Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние технологии сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения 10
1.1 Аналитический обзор способов сушки растительных материалов и используемого сушильного оборудования 10
1.2 Анализ исследований процесса тепломассопереноса при сушке материалов растительного происхождения 27
1.3 Анализ влияния свойств материалов на эффективность сушки 39
Выводы 42
2 Аналитическое исследование процесса тепловой обработки пищевых материалов растительного происхождения 43
2.1 Аналитическое исследование движения влаги в капиллярно-пористых материалах при их высушивании 43
2.2 Аналитическое исследование теплопереноса в туннельной сушилке при воздействии ИК излучения 52
2.3 Использование численных методов при решении уравнения теплообмена 58
Выводы 63
3 Методика и результаты экспериментальных исследований 64
3.1 Обоснование и выбор источника излучения и марки конструкционного материала рабочей зоны туннельной сушилки 64
3.2 Разработка экспериментального образца туннельной сушилки 76
3.3 Определение величины прогибов ведущего вала конвейера туннельной сушилки 88
3.4 Определение материального и теплового баланса сушилки 96
Выводы
4 Экспериментальные исследования процесса сушки материалов растительного происхождения и анализ полученных результатов 100
4.1 Обоснование целесообразности обогащения мучных изделий высушенными порошкообразными обогатителями растительного происхождения 100
4.2 Тестирование экспериментального образца туннельной сушилки 102
4.3 Экспериментальные исследования процесса сушки растительных материалов 111
Выводы 116
5 Оценка экономической эффективности туннельной конвейерной сушилки и производства высушенных натуральных обогатителей растительного происхождения 117
5.1 .Оценка себестоимости изготовления туннельной сушилки 117
5.2.Оценка экономической эффективности использования туннельной сушилки при производстве высушенных натуральных обогатителей 118
Выводы 124
Общие выводы 125
Литература 127
- Анализ исследований процесса тепломассопереноса при сушке материалов растительного происхождения
- Аналитическое исследование теплопереноса в туннельной сушилке при воздействии ИК излучения
- Разработка экспериментального образца туннельной сушилки
- Экспериментальные исследования процесса сушки растительных материалов
Анализ исследований процесса тепломассопереноса при сушке материалов растительного происхождения
Можно считать, что при сушке различных видов материалов, имеет значение не только разность температур теплоносителя на входе и выходе, но и количественные характеристики процесса, такие как количество затраченного теплоносителя, количество испаренной влаги и др.
По мнению авторов работы [31] определение допустимых границ максимальной температуры должно базироваться на анализе взаимодействия кинетики сушки с комплексом физико-химических и биохимических превращений, происходящих в процессе теплового воздействия.
Например, современные технологии зерносушения базируются в основном на конвективном способе сушки при использовании в качестве сушильного агента воздуха, нагреваемого в калориферах или в топках непосредственного смешения. Интенсификация процесса сушки обуславливается, как отмечается в [122], сокращением продолжительности процесса, снижением расхода сушильного агента, уменьшением размеров сушильной установки при технологических ограничениях к параметрам режима высушивания, влияющим на качественные показатели продукта.
Скорость конвективной сушки сыпучих частиц лимитирует внутренний перенос влаги, на кинетику которого наибольшее влияние оказывает коэффициент диффузии, зависящий от исходной температуры и влажности продукта. При жестких температурных режимах коэффициент диффузии сначала возрастает за счет испарения влаги из микрокапилляров и дополнительного подвода осмотически удерживаемой влаги, затем начинает снижаться, поскольку с течением времени перенос влаги в виде жидкости заменяется переносом пара, что увеличивает сопротивление подводу [122].
Одним из направлений интенсификации процесса сушки и обеспечения экономической эффективности работы сушильного аппарата является сочетание конвективного и СВЧ энергоподвода [65].
При способе сушки токами высокой частоты материал, являющийся диэлектриком, находится в электромагнитном поле между двумя обкладками конденсатора. Молекулы материала получают колебательное движение, сопровождающееся повышением температуры. Нагрев начинается в центре, вследствие чего температурный градиент совпадает по направлению с градиентом влажности, что усиливает перемещение влаги к границе раздела сред [65,67,123].
Несмотря на быстрый прогрев и высокую интенсивность данный способ не получил широкого промышленного применения вследствие больших энергозатрат.
По мнению ряда исследователей [79,86,87,96,137] использование для сушки изделий инфракрасных лучей обладает рядом преимуществ по сравнению с другими теплоносителями и способами сушки, поскольку позволяет сократить продолжительность обработки. Однако, нагрев продукта ИК излучением происходит более интенсивно по сравнению с конвекцией и теплопроводностью, поэтому при длительном использовании облучения влага из высушиваемых изделий будет удаляться очень быстро, что может привести при отсутствии регулирования температуры к растрескиванию и пересушке изделий.
Общие сведения об ИК излучении и возможностях теплообмена с его участием изложены в работах [24,40,49,52,56,58,63,82,139].
Концепция и способы нагрева изнутри направленным на внутреннюю цилиндрическую поверхность ИК управляемым по мощности излучением впервые были разработаны Лузгиным Г.Д. применительно к шлихтовальным машинам хлопчатобумажной отрасли текстильной промышленности [86-89].
Известно, что теплообмен излучением зависит от разности абсолютных температур источников излучения, каждая из которых возводится в 4-ю или 5-ю степень, тогда как при конвективном теплообмене абсолютные температуры соответствуют примерно первой степени [58,151]. При этом существенное значение имеют процессы отражения и поглощения электромагнитных волн в ИК спектре. Отражающие свойства полированных поверхностей в данном спектре для некоторых конструкционных материалов (алюминия, никеля, железа, хрома и др.) в чистом виде известны. Однако большинство конструкционных материалов являются многокомпонентными соединениями, что требует проведения дополнительных экспериментальных исследований по подбору оптимального материала.
Исследования должны быть проведены с целью выбора материала для изготовления рабочих зон сушильных установок, обеспечивающих необходимую теплопередачу от внутренней поверхности к слою обрабатываемого продукта при минимальных тепловых потерях.
В теплообмене излучением важнейшим фактором является не только установленная мощность самого источника ИК излучения, но и потребляемый расход электроэнергии.
Волновой характер ИК излучения и явления электромагнитного резонанса при взаимодействии излучения с веществом, могут многократно увеличивать воздействие излучения на расстояниях, кратных длине волны [40].
Известно, что при переносе энергии электромагнитным излучением в конкретном направлении ее величина непосредственно зависит от телесного угла [151]. Если точечный источник излучения будет находиться в фокусе окружающего его отражателя, то теоретически энергия излучения должна распространяться в одном направлении вдоль оси этого отражателя. В технической литературе практически отсутствует информация о закономерностях и характерных особенностях процесса концентрации спектральной плотности энергии в ИК диапазоне излучения. Поэтому исследование этого явления может дать результаты, представляющие технический интерес по использованию для нагрева рабочей зоны сушильных установок электроламп, оснащенных дополнительным зеркальным отражателем.
Для сушки многокомпонентных пищевых продуктов может оказаться целесообразным, как отмечается в [67], использование метода микроволнового вакуумного обезвоживания, позволяющего проводить сушку при 25...30С. Следует отметить, что данный метод, обладая рядом преимуществ перед традиционными высокотемпературными способами воздействия на продукт, трудно реализуем в промышленных масштабах и требует принятия дополнительных мер по защите от микроволнового излучения.
Аналитическое исследование теплопереноса в туннельной сушилке при воздействии ИК излучения
Окончательно имеем решение уравнения теплопереноса в образце тыквы при радиационном подводе энергии
Если допустить, что высушиваемые образцы тыквы будут иметь одинаковую форму, ТО г2 =0. Принимая допущение, что температура является одинаковой по толщине образца, можно также приравнять нулю и четвертое слагаемое г4.
Из уравнения (2.24), задавая начальную температуру, можно определить распределение температуры в высушиваемом образце при его различной толщине для разного времени высушивания и различной плотности потока q0, или определить плотность потока или время сушки при остальных заданных условиях. Пусть начальная температура образца тыквы толщиной 10 мм составляет t0 = 20С. Теплофизические показатели тыквы [46]: - удельная теплоемкость с = 3480 Дж/ кг- град, - плотность р= 1100 кг/м , - насыпная плотность рн = 800 кг/м , - теплопроводность X = 6,1 10" Вт/см град, -температуропроводность а= 1,55 10" см/с, - показатель поглощения 5,3 см"1, - влажность 70... 90%.
Помимо части инфракрасного излучения, которое проникает через боковые и нижнюю стенки туннеля конвейерной сушилки [11,12] и воздействует непосредственно на высушиваемый материал, имеет место дополнительный нагрев этого материала непосредственно при его контакте с поверхностью касания через теплопроводность.
Рассмотрим следующую модель теплопереноса в высушиваемом капиллярно-пористом материале. Пусть отдельные образцы тыквы располагаются на конвейере равномерным слоем высотой h. Выделим из слоя, лежащего на конвейере, элементарный участок длиной А/. Нижняя поверхность этого участка контактирует с поверхностью конвейера, температура которого равна tk .
Предположим, что на этой поверхности в материале слоя толщиной yt будет иметь место постоянная температура, равная t\(y), и что от поверхности нагреваемого ИК излучением конвейера вследствие теплопередачи слою будет передаваться теплота, плотность потока которой будет постоянна и равна q. Графическая модель представлена на рис.2.2.
В зоне слоя yi количество теплоты, идущее на испарение влаги, можно определить из общего потока теплоты q с учетом доли теплоты, переносимой паром (є - коэффициент доли влаги в виде пара).
В зоне слоя (h - у І) тепло физические параметры будут отличаться от параметров контактного слоя yt. На внешней поверхности слоя (у = h) влага в виде пара из контактного слоя и пара, образованного на внешней поверхности, будет переходить в окружающее пространство.
Использование численных методов при решении уравнения теплообмена Аналитическое решение дифференциального уравнения теплопроводности дает множество решений и позволяет определить температуру в любой точке исследуемого образца, тогда как численные методы [137]., используют алгебраические уравнения, получаемые из дифференциальных уравнений, и позволяют определять температуру только в отдельных выбранных точках для одной конкретной задачи. Любое изменение исходных параметров потребует повторения всей процедуры решения заново.
Однако использование численных методов при исследовании процесса теплообмена позволяет оценить распределение температур в образце материала с допустимой погрешностью при меньших затратах времени и использовать полученные результаты для решения многих практических задач.
Одним из численных методов, используемых для решения задач теплообмена, является метод конечных разностей (МКР) [39], позволяющий заменить производные в дифференциальном уравнении их приближенными алгебраическими выражениями через разности значений функции в отдельных узлах сетки. Идея метода конечных разностей заключается в том, что при достаточно малом конечном (фиксированном) значении h (рис. 2.3) угол а близок к углу р, и производную f (x) с небольшой погрешностью можно заменить линейным выражением, называемым конечной разностью.
Графическая интерпретация производной функции f(x) Процедура метода конечных разностей заключается в следующем: l.Ha область со , занимаемую объектом, наносят разностную сетку (рис. 2.4). 2. Предполагая, что решение задачи заключается в поиске функции и(х,у), присутствующей в дифференциальном выражении, в том числе и под знаком производной, вместо этой функции, имеющей бесконечное множество значений (т.е. значений в любой точке области со), ищется заменяющая ее сеточная функция й(х,у).
Сеточная функция будет иметь конечное число значений, которые будут находиться в узлах разностной сетки. В остальных точках сеточная функция й(х,у) не определена. 3 4 5
Разностная сетка Таким образом, поиск функции и{х,у) заменяется вычислением нескольких численных значений функции й(х,у) в узлах разностной сетки. Так, в узле сетки со значениями индексов =2, =3 (узел [2,з], см. рис.2.4) функция її будет обозначаться й23. Значения первой производной от и(х,у) по аргументу х в узле [2,з] запишутся ди ди конечной разностью — « ———, а по аргументу у в том же узле — « ——— дх М2 ду h22 это так называемые первые конечные разности в данном узле сетки или конечные разности «вперед». этому принципу определяются и конечные разности для производных более Общая конечно-разностная запись краевой задачи заменяется равносильной ей записью в виде системы алгебраических уравнений, каждая из которых записывается только для одного узла сетки.
Таким образом, количество уравнений в системе равно числу узлов сетки. В этих узлах в качестве неизвестных участвуют значения сеточных функций й, количество которых также равно числу узлов сетки.
Рассмотрим модель распространения тепла в двумерной пластинке, вырезанной из тыквы [14]. Обозначим на пластинке ряд точек, которые будем считать узлами сетки 1,2,3 и 4.
Разработка экспериментального образца туннельной сушилки
Метод базисных вариаций. Данный численный метод позволяет, как и методы конечных разностей или конечных элементов, заменить дифференциальное уравнение, описывающее какое-либо явление или процесс, приближенным выражением в виде системы алгебраических уравнений [18].
Коэффициенты системы уравнений а и bi вычисляются по формулам a,j = к,к ; Ь,=к,(-М?), где М] — значения внутренних изгибающих моментов, вызванных поперечными силами, действующими на вал в узловых сечениях (/ = 7,... ,4). Первое уравнение (/ = 1). Поскольку кг = 0, то все коэффициенты а и Ъг равны нулю, а аи = 1 (коэффициент, у которого / =j, заменяется единицей). Тогда первое уравнение в системе примет вид vx = 0.
Результаты расчета свидетельствуют, что при заданных условиях вал обеспечивает необходимую изгибную жесткость, так как величина прогибов в узловых точках, вычисленная методами конечных разностей, конечных элементов и базисных вариаций, незначительна и практически одинакова. При рабочих зазорах между излучателем и конвейером равным от 5 до 15 мм их влияние на условия передачи теплоты можно считать несущественным.
Определение материального и теплового баланса сушилки Материальный баланс сушилки. Расчет материального баланса ведем при сушке тыквы, как наиболее влагосодержащей из исследуемых материалов. Количество влаги в тыкве до и после сушки, кг/ч
Удельная потребляемая мощность на нагрев материала где р - плотность материала, кг/м3; At - приращение температуры (К) за время Дт (ч); т]т - термический КПД. Численный расчет теплового баланса туннельной сушилки приведен в приложении ИК.
1. В качестве источника ИК излучения для использования в туннельной сушилке выбраны лампы типа ИКЗ мощностью 175, 250 и 500 Вт завода «Лисма», обеспечивающие теплоподвод в широком диапазоне температур от 40 до 350С. Установлено, что изменение температуры в зависимости от потребляемой мощности излучателей носит линейный характер, при этом потребляемая мощность в диапазоне температур сушки в 2-2,5 раза меньше их установленной мощности.
2. Осуществлен выбор конструкционного материала для изготовления элементов рабочей камеры туннельной конвейерной сушилки, наиболее полно характеризующий его поглотительную и проникающую способность при ИК излучении. Для изготовления элементов камеры выбрана легированная хромоникелетитановая сталь марки 12Х18Н10Т.
3. Экспериментально определена величина рабочего зазора между источниками излучения и поверхностью конвейера сушилки равная 15 мм. Установлено, что при номинальной суммарной мощности нагревателя 24 кВт максимальная температура 350 С, устанавливаемая и поддерживаемая с помощью автоматического регулятора достигается за 8 мин. Для достижения этой температуры требуемый расход электроэнергии составляет не более 6 кВтч, а на поддержание - 3,12 кВтч.
4. Показано преимущество применения зеркальных ламп в качестве источника нагрева по сравнению с тэнами. Плотность потока излучения зеркальных ламп в 97,6 раз больше плотности потока излучения тэнов.
5. По результатам проведенных исследований разработан и изготовлен экспериментальный образец универсальной туннельной сушилки, обеспечивающий направленное ИК излучение.
6. Расчетные значения величины прогибов вала конвейера сушилки в узловых точках, равные 0,0002 и 0,0006 м, вычисленные методом конечных разностей, конечных элементов и базисных вариаций практически одинаковы и их влияние на условия передачи теплоты, при рабочих зазорах между излучателем и конвейером равным от 5 до 15 мм, несущественно.
Экспериментальные исследования процесса сушки растительных материалов
При тестировании экспериментального образца сушилки измерялись максимальные температуры внутри туннеля в наивысшей его точке посредине длины. Измерения проводились в туннеле термопарой мультиметра Мл на расстоянии 10 мм от кожуха и одновременно термопарой АРНТ {ТРМ-1, OWEN) - на том же расстоянии. Поскольку цилиндрический корпус термопары ТРМ-1 имеет толщину 2 мм, то вследствие температурного сопротивления стенки корпуса значения температуры, измеряемой ТРМ-1, будут несколько меньше, чем мультиметром Мл.
При номинальной мощности инфракрасного нагревателя посредством ТРМ-1 задавалась температура внутри тоннеля 375С, и записывались изменения внутри туннеля в течение 60 мин в 5-й кратной повторности.
Результаты проведенных испытаний показывают, что в течение первых 11 мин нагрев во времени происходит по линейной зависимости, максимальная температура нагрева 350С достигается за 8 мин и расход электроэнергии на прогрев тоннеля за это время составляет 3,12 кВтч. На известном аналоге прогрев туннеля занимает по времени от 45 до 60 мин с расходом энергии более 30 кВтч.
Температура, регистрируемая авторегулятором ТРМ-1, в среднем на 21 С ниже действительной из-за температурного сопротивления стенок корпуса термопары. Данное обстоятельство не имеет принципиального значения, поскольку воздух внутри туннеля непрерывно нагревается направленным излучением и непрерывно циркулирует под воздействием конвекции.
В процессе тестирования обнаружено, что часть энергии излучения отражается посредством отражателя вдоль крайних рядов излучателей и продольных уголков несущей рамы на площадку фундамента по периметру установки. Фундамент по периметру установки нагревается до 48С, т.е. часть энергии излучателей бесполезно расходуется на этот нагрев.
Для устранения данного явления и с целью повышения эффективности нагрева внутри туннеля были испытаны дополнительные отражатели Ol, 02 и ОЗ, устанавливаемые на продольные уголки несущей рамы каркаса установки.
Для оценки эффективности работы отражателей замерялись температуры внутри туннеля в верхней его части на том же расстоянии. Температура регистрировалась в течение 11 мин с интервалом 0,5 мин в 5-ти кратной повторности.
Результаты этих испытаний показали, что все варианты дополнительных отражателей более чем на 50С увеличивают температуру внутри туннеля без дополнительных затрат электрической энергии. Из испытанных вариантов наиболее эффективным является отражатель 02, при установке которого температура в туннеле повышается на 55С.
Значения температур в точке ПО мм при 200 и 300иС, равные соответственно 168 и 246С относятся к температуре воздуха внутри туннеля. Чувствительный элемент термопары не регистрирует плотность и мощность направленно-фокусированного инфракрасного излучения, в потоке которого он расположен. Это излучение, если обрабатываемый материал будет находиться в формах, поглощается материалом форм и приводит к лучевому нагреву их стенок, а проникающая сквозь стенки часть излучения нагревает непосредственно их содержимое напрямую.
Таким образом, продукт в формах нагревается теплопроводностью от стенки и проникающей сквозь стенку частью излучения. Кроме того, стенки форм снаружи дополнительно нагреваются конвекцией.
На первом этапе исследований изучались образцы высушиваемых продуктов по пропускательной, отражательной и поглотительной способности при воздействии ИК излучения. На рис. 4.6 приведены зависимости изменения коэффициентов пропускания, отражения и поглощения от длины волны инфракрасного излучения.
Для сушки использовались следующие материалы: тыква, курага, чернослив, березовый гриб чага. Из этих материалов наибольшее влагосодержание имеет тыква. После мойки материал разрезали на отдельные кусочки и подвергали сушке, затем высушенный материал измельчали на диспергаторе модели VM7-268 (Чехословакия) в тонкоизмельченный порошок для использования в качестве обогатителей.
При скорости конвейера 0,0084 м/с время движения слоя пластинок тыквы массой 30 кг по конвейеру составляет 60 мин, поэтому для получения конечной влажности 18% процесс вели при температуре сушки 50С в течение 180 минут. При этом потребляемая нагревателями мощность на поддержание данной температуры в течение всего времени сушки составила менее 2,25 кВт ч, при этом удельная величина энергозатрат равна 0,225 кВт-ч/кг.
Экспериментальные зависимости кривых сушки тыквы, выбранной из исследуемых объектов из-за наибольшего влагосодержания, приведенные на рис.4.7, иллюстрируют изменение среднего содержания влаги W с течением времени t [2,16,141,142,143].
Для получения аналитического выражения функциональной зависимости между массой высушиваемого материала и временем сушки с целью уменьшения влияния ошибок использовался метод наименьших квадратов, с помощью которого функциональные зависимости представлялись в виде полинома. С помощью данного метода определяли такие значения коэффициентов Cj , при которых сумма квадратов отклонений расчетных значений Wm от фактических значений W3 для всех т экспериментальных точек была минимальной. S = (с0 +сх -w + ... + cn -w" 0)2 - -min.
По полученным аналитическим выражениям функциональной зависимости между массой высушиваемого материала и временем сушки были построены теоретические кривые сушки, которые сравнивали с экспериментальными зависимостями. Оценка себестоимости изготовления туннельной сушилки Себестоимость изготовления одного модуля (секции) туннельной конвейерной сушилки определяется стоимостью материалов и комплектующих, фондом заработной платы производственных рабочих, отчислениями на социальные нужды, амортизационными отчислениями и другими статьями.
Стоимость изготовления сушилки [114] Сс = Ф3.л. + См + С, + Ос н + Ам, где Ф3іП, - фонд заработной платы, Су - стоимость материалов, Ск - стоимость комплектующих изделий, 0&н - отчисления на социальные нужды, Ам -амортизационные отчисления.
Основная заработная плата производственных рабочих 42 тыс. руб. Дополнительная заработная плата 30% - 12,6 тыс. руб. Отчисления на социальные нужды 35,6% - 19,43 тыс. руб. Фонд заработной платы в месяц - 79,43 тыс. руб. Стоимость комплектующих изделий: электродвигатель 0,37 кВт, мотор-редуктор NMRV-75-100-9,4-0,37, тиристорный преобразователь частоты ТПЧ - 13,150 тыс. руб.; - инфракрасные зеркальные лампы ИКЗ-500 48 ед. - 4,08 тыс. руб.; - сетка для конвейера сушилки-печи (7000x1000x50 мм) - 7,0 тыс. руб.; - теплоизоляция из базальтового материала (ООО «Базальтовые технологии, г. Тула) - 2,45 тыс. руб. - авторегулятор «напряжение-температура» (ООО «Электрум - АВ», г. Орел; ООО НПФ «Контр-Авт» г. Н.Новгород) - 39 тыс.руб. Общая стоимость комплектующих изделий 65,68 тыс.руб. Стоимость материалов [ООО Главбаза, г. Ижевск]:
