Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние теории, техники и технологии концентрирования жидких сред вымораживанием 16
1.1 Свойства вишневого сока, как объекта концентрирования вымораживанием 16
1.2 Классификация и анализ существующих способов концентрирования жидких сред вымораживанием 20
1.3 Устройство и принцип действия современных вымораживающих установок 32
1.4 Существующие пути и направления совершенствования вымораживающих установок 35
Глава 2 Исследование вишневого сока как объекта концентрирования вымораживанием 39
2.1 Органолептические и физико-химические характеристики вишневого сока и концентратов сока 39
2.2 Исследование реологических свойств вишневого сока.. 43
2.3 Криоскопическая температура и количество вымороженной влаги в вишневом соке 47
2.4 Замораживание и оттаивание вишневого сока 55
2.5 Сравнительный анализ соков, сконцентрированных различными методами 65
Глава 3 Математическое моделирование процесса тепло- и массообмена при кристаллизации льда на оребренной поверхности 70
3.1 Вывод обобщенного дифференциального уравнения теплопроводности 70
3.2 Теплообмен в продольном ребре прямоугольного профиля.. 74
3.3 Теплообмен в прямоугольном ребре с отводом теплоты конвекцией 77
3.4 Тепло- и массообмен при кристаллизации льда с переменными теплофизическими характеристиками 81
Глава 4 Исследование процесса концентрирования вымораживанием вишневого сока 90
4.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 90
4.2 Кинетика процесса вымораживания вишневого сока 95
4.3 Многофакторный статистический анализ процесса концентрирования вишневого сока вымораживанием 102
4.3.1 Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 102
4.3.2 Выбор оптимальных решений задачи процесса концентрирования вишневого сока вымораживанием в циклическом режиме 114
4.3.3 Исследование процесса концентрирования вишневого сока вымораживанием в циклическом режиме 128
Глава 5 Практическое применение результатов исследований 145
5.1 Разработка устройства для концентрирования вымораживанием и получения льда 145
5.2 Разработка способа автоматического управления установкой для концентрирования жидких сред вымораживанием 149
5.3 Эксергетический анализ установки для концентрирования жидких сред вымораживанием и получения льда 158
Заключение 172
Список литературы 174
Приложения 186
Приложение А Оценка погрешности измеряемых величин 187
Приложение Б Технико-экономические расчеты 189
Приложение В Протоколы проведения опытов 199
Приложение Г Акты производственных испытаний 215
Приложение Д Патенты на изобретения 219
Приложение Е Дипломы выставок 223
- Классификация и анализ существующих способов концентрирования жидких сред вымораживанием
- Замораживание и оттаивание вишневого сока
- Кинетика процесса вымораживания вишневого сока
- Эксергетический анализ установки для концентрирования жидких сред вымораживанием и получения льда
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день в России реализуется государственная программа по замещению импорта продовольственной продукции других стран. Потенциал для импортозамещения соковых концентратов в нашей стране составляет 45 % от всей производимой соковой продукции, сырьевой базой которой являются зарубежные страны. Широкое применение концентрированных соков, полученных из плодов вишни, обусловлено их широким использованием для выработки восстановленных соков, кондитерских изделий, молочной продукции, алкогольных напитков и других изделий.
Концентрирование жидкостей производят для:
снижения водной активности обрабатываемых сред, что предотвращает микробиологическую порчу конечных продуктов;
увеличения до требуемого уровня содержания определенных питательных компонентов в жидких пищевых продуктах;
предварительного удаления влаги из раствора перед полным обезвоживанием посредством сублимационной сушки;
снижения полезного объема при хранении и транспортировке;
увеличения скорости процесса осаждения ряда соединений.
Отечественный и зарубежный опыт производства концентрированных жидких сред показывает высокую эффективность применения низкотемпературных способов удаления влаги в виде льда методом вымораживания. Это позволяет практически полностью сохранять термочувствительные и ароматические соединения, большинство аминокислот и вкусовых соединений, предотвращает создание условий для протекания химических и биохимических реакций.
Метод концентрирования жидких сред вымораживанием основан на выделении в виде льда некоторой части воды, находящейся в растворе. При данном методе концентрирования происходит почти полностью селективное обезвоживание.
Степень разработанности темы. Несмотря на широкое развитие криоконцентрирования в ряде стран, указанный метод до
настоящего времени в нашей стране находится на начальном этапе развития. В то же время внедрение этого метода создаст предпосылки для получения ряда ценных продуктов, необходимых для пищевой и других отраслей промышленности, и позволит внести существенный вклад в решение проблемы повышения качества жизни населения России.
В нашей стране в направлении низкотемпературного кон
центрирования известны работы таких ученых, как О. Г. Комяков,
В. М. Шляховецкий, В. Т. Плотников, В. Н. Филаткин,
И. А. Короткий, С. Т. Антипов, В. Ю. Овсянников и др. Из зарубежных авторов следует отметить следующие фамилии: И. Г. Чумак, О. Г. Бурдо, J. A. Burton, E. Drioli, K. Kawasaki и др.
Цель диссертационной работы - исследование процесса концентрирования вишневого сока вымораживанием и разработка оборудования для реализации процесса.
В соответствии с поставленной целью были определены основные задачи работы.
-
Изучение свойств вишневого сока как объекта концентрирования вымораживанием.
-
Выявление степени влияния основных факторов на процесс концентрирования вишневого сока.
-
Теоретическое обоснование процесса кристаллизации влаги на оребренной теплообменной поверхности.
-
Исследование кинетических закономерностей процесса образования льда на теплообменной поверхности.
-
Определение рациональных режимов процесса концентрирования.
-
Разработка оборудования для концентрирования жидких сред вымораживанием и способы его управления.
Научная новизна. Выполнено математическое моделирование процесса кристаллизации влаги на оребренной теплообмен-ной поверхности.
Исследованы кинетические закономерности вымораживания влаги из вишневого сока в циклическом режиме.
Установлены рациональные области изменения основных
факторов, влияющих на процесс концентрирования вымораживанием вишневого сока, и найдены субоптимальные режимы работы вымораживающей установки.
Произведена оценка энергетической эффективности функционирования установки для концентрирования жидких сред вымораживанием методом эксергетического анализа.
Практическая значимость. Определены рациональные режимы концентрирования вишневого сока вымораживанием влаги.
Разработано устройство для концентрирования жидких сред вымораживанием и получения льда (пат. РФ № 2569021), позволяющее интенсифицировать процесс концентрирования жидких сред вымораживанием и получения льда.
Предложен способ автоматического управления цикличе
ским процессом концентрирования вымораживанием
(пат. РФ № 2581874), позволяющий повысить точность и надеж
ность управления процессом вымораживания влаги, снизить энерго
затраты, а также повысить качество готового продукта.
Научные положения, выносимые на защиту:
результаты исследований вишневого сока как объекта низкотемпературного концентрирования;
экспериментальные и теоретические данные по концентрированию вишневого сока методом вымораживания;
математическая модель процесса кристаллизации влаги на оребренной теплообменной поверхности;
конструкция вымораживающей установки, обеспечивающей интенсивный тепло- и массообмен при вымораживании влаги из вишневого сока;
способ автоматического управления процессом концентрирования вишневого сока вымораживанием.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов проведенных исследований базируется на строгих доказательствах и использовании апробированных математических методов. Полученные расчетные соотношения подвергнуты тщательной экспериментальной проверке. Выявленные автором теоретические положения непосредственно согласуются с об-
щепризнанными результатами в других областях науки и техники.
Все научные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертации, обоснованы и подтверждены экспериментальными исследованиями и материалами, которые полностью соответствуют данным протоколов опытов. Основные положения, выводы и рекомендации доложены и обсуждены на международных, всероссийских научно-практических конференциях и семинарах (Санкт-Петербург, 2013), (Польша, Przemyl, 2014-2015), (Чехия, Praha, 2014-2015), (Болгария, София, 2014), (Великобритания, Sheffield, 2015-2016), (Москва, 2014-2015), (Тула, 2014), (Краснодар, 2015), (Воронеж, 2013-2017), отчетной научной конференции ВГУИТ (Воронеж, 2016).
Проведена апробация результатов работы в условиях предприятий ООО "Воронежская холодильная компания", ООО "Сухиничский агропромышленный комбинат".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, в том числе 10 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских и докторских диссертаций, 8 статей в различных изданиях, 2 патента РФ на изобретения, 28 тезисов докладов в материалах и сборниках научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 228 страницах машинописного текста, включающих введение, 5 глав экспериментального и аналитического материала, заключение, список литературы из 123 наименований, в том числе 23 - на иностранных языках, 6 приложений. Приведено 18 таблиц, 79 рисунков.
Классификация и анализ существующих способов концентрирования жидких сред вымораживанием
Косвенный контакт между материалом и хладагентом. Несмотря на Классификация существующих способов криоконцентрирования (концентрирования вымораживанием) представлена на схеме рис. 1.2: перспективы применения прямого контакта, большинство установок в настоящее время работают по методу косвенного контакта. В частности, для замораживания продуктов используют различного рода теплообменники: пластинатые, трубчатые, сосуды, оснащенные охлаждающими рубашками. Намороженный слой льда обычно удаляется скребками или другими механическими приспособлениями.
Частичная кристаллизация влаги. В Англии запатентован метод и создана установка для концентрации жидких материалов за счет частичной кристаллизации влаги. С помощью предлагаемого метода можно удалять из жидкости один или несколько компонентов. Этот способ может применяться при концентрировании различных фруктовых и овощных соков и других жидких продуктов. Сгущение производится путем замораживания смеси и удаления образовавшихся кристаллов льда. Смесь, содержащая два или несколько компонентов, подается по трубопроводу в охладитель, который выполнен в виде рабочей камеры с охлаждающей рубашкой. В камере производится замораживание продукта, образовавшиеся кристаллы льда составляют 40-50% всего веса жидкости. Там же находится винтовой механизм, который постоянно очищает стенки камеры от налипшего продукта. Аппарат имеет камеру с мешалкой пропеллерного или винтового типа, при медленном вращении которой происходит дальнейший рост кристаллов. Циркуляция смеси между двумя аппаратами производится с помощью винта, который используется в качестве шнекового насоса. За охлаждающими аппаратами расположены устройства отделения жидкости от льда, включающего фильтр и ректификационную колонку противоточного действия.
В другом английском патенте предлагается кристаллизатор, в котором для предотвращения образования неравномерных кристаллов, а также обмерзания стенок кристаллизатора на центральном валу предусмотрены лопасти, равномерно перемещающие кристаллизируемый раствор, не допуская местных локальных переохлаждений. Помимо лопастей, закрепленных на основном валу кристаллизатора, имеется три дополнительных вала с закрепленными лопастями. Дополнительные лопасти способствуют более тщательному перемешиванию всей массы кристаллизуемого раствора. Кристаллизатор оснащен планетарной передачей, обеспечивающей синхронность вращения всех валов, а следовательно, и всех мешательных устройств.
Рядом фирм предложено оригинальное решение частичного вымораживания влаги в блоке, при котором увязаны специфические особенности работы замораживающих устройств и центрифуг.
Замораживание осуществляется в специальных кольцевых формах, диаметр которых строго соответствует внутреннему диаметру центрифуг. По этому методу раствор заливают в кольцевую форму и охлаждают, пока масса не «замерзнет». После этого форму подогревают, блок льда вынимают и помещают в центрифугу, где происходит отделение концентрата ото льда.
При этом способе замораживания кристаллы льда, образующиеся в форме, располагаются по радиусу, что значительно облегчает процесс центрифугирования. Однако, при замораживании необходимо строго следить за температурой, чтобы блок не превратился в «сплошной кусок льда». Вымораживание проводят так, чтобы маточный раствор, находящийся между кристаллами льда, не замерзал. В противном случае возрастают потери концентрата с отходящим льдом.
Ниже дано описание технологического процесса, применяемого в промышленности криоконцентрации жидких пищевых продуктов.
Установка для криоконцентрации жидких пищевых продуктов состоит из морозильного аппарата и смонтированного под ним винтового пресса, жидкоотделителя для хладагента и устройства для подачи сока (его охлаждения и распыления), сборного бака, аккумулятора с поплавковым клапаном, насоса и резервуара для регулирования постоянного гидравлического давления подачи сока.
Морозильный аппарат сконструирован по принципу льдогенератора дискового типа. Поверхность охлаждения аппарата состоит из пяти полых дисков, внутри которых кипит жидкий хладагент. Лед срезается ножами и его чешуйки поступают на ленточный транспортер. Большие затруднения представляло конструирование распылителей, отверстия которых подвергались засорению соком или льдом, или, наоборот, «выдавали» сок так обильно, что он не успевал замораживаться. Оптимальным решением этой задачи явилось применение периодического питания под умеренным гидростатическим давлением - одним отверстием (диаметром 4 мм) для каждого диска.
Смесь льда и сока поступает из морозильного аппарата на ленточный транспортер. Прилипшие к ленте транспортера чешуйки льда отделяются во время обратного хода и попадают в сборный бак.
Пресс смонтирован под выпускным бункером морозильного аппарата, оборудован двумя шнеками, винтовые поверхности которых в зоне питания и в зоне прессования имеют разный шаг. Кожух пресса оборудован охлаждающей рубашкой непосредственного испарения хладагента.
Отделение сока ото льда происходит в верхней части пресса путем пропускания через систему пластинчатых и тканевых фильтров. Лед прессуется по оси шнека, преодолевая сопротивление поршня, нагруженного воздушным давлением и герметизированным маслом, приобретает форму блока, дробится и удаляется ленточными транспортерами.
Концентрированный сок удаляется аз трех точек спускных каналов, расположенных в поддоне пресса, и перекачивается в бак с мешалкой. В бак добавляется свекловичный сахар, после чего сок немедленно разливается в металлические банки из белой жести с последующей закаткой и замораживанием в морозильном аппарате туннельного типа при температуре -40С (хранится при -18С). Обогащение сока свекловичным сахаром производится примерно до 36-42 по рефрактометру.
На эффективность разделения влияют:
- количество и равномерность подачи в пресс смеси льда с соком;
- температура и консистенция смеси;
- холодопроизвoдительность и холодообмен в прессе;
- величина противодавления, обусловливаемая давлением воздуха в пневмосистеме.
Ниже приводятся технические данные фирмы, полученные при сгущении яблочного сока с мякотью;
- температура сырого сока, С - 13,2;
- плотность сырого сока (по рефрактометру) - 9,8;
- температура в морозильном аппарате во время опыта, С - 31;
- температура смеси льда с соком при входе в пресс, С - 14-21;
- вес смеси льда с соком, проходящей через пресс, кг/ч - 207;
- вес полученного сгущенного сока, кг/ч - 63;
- плотность сгущенного сока (по рефрактометру) - 25,5;
- вес отделенного льда, кг/ч - 144;
- содержание сухих веществ в отделенном льду (по рефрактометру) -2,85;
- содержание сухих веществ сока в отделенном льду по отношению к содержанию сухих веществ в сыром соке (потеря сухих веществ), % - 19,1;
- степень сгущения - 2,66;
- общий расход электроэнергии, включая охлаждение и все дополнительные устройства, кВт/ч - 25;
- температура льда, С - от 1,5 до 2,8;
- температура сгущенного сока, С - от 1,7 до 3,5.
Указанная установка работала также с другими соками - клюквенным, вишневым, лимонным и смородиновым. Степень сгущения составляла от 1,8:1 до 2,6:1 в зависимости от вида сока. Потеря сухих веществ при переходе в лед колебалась в зависимости от вида сока и составляла для клюквенного и вишневого соков 0,5-2 по рефрактометру. Достигнутая степень сгущения соков и потеря сухих веществ (при переходе в лед) для соков из косточковых плодов и ягод была ниже, чем для яблочного сока. Содержание витамина С в соках, концентрированных вымораживанием, составляло в среднем 88,73 % от исходного содержания в сырых соках.
Органолептическая оценка концентратов (доведенных до 10 по рефрактометру), проведенная дегустаторами, дала следующие результаты: вишневый сок - вкус, запах и цвет соответствовали свежим плодам; яблочный сок имел немного окисленный вкус, цвет частично потемнел; смородиновый сок - цвет и запах соответствовали сырому соку, вкус стал менее выраженным; клюквенный сок - цвет, вкус и запах естественные, ясно выраженные.
В результате анализа образцов методом газовой хроматографии установлено, что сохранность летучих ароматических компонентов в сгущенных соках, полученных методом замораживания, была почти в три раза выше, чем в концентратах, полученных выпариванием.
Проведены также опыты по использованию вымороженного льда в производстве газированных напитков и разработаны соответствующие рецептуры. При добавлении воды к вымороженному льду получается раствор с температурой около 0, который может быть подвергнут сатурации углекислым газом.
Замораживание и оттаивание вишневого сока
Выбор рациональной температуры охлаждения и холодильной обработки вишневого сока является одной из важнейших задач при реализации технологии низкотемпературного концентрирования методом вымораживания влаги.
Кристаллизация влаги в жидких пищевых средах, являющихся сложными многокомпонентными растворами, обусловливается наличием большого количества эвтектических смесей, возникающих при снижении температуры пищевой среды и выделении растворителя в виде чистого льда.
Температура, при которой вся влага продукта затвердевает, может считаться максимальной температурой полного затвердевания. Она может служить нижним пределом при определении температурной зоны замораживания. Температура, при которой замороженный пищевой продукт начинает плавиться хотя бы частично, может считаться минимальной температурой плавления.
Отмечено, что минимальная температура плавления отличается от максимальной температуры полного затвердевания и значительно выше ее. Это обусловлено тем, что в процессе замораживания промежуточные эвтектические смеси переохлаждаются, задерживая дальнейшую кристаллизацию; поэтому продукт нужно охладить до более низкой температуры. Следует иметь в виду, что замороженные промежуточные смеси расплавляются при более высокой температуре.
Известно, что об эвтектических точках сложных растворов нельзя судить по имеющимся данным об эвтектических точках отдельных компонентов раствора. Для таких растворов имеется эвтектическая температурная зона, в пределах которой и происходит кристаллизация влаги. Определение таких температурных зон для продуктов, подвергающихся замораживанию и вымораживанию влаги, крайне необходимо для правильного выбора режимных параметров их обработки.
Для жидких пищевых сред, являющихся сложными биологическими системами, эвтектическая температура определяется неоднозначно и может быть представлена в виде набора точек фазового превращения.
Исследования, проводимые в этой области, весьма скудны и касаются отдельных видов пищевых продуктов, для которых определены либо конечные температуры замораживания, либо начальные температуры плавления.
Проведено экспериментальное определение эвтектических температурных зон вишневого и черешневого сока. Для определения был применен метод дифференциального термического анализа, основанный на принципе сравнительного наблюдения за ходом изменения температур при равномерном охлаждении и нагревании одинаковых количеств исследуемой пищевой среды и вещества, индифферентного к фазовым превращениям в рабочем температурном диапазоне. Сущность «термографического» анализа заключается в изучении фазовых превращений, возникающих в веществах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Исследуемый образец подвергается постепенному охлаждению или нагреванию с непрерывной регистрацией температуры. При возникновении в веществе превращения того или иного характера происходит изменение скорости его нагревания или охлаждения за счет поглощения или выделения теплоты фазового перехода.
Эти изменения отражаются на термограмме резким отклонением температурной кривой от линейной записи. По полученным термограммам определяют характерные температуры фазовых превращений, являющиеся специфическими для каждого вещества.
Эвтектические температурные зоны определялись для исследуемых соков термографическим методом, как при их замораживании, так и при плавлении.
В исследуемых соках определяли содержание сухих веществ с помощью рефрактометра ИРФ-22, которые составили: в вишневом соке -15,0 % и в свежевыжатом черешневом соке – 18,0 %.
Исследование тепловых эффектов при замораживании и оттаивании плодовых соков проводили в интервале температур от 293 до 258 К. Для регистрации температур использовали измеритель–регулятор универсальный двухканальный микропроцессорный марки ТРМ202 с набором хромель-копелевых термопар (диаметр спая 0,5 мм).
Исследование плавления замороженных соков проводилось на воздухе при температуре окружающей среды 293 К.
Полученные значения температур представляли в графической форме.
Термический анализ проводили следующим образом. В морозильную камеру холодильной установки, имеющую температуру 258 К помещали бюксы с исследуемым соком и эталоном.
В геометрический центр исследуемого вещества и эталона помещали термопары, подключенные к измерителю–регулятору универсальному двухканальному микропроцессорному марки ТРМ202, регистрирующие текущую и дифференциальную температуру сока.
В качестве эталона использовали обезвоженный глицерин, теплофизические характеристики которого близки к характеристикам исследуемых веществ в данном диапазоне температур при одновременном отсутствии фазовых превращений в нем.
Полученные термограммы замораживания и плавления вишневого и черешневого соков представлены соответственно на рисунках 2.6. и 2.7.
Известно, что процессы повышения или понижения температуры исследуемого продукта всегда сопровождается более или менее значительным изменением внутреннего теплосодержания системы. При возникновении экзотермического эффекта при замораживании выражается резким отклонением дифференциальной кривой вверх, эндотермический эффект при плавлении замороженного продукта вызывает отклонение дифференциальной кривой вниз.
Для процесса замораживания характерно наличие нескольких резких изломов на дифференциальной кривой, соответствующих температурам фазовых переходов, обозначенных участками простой записи: а -переохлаждение; ab – образование зародышей кристаллов льда и начало кристаллизации; bсd - дальнейшая интенсивная кристаллизация влаги.
Для процесса плавления характерно более плавное начало процесса, отмеченное на дифференциальной кривой прямолинейным участком а/b/; далее участок b/c/, отражающий плавный переход к зоне интенсивного плавления; участок c/d/ — зона интенсивного плавления.
Значения температур, соответствующие началу и окончанию выделенных интервалов на дифференциальной кривой представлены в таблице 2.4. Анализ и сравнение полученных термограмм процессов замораживания и плавления плодовых соков позволил установить, что термограмма процесса плавления позволяет выявить наличие нескольких температурных зон, соответствующих исследуемым фазовым переходам. Термограмма процесса замораживания позволила отметить только одну неизвестную зону — зону интенсивной кристаллизации при температуре точки c до температуры точки d.
При этом процесс кристаллизации влаги в исследуемых соках не завершается при температуре точки d, так как при этой температуре вода кристаллизуется не полностью. Термограмма плавления позволила установить, что при температуре, соответствующей температуре точки d происходит интенсивное плавление, а начало процесса наблюдается при температуре точки а/. Следовательно, полная кристаллизация свободной влаги в плодовых соках происходит в зоне температур ниже точки а/, соответствующих их эвтектической концентрации.
Проведенный анализ показывает, что термограмма плавления отражает наиболее полно картину фазовых переходов влаги в продукте. При определении эвтектической точки при повышении температуры исследуемых соков наблюдается значительное расхождение между кривой охлаждения и кривой последующего отепления.
Кинетика процесса вымораживания вишневого сока
Механизм процесса концентрирования жидких сред вымораживанием влаги определяется в основном режимом проведения указанного процесса и характером связи влаги с материалом или условиями миграции молекул воды к поверхности фронта кристаллизации и встраивании в кристаллическую структуру льда.
Режим вымораживания влаги, определяющий механизм процесса, характеризуется следующими параметрами: температурой среды или теплообменной поверхности, воспринимающей теплоту кристаллизации влаги, скоростями перемещения и площадью поверхности контакта теплообменивающихся сред, видом и концентрацией растворенных веществ. Так выявляется зависимость механизма вымораживания от внешних факторов, объединяемых понятием режима вымораживания.
В процессе концентрирования вымораживанием различают также удаляемую и неудаляемую влагу. Водосодержащая жидкая среда может быть сконцентрирована вымораживанием только до эвтектической концентрации, отвечающей максимальному содержанию растворенных веществ и минимальной температуре, при которой вымораживаемая среда замерзает без разделения на составляющие компоненты. Удаляемой будет влага, обуславливающая содержание растворимых веществ в среде ниже эвтектической, а неудаляемой – обуславливающая содержание растворимых веществ в среде выше эвтектической. Эвтектическая концентрация зависит от вида и природы растворимых веществ.
Процесс вымораживания влаги представляет собой комплексные процессы тепло- и массообмена жидкой среды с поверхностью теплообмена и массопередачи внутри жидкой среды. Такая сложность механизма вымораживания, зависящая от большого количества факторов и, в первую очередь, от свойств самой вымораживаемой среды, создает трудности, как в изучении процесса, так и в обобщении результатов опытов и математическом их оформлении.
Теплофизическая сущность теплообменных процессов заключается в том, что поверхность теплообмена отнимает теплоту от вымораживаемой среды, причем, теплота частично передается при кристаллизации воды в лед, а частично передается в жидкой среде в результате теплопроводности. При этом возникают диффузионные процессы: влага на поверхности контакта с поверхностью теплообмена переходит в твердую фазу, а из внутренних слоев среды происходит миграция влаги к более концентрированному слою.
В действительности, описанные тепловые и массообменные процессы осложняются побочными явлениями и процессами, возникающими при концентрировании вымораживанием. Теплоотдача происходит исключительно на поверхности теплообмена, кристаллизация же влаги только в начале процесса вымораживания происходит на теплообменной поверхности в аппарате, а затем поверхность теплообмена с геометрической поверхности охлаждения аппарата перемещается вместе с фронтом кристаллизации, образуется слой льда, толщина которого увеличивается; теплота, отводимая при кристаллизации влаги, помимо преодоления термического сопротивления пограничного слоя, должна преодолевать все время, возрастающее термическое сопротивление слоя вымороженного льда – зоны кристаллизации, передача теплоты в этом слое происходит только путем теплопроводности, а это значит, что по мере образования и углубления зоны кристаллизации влаги интенсивность льдообразования уменьшается, скорость вымораживания падает.
Исследование изменения средней величины количества вымороженного льда с единицы теплообменной поверхности, вымораживающей установки во времени, полученное опытным путем, является одной из основных характеристик процесса вымораживания влаги.
Проведенные исследования роста и скорости роста ледяной фазы на поверхности теплообменных элементов площадью 0,08 м2, за 3600 с в зависимости от температуры теплообменной поверхности и начального содержания сухих веществ в вишневом соке представлены на рис. 4.6…4.9.
Анализ экспериментальных кривых роста ледяной фазы и кривых скорости роста ледяной фазы, полученных методом графического дифференцирования, позволяет сделать следующие выводы.
Кривые роста ледяной фазы на теплообменной поверхности вымораживающей установки, в зависимости от изменения температуры поверхности вымораживания и начального содержания сухих веществ в вишневом соке носят идентичный характер.
Увеличение начального содержания сухих веществ в вишневом соке при постоянной температуре кипения хладагента в испарителе вымораживающей установки нелинейно снижает удельное количество льда, образовавшееся на теплообменной поверхности.
Температура кипения хладагента в цапфах вымораживающей установки также оказывает влияние на удельное количество льда, вымороженное за соответствующие интервалы времени при организации процесса в указанном интервале времени. Изменение температуры кипения хладагента также вызывает нелинейное увеличение удельного количества льда, вымороженного на теплообменной поверхности, при этом с уменьшением температуры кипения хладагента удельное количество вымороженного льда повышается.
Кривая скорости роста ледяной фазы имеет сложную конфигурацию. Отмечено, что в момент контакта имеющей температуру, значительно меньшую по сравнению с температурой вымораживаемого вишневого сока, скорость кристаллизации резко возрастает от нулевого до максимального значения за весьма краткий промежуток времени, вследствие теплового «удара» в момент контакта сока с охлажденными поверхностями цапф вымораживающей установки.
После этого кривая скорости кристаллизации резко изменяет свой угол наклона и наблюдается практически линейное изменение направления кривой скорости кристаллизации влаги на теплообменной поверхности до второй точки перегиба, что свидетельствует об образовании тонкого слоя льда на поверхности теплообмена, установлении сформировавшегося температурного режима между вишневым соком и поверхностью теплообмена.
Затем характер кривой скорости роста ледяной фазы приобретает нелинейный характер, после чего претерпевает вторую точку перегиба и монотонно нелинейно снижается. Отмеченная точка перегиба является пограничной, разделяющей процессы льдообразования влаги, имеющей различный характер связи с растворенными веществами вишневого сока. При этом что в начальный период вымораживания кристаллизуется влага, находящаяся в слоях наиболее близких к поверхности льдообразования в форме наименее связанной с растворимыми веществами вишневого сока, а затем при смещении и миграции слоев жидкой фазы, наступает период резкого снижения скорости льдообразования, вызванный, как термическим сопротивлением слоя вымороженного льда на теплообменной поверхности, так и преодолением всевозрастающих сил сцепления молекул воды с растворимыми веществами вишневого сока.
Так же исследована зависимость изменения степени концентрации вишневого сока при вымораживании от температуры кипения хладагента и начального содержания сухих веществ в нем, представленные на рис. 4.9…4.10.
Зависимость изменения степени концентрации вишневого сока при вымораживании от начального содержания сухих веществ носит нелинейный характер. При увеличении начального содержания сухих веществ в вишневом соке величина отношения сухих веществ в сконцентрированном соке по отношению к исходному нелинейно монотонно снижается.
Эксергетический анализ установки для концентрирования жидких сред вымораживанием и получения льда
Исследование энерготехнологических систем (ЭТС) производится на основании первого и второго закона термодинамики. При этом энергетический анализ, базирующийся на первом законе, позволяет определить энергию с количественной стороны и совершенно не учитывает качество энергии, потребляемое и отдаваемое системой, т.е. способность этой энергии быть превращенной в полезную работу. Эксергетический анализ позволяет устранить этот недостаток. Эксергетический метод позволяет судить о степени рационального использования различных затрачиваемых видов энергии в технологических процессах, руководствуясь параметрами исходных сред, осуществленной над системой работой и привлеченной извне энергии различных видов, а также более качественно провести термодинамический анализ ЭТС, найти наиболее эффективные пути снижения затрат энергетических ресурсов при одновременном улучшении технологических показателей.
Для эксергии потока энергии основное уравнение эксергетического баланса технологических процессов записывается в общем виде соотношением
Перед составлением баланса вымораживающей установки, систему, подлежащую исследованию, условно изолировали от других объектов контрольной поверхностью. В эксергетический баланс включили эксергию всех потоков вещества и энергии, проходящих через эту поверхность [15, 100].
Технологическая схема экспериментальной вымораживающей установки представлена на рис. 5.3, а схема обмена энергетическими потоками между контрольными поверхностями системы и системы с окружающей средой на рис. 5.4.
Анализ вымораживающей установки осуществляется на основании эксергетического баланса: где S евх, X евых - сумма удельных эксергий на входе и выходе установки, кДж/ кг; X d -суммарные потери эксергии в элементах установки, кДж / кг. где ем, eм / - эксергия продукта на входе и выходе установки, кДж / кг; екм -поток эксергии в компрессоре одноступенчатой холодильной машины, кДж/кг; ен - поток эксергии в насосе, кДж / кг; евл - эксергия влаги, вымороженная из продукта, кДж/кг.
Исходный продукт поступает в установку при температуре окружающей среды, поэтому его эксергия равна нулю (ем = 0), а эксергия продукта на выходе из установки соответствует ее приращению в процессе концентрирования методом вымораживания влаги, т.е. е м / = Лем.
Принимаем, что изменения химической и физической структуры концентрируемой среды не происходит:
Полезной затратой эксергии в выражении (5.8) является только удельная эксергия Аевл.кр. = Aе пол., используемая на кристаллизацию влаги из концентрируемой среды. Величины А евл.охл. и А евлпер. характеризуют потери эксергии dвл..
Суммарные потери эксергии Y.d в вымораживающей установке возникают из-за необратимости процессов в испарителе и в холодильной машине.
Для наглядной интерпретации эксергетического баланся применяется диаграмма Грассмана - Шаргута потоков и потерь эксергии. На ней каждый поток эксергии изображается полосой, ширина которой пропорциональна величине эксергии эксергии [100].
Диаграмма Грассмана-Шаргута экспериментальной вымораживающей установки (рис. 5.6) показывает все потери эксергии в элементах установки в результате протекающих в них необратимых процессов
Величина потери эксергии в каждом элементе установки соответствует уменьшению ширины полосы эксергии и условно изображается заштрихованным треугольником, di (эксергетические потери в i-м элементе установки).