Введение к работе
Актуальность работы. Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и минимизации техногенного воздействия на окружающую среду. Значительные резервы экономии энергии имеются в различных технологических процессах, в том числе в процессах криосублимационного фракционирования и сублимационной сушки, используемых в химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Первой стадией этих процессов является стадия замораживания продукта. На этом этапе необходимо обеспечить равномерность образования кристаллов льда в объёме продукта, сохраняя тем самым структуру и все нативные свойства термолабильного продукта. Это возможно только при проведении управляемого процесса замораживания с контролем процесса по времени.
Существующие методики расчёта продолжительности процесса замораживания не учитывают особенности кристаллизации влаги в капиллярно-пористом теле термолабильных продуктов. В отличие от замораживания чистой жидкости, в продуктах с капиллярно-пористой структурой процесс фазового перехода протекает в широком интервале температур. При снижении температуры в объёме продукта доля льда постепенно увеличивается, а доля воды уменьшается, т.е. не существует температуры кристаллизации, при которой вся влага переходит в твёрдое состояние. А применяемое оборудование для реализации процесса замораживания характеризуется высокими эксплуатационными издержками, использованием в качестве хладагента экологически опасных теплоносителей, отсутствием возможности управления процессом.
Поэтому актуально дополнительное теоретическое и экспериментальное исследование данного вопроса, с целью разработки методики расчёта продолжительности процесса замораживания термолабильных продуктов и эффективного оборудования для реализации энергосберегающего процесса замораживания с получением продукта высокого качества, а также методики инженерного расчёта данного вида оборудования.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетным научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» кафедры «Машины и аппараты химических производств» «Моделирование и разработка энергосберегающих технологий и оборудования химических производств» в рамках ГБ 2010.12 (Гос. регистр. 01.2.006.06149).
Целью работы является разработка высокоэффективного оборудования и методики расчёта продолжительности процесса замораживания частиц сферической формы термолабильного продукта в псевдоожижен-ном слое. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
разработка математических моделей процесса замораживания капиллярно-пористых тел термолабильных продуктов в среде жидкого и газообразного азота;
проведение экспериментальных исследований процесса теплообмена при замораживании частиц термолабильного продукта в средах жидкого и газообразного азота в псевдоожиженном слое;
разработка методики инженерного расчёта конструктивных и технологических параметров аппарата замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое;
разработка конструкции установки для замораживания в псевдоожиженном слое, позволяющей исследовать процесс замораживания частиц в широком диапазоне теплофизических параметров.
Научная новизна.
Разработаны и экспериментально подтверждены математические модели процесса замораживания частиц термолабильных продуктов, основанные на использовании эквивалентной теплоёмкости, учитывающей теплоту охлаждения сырья и теплоту кристаллизации воды, содержащейся в нём, позволяющие определить продолжительность процесса замораживания.
Определены технологические параметры ведения управляемого процесса замораживания термолабильного материала в псевдоожиженном слое.
Разработана методика инженерного расчета аппарата для замораживания частиц в псевдоожиженном слое и определены его оптимальные конструктивные и технологические параметры.
Разработана установка для управляемого замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое в газообразном азоте, позволяющая снизить расход азота и сохранить нативные и физико-химические свойства продукта, новизна и оригинальность которой подтверждена патентом РФ.
Практическая значимость.
Результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для дальнейших разработок в области замораживания термолабильных про-
дуктов. Полученные математические модели процесса замораживания термолабильных продуктов представляют собой необходимую теоретическую базу для создания методики инженерного расчёта и проектирования установок для управляемого замораживания в псевдоожиженном слое. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО «Партнёр» г. Воронеж, а также используются в учебном процессе по дисциплине «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».
Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных законов теории теплообмена, применением аттестованных измерительных приборов и апробированных расчётных методик и подтверждается хорошим совпадением расчётных и экспериментальных результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научной конференции ассоциации «Объединённый университет имени В.И. Вернадского» в г. Тамбове (2006), а также на научных отчётных конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (2007, 2008, 2009).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [8] - разработка методики инженерного расчёта установок замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое, [1,2,4] - разработка математической модели процесса замораживания термолабильных продуктов, [3,5] - обработка экспериментальных данных, [6,7] - определение технологических параметров для проведения процесса замораживания, [9,10] - разработка конструкции установок для замораживания.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 112 наименований и приложения. Основная часть работа изложена на 130 страницах, содержит 18 рисунков и 2 таблицы.
