Содержание к диссертации
Введение
Часть I. Состояние научных положений переноса тепла и массы при сушке на основе потенциалов 11
1.1 Современное состояние термодинамического подхода в теории сушки 11
1.2 Аналитическое описание изотерм сорбции и десорбции 16
1.3 Кинетические зависимости процесса сушки 20
1.4 Современное состояние исследований в области
термомеханических процессов и переноса потенциалов тепла и массы при сушке зерновых материалов 28
1.5 Механизм и способы воздействия на качество зерна при сушке на примере риса
1.6 Выводы по обзору и формулировка цели и задач исследования 47
Часть II. Перенос потенциалов массопереноса и деформации при сушке зерновых материалов
2.1 Определение потенциалов массопереноса для зерна 51
2.1.1 Определение потенциалов массопереноса влаги в зерне на основе данных по равновесным свойствам в гигроскопической области
2.1.2 Статистическая оценка кластерной модели гигроскопичности зерна
2.1.3 Зависимости для определения потенциалов массопереноса в различных зерновых материалах
2.1.4 Экспериментальный метод определения потенциала переноса влаги
107
2.2 Оценка параметров кинетики процесса сушки зерна через 111
потенциал массопереноса
2.3 Связь параметров прочности и сушки зерна 130
Часть III. Решение задач термовлагомеханики при сушке зерна 142
3.1 Процесс сушки и деформационное поведение зерновых материалов.
142
3.1.1 Постановка и решение задачи потенциалопроводности для зерна эллипсовидной формы 142
3.1.2 Моделирование полей градиентов потенциала при сушке зерна риса 157
3.2 Постановка и решение задач сушки зерновых материалов с использованием потенциалов тепла, массы и давления 163
3.3 Развитие метода конечных элементов для решения задач потенциалопроводности 172
3.4 Исследование эффекта давления в процессах тепломассопереноса 191
Часть IV. Решение задачи потенциалопроводности для зерна с учетом сжатия и потери механической прочности 202
4.1 Кинетическая модель сушки с учетом деформационного поведения сои
4.2 Кинетическая модель сушки с учетом деформационного поведения риса 219
4.3 Моделирование кинетики сушки, деформации и трещиноватости сои 232
4.4 Максимизация трещиноватости сои 237
4.5 Моделирование кинетики сушки, деформации и минимизация трещиноватости риса
Часть V. Моделирование основных операций сушильных установок, влияющих на деформационное поведение зерновых материалов 245
5.1 Моделирование процесса сушки движущегося слоя зерна с инвертированием 245
5.2 Моделирование процесса вакуумного удаления влаги 260
5.3 Моделирование ступенчатой сушки 284
5.4 Операции холодного кондиционирования зерна перед помолом 300
Часть VI. Технические решения в области совершенствования процессов (переработки) сушки зерна
6.1 Сушилки кипящего слоя 312
6.1.1 Ротационная сушилка в кипящем слое 312
6.1.2 Аппарат кипящего слоя 316
6.2 Инновационный принцип инвертирования в совершенствовании зерносушилок 319
6.3 Ступенчатая сушилка с вакуумным охлаждением зерна 325
6.4 Автоматизация управления и контроля холодным кондиционированием зерна перед помолом 327
Основные результаты и выводы 330
Литература
- Аналитическое описание изотерм сорбции и десорбции
- Определение потенциалов массопереноса влаги в зерне на основе данных по равновесным свойствам в гигроскопической области
- Моделирование полей градиентов потенциала при сушке зерна риса
- Моделирование кинетики сушки, деформации и минимизация трещиноватости риса
Введение к работе
Актуальность темы. Зерновые материалы являются основой питания населения, как в нашей стране, так и во всем мире. Производство этих материалов в сельском хозяйстве России достаточно высокое. Однако задача обеспечения населения продуктами питания высокого качества на основе зерна в необходимом количестве продолжает оставаться актуальной на современном этапе, характеризуемом развитием рыночных отношений в нашей стране и международных экономических связей. Особенность в том, что послеуборочная обработка зерна, и прежде всего сушка, при изменившихся производственных отношениях в нашей стране является основой получения высококачественных продуктов в достаточном количестве. Решение этой задачи лежит на пути разработки и применения новой техники и технологии переработки сельскохозяйственного сырья, что должно увеличить эффективность производства высококачественных продуктов питания, в том числе обеспечить выпуск новых видов продукции, при этом сократить потери сырья, затраты энергии и материальных ресурсов.
В данной работе формулируется новое перспективное научное направление совершенствования процесса сушки зерновых материалов на основе массопереноса и физико-химической механики, управляя развитием процессов переноса потенциалов и термовлагомеханики. Общим является совместное рассмотрение развития полей потенциалов тепла, массы и давления и прочностных свойств зернового материала при сушке.
При оценке результатов процесса сушки кроме энергетических затрат важными являются факторы, затрагивающие безопасность и качество продукта, которые являются функцией состояния (температура, влажность, состав и др.) и, в частности, характеризуется целостностью структуры продовольственного материала.
Процесс сушки многих продовольственных материалов, и в том числе зерновых материалов, является, по существу, переносом энергии и влажности в деформируемой пористой среде. Для продовольственных материалов сушка отличается комбинациями определенных особенностей массопереноса (гигроскопичность и фазовые переходы, развитие давлений и деформаций) и условиями обработки – эти процессы изучены недостаточно. При сушке зерновых материалов важным является требование получить равномерное распределение влажности и температуры внутри зерна, при этом необходимо сохранить целостность зерен, а при определенных условиях, наоборот, бывает необходимо разрушить зерна.
Следовательно, необходимым является рассмотрение при сушке совместных процессов переноса тепла, массы и давления с развитием механических напряжений и деформаций вплоть до потери прочности высушиваемого материала.
4 Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет» в соответствии с координационным планом Научно-
исследовательской работы кафедры «Технологическое оборудование и системы
жизнеобеспечения» в рамках утвержденных правительством приоритетных
направлений научных исследований в сельском хозяйстве и пищевых производствах: «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020». Подпрограмма «Создание системы ресурсосберегающих технологических процессов и машин, стабилизирующих показатели технологической адекватности, экологической безопасности пищевого сырья и готовой продукции».
Разработка велась по теме «Научное обеспечение развития процессов и оборудования пищевых производств» (№ гос. регистрации 01201152036).
Цель и задачи работы. Цель данной работы – решение крупной народно-хозяйственной задачи совершенствования технологии и техники сушки зерновых материалов на основе теоретических обобщений и развития нового перспективного научного направления – термовлагомеханические процессы и перенос потенциалов тепла, массы и давления при сушке зерновых материалов на основе массопереноса и физико-химической механики, при этом осуществляя управление развитием полей потенциалов и деформационно-напряженным состоянием зерновых материалов при сушке.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-получить зависимости и обобщить определения расчетного и
экспериментального потенциала массопереноса и связанных с ним параметров зерновых материалов;
-дать описание равновесных и кинетических зависимостей и определить параметры сушки зерновых материалов через потенциалы массопереноса;
-разработать математическую модель переноса градиентов потенциала в пространстве и времени, учитывая форму и структуру зернового материала;
-провести моделирование массопереноса с учетом формы и развития полей градиентов потенциалов в зерновых материалах;
-провести математическое моделирование эффекта давления в зерновом материале при изменении температур и влажности при сушке;
-получить математическое описание процесса переноса тепла и влаги при сушке с учетом деформационного поведения зерновых материалов;
-дать оценку параметров прочностных свойств зерна;
-разработать теоретическое описание процесса и провести оценку
экспериментальных данных образования трещиноватости зернового материала в связи с задачами управления процессом;
5 -разработать и предложить способ сушки движущегося слоя зернового материала
в режиме инвертирования;
-исследовать процессы вакуумного охлаждения зернового материала;
-обосновать многопроходовую сушильную установку для зернового материала;
-разработать операцию холодного кондиционирования зернового материала перед помолом.
Научная концепция. В основу решения проблемы совершенствования технологии и техники сушки зерновых материалов положено использование методов тепломассопереноса и физико-химической механики при сушке. Сущность подхода – рассмотрение развития полей потенциалов тепла, массы и давления в связи с деформационным поведением зернового материала при сушке вплоть до потери механической прочности.
Использование математического моделирования, широко применяемого в данной работе, является современной методологией решения задач обоснования рациональных режимов и конструктивного оформления процесса.
Научные положения, выносимые на защиту:
- термовлагомеханический подход к анализу процесса сушки зерновых материалов, на
основе управления структурными показателями качества;
- результаты обобщения статики и кинетики сушки на основе использования
потенциалов массопереноса;
результаты исследования сушки зерновых материалов с управлением процессами трещиноватости;
обоснование технических решений сушильных установок, реализующие принципы инвертирования, вакуумной обработки, многопроходовости для повышения качества зерновых материалов.
Научная новизна. Научно обоснован принцип повышения эффективности технологии и техники сушки зерновых материалов на основе нового перспективного научного направления – термовлагомеханические процессы и перенос потенциалов тепла, влаги и давления при сушке зерновых материалов, при этом осуществляется управление развитием полей потенциалов и деформационно-напряженным состоянием зерновых материалов при сушке.
При описании адсорбционных изотерм и уточнении параметров моделей с помощью нелинейной оптимизации определена связь между расчетным и экспериментальным потенциалами, что позволяет преобразовать систему уравнений переноса влаги и тепла в зерновых материалах к задаче переноса потенциала.
Получены зависимости для определения потенциалов массопереноса в различных зерновых материалах. Дана оценка параметров равновесных и кинетических зависимостей сушки зерновых материалов через потенциал массопереноса. Обобщены равновесные и кинетические зависимости через потенциалы при сушке зерновых материалов корреляцией с содержанием крахмала.
6 Выполнен расчет векторного поля градиентов и представлена визуализация их внутри
зерна риса на основании разработанной математической модели. Подтверждена адекватность
модели переноса градиентов потенциала в пространстве и времени результатами
рентгеновской микротомографии образцов рисового зерна совместно с SEM- микроскопией.
Усовершенствован метод конечных элементов для решения задач
потенциалопроводности дополнением используемых полиномиальных элементов функциями Хэвисайда и усечения, что позволило упростить и усовершенствовать запись пробной кусочно-непрерывной функции в решении задач методом Галеркина. Получено и проанализировано решение системы трех дифференциальных уравнений относительно переменных температуры, массы и давления и исследовано развитие давления в ходе процесса сушки.
Показано, что при наличии градиентов давления, влажности и температуры в обычных условиях сушки наблюдается значительный рост давления внутри порового материала, приводящий к растрескиванию. В процессе сушки в условиях вакуума растрескивание снижается.
Разработано теоретическое описание процесса и проведена оценка экспериментальных данных образования трещиноватости зернового материала. Доказано, что трещиноватость зависит от логарифма остаточной влажности и экспоненциально от времени сушки. Полученные зависимости позволяют прогнозировать качество зерна риса в процессе сушки.
Для решения задачи потенциалопроводности для зерна с учетом сжатия и потери механической прочности использована система обыкновенных дифференциальных уравнений на основе балансов тепла и массы с учетом сжимаемости высушиваемого зернового материала.
Проведено моделирование процесса сушки с учетом трещиноватости в зависимости от начальной влажности и температуры семян при варьировании скорости сушки зерна различной начальной влажности, температуры нагрева и скорости сушильного агента. Моделированием установлены режимы для практически важных случаев – максимизации термодробления бобов сои и минимизации трещиноватости зерна риса.
Поставлена и решена методом сеток и методом Галеркина задача
потенциалопроводности для зерна в связи с определением условий деформационного поведения зерновых материалов при варьировании формы, структуры и градиента потенциала.
Экспериментально исследовано вакуумное охлаждение зерна риса. При этом были определены параметры теплопередачи и массопереноса влаги зерна риса при изменении температуры и влажности в процессе вакуумного охлаждения. Идентификация параметров процесса проведена по модели теплопроводности для частиц эллипсовидной формы, включающей сток тепла.
7 Научно обоснованы, построены математические модели и определены режимы
эффективных способов сушки зерновых материалов: процесса сушки с инвертированием
движущегося слоя, вакуумной сушки, многопроходовой сушки.
Практическая значимость работы. Определяется результатами теоретических и экспериментальных исследований, которые позволяют повысить эффективность сушки различных зерновых материалов, прежде всего качества, связанного с целостностью зерен.
Предложены схемы и конструкции устройств для сушки, математические модели и алгоритмы расчета, получены и обобщены свойства обрабатываемых зерновых материалов.
Получены: патент на полезную модель Российской Федерации №130676 Зерносушилка; патент на полезную модель Российской Федерации №132533 Установка для сушки и вакуумного охлаждения зерна; патент на полезную модель Российской Федерации №138552 Аппарат кипящего слоя; патент на полезную модель Российской Федерации №139937 Ротационная сушилка кипящего слоя; патент на полезную модель Российской Федерации №140777 Многопроходовая сушильная установка.
Научно обоснованные принципы повышения эффективности сушки зерновых материалов были приняты к внедрению на ОАО «Динской элеватор».
Практическая значимость проведенных исследований подтверждается договором о сотрудничестве с Кубанским филиалом федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки» в виде деятельности, имеющей целью доведения до практической реализации и внедрения в производство полученных научных разработок в области сушки зерна.
Апробация работы. Результаты работы представлены на 7 международных и
региональных конференциях: VI Региональной научно-практической конференции молодых
ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса», Краснодар, 2004 г;
Международной научно-практической конференции «Инновационные пищевые
технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья», Краснодар, 2012 г; I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности», Краснодар, 2012 г; XV Международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств», Барнаул, АлтГТУ, 2014 г; IV Международной научно-технической конференции, Воронеж, 2014 г; VI Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы науки и хозяйства: новые вызовы и решения», Санкт-Петербург, 2015 г; Международной научно-технической конференции, Воронеж, 2015 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 48 работах, включая 2 монографии, 2 научные статьи в зарубежных журналах, входящих в базы цитирования Scopus и Ulrich's, 27 статей в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, 12
8 работ в материалах конференций и сборниках научных трудов, получено 5 патентов
Российской Федерации.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести частей, включая литературный
обзор, заключения, списка литературы, включающего 265 наименований, и приложений.
Работа изложена на 379 страницах, включает 124 рисунка и 47 таблиц.
Аналитическое описание изотерм сорбции и десорбции
Теория сушки, разработанная трудами А.В. Лыкова [31, 32, 34, 36], базируется на прочном фундаменте, как классической равновесной термодинамики [95], так и термодинамики необратимых процессов [94]. Центральное место при использовании термодинамических методов анализа влагопереноса при сушке и кондиционировании занимает понятие потенциала, который является функцией состояния системы, равный при равновесии во всех точках системы. Градиент потенциала определяет направление и скорость переноса соответствующей субстанции [32]. По аналогии с теплопередачей [30], в которой успешно применяются термодинамические методы анализа, и, соответственно, потенциалом переноса в теплопередаче является температура, а теплосодержанию аналогично понятие массосодержания.
Для описания процессов переноса влаги Гиббсом [11] обоснованы общие принципы использования феноменологического аппарата термодинамических функций, которые представлены в источниках [29, 86]. Классическая термодинамика равновесных состояний развивалась для описания необратимых процессов [2, 85]. Термодинамический подход используется при анализе процесса сушки [49]. Всеобщие законы природы – закон сохранения и превращения энергии, а также закон сохранения массы вещества – являются основой термодинамического метода исследования процессов переноса тепла и массы вещества. Потенциал переноса, являющийся важным в термодинамическом методе [6], в общем случае определяется частной производной от соответственно выбранной характеристической функции [26] по обобщенной координате по формуле: (I-1) где, в случае теплопереноса в закрытой системе, индексы i, l, mj характеризуют условия взаимодействия окружающей среды с системой; i, l – при теплопереносе в открытой системе; i, l, mj – при массопереносе в открытой системе.
Обычно в зависимости от условий взаимодействия системы с окружающей средой [85] в качестве характеристических функций выбирают внутреннюю энергию (U), энтальпию (Н), свободную энергию (F) и изобарно-изотермический потенциал (Z).
Перенос массы происходит под действием химического потенциала, который определяется через соответствующие частные производные от характеристических функций: где индекс mj – условие постоянства массы всех компонентов, кроме i-го компонента. Химический потенциал влаги, поглощенной капиллярно-пористым теплом, представлен выражением: (1-3)
В случае поглощенной влаги, связанной адсорбционными силами, величина U тождественна адсорбционному потенциалу Поляни, взятому с обратным знаком: (I-4) При допущении равенства энтальпии воды удельной теплоте ее испарения, что связано с погрешностью до 19%, в источнике [49] получено выражение: (1-5) что соответствует формуле Кельвина [25], справедливой при допущении справедливости закона идеального газа для пара в газовой фазе, а жидкая фаза в адсорбированном слое несжимаема. В уравнении (1-5) Lо - часть химического потенциала, зависящая от стандартного уровня потенциала переноса, равного нулю. Величина стандартного уровня в гигроскопической области соответствует величине химического потенциала массы вещества при относительной влажности $=Pu 1Ps=1 [49]. В этом случае, перенос вещества к низшему химическому потенциалу рассчитывается по аналогии с переносом при отрицательных температурах шкалы Цельсия.
Выражение (1-5) справедливо для адсорбционной, капиллярной и осмотической форм связи влаги с материалом [49]. Существует два подхода к определению химического потенциала переноса влаги поровых тел. Первый основан на идее Лыкова А.В. [31] о наличии однозначной зависимости между jU и (р. Эта идея в дальнейшем развивалась в исследованиях Никитиной Л.М. [49], которая определила, что энергия связи Е влаги численно равна химическому потенциалу связанной влаги и . Второй подход создан работами В.М. Казанского [25] и основан на калориметрических измерениях энергии связи влаги с материалом. Для первого подхода необходимо знать изотермы десорбции и сорбции материалов, подвергаемых сушке, что позволяет определить по зависимости (1-4) по температуре опыта для данного влагосодержания энергию связи, численно равную потенциалу переноса в этих условиях.
В работе [25] обращено внимание на недостаток этого подхода - наличие гистерезиса на изотермах адсорбции большинства дисперсных тел, что не позволяет установить точную однозначную зависимость между ц и и. Это требует определение химического потенциала переноса из изотерм сорбции при увеличении влагосодержания, из изотерм десорбции при убывании влагосодержания. Для сушки характерно уменьшение влагосодержания и соответственно потенциал переноса определяется по изотермам десорбции.
Потенциал переноса массы вещества может быть определен экспериментально. Методика этого определения была предложена Лыковым А.В. [36], и она заключалась в установлении массосодержания при контакте с исследуемым веществом удельного массосодержания эталонного тела U , для которого максимальное удельное сорбционное массосодержание U приравнивается 100 единицам потенциала. Таким образом, эта методика определения шкалы потенциала тепла аналогична по принципу определению градуса температуры. Числовая оценка потенциала тепла производится посредством приведения в контакт эталонной и измеряемой среды до установления термодинамического равновесия.
Для определения потенциала массопереноса установлено [39], что если известны гигроскопические свойства тела, то равновесное удельное влагосодержание не зависит от фактора нахождения в непосредственном контакте с другим телом. Следовательно, по данным изотерм десорбции и сорбции влажных материалов можно определить значение экспериментального (физического) потенциала переноса массы вещества материалов в гигроскопической области [28, 50].
Используя градиент потенциала переноса Vu, возможно описать перенос жидкости и пара в гигроскопической области [32]. Если пренебречь эффектом Соре и Дюфора, то есть термодиффузией пара и вещества, растворенного в жидкости, то плотность потока влаги можно представить соотношением [32]:
Определение потенциалов массопереноса влаги в зерне на основе данных по равновесным свойствам в гигроскопической области
Следовательно, отсутствие зависимости между активностью и температурой в рамках проанализированной модели является вполне допустимым предположением. Для проверки необходимости учета температурной зависимости активности используем модель MGAB.
Расчеты, проводимые по набору целевых функций, показали высокую вариабельность получаемого множества параметров модели MGAB (Таблица II-8).
Следовательно, учет влияния температуры на активность приводит к снижению устойчивости модели относительно экспериментального набора данных.
Анализ данных, проведенный по аналогии с моделью GAB, показал, что наиболее приемлемый результат дает функция накопления ошибок ZSSE, которая дает следующие показатели (Таблица II-9) информативности и адекватности. Графически данная зависимость может быть представлена в следующем виде (Рисунок II-15). Как видно из представленных данных, информативность MGAB несколько выше, адекватность сравнима с моделью GAB. Можно сделать вывод, что зависимость активности от температуры можно не принимать во внимание для расчетов связанных с проектированием процесса, так как снижение ошибки прогноза составляет всего 25%. Таким образом, найденная по экспериментальным данным зависимость между потенциалом и влагосодержанием на основании модели носит практически функциональный характер. При этом в диапазоне использованных экспериментальных данных для зерна пшеницы потенциал влагопереноса от температуры практически не зависит.
Лучшую модель потенциала влаги в зерне пшеницы можно получить, выбрав наиболее информативную модель равновесия влаги в материале. Проведен сравнительный анализ статистическими методами [96] двух и трехпараметрических моделей, представленных в работе [210] (GAB и MGAB -уравнение Guggenheim, Anderson de Bur и его модификация; MHDE -модифицированное уравнение Henderson; MOE - модифицированное уравнение Oswin; MCE - модифицированная зависимость Chung-Pfost), для которых зависимость влажности является функцией активности. Анализ этих моделей основан на выделении компромиссного множества вариантов, наиболее полно характеризующих полученный объем данных по адекватности исследуемых моделей по различным выражениям для функции ошибок, которые обоснованы и использованы ранее [62, 83]. Исходными данными в этом случае являются варианты оценок в рамках моделей, которые хотя бы по одному из оценочных критериев превосходят остальные. Для применения принципа Парето [47] доминирования двухпараметрических моделей ввели шкальную оценку критериев на основе функции желательности, нормированной на интервале значений каждого критерия от одного (наихудший) до трех (наилучший) значений. Для трехпараметрических моделей ввели шкальную оценку критериев на основе функции желательности, нормированной на интервале значений каждого критерия от одного (наихудший) до пяти (наилучший) значений. В качестве критерия использовался минимум суммы стандартных отклонений между модельным и экспериментальным потенциалами (Za111): минимальное значение квадрата отсекаемого отрезка между модельным и экспериментальным потенциалами (а@)2т1П; коэффициент корреляции между модельным и экспериментальным потенциалом (r) и коэффициент наклона прямой между модельным и экспериментальным потенциалами (Ь@). Наличие нескольких параметров в модели позволяет значительно увеличить адекватность модели эксперименту. В тоже время существенной разницы в описании экспериментальных данных двух- и трехпараметрических моделях выявлено не было. Поэтому вначале рассмотрим несколько трехпараметрических моделей, определим компромиссное множество по множеству критериев, использующих различные целевые функции, повышающие адекватность этих моделей.
Оптимальность по Парето в задачах рационального выбора – свойство альтернатив, которое обычно признается необходимым для решения в случае многокритериальности. Применительно к анализу трехпараметрических моделей – это выделение компромиссного множества вариантов, наиболее полно характеризующих полученный объем данных по адекватности исследуемых моделей. Исходными данными в этом случае являются варианты оценок в рамках моделей, которые хотя бы по одному из оценочных критериев превосходят остальные. Для применения Парето доминирования введем шкальную оценку критериев на основе функции желательности, нормированной на интервале значений каждого критерия от одного (наихудший) до трех (наилучший) значений.
Моделирование полей градиентов потенциала при сушке зерна риса
При сушке коллоидные капиллярно-пористые материалы, в которых сокращается присутствие водных слоев и объем пор, таким образом, приводя к зависимости размеров материала от содержания воды. Распределение влаги при сушке в материале неравномерное и соответственно неравномерное развитие деформации создает напряженное состояние, которое может привести к разрушению материала.
Предложенные физико-математические модели и методы их вычисления – не только мощный инструмент для теоретического описания процессов сушки, они также служат теоретическим основанием для того, чтобы проектировать способы и режимы сушки, которые позволяют определить деформационное и напряженное состояние материала во время сушки.
Для определения поведения зерна под действием давления проведены экспериментальные исследования. Методика заключалась в получении и обработке кривых нагружения «напряжение – деформация» [218].
Для эксперимента были использованы нешелушенные зерна крупнозерного риса, выращенные в 2014 году на Филиппинах. Зерна были очищены от посторонних примесей, и отобраны здоровые зерна без потемнений. Начальное влагосодержание было определено методом высушивания в духовке (Binder, Fisher Scientific) при температуре 103C. Навеска 20г, помещенная в стеклянный бокс, была взвешена на аналитических весах с точностью до 5 знака.
Стеклянный бокс предварительно прогревался в духовке при 103C в течение 30 минут, затем направлялся в эксикатор для охлаждения и взвешивался, после чего опять помещался в сушильный шкаф на 10-15 мин и после охлаждения взвешивался. Периодическое подсушивание и взвешивание проводилось до тех пор, пока бокс не приобретал постоянный вес.
Для определения зависимости параметров прочности зерна риса от влажности подготавливались образцы в диапазоне 6-14%. Образец зерна взвешивался каждые 4-5 часов для определения кинетики сушки, показанной на Рисунке II-46, и до разности веса в 0,0005 гр. Начальное влагосодержание зерен неочищенного риса было 13,95%.
Используя зависимость на Рисунке II-46, было установлено ориентировочное время высушивания до определенной влажности зерен. Влагосодержание образцов было измерено влагомером (HE Lite, Pfeuffer, Германия). Полученные образцы были запечатаны в герметичные полиэтиленовые пакеты и выдерживались в холодильнике. Перед опытом нагружения зерна сдавливанием геометрические размеры зерен были измерены (ширина, длина, высота), используя цифровой штангенциркуль с точностью до 0,01 мм.
Сдавливание проводилось на универсальном оборудовании для измерения силы сжатия (Instron 5543, USA), снабженном датчиком давления 1кН (Load cell 1kN, Instron). Скорость нагружения 1 Н/с. Установка сжатия и датчик представлены на Рисунке II-47.
Для кривых сдавливания характерно наличие двух участков. Форма кривой начального участка подобна модели Герца до точки выхода, который определяет предел упругой деформации. Затем, наклон кривой уменьшается до точки поломки. Чтобы определить точку выхода, жесткость контакта была вычислена против полного смещения. Модель Герца при сдавливании частицы между двумя твердыми и плоскими поверхностями имеет вид: (11-67) где d и E - диаметр и эффективный модуль упругости тела, соответственно; А -полное смещение пластин (Д=25). Эффективный модуль упругости определен как: (П-68) где E и v - модуль Юнга и отношение Пуассона материала. Соответствие упругой деформации кривой проверяется обработкой функции наименьшими квадратами: .3/2 (П"69) где CN - эмпирическая величина, зависящая от эффективного модуля упругости (Е ) диаметра частицы (d) в уравнении (П-67). На Рисунках П-54 - П-57 представлены экспериментальные кривые сдавливания, соответствующие уравнению (П-69). Отклонение экспериментальной кривой от модели Герца определяет конец упругой деформации и точку выхода.
Эффективный модуль упругости частицы может быть определен от эмпирического параметра CN использованием уравнений (П-67) и (П-69) следующим образом: к -ъс І Id (п"70) Жесткость контакта была определена в точке выхода, так как жесткость достигает своей максимальной величины в этой точке и ее можно определить: (11-71) где FY и АУ являются приложенной силой и полной деформацией частицы в точке выхода соответственно. Зависимость эффективного модуля упругости от влажности имеет вид: Е {Па) = 44587- 9844 W(%) (П"72) Используя логистические функции, можно определить распределения для силы поломки и энергии поломки: (11-73) (11-74) где SE и SK вероятности, чтобы получить определенное упругое свойство; E -эффективный модуль упругости; KY - упругая жесткость контакта в точке выхода. Кроме того, у каждой модели есть два эмпирических параметра: E5о, KY5o, которые являются средними значениями распределения; DЕ, DК, которые являются широтой распределения (когда DE, DK становятся больше, распределения становятся более узкими).
Моделирование кинетики сушки, деформации и минимизация трещиноватости риса
В качестве исходных данных использовались кинетические экспериментальные зависимости (точки – Рисунок IV-5). При этом получены в качестве модельных кривых зависимости от 9 кинетических параметров (Таблица IV-12) и минимизирована сумма относительных отклонений экспериментальных данных (точки – Рисунок IV-5) от соответствующих расчетных кривых (линии – Рисунок IV-5) для данных экспериментальных значений времени.
Идентификация параметров производилась по методу Нелдера-Мида, известного также как симплекс-метод и метод деформируемого многогранника – метод безусловной оптимизации функции от нескольких переменных, не использующий производную (точнее градиентов) функции, поэтому он легко применим к негладким и/или зашумлённым функциям. Для идентифицированных параметров рассматривали зависимости от основного фактора – скорости агента сушки. При постоянной скорости агента сушки (V = 2.5 м/сек) и постоянной нагрузке слоя (W = 1.32 кг) была проведена серия опытов в температурном интервале от 50 OC до 70 OC. Кинетические кривые представлены на графиках (Рисунок IV-6, Рисунок IV-7, Рисунок IV-8).
Кривые сушки и нагрева в тонком слое семян риса при скорости воздуха 2,5 м/сек; вес семян риса 1,32 кг; температура воздуха 50 0C; начальная влажность 0,25 кг/кг; (точки – экспериментальные данные по сушке, сплошные линии – расчетные данные)
Кривые сушки и нагрева в тонком слое семян риса при скорости воздуха 2,5 м/сек; вес семян риса 1,32 кг; температура воздуха 60 0C; начальная влажность 0,25 кг/кг; (точки – экспериментальные данные по сушке, сплошные линии – расчетные данные)
Кривые сушки и нагрева в тонком слое семян риса при скорости воздуха 2,5 м/сек; вес семян риса 1,32 кг; температура воздуха 70 0C; начальная влажность 0,25 кг/кг; (точки – экспериментальные данные по сушке, сплошные линии – расчетные данные)
Для определения влияния скорости сушильного агента на процесс сушки были проведены опыты при постоянной температуре сушильного агента (T = 50 OC) и постоянной нагрузки слоя (W = 1.32 кг) в интервале скоростей сушильного агента от 2,3 м/сек до 2,8 м/сек. Кинетические кривые представлены на графиках (Рисунок IV-9, Рисунок IV-10)
Представленные на графиках кинетические зависимости также показывают высокую адекватность модельных и экспериментальных данных по изменению влажности во времени процесса, что позволяет восстановить температурные кривые с помощью математической модели по данным кинетики сушки. Можно отметить, что с увеличением скорости воздуха снижение температуры семян носит более кратковременный характер.
Для определения влияния нагрузки слоя на кинетику сушки были проведены опыты в условиях, исключающих снижение температуры семян на начальном этапе, что соответствует температуре сушильного агента (T = 50 OC) и постоянной скорости сушильного агента (V = 2.8 м/сек). В этих опытах нагрузка менялась от 0,66 кг до 1,32 кг. Кинетические кривые представлены на графиках (Рисунок IV-11, Рисунок IV-12).
Кривые сушки и нагрева в тонком слое семян риса при скорости воздуха 2,8 м/сек; вес семян риса 1,32 кг; температура воздуха 70 0C; начальная влажность 0,25 кг/кг; (точки – экспериментальные данные по сушке, сплошные линии – расчетные данные)
Как видно из представленных данных, кинетические зависимости также показывают высокую адекватность модельных и экспериментальных данных по изменению влажности во времени процесса, что позволяет восстановить температурные кривые с помощью математической модели по данным кинетики сушки. Установлено, что в данном процессе температура семян сразу начинает повышаться. Для уточнения влияния режимов на процесс сушки были проведены дополнительные опыты, позволяющие интерполировать идентифицируемые кинетические параметры в рамках варьирования режимов сушки.
Кривые сушки и нагрева в тонком слое семян риса при скорости воздуха 2,8 м/сек; вес семян риса 0,66 кг; температура воздуха 70 0C; начальная влажность 0,25 кг/кг; (точки – экспериментальные данные по сушке, сплошные линии – расчетные данные)
Учитывая значительную нелинейность кинетических параметров и высокую адекватность модели, в исследуемых интервалах экспериментальных режимов сушки, было принято решение об использовании интерполяционных многомерных сплайнов для описания этих зависимостей. Данные для построения этих зависимостей представлены в табличном виде в зависимости от интерполируемого параметра (Таблица IV-13, …, Таблица IV-21).