Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы повышения эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна
1.1. Функционирование технологических систем сушки и охлаждения зерна и основные направления их развития
1.2. Методы интенсификации конвективной высокотемпературной сушки зерна
1.3. Методы интенсификации охлаждения зерна с применением искусственного холода
1.4. Теплообмен между поверхностью и псевдоожиженным слоем при нагреве и охлаждении зерна
1.5. Комбинированные способы конвективной сушки зерна 84
Глава 2. Теплофизические свойства зерна и тепломассообменные характеристики единичной зерновки в процессах сушки и охлаждения
2.1. Сравнительное определение теплофизических свойств зерна методами регулярного режима и теплометрического калориметра
2.2. Кинетика и динамика сушки и охлаждения зерновки 111
2.2.1. Методика исследования и экспериментальные установки 111
2.2.2. Градиенты температуры и влагосодержания в зерновке при сушке и охлаждении
2.2.3. Интенсивность испарения влаги с поверхности зерновки в процессах сушки и охлаждения
2.2.4. Влияние температуры и влажности зерновки на коэффициент диффузии влаги
2.2.5. Изменение коэффициента массоотдачи зерновки в процессах процессах сушки и охлаждения
2.3. Изменение массообменных критериев зерновки в процессах сушки и охлаждения
Глава 3. Тепломассообмен в слое зерна при конвективном и конвективно - кондуктивном теплоотводе
3.1. Методика исследования процесса охлаждения зерна при конвективном и конвективно - кондуктивном теплоотводе
3.2. Кинетика охлаждения слоя зерна искусственно охлаждённым воздухом при различных гидродинамических режимах
3.3. Аэродинамика движущегося псевдоожиженного слоя зерна 207
3.4. Изменение плотности теплового потока на вертикальной поверхности теплообмена при различных гидродинамических режимах
3.5. Теплообмен псевдоожиженного слоя зерна с вертикальной поверхностью
3.6. Математическое описание процесса охлаждения зерна при конвективно - кондуктивном теплоотводе
Глава 4. Технология двухстадийной сушки зерна 231
4.1. Методика исследования процесса двухстадийной сушки зерна 232
4.2. Кинетика сушки и охлаждения нагретого зерна в слое различной высоты
4.3. Влияние режимов активного вентилирования на качество зерна риса и пшеницы при двухстадийной сушке
4.4. Технология двухстадийной сушки риса - зерна с активным вентилированием в складах и силосах элеваторов
4.5. Операторные модели и показатели стабильности высоко-температурной и двухстадийной сушки зерна
4.6. Развитие систем активного вентилирования в технологии двухстадийной сушки зерна
Глава 5. Разработка нового оборудования для сушки и охлаждения зерна
5.1. Шахтная рециркуляционная зерносушилка с предварительным нагревом зерна и гибкой технологической схемой
5.2. Охладитель зерна в псевдоожиженном слое при конвективно-кондуктивном теплоотводе
5.3. Тепловентиляторный блок для сушки зерна в бункерах активного вентилирования и зерноскладах
5.4. Тепловентиляторный блок для сушки зерна нагретым воздухом 293
5.5. Воздухонагреватель с централизованным теплоснабжением для шахтных зерносушилок
5.6. Система контроля температур отработавшего, сушильного агента для шахтных зерносушилок
5.7. Экономическая эффективность использования разработанного оборудования и технологий для сушки, охлаждения и активного вентилирования зерна
Основные результаты и выводы 314
Литература 318
Приложения 354
- Методы интенсификации конвективной высокотемпературной сушки зерна
- Методика исследования и экспериментальные установки
- Кинетика охлаждения слоя зерна искусственно охлаждённым воздухом при различных гидродинамических режимах
- Кинетика сушки и охлаждения нагретого зерна в слое различной высоты
Введение к работе
Одним из основных условий, обеспечивающих развитие страны и её продовольственную безопасность, является увеличение производства зерна, сокращение его потерь на всех этапах уборки, транспортировки, хранения и переработки. Снижение потерь зерна и обеспечение его сохранности определяется технологией послеуборочной обработки, в которой сушка и активное вентилирование имеют решающее значение. На всех этапах развития зерносушения ставится задача повышения эффективности технологических процессов сушки и активного вентилирования за счёт их интенсификации, снижения затрат на сушку, сохранения и повышения качества зерна.
Совершенствование технологии и техники послеуборочной обработки зерна обосновано развитием современной науки о хранении зерна, определяющий вклад в которую внесли российские учёные: В.Л.Кретович, Л.А.Трисвятский, Е.Д.Казаков, Н.П.Козьмина, Н.И.Соседов, А.Б.Вакар, О.Д.Шумский, М.Г.Голик, В.Ф. Голенков, Л.Н. Любарский, Л.В. Алексеева и другие.
Высокий научный потенциал зерносушения определяется
фундаментальными работами А.В.Лыкова, А.С.Гинзбурга, П.Д.Лебедева, В.В.Красникова, А.Н.Плановского, И.М.Федорова, Г.С.Шубина, Г.А.Егорова, В.И.Анискина, В.А.Резчикова, В.И. Жидко, Б.Е.Мельника, Г.С.Зелинского, П.Г.Романкова, Н.В.Остапчука, Н.Б.Рашковской, Б.И.Леончика, В.И.Муштаева, С.П.Рудобашты, З.Р.Горбиса, Б.С.Сажина, Н.И.Гельперина, М.Э.Аэрова, О.М.Тодеса, А.П.Баскакова, С.С.Забродского, В.Т.Айнштейна, В.Шефера, Дж.Д.Ричардсона, Ж.А.Андерсона, Дж.Ботерилла, Дж.Г.Фостера, О.Кришера, В.Мюльбауэра и других российских и зарубежных ученых.
На основе исследований по интенсификации конвективной сушки зерна П.С.Куца, И.Л.Любошица, Л.Д.Комышника, А.П.Журавлёва, А.Е.Юкиша, В.И.Атаназевича, В.И.Алейникова, Е.И.Никулина, А.В.Авдеева, Г.С.Окуня, А.Г.Чижикова, Н.И.Малина, О.Н.Налеева, В.С.Уколова, Н.Я.Попова, С.В.Новосёлова, А.Г.Ровного, О.Н.Катковой, В.В.Вербицкого, Б.К.Маратова и других установлены основные закономерности процессов сушки и активного вентилирования, разработана технология рециркуляционной сушки зерна, созданы новые конструкции высокотемпературных зерносушилок, систем охлаждения и активного вентилирования.
Вместе с тем, технический уровень большинства зерносушилок и систем активного вентилирования ещё не в полной мере соответствует современным требованиям. Наращивание зерносушильной мощности в последнее время шло в основном по пути увеличения мощности единичных аппаратов для обеспечения уборки урожая в сжатые сроки. Наряду с этим, снижение интенсивности поступления зерна на элеваторы и введение его товарной классификации определило необходимость совершенствования технологии послеуборочной обработки зерна, в том числе для различных по объёму и качеству партий зерна.
Существующие высокотемпературные зерносушилки ещё не имеют гибкой технологической схемы, позволяющей осуществлять сушку в оптимальных условиях в зависимости от начальной влажности и качества зерна, требуют дополнительного решения вопросы охлаждения зерна после сушки и для временного хранения, в том числе и с использованием искусственно охлаждённых холодоносителей.
В процессе сушки расходуется значительное количество дефицитных светлых нефтепродуктов, причём существующие топочные устройства, особенно оснащённые теплообменниками, имеют невысокий коэффициент полезного действия. В связи с этим актуальной является разработка экономичных малогабаритных тепловентиляторных блоков для зерносушилок различной производительности, в том числе для получения в качестве сушильного агента нагретого воздуха, а также разработка воздухонагревателей с централизованным теплоснабжением при использовании низкосортного топлива.
Существующие системы активного вентилирования имеют низкие удельные подачи воздуха, значительную металлоёмкость и недостаточную надежность, в большинстве случаев процессы сушки и активного вентилирования рассматриваются раздельно и не дополняют друг друга. Отсутствие необходимых исследований не позволяет использовать для сушки прогрессивную технологию двухстадийной сушки зерна, сочетающей высокотемпературную сушку и активное вентилирование, что особенно важно для сохранения качества зерна сильных и ценных сортов пшеницы, а также зерна, подверженного трещинообразованию.
На решение задачи повышения эффективности конвективной сушки и охлаждения зерна и направлена настоящая диссертационная работа, которая выполнялась в соответствии с координационными планами научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ бывшего Минхлебопродуктов СССР, программами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии - на 2001-2005 г.г. Тазработать научные основы технологического обеспечения хранения и комплексной переработки зерна и зернопродуктов для производства экологически безопасных конкурентоспособных пищевых продуктов общего и специального назначения".
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось
сокращение энергозатрат на сушку и охлаждение зерна на основе интенсификации тепломассообменных процессов, сохранение и повышение его качества. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
- провести анализ методов интенсификации конвективной сушки и охлаждения зерна и систематизировать структурные схемы различных способов сушки; классифицировать высокотемпературные рециркуляционные зерносушилки по способам предварительного нагрева и рециркуляциии зерна и установки для его охлаждения с использованием искусственного холода;
- разработать операторные модели технологических систем высокотемпературной и двухстадийной сушки зерна и выявить основные закономерности их развития и функционирования;
- выявить влияние параметров процесса на кинетику и динамику сушки и охлаждения единичной зерновки, определить массообменные критерии, коэффициенты диффузии влаги и массоотдачи, теплофизические свойства слоя зерна различных культур;
- определить закономерности изменения полей температуры в плотном и псевдоожиженном слое зерна в процессе конвективного теплоотвода, влияние режимных параметров на продолжительность охлаждения и кинетику его сушки и охлаждения при различных гидродинамических режимах;
- выявить условия достижения удовлетворительной однородности псевдоожиженного слоя зерна, получить критериальные зависимости для расчёта критической скорости псевдоожижения и коэффициентов внешнего теплообмена, разработать на основе уравнений регрессии математическое описание процесса конвективно-кондуктивного охлаждения зерна в псевдоожиженном слое;
- установить закономерности сушки и охлаждения нагретого зерна риса, подверженного трещинообразованию, и пшеницы ценных сортов в слое различной высоты, влияние продолжительности отлёжки между стадиями сушки и охлаждения и режимов активного вентилирования на их технологические свойства; разработать на этой основе технологию двухстадийной сушки зерна применительно к существующим высокотемпературным зерносушилкам и системам активного вентилирования;
- разработать на базе проведенных исследований новое оборудование для сушки и активного вентилирования зерна с целью замены морально и физически устаревшего оборудования и провести его испытания.
Научная концепция. В основу интенсификации технологических
процессов для разработки энергоресурсосберегающих технологий и оборудования для сушки, охлаждения и активного вентилирования зерна положен системный подход в решении логически взаимосвязанных задач от исследования теплофизических свойств зерна, тепломассообменных характеристик единичной зерновки, кинетики сушки и охлаждения, методов и способов интенсификации процессов тепломассообмена до разработки технологий и оборудования с проведением их приёмочных испытаний. Научные положения:
- развиты теоретические положения, описывающие закономерности механизма внутреннего и внешнего тепломассообмена в зерновке при нагреве, сушке и охлаждении с учётом изменения динамических и кинетических параметров процесса и массообменных критериев;
- разработаны методы интенсификации конвективной сушки и охлаждения зерна в технологии двухстадийной сушки и его конвективно-кондуктивного охлаждения в псевдоожиженном слое с использованием искусственного холода;
- установлены закономерности функционирования и управления технологическими системами высокотемпературной и двухстадийной сушки зерна для повышения их стабильности и сокращения энергозатрат на сушку.
Научная новизна:
- разработаны классификации способов конвективной сушки зерна по общности структурных схем и операторных моделей процесса; рециркуляционных зерносушилок по способам . рециркуляции и предварительного нагрева зерна; установок для его охлаждения с использованием искусственного холода по принципу действия и способу теплоотвода, что позволило определить основные направления интенсификации процессов сушки и охлаждения зерна и создания нового оборудования;
- определена динамика изменения полей влагосодержания и температуры в единичной зерновке в процессах сушки и охлаждения, инерционность этих полей и соотношение интенсивности внутреннего и внешнего тепломассообмена; установлено влияние температуры и влажности на коэффициент диффузии влаги, получены критериальные уравнения для расчёта коэффициента массоотдачи при сушке и охлаждении зерновки;
- обосновано применение метода теплометрического калориметра для измерения в чередующихся стационарных и переходных тепловых режимах теплопроводности и теплоёмкости слоя зерна и метода регулярного режима второго рода в стадии нагрева для определения его температуропроводности; определены значения удельной теплоёмкости и коэффициентов тепло- и температуропроводности зерна риса в зависимости от влажности и температуры; уточнены значения коэффициентов температуропроводности зерна пшеницы и ячменя в зависимости от влажности;
- определены закономерности кинетики охлаждения и сушки слоя зерна искусственно охлаждённым воздухом при различных гидродинамических условиях; установлена зона активного теплообмена и гидродинамической стабилизации псевдоожиженного слоя зерна и определены режимы псевдоожижения для достижения максимальной эффективности внешнего теплообмена, получены критериальные уравнения для его расчёта; на основании уравнений регрессии разработана математическая модель для расчёта конвективно-кондуктивного охлаждения зерна;
- развиты представления о кинетике сушки и охлаждения нагретого зерна риса и пшеницы в плотном слое различной высоты, определены режимы активного вентилирования и отлёжки зерна после сушки, их влияние на показатели качества зерна;
- обоснованы технологические схемы высокотемпературной рециркуляционной сушки с предварительным нагревом зерна, зонами его отлёжки в зерносушилке между стадиями сушки и охлаждения, обеспечивающие квазиизотермические условия сушки, а также двухстадийной сушки с зонами отлёжки в системах активного
II
вентилирования для зерна сильных и ценных сортов пшеницы и риса. Практическая значимость работы:
- разработаны методы определения динамических характеристик температуры и влагосодержания в характерных точках зерновки в процессе сушки и охлаждения, коэффициента диффузии влаги в зерновке и массоотдачи в процессе сушки и охлаждения, критической скорости псевдоожижения по изменению частоты пульсаций и амплитуды колебаний локальной плотности теплового потока на поверхности теплообмена, высоты зоны гидродинамической стабилизации по максимальному значению локальной плотности теплового потока на вертикальной поверхности теплообмена;
- разработаны методики физического моделирования процесса конвективного и конвективно-кондуктивного охлаждения зерна в плотном и псевдоожиженном слое в аппаратах роторного типа, процесса сушки нагретого зерна в слое высотой до 6м при активном вентилировании, процесса двухстадийной сушки зерна для обоснования влияния продолжительности отлёжки зерна после его сушки перед охлаждением на качество зерна и рациональных режимов вентилирования нагретого зерна; методики математического моделирования процесса конвективно-кондуктивного охлаждения зерна в псевдоожиженном слое и нагрева смеси сырого и рециркулирующего зерна в падающем слое в аппарате с тормозящими элементами;
- разработаны новые способы активного вентилирования зерна в силосах элеваторов, охлажденгия и сушки зерна, реализованы в конструкциях тепломассообменников, щахтных прямоточных и рециркуляционных зерносушилках;
- разработана технология двухстадийной сушки зерна применительно к шахтным прямоточным и рециркуляционным зерносушилкам и системам активного вентилирования в силосах элеваторов и зерноскладах, прошедшая приёмочные испытания и рекомендованная к применению для сушки сильных и ценных сортов пшеницы и зерна, подверженного трещинообразованию; - разработана конструкторская документация на рециркуляционные зерносушилки производительностью 25 и 50 т/ч, охладитель зерна производительностью 25 т/ч, тепловентиляторные блоки
теплопроизводительностью 600 и 1500 кВт, паровой воздухонагреватель теплопроизводительностью 3500 кВт, систему контроля температур для шахтных зерносушилок, по которым изготовлены опытные образцы оборудования.
Реализация научных результатов. Разработана проектная
документация, изготовлены и прошли приёмочные испытания следующие образцы оборудования и технологий для сушки и охлаждения зерна:
• шахтные рециркуляционные зерносушилки из сборных железобетонных конструкций с предварительным нагревом зерна и гибкой технологической схемой У1-УЗА-25 и У1-УЗА-50 производительностью 25 и 50 т/ч, установленные на Могилёвском комбинате хлебопродуктов и Горецком элеваторе (Республика Беларусь), прошедшие испытания при сушке пшеницы, ржи, ячменя, овса и других культур;
• охладитель зерна в псевдоожиженном слое атмосферным и искусственно охлаждённым воздухом при конвективно-кондуктивном теплоотводе ЭОЗ производительностью 25 т/ч, испытанный на Холмском элеваторе Краснодарского края при охлаждении зерна риса;
• блок тепловентиляторный БТВ-06 на жидком топливе теплопроизводительностью 600 кВт, испытанный на Кущёвской хлебной базе и Белоглинском элеваторе Краснодарского края при сушке семян клещевины в зерноскладах и бункерах активного вентилирования;
• блок тепловентиляторный БТВ-15 на жидком топливе с калорифером теплопроизводительностью 1500 кВт, испытанный на Славянском комбинате хлебопродуктов Краснодарского края при сушке зерна риса в зерноскладах;
ІЗ
• паровой воздухонагреватель НВП-3,5 теплопроизводительностью 3500 кВт, испытанный на Славянском комбинате хлебопродуктов Краснодарского края при сушке зерна риса и семян подсолнечника в шахтных зерносушилках;
• система контроля температуры отработавшего воздуха для шахтных зерносушилок СКТ-50, испытанная на Латненском элеваторе Воронежской области при сушке семян подсолнечника;
• технология двухстадийной сушки применительно к существующим шахтным прямоточным и рециркуляционным зерносушилкам и системам активного вентилирования в элеваторах и зерноскладах, реализованная на Славянском комбинате хлебопродуктов Краснодарского края при сушке зерна риса.
Личный вклад диссертанта. Обоснование актуальности постановки исследований по теме диссертации; разработка методик исследований, создание стендовых установок для физического моделирования и исследования процессов; руководство и непосредственное участие в планировании экспериментов, теоретических и экспериментальных исследованиях, обработка и обобщение их результатов; авторское участие в разработке, создании и испытаниях экспериментальных и опытных образцов оборудования, наладке технологических линий и процессов в производственных условиях; разработка основных признаков отличия изобретений; организация внедрения
прогрессивных технологий и оборудования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной
работы доложены на Всесоюзных научно-практических конференциях и семинарах по развитию теории, новой техники и прогрессивной технологии сушки (Елгава, 1979; Чернигов, 1981; Полтава, 1984; Кишинёв, 1987); YII-м Всемирном конгрессе о хлебе и зерне (Прага, 1982); YII-й Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1984); Всероссийском научно-техническом совещании (Целиноград, 1989); Республиканских совещаниях-семинарах по сушке и послеуборочной обработке зерна (Уфа, 1994 и Челябинск, 1995); Международных конференциях по хранению и качеству зерна (Москва, 1996, 1998, 1999, 2000; Сочи, 1999); Всероссийских научно- теоретических конференциях Россельхозакадемии (Углич, 1995, 1996, 1997, 1999, 2001); Координационном Совете Россельхозакадемии "Научно- техническое обеспечение уборки урожая зерновых культур, послеуборочной обработки и хранения семян и зерна"(Воронеж, 1999, 2000; Москва, 2001); конференциях "Повышение эффективности переработки зерна" в г.Нижнем Новгороде и г.Оренбурге (2001); семинаре-совещании "Урожай - 2000. Хранение и переработка" (Астана, Республика Казахстан, 2001); 1-й Международной научно-практической конференции "Современные
энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)", (Москва, 2002); Второй Международной
конференции "Хранение зерна", (Москва, 2003); 3-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве",(Москва, 2003).
Публикация результатов исследований. Основные научные
положения диссертации опубликованы в 64 печатных работах, в том числе защищены 8-ю авторскими свидетельствами и патентами. Автор награждён 2-мя медалями ВДНХ и ВВЦ, 8 образцов новой техники и технологий рекомендованы к серийному производству.
Результаты исследований по теме диссертации отражены в 26 рукописных отчётах по госбюджетным и хоздоговорным НИР, руководителем и непосредственным исполнителем которых являлся соискатель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть диссертации содержит 358 страниц компьютерного текста, в т.ч. 12 таблиц и 78 рисунков, список использованной литературы включает 362 наименования, в том числе 53 иностранных источника. В 19 приложениях на 54 страницах помещены таблицы результатов исследований, акты приёмочных и производственных испытаний разработанного оборудования и технологий. Представленная работа является обобщением научных исследований по сушке, охлаждению и активному вентилированию зерна, выполненных автором в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя в период с 1974 г. по 2002 г. Основные этапы работы выполнены в лаборатории зерносушения ВНИИЗ.
Работа по созданию высокотемпературных рециркуляционных зерносушилок проведена при участии ЦНИИ Промзернопроект, охладителя зерна - ЦКТБ ВНИИЗ, паровых воздухонагревателей и тепловентиляторных блоков - Института высоких температур РАН, системы контроля температур отработавшего сушильного агента - Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений.
Содержание работы отражено в следующих основных разделах:
1. Современное состояние проблемы повышения эффективности конвективной
сушки и охлаждения зерна.
2. Теплофизические свойства зерна и тепломассообменные характеристики единичной зерновки в процессах сушки и охлаждения.
Тепломассообмен в слое зерна при конвективном и конвективно кондуктивном теплоотводе.
4. Технология двухстадийной сушки зерна.
5. Разработка нового оборудования для сушки и охлаждения зерна.
Методы интенсификации конвективной высокотемпературной сушки зерна
В соответствии с классификацией принципов и методов обезвоживания материалов, разработанной А.С.Гинзбургом [49, 50, 52], при тепловой конвективной сушке в современных зерносушилках используются методы обезвоживания с изменением и без изменения агрегатного состояния: перевод жидкости в парообразное состояние и перенос пара в окружающую среду при взаимодействии материала с сушильным агентом, а также контактный массообмен с перемещением жидкости из тела с большим потенциалом переноса влаги в тело с меньшим потенциалом переноса. При этом влага внутри материала может перемещаться как в виде жидкости, так и в виде пара за счёт молярного переноса или молекулярной диффузии.
Процесс переноса влаги и теплоты внутри капиллярно-пористых материалов описывается наиболее развитыми в настоящее время в теории сушки общей моделью тепломассопереноса и упрощённой моделью эффективной массопроводности [49, 126, 127, 128, 176, 218, 222, 291,305]: (1.7) (1.8) tym s - Da tyuid. С где jt - коэффициент влагопроводности материала, кг/ч . М; Q - потенциал переноса влаги, кг/кг. М; Дэ - коэффициент эффективной диффузии, м /ч; С - концентрация влаги в материале, кг/м3.
В общей модели тепломассопереноса потенциал и суммарно учитывает все потенциалы элементарных процессов переноса влаги, зависящие от влагосодержания, температуры и избыточного давления, возникающего в материале в результате парообразования, которым при температуре нагретого воздуха менее 100 С обычно пренебрегают [128].
Нестационарные поля влагосодержания и температуры внутри капиллярно-пористого влажного материала в этом случае при постоянных значениях коэффициентов переноса определяются системой дифференциальных уравнений [291].
В модели массопроводности, постулирующей незначительное влияние термоградиентного переноса влаги и развитие основного процесса сушки в уже прогретом материале, влияние процессов переноса и структуры материала учитывается коэффициентом эффективной диффузии [176, 218, 291], при этом баланс влаги внутри влажного материала при постоянном коэффициенте эффективной диффузии приводит к дифференциальному уравнению.
Аналитическое решение уравнений (1.9) - (1.12) в общем виде ввиду эффективного характера коэффициентов тепло- и температуропроводности и их зависимости от параметров процесса оказывается невозможным [291]. При условии постоянства этих коэффициентов для различных частных случаев применительно к телам простейшей формы эти решения решения представлены в монографиях [127, 128]. При равномерном начальном распределении влаги в теле для одномерных задач и тел правильной геометрической формы решения уравнений (1.13)-(1.14) получены в форме зависимости:
Как указывается в [291] трудности практических расчётов состоят в отсутствии для общей модели тепломассопереноса справочных данных для многих материалов по коэффициентам переноса и коэффициенту фазового превращения, а для модели эффективной массопроводности - зависимости коэффициента эффективной диффузии от концентрации влаги и температуры. При этом область применения модели массопроводности уже, чем модели тепломассопереноса, т.к. она описывает процесс сушки уже прогретого материала.
Приведенные модели используются для качественного анализа процесса сушки влажного дисперсного материала в реальных аппаратах, т.к. в процессе его контакта с сушильным агентом происходит существенное изменение как параметров сушильного агента, так и самого материала, изменяются коэффициенты тепло- влагопереноса и термодинамические характеристики. Реальный дисперсный материал обычно имеет полидисперсный состав, отличается от тел с правильной геометрической формы и может иметь анизотропную структуру.
В связи с этим широкое распространение получили экспериментальные методы исследования, при этом важное значение имеют методы обобщения опытных данных по кинетике сушки.
На кинетику сушки определяющее влияние оказывают температура, скорость и влагосодержание сушильного агента, начальная влажность, температура, высота слоя дисперсного материала, его теплофизические свойства. Процесс сушки разделяется на три стадии: начальную стадию и периоды постоянной и падающей скорости сушки. В начальной стадии процесса сушки происходит прогрев материала, в котором образуется сложное распределение влагосодержания в силу термодиффузии и фазовых превращений, релаксация которого заканчивается при Fo = 0,4 - 0,7. Для материалов с начальным влагосодержанием выше критического начальную стадию прогрева рассматривают как часть периода постоянной скорости сушки, при этом после прогрева материала распределение влагосодержания в теле в процессе сушки становится близким к параболическому [128].
Период постоянной скорости сушки характеризуется прежде всего тем, что кривые распределения влагосодержания в материале расположены эквидистантно, т.е. скорости изменения влагосодержания как в центре, так и на поверхности тела равны, а в периоде падающей скорости сушки при наступлении регулярного режима влаго- и теплообмена убыль влагосодержания на поверхности происходит быстрее, чем в центре материала. При этом определённую трудность вызывает определение критического влагосодержания, характеризующего переход от постоянной к убывающей скорости суріпки, которое зависит от конкретного материала, режимов и внешних условий сушки [291].
Методы обработки данных по кинетике сушки обобщены в литературе [50, 52, 222, 291], при этом общая продолжительность сушки складывается из продолжительности сушки в период постоянной и падающей скорости. Для расчёта продолжительности периода падающей скорости сушки в большинстве случаев используются значения скорости сушки в период постоянной скорости сушки, критического влагосодержания и коэффициента сушки во втором периоде, учитывающего свойства высушиваемого материала и режимы сушки.
Приведенные методы обобщения данных по кинетике сушки позволяют избежать зональных методов расчёта, т.к. основаны на конкретных экспериментальных данных по кинетике сушки в слое определённой высоты. Вместе с тем, для определённых сыпучих материалов, в частности, зерна, обладающего значительным внутридиффузионным сопротивлением, у которых может отсутствовать период постоянной скорости сушки, применение их затруднительно.
В связи с этим получили развитие методы расчёта процесса сушки на основе единого кинетического уравнения, позволяющего описывать весь процесс без разделения его на периоды постоянной и падающей скорости сушки [52, 222, 291]. В методе расчёта, предложенном А.С. Гинзбургом для материалов, в которых сушка протекает в период падающей скорости введено понятие о начальном (максимальном) импульсе сушки, соответствующем максимальному значению скорости сушки и зависящему от параметров процесса. При этом продолжительность сушки определяется из уравнения [52].
Методика исследования и экспериментальные установки
Важным показателем, характеризующим кинетику и динамику процесса, влияние различных параметров на эффективность внутреннего и внешнего теплообмена при сушке и охлаждении, является изменение полей температуры и влагосодержания в единичной зерновке.
Установлено, что для мелких частиц сыпучего материала, имеющих хорошую теплопроводность, выравнивание температурного поля в частице в процессе охлаждения или нагрева происходит за секунды [20]. В этом случае скорость нагрева или охлаждения зерна определяется теплопередачей от поверхности частицы. Для частиц крупных, какими являются, например, зерновки большинства культур, имеющих относительно низкую тепло- и массопроводность, необходимо учитывать в процессе сушки и охлаждения различия в температуре и влажности их поверхности и внутренних частей. Важной характеристикой полей температуры и влагосодержания являются их значения в центре и на поверхности зерновки, по которым можно оценить распределение температуры и влажности по толщине зерновки и определить градиенты температуры и влагосодержания.
Проведенные немногочисленные исследования температурных полей зерновки относятся в основном к процессу нагрева. Получено, например, что при нагреве зерновки пшеницы паром температурой 102 ± 1 С выравнивание температур между центром и поверхностью зерновки происходит уже на 7-8 сек. [266]. По данным [226] при нагреве зерновки с начальным влагосодержанием 0,25 кг/кг горячими газами температурой 110 С при скорости фильтрации 3,8 м/с максимальный измеренный температурный перепад достигал 14 С, но уже через 5 и 20 сек. составлял соответственно 2 и 1 С. В работе [304] указывается, что при нагреве зерновки пшеницы от комнатной температуры до 70 С перепад температур достигает 1,8 С, а выравнивание температуры происходит практически через 3 минуты.
Сведения об изменении температурных полей зерновки в процессе охлаждения ограничены. Установлено, что в условиях свободной конвекции при охлаждении зерновки пшеницы от 70 С до комнатной температуры максимальный перепад температур достигает 1,5 С, при этом полученные результаты не были связаны с влажностью зерновки [304]. Для исследования распределения влаги в зерновке использовались в основном косвенные методы, основанные на определении границы перемещающейся, помеченной тем или иным способом жидкости, при увлажнении зерновки [105, 134, 173], при этом полученные данные в достаточной степени не отражают реальное распределение влагосодержания и не связаны с режимными параметрами процесса. В отдельных работах при определении коэффициента диффузии влаги определяли изменение полей влагосодержания в стационарных условиях при заданном градиенте влагосодержания на границах образца в зерновой массе, либо в запрессованных образцах зернового шрота [53, 77].
Отдельные опыты по определению полей влагосодержания при сушке на модельном теле зерновки нута прямым методом проведены С.В.Новосёловым [156]. Опыты проведены при сушке зерновки начальной влажностью 38,2% при температуре сушильного агента 55 С, его относительной влажности 7% и скорости фильтрации сушильного агента 0,3 м/с. Установлено, что кривые распределения влагосодержания удовлетворительно описываются уравнением параболы, при этом через 45 мин. влажность в центре и на поверхности зерновки составляла соответственно 36,7 и 23,1%, а через 250 мин. - 20,6 и 13,8%, т.е. отличалась примерно в 1,5-1,6 раз.
Комплексных исследований по определению полей температуры и влагосодержания в отдельной зерновке в процессе сушки и охлаждения и их градиентов нами не обнаружено. Особый интерес при этом представляет охлаждение предварительно нагретой зерновки различной начальной влажности и определение рациональных режимов охлаждения, при которых тепло, аккумулированное зерновкой, в максимальной степени может быть использовано для испарения влаги.
Определение изменения градиентов температуры в зерновке в процессе сушки и охлаждения позволит рассчитать коэффициенты диффузии влаги, массоотдачи и относительный коэффициент термодиффузии влаги, используемые для анализа процессов тепломассообмена.
При проведении опытов по определению локальных значений коэффициента диффузии влаги и внешнего массообмена интенсивность испарения влаги из зерновки, градиенты влагосодержания и разницу влагосодержания на поверхности и равновесного определяли за промежутки времени при сушке от 5 до 20 мин. и при охлаждении от 3 до 10 мин. по мере увеличения продолжительности процесса и снижения влажности зерновки. Полученные данные относили к среднему значению влагосодержания зерновки в измеренном интервале влагосодержания.
Кинетика охлаждения слоя зерна искусственно охлаждённым воздухом при различных гидродинамических режимах
Тепломассообмен в слое нагретого зерна в процессе охлаждения отличается от охлаждения единичной зерновки вследствие взаимного влияния зерновок на процесс охлаждения, что определяет переменный характер параметров охлаждающего воздуха в слое зерна.
Как и при сушке, основными факторами, влияющими на процесс охлаждения нагретого зерна и изменение его влажности являются скорость фильтрации воздуха, влажность, начальная высота слоя зерна, а также величина температурного градиента между зерном и атмосферным воздухом [2, 28, 131, 157, 174, 179, 264, 307].
Несмотря на значительное количество исследований по кинетике охлаждения зерна, комплексной оценки эффективности процесса при охлаждении искусственно охлаждённым воздухом при различных гидродинамических режимах проведено не было.
На стендовой установке периодического действия [232] проведены две серии опытов при охлаждении риса-зерна в плотном и псевдоожиженном слое. В ходе опытов определялась зависимость изменения температуры и влажности слоя зерна от продолжительности охлаждения при различной начальной влажности и температуре зерна, высоте слоя, скорости и температуре охлаждающего воздуха.
Полученные данные подтверждают положение о том, что при наличии свободной влаги на поверхности зерно в процессе охлаждения может понизить свою температуру ниже температуры охлаждающего воздуха вплоть до температуры мокрого термометра даже при охлаждении в псевдоожиженном слое. Это понижение, однако, менее значительное, чем в плотном слое, вследствие более резкого снижения коэффициента диффузии влаги со снижением температуры зерновки при увеличении скорости фильтрации воздуха.
Максимальное различие в температуре при влажности зерна 10,7 и 31,6% наступает через 4 мин. и составляет 3,0 С. В дальнейшем это расхождение уменьшается и через 10 мин. составляет 2,0 С. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с данными [152, 293] о незначительном влиянии влажности на температуру слоя зерна в процессе охлаждения в псевдоожиженном слое, полученными для зерна пшеницы.
Начальная высота слоя зерна оказывает существенное влияние на кинетику охлаждения (рис. 3.5), т.к. с её ростом увеличивается количество теплоты, которое необходимо отвести от зерна в процессе охлаждения. Так, например, при скорости фильтрации воздуха 0,6 и 1,6 м/с через 50 с после начала охлаждения для высоты слоя 50 мм средняя температура зерна составила соответственно 11,0 и 9,0 С, а для высоты слоя 300 мм-29,5 и 23,3 С.
Оценку влияния скорости фильтрации воздуха на кинетику охлаждения при различных условиях можно провести, определяя продолжительность охлаждения зерна до температуры, на 5 С превышающей температуру охлаждающего воздуха. В этом случае, например, при высоте слоя 100 мм увеличение скорости фильтрации воздуха с 0,6 до 1,6 м/с приводит к сокращению продолжительности охлаждения со 126 до 53 с, т.е. в 2,2 раза.
Зависимость средней температуры слоя риса-зерна от продолжительности охлаждения при различной начальной высоте слоя и скорости фильтрации воздуха: I - начальная Еысота слоя Н0= 50мм; 2 - 100; 3 - 200; 4 - 300, а - скорость фильтрации воздуха тз р= 0,6 м/с; б - 1,6. Начальная влажность зерна WH = 15,1%.
В плотном слое при скорости фильтрации 0,6 м/с продолжительность охлаждения увеличивается при увеличении высоты слоя с 50 до 200 мм от 50 до 250 с, т.е. в 5 раз; в псевдоожиженном слое при скорости фильтрации воздуха 1,6 м/с и тех же условиях - от 30 до 135 с, т.е. в 4,5 раза.
Установлено, что переход от плотного к псевдоожиженному слою не вызывает резкого изменения средней температуры зерна в процессе охлаждения, несмотря на изменение гидродинамического состояния слоя. Увеличение скорости охлаждения зерна происходит плавно с ростом скорости фильтрации воздуха, что согласуется с данными [28]. Основное отличие заключается в увеличении равномерности охлаждения зерна по высоте в результате его перемешивания в псевдоожиженном слое, при этом зона активного теплообмена сосредоточена на высоте 50-60 мм от газораспределительной решётки (рис. 3.6).
Это удовлетворительно согласуется с расчётом по теоретической зависимости [20, с. 485], экспериментальными данными, полученными при сушке зерна пшеницы [55], сушке селикагеля и окиси алюминия [332, цит. по 43], нагреве слоя алюминиевых частиц [259].
Неподвижный слой зерна охлаждается постепенно, слой за слоем, причём, в начальный период времени происходит интенсивное охлаждение нижнего слоя толщиной 20-30 мм, при этом температура верхнего слоя в указанном диапазоне высоты слоя практически не изменяется. Для неподвижного слоя зерна характерна большая неравномерность охлаждения. Так, даже через 7-8 мин. температура в верхнем слое на высоте 210 мм составляет 20,8-18,0 С, несмотря на то, что слой зерна до высоты 120-130 мм полностью охладился до температуры охлаждающего воздуха.
В псевдоожиженном слое зона активного теплообмена сосредоточена непосредственно над газораспределительной решёткой, составляет для зерна 50-60 мм и удовлетворительно согласуется с расчётом по теоретической зависимости М.Э.Аэрова и О.М.Тодеса [20] и экспериментальными данными В.А.Резчикова [199], полученными при сушке зерна пшеницы.
Кинетика сушки и охлаждения нагретого зерна в слое различной высоты
При охлаждении нагретого зерна в плотном слое значительной высоты возникает существенное различие в температуре и влажности верхнего и нижнего слоя зерна, которое зависит от скорости фильтрации воздуха (рис. 4.3). Для зерна влажностью 16,7% при высоте слоя 4,2 м и низкой скорости фильтрации воздуха 4,9 см/с верхний слой зерна увлажняется и даже через 10 ч вентилирования не снижает свою влажность ниже начального значения, а расхождение в температурах нижнего и верхнего слоя максимальное. С увеличением скорости фильтрации воздуха до 12,2 см/с охлаждение верхнего слоя происходит с началом процесса, а разность температур между верхним и нижним слоем уменьшается, при этом уменьшение температуры нижнего слоя зерна ниже температуры охлаждающего воздуха объясняется испарением влаги из зерна.
Увеличение влажности верхнего слоя зерна при низких скоростях фильтрации воздуха объясняется сорбцией влаги на поверхность зерна из воздуха, являющегося в этом случае сушильным агентом и имеющим повышенное влагосодержание за счёт испарения влаги из нижних слоев. Для зерна риса в слое высотой 6 м увеличение влажности в верхнем слое при охлаждении может достигать 0,5-0,8%. С увеличением скорости фильтрации воздуха и снижением высоты слоя сорбция влаги в верхнем слое и разница во влажности верхнего и нижнего слоя существенно уменьшается.
Минимальную скорость фильтрации воздуха при активном вентилировании, при которой не будет происходить увлажнение зерна в верхнем слое, можно назвать критической скоростью вентилирования. В общем случае она будет зависеть от начальной влажности и температуры зерна, высоты слоя, начальной температуры и относительной влажности охлаждающего воздуха.
С увеличением скорости фильтрации воздуха продолжительность охлаждения зерна уменьшается, при этом продолжительность охлаждения верхнего слоя зерна до температуры охлаждающего воздуха при скорости фильтрации воздуха 5-8 см/с на 1,5-2,0 ч больше, чем при охлаждении среднего слоя. Это расхождение уменьшается до 0,5-0,7 ч при увеличении скорости фильтрации воздуха до 15-20 см/с.
Продолжительность охлаждения зерна риса при равной начальной влажности и его температуре меньше, чем слоя зерна пшеницы, одновременно больше снижение влажности, что объясняется испарением влаги из цветковых плёнок (рис. 4.4 а). С ростом скорости фильтрации воздуха с 5-7 до 15-20 см/с продолжительность охлаждения уменьшается в среднем для зерна риса с 10 до 4 ч, для зерна пшеницы с 12,5 до 5 ч. При этом съём влаги для зерна риса возрастает с 1,2 до 1,7%, для зерна пшеницы - с 0,5 до 1,5%.
С увеличением начальной влажности зерна увеличивается количество испаряемой влаги и уменьшается продолжительность охлаждения (рис. 4.4 б). При скорости фильтрации воздуха 4,9 см/с для слоя зерна пшеницы высотой 1,6 м с увеличением начальной влажности зерна с 15,2 до 18,2% величина снижения влажности возрастает с 0,75 до 1,25%, а при скорости фильтрации 12,2 см/с - с 1,45 до 2,75% . При этом продолжительность охлаждения при низких скоростях фильтрации незначительно зависит от влажности зерна, но с увеличением скорости фильтрации воздуха влияние влажности зерна возрастает.
С увеличением начальной высоты слоя продолжительность охлаждения зерна увеличивается, а количество испарённой влаги в процессе охлаждения уменьшается (рис. 4.5 а), что объясняется увеличением зоны зернового слоя, через которую движется насыщенный водяными парами охлаждающий воздух из нижних слоев зерна к поверхности насыпи. Для зерна риса увеличение высоты слоя с 2 до 6 м при скорости фильтрации воздуха 5 и 10 см/с привело к увеличению продолжительности охлаждения соответственно с 7,5 до 14,5 ч и с 4,5 до 10,5 ч.
Уравнения (4.3) - (4.8) отражают теплофизические процессы, происходящие в слое нагретого зерна при его охлаждении. Так, продолжительность охлаждения увеличивается с ростом высоты слоя и начальной температуры зерна и уменьшается с ростом скорости фильтрации воздуха (удельных подач воздуха) и начальной влажности зерна за счёт эффекта испарения влаги с поверхности зерновок. Величина снижения влажности при охлаждении увеличивается с ростом начальной влажности зерна и скорости фильтрации воздуха (удельных подач воздуха) и уменьшается с ростом высоты слоя зерна и ростом температурного напора между зерном и охлаждающим воздухом за счёт понижения температуры охлаждающего воздуха.
