломассо-переноса во влажных продуктах и при постоянных значениях коэффициентов переноса модель имеет вид [128]: где Щ (i, j=l, 2, 3) - коэффициенты переноса [128]. В общем случае система дифференциальных уравнений (1.35), (1.36), (1.37) является нелинейной, так как все коэффициенты переноса являются переменными и зависят от температуры и влагосодержания материала.
Использование метода теории подобия для решения системы дифференциальных уравнений с учетом начальных и граничных условий обуславливает приближенное моделирование процесса сушки. В процессе сушки в закрученном потоке теплоносителя тепло- и массо-обмен не является эквивалентным, в силу того, что некоторое количество тепла, расходуется на испарение влаги, нагрев продукта и разрыв энергии связи влаги с продуктом. Поэтому, действительные величины коэффициентов тепломассоотдачи меньше эквивалентных и характеризуются определенными эффективными значениями.
Исследование гидродинамики взвешенно-закрученного слоя дробины послеспиртовой зерновой барды
В результате подстановки величин коэффициентов регрессионных уравнений (3.6-3.7) в полученный полином (3.9) и решая нелинейные уравнения получим канонические коэффициенты. Анализируя полученные канонические уравнения установлено, что рассматриваемые тела в 3-х мерном пространстве относятся к типу «минимакса».
Вследствие того, что знаки коэффициентов канонических уравнений противоположны, то поверхности отклика - одно- или двухполюсный гиперболоид [65, 176].
На рис. 3.16-3.18 приведены инженерные номограммы. Кривые равных значений выходных факторов приведены в Приложении. Для установления оптимальных (рациональных) режимов сушки использовали метод «ридж-анализ», базирующийся на неопределенных множителей Лагранжа [11]. Для определения оптимального (рационального) режима сушки по регрессионным уравнениям (3.6, 3.7) составляли систему уравнений:
На неопределенный множитель Лагранжа накладывается ограничение, параметром Хорля: 112 X = 2(В —Ъьь ), (3.11) max kk min где В - максимальный или минимальный канонический коэффициент; max т т min bkk - коэффициент регрессии при к-ом квадратичном члене. В нашем случае допустимые параметры Я находятся в диапазонах: - удельные энергетические затраты: -0,005 Я 0,005; (3.12) - влагонапряжение объема сушильной камеры: -0,730 X -0,630. (3.13)
Варьируя значениями неопределенного множителя Лагранжа из диапазонов (3.12-3.13), по уравнениям (3.6-3.7) определены «оптимальные» режимы процесса сушки дробины послеспиртовой зерновой в аппарате с закрученным потоком теплоносителя.
Полученные результаты расчета оптимальных интервалов изменения удельных энергетических затрат приведены в табл. 3.4. При Я = 0,001, т.е. х: = -0,693; х2 = 1,682; х3 = -1,013 или, переходя от кодированных Xj к реальным, получаем температуру теплоносителя xi = 350,63 К, скорость тангенциального потока теплоносителя х2 = 13,0 м/с, угол при вершине конуса сушильной камеры аппарата х3 = 21,96 град. Удельные энергетические затраты имеют значения у! = 2,199 (кВтч)/кг. При диапазоне изменения X є [-0,005; 0,005] значения ХІ находились в диапазоне: xi = 350,63...351,43 К; х2 = 7,15...13,0 м/с; х3 = 21,75...21,96 град. В таком случае удельные энергозатраты находятся в интервале у! = 2,199...2,248 (кВтч)/кг. Полученные для фактора оптимизации yi необходимо принять за оптимальные.
Полученные расчетные данные оптимальных диапазонов напряжения объема сушильной камеры сведены в табл. 3.5. При выборе оптимальных (рациональных) значений влагонапряжения объема сушильной камеры аппарата требуется отталкиваться от оптимизационной задачи, а именно - максимальных значений. Такими параметрами являются X = -0,680, т.е.: х: = -0,898; х2 = 1,682; х3 = 1,279 или, переходя от кодированных значений ХІ К реальным: xi = 346,91 К; x2 = 13,0 м/с; x3 = 28,83 град. Напряжение объема сушильной камеры аппарата по испаренной влаге у2 = 19,518 кгвл/(м3ч).
В диапазоне X є [-0,73; -0,63] значение переменных ХІ находились в следующих интервалах: х: =346,91...346,97 К; х2 = 12,9... 13,0 м/с; х3 = 28,02...28,83 град. При полученных параметрах влагонапряжение объема сушильной камеры составляет у2 = 18,495... 19,518 кгвл/(м3ч). Полученные диапазоны изменения параметров оптимизации по у2 требуется признать оптимальными.
В соответствии с оптимизационным критерием для принятия окончательного решения по поиску оптимальных режимов процесса сушки семян гречихи требуется решить компромиссную задачу. Необходимо накладывать оптимальные интервалы ХІ друг на друга. Исследуя диапазон допустимых решений х є [-1,682; +1,682], установлено, что параметры х: и х3 относительно критерия оптимизации yi и у2 конфликтуют между собой.
Конфликт воплощается во множество Парето в пространстве критериев іуг (рис. 3.19-3.22) [65, 179, 197].
Характер этого множества определяется из свойств оптимизационных критериев и диапазона допустимых решений D. Решения при условиях х є D называются «нехудшими» (конфликтными) решениями. Назначим множество «нехудших» решений М0. Для векторной оптимизации для решения подобных задач вводится безусловный критерий предпочтения (БКП) [197]. Считаем, что решение х2 безусловно лучше решения хі (х2 хь в смысле лучше), если уі(х2) УІ(ХІ) то для всех і и хотя бы одно неравенство должно быть строгое. При всех уі(х2) = УІ(ХІ) решение х2 хі (— эквивалентно). Таким образом, из всего множества D допустимых решений БКП необходимо выбрать множество М0 «нехудших» (конфликтующих) между собой, выявляющих множество Парето, таким образом, оператор БКП реализует оптимизационный принцип по «Парето». Используются две задачи: - для выпуклых D и выпуклых yi(x), {
Интервал множества M0 допускает множество решений. Предполагаем, что окончательные решения необходимо искать среди элементов множества М0. В соответствии с этим актуальной задачей является сужение множества М0, определение для оценки специалистам ограниченного числа конечных решений. Сужение приводит к некоторой потере данных о множестве М0 и только ценой этих потерь можно его определить (описать).
Самым простым способом является покрытие множества М0 сетью с некоторым шагом по критериям, чтобы в каждом выявленном разбивкой ги-перпараллепипеде оставить по одному элементу множества М0 [193]. Наиболее общим является применение алгоритмов распознавания «неких» образов. Чаще всего для определения одного конкретного решения из множества Парето применяют сведение векторной оптимизационной задачи к скалярной путем определения одного главного критерия и переводом остальных в разряд ограничений [179].
Математическое моделирование процесса сушки сферической частицы во взвешенно-закрученном слое
В случае (рис. 6.17), когда частица гречихи находится в камере около наружной поверхности, то в действительности она движется практически вдоль наружной поверхности.
Анализ влияния радиуса аппарата R0 на характер движения частиц показал, что он влияет незначительно (рис. 6.18, 6.19). Скорость сушильного агента в практическом диапазоне также незначительно влияет на траекторию движения частиц (рис. 6.20, 6.21). Начальная скорость частиц продукта на входе в канал w0 сушильной камеры существенно влияет на траекторию движения частиц гречихи. Таким образом, выполняя оценку влияния основных факторов можно прийти к следующему выводу: 218 - ввод тангенциального потока теплоносителя необходимо осуществлять так, чтобы поток частиц был направлен на внутреннюю поверхность криволинейного канала сушильной камеры; - материал внутренней поверхности сушилки необходимо выбирать из условия минимального трения частиц о поверхность камеры; - на входе в сушильную камеру необходимо осуществлять максимально возможную скорость частиц продукта.
Для разработки способа сушки семян расторопши в закрученном потоке теплоносителя, а также оптимальной конструкции сушильной камеры, необходимо провести глубокие исследования процесса. С этой целью была разработана оригинальная сушильная установка с вихревой СВЧ-камерой (рис. 6.22).
Семена расторопши направляются в вихревую камеру, где происходит интенсивная сушка. За счет воздействия СВЧ-излучения на частицы материала происходит дополнительная интенсификация тепло- и массообмена в процессе сушки. Фторопластовое покрытие вихревой камеры исключает контакт магнетрона с частицами продукта, но свободно пропускает СВЧ-энергию. Более того, интенсификация процесса сушки в сушильном аппарате обеспечивается и за счет равномерного распределения СВЧ-излучения по всему объему сушильной камеры. Экспериментальная вихревая установка с СВЧ-камерой снабжена приборами и устройствами для автоматического регулирования параметров процесса сушки в закрученном потоке. Температура. Температура теплоносителя, подаваемого в сушильную камеру, контролировалась при помощи мультиметра М-838. СВЧ-энергия. Регулирование мощности осуществлялось в диапазоне 50... 100 % от номинальной. Удельные энергозатраты. Удельные затраты энергии на процесс сушки определяли с помощью трехфазного счетчика электроэнергии. Кинетика процесса сушки. Параметры процесса сушки поддерживались постоянными: влажность семян расторопши от 16 до 28 %; температура сушильного агента от 338 до 368 К; подводимая СВЧ-мощность от 350 до 700 Вт.
С целью исследования влияния параметров процесса сушки семян расторопши и обоснования рационального режима применены методы планирования эксперимента, позволяющие изменять одновременно все факторы и получать количественные оценки их взаимодействия.
В результате организации предварительных экспериментов определен оптимальный интервал скоростей сушильного агента 35...40 м/с. В этом интервале установлено равномерное вращение слоя семян.
В результате анализа литературных данных в качестве входящих фак 220 торов для исследования выбраны: влажность семян расторопши W, подводимая СВЧ-мощность Р и температура Г теплоносителя. Изучаемые факторы совместимы и некоррелированы между собой. Интервалы их изменения сведены в табл. 6.1.
Диапазон изменения входящих факторов определен условиями процесса сушки семян расторопши. Предпочтение критериев оценки у определено их наибольшей важностью. Так у} - удельные энергозатраты на килограмм испаренной, (кВтч)/кгвл; у2 - напряжение объема сушильной камеры по испаренной, кгвл/(м3ч).
В целях организации проведения экспериментов использовано центральное композиционное униформ-ротатабельное планирование с полным факторным экспериментом типа 23 [65].