Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Техника инфракрасного (ИК) нагрева в пищевой промышленности 8
1.1. Область применения 8
1.2. Особенности конструкции оборудования для высокотемпературной микронизации (втм) зерна и круп 18
1.2.1. Конструкторские решения по повышению эффективности ВТМ установок 22
1.2.2. Технологические методы повышения эффективности процесса ВТМ. 26
1.3. Источники ИК-излучения 28
1.3.1. Электрические источники ИК - излучения 30
1.3.2. Газовые генераторы ИК-излучения 37
1.4. ОТРАЖАТЕЛИ 40
1.4.1. Материалы для отражателей 41
1.4.2. Форма отражателей 42
1.5. Цели и задачи исследования 43
Глава 2. Теория нагрева зернопродуктов в потоке ик-излучения и расчеты полей облученности 45
2.1. Математическая модель процесса ик нагрева зерна и круп 45
2.2. Оценка характеристик полей облученности на поверхности монослоя продукта 47
2.2.1.Излучение плоского излучателя 47
2.2.2. Расчет полей облученности в блоке линейных излучателей с плоским верхним отражателем 49
2.2.3. Расчет полей облученности отраженного излучения от верхнего экрана произвольной формы 57
Глава 3. Описание методики исследования процесса нагрева крупы в потоке ИК- излучения 61
3.1. Датчики облученности 61
3.2. Описание лабораторной установки 66
3.3. Методика измерения температуры 69
Глава 4. Экспериментальная оценка влияния облученности на процесс ИК- нагрева круп 70
4.1. Влияние облученности на температуру среды в зоне ик - термообработки 70
4.2. Влияние толщины слоя крупы на ее температуру 72
4.3. Влияние облученности на процесс нагрева 74
4.4. Статистические аспекты процесса ик-нагрева 85
4.5. Нагрев в условиях переменной облученности 87
4.6. Термоактивируемые процессы при ик нагреве 91
Глава 5. Оценка влияния конструктивных параметров блока излучателей на равномерность поля облученности на поверхности монослоя продукта 97
5.1. Характеристики равномерности поля облученности 97
5.2. Блок с поверхностным излучателем 100
5.3. Блок линейных излучателей 104
Глава 6. Испытания промышленного образца становки втм-02 и оценка экономической эффективности от внедрения 110
6.1. Результаты испытания установки 110
6.2. Расчет экономической эффективности внедрения 117
Основные результаты работы 121
Список литературы 123
Приложения 137
- Особенности конструкции оборудования для высокотемпературной микронизации (втм) зерна и круп
- Расчет полей облученности в блоке линейных излучателей с плоским верхним отражателем
- Влияние облученности на процесс нагрева
- Расчет экономической эффективности внедрения
Введение к работе
Эффективность технологического процесса - понятие многостороннее и его оценка зависит от того, с какими требованиями и мерками мы к нему подходим. Даже, казалось бы, универсальные экономические критерии отражают только одну, узкую точку зрения, тогда как на нее влияют множество факторов. Наиболее типичное противоречие наблюдается между экономическими и экологическими оценками.
Основными оценками эффективности любого производства являются:
рост производительности и снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости произведенной продукции;
рост прибыли и рентабельности;
высвобождение материальных, трудовых и финансовых ресурсов;
внедрение новой техники и технологий, открытий, изобретений и рационализаторских предложений, ноу-хау и других нововведений;
улучшение условий, техники безопасности труда и окружающей среды.
По сути, эффективность технологического процесса является одной из составляющих критериев оценки эффективности производства.
Поэтому все мероприятия по повышению эффективности технологического процесса или отдельной операции должны быть целенаправленными, иметь критерии оценки и не приводить к ухудшению глобальных оценок.
Операция термообработки зерна и круп (быстрый нагрев продукта в потоке ИК-излучения), реализуемая на установках высокотемпературной микронизации (ВТМ), в настоящее время находит все большее применение при переработке зерна и области его применения все расширяется.
Вопросами использования ИК нагрева в процессах термообработки зерна и зернопродуктов в различное время занимались профессоры: А.С.
Гинзбург, Л.Я.Ауерман, В.В.Красников, С.Г.Ильясов, Е.П.Тюрев, С.В.Зверев, В.А.Афанасьев и др. ВТМ относится к экологически чистым технологиям (использует в качестве источника энергии электричество или газ, не потребляет воду и не имеет вредных отходов производства). Оборудование является достаточно простым в эксплуатации и обслуживании и не требует высококвалифицированной рабочей силы. На сегодняшний день процесс микронизации достаточно широко применяются многими предприятиями, которые выпускают как крупы, каши быстрого приготовления, так и комбикорма. При этом его промышленное использование выявило как минимум три проблемы:
Низкий тепловой К.П.Д, К примеру, если, в совершенстве, на нагрев одного килограмма зерна на \00С требуется около 50 кВт/ч. то наиболее лучшие отечественные микронизаторы которые сегодня предлагаются на рынке, потребляют примерно 130 кВт/ч (К.П.Д=0.26). При низком уровне цен на электроэнергию, это пока приемлемо, но при наблюдаемых темпах их роста это может стать сдерживающим фактором, как это имеет место в западных странах.
Неоднородность показателей качества обработки зерен на выходе установки в силу неоднородности условий нагрева, вызванной неравномерностью поля облученности в зоне обработки и разбросом теплофизических и терморадиационных характеристик зерновок.
Ограничение по скорости нагрева, связанные с теплопроводностью и образованием градиента температуры в продукте и, как следствие, ограничение по удельной мощности установок.
В связи с этим для увеличения эффективности оборудования проводится модернизация основных узлов конструкции, в частности, блоков ИК-излучения, которые являются основным элементом микронизаторов.
Конструктивные изменения в зоне обработки и варьирование режимами не приводит к каким либо принципиальным изменениям в конструкции микронизатора в целом и, как правило, направлены на улучшение следующих показателей: себестоимости готового продукта и потребительских свойств.
Себестоимость продукции включает в себя также ряд оценок более низкого уровня, например: стоимость рабочей силы (требование к простоте в эксплуатации и обслуживании), простота и дешевизна конструкции (низкие основные затраты), надежность (низкие текущие затраты), возможность более низкой удельной энергоемкости (энергозатраты) и т.п.
Показатель энергоемкости в свете постоянного роста цен на энергоносители особенно актуален, хотя в настоящее время цена электроэнергии составляет порядка 5-7% в себестоимости, например зерновых хлопьев.
Потребительские свойства также требуют постоянного внимания. Высокая конкуренция на рынке зернопродуктов толкает производителей на повышение качества продукции и расширение ассортимента.
В связи с этим при дальнейшем совершенствовании техники и технологии ВТМ, кроме теплотехнических мероприятий, возможен переход к альтернативным источникам энергии. К примеру, использование газа в качестве ИК источника. Замена ленточного транспортера на вибротранспортер позволит снизить градиент температуры, но при этом стоимость конструкции существенно возрастает, что непосредственно повлияет на себестоимость готовой продукции и на текущие затраты. Для снижения градиента температуры возможно использование и других способов транспортирования, как аэро-гравитационного и шнекового транспортеров и др. [56,58].
Для сглаживания неравномерности поля облученности в зоне обработки необходимо использование новых конструкций и материалов
отражателей, разработки для этого соответствующих моделей и алгоритмов расчета. Но при этом, как уже отмечалось ранее, повышение эффективности технологического процесса или отдельно взятого процесса или конструкции не должно приводить к ухудшению глобальных оценок критериев эффективности.
Особенности конструкции оборудования для высокотемпературной микронизации (втм) зерна и круп
Несмотря на то, что первые опыты получения промышленного применения микронизаторов для термообработки зерна относятся к 80-м годам, но реально работающие на производстве отечественные конструкции разработаны только в начале 90-х годов [8, 56, 57, 59,121,123]. В настоящее время разработаны и запатентованы более десятка видов микронизаторов как в России, так и за рубежом, которые отличаются друг от друга лишь по ряду небольших конструктивных особенностей. Принцип работы во всех микронизаторах отечественного производства основан на нагреве электрическими кварцевыми нагревателями (типа КГТ220-1000), (хотя в периодических изданиях встречаются сообщения о микронизаторах, где нагрев осуществляется ТЭН-ами или СВЧ-генераторами) и транспортированием продукта в зоне обработки ленточным транспортером, чем и отличаются от микронизаторов фирмы "Mikronaizing ЦГО"(Великобритания), которые работают на керамических излучателях, нагреваемых очищенным газом и транспортируют продукт в зону обработки вибротранспортером. Функциональная схема микронизаторов отечественного производства и зарубежной фирмы «Mikronaizing LTD» дана на (рис. 1.2 ирис. 1.3). Принцип работы микронизаторов: из загрузочного бункера 3 подается зерно или крупа на транспортирующее устройство 4 в виде монослой, толщина слоя регулируется величиной зазора между нижним срезом бункером и транспортера.
Далее монослой зерна поступает в зону обработки под генераторы излучения 1, в микронизаторах с электрическими РЖ-излучателями они имеют систему отражающих экранов 2 обычно объединенную в блоки. Температура и градиент температуры в продукте зависят от энергетической экспозиции (произведение времени облучения на облученность), которая может меняться за счет скорости движения транспортера, числа и расположения ИК генераторов вдоль транспортирования, их высоты над слоем продукта и напряжением электрического питания (или расходом газа). Существует несколько основных признаков, по которому можно классифицировать все микронизаторы: 1. Основным наиболее характерным признаком для классификации микронизаторов служит; - источники нагрева (электричество или газ); - материал тела накаливания (металл, керамика и т.д.); - способ разогрева тела накаливания (прямой или косвенный); - форма и размеры нагревателей. В качестве ИК излучателей используются: - кварцевые линейные излучатели типа КГТ; - полая керамическая трубка, нагрев которой осуществляется сжиганием внутри нее газа; - СВЧ-генераторы; - силитовые излучатели; - газовые горелки. 2. По способу транспортирования продукта в зону обработки: - ленточным транспортером; - вибростолом; - шнековым транспортером; - самотеком в псевдоожиженном слое; - в наклонно вращающейся трубе [49, 56,118,119]. Все отечественные микронизаторы для транспортирования зерна монослоем через зону термообработки оснащены ленточным или пластинчатым транспортерами [4, 11, 29, 30, 56]. В микронизаторах Английской фирмы «MikronaizingL.T.D» применяются для транспортирования продукта через зону обработки вибротранспортеры. Остальные два вида транспортирования не нашли широкого применения. 3.Третий признак по которому можно классифицировать микронизаторы - это по типу расположения линейных излучателей.
В микронизаторах с кварцевыми излучателями их располагают: - вдоль направления движения транспортера; - поперек направления движения транспортера. Подбор оптимального расположения ИК-излучателей является важным. Так как при проектировании микронизаторов основной трудностью является создание на поверхности продукта таких условий облучения, при которых каждая обрабатываемая частица за время транспортирования через зону обработки получала бы одинаковое количество лучистой энергии, т.е., энергетическая экспозиция должна быть равной. Другой трудностью является обеспечение равномерного прогрева частицы, т.е, снижение градиента температуры, который во время обработки продукта может оказаться значительным. Это приводит к тому, что при достижении на поверхности частицы предельно допустимой температуры, в объеме она не достигает желаемого уровня [50, 52, 56, 86]. Установка ИК-нагревателя вдоль транспортера с уменьшением шага ламп от оси конвейера и его периферии позволяет выравнивать плотность лучистого потока по ширине конвейера [56, 113]. Однако при таком расположении цоколи ламп находятся в рабочей зоне и при эксплуатации в микронизаторах быстро разрушаются, тем более что полностью проблему краевого эффекта это не снижает. Поэтому предпочтительнее расположение ламп поперек транспортера, хотя при таком расположении возникает проблема с выравниванием лучистого потока [56]. Как уже отмечалось выше разработано и запатентовано десятки видов микронизаторов, как в России, так и за рубежом, но в периодических изданиях о конструктивных особенностях ВТМ установок кроме самых общих, информация практически отсутствует. Не отличаются откровенностью и рекламные проспекты фирм, изготавливающие ВТМ установки. Наиболее полную информацию о конструкциях и тенденциях по совершенствованию ВТМ установок можно получить анализируя патенты. Из анализа патентов на изобретения установлено, что все микронизаторы как отечественные, так и зарубежные имеют одну общую принципиальную схему работы. Проанализировав предлагаемые авторами патентов новации, было установлено, что улучшения технических характеристик микронизаторов достигается конструкторскими мероприятиями (связанные с модернизацией конструкции ВТМ) и технологическими методами (связанные с оптимизацией режимов).
Расчет полей облученности в блоке линейных излучателей с плоским верхним отражателем
Эффективность работы РЖ - оборудования в основном зависит от блока излучателей, так как именно он является основным узлом, от которого в основном зависит весь процесс термообработки. Блок излучателей состоит из генераторов излучения и отражателей. Тип генератора излучения здесь характеризуется формой и материалом излучающего тела, а также способом его нагрева [38,39,77]. Это во многом и определяет конструктивные характеристики блоков излучателей и параметры потока излучения (спектр и плотность). В частности, в микронизаторах с электрическими излучателями ИК генераторы могут быть установлены вдоль или поперек транспортера и снабжены общими отражателями с различными геометрическими формами. От правильной компоновки и установки, блока излучателей в дальнейшем зависит его к.п.д., равномерность поля облученности, а, следовательно, технико-экономические показатели установки, качество готовой продукции и т.д. Конструктивная схема блока излучателей микронизатора с расположением РЖ генераторов поперек транспортера представлена на рисунке 2.3. Облученность, которая получается от одного линейного излучателя может быть определена из выражения [113] Зная облученность и условия эксперимента, можно определить значение коэффициента Eode. Для лампы КГТ-220-1000-1 данный коэффициент был оценен Eode.= 0.114, кВт/м.
Облученность, создаваемая прямым излучением линейного генератора может быть определена из выражения (2-14). Облученность, получаемая отраженным излучением от верхнего и боковых экранов введем в виде облученности от мнимых изображений ИК генераторов в "зеркале" отражателей (экранов) [61]. Обозначим через Но - высоту мнимого изображения ИК лампы в верхнем отражателе, тогда где: he - высота верхнего экрана от транспортера; hi - расстояние от лампы до транспортера. Расчетная схема блока с плоским верхним и боковыми отражателями представлена на рисунке 2.7. Схематично блок линейных излучателей представляет собой конструкцию из нескольких линейных излучателей, расположенных на одинаковой высоте параллельно друг другу и рабочей поверхности зоны обработки. Сверху и боков имеется система отражающих экранов (2),(3). Для учета отраженного излучения от плоских верхнего и боковых экранов в расчетную схему вводят мнимое изображение линейного излучателя в этих экранах. Тогда облученность от мнимого изображения в верхнем излучателе / найдем из (2-14), с учетом (2-15) помножив его на коэффициент отражения г. Облученность от мнимого изображения правого Е3 и левого Е4 боковых излучателей найдем пологая (в 2-13) у\ =ЗЬ, у2=4 и - у =-3b, -у2=-4Ь с учетом коэффициента отражения. Суммируя прямое и отраженное излучение, получим облученность от отдельной лампы. Таким образом, облученность от одной лампы с учетом однократного отражения от верхнего и боковых экранов можно записать где: Ei - облученность от прямого излучения, Е2 - облученность от верхнего отражения, Ез, Е4 - облученность от правого и левого боковых отражателей.
Суммарную облученность от нескольких излучателей расположенных параллельно плоскости продукта, найдем как суперпозицию облученности от отдельных излучателей. Если рассматривать поле облученности между к-й и к+1-й лампами, то координата Xотносительно к-оїл может быть представлена Можно учесть также и многократное отражение экран-продукт-экран. Точность расчетов определяется точностью оценок оптических и терморадиационных характеристик излучателя, отражателей и продукта, а так же соответствием расчетной схемы реальным условиям. В соответствии с рассмотренным алгоритмом в программе «Математика - 4» был составлен алгоритм для ЭВМ, приведенная в приложении 1. Программа позволяет моделировать влияние тех или иных конструктивных параметров блока с плоским верхним и боковыми экранами на равномерность поля облучения и энергетическую эффективность ячейки. Трехмерное изображение поля облученности для блока из пяти излучателей и при параметрах расчетной схемы h = s = 0.5 м, he = 2h = 0.1 м, г = 0.5 дано на рисунке 2.8. Распределение облученности по ширине блока при соответствующих параметрах представлено на рисунке 2.9. Для оценки полного поля облученности в установках ВТМ необходимо знать его составляющую от верхнего отражающего экрана. Одним из методов выравнивания распределения облученности может служить применение неплоских экранов. В общем случае построение полей облученности представляет довольно сложную расчетную задачу, не всегда поддающуюся решению в аналитическом виде. Поэтому в дальнейшем будем использовать возможности численных методов, заложенных в 111111 «Математика 5». На рисунке 2.10, представлена расчетная схема излучателя с отражающим экраном произвольной формы
Влияние облученности на процесс нагрева
Методика измерения температуры отдельного зерна и его схема достаточно просты: отбирали из исследуемых образцов определенное количество зерен, замеряли их размеры, просверливали до середины зерна небольшое отверстие и устанавливали туда термопару, затем помещали под блоком ИК-излучения, нагрев осуществлялся при фиксированном интервале времени, расстоянии до излучателя и количестве ИК - излучателей. Схема измерительного стенда дана на рисунке 3.6. Температуру массы зерен также замеряли термопарой, установленной в специальной теплоизолированной емкости рис. 3.7, куда сразу после облучения засыпали зерна. Изменение температуры фиксировали при помощи КСП. Как уже отмечалось, наряду с радиационным теплообменном, в силу конструктивного оформления зоны термообработки, происходит конвективный теплообмен между зернопродуктом и воздухом, при этом конвективный теплообмен, чем интенсивнее, тем больше температура в рабочей зоне. Верхний предел этой температуры, по-видимому, ограничен техническими возможностями конструктивных элементов. Так, для отражающих экранов из алюминия этот предел ограничен температурой плавления алюминия (-600 С). Для РІК - излучателей типа КГТ-1000-220 температура среды не должна превышать 800 С, а в области цоколей 300 С. В качестве параметра температура среды в зоне обработки входит во все математические модели процесса нагрева. Более того, в ряде работ, в том числе и в предыдущей главе данной диссертации, делалось допущение, что это температура пропорциональна облученности, АГф = КСЕ, что требует экспериментальной проверки [73]. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 4.1. Система верхнего экрана (3) и коробчатая конструкция (1) образуют ограниченное пространство вокруг ИК - излучателей (2). Варьируя числом излучателей, можно менять мощность, выделяемую в пространство.
Кроме того, имелось возможность изменять высоту излучателей (hi), т.е. объем пространства. Температура измерялась под средней лампой с помощью термопары. Чтобы максимально снизить влияние прямого излучения на показания, термопара была помещена в трубку, из материала с коэффициентом отражения в области длин волн Я =1мкм, г=0.96. Результаты эксперимента Tcp(W,h,) представлены на графике (см. рис. Как видно из графиков при Н бОмм, кэ=30мм и при 4-5 установленных излучателях по \=1кВт, температура среды достигает 600С, что является предельным для конструкции из алюминия. Факт разрушения алюминиевых отражателей был зафиксирован в первых модификациях ВТМ установок фирмы «Энтис», при попытке интенсифицировать процесс обработки за счет установки дополнительных излучателей. При ВТМ зерна одним из факторов, оказывающее важное влияние на процесс нагрева является толщина слоя и его состояние (плотность укладки -масса зерна на единице площади). Состояние слоя определяет активную поверхность, т.е. поверхность, которая подвергается ИК - термообработке. При ВТМ зерно подвергается обработке только с одной стороны, поэтому толщина слоя имеет значение, так как оно влияет в первую очередь на качество продукта, во-вторых, на производительность оборудования. Для некоторых зернопродуктов (влажностью 10 -12%) было определено максимальное значение плотности укладки монослоя. Полученные результаты представлены в таблице 4.1.
Расчет экономической эффективности внедрения
Для любого производства при планировании внедрения новой техники, модернизации старого оборудования основополагающим фактором является экономическая эффективность данного мероприятия. Экономически эффективным следует считать такое ее применение, которое ведет к повышению производительности труда, экономии материальных ресурсов и в конечном счете повышению рентабельности и конкурентоспособности производимой с ее помощью продукции, а также к улучшению условий труда. Общим методом оценки эффективности при внедрении новой, модернизированной техники и рационализаторских предложений, является отношение экономического эффекта, получаемого в единицу времени, к тому количеству труда, который обеспечил его достижение. В данной работе рассматривается высокотемпературный микронизатор ВТМ-02, для производства зернопродуктов ускоренного приготовления (различные крупы, каши, хлопья, мюсли и т.д.). Оборудование в данном случае подвергся небольшой модернизации, в частности модернизировались блоки ИК-излучателей с системой отражающих экранов. Проведенные исследования в комплексе с разработанными моделями программ для расчетов позволили оптимизировать работу ВТМ, увеличить его производительность и уменьшить энергопотребление, тем самым, повысив его эффективность. Для оценки проведенных работ по повышению эффективности оборудовании, ниже предлагается сравнительные расчеты с базовым вариантом.
Для объективного анализа всех затрат на модернизацию ВТМ сперва определяем объем основных капиталовложений в проект где: Км - балансовая стоимость основного оборудования; устанавливаемого по проекту, руб; Кп - производственные затраты, включая на проектирование и разработку, руб , Кд - стоимость монтажных работ, руб; К0- экономия капиталовложений за счет реализации оборудования демонтируемого при реализации проекта,руб. где: Кмі - стоимость новых памп, руб; КМ2 - стоимость нового блока ИК-излучателей, новых верхнего и боковых отражателей, руб; где: Тп - трудоемкость проектных работ, чел час, Цчч- стоимость человеко-часа проектных работ, вруб Из выполненного расчета видно, что в отличие от базового варианта проектный вариант позволяет уменьшить расход электроэнергии за счет уменьшения мощности и перераспределения облученности, тем самым увеличить ресурс ИК-генераторов и сэкономить значительное количество средств, не влияя на конечное качество получаемого продукта. Срок окупаемости капитальных вложений затраченных на модернизацию ВТМ составляет три месяца. 1. Уточнена математическая модель ИК нагрева зернопродукта с учетом нелинейной зависимости коэффициентов от облученности, что позволяет более точно прогнозировать температуру продукта на выходе из ВТМ установки. 2. Теоретически и экспериментально установлено, что удельные энергозатраты при нагреве крупы до заданной температуры или до начала момента потемнения снижаются с ростом облученности, что доказывает целесообразность повышения облученности в рабочих зонах ВТМ установок, увеличивая плотность размещения ИК генераторов. 3. При фиксированных энергозатратах, т.е., при определенном количестве линейных излучателей, их следует располагать вдоль транспортера с возрастающим или убывающим шагом, тем самым, меняя облученность в зоне РЖ - обработки. В первом случае растет температурный импульс при постоянной энергетической экспозиции и энергозатратах и, соответственно, глубина термоактивируемых процессов. Во втором -возрастает температура продукта на выходе. 4. Выявлен диапазон плотности укладки крупы на транспортере не оказывающей существенного влияние на температуру продукта на выходе, который оценен в 0.5 - 1.25 от максимально возможной плотности укладки. Проведено экспериментальное определение максимальной плотности укладки на плоскости для ряда видов зерна и круп. 5. Разработана методика, позволяющая проводить приемочные испытания ВТМ установок и получать сопоставимые характеристики по температурному критерию. В качестве таких характеристик, предложено использовать коэффициенты математической зависимости для температурной кривой, с дальнейшим расчетом таких показателей, как удельная производительность, удельные энергозатраты и К.П.Д.
