Содержание к диссертации
Введение
Глава I Характеристика инженерных и научных проблем сушки пищевых продуктов 7
1.1. Перспективы производства и использования сухих плодоовощных продуктов. Выбор перспективного способа обезвоживания и конструкторских решений для его осуществления 7
1.2. Анализ современного состояния способов и конструкций сушильной техники 8
Глава II Анализ основных термодинамических закономерностей взаимодействия баклажанов с водой 36
2.1. Механизм взаимодействия баклажанов с водой 36
2.2. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии баклажанов с водой 42
Глава III Теплофизические и структурно - механические характеристики объекта обработки 50
Глава IV Экспериментально-аналитическое изучение инфракрасного энергоподвода в процессе сушки 67
Глава V Исследование влияния основных факторов на эффективность сушки баклажанов 86
Глава VI Анализ механизма тепломассопереноса на основе кинетики сушки 96
6.1. Изучение кинетики сушки баклажанов 96
6.2. Получение рациональных комбинированных осциллирующих режимов в процессе сушки 104
Глава VII Аналитический численный расчет полей температур, коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара с учетом динамики процесса сушки 107
Рекомендации по рациональным констукциям сушильных установок для овощей 122
Общие выводы и заключение 129
Список использованной литературы 132
Приложение 1 143
Приложение 2 156
Приложение 3 157
Приложение 4 170
- Анализ современного состояния способов и конструкций сушильной техники
- Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии баклажанов с водой
- Теплофизические и структурно - механические характеристики объекта обработки
- Получение рациональных комбинированных осциллирующих режимов в процессе сушки
Введение к работе
Промышленная переработка сырья биологического происхождения представляет собой сложный комплекс последовательно выполняемых и взаимосвязанных механических, теплофизических, биотехнологических и других специфических процессов.
В современных условиях жёсткой конкуренции на рынке выдвигается проблема повышения эффективности переработки сырья биологического происхождения с выработкой качественных, полноценных и безопасных в санитарном отношении пищевых продуктов. Повышение качества продукции и экономических показателей её производства во многом определяются достижениями в совершенствовании гидромеханических и тепломассообменных процессов.
Среди факторов питания, имеющих важнейшее значение для поддержания здоровья, работоспособности и активного долголетия, особая роль принадлежит полноценному и регулярному снабжению организма человека всеми необходимыми микронутриентами (витаминами, минеральными веществами, микроэлементами, в том числе минорными компонентами пищи). Организм человека не синтезирует указанные соединения и должен получать их в готовом виде с пищей, причём ежедневно, так как способность запасать незаменимые вещества впрок у организма отсутствует.
Для Российской Федерации вопросы обеспечения населения плодовоовощной продукцией актуальны, поскольку большая часть территории не имеет благоприятных климатических условий для выращивания овощей и плодов, и значительная часть населения страны испытывает дефицит многих витаминов, минеральных веществ и других биологически активных соединений, крайне необходимых для жизнедеятельности человека.
Одним из малоисследованных сырьевых источников питательных веществ является баклажан. Ареал возделывания этой культуры занимает южную и почти всю среднюю полосы России.
Однако промышленное внедрение и надежное функционирование линий по переработке баклажанов сдерживается отсутствием комплексных исследований по оптимизации технологических процессов на отдельных стадиях, таких как
5 измельчение, гранулирование, обезвоживание и т.д. Традиционные способы сушки не могут быть использованы ввиду специфики химического состава продукта, относительно большой влажности, а также особенностей механизма внутреннего тепломассопереноса. Все это затрудняет использование традиционных способов обезвоживания и ставит задачу поиска новых методов, позволяющих повысить эффективность проведения процесса обезвоживания и получения конечного продукта высокого качества.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной "Концепцией и программой "Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров" на 1998-2005 гг. под руководством доктора технических наук И.Ю. Алексаняна в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование». Отдельные исследования проводились в Московском государственном университете пищевых производств на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств».
Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования тепломассообмена и оптимизация процессов комбинированной сушки овощных продуктов.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
определить пути интенсификации тепломассообмена при производстве сухих овощных продуктов; проанализировать способы сушки, конструкторские решения сушильных установок;
экспериментально и аналитически исследовать основные теплофизические (ТФХ), физико-химические (ФХС), структурно-механические (CMC)), оптические (ОХ) и терморадиационные (ТРХ) свойства и характеристики, а также термодинамические закономерности взаимодействия баклажанов с водой;
-экспериментально и теоретически исследовать инфракрасный (ИК) и конвективный энергоподводы и распределение поглощенной энергии в слое продукта;
экспериментально исследовать влияние основных факторов на интенсивность ИК и конвективной сушки баклажанов;
- экспериментально и теоретически исследовать механизм внутреннего
тепломассопереноса при высокоинтенсивной комбинированной сушке;
предложить физико-математическую модель тепломассообмена в процессах сушки с анализом полей температур и определением коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара, получить зависимости массовлагообменных характеристик от параметров процессов;
получить осциллирующие рациональные режимы сушки для баклажанов;
- разработать конструкторские решения для осуществления рациональных
способов сушки, методов нанесения продуктов на рабочую поверхность и
транспортирующие органы сушильных установок.
Исходя из поставленной цели и задач, решение которых необходимых для ее достижения, можно определить структуру диссертационной работы.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ СУШКЕ БАКЛАЖАНОВ
ЦЕЛ Ь - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ АЛ ЬНЫЕ ИССЛЕД ОВАНИЯ
ТЕПЛОМАССООБМЕНА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОЙ
СУШ КИ БАКЛАЖАНОВ
ХАРАКТЕРИСТИКА
ИНЖЕНЕРНЫХ И НАУЧНЫХ
ПРОБЛЕМ СУШКИ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
ИЗУЧЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ТРЕБОВАНИЙ К
ПРОЦЕССУ И ОБЪЕКТУ
СУШКИ
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ
ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
ВЗАИМОД ЕЙСТВИЯ
БАКЛАЖАНОВ С ВОДОЙ
ЭКСПЕРИМЕНТ АЛЬНО-
АНАЛИТИЧЕСКОЕ
ИЗУЧЕНИЕ
ИНФРАКРАСНОГО И
КОНВЕКТИВНОГО ЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ
РАСЧЕТ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА
Э Ф ФИКТИВНОСТЬ СУШКИ
БАКЛАЖАНОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ
ПРОЦЕССА СУШКИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ
ПРОЦЕССА СУШКИ
БАКЛАЖАНОВ В ТОНКОМСЛОЕ
И РАСЧЕТ КОЭФ ФИЦИЕНТОВ
ВЛАГОПРОВОДНОСТИ И МОЛЯРНОГО ПЕРЕНОСА ПАРА
РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОГО ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО КОМБИНИРОВАННОГО ИК-КОНВЕКТИВНОГО РЕЖИМА СУШКИ
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОД ЕЛИРОВАНИЯ
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ
НАПРАВЛЕНИЙ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ современного состояния способов и конструкций сушильной техники
Сушка - один из самых энергоемких процессов пищевой технологии, а для многих производств - это завершающий процесс, определяющий качество готового продукта. Актуальной задачей на сегодняшний день является оптимизация и интенсификация процесса сушки, что позволит повысить качество и улучшить условия хранения продукта, сократить продолжительность процесса, сберечь материальные и энергоресурсы; решить проблемы экологии. Создание высокоэффективного оборудования невозможно без решения следующих проблем: 1) разработка новых конструкций аппаратов, интенсифицирующих тепломассообмен; 2) разработка специальной технологии сушки; 3) создание комбинированных сушилок и разработка оптимальных схем сушки (из нескольких аппаратов); 4) совмещение процесса сушки другими процессами. Первые рекомендации по выбору рационального способа сушки разработаны А. В. Лыковым. В работе [135] предложены не только рекомендации по выбору способа сушки, но и алгоритмы определения рационального сушильного оборудования как для периодического, так и для непрерывного способов сушки, разработаны принципы выбора нетрадиционных способов сушки.
Создание сушильных аппаратов со взвешенным слоем материала - одно из перспективных направлений развития сушильной техники, поскольку они просты по конструкции и сушка в них, в ряде случаев, интенсивнее, чем в других аппаратах [72, 123, 182]. Дальнейшее развитие получают сушильные аппараты со взвешенным слоем в виде модификации с использованием встроенных поверхностей нагрева и перемешивающих устройств [46, 63, 126, 147]. Кроме использования перемешивающих устройств, стабилизация гидродинамики в аппаратах большой производительности достигается применением промежуточных режимов псевдоожижения. Значительный интерес представляют сушилки кипящего слоя с импульсным псевдоожижением. Импульсный подвод теплоносителя позволяет осуществлять сушку высокодисперсных, комкующихся материалов, обработка которых в обычном псевдоожиженном слое затруднена. Пульсация газового потока препятствует образованию крупных газовых пузырей и сквозных каналов в слое и предотвращает возникновение застойных зон. Импульсное псевдоожижение на 15-30 % повышает коэффициент межфазного теплообмена, на 30% снижает расход ожижающего агента [169]. Возможность ограничения расхода теплоносителя и снижения потерь в результате уноса обрабатываемого продукта позволяет использовать их для малотоннажных производств и сушки дорогостоящих продуктов [163]. В [174] описан аппарат для сушки мелкозернистого материала, в котором осуществляется чередование режима продувки газа через слой снизу вверх и режима разрежения в камере. Каждый период разрежения длится не менее 1,5-2,0 с, продувки - 1 с. Необходимое для сушки тепло подводится от водообогреваемой рубашки и поверхностей нагрева. В [120] рассмотрена высокоэкономичная конвективная сушилка типа «Микрогейзер», в которой кипящий слой сочетается с вибрациями элементов газораспределительной решетки. При этом скорость воздуха в три-четыре раза выше, а удельный расход теплоносителя ниже, чем в кипящем слое.
В последние годы сообщалось о разработке сушилок кипящего слоя при использовании комбинированного конвективно-контактного подвода тепла с применением встроенных обогреваемых элементов, погруженных в слой материала. Сушилки этого типа рекомендуются для тонкодисперсных термолабильных материалов [77, 88, 152, 170].
Для равномерного высушивания и увеличения движущей силы процесса сушки используются многокамерные сушилки кипящего слоя, которые могут быть с последовательным движением материала и подачей свежего теплоносителя в каждую камеру и ступенчато-противоточные, с противоположным движением газа и материала [123]. Многокамерные сушилки можно создать простым секционированием пространства перегородками [156, 175].
Интересны сушилки со встречными закрученными потоками, разработанные Московским текстильным институтом совместно с НИИХиммашем [72]. Высокая скорость теплоносителя, исключение необходимости установки циклонов достигаются при использовании встречного закрученного потока, вводимого тангенциально на выходе из трубы-сушилки. Этот поток, подводимый автономно (в виде теплоносителя с высокой температурой) позволяет значительно снизить влажность готового продукта и создает благоприятные условия для разделения дисперсной и газовой фаз. Все шире используются аппараты с высокой скоростью теплоносителя [57, 173]. Представляет интерес аппарат, в котором совмещены фонтанирующий слой, работающий по принципу трубы Вентури, и окружающий его кипящий слой [182]. Сжатая в горловине трубы газовая струя перед контактом с твердой фазой разгоняется до скорости 100—150 м/с и, обладая большой кинетической энергией, интенсивно омывает влажный продукт. Под действием высокого скоростного напора разрушаются агрегированные частицы исходного материала, что обусловливает развитие активной поверхности теплообмена в небольшом рабочем объеме. В работах [104, 141, 151, 165] описаны высокоинтенсивные струйные и сопловая сушилки.
Перспективно использование ИК- и СВЧ-сушки [39, 127, 161], ввиду ряда важных отличий от классических методов нагрева. Во-первых, не требуется наличия теплоносителя, способствующего загрязнению обрабатываемого материала; отсутствуют взрывоопасные концентрации и потери материала за счет уноса. Во-вторых, материал не перегревается вблизи теплопередающей стенки; тепловыделение происходит в объеме материала, и его температура выше, чем температура стенок аппарата. В-третьих, оптимальными конструкционными материалами являются фторопласт, кварцевое стекло и т. п., которые обеспечивают высокую стерильность ведения процесса, но создают серьезные затруднения при подводе тепла обычными методами. В-четвертых, интенсивность нагрева не зависит от агрегатного состояния материала - только от его оптических, диэлектрических свойств и напряженности СВЧ-поля.
Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии баклажанов с водой
Так как диапазон влажности, лимитирующий процесс сушки, а при сушке овощных продуктов весь диапазон находится в гигроскопической области, то механизм массопереноса при обезвоживании определяется формой и энергией связи влаги с материалом. Известно [74], что потенциалом переноса влаги является химический потенциал /Л, который в гигроскопической области является функцией влажности U и температуры Т. Разность химических потенциалов А//.
Благодаря образованию прочных гидратных комплексов при кулоновском (ориентационном) характере гидратации на участке Up от 0 до 0,062 кг/кг, (рис.2.1) до 1-ой точки перегиба сорбционная способность баклажанов практически не зависит от температуры. Далее, на участке Up от 0,062 до 0,13, ввиду увеличения количества адсорбированной влаги, тепловые колебания молекул воды, расшатывая гибкие молекулярные цепи, позволяют им принимать энергетически выгодные конформации [26], при этом сами водные молекулы в связи с поляризацией последующих слоев предыдущими, продолжают находиться в ориентированном состоянии [19, 20, 60], т.е. происходит полимолекулярная адсорбция. При дальнейшей сорбции, молекулы воды проникают в межмолекулярные пространства, образующиеся ввиду изначальной свободной упаковки молекул и их теплового движения, что постепенно приводит к слабому набуханию, ввиду гибкости молекул баклажанов [23, 96], аморфизации и явления "сорбционной усадки". После 3-ей характерной точки (Up = 0,25 кг/кг) происходит сильное набухание и частичное растворение, что обусловлено наличием клеточных оболочек и мицелл (вследствие присутствия компонентов растительного происхождения), предполагающих превалирование осмотического механизма сорбции (набухания), при этом гибкие молекулярные цепочки, окруженные гидратными слоями, легко отделяются друг от друга и диффундируют в растворитель, т.к. молекулы воды, обладая большей подвижностью, вследствие диффузии между молекулами баклажана значительно ослабляют связи между ними [23, 26, 27, 96, 134, 154, 166]. Однако, наряду с диффузионными явлениями [96], безусловно, имеют место иные сложные взаимодействия: образование новых водородных связей за счет боковых групп, развертывание белковых глобул и т.д. Таким образом, на изотерме сорбции воды баклажанами можно выделить 5 характерных участков, которые, как и точки перегиба, особенно наглядно видны при построении зависимости Aw = f(Up) в полулогарифмических координатах. В этом случае изотерма InAw = f(Up) предстает в виде ломаной линии. Логарифмирование целесообразно и с точки зрения математической интерпретации изотерм [134], кроме того, это значительно упрощает математическую обработку, ввиду линеаризации зависимостей.
В нашем случае, как и в исследованиях Гинзбурга А.С., Алексаняна И.Ю. и др., наблюдалась большая сорбционная способность плодоовощных продуктов (баклажанов), особенно в области высоких значений Aw. Здесь характер сорбции зависит от внутримолекулярного взаимодействия, длины и разветвленности углеводородных цепей и их энергии сорбции [16, 100].
Т.к. одной из основных целей изучения гигроскопических свойств сухих веществ являются рекомендации по выбору конечной влажности высушиваемых продуктов, согласно [19, 22, 134, 185] целесообразной для процесса хранения является влажность продукта, соответствующая образованию "монослоя" (для баклажанов Up =0,062 кг/кг,). Здесь влага наиболее сильно связана с материалом, биологическая активность микроорганизмов незначительна, что подтверждается исследованиями многих авторов по микробиальной обсемененности. Формальную математическую аппроксимацию изотерм сорбции целесообразно проводить путем линеаризации их в виде: lnAw=f(Up,T), или при линейной аппроксимации: InA iaf + bp + icf + d,), (2.6), где щ, ЬІ, СІ, di — эмпирические коэффициенты; / - порядковый номер зоны (участка изотермы). Коэффициенты flf/, ЬІ, СІ, d{, полученные экспериментально-аналитически для каждой зоны, сведены в таблице 2.1. Здесь можно четко выделить границы характерных участков сорбции, соответствующих по мнению [44, 84, 145] изменению преимущественного влияния того или иного механизма сорбции. Анализ логарифмических зависимостей активности воды от равновесной влажности и температуры показывает, что они имеют вид ломаных. Каждый из участков соответствует превалированию определенной формы связи влаги с материалом. В точках перегиба происходит качественное изменение формы связи удаляемой влаги с превалированием осмотической, иммобилизационной, структурной связи.
Теплофизические и структурно - механические характеристики объекта обработки
Развитие, совершенствование и интенсификация процессов тепловой обработки базируются на основных принципах современной технологии: от знания и анализа теплофизических свойств материалов (продуктов) как объектов обработки - к выбору методов и оптимальных режимов процесса и на этой основе - к созданию рациональной конструкции аппарата.
Вместе с тем современная наука решает и обратную задачу - разработку способов прогнозирования свойств с целью получения конечных продуктов с заранее заданными теплофизическими характеристиками. Поэтому важное значение имеют характеристики структуры пищевых продуктов как многокомпонентных систем, выбор и разработка методов вычисления их теплофизических характеристик. Обзор развития экспериментальных исследований теплофизических характеристик различных материалов дан академиком А.В. Лыковым [75]. Большое значение имело создание и усовершенствование нестационарных методов. Они позволяют одновременно определять теплопроводность и коэффициент температуропроводности. В этой области значительных успехов достигли Г.М. Кондратьев со своей школой (методы регулярного режима) [59]. А.В. Лыков разработал метод определения коэффициентов на основе решения уравнения теплопроводности при нагревании тела в среде, температура которой является линейной функцией времени.
Г.И. Красовская, В.Л. Шевельков, К.Л. Шептунов, М.В. Кулаков и другие [29] разработали нестационарные методы определения ТФХ различных материалов, в том числе пищевых продуктов. Большой интерес представляет расчетный метод определения ТФХ с учетом химического состава веществ, структуры и параметров состояния системы, а также явлений, сопровождающих термическую обработку материалов. Для зернистых материалов важно учитывать их объемную массу. А.Ф. Чудновский указывает, что если пористость слоя зернистого продукта меньше 50%, то ТФХ определяются в основном свойствами твердого скелета, состоящего из отдельных зерен. На практике широко применяются методы термической обработки продуктов в псевдоожиженном слое и во взвешенном состоянии, когда в потоке газа обрабатываются отдельные частицы. В этом случае в расчетах необходимо учитывать ТФХ частиц.
Согласно классификации А. В. Лыкова, отметим два основных направления в исследовании теплофизических свойств влажных капиллярно-пористых тел, к которым относятся пищевые продукты.
Первое (традиционное) направление - экспериментальное определение ТФХ известными методами, базирующимися на решении краевых задач теплопроводности. К ним относятся классические методы: стационарного плоского одномерного потока для измерения теплопроводности; температурных волн в стержне для измерения коэффициента температуропроводности; смешения и периодического ввода теплоты для измерений энтальпии и теплоемкости; регулярного режима. Наряду с этим в экспериментальных исследованиях широко применяют новые методы, базирующиеся на закономерностях различных нестационарных тепловых режимов. Второе направление - аналитическое определение ТФХ на основе теоретических представлений о механизме переноса теплоты в модельных структурах, характерных для реальных твердых тел и дисперсных систем.
В последнее время широко развиваются теоретические исследования, базирующиеся на принципе обобщенной проводимости. В его основе лежит аналогия между дифференциальными уравнениями стационарного потока теплоты, электрического тока, электрической и магнитной индукции, а также потока массы. Вследствие этого для расчета теплопроводности применяют основные соотношения электростатики и электродинамики и на их основе получают формулы для расчета эффективных коэффициентов обобщенной проводимости (тепло-, электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости, вязкости, диффузии и др.). Г.Н. Дульнев и другие, в частности, предложили метод расчета проводимости гетерогенных тел при резком отличии свойств составляющих их компонентов.
В отличие от истинных ТФХ, относящихся к кондуктивному переносу теплоты в чистом виде, под эффективными ТФХ понимают характеристики, учитывающие все возможные виды теплопереноса - кондукцию, конвекцию и лучистый теплообмен в порах материала, а также теплоперенос в пространстве слоя дисперсного материала. Эквивалентные ТФХ учитывают дополнительный перенос теплоты мигрирующей влагой, теплоту фазовых переходов и химических реакций. Для теоретического исследования теплофизических свойств применяют термодинамическую теорию. Она более строго описывает конечные результаты теплопроводности, чем классическая, исходящая из бесконечной скорости распространения теплоты. Модельные структуры влажных твердых пористых тел для определения ТФХ предложены А.Ф. Чудновским, Г.Н. Дульневым и другими, О. Кришером (Германия), А. Миснаром (Франция) [29]. Данные модели, естественно, не могут точно отражать структуру реальных тел, и поэтому расчеты по теоретическим формулам в определенной степени приближенные. Однако они имеют большое значение для прогнозирования теплофизических свойств, особенно для слоя дисперсных материалов. Поэтому наиболее эффективно сочетание обоих направлений определения ТФХ - теоретического и экспериментального.
Специфику имеет определение ТФХ дисперсных продуктов, омываемых газовой средой, что очень важно при анализе процессов термической обработки продуктов в псевдоожиженном (аэро- и аэровиброкипящем) слое и во взвешенном состоянии. Речь идет об определении эффективных ТФХ многофазной системы по известным характеристикам отдельных фаз (твердых частиц и газа) и структуре (состоянию слоя) системы.
При использовании полученных значений ТФХ для расчета производственных процессов и установок возможны большие погрешности, так как условия проведения экспериментов часто отличаются от производственных. Например, любой метод определения ТФХ продуктов в лабораторных условиях не точно моделирует теплофизические свойства продуктов в хранилище или в сушилке, где, кроме тепло- и массообменных, протекают микробиологические, физико-химические и другие процессы, влияющие на теплофизические свойства продуктов и незакономерно изменяющие их теплопроводность и удельную теплоемкость.
Получение рациональных комбинированных осциллирующих режимов в процессе сушки
Очевидно, что важны не только рекомендации по выбору способа сушки, но и разработка обоснованных принципов и алгоритмов выбора рационального сушильного оборудования и нетрадиционных способов сушки, создания гибких модулей обезвоживания, методических принципов интенсификации массообмена в процессах сушки. Разработанная Алексаняном И.Ю. [4] методика и программное обеспечение для прогнозирования и получения осциллирующих рациональных режимов в процессах влагоудаления на базе аппроксимации кривых скорости сушки в зависимости от реальной динамики обезвоживания и варьируемых параметров позволяет получать рациональные осциллирующие режимы для исследуемых продуктов в различных зонах сушки.
Изменение влажности, температуры, структуры материала и других его свойств приводят к целесообразности смены режимных параметров и способов сушки (вида и организации энергоподвода, транспортировки продукта и т.д.), соответствующих максимальной интенсивности массообмена. Так как реализация непрерывно варьируемых в процессе оптимальных условий сушки на современном технологическом уровне технически нереальна и экономически не оправдана, то целесообразна позонная дискретная оптимизация сушки, в пользу которой свидетельствуют выводы, сделанные в гл. 2, 5 и 6. На основе известных или полученных экспериментально кривых кинетики сушки предлагается проводить интенсификацию сушки продукта путем применения оптимальных для каждой зоны сушки режимов. Алгоритм получения осциллирующих рациональных режимов сушки. 1. Производим зональную аппроксимацию кривых сушки с учетом изменения комплекса свойств и термодинамики взаимодействия влаги с продуктом (гл.5-6). 2. Получаем зависимости скорости сушки от влияющих факторов дифференцированием уравнений кривых сушки позонно (гл.6). С2 dc 3. Находим интеграл функции скорости сушки J—dc= F(c, варьируемые с, &t параметры) в диапазоне концентраций зоны, показывающий суммарную интегральную скорость в зоне. 4. Определяем целевую функцию - произведение суммарной интегральной скорости сушки на параметр, прямо влияющий на производительность процесса (для сушки в слое - толщину слоя). 5. Находим оптимальные значения параметров в каждой зоне, максимум искомой функции и уточненные границы зон в рациональном режиме (в частности, в среде MATHCAD, используя опцию "maximize"). 6. Получаем аппроксимирующие уравнения скорости сушки по зонам в рациональном режиме (при оптимальных параметрах). 7. Определяем продолжительность сушки при максимальной целевой функции.
Пример реализации предложенной методики в частности, в среде MATHCAD, приведен в приложении 4. Полученная величина съема сухого продукта с единицы площади рабочей поверхности Y: при применении осциллирующих, рациональных режимов инфракрасной сушки в комбинации с конвективной подсушкой баклажанов в дольках - до 2,5 кг/(м2-ч).; при применении рациональных режимов сушки, полученных по аппроксимирующим уравнениям оптимизации: до 5 кг/(м -ч). 106 Кроме того, применение осциллирующих режимов приводит к интенсификации процесса сушки баклажанов в дольках на 18 - 25 % при значительном повышении качества продукта (отсутствие подгорания, хорошая восстанавливаемость и т.д.).
Приведен численно-аналитический метод расчета эволюции полей температур и определения коэффициентов влагопроводности и молярного переноса пара с учетом динамики обезвоживания на основе аппроксимации кривых кинетики сушки и функциональных зависимостей свойств и характеристик продуктов, зависимости массовлагообменных характеристик от варьируемых параметров (влажности, температуры, структурных характеристик). Рассчитаны поля температур в тонком слое баклажанов.
Для полного изучения процесса в целях соблюдения технологических требований необходимо знать величину и распределение температуры в слое в любой момент времени. Экспериментальное определение изменения температуры в слое вызывает значительные трудности из-за особенностей высокоинтенсивного процесса.
Нахождение нестационарных полей температур связано с решением системы дифференциальных уравнений влаго-и теплопереноса [74, 75]. Решение этой системы при переменных коэффициентах затруднительно без ряда серьезных допущений. Частные аналитические решения достаточно громоздки, что значительно усложняет их практическое использование. Целесообразным является реализация математических численных методов, с помощью которых можно с высокой точностью рассчитать поля температур, причем использованная методика, предложенная Алексаняном И.Ю. [4] и составленная программа расчета позволяет достаточно оперативно использовать её в инженерных расчетах сушилок при различных режимах и конструктивных особенностях.
