Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современного состояния теории, техники и технологии переработки семян амаранта 12
1.1 Общая характеристика семян амаранта 12
1.2. Анализ существующих способов переработки семян амаранта 20
1.3 Краткий обзор сушильных установок для сушки зерновых и масличных культур 30
1.4. Способы и аппараты для проведения процессов сушки с использованием активных гидродинамических режимов 49
1.5. Особенности гидродинамической обстановки в аппаратах с закрученными потоками сушильного агента 61
1.6. Анализ существующих подходов к математическому описанию гидродинамики в аппаратах со взвешенно-закрученным слоем 68
1.7. Основные выводы, постановка цели и задач исследования 77
Глава 2. Исследование свойств семян амаранта как объекта сушки 80
2.1 Исследование физико-механических свойств семян амаранта 80
2.1.1 Определение истиной плотности семян амаранта 80
2.1.2. Исследование натуры семян амаранта 82
2.1.3. Изучение порозности слоя семян амаранта 83
2.1.4. Определение угла естественного откоса семян амаранта 83
2.1.5. Гранулометрический состав семян амаранта 86
2.2. Исследование тепло физических характеристик семян амаранта 87
2.3. Исследование форм связи влаги в семенах амаранта 92
2.3.1. Анализ изотерм десорбции семян амаранта 93
2.3.2. Дифференциально-термический анализ семян амаранта 97
Глава 3 Экспериментальные исследования процесса сушки семян амаранта в аппарате со взвешенно-закрученным слоем 103
3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения исследований 103
3.2. Исследование гидродинамики взвешенно-закрученного слоя семян амаранта 107
3.3. Математическое планирование и обработка результатов эксперимента 116
3.3.1. Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 116
3.3.2. Анализ регрессионных моделей 118
3.4. Анализ влияния основных факторов на кинетику процесса сушки семян амаранта в аппарате со взвешенно-закрученым слоем 120
3.4.1 Исследование влияния температуры сушильного агента на кинетику процесса сушки 121
3.4.2. Влияние соотношения потоков сушильного агента на кинетику сушки 124
3.4.3 Исследование зависимости кинетики процесса сушки от угла отклонения закручивающих потоков сушильного агента относительно тангенциального положения в вертикальной плоскости 126
3.4.4. Исследование зависимости кинетики процесса сушки от угла отклонения закручивающих потоков сушильного агента относительно тангенциального положения в горизонтальной плоскости 127
3.5. Многофакторный статистический анализ процесса сушки семян амаранта во взвешенно-закрученном слое 129
3.6. Комплексная оценка качества семян амаранта 137
3.6.1. Исследование органолептических и физико-химических показателей 138
3.6.2. Исследование жирнокислотного состава 139
Глава 4. Математическое моделирование процесса сушки семян амаранта в аппарате со взвешенно-закрученным слоем 143
4.1. Физическая постановка задачи 143
4.2. Вывод уравнений математической модели 144
4.3. Численный метод решения математической модели 153
4.4. Результаты вычислительных экспериментов и их анализ 154
Глава 5. Практическое применение результатов научных и проектно-технических решений 156
5.1. Способ безотходной переработки семян амаранта и линия для его осуществления 156
5.2. Разработка высокоинтенсивных сушильных установок совзвешено-закрученным слоем 162
5.2.1. Сушилка со взвешено-закрученным слоем непрерывного действия 162
5.2.2. Сушилка с активным гидродинамическим режимом и пофракционной обработкой дисперсного материала 166
5.3. Повышение эффективности сушки во взвешен но-закрученном слое 171
5.3.1. Способ автоматического управления процессом сушки в сушилке со взвешено-закрученным слоем непрерывного действия 171
5.3.2. Способ автоматического управления процессом сушки в аппарате с активным гидродинамическим режимом и пофракционной обработкой дисперсного материала 176
Основные выводы и результаты 182
Библиографический список 184
Приложения
- Анализ существующих способов переработки семян амаранта
- Исследование тепло физических характеристик семян амаранта
- Математическое планирование и обработка результатов эксперимента
- Вывод уравнений математической модели
Введение к работе
Мировой финансовый кризис коснулся и России. Основными негативными моментами, сопровождающими его, являются падение потребительского спроса и как следствие - рецессия экономики. Резко усилившаяся конкуренция практически во всех отраслях промышленности заставляет производителей искать пути снижения себестоимости и цен или снижать объемы продаж. Не обошел этот кризис и предприятия пищевой промышленности.
Одним из основных путей для предприятий сохранить свои позиции на рынке в сложившихся условиях является поиск внутренних источников снижения затрат. К сожалению, зачастую многие производители поиск путей снижения расходов начинают с фонда оплаты труда и численности персонала предприятия. Отчасти это позволяет снизить издержки, но с другой стороны предприятие теряет часть кадрового потенциала, что также ведет к ухудшению социальной обстановки в регионе - повышается уровень безработицы, что в свою очередь провоцирует рост преступности. Снижение объемов производства на предприятии приводит к снижению прибыли, что влечет за собой снижение поступлений в бюджеты различных уровней РФ.
Есть другой путь снижения затрат, наиболее рациональный, но требующий первоначальных капиталовложений - совершенствование и разработка технологий производства и применяемого оборудования, позволяющего с наименьшими затратами организовать комплексную переработку сырья и обеспечивающих получение готовой продукции, с необходимыми потребительскими качествами, способными удовлетворить конечного потребителя. Экономический кризис позволит предприятиям, выбравшим этот путь снижения издержек и успешно его реализовавшим, совершить технический прорыв в отрасли и занять более выгодные позиции на рынке и его существенную долю.
В условиях сложившейся стагфляции в экономике, крайне необходимо создание новых, инновационных производств, при этом помимо
8 экономического эффекта достигается и положительный социальный эффект. Также экономический кризис создает благоприятные условия для создания новых производств: низкие цены на топливо, металлы, строительно-монтажные работы, недвижимость, более низкая стоимость услуг сторонних организаций, что в значительной мере снижает стоимость инвестиционного проекта.
Одним из перспективных и высокодоходный видов бизнеса является переработка нетрадиционных пищевых сырьевых ресурсов, обладающих высокой пищевой ценностью.
В последнее время в России возрос интерес к амаранту, как продовольственной культуре. Амарант - это однолетнее пурпурно- или желто-зеленое травянистое растение, высота которого может достигать 2,5...4 м. Соцветие амаранта представляет собой метелку, которая в зрелом состоянии имеет длину до 50 см. Вес одной метелки может доходить до 1 кг. Семена амаранта очень малы, подобно песчинкам, а число их огромно (до 500 тыс. шт. в одной метелке). Семена зернового амаранта по характеристикам и свойствам сходны с зерном злаков, однако, поскольку он не принадлежит к семейству злаковых, его называют псевдозлаком [87, 88].
Семена амаранта являются источником для производства масла, содержащего до 8 % сквалена. Сквален - это углеводород, производное изопрена, предшественника тритерпенов и стероидных соединений. Он может использоваться для производства стероидных гормональных препаратов, медицинских препаратов для профилактики онко- и кардиозаболеваний, для косметических целей. Масло амаранта отличается высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот по сравнению с насыщенными, что приближает его по качеству к облепиховому. Кроме того, в семенах содержится много токоферола (витамина Е), обладающего антиоксидантным действием. Токоферолы можно использовать, в частности, как лекарство для снижения холестерина в крови. Зерно амаранта в отличие от других зерновых содержит очень мало глютелинов. Это важно для питания тех, кто обладает повышенной чувствительностью к зерновым из-за отсутствия у них ферментов, гидролизующих глютелин, и поэтому нуждаются, в аглютелиновой диете [79,
9 91]. Однако существуют проблемы, препятствующие повсеместному его распространению.
Одним из факторов, лимитирующим широкое использование амаранта в народном хозяйстве России, является отсутствие технологии и оборудования для полной комплексной переработки амаранта. Уборка амаранта с полей в Центральной полосе России начинается в конце сентября - начале октября, в зависимости от степени его созревания. Как известно, в это время года в данных широтах, часты осадки. Метелка, вследствие ее достаточно большого объема, развитой поверхности и высокой сорбирующей способности, впитывает влагу и удерживает ее, словно губка, в течение достаточно продолжительного промежутка времени. Семена амаранта, находящиеся во влажной метелке, сорбируют влагу, и относительная влажность их может достигать значений до 35 %.
Убранные семена амаранта необходимо в наименее короткие сроки подвергнуть сушке до относительной влажности не более 14 % для целей хранения. Для целей получения амарантового масла путем прессования семена необходимо высушить до относительной влажности не более 12 %, при таковой влажности наблюдается высокий выход масла из зерна при его прессовании [5, 15].
Процесс сушки в технологии переработки семян амаранта является одним из наиболее энергоемких, но именно здесь заключен наибольший потенциал снижения затрат в технологической линии переработки амаранта. Совершенствуя процесс сушки можно также добиться повышения качества готового продукта за счет разработки рационального высокоэффективного способа сушки, позволяющего обеспечить максимальную интенсивность процесса и минимальные затраты на его проведение, равномерно высушивать зерно амаранта и создать щадящие условия в процессе его сушки.
Мы проводили исследования процесса сушки зерна амаранта в сушилках наиболее распространенных конструктивных схем для сушки зерновых - в шахтной и барабанной. Исследования показали, что процесс сушки сопровождается высокими затратами энергии, при относительно невысокой
10 интенсивности процесса сушки. Эти свидетельствует о низкой эффективности сушки зерна амаранта в сушилках данных конструкции.
Сушка зерна амаранта в слое характеризуется низкой эффективностью из-за [5]:
- незначительной величины эффективных диаметров межзерновых
каналов, образованных в неподвижном слоем семян амаранта, ввиду чего
скорость движения сушильного агента в них невысок и как следствие - низкие
коэффициенты тепло- и массопередачи;
- невозможности обеспечения постоянного полного контакта поверхности
семян с сушильным агентом. В шахтной сушилке часть поверхности постоянно
(в барабанной в течение значительных промежутков времени относительно
общей продолжительности процесса сушки) контактирует с соседними
прилегающими зернами.
Для сушки семян амаранта необходимо применять такой способ сушки, который бы позволил добиться более высоких относительных скоростей движения сушильного агента и семян амаранта, обеспечить максимальную площадь контакта сушильного агента с поверхностью семян амаранта, щадящий режим сушки и максимальную величину соотношения и нтенсивность/затраты.
В теорию сушки дисперсных материалов значительный вклад внесли такие отечественные и зарубежные ученые как А.В. Лыков, А.С. Гинзбург, В.И. Муштаев, Б.С. Сажин, П.А. Ребиндер, П.Г. Романков, К.Г. Филоненко, П.С. Куц, В.М. Ульянов, Б.И. Леончик, В.И. Попов, И.Т. Кретов,,С.Т. Антипов, В.Е. Куцакова, В.П. Дущенко, М.А. Гришин, Л. Венцель, О. Кришер, Р. Уайт и многие другие.
Из вышеизложенного следует, что актуальной задачей является разработка способа сушки семян амаранта, позволяющего обеспечить максимальную эффективность процесса, равномерно высушивать семена амаранта и создать щадящие условия в процессе его сушки, а также оборудования для его осуществления. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.
Работа выполнена в лабораториях кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ГОУ ВПО Воронежская государственная технологическая академия. Искренние чувства благодарности выражаю научному руководителю заслуженному изобретателю РФ, доктору технических наук, зав. кафедрой «Машины и аппараты пищевых производств» ВГТА, профессору Антипову Сергею Тихоновичу за оказанную помощь на всех этапах подготовки и выполнения работы, подготовки к ее защите и поддержке. Также хотелось бы выразить благодарность кандидату технических наук, доценту Журавлеву Алексею Владимировичу, за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также всему коллективу кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» ГОУ ВПО Воронежская государственная технологическая академия за доброжелательное отношение, пожелания и содействие при оформлении диссертационной работы.
Анализ существующих способов переработки семян амаранта
По опыту наших исследований процесса сушки убранного амаранта - относительная влажность семян за последние годы, в период с 2006 г. по 2009 г., находилась в пределах 20...25 % (в условиях дождливой осени 2006 года -33...35 %). Храниться зерно с относительной влажностью 35 % насыпью в слое высотой до 0,4 м при температуре 10... 12 С не дольше 12 ч при отсутствии регулярного ворошения слоя. При более продолжительном хранении начинаются необратимые физиологические и химические изменения в семенах амаранта, и оно становиться негодным для дальнейшей переработки, с целью извлечения масла [5].
В данном разделе проанализировано современное состояние переработки семян амаранта по данным различных литературных источников.
В настоящее время в России не существует общепризнанной эффективной технологии переработки семян амаранта. Малая изученность амаранта создает в настоящее время наибольшие затруднения в разработке технологии переработки и использовании семян и продуктов из них. Практически все предлагаемые технологии переработки включают в себя следующие этапы: очистка семян, его измельчение, извлечение масла, очистка масла и упаковка.
Извлечение масла осуществляется либо его экстракцией (в качестве растворителей используют гексан, СОг, хладон, диэтиловый эфир, растительные масла) [103, 117] либо прессование на прессах различных конструкций.
Известен способ [113] получения масла из семян амаранта путем прямой экстракции гексаном с последующим отгоном растворителя в вакууме в среде азота, очисткой масла щелочью и специальными сорбентами. Недостатком данного способа является то, что в нем не предусмотрено специальных мер для сохранения лабильных биологически активных соединений (БАС) в частности токоферолов, сквалена и фитостеролов, которые распадаются за счет того, что газообразный азот в технологических условиях всегда содержит примеси кислорода, окисляющие наиболее ценные БАС в маслах.
Способ [65] предусматривает выделение масла из семян амаранта путем экстрагирования его из муки семян амаранта гексаном в среде углекислого газа, с последующим отгоном растворителя в вакууме при температуре 25...40С и барботировании мисцеллы углекислым газом, а остатки растворителя удаляют азеотропной отгонкой с этанолом при барботировании смеси и полученного масла углекислым газом.
Муку из семян амаранта обрабатывают гексаном в экстракторе погружного типа при гидромодуле 1:5 и перемешивают в среде углекислого газа и температуре 25...40 С. Более высокие температуры, по мнению авторов, приводят к распаду ценных компонентов масла, а применение температур ниже комнатной снижают эффективность экстракции. Экстракт (мисцеллу) отделяют от осадка декантацией с последующим фильтрованием через фильтр Шотта N 4. Растворитель отгоняют в вакууме при 0,8...0,9 кгс/см" на ротационном испарителе ИР-ЮМ при температуре не выше 40С и барботоровании углекислым газом. Для удаления следов растворителя масло обрабатывают этанолом и азео-троп отгоняют в прежнем режиме.
Недостатками данного и предыдущего способа являются: невысокое качество получаемого масла, так как при экстракции гексаном высока степень извлечения из семян амаранта всех компонентов, в том числе нежелательных, сопутствующих триглицеридам (свободные жирные кислоты, красящие вещества); потери части экстракта, отводимого с проэкстрагированной мукой; значительные затраты переработки семян амаранта (высокая стоимость используемых вспомогательных веществ, высокие затраты на создание и поддержание условий для реализации способа переработки).
В способе [61] получения масла из семян амаранта, предусматривающем измельчение сырья, экстракцию растворителем и выделение масла. В качестве растворителя используют растительное рафинированное дезодорированное масло, а выделение осуществляют отжимом из проэкстрагированного материала.
В данном способе используются пищевые масла дезодорированные и рафинированные: масло подсолнечное, масло кукурузное, масло хлопковое и др.
Семена амаранта измельчают, экстрагируют растительным рафинированным дезодорированным маслом при температуре 50...60С в течение 36...72 часов при соотношении сырья к маслу 0,6... 1,0, а затем отжимают масло из по-экстрагированного материала.
Экстракцию проводят как одностадийно, так и многостадийно.Данный способ предусматривает подбор и взаимосвязь существенных признаков (вид экстрагента и условия экстракции), которые только в заявленных диапазонах обеспечивают достижение технологического результата, выход за рамки этих условий не обеспечивает достижения необходимого результата (т.е. масло не соответствует качественным показателям).
Достоинством описанного выше способа является получение готового, нетоксичного продукта, благодаря использованию в процессе переработки вспомогательных пищевых продуктов.
Недостатком описанного выше способа является: невозможность получения амарантового масла в чистом виде; использование в качестве исходного сырья засоренных семян амаранта значительно ухудшает качество получаемого готового продукта, так как способ не предусматривает очистку семян амаранта от примесей.
Способ [64] переработки семян амаранта предусматривает кратковременный нагрев массы в процессе извлечения масла до 80С с целью снижения вязкости масла и повышения его выхода.
По данному способу семена амаранта очищают от механических и других примесей семяочистительной машиной, измельчают дробилкой молоткового типа (разрушают оболочку семян и заключенную в нее единую массу питательных крахмальных веществ, внутри которой находится зародыш). Полученную смесь частиц разных размеров измельченных семян разделяют последовательной расситовкой двумя решетами на 3 части - крупную, среднюю, мелкую.
Крахмальная фракция семян амаранта после их измельчения дробилкой (питательные вещества для развития зародыша) имеет наибольший размер частиц ( 0,8 мм), фракция оболочек имеет средний размер частиц ( 0,5 мм, 0,8 мм) и наименьшую плотность, фракция зародышей имеет наименьший размер частиц ( 0,5 мм).
Крупные частицы размером более 0,8 мм (частицы разрушенной массы питательных веществ, т.е. крахмальной фракции) выделяют из смеси измельченных семян расситовкой первым решетом с отверстиями диаметром 0,8 мм (первый этап расситовки). Частицы размером менее 0,8 мм (частицы фракции разрушенных оболочек и фракции зародышей) проваливаются через отверстия первого решета диаметром 0,8 мм в подрешетное пространство, а более крупные частицы крахмальной фракции с поверхности первого решета отводят в сборник крахмальной фракции, из которого их отводят в тару для заводского хранения или расфасовывают в тару для продажи потребителям.
Вместе с крупными частицами питательных веществ (крахмальной фракции) в этот сборник с поверхности первого решета отводят и крупные частицы фракции разрушенных оболочек.
Провалившиеся в отверстия первого решета частицы измельченных семян (фракция частиц разрушенных оболочек и фракция зародышей) попадают на второе решето с отверстиями диаметром 0,5 мм, где проходят второй этап расситовки. Мелкие частицы измельченных семян (фракция зародышей, имеющая частицы размером менее 0,5 мм) проваливаются в отверстия второго решета, а средние частицы (фракция частиц разрушенных оболочек) с поверхности второго решета отводят в сборник фракции оболочек, из которого их отводят в тару для заводского хранения или расфасовывают в тару для продажи потребителям.
Для облегчения сбора и отвода крупных частиц крахмальной фракции с поверхности первого решета и средних частиц фракции разрушенных оболочек со второго решета в подрешетные полости подают газ (например, воздух), который не позволяет более крупным частицам перекрывать отверстия решет (вы
Исследование тепло физических характеристик семян амаранта
Исследование теплофизических характеристик семян амаранта проводили на специализированном оборудовании Cossfield RT-1394H (рис. 2.8) фирмы ЛІ, % f 35 30 25 20 5 10 5Рис. 2.7. Дифференциальная кривая плотности распределения зерен амаранта по размерам жание каждой фракции разделить на разность размеров семян амаранта, принятых в качестве граничных, и найденные значения отложить в системе координат, как ординаты точек, абсциссы которых равны среднему для соответствующих фракций размеру семян амаранта, то через полученные точки можно провести плавную дифференциальную кривую рас
National Instruments. На рис. 2.9 представлена функциональная схема измерительной установки.
При определении тепло физических характеристик использован метод нестационарного теплового режима, основанный на решении задачи теплопроводности для начальной стадии процесса, а именно метод двух температурно-временных точек, разработанный B.C. Волькенштейн [18].
Начальная стадия охватывает малые промежутки времени, характеризуемые числом Фурье Fo 0,55 [52]. Эксперимент, основанный на теории этой стадии теплопроводности, является непродолжительным. При этом исключается влияние эффекта термовлагопроводности на исследуемые тепловые свойства. Задача сводится к совместному решению дифференциальных уравнений теплопроводности для одномерного потока:для семян амаранта:для эталона:где х - текущая координата; h - высота слоя семян амаранта; т — любой момент времени; Т\{ - температура семян амаранта, К; Тэ - температура эталона, К.
Начальные и граничные условия этой задачи выражаются следующей системой уравнений:где Ти — температура нагревателя, К; TQ, ТЭ- температура семян амаранта и эталона в начальный момент времени, К.
Для температуры Т в месте стыка семян амаранта и эталона (когда л- = К) решение уравнений (2.1), (2.2) учетом (2.3) дается в виде бесконечного ряда:см= м ; (2.11)где у и у/ - безразмерные величины, которые определяются по таблицам, исходя из найденных опытных соотношений т2 Tj; TJ - время, в течение которого температура на границе соприкосновения эталонного тела и семян амаранта достигнет ЛТі=кгЛТ, т2 - время, в течение которого эта температура достигнет АТ2=к2-АТ; к}Кк2- заранее заданные значения, равные 0,75 и 0,5; AT— разность между температурой нагревателя Тн и температурой в месте стыка семян амаранта и эталона Г, т. е. АТ=ТН-Т; рм - плотность семян амаранта, кг/м"\
Начальная температура семян амаранта и эталона в течение всего опыта поддерживались постоянной. Эталон с сечением 70x70 мм и длиной 150 мм изготовлен из органического стекла и имеет следующие характеристики: аэ =15,7 м2/с, Лэ=0,1839 Вт/м-К, сэ = 10,88 Дж/кг-К, рэ = 1075 кг/м3.
В ходе эксперимента фиксируется время г/ и г?, в течение которого температура на границе раздела эталонного тела и семян амаранта достигнет заданного значения AT] и ЛТ2 соответственно.
Данный метод заключается в исследовании семян амаранта и эталонного тела, которые приводятся в соприкосновение по одной общей плоскости. Нагреватель, нагретый до постоянной температуры, приведен в соприкосновение с семенами амаранта и передает постоянный поток теплоты, который проходит через толщину слоя семян амаранта с различной скоростью. В результате температура в плоскости соприкосновения семян амаранта с эталоном изменяется и записывается на диаграмме потенциометра в виде кривой, по которой можно определить время и изменение температуры.
Температуропроводность и теплопроводность определяются по эмпирическим формулам, полученным из решения системы дифференциальных уравнений, составленных для данной системы двух тел, в одно из которых входят неизвестные теплофизические характеристики. Относительно этих характеристик решается система уравнений, включающая параметры проведенного опыта. Так как семян амаранта и эталонсоприкасаются по одной общей плоскости, то по принципам математической физики можно составить два дифференциальных уравнения с едиными начальными и граничными условиями первого рода, обусловленных параметрами проводимого опыта.
Теплопроводность Я (Вт/(м-К)) семян амаранта определяется по эмпирической формулегде Я, а — соответственно теплопроводность и температуропроводность образца семян амаранта; X, = 0,184 Вт/(м-К), ам = 15,7-Ю-8 м2/с — соответственно те (2.13) где t" — температура в плоскости соприкосновения образца продукта и эталона, определяемая по полученной диаграмме, К; tsp — температура греющей поверхности, определяемая по полученной диаграмме аналогично, К; Ф(г") — функция Гаусса.
Удельная теплоемкость семян амаранта (Дж/(кг-К)) определяется по зависимости:где рм — плотность семян амаранта, кг/м .Результаты обработки экспериментов представлены на рис. 2.11, 2.12, 2.13.
Как видно из рис. 2.10...2.12. значения температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости семян амаранта при увеличении относительной влажности с 12% до 25% возрастают до значений, определяемых относительной величиной теплопроводности воды и семян амаранта, так как в области капиллярной конденсации на теплоперенос оказывает влияние свободная влага [30].
Увеличение температуропроводности и теплопроводности с ростом влажности семян амаранта объясняется влиянием «водных мостиков», согласно теории А.Ф. Чудновского [33, 91] теплопереноса во влажных пористых материалах.
Для разработки высокоэффективного способа сушки семян амаранта необходимо знать формы связи влаги в семенах амаранта. Формы связи влаги с материалом отличаются по энергии связи влаги с материалом и, соответственно, определяют количество энергии, которое необходимо затратить на удаление влаги из материала [89].
Математическое планирование и обработка результатов эксперимента
Протекание процесса сушки семян амаранта во взвешенно-закрученном слое зависит от совокупности различных параметров, среди которых стоит выделить температуру сушильного агента, гидродинамику взвешенно-закрученного слоя (скорости движения и направления движения потоков сушильного агента), удельную нагрузку семян амаранта на газораспределительную решетку, конструкцию сушильной камеры и т.д. Основными показателями процесса сушки, позволяющими сделать вывод о эффективности сушильной установки, являются показатели удельной производительности и удельных энергозатрат.
Исследования влияния основных параметров на процесс сушки семян амаранта проводились на экспериментальной установке, приведенной на рис. На основании изучения литературы по тематике сушки дисперсных материалов из множества параметров, оказывающих влияние на процесс сушки, для исследования были выбраны следующие: температура сушильного агента, Тса, К, соотношение расходов общего и осевого потоков сушильного агента X, углы отклонения закручивающих потоков сушильного агента от тангенциального положения в вертикальной авп, град,, и горизонтальной а_п, град, плоскостях.
Величина относительной влажности сушильного агента составляла 20...30 %. Удельная нагрузка семян амаранта на удерживающую решетку s=177 кг/м". Расход сушильного агента, подаваемого на сушку устанавливался постоянным, таким образом, чтобы обеспечить скорость закрученного потока сушильного агента на входе в сушильную камеру 12,2 м/с.
Все изучаемые факторы были совместимы и некоррелированы между собой, а пределы их изменения приведены в таблице 3.1.
Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими свойствами семян амаранта и конструктивными характеристиками сушильной установки.
Пределы изменения температуры сушильного агента установлены после проведения ряда предварительных экспериментов - 323...363 К. Нижняя граница обусловлена интенсивностью процесса сушки — при температуре сушильного агента ниже 323 К интенсивность процесса сушки значительно снижается. Верхняя граница температуры сушильного агента обусловлена технологическими свойствами семян амаранта. При нагревании семян амаранта до температур свыше 333 К наблюдается ухудшение качественных показателей масла, содержащегося в семенах амаранта [80]. В ходе предварительных экспериментов было установлено, что при температуре сушильного агента свыше 368 К происходит существенной возрастание риска локального перегрева семян амаранта до температур свыше 333 К высушивании их до относительной влажности 12% в экспериментальной установке рис. 3.1.
Соотношение расходов общего и осевого потоков сушильного агента X, кг/кг для проведения экспериментов по исследованию кинетики процесса сушки изменяется в интервале 0...1. Таким образом, при значении Х=\ в сушильной установке реализуется фонтанирующий слой в «чистом» виде (весь поток сушильного агента подается только в осевом направлении), при А"=0 в сушильной установке реализуется вихревой режим в «чистом» (весь поток сушильного агента подается в закручивающем направлении), при $ Х \ в сушильной установке реализуется взвешенно-закрученный слой, то есть комбинация закручен ного слоя вихревого режима. Это позволяет на практике сравнить данные способы сушки между друг с другом.
Интервалы изменения углов отклонения закручивающих потоков сушильного агента от тангенциального положения в вертикальной авп, и горизонтальной а п, плоскостях были выбраны исходя из конструктивных особенностей сушильной установки. При этом направление отклонения закручивающего потока сушильного агента от тангенциального положения: в вертикальной плоскости ат, град - в направлении движения осевого потока сушильного агента, в горизонтальной плоскости агп, град - к центру осевого потока.
Критериями оценки влияния различных факторов на процесс сушки семян амаранта были выбраны: влагонапряжение сушильной камеры по удаляемой влаге А, кгвл/(м3-ч) - у\ и удельные затраты энергии на высушивание 1 т семян амаранта на 1% q l, кВт-ч/(т-%) —у2. Выбор данных критериев обусловленнеобходимостью получения эмпирической модели характеризующей удельную производительность сушилки и удельные энергозатраты.
Постановка опытов производилась в соответствии с центральным композиционным униформ-ротатабельным планированием и выбранным полным факторным экспериментом типа 2 [20, 24, 66].
Матрица планирования и результаты эксперимента представлены в таблице При обработке экспериментальных данных для уровня значимости q=0,05применялись следующие статистические критерии [19, 20]: проверка однородности дисперсий - критерий Кохрена, представляющий отношение наибольшей из дисперсий к сумме их всех; проверка отдельных коэффициентов регрессии на значимость - критерий Стьюдента, который брался из соответствующих таблиц в зависимости от уровня значимости и числа степеней свободы; адекватность математической модели - критерий Фишера.
После статистической обработки данных, приведенных в таблице 3.2, были получены уравнения регрессии характеризующие удельную производительность сушильной установки и удельные энергозатраты на сушку:
Анализ уравнений регрессии позволяет выделить факторы, в наибольшей степени влияющие на исследуемый процесс сушки. На влагонапряжение сушильной камеры по испаренной влаге наибольшее влияние оказывает температура сушильного агента, и в меньшей степени - соотношение расходов потоков сушильного агента. Степень влияния факторов относительно друг друга Ь\:Ь2 = 12,63. На удельные затраты энергии на высушивание 1 т семян амаранта на 1% наибольшее влияние оказывает температура сушильного агента, и в меньшей степени - соотношение расходов потоков сушильного агента. Степень влияния факторов относительно друг друга b}:b2= 2,40.
Полученные уравнения 3,1 и 3,2 являются нелинейными. В результате проведения получены данные о влиянии исследуемых факторов на процесс сушки и получена математическая модель процесса сушки семян во взвешенно-закрученном слое, позволяющая рассчитать влагонапряжение сушильной камеры по удаляемой влаге и удельные затраты энергии на высушивание 1 т семян амаранта на 1%.
Кинетика процесса сушки характеризуется зависимостями изменения влажности и температуры материала и скорости его сушки в процессе высушивания с течением времени. Знание этих закономерностей позволяет расчетным путем определить влагонапряжение сушильной камеры по испаренной влаге и удельный расход энергии на сушку, зная общие затраты энергии на процесс.
Были проведены экспериментальные исследования кинетики процесса сушки семян амаранта в аппарате со взвешенно-закрученным слоем (рис. 3.1) с использованием метода планирования эксперимента с целью определения влияния основных параметров процесса сушки, описанных выше, на кинетику процесса сушки.
Одной из основных задач при исследовании процесса сушки семян амаранта является исследование влияния температуры сушильного агента на кинетику сушки. Для семян амаранта особенно важно определить влияние температуры
Рис. 3.10. Зависимость влажности семян амаранта и скорости их сушки от темпераіурьі сушильного агента при А=0,5; аь „ =22,5; сс,п =15: 1 -7 са=363К; 2 - Тш =343К; 3 - Тса =323Ксушильного агента на температуру семян амаранта в процессе их сушки ввиду чувствительности семян амаранта к температуре, значительного влияния температуры сушильного агента как на интенсивность процесса сушки, так и на
Вывод уравнений математической модели
Для анализа выберем цилиндрическую систему координат, расположив ось oz по оси аппарата и пренебрегая массовыми силами, тогда уравнение движения в цилиндрических координатах (г\в,г) запишется в виде (4.1) с учетом г dr г двгде vr,ve,vz - компоненты радиальной, угловой и осевой скорости соответственно; г- тензор напряжений, компоненты которого для неньютоновских жид костей таковы
двигаются по кольцевым траекториям и компоненты скорости иг и vz равны нулю. Кроме этого считаем, что течение сушильного агента стационарное и градиенты давления вдоль координаты в отсутствует. В этом случае все члены уравнения (4.4) равны нулю, а где Сх и С2 - константы интегрирования, требующие интегрирования, они мо гут быть найдены из условий: при г =0 для сохранения физичности С2 =0; при г = го (г0 - радиус поперечного сечения) ив = w0 (wo - скорость тангенциального потока, которая определяется как где G - массовый расход тангенциального потока, S - площадь поперечного сечения закручивающего патрубка), тогда скорость будет
Пусть r0 - входной радиус области /, а г, - радиус цилиндрической области (считаем, что входная область аппарата представляет собой правильный усеченный конус), тогда скорость в тангенциальном направлении при входе в цилиндрическую часть II будет Значение w, найдем из уравнения сохранения, то есть
Осевая составляющая скорости и1, находится (считая потери на сопро тивление потоку несущественными) из формулы V, =где Gn - массовый расход через осевой подающий патрубок; Sl - площадь поперечного сечения цилиндрической области //.
Из (4.17) и (4.18) следует оценка скорости движения сушильного агента в цилиндрической области сушильного аппарата - и массоотдачи.
Расчет процесса сушки выполним из следующих соображений. Будем рассматривать этот процесс для одиночного семени амаранта, считая его форму близкой к сферической. Затем с учетом суммирования итоговых потоков влаги для всех семян найдем макрокинетические закономерности.
Для этого вначале на основе линейной термодинамики явлений переноса в капиллярно-пористых телах обобщенная система дифференциальных уравнений диффузионно-фильтрационного тепло- влагопереноса записывается в следующем виде [44]:где и - влагосодержание, кг/кг; t - температура, К; р - давление влажного воздуха, Па; г - время, сек.; ат - коэффициент диффузии влаги во влажном мате-риале, м7с; К - коэффициент фильтрационного переноса влаги; р0 - плот ность материала, кг/м ; г - удельная теплота испарения жидкости, Дж/кг; с — удельная теплоемкость семян амаранта, Дж/(кг-К); aq - коэффициент температуропроводности семян амаранта, м7с; є - коэффициент, характеризующий отношение потока жидкости и пара при нестационарном влагопереносе, є = апЛ I ат, атХ - коэффициент диффузии парообразной влаги во влажном мате риале, м7с; 5р = Кр 1{ар р0) - относительный коэффициент фильтрационного потока влаги; ар = Кр 1{ср ро) - коэффициент конвективной фильтрационной диффузии, м2/с; ср - коэффициент емкости влажного воздуха, Па 1; V2- оператор Лапласа.
Будем считать, что на распределение влагосодержания и температуры внутри частицы давление не оказывает существенного влияния ввиду малоин-тенсивности процесса сушки. Поэтому система (4.20) - (4.22) упроститься до вида:
К системе (23), (24) добавляются начальные условия:где u0,t0 - начальное влагосодержание и температура семени амаранта. Условия симметрии частицы из-за сферической симметрии
Граничные условия теплообмена на поверхности частицыгде Xq - теплопроводность семян амаранта; j (т) - плотность теплового потокачерез поверхность семени амаранта за счет конвективного теплообмена с окружающей средой; jm{r) - плотность потока массы влаги через поверхность семени амаранта.
Граничное условие массообмена на поверхности амаранта:где Ят - массопроводность семян амаранта.Уравнения (4.23) - (4.28) образуют математическую модель.
В силу интенсивного перемешивания семян амаранта в аппарате будем считать поверхность семени равнодоступной для тепловых и массовых потоков, поэтому можно рассматривать математическую модель в зависимости от одной
С учетом того, что тепловой и массовый потоки по определению есть соответственноЛ М = a4 fc « ) Jm М = am (" - Uc \где ccq - коэффициент теплоотдачи от окружающей среды к поверхности семени амаранта; tc - температура дисперсной среды; tn - температура поверхности семени амаранта; ат - коэффициент теплоотдачи от поверхности семени амаранта к окружающей среде; ип - влагосодержание поверхности семени амаранта; ис - влагосодержание окружающей среды; то условие (4.27) примет вид
Система уравнений (4.29) - (4.34) образует окончательный вид математической модели конвективной сушки сферического семени амаранта.
Запишем систему (4.29) - (4.34) в безразмерном виде с помощью относительных переменных где Lu = am I aq - критерий Лыкова, характеризующий отношение скоростей переноса массы и тепла диффузией; Pn = 8{tc —t0)/(ifc —и0) - критерий Поснова, характеризующий отношение термодиффузионного переноса влаги к диффузионному переносу; Fe = 5r slс - критерий Федорова, характеризующий отношение теплосодержания переносимой жидкой и парообразной влаги к теплосодержанию высушиваемого материала; Biq = aqr01 kq - теплообменное числоБио; Bim=amr0lAm - массообменное число Био; Ko = r (uc—u0)/(c(tc0)) критерий Коссовича, характеризующий зависимость между количеством теплоты, затраченным на испарение жидкости и на нагревание влажного тела.
Интегрирование системы (4.35) - (4.40) необходимо проводить численно, так как аналитическое решение получить затруднительно. Численное интегрирование уравнений математической модели основывается на конечно-разностных представлениях. Непрерывная область интегрирования разбивается сеткой с шагом AR и AF0, при этом область решения, представляющая собойполуограниченную полосу [0; 1]х[0; оо), заменяется дискретной, то есть совокупностью узлов, при этом вводятся обозначения:
Прежде чем приступать к реализации конечно-разностной схемы (41)-(46), преобразуем граничные условия (4.45) и (4.46) для выделения из них в явном виде UJn и 7/ :
