Содержание к диссертации
Введение
1 Перспективы производсi ва и использования экс 1 рак га корня солодки и пути совершенсiвования teiіломассообмена на осі юве аііализа сі юсоюв низкотемпературной высокоин1епсивной сушки 6
1.1 Преспектива производства и использования лечебно-профилактическої о экстракта корпя солодки 6
1.2 Описание традиционной іехполоіии концеитрированної о и сухого экстракта корня солодки 9
1.3 Выбор рациональной схемы и конструкций обезвоживания экстракта корня солодки, а также рациональных методов вспенивания и нанесения экстракта корня солодки на рабочую поверхносіь сушилки 12
2 Анализ іермодинамических закономерносi ей энергетического взаимодействия экстракта корня солодки с водой на основе изучения физико-химических, гіеплофизических и оптических свойств 23
2.1 Обоснование инфракрасною энергоподвода в процессе с>шки 23
2.2 Сіруктурно-механичеекие и іеплофизические характернаики экстракта корпя солодки 27
2.3 Аналиітермодинамики взаимодействия экстракта корня солодки с водой на основе изучения гироскопических характеристик 38
3 Механизм внутреннего тепломассопереноса на основе анализа экспериментальных кривых сушки 49
3.1 Кинетика вакуумной пеносушки при инфракрасном энергоподводе экстракта корня солодки 49
3.2 Зависимоеіь эффективности сушки ог основных факторов 60
4 Моделирование ііроцесса вакуумной пеносушки экстракта корня солодки для расче га полей темпера і ур и осциллирующих режимов. Обобщенная зависимою гь скорос і и обезвоживания о г влияющих факторов 70
4.1 Моделирование процесса вакуумной пеносушки жегракга корня солодки дчя расчета полей температур 70
4.2 Разработка осциллирующих режимов сушки растительных экстрактов 79
4.3 Зависимость скорое і и вакуумной сушки во вспененном состоянии при инфракрасном эпергонодводе в обобщенных координатах от влияющих факіоров 80
5 Консіруирование аппарата на основе выбора рациональных 1епломассообменных параметров процесса пеносушки окс ірак га корпя солодки 86
Общие выводы и заключение 89
- Описание традиционной іехполоіии концеитрированної о и сухого экстракта корня солодки
- Сіруктурно-механичеекие и іеплофизические характернаики экстракта корпя солодки
- Зависимоеіь эффективности сушки ог основных факторов
- Зависимость скорое і и вакуумной сушки во вспененном состоянии при инфракрасном эпергонодводе в обобщенных координатах от влияющих факіоров
Введение к работе
Актуальность работы. Сегодня актуальны разработки, направленные на создание пищевых продуктов лечебно-профилактического назначения, так как экологическая обстановка в мире диктует необходимость использования в питании населения продуктов с защитными и радиопротекторными свойствами. В Астраханском регионе, в связи с наличием ООО «Астраханьгазпром», крупнейшего в России нефтегазо-перерабатывающего производственного комплекса, большого числа строительных и химических предприятий резко ухудшилась экологическая обстановка. Поэтому проведение исследований и внедрение их результатов, направленных на охрану и укрепление здоровья населения и рациональное использование природных ресурсов представляет научный и практический интерес.
Одним из растительных продуктов, обладающих лечебными свойствами является лакричный корень (солодки), являющийся нетрадиционным источником витаминов, минеральных веществ и других биологически активных соединений, создание безотходной технологии которого актуально для РФ, где его массовое производство не налажено. Сам корень солодки, а также технология качественных пищевых и лечебно-профилактических продуктов на его основе мало изучены и требуют комплексных исследований по разработке рациональных способов производства готовой продукции и полуфабрикатов (пищевых добавок и премиксов), а также рационального технологического оборудования.
Промышленные внедрения и надежное функционирование линий переработки нетрадиционных продуктов сдерживается отсутствием исследований по выбору рациональных теплофизических и массообменных параметров технологических процессов на отдельных стадиях, такие как экстрагирование, концентрирование и сушка. Традиционные методы обезвоживания не могут быть использованы ввиду значительной сорбционной способности растительных экстрактов, строгих режимных ограничений из-за повышенных требований к качеству продуктов с лечебными свойствами, а также особенностей механизма внутреннего тепломассопереноса. Это ставит задачу поиска новых методов, позволяющих повысить эффективность проведения процесса обезвоживания и получения конечного продукта с заданными качественными показателями.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной 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», а также в рамках Приоритетного Национального проекта «Развитие отечественного агропромышленного комплекса».
Целью работы является выбор рационального способа организации процесса низкотемпературной сушки экстракта корня солодки (ЭКС) путем экспериментального определения рациональных теплофизических и физико-химических параметров.
Задачи работы;
определить пути совершенствования тепломассообмена на основе анализа способов сушки и конструкций установок с учетом энергозатрат, экологической безопасности и высоких требований к качеству лечебно-профилактических продуктов;
аппроксимация теплофизических, гигроскопических, оптических и пенострук-турных характеристик ЭКС на базе экспериментов и теоретического обобщения литературных данных для анализа механизма и моделирования вакуумной сушки при объемном энергоподводе;
рассчитать распределение поглощенной энергии в оптически тонком слое продукта на базе исследования инфракрасного (ИК) и комбинированного подвода энергии на основе оптических свойств;
анализ механизма внутреннего тепломассопереноса в результате экспериментального исследования влияния основных факторов на интенсивность влагоудаления и выбор рациональных режимных параметров сушки ЭКС во вспененном состоянии путем изучения и аппроксимации кинетических кривых обезвоживания;
получение осциллирующих рациональных режимов и критериального уравнения кинетики сушки ЭКС методом анализа размерностей для обобщения экспериментальных данных и рационального проектирования сушильных установок;
совершенствование и реализация феноменологической математической модели тепломассообмена вакуумной пеносушки ЭКС для анализа и контроля температурных полей;
выработать рекомендации по конструкторской и технической реализации результатов исследований на основе целевого исследования литературных данных.
Объект исследования. Параметры тепло- и массоопереноса при вакуумной сушке ЭКС во вспененном состоянии при радиационно-кондуктивном энергоподводе.
Методика исследований. Основой исследований является рациональные планирование экспериментов и статистическая, а также численно-аналитическая обработка опытных и теоретических данных по изучению и анализу термодинамиики статического взаимодействия влаги с ЭКС с учетом оптических и структурно-механических свойств и температурных ограничений при сушке лечебно-профилактического продукта для повышения эффективности тепломассоопереноса.
Достоверность результатов исследования. Достижение цели исследования стало возможным благодаря комплексному использованию классических теоретических и экспериментальных методов и корректного применения известных научных достижений в области тепло и массообмена при низкотемпературных методах обезвоживания. Использованные методики расчета, а также предложенные конструкторские решения, согласуются с рациональными схемами их проектирования, а также экспериментальными данными автора. В экспериментах и при их обработке использовались методы математической статистики, а построение численно-аналитической пространственной модели процесса велось с использованием современного программного обеспечения.
Научная новизна. Выбраны рациональные конкурентоспособные методы предварительной обработки и низкотемпературной сушки лечебно-профилактических продуктов на основе анализа литературных данных. Получены аппроксимирующие зависимости теплофизических, гигроскопических, оптических и пеноструктурных характеристик ЭКС, а также рациональные параметры объемного радиационно-кондуктивного энергоподвода, путем расчета распределение поглощенной энергии в оптически тонком слое продукта. Определены экспериментальные зависимости кинетических кривых обезвоживания в тривиальных и обобщенных координатах на основе анализа механизма внутреннего тепломассопереноса в характерных зонах влагоудаления, а также рациональные режимные параметры осциллирующих режимов и эволюция полей температур на основе совершенствования феноменологической математической модели процесса вакуумной пеносушки ЭКС.
Практическая значимость работы. Результаты исследований предназначены для выбора рационального способа влагоудаления и сохранения качественных показателей сухих лечебно-профилактических ЭКС, разработки энерго- и ресурсосбере-
гающих технологий концентрирования, рациональных режимных параметров низкотемпературной высокоинтенсивной сушки и модернизации сушильных установок.
Разработаны и обоснованы рациональные схемы и режимные параметры процессов вспенивания и инфракрасной сушки ЭКС при комбинации с кондуктивным энергоподводом в условиях пониженного давления в сушильной камере, а также устройства для их осуществления. Получены аппроксимирующие уравнения удельного съема сухого материала, кинетических кривых обезвоживания и их критериальная зависимость с учетом влияния определяющих интенсивность тепломассообмена факторов при постоянных и осциллирующих режимах.
Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:
перспективы развития технологии концентрирования, конкурентоспособные способы сушки и конструкции установок с учетом энергозатрат, экологической безопасности требований к качеству продуктов;
уравнения зависимости теплофизических, гигроскопических, оптических и пе-ноструктурных характеристик ЭКС в реальном диапазоне тепло- и массообменных параметров проведения процесса сушки;
аппроксимирующие зависимости и критериальное уравнение кинетики сушки ЭКС;
осциллирующие рациональные режимы вакуумной пеносушки при комбинированном объемном энергоподводе;
рекомендации по конструкторской и технической реализации результатов исследований.
Внедрение результатов работы позволяет:
сократить время влагоудаления при «бережных» режимах сушки для обеспечения необходимых качественных показателей лечебно-профилактического сухого ЭКС;
сократить удельные затраты сырья, энергии и материалоемкость сушилок;
варьировать и выбирать рациональные технологические режимы в зависимости от производственных условий организации процесса сушки, вида и свойств сырья, а также технологических ограничений.
Отдельные результаты диссертационной работы приняты к использованию и дальнейшему внедрению на предприятиях ЗАО «Астраханский пектин», ООО «Биотехсинтез» и ООО НПП «Вулкан»», специалисты которых, рассмотрев результаты исследований и практические рекомендации и анализ качественных показателей готовой продукции подтвердили актуальность работы и экономическую целесообразность внедрения ее результатов.
Работа «Оригинальные технологии и оборудование для сушки, экспандирования и гранулирования пищевых и кормовых продуктов» выполненная при участии автора, отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2005 г.
Реализация результатов исследований. На основе экспериментальных исследований и предложенного рационального метода обезвоживания ЭКС разработаны и усовершенствованы методики проведения опытов для сушки продуктов во вспененном состоянии при «бережных» осциллирующих режимах, планируемые к использованию и внедрению на ООО НПП «Вулкан» и ООО «Биотехсинтез». Анализ выводов и предложенных рекомендаций подтвердили целесообразность их использования в рамках региональной программы «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», а также Приоритетного Национального проекта «Развитие отечественного агропромышленного комплекса».
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно - технических конференциях: II Всероссийской научно - технической конференции — выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г. Москва, 2004г.); IV Международной научно — технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» в Вологодском государственном техническом университете (г. Вологда, 2004г.); Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания» (г. Барнаул, 2004г.); II Международной научно — технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленно-сти»в Воронежской государственной технологической академии (г. Воронеж, 2004г.); международной научной конференции «АГТУ — 75 лет» в Астраханском государственном техническом университете (г. Астрахань, 2005г.); Второй международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ — 2005 (г. Москва, 2005г.); Московская международная конференция «Биотехнология и медицина» (г. Москва, 2006г.). Результаты исследований экспонировались на II Всероссийской научно - технической конференции — выставке с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» в МГУ пищевых производств (г. Москва, 2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 по перечню ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично, либо в соавторстве, в том числе: определение актуальности, цели и задач исследований, проведение экспериментов и обобщение результатов теоретических и опытных данных, численно-аналитическая реализация моделей процессов обезвоживания, разработка рекомендаций по практическому использованию результатов работы. Результаты исследований опубликованы коллегиально при равноправном участии автора
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 130 страницах машинописного текста, в том числе 8 таблиц, 30 рисунков, 25 страниц приложений, список литературы из 161 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.
Описание традиционной іехполоіии концеитрированної о и сухого экстракта корня солодки
Нарис 1.2.1 показан технологический процесс производства густого экстракт солодшюю корня, как добавки в лечебно- профилакичеекие продукты, реализованный на Астраханском ООО Т1011 «ВУЛКАН» Технологический процесс производства гусюю эксгракта солодкового корня сосюи! из следующих операций: входной контроль исходного сырья (корни и корневища солодки должны сооївеїсівоваїь іребованиям ГОСТ 22839 - 77П, пода, используемая как жефагенг, должны сооївеїсівоваїь іребованиям ГОСТ 2874 -76), изготовление жидкою экс і рак і а солодкового корня, которое производится в варочном коїле бисмацерацией водой корней и корневищ солодки, которые заіружают в ситцевые мешки. В варочный ко і ел заливаю і воду (соотношение сырья и экстрагента равно 1:5), іемперагура в котле доводится до температуры 172...78 С. Продолжиіельносіь экстрагирования - 3 часа. После .жсіраіирования жидкий экстракт слипаеіся из варочпою котла в промежуточные эмалированные емкости для отстоя. После экстра! ирования жидкий экстракт сливается из варочного коїла без отжима сырья в течение 2-3 часов в промежуточные эмалированные емкосі и для оісіоя. После отсюя жидкие экстракты первой и второй мацерации сливаю і с осадков декантацией в емкое і ь сушильной камеры вакуумного сушильного комплекса. Традиционно концешрирование жидкого экстракта солодки проводится на вакуумном сушильном комплексе. Операшвный контроль за процессом концентрирования экстракта производится по снижению остаточною давления и визуальном наблюдении за поверхностью экстракта, который должен находиться в сосюянии кипения, что не сооївеїеівуеі рациональным условиям протекания процесса концентрирования [26]. В сконцентрированном экстракте содержание сухих веществ должно быть от 40 до 45% с)хих веществ (густой экстракт должен сооївегсівовать требованиям ГОС Г 22840 - 77, табл. 1.2.3), показателям безопасности гусюй экстракт солодкового корня должен сооїветствоватьСапПин Контроль по показателям безопасности - один раз в квартал в акредитованных лабораториях центра Госсанэпиднадзора. По іехнологии, реализуемой на ООО НІШ «Вулкан» іусгой экаракт являеіся компонентом в рецептуре леденцов лакричных но 1 У 9121 -004-1700085-2001. Срок хранения густого экстракта но ГОС Г 22840 - 77 состапляст 5 лет. Производство IJCIOIO и, тем более С)хого экстракта корня солодки (ЭКС) увеличивает сроки его хранения, уменьшает площади складских помещений, ) прощает процесс транспортировки при реализации внешнему иоіребиіелю.
В данной работе предлагается доводить жидкий ЭКС до порошковою состояния (содержание сухих веществ от 90 до 95%), что значиїельно снижаеі энергозатраты, в частности при подсушке производимой па ООО ППП «Вулкан» карамели, повишаеі качество дозирования и т. д. Так как с шка - )іо один НІ самых энергоемких процессов пищевой технологии, а для многих проишодств - это завершающий процесс, опредсляюиціи качество готового продукта, актуальной задачей является интенсификация процесса сушки, чю позволит повысить качество и улучшить условия хранения продукта, сократить продолжительность процесса, сберечь материальные и энергоресурсы; решить проблемы экологии. При этом очевидна необходимость разрабоїки нетрадиционных аппаратурно-тсхнолоіических решений, позволяющих вілбраіь рациональный способ сушки; решиїь задачи проінозирования путей повышения эффективности процесса сушки и сушильною оборудования. Создание высокоэффективною ооор)дования невозможно без решения следующих проблем: разработка новых консгрукций апплраіов, ипіенеифицирушщих гспло- и масеообмен, специальной сушильной іехнологии, создание комбинированных сушилок и разрабоїка ошимальных схем сушки, совмещение процесса сушки с друїими процессами, іакими как вспенивание [15-18]. Анализируя возможные варианіьі проведения процесса влаюудаления можно отмстить, что одним из эффективных приемов сушки иасюобразных чаїериалов в аппаратах с псевдоожиженпыч слоем являеіся сушка на инертных і ел ах [64] с предварительным гранулированием исходною маїериала; с применением обрабашваечого маїериала в виде «подушки», с использованием инеріньїх і ел (например, крошки фіоропласта). Кроме law, одним из современных способов конвективной сушки жидких продукюв является сушка в распыленном СОСІОЯНИИ или распылительная сушка, которая применяется для истинных и коллоидных растворов, суспензий, эмульсий, пульп, «подвижных» паст в различных отраслях промышленное! и. Экономическая целесообразное! ь распылительной сушки очевидна при необходимости сушки материалов, близких к сое іоянию насыщения (например, после выпарки), а также при организации в камере сушилки комбинированною процесса обработки. Для повышения эффективности сушки распылением используеіся ионизированный і аз, при коюром частицы приобретают одноименные заряды и не слипаю і ся. С целью сокращения энергозатрат необходимо правильно вьібраіь крашость циркуляции и температурный режим [32,84,131]. Специфические особенное і и распыли іельной сушки обусловливают ряд харакіерньїх досюинсів этого способа: высокое качество высушиваемого продую а, т.к. отсутствует его перегрев; юювый иродук і не требует дополнительного измельчения и обладает высокой растворимостью; начальная влажное і ь продукюв может бы п. знач тельной, а конечная - достаточно низкой и др.
Наряду с ним следует отмеїшь недостаїки, присущие сушке в распыленном соетянии: значительные )дельные іабариш установок, работающих при мяіких режимах; сложность и высокая сюимосіь оборудования для распыливания и улавливания пыли; сравнительно высокие энергические заграш. Известен способ получения оснеїленного порошка из экстракта солодкового корня [30] с применением процесса с)шкм п) 1сч распыления сока, оіличающийся тем, что в качестве осветляющею фактора применяется воздух, неиосредеівенно нагнеіаемьій в сок при его распылении с помощью форсунок, после чею недуг ачрацшо извлеченною из сушилки порошка экстракта в процессе ею перемещения на сотрясательной поверхности фильтровальной усіаиовки. Значшельный иніерее предеіавляют сушилки кипящего слоя с импульсным псевдоожижением. Импульсный подвод теплоносиїеля позволяеі осуществлять сушку выеокодисперспых, комкующихся материалов, обрабоїка которых в обычном псевдоожиженном слое затруднена. Пульсация іазовою потока препятствует образованию крупных газовых пузырей и сквозных каналов в слое и предотвращает вошикиовение застойных зон. Импульсное псевдоожижение па 15 - 30 % повышает коэффициент межфазною теплообмена, на 30% снижаеі расход ожижающеіо aieiua. ВОІМОЖНОСТЬ ограничения, расхода іеплоносшеля и снижения потерь в результате уноса обрабатываемою продукіа позволяет использовать их для малотоннажных производсів и сушки дороіостоящих продуктов. В [65] показаны )сіройсіво нульеапионной сушилки и перспективы применения се, сушка взрывом и необходимое для лото оборудование с применением в качестве теплоносителя продукюв детонации топлива. Ударная волна, генерируемая детонацией (температура 1400С, скорость 300 м/с), разбиваеі суспензии и пасіьі на мельчайшие частицы и капли. Время пребывания материала в камере 5с, максимальная температура 93С. В пульсационной сушилке можно обраблшваїь различные материалы, включая высоко- и низковязкие жидкосіи, жидкоіекучие пасты, и получать мелкодисперсные продукты. Кроме продукюв сюрания іоплива, в качестве теплоносителя выгодно использоваїь перетреіьій пар [83,1011. Перспективно использование ИК- и СВЧ-сушки [45, 109] ввиду ряда важных 01 линий 01 классических меюдов наїрева. Во-первых, не іребуется наличия теплоносителя, способствующего загрязнению обрабатываемого материапа; оісугеївуюг взрывоопасные концентрации и иоіери материала за счет уноса.
Сіруктурно-механичеекие и іеплофизические характернаики экстракта корпя солодки
Анализ ТРХ и ОХ продуктов с различной влажностью, а также распределения объемной ПЛ01НОСІН поглощенной энергии излучения if по глубине слоя (рис. 2.1.5) позволил выбрать рациональный вид и накал ИК-генсраторов КГТ (КИ, КГ)-220-1000 при варьируемом напряжении в различных зонах сушки и оптически тонкий слой, наиболее рациональный для вьісокоиніенсивной (вакуумной) сушки, где требуется объемный равномерный прогрев продукта. Теплофизические характериешки (ТФХ), к которым относятся коэффициенты теплопроводности X, температуропроводности а и удельная теплоемкость Ст, определяют скорость проіекания тспло-массообменных процессов при нагревании и охлаждении тел [68]. Теплопроводяїцие и тсплоинерционные снойсіва влажных материалов [74,83] определяю і скорость выравнивания температуры в различных точках температурного поля тела. Коэффициеш температуропроводности влажных материалов зависит от их плотности, температуры и давления в некотором интервале значений содержания сухих веществ. Па удельную іеилоемкость Ст большое влияние оказывает вид и энергия связи влаїи с материалом. Анализ геплофизичееких свойств материалов как объектов сушки позволяет вьібраіь рациональные режимные параметры процесса [7,126]. Интересно решение обратной задачи прогнозирования свойств конечных продуктов для обеспечения заданных іеплофизичсских харакіерисіик и структурно-механических характеристик. При этом необходимо учиїьівать объемную массу, которая определяйся пористостью материалов, или, в случае вспененного состояния сиаемы, краіпосіью пенослоя. Отмечено [431, Ч Д-1Я пористости слоя меньше 50%, іеплофизические характеристики определяюіся в основном свойствами івердого скелета. В промышленное!и широко применяются методы термической обработки продуктов во вспененном состояпи. Очевидно, что при определении ТФХ продуктов следует учитывать реальные условия проведения соошеїсівуюіцих технологических процессов. С досіаючной для инженерных расчетов точностью можно использовать закон аддитивности составляющих соединений [68]. На теплофизическис характерне] ики пищевых продуктов оказывают влияние фазовые переходы. Термодинамическое определение фазовых переходов, которые окал.іваїот существенное влияние на процесс сушки, связанный с термодинамическими парамеїрами, изменением літропии системы и энергией эндо-иди экзотермических реакций, функцией Гиббса которая определяеі свободную энергию системы.
Кроме ЮІ о, для анализа процесса сушки и решения дифференциального уравнения переноса тепла [82] необходим расчет ТФХ, которые ЯВ. ІЯЮІСЯ базой для анализа кинешки и динамики процессов, их моделирования и оптимизации. Сведения по характерне і икам расти іельпьіх экстрактов практически отсутствуют. Отдельные данные представлены для узких диапазонов влажносіей, ieMiiepaijp и і.д., а порой и вовсе оісутствуюг, полому их изучение, систематизация и обобщение актуальны и представляют несомненный научный и практический интерес. Для практического использования в численных расчетах температурных нолей в процессе сушки, получены с использованием лшературных данных [128] аппроксимир)юіцие уравнения функций Ст,Л,а = f(c,T) (с - концентрация; Т -темпсрат)ра) в реальном иніервале Г для различных диапазонов концешраций. Зависимость удельной массовой теплоемкости С„, кДж/(кг-К) от концентрации с была получена по формуле аддитивности, с использованием литературных данных: На рис. 2.2.1 показано поле значений удельной массовой теплоемкости Ст для реальных диапазонов температуры и концентрации в процессе сушки, а в табл. 2.2.1 приведены соответствующие значения. На рис. 2.2.2 и 2.2.3 приведены зависимости удельной массовой теплоемкости Ст от концентрации при фиксированном значении температуры и температуры при фиксации концентрации соответственно. Уменьшение AG может происходив юлько при снижении АА, 410 соси вета ву е г разру тению пузырьков пены, і .е. «чистая» жидкость іермодинамически неустойчива. Для ценообразования необходимо присутствие в расі воре хоія бы одного компонента, обладающею поверхностно-активными свойсівами [118], в частости, белковые компоненты. Критерии оценки пригодности продукта к пеносушке у многих авторов различны [20]. Основным недостікоч является то, что образованная пенострукгура расечаїриваетея в сыжческих условиях, вне процесса пеносушки. При эюм не учшывлкися резкие изменения стабильности и кратности пеноструктуры при іепловом воздействии, а также ввиду различных механизмов и ишенсивносіи внутреннего и внешнею тепломассопереноса. Не учитывается динамика и кинетика реального процесса сушки, что приводні к довольно грубым иросчеіам. Таким образом, статические критерии можно использовать, лишь в самой первоначальной оценке продукт как объекта, способною образовывав более пли менее устойчивую пену, но нельзя даваїь рекомендации о пригодности продукта к пеносушке. ІІриюдноеіь конкреіною продукт к пеносушке можно определить лишь в результате проведения экспериментальных исследований. Кроме того, термин «пригодность к пеносушке» не совсем корреюіен, і.к. в нем не конкреіизируюіся способы обезвоживания в пене, отражающие кинетику процессов стабилизации и распада пепы. Безусловно интересно изучение пен, образуемых в вакууме за счет самоиспарения и деіазации растворов, чю в насюящее время практически невозможно, ввиду отсутствия доеіаточно корректных меюдик и лабораюрной техники.
В этой связи пришлось ограничиться исследованиями кратности пен, образуемых в реальном процессе при низком давлении. Кратность пены определялась, как где У„ - объем пены, V. и Ущ. - объемы газовой фазы и раствора, пошедшего на образование пены. Повышение /У при пенообразовапии растворов с предварительным вспениванием об)слов ієно, но-видимо му, расширением газовой фазы (дегазацией) при низком давлении. Увеличение кратносіи пен с ростом концентрации нехарактерно для ценообразования в атмосферных условиях, где обычно/Л выше при меньших с, чт связано с изменением физико-химических свойств раствора, [давным образом с изменением его поверхностною наїяжения [118]. Однако в вакууме иной механизм генерирования иен. Т.к. вспенивание происходит в основном ввиду интенсивного внуїренпего самоиспарения, ю при повышении концентрации по-видимому увеличивается количество центров парообразования. Іекущая кратность пенослоя или слоя продукта при условии оіеуїствия усадки (Г= const) и без учета предвариіельною вспенивания при пеносушке равна: где с„ = 0,42 КІ/КІ - начальная концентрация ЭКС, /7V=I778 кг/м3 - истинная плотность сухою вещесіва, /?я=1000 кг/м3 - плоіносіь воды, с - текущая концеп ірация, /?t = l340 кг/м - плоіносіь раствора ЭКС при исходной концентрации, кг/м . Процесс пеносушки проіекаег практически без изменения объема неноеір)кі)рі.і из-за высокой интенсивности, при іюсіоянном объеме это приводит к снижению ее плоіносіи. I [ри вспенивании, объем системы увеличивается в/? раз. Зависимость плотное і и р, в КЕ/М3 ЭКС от концентрации с была получена по формуле аддиішшоети, с использованием литературных данных [128J: Анализ литературных и экспериментальных данных юворит о том, что плотность растительных экстрактов практически не зависит от их вида. Зависимость коэффициента температуропроводносш а от влияющих факторов (Т= 293 - 353 К, с В табл. 2.2.3 приведены, полученные по зависимости (2.2.8) значения коэффициента температуропроводности а для реальных диапазонов температуры и концентрации в процессе обезвоживания, а на рис. 2.1.7 показано поле соответствующих значений. На рис. 2.2.8 и 2.2.9 показаны зависимости коэффициента температуропроводности а от концентрации при определенном значении температуры и от температуры при фиксации концентрации соответственно.
Зависимоеіь эффективности сушки ог основных факторов
Экспериментальные исследования в большей сіепени учитывают характерные свойства продукта, которые шрают решающую роль при выборе и расчеіе оптимальною режима сушки. Эксперименты необходимы для определения кинетических констант модели и для проверки адекватности полученных математических решений. Из-за іромоздкости и сложности аналитических решений их часто сложно применять в практических и инженерных расчетах. Полому аналитический путь исследования менее эффективен, чем экспериментальный. Анализ литературных данных и ранее проведенных исследований показали, что при оптимизации сложных многофакторных технологических процессов, к которым относится сушка ЭКС, когда неизвесіна аналитическая связь между применяемым критерием оптимизации и независимыми технологическими параметрами, наиболее эффективным является метод математического планирования эксперимента [27,51]. Гакой метод позволяет определить минимально необходимое число ошлюв и пол чить адекватную экспериментальным данным маїематическую зависимость, которую можно использовать на практике для расчета ошимальных параметров процесса сушки жидких продуктов. При применении современных методов планирования мноюфакторных экспериментов необходимо выбрать критерии оптимизации (целевую функцию), но которому производится оценка параметров опшмадьного режима и основные варьируемые факторы, влияющие на процесс сушки. Задача оптимизации процесса сушки сводится к определению значений режимных параметров, при которых реализуется экстремум выбранной нелинейной целевой функции. При этом на варьируемые факторы должны быть наложены ограничения, обусловленные областью их возможных значений. Для отработки рациональных режимов сушки, проведены эксперименты но оценке влияния основных факюров на эффективность сушки на жспсриментальной установке рис. 3.2.1(a). Кинетику обезвоживания исследовали с помощью вероятностно-еіаіистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. Проведены исследования радиационно-копдуктивной на подложке сушки ЭКС в атмосфере и в вакууме. Исследовался ЭКС, начальное влагосодержание ко юрою контролировалось посредством высушивания навесок в вакууме до постоянного веса.
В качестве целевой функции выбрана величина съема сухого продукта с единицы площади рабочей поверхности в единицу времени: где Gc - масса сухот о продукта, кг (при с = 90%), rf - время сушки, с; S - площадь пласіиньт, м2, Gc и тс - рассчитывались на основании кривых сушки. Установлено, что к основным факторам влияющим на интенсивность процесса сушки, относятся: исходная концентрация сухих веществ с„ (кт/кт), толщина слоя /(м) (условная толщина слоя, м3/ч2), оеіаючное давление в вакуумной камере Iу (Горр, Па), илошосіь тепловою потока Ер (кВт/м2), длина волны Лта1 (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения. Границы варьирования факторов выбраны, исходя из технолоіических ограничений и возможностей іехнического осуществления процесса сушки. Диапазоны варьируемых факторов: Ер 0,91 2,3 кВі/м2, Р=0 - 760 Торр / = (0,5-2)-10-3 м, /=100-220 В. Вычисление погрешностей {Приложение 1, табл. № ІІ.І, II.2) при определении удельного съема прод кта с единицы площади проводилось в следующем порядке: составлялась таблица измерений; находились средние значения JT = -YY (и =3 - число измерений в выборке; х, - численное значение полученною удельного съема продукта с единицы площади); находились единичные отклонения Дг, = ,- ; проверялось соїласие с соотношением ЛЇ, =0; вычислялись квадраты отклонений {АХУ; находились средние квадраіичньїе отклонения Sn - ,\ {&х,У /(« —і); выявлялись и исключались из таблицы измерений промахи (приближенно считая промахами измерения, при которых Ах, 2Sn); находились средние квадратичные отклонения среднего .V = = ./ (АХ,)2 ДИ(И-І)]; задаваясь значением надежности доверительной вероятности (обычно а = 0,95) определялся коэффициент (критерий) Стьюдента ion = 4,3; вычислялись погрешности резулыаюв измерений Длг = в„ =ta„Sf; находились относительные погрешности єд =[Ах/х)-\00%. Относительная погрешность среднею резульїаіа определения удельною съема продукта не превышала с = 10%. Схема экспериментальной установки, позволяющая провести исследование тепломассообмена при выбранном варианте процесса сушки в вакууме в тонком слое пены, нанесённой на пласшну из нержавеющей сіали (подложку), с ИК-энергоподводом представлена на рис. 3.2.2(6).
Основу её составляет цилиндрическая обечайка 12, закрываемая крышкой 2, образующие іермеїичную камеру. О і качка воздуха проводилась водокольцевым насосом 16. Величина осіаіочпою давления контролировалась по вакуумметру 3. Паїрев сохнущею продукта осуществлялся посредством панелей трубчаїьіх іалоіенньїх излучаїелей 5, расположенных с обеих сторон подложки и снабженных оіражаїелями НІ полированною алюминия для обеспечения диффузного потока обл)чения. Предуемоірена возможносіь регулирования положения излучателей. Каждый из них можно включи і ь независимо, регулировка напряжения осуществлялась посредством тиристорного регудяюра, связанною с приборами коніроля напряжения и силы юка на щите управления 8. Температура подложки регистрировались автоматическим потенциомегром КСП-4 9 в комплекче с хромель-коиелевыми термопарами 14. Измерение убыли массы высушиваемою в процессе сушки продукта осуществлялось с помощью весов ВЖ-500. Показания весов фиксировались видеозаписью в реальном масштабе времени с помощью миниаиорной видеокамеры 6, помещенной перед шкалой весов и закрьпой оі излучения защишым экраном. Видеозапись с последующей расшифровкой осуіцесівлялась ПЭВМ. Камера снабжена фланцами 7 для осуществления коммутации с внешним оборудованием и смотровыми окнами 1, обеспечивающими визуальное наблюдение за процессом сушки. Для оценки зависимости эффективности сушки 01 количества тепла, подводимою к слою продукт, расчеіа распределения объёмной плоіносіи поглощенной энергии по юлщине слоя и іемпераіурньїх полей, необходимо экспериментальное определение ошимальных и максимально допустимых значений лучистых тепловых потоков, точный аналитический расчёт которых с учетом мпогокраіньїх отражений в камере затруднён. На основе литературного анализа методов измерения тепловых потоков [122] выбран универсальный тепломер для исследования процессов средней интенсивности с плошостыо теплового потока Ер -10-10000 Вт/м2.
Зависимость скорое і и вакуумной сушки во вспененном состоянии при инфракрасном эпергонодводе в обобщенных координатах от влияющих факіоров
Как изнесшо, дифференциальные уравнения описывакн целый класс однородных по своей сущности явлений, и для выделения из него конкретного явления необходимо ограничивать )казанные уравнения дополни іельньїми еловиями (условиями однозначности). То есть, дифференциальные уравнения должны решаться в совокупности с условиями однозначности в устанавливаемых последними пределах. Однако многие процессы, и, в час і нос і и, теплочассопбменнме процессы при сушке характеризуются большим числом переменных и настолько сложны, что зачастую удается дать лишь математическую формулировку задачи и усіановиїь условия однозначной и. Полученные же дифференциальные уравнения не могут быть решены известными в математике методами. Таким образом, теоретический вывод расчетных зависимостей, необходимых дтя проектирования аппаратуры, часто оказывается невозможным. В таких случаях для нахождения связи между величинами, характеризующими процесс, прибегают к экспериментальному исследованию. Эмпирические данные, как и уравнения, отражают частный случай проведения конкретною процесса и требую і научною обобщения, для чет целесообразно использование методов і серии физическою подобия, коюрая позволяеі планировать эксперименты и обрабатывать опытные длимые при проведении небольшого числа жепериментов с возможностью получать единые уравнения для всех подобных явлений [68]. Применение теории подобия позволяет вместо опытов на промышленной аппаратуре выполнять исследования на моделях значительно меньшего размера, не с рабочими, а с модельными веществами и не в жестких условиях реального производственного процесса. Методы теории подобия лежат в основе масштабирования и моделирования процессов. Методы теории подобия часто применяются и при использовании видов моделирования, в которых моделирующие процессы отличаются от моделируемых по физической природе. Однако, используя методы теории подобия, указывающие рациональные пути постановки опытов и обрабоїки полученных экспериментальных данных для вывода обобщенных расчетных зависимостей, надо иметь в виду, что теория подобия не может дать больше того, чю содержится в исходных уравнениях, описывающих исследуемый процесс. Она лишь позволяет посредством обобщения результатов опытов найти интегральные решения этих уравнений, действительные для іруппьт подобных явлений в исследованных пределах, без проведения интегрирования.
Если исходные уравнения неверно описываки физическую сущность процесса, то и конечные результаты, полученные при использовании мегодов теории подобия, будут неправильными. Как известно, инварианты или критерии подобия представляют собой выражения величин в относительных единицах, т.е. в безразмерном виде. Необходимо при распространении полученных результатов на подобные процессы, помнить, что технолої ические процессы подобны юлько при условии совместного соблюдения геометрического и временною подобия, подобия полей физических величин, а также подобия начальных и (раничных условий. При лом входящие в критерии одноименные величины могуч взаимно заменяіься. Поэтому отношения приращений УТИХ величин можно заменять отношениями самих величин. Инварианты подобия, выраженные отношением двух однородных физических величин (парамеїров), называю іся парамеїрическими критериями, или симплексами. Однако иниарианіьі подобия могуч быть выражены также отношениями разнородных величин, т.е. представлять собой безразмерные комплексы эгих величин. В силу безразмерное і и числовые значения критериев подобия, как и констант и инвариашов подобия, не зависят оі применяемой системы единиц. Критерии подобия моїуі бьиь получены для любого процесса, если известны аналитические зависимое і и между характеризующими его величинами -дифференциальные уравнения, описывающие процесс. Вместе с тем следует ОІМЄІИІЬ, то один и то і же процесс, которому соответствует определенное дифференциальное уравнение, может быть интегрально описан при использовании различных сисіем кршериев. Безразмерные симплексы или комплексы величин, в частности критерии подобия, называют также обобщенными неременными. Уравнения в обобщенных переменных называют критериальными. Критерии подобия, которые составлены только из величин, входящих в условия однозначности, называют определяющими. Критерии же, включающие также величины, которые не являются необходимыми для однозначной характеристики данного процесса, а сами завися і оі лих условий, называют определяемыми. Как следует из теории подобия, некспорые физические величины, входящие в криіерии подобия, целесообразно заменять па другие, им пропорциональные. В ряде случаев оказьшаеіся за і руд ни тельным или даже практически невозможным определиіь или вычислить ту или иную физическую величину, входящую в критерий подобия. Тої да эту величину исключают путем сочетания двух или большего числа критериев и получения сложных, или производных, критериев подобия, сосіавленньїх из основных.
При этом исключенную величину обычно заменяют на другую, ей пропорциональную, опытное или расчетное определение которой является более простым. Для весьма сложных процессов подобное преобразование дифференциальных уравнений приводит к выводу зависимостей между большим числом критериев подобия. Падежное моделирование таких процессов па малой опытной установке с последующим распространением полученных данных на производственные условия, т. е. применение изчоженных выше принципов физического моделирования, практически невозможно. Главной целью расчет процессов и аппаратов являеіся вычисление основных размеров, которые находят из кинетических уравнений связи между коэффициентом скорости процесса и величинами, определяющими течение этою процесса. Процессы сушки очень сложны, для математического описания. Корректное эмпирическое исследование процессов возможно при наличии іеории постановки опытов и обрабоїки их результатов. Такой теорией, как уже отмечалось, является теория подобия. Она отвечает на вопрос, как нужно оріанизовать опыт и обработать полученные данные, чтобы их можно было обоснованно распространить на процессы, проіекающие в условиях, отличных от условий опыт. Использование теории подобия позволяем установить области, на которые можно распросгранить данные, полученные в резульїаіе проведенного опыта, получать полуаналитические зависимое і и, сочетающие теорию с результатами оньпа. При изучении сложных тспло-массообменных процессов, не удается корректно составить и решить систему дифференциальных уравнений, описывающих процесс. Так как мної ие процессы зависят от такого большого числа различных факторов для них не удается получить полного математическою описания. В таком случае для отыскания конкретною вида функциональной зависимое!и целевой функции от влияющих факторов, т.е. для нахождения расчетного уравнения, может быть применен метод анализа размерностей. В основу метода положена л-іеорема Бзкишема. согласно которой общую функциональную зависичосіь, связывающую между собой п переменных величин при т основных единицах их измерения, можно представиїь в виде зависимости между (п-т) безразмерными комплексами этих величин, а при наличии подобия - в виде связи между (п-т) критериями подобия. Для пользования методом анализа раїмерпостей необходимо заранее знать, какие переменные должны входить в зависимость общего вида.
