Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Характеристика инженерных и научных проблемм сушки кормовых продуктов 8
1.1 Перспективы производства и области использования кормовых дрожжей 8
1.2 Общая характеристика кормовых дрожжей 11
1.3 Структурно-механические, физико-химические и биологические характеристики кормовых дрожжей 15
Вязкость 16
Поверхностное натяжение 17
Структурно-механические характеристики 18
Термоустойчивость 20
Ксероустойчивость 20
1.4 Выбор перспективного способа сушки и конструкторских решений для его осуществления 21
ГЛАВА 2 Термодинамический анализ закономерностей взаимодействия кормовых дрожжей с водой на основе изучения физико-химических, гигроскопических и теплофизических свойств 47
2.1 Теплофизические и структурно-механические характеристики кормовых дрожжевых концентратов 47
2.2 Механизм взаимодействия кормовых дрожжей с водой 59
2.3 Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии кормовых дрожжей с водой 63
ГЛАВА 3 Исследование влияния основных факторов на интенсивность сушки кормовых дрожжей на основе изучения и анализа кинетики обезвоживания 69
3,1 Экспериментальное изучение кинетики сушки кормовых дрожжей в дисперигированном состоянии 69
Описание экспериментальной установки 72
Планирование и погрешность экспериментов 75
Определение зависимости интенсивности сушки от влияющих факторов 77
3.2 Совершенствование тепломассообменных процессов и влияние основных факторов на процесс сушки кормовых дрожжей 80
Влияние начальной влажности кормовых дрожжей 80
Влияние скорости сушильного агента 80
Влияние температуры сушильного агента 81
3.2 Тепломассообмен при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии 81
Обработка экспериментальных данных по кинетике сушки 86
Анализ механизма тепломассопереноса 89
ГЛАВА 4 Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя кормовых дрожжей в процессе сушки 94
ГЛАВА 5 CLASS Моделирование процесса конвективной сушки диспергированных частиц с целью расчета температурных полей и массовлагообменных коэффициентов 104 CLASS
ГЛАВА 6 Рекомендации по практическому использованию результатов исследований для совершенствования процесса сушки кормовых дрожжей 115
Общие выводы и заключение 120
Список использованной литературы
- Общая характеристика кормовых дрожжей
- Механизм взаимодействия кормовых дрожжей с водой
- Влияние начальной влажности кормовых дрожжей
- Обработка экспериментальных данных по кинетике сушки
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время остро стоит вопрос утилизации отходов производства спиріа с точки зрения использования ценных белковых компонентов и экологической безопасности, вследствие их токсичности. В этой связи очевидна целесообразность исследований, направленных на разработку и совершенствование методов получения вторичных продуктов иі отходов спиртового производства.
Одним из основных отходов спиртового производства является барда, обладающая высокой питательной ценностью, значительный выход которой в технологии спирта создает существенную сырьевую базу для производства кормовых добавок и премиксов, однако ее использование сдерживается высоким содержанием (до 92%) влаги и токсичностью, чю снижает ареал применения в натуральном виде Очевидна необходимость снижение расходов на производство, транспортировку и хранение кормбв
За последние десятилетия предложены разнообразные технологии кормовой продукции, однако и\ внедрение и надежное функционирование требует тщательного технико-экономического обоснования и сдерживается отсутствием надежных способов и аппаратов для сушки, являющейся заключительной и наиболее энергоемкой операцией в технологическом процессе. Известно, что максимальный экономический эффект достигается при микробиологическом выращивании на основе барды кормовых дрожжей, представляющих высокоценный белково-витаминный продукт Таким образом, совершенствование тепломассообменных процессов при производстве кормовых дрожжей актуально и представляет научный и практический интерес.
Настоящая диссертационная работа выполнена в сооїветствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продукте, переработке и утипизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров».
Целью работы является получение рациональных режимных параметров проведения процесса сушки кормовых црожжей в аиспергировапном состоянии для обоснованного выбора высокоэффективного сушильного оборудования и метода его расчета
Задачи работы:
выбор перспективных направлений совершенствования тепломассообмена при сушке кормовых ірожжей на основе технико-экономического анализа способов сушки и конструкторских решений для их осуществления:
исследование путем комплексных натурных экспериментов и теоретического обобщения литературных данных іеплофизических (ТФХ). физико-химических (ФХС). структурных и массовлагообменных характеристик, а также изучения термодинамики статического взаимодействия кормовых дрожжей с воДой;
экспериментально и теоретически исследовать гидродинамику процесса псевдоожижения при сушке кормовых дрожжей:
выбор и обоснование рациональных режимных параметров и способа энергоподвода в процессе обезвоживания с учетом влияния основных факторов на интенсивность конвективной сушки кормовых дрожжей в кипящем слое,
выявление особенностей механизма вн\греннсго тепломассоперепоса при сушке в псевдоожижеином состоянии па основе жепериментальцыд и теоретических исследований. rue НАЦИОНАЛЬНАЯ 1
і БИБЛИОТЕКА ,|
« — #
- анализ полей температур и определение зависимости массовлагообменных
характеристик от влияющих параметров путем физико-математического
моделирования тепломассообменых процессов при сушке кормовых дрожжей в
псевдоожиженном состоянии;
- рекомендации по практическим методам интенсификации и расчета
тепломассообмена в процессах сушки диспергированных кормовых дрожжей и
конструкторским решениям для их реализации.
Объект исследования. Тепло- и массообменные процессы, при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии.
Методика исследований. Основой исследований является изучение гидродинамической обстановки в процессе сушки кормовых дрожжей, а также термодинамический анализ статического взаимодействия воды с кормовыми дрожжами на основе опытных данных в комплексе с теоретическим анализом для интенсификации тепломассообмена, численного расчета температурных полей и реализации модели тепломассопереноса в процессе сушки с учетом динамики изменения свойств кормовых дрожжей в реальном процессе.
Достоверность результатов исследования. Цель исследования достигнута, благодаря обобщению и анализу классических и новых аналитических и эмпирических методов изучения тепломассопереноса, на базе известных научных достижений и основополагающих работ в области обезвоживания диспергированных продуктов, положениям которых соответствуют выводы и рекомендации, представленные в работе. Полученные автором зависимости и аппроксимирующие уравнения адекватны экспериментальным данным, что подтверждено статистической обработкой результатов измерений. Методическое обеспечение и предложенные в результате исследований конструкторские решения не противоречат известным апробированным методикам рационального проектирования и конструирования аппаратов. Комплекс экспериментов и реализация физико-математической модели процесса сушки проводилась с использованием современных компьютерных математических программ, приборов и оригинальных опытных установок.
Научная новизна. Получены уравнения зависимости ТФХ. ФХС. структурных и массовлагообменных свойств кормовых дрожжей от влияющих параметров, определены и математически аппроксимированы закономерности взаимодействия воды с кормовыми дрожжами на основе термодинамического анализа.
Определены диапазоны и рационапьные значения критических скоростей псевдоожижения и уноса диспергированных кормовых дрожжей при сушке в кипящем слое Получены зависимости і идравлического сопротивления псевдоожиженного слоя продукта от скорости и физико-химических параметров ожижаюшего агента в реальном процессе обезвоживания.
Проведена зональная аппроксимация кривых сушки и скоросги влагоудаления в псевдоожиженном состоянии, а также с учетом реальных технологических параметрических ограничений и динамики процесса сушки получены уравнения зависимостей кинетических коэффициентов На основе выявленных особенностей механизма внутреннего тепломассопереноса при сушке в псевдоожиженном состоянии, выбран и обоснован рациональный режим обезвоживания. Получены аппроксимирующие уравнения целевой функции оптимизации в зависимости от основных факторов, влияющих на интенсивность конвективной сушки кормовых дрожжей в кипящем слое
Проведен анализ полей температур и определены зависимости массовлагообменных характеристик от влияющих параметров путем физико-
математическою моделирования тепломассообменых процессов и его численной реализации при сушке кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии
Практическая значимость работы Результаты исследований предназначены для совершенствования технологии сушки кормовых дрожжей, ее аппаратурного обеспечения и выбора рационального режима обезвоживания
Разработаны и изготовлена оригинальная опытная установка для изучения кинетики конвективной сушки диспергированных продуктов и методика проведения экспериментов
Предложен рациональный способ конвективной сушки в псевдоожиженном состоянии, определены и обоснованы режимные параметры процесса влагоудалепия и псевдоожижения
Усовершенствована методика расчета промышленной установки для сушки продуктов в диспергированном состоянии
Рекомендована рациональная конструкция сушилки с кипящим слоем жидкого продукта без использования инертных тел.
Предметом зашиты являются следующие основные результаты рабо і ы, определяющие ее научную и практическую ценность.
t Пути совершенствования тепломассообмена при сушке кормовых
дрожжей.
-
Диапазоны и рациональные значения критических скоростей псевдоожижения и уноса диспергированных кормовых дрожжей при сушке в кипящем слое Отрицательное значение термоградиентного коэффициента в диапазоне высоких влажностей.
-
Обоснование рациональной схемы сушки, уравнения зависимостей ТФХ, ФХС и гигроскопических характеристико! влияющих факторов
-
Особенности механизма внутреннего тенломассопереноса при конвективной сушке в диспергированном состоянии, зависимости целевой функции оптимизации от влияющих параметров, рационатьные режимные параметры конвективной сушки кормовых дрожжей в кипящем слое
-
Зависимости массовлагообменных характерисіик оі режимных параметров и температурные поля при обезвоживании кормовых дрожжей на основе реализации физико-математической модели
-
Экспериментальная установка для исследования процессов распылительной сушки и сушки в кипящем слое, методики проведения экспериментов и расчета промышленной установки для сушки продуктов в диспергированном состоянии.
Внедрение результатов работы позволяет:
повысить качество продукт а, интенсивность и эффективность сушки при «мягких» рациональных режимах обезвоживания кормовых дрожжей в псевдоожиженном состоянии без использования инертных тел,
сократить энергозатраты при сушке кормовых дрожжей.
Отдельные результат диссертационной работы приняты к использованию и дальнейшему внедрению на предприятиях ОАО «Астраханский спиртзавод» и ЗАО «Астраханский пектин», где анализ рекомендаций подтвердил актуальность исследований и экономическую эффективность внедрения результатов работы, что подтверждено прецварительным технико-экономическим расчетом (приложение 4 диссертации).
Работа «Оригинальные гехнолої ии и оборудование для сушки. Лчспандирования и фану іирования пищевых и кормовых проіуктов» выполненная при участии автора.
отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2005 г.
Реализация результатов исследований. На основе проведенных исследований и рекомендованной рациональной схемы сушки кормовых дрожжей разработаны и усовершенствованы экспериментальная установка для исследования процессов распылительной сушки и сушки в кипящем слое, методики проведения экспериментов и расчета промышленной установки для сушки продуктов в диспергированном состоянии при «мягких» рациональных режимах обезвоживания кормовых дрожжей, планируемые к использованию и внедрению на ОАО «Астраханский спиртзавод». Анализ выводов и предложенных рекомендаций подтвердил актуальность и экономическую эффективность внедрения результатов исследований и 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».
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, 2004i.); IV Международной научно - технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» в Вологодском ГТУ (г Вологда, 2004г); Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания» (г. Барнаул, 2004г.); II Международной научно - технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пишевой промышленности»в Воронежской ГТА (г Воронеж, 2004г); международной научной конференции «АГТУ - 75 лет»в Астраханском ГТУ (г Астрахань, 2005г); Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-18 в Астраханском ГТУ (г. Астрахань. 2005г): Второй международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ - 2005 (г Москва, 2005г.); 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 _1_1_ научных работ, в том числе 3_ по перечню ВАК РФ.
Личный вклад автора Автор представил в диссертации только те результаты. которые он получил лично, в том числе- постановка цели и задач исследования, разработка и изготовление экспериментальной установки и методики проведения экспериментов, анализ и обобщение результатов теоретических и проведение экспериментальных исследований, корректировка модели и ее численная реализация, выработка рекомендаций по рациональному способу сушки и конструкции для его осуществления. Предложена рациональная конструкция сушилки.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 278 страницах машинописного текста, в том числе 37 забтиц. 95 рисунков. 138 страниц приложений список литературы из 250 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Общая характеристика кормовых дрожжей
Корма растительного и животного происхождения не содержат полного набора питательных веществ, необходимых для полноценного питания. Поэтому включение в них биологически активных белково-витаминных добавок, таких, как кормовые дрожжи, содержащие 29 - 37% белка, балансирует и повышает эффективность применяемых кормов [145].
Продуцентом кормовых дрожжей является штамм СК-4 дрожжеподобных грибов Candida tropicalis. В табл. 1.2.1 приведены кормовые и потребительские свойства кормовых дрожжей на послеспиртовой барде.
Кормовые дрожжи, выпускаемые дрожжевыми цехами при спиртовых заводах, перерабатывающих крахмалистое сырье, должны удовлетворять техническим требованиям и соответствовать ГОСТ 20083-74. В табл. 1.2.2 и 1.2.3 приведен физико-химический состав кормовых дрожжей по данным ГВЦ Минсельхозпрода России.
Кормовые дрожжи производят в гранулированном или порошкообразном виде. В зависимости от показателей качества кормовые дрожжи подразделяются на четыре сорта: высший, первый второй и третий (табл. 1.2.4). Один из основных показателей качества кормовых дрожжей - содержание белка по Барнштейну. Срок годности кормовых дрожжей - 6 месяцев. По согласованию с потребителем допускается содержание влаги в дрожжах всех сортов не более 12,0% при условии использования их в течение 3-х месяцев со дня изготовления [56].
Значения коэффициента динамической вязкости суспензии кормовых дрожжей на стадии концентрирования в зависимости от концентрации и температуры биомассы показаны в табл. 1.3.3. Вязкость суспензии кормовых дрожжей в зависимости от температуры и концентрации биомассы изменяется неравномерно. В зоне концентраций биомассы от 15 до 20% сухого вещества значения коэффициента динамической вязкости изменяются от 16-10" до 182-10 Па с, а в интервале от 20 до 25% сухого вещества - от 82-10" до 425-10 Па-с.
Поверхностное натяжение
Значения коэффициента поверхностного натяжения дрожжевой суспензии на стадии ферментации при Т= 308К с увеличением концентрации биомассы от 0 до 2,5% сухого вещества уменьшается-от 72-Ю 3 до 52-10 ЗН/м (табл. 1.3,4). На стадии концентрирования биомассы от 2,5 до 15% сухого вещества значения коэффициента поверхностного натяжения уменьшаются от 58Т0 до 30-10 Н/м.
При увеличении в дрожжевой суспензии содержания углеводородов, с одной стороны, увеличивается межфазный коэффициент поверхностного натяжения на границе вода - углеводород, с другой - снижается коэффициент поверхностного натяжения системы в целом на границе с воздухом. Увеличение межфазного коэффициента поверхностного натяжения способствует образованию структуры системы. Оно становится особенно заметным при повышении содержания углеводородов в суспензии до 5 - 10%.
В интервале концентрации биомассы от 0 до 2,5% сухого вещества и содержании углеводородов от 0 до 1,6% (при температуре Т = 308К) на стадии ферментации значения коэффициента поверхностного натяжения (в 10"3Н/м) можно вычислить по формуле [191]
В табл. 1.3.8 приведен гранулометрический состав сухих кормовых дрожжей, увлекаемых с газом из сушильной камеры распылительной сушилки типа СРЦ. Плотность сухого вещества дрожжей при Т= 293К составляет 1380 кг/м3 [116].
Термоустойчивость Термоустойчивость — это биологическое свойство, которое заключается в восприимчивости микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности к интенсивности и длительности температурного воздействия.
Для продуктов микробиосинтеза термоустойчивость (в %) определяется отношением активностей препарата до и после термической обработки (ао и а соответственно):
Кривые термочувствительности позволяют выбрать оптимальные режимы сушки для каждой культуры дрожжей, которые меняются в зависимости от культуры и остаточной влажность биомассы.
С уменьшением остаточной влажности от 70 до 10% при Т = З З 8К термоустойчивость различных культур дрожжей возрастает (табл. 1.3.9). Ксероустойчивость
Ксерочувствительность - это биологическое свойство микроорганизмов, отражающее их восприимчивость к содержанию остаточной влаги в биомассе. Ксероустойчивость культуры (в %) определяется по формуле: где Г - титр обезвоженной биомассы, кл./г; Т - расчетный титр, кл./г.
При обезвоживании культур дрожжей Candida tropicalis, Torulopsis utilis, Rhodotomla gracilis от влажности 70% до остаточной влажности 10% во всех случаях наблюдается отмирание части клеток даже при температуре 293К [15, 74].
Графическая зависимость между кссрочувствителыюстью и влажностью биомассы называется ксерограммой. По кривым ксерочувствитсльности можно судить о том, в какой период процесса сушки его необходимо интенсифицировать и на каком уровне остаточной влажности процесс следует остановить.
Сушка является одной из самых энергоемких заключительных операций в пищевых и кормовых технологиях. Сушка определяет качество готового продукта, эперго- и материалоемкость производства и уровень загрязнения окружающей среды. В связи с чем необходимы тщательный учет и анализ всех факторов, влияющих на производительность, термический коэффициент полезного действия и соответственно на экономичность процесса.
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 экологической безопасности.
Механизм взаимодействия кормовых дрожжей с водой
Теплофизические характеристики определяют скорость протекания процесса нагревания (охлаждения) тел. К ним относятся коэффициенты теплопроводности Л, температуропроводности а и удельная теплоемкость с. Теплофизические характеристики зависят от природы, структуры и физико-химических параметров и характеристик продуктов.
Коэффициент теплопроводности дисперсных материалов - компонентов питательной среды, порошкообразных микробиологических продуктов (кормовые дрожжи, бакпрепараты, ферменты, аминокислотгл и др.) является величиной условной, так как на нее, кроме влажности, влияют- размер частиц, плотность, пористость, объемная масса материала и наличие дополнительного переноса теплоты путем конвекции и лучистого обмена в порах [74].
Обзор развития экспериментальных исследований теплофизических характеристик различных материалов дан академиком А.В. Лыковым.
Известно что теплопроводящие свойства влажных материалов характеризуются коэффициентом теплопроводности, теплоинерционные свойства -коэффициентом температуропроводности а, который характеризует скорость выравнивания температуры (продвижения изотермы) в различных точках температурного поля тела. При прочих равных условиях нагревается или охладится быстрее то тело, которое имеет больший коэффициент температуропроводности. Коэффициент температуропроводности влажных материалов зависит от их плотности, температуры и давления в некотором интервале значений влажности. Граница, за которой увеличение влажности не вызывает изменения коэффициента температуропроводности а, и он практически остается постоянным, обычно соответствует гигроскопической точке.
На удельную теплоемкость с большое влияние оказывают влажность материала, вид и энергия связи влаги с материалом. Количественное изменение влаги в материале вызывает изменение физико-химических характеристик.
Из литературных источников [74] следует, что коэффициент теплопроводности суспензии кормовых дрожжей при увеличении концентрации биомассы снижается неравномерно: в диапазоне значений концентрации абсолютно сухого вещества в биомассе от 0 до 2,5% - на 0,02 Вт/(м-К), в диапазоне 10,0 - 12,5% - только на 0,0034 Вт/(м-К). Зависимость удельной теплоемкости и дрожжевой суспензии от концентрации аналогична. С ростом температуры коэффициент теплопроводности (в Дж/(с м К)) дрожжей увеличивается.
Так, в частности, по данным [74] удельная теплоемкость сухого вещества дрожжей (в Дж/(кг-К)) в интервале Т= 298- 353 К равна: с = 189+3.82Т. В [74,122] приведены теплофизические свойства прессованных пылевидных и дробленных кормовых дрожжей в зависимости от удельного давления прессования, толщины образца.
Интенсификация процессов тепломассобмена базируется на современных технологических принципах, анализе теплофизических свойств материалов как объектов сушки в нашем случае и позволяет выбрать рациональные методы и режимные параметры процесса и в результате разработать эффективную конструкцию 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 и кормовых продуктов как многокомпонентных систем, выбор и разработка методов вычисления их теплофизических характеристик.
Для зернистых материалов важно учитывать их объемную массу, которая определяется пористостью, скважистостью или порозностыо продуктов. Отмечено [47], что для пористости слоя меньше 50%, теплофизические характеристики (ТФХ) определяются в основном свойствами твердого скелета. На практике широко применяются методы термической обработки продуктов в пссвдоожиженном слое и во взвешенном состоянии, когда в потоке газа обрабатываются отдельные частицы. В этом случае в расчетах необходимо учитывать ТФХ частиц.
В отличие от известных методов, специфику имеет определение ТФХ дисперсных продуктов, омываемых газовой средой, что очень важно при анализе процессов термической обработки продуктов в псевдоожижеином (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.
Очевидно, что при определении ТФХ продуктов следует учитывать реальные условия проведения соответствующих технологических процессов. С достаточной для инженерных расчетов точностью можно использовать закон аддитивности составляющих соединений.
На теплофизические характеристики кормовых и пищевых продуктов оказывают влияние фазовые переходы. Термодинамическое определение фазовых переходов связывает характер их протекания с термодинамическими параметрами, с изменением энтропии системы, с теплоємкостями, с энергией эндо- или экзотермических реакций, с функцией Гиббса (считая, что функция Гиббса определяет свободную энергию системы, равную работе, которую можно произвести при постоянном давлении и температуре).
Таким образом, для решения дифференциального уравнения переноса тепла [109] и научного анализа процесса сушки необходимы изучение и расчет ТФХ.
Исследование ТФХ продуктов является базой для дальнейшего изучения кинетики и динамики процессов, их моделирования и оптимизации.
Данные по характеристикам кормовых продуктов весьма разноречивы, представлены для узких диапазонов влажностеи, температур и т.д., а порой и вовсе отсутствуют, поэтому их изучение, систематизация и обобщение актуальны и представляют несомненный научный и практический интерес.
Кроме того, в большинстве случаев, свойства и характеристики представлены в табулированном виде, а не в виде математических зависимостей от влияющих факторов, что ограничивает и затрудняет их оперативное использование в инженерных расчетах и математических моделях процессов.
Таким образом, целесообразны анализ и обобщение основных ТФХ кормовых продуктов. Для оценки влияния отдельных теплофизических свойств на характер и продолжительность обезвоживания были изучены зависимости коэффициента температуропроводности а, теплопроводности X и теплоемкости с от температуры и влажности продукта.
Влияние начальной влажности кормовых дрожжей
В настоящее время в связи с широкой промышленной организацией сушки, во многих странах начались систематические исследования этого процесса, направленные, в первую очередь, на выявление закономерностей внутреннего массо- и теплопереноса с целью установления степени влияния температуры и влагосодержания материала на влагообменные коэффициенты и анализа физических механизмов, вызывающих внутренний массоперенос.
Наряду с физическим моделированием внутреннего тспломассопереноса существенную роль играет его моделирование [111,181], основанное на положениях термодинамики необратимых процессов [148] при высокотемпературной сушке.
Проблема расчета кинетики сушки влажных материалов ставит общую задачу математического моделирования процесса сушки материала, которое целесообразно декомпозировать на два основных уровня: микрокинетический - описание кинетики сушки единичного тела (частицы, гранулы и т.д.) или дифференциально малой его порции в аппарате и макрокинетический - описание кинетики сушки всей массы тел (частиц) в аппарате [153,156,158,159]. Описание микрокинетики осуществляется на основе различных методов, которые можно разделить на три группы [155]: 1) теоретические (математические) - аналитические и численные, основанные на решениях дифференциальных уравнений переноса; 2) полуэмпирические, в основу которых положены те или иные фундаментальные уравнения тепломассообмена, но в которых в целях «развязывания» «узких» мест описания используются различные упрощения; 3) эмпирические (например, метод «черною ящика»). Очевидные трудности расчета микрокинетики сушки на основе решений дифференциальных уравнений тспломассопроводности приводят к тому, что на практике, как правило, используются различные полуэмпирические методы развитые в работах Льюиса [238], Ледерера [237], Ньюмана [246], Шервуда [190,249], Лыкова [107,108]. Эти работы можно разбить на следующие группы [157]: 1) аппроксимируется распределение влагосодержания по толщине тела [238]; 2) аппроксимируется кривая скорости сушки; 3) решается уравнение массопереноса [107,237,238]. Широкое развитие получили полуэмпирические методы описания микрокинетики по следующим направлениям: 1) применение двухзоииых аппроксимациоиных соотношений [89,109], 2) построение обобщенных кривых сушки [60,88,91,177], 3) «развязывание» дифференциальных уравнений тепломассопереноса с помощью опытных зависимостей вида w=J[T) [83,112,154].
Использование опытных функций дает возможность свести систему дифференциальных уравнений тепломассопереноса, либо к уравнению массопроводности и строить математическое описание на его основе [154,160], либо к уравнению теплопроводности с решением задач кинетики сушки па его основе [83,84,85]. Применение методов кинетического расчета с помощью опытных кривых сушки наиболее эффективно в том случае, когда их получают для дифференциально малого объема аппарата [179], т.к. последующее присоединение к микрокинетическому уравнению, уравнений материального и теплового баланса, гидродинамики потоков позволяет получить достоверное описание кинетики и динамики сушки для всего аппарата в целом и обоснованно решать задачу перехода от результатов лабораторных исследований к промышленным аппаратам.
Методы описания микрокинетики на основе той или иной аппроксимации кривых сушки, полученных для дифференциально тонкого слоя в настоящее время широко применяются в практике математического моделирования сушилок.
Необходимо помнить, что сушка влажных материалов является не только тепломассообменным, но и технологическим процессом, в ходе которого изменяются их технологические свойства. Поэтому тепломассообмен высушиваемого материала должен рассматриваться во взаимосвязи с технологическими показателями качества продукта. В термолабильных материалах первостепенное значение имеет знание локальных температур, в материалах, не допускающих Пересу питание - знание локальных влагосодержании, в материалах, подверженных усадке, растрескиванию и короблению - знание перепадов температур и влагосодержании по их толщине. В первых двух случаях важнььм фактором становится расчет не только кинетики сушки, но и расчет локальных влагосодержании и температур в нем (динамика процесса), что повышает роль математических моделей, основанных на дифференциальных уравнениях, описывающих внутренний тепломассоперенос. В последнем случае существенным является то, что развитие неоднородных полей влагосодержании и температур в материале в ходе сушки приводит к возникновению механических напряжений, которые в свою очередь, оказывают влияние на внутренний тепломассоперенос, описание которого в силу этого еще более усложняется.
Экспериментальному изучению процесса усадки, которое преимущественно проводилось применительно к керамическим материалам и древесине, посвящено большое количество работ, обобщение которых дано, в частности, в [109,187,192]. Параллельно проводились исследования по разработке математических моделей, описывающих процесс сушки материалов, деформируемых в условиях тепломассообмена, с учетом его влажностно-структур пых превращений. В данном направлении достигнут значительный прогресс [106,128,193].
Описание процесса сушки, включая его кинетику позволяет осуществлять математическую постановку и решение задач оптимизации сушильного процесса, что и предпринято в данной работе. Очевидно, что оптимизировать надо не отдельный сушильный аппарат, а всю сушильную установку в комплексе взаимосвязанных аппаратов, включая вспомогательное оборудование. При этом особое внимание надо уделить выбору целевой функции и влияющих факторов вследствие многокритсриальности задачи оптимизации, наличии большого количества технологических ограничений, которые не всегда удается учесть в рамках формальной постановки задачи оптимизации, недостаточности данных по те пло физическим, кинетическим, гидродинамическим и др. характеристикам высушиваемого материала и самого процесса.
Обработка экспериментальных данных по кинетике сушки
В связи с тем, что тепловая обработка материала в плотном продуваемом слое достаточно экономична, часто из непроницаемых масс путем механической деструкции образуют проницаемые. Если теплоноситель легко проходит через слой волокнистых, стеблевидных и зернистых материалов (сено, зерно), то другим материалам с помощью механической обработки можно придать форму хлопьев, крупинок, кусков и т. д. (например, при нарезке овощей, диспергировании жидкостей).
Из результатов опытов [225] видно заметное влияние влагосодержание материала на гидравлическое сопротивление. Необходимо отметить большое влияние пористости материала на сопротивление слоя.
Потеря давления воздушного потока, проходящего сквозь слой пористого материала, определяет силу воздействия на слой. Эта сила уравновешена силой сопротивления слоя. В [209,240,241] приведены экспериментальные значения потери давления в слоях материала высотой 1 м. Насыпная плотность материала, объем пустот и потери напора в слое резко изменяются в зависимости от того, каким способом засыпан материал. Потери напора в слое материала линейно увеличиваются с высотой слоя. Многие материалы во время сушки имеют свойства, определяющие сопротивление материала - могут сжиматься, принимать другую форму, менять структуру поверхности, высоту слоя. Как правило, в граничных зонах емкостей материал менее уплотнен. Прохождение воздуха по этим зонам оказывает значительное влияние на общее сопротивление слоя, если отношение диаметра емкости к размеру частицы продукта меньше 50.
Для области существования взвешенного слоя потери напора теплоносителя практически остаются постоянными и равными весу слоя частиц материала, приходящему на единицу площади поперечного сечения слоя. В работе [167] рассмотрены вопросы, связанные с определением гидравлического сопротивления слоя мелкозернистого материала в аппарате со щелевым горизонтальным подводом газа. В результате экспериментального исследования предложены соотношения, позволяющие определить гидравлическое сопротивление аппарата, не заполненного слоем зернистого материала. В [92] получены эмпирическая формула зависимости гидравлического сопротивления незаполненного аппарата от скорости воздуха во входном сечении и зависимость для критической скорости фонтанирования относительно верхнего сечения.
В работе [167] исследованы пределы устойчивости работы щелевых аппаратов вихревого слоя. Авторы утверждают, что прерывистые щели имеют преимущество перед сплошными при подводе теплоносителя в вихревой слой, обеспечивая более равномерное распределение газа и беспровалыюсть.
Следует отметить, что газораспределительная решетка обладает значительным сопротивлением из-за вихрей, неправильно срывающихся с ее кромки. Для регулирования сопротивления входного устройства следует формировать поток сопловой подачи.
Зависимости для определения перепада давления в конических, цилиндроконических и вихревых агрегатах приводится в работах [14,44,64,121,124,237,243,248]. Анализ этих зависимостей показал, что в оценке влияния отдельных факторов на гидравлическое сопротивление фонтанирующего слоя нет ясности. Зависимости отдельными авторами получены в сравнительно узких пределах изменения переменных и на моделях малых размеров, что снижает надежность расчетов и делает необходим проведение натурных экспериментов для конкретных условий и материалов.
В главе III изложено описание экспериментальной установки для исследования процесса сушки, включающей приборы и приспособления для определения гидравлического сопротивления и других варьируемых параметров. При обработке экспериментальных данных оценивались погрешности измерений и расчетов (приложение 1, табл. ГТ.9) по описанной в главе III методике, так как использование измерительных устройств, приборов и приспособлений очевидно сопряжено с погрешностями. Для оценки точности измерений применялась статистическая теория ошибок.
Слой взвешенного раствора представляет собой систему с весьма сложными и многообразными физико-химическими и геометрическими характеристиками. Характер изменения кривых зависимостей гидравлического сопротивления от времени (рис. 4.1, 4.2 и П. 13-39), с точки зрения наличия характерных точек перегиба, изменение наклона кривой на различных участках обезвоживания подобен кривым сушки не только по виду зависимости, но и значениям сингулярных влажностей продукта в точках перегиба, которые практически совпадают с критическими значениями влажностей и времени на кривых сушки. Это объясняется тем, что гидравлическое сопротивление уменьшается при уменьшении влажности продукта, и как следствие, уменьшение характерного размера и массы, изменение пористости и соответственно плотности частиц. Кроме того, точки перегиба свидетельствуют изменению превалирующего вида и энергии связи удаляемой влаги с материалом
