Интенсификация тепломассообмена при сушке баклажанов

Ревина, Алла Викторовна

Интенсификация тепломассообмена при сушке баклажанов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Ревина, Алла Викторовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Астрахань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Интенсификация тепломассообмена при сушке баклажанов»

Автореферат диссертации на тему "Интенсификация тепломассообмена при сушке баклажанов"

На правах рукописи

РЕВИНА Алла Викторовна

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ СУШКЕ БАКЛАЖАНОВ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2005

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете (кафедра технологических машин и оборудования)

Научный руководитель: доктор технических наук Алексанян Игорь Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бредихин Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор Палагина Ираида Алексеевна

кандидат технических наук, доцент Кузьмин Андрей Юрьевич

Ведущая организация: ООО «Каспрыбтестцентр»

Защита диссертации состоится « » апреля 2005 г. в 10 час. 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д. 307.001.03 при Астраханском государственном техническом университету по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, АГТУ, ауд. ;

Тел. для справок: (8512) 54-62-43

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «

» марта 2005 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Промышленная переработка сырья биологического происхождения представляет собой сложный комплекс последовательно выполняемых и взаимосвязанных механических, теплофизических, биотехнологических и других специфических процессов, и требует в условиях жесткой конкуренции на рынке повышения эффективности тепломассообмена с выработкой качественных, полноценных и безопасных в санитарном отношении пищевых продуктов.

Для Российской Федерации вопросы переработки и обеспечения населения плодово-овощной продукцией актуальны, поскольку большая часть территории не имеет благоприятных климатических условий для выращивания овощей и плодов.

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 измельчение, обезвоживание и т.д. Специфика химического состава продукта, относительно большая влажность, а также особенности механизма внутреннего тепломассопереноса затрудняют использование традиционных способов обезвоживания и ставят задачу поиска новых методов, позволяющих повысить эффективность проведения процесса обезвоживания и получить конечный продукт высокого качества.

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" на 1998-2005 гг., под руководством доктора технических наук И.Ю. Алексаняна в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Технологические машины и оборудование». Отдельные экспериментальные 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 баклажанов.

Дня 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 тепломассопе-реноса 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.

Объект исследования. Тепло - и массообменные процессы, происходящие при комбинированной сушке овощной продукции.

Методика исследований. Основой исследования является анализ термодинамических закономерностей взаимодействия баклажанов с влагой, а также использование при этом известных из литературы практических и экспериментальных данных с целью подтверждения теоретического анализа. Полученные результаты использованы для дальнейшего анализа процесса сушки, решения дифференциальных уравнений тепломассопереноса и численных расчетов температурных полей в процессе сушки в оптически тонком слое.

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 Полученные результаты не противоречат их положениям. Использованные и усовершенствованные методики расчета, а также предложенные технические решения согласуются с опытом их проектирования, экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями. В натурных исследованиях использовались методы статистической обработки результатов измерений, для реализации численно-аналитических моделей использовались пакеты современных компьютерных программ.

Научная новизна. Получены аппроксимирующие зависимости ТФХ, ФХС, CMC, TPX и ОХ баклажанов. Выявлены особенности статистического взаимодействия баклажанов с водой, получены зависимости термодинамических параметров от основных факторов.

Получены уравнения кривых сушки и скорости конвективной и радиационной сушки для различных зон влагоудаления и аппроксимирующие зависимости кинетических коэффициентов сушки. Для оптимизации процессов и математического описания кривых сушки и скорости сушки использован многозонный метод аппроксимации.

На основе экспериментально-аналитического изучения кинетики сушки выявлены особенности механизма внутреннего тепломассопереноса для овощных продуктов.

Получены зависимости массовлагообменных характеристик от параметров процесса на основе численно-аналитического метода расчета полей температур и определения коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара.

Разработаны рациональные осциллирующие комбинированные режимы для сушки баклажанов

Практическая значимость работы. Результаты исследований предназначены для использования при создании технологий сушки овощных продуктов, при выборе рациональных режимов сушки и проектировании эффективного сушильного оборудования

Разработаны варианты проведения процессов радиационной, радиационно-конвективной атмосферной сушки и нанесения продуктов на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок, а также устройства для их осуществления, обоснованы режимные параметры. Получены рациональные осциллирующие режимы комбинированной сушки баклажанов.

Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:

1. Пути интенсификации тепломассообмена при сушке плодоовощных продуктов.

2. Отрицательное значение термоградиентного коэффициента в диапазоне высоких влажностей.

3 Обоснование комбинированного энергоподвода, получение аппроксимирующих уравнений для оптических характеристик и функций распределения объемной плотности поглощенной энергии по глубине оптически тонкого слоя

4 Выявление механизма внутреннего тепломассопереноса, получение зависимостей интенсивности сушки от варьируемых параметров, разработка способов радиационно-конвективной атмосферной сушки баклажанов, способы нанесения овощей на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок

5 Зависимости влагообменных характеристик от параметров процесса на основе расчета полей температур

6 Методики и программное обеспечение для прогнозирования и получения осциллирующих режимов

7 Экспериментальные (установки для исследования процессов ИК, конвективной сушки и сушки в кипящем слое) и опытно-промышленные образцы (комплексная установка с комбинированным энергоподводом и осциллирующим режимом сушки с механизированными операциями загрузки, резки, нанизки и выгрузки для плодов и овощей в дольках) сушилок

Внедрение результатов работы позволяет

- сократить время сушки сырья растительного происхождения при сохранении высокого качества продукта,

- уменьшить удельные затраты энергии и материалоемкость оборудования при обезвоживании овощных продуктов,

- выбрать рациональные технологические режимы при проектировании эффективного сушильного оборудования и разработке технологий консервирования пищевых продуктов

Реализация результатов исследований. На основе предложенной технологии сушки разработаны и усовершенствованы экспериментальные (экспериментальные установки для исследования процессов ИК, конвективной сушки и сушки в кипящем слое) и опытно-промышленные образцы (комплексная установка с комбинированным энергоподводом и осциллирующим режимом сушки с механизированными операциями загрузки, резки, нанизки и выгрузки для плодов и овощей в дольках) сушилок, планируемые к внедрению в ООО «Био-техеинтез» и в ООО «Парад» (мясокомбинат «Астраханский»), где анализ и проверка полученных в работе результатов показали целесообразность их использования в рамках региональной программы «Создание в Астраханской области комплекса по переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров» на 2000-2005гг Программа пролонгирована для развития производства сухих плодов и овощей и концентратов животного и растительного происхождения

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, 2004 г ), Всероссийской конференции «Вузовская наука - региону» в Вологодском ГТУ (г Вологда, 2005г ), II 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, 2004 г )

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, 2004)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе одна по списку

ВАК

Личный вклад автора. Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично, в том числе постановка вопросов и входящих в них задач, организа-

ция и проведение экспериментальных исследований, обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, реализация численно-аналитических моделей процессов сушки, разработка предложений по техническим решениям и практических рекомендаций, разработка по результатам исследований опытно-промышленной сушилки.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 174 страницах машинописного текста, в том числе 2 таблицы, 74 рисунка, 30 страниц приложений, список литературы из 185 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Структура работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначены основные направления совершенствования техники и технологии сушки овощных продуктов, обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований.

В первой главе «Характеристика инженерных и научных проблем интенсификации тепломассообмена при сушке пищевых продуктов» выполнен анализ современного состояния и перспектив интенсификации тепломассообмена при производстве сухих продуктов и концентратов. На базе основополагающих работ по сушке А.В Лыкова, А.С. Гинзбурга, ИА. Рогова, П.Д. Лебедева, Б И. Леончика, Ю.В. Космодемьянского, СГ Ильясова, Ю.М. Плаксина, АА. Буйнова, И.Ю. Алексаняна и др. проанализированы способы сушки и пути ее интенсификации, конструкторские решения сушильных установок, устройств нанесения продуктов на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок, а также методы предварительной обработки продуктов перед сушкой. Рекомендованы рациональные энергосберегающие технологии и способы сушки и конструкции для их осуществления, различные виды энергоподвода с акцентом в сторону объемных способов, возможностью их комбинации, применения осциллирующих режимов. Даны рекомендации по выбору нетрадиционных способов сушки.

В результате рекомендована рациональная для овощных нарезанных продуктов схема радиационной сушки в осциллирующих режимах и конвективной досушки в дольках (тонком слое), наносимых на игольчатые носители для уменьшения адгезии. Этот способ обеспечивает высокую интенсивность сушки, «мягкие» температурные режимы, непрерывность процесса сушки, хороший съем с рабочей поверхности, повышение качества сухой продукции

Во второй главе «Анализ основных термодинамических закономерностей взаимодействия баклажанов с водой» приведены результаты экспериментально-аналитического изучения статики сушки баклажанов.

Анализ изотерм сорбции, полученных тензометрическим методом, позволил установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмголыда (1), изменения энтропии и внутренней энергии по влагосодержа-нию Up при Р,Т= const (рис.2). На изотерме сорбции баклажанов (рис.1) можно выделить пять характерных участков (зон), разделенных точками перегиба, что обусловлено наличием клеточных оболочек и мицелл в продуктах растительного происхождения, предполагающих превалирование осмотического механизма сорбции. Поскольку процесс сушки проводится до значения рекомендуемой конечной влажности «монослоя», то для баклажанов £/,,=0,062 кг/кг.

ви »1 0.1) М OB U 0» М» «Л t3 Й35 > J «Л»

Рис. 1. Изотермы сорбции баклажанов Уравнение Гиббса - Гельмгольца Дf = Де -т-as (1), где Де; as - изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии по uf при р, т=сапл.

Продифференцировав (1), получим.

Г ме'

дАГ

эи„

зае ди

-т

р;

ЭЛЯ

\ р )

(2), где

- изменение внутренней энергии (теплового эффекта) сорбции. Энергия связи

Рис 2 Зависимость свободной (^[(11), Рис 3 Зависимость термоградиентного ко-

\ ■> эффициента § от влажности и„ при

связанной ^ адд^ (I) энергии от влажности сорбции

ир при сорбции

Количество тепла для испарения 1 кг влаги с учетом энтропийной составляющей

Г = г+гсм + Гжт = 3118.458 М О3 - 2286.66 ■ Т - 55.(5) • КГ 1п Д, + 55.(5)Г

Э(Д5)

(4)

Разность химических потенциалов Ар как дифференциальное изменение свободной энергии Гельмогольца ар равна д^ _ дА^" Термоградиентный коэффициент

зи„

дА^ I _[ ди 1 Аппроксимация гигроскопических характеристик

р 1 ят 1 [дА/и )т

позволила по-

лучить зависимости

1п А„ = {а,Т + Ь, + (с,Т + <1,), [ = . \2а,Т + Ь,)ир + (2с,Г + 4,Л

1 ди

Р)

т,Р

где а„Ъ„с,Л -эмпирические коэффициенты, полученные экспериментально-аналитически для

казадой зоны и представленные в таблице 1,1- порядковый номер зоны (участка изотермы)

Величина термоградиентного коэффициента 6Р имеет отрицательное значение не только при малой влажности, что обусловлено явлением теплового скольжения при эффузионном переносе пара в разветвленной сети микрокапилляров, но и при высоких влажностях (рис 3), что свидетельствует о перемещении влаги против потока тепла Скорость такого термоосмотического движения пропорциональна градиенту температуры и обусловлена взаимодействием молекул пара и продукта, эффектом "защемленного" воздуха, расширяющегося при росте температуры и вытесняющего пар и воду в большей степени в более нагретых областях, что создает обратный поток влаги

Полученная зависимость энтропийной составляющей внутренней энергии для ряда продуктов свидетельствует о значительной гибкости макромолекул и наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек) и структурном и осмотическом механизме их взаимодействия с водой Установлено, что для интенсификации процесса сушки подобных продуктов целесообразно диспергирование (нарезка, измельчение, экструдирова-ние, кипящий слой и т п ), применение поверхностных (со стороны отвода влаги) или объемных способов энергоподвода

Таблица 1

^Границы

\Зон {/,<0,04 1=1 0,04< U„ <0,062 1=2 0,062< Up <0,113 i=3 0,113< Up <0,245 i=4 Up >0,245 i=5

Коэф-тьК

А 0 0,36409091 -0,05021569 -0,01993939 -0,02176524

В 45,5466667 -88,25136393 24,72986387 8,39133217 7,71391532

С 0 -0,01456364 0,01112337 7,702115 10J 8,14948 10'J

D -3,431267 1,92065562 -5,08418071 -3,23792725 -3,07195914

В третьей главе «Теплофизические и структурно - механические характеристики объекта обработки» изложены результаты экспериментально-аналитических исследований ТФХ и CMC баклажанов как объектов сушки Важным свойством капиллярно-пористого продукта является его пористость Для унификации различных макропараметров пористости при реализации математических моделей как универсальный параметр применена кратность fi

Изучена истинная и физическая плотность баклажанов На основе экспериментальных исследований и литературных данных получены аппроксимирующие зависимости для плотности и кратности баклажанов от влажности в реальном процессе сушки при условии незначительной усадки материала в процессе высокоинтенсивной сушки

ТФХ баклажанов изучались методом регулярного режима На базе результатов экспериментов, анализа литературных данных с использованием формул аддитивности получены зависимости теплоемкости ст, коэффициентатеплопроводности Л и температуропроводности а от влажности (концентрации сухих веществ) и температуры продукта

Удельная массовая теплоемкость с использованием правила аддитивности

4,586-1-1784.19»

^^•(M-mHi-c')].^)-^)^5^-1? (т~Х)

с (с А =-'-273-

"-Л1-"*/ 4,ЯЯ-|Л4,1«

/>(с)-Ас)+10 (Р(с)-\)

Коэффициент теплопроводности

Л(с,/) = |б,427 1СТ5 p(c)^ja(t), коэффициент

тем пературопроводности a(c,t) = X(c,t)l[C,{c,i) р(с)\ Коэффициентассоциации воды «(/) =-3,08642 1СГ8 /3 +4,287037 10'5 i2--0,020588 Î+4,28846

Плотность продукта при различных влажно-с т я х п о формуле аддитивности

Р = Р* Р.ИР. (1-™)+А, где р^ = 1450 кг/м3 - истинная плотность вещества, рш - плотность воды, w - влажность продукта

теплоемкости

Процесс сушки протекает практически без изменения объема структуры и объема из-за высокой интенсивности

Текущая р" при K=const по формуле аддитивности р" = (¿>"(l-w„))/{l — w)

Кратность р = ' где Vce - объем монолита вещества Начальная пористость баклажанов /7=0,13 К р а тД =е]Д1т- /7)р=Ы49у щ а я плотность р(с) - рят снт!с, где Ртч->Стч - соответственно начальная плотность и содержание сухих веществ, Pkoi = 970кг / м1, ст = 0,06кг / кг Текущая кратность р(с) = (Д, р(с) с)/{ртч стч ) при отсутствии усадки

Полученные результаты использованы для дальнейшего анализа процесса сушки, решения дифференциальных уравнений тепломассопереноса и численных расчетов температурных полей в процессе сушки в тонком слое

В четвертой главе «Экспериментально- аналитическое изучение инфракрасного энергоподвода в процессе сушки» обоснован ИК - и комбинированный энергоподвод для баклажанов ОХ и двуполусферические ТРХ определялись экспериментально-аналитическим методом, предложенным в работах Ильясова С Г и Красникова В В При этом в спектрофото-метрической лаборатории МГУПП исследованы спектральные отражательные R^ и пропус-кательныеТ'д способности баклажанов с различными содержанием влаги и условиями облучения длина волны) (рис 5,6,7,8) Однако радиационная сушка осуществляется при облучении интегральным потоком, причем интегральные ТРХ зависят от вида, накала генераторов и условий облучения Для вычисления интегральных ТРХ использован наиболее приемлемый для инженерных расчетов метод усредненных ОХ и ТРХ материала, согласно которому интегрально усредненная ОХ равна

(5)

где - спектральная полусферическая величина, осредненная по спектральному составу падающего потока, ДК - конечный спектральный шаг Для полной оценки эффективности ИК-генератора установлено распределение по толщине слоя объемной плотности поглощенной энергии излучения m — flx, W) С этой целью вычислены оптические интегральные характеристики, справедливые для оптически тонкого слоя На основе обработки эксперименталь-

ных результатов и литературных данных получены зависимости для ТРХ и ОХ от влажности на различной глубине х

Я,, т, Я,, т,

1 ik ft

1X4 0 5 (L6 ft7 оа 0J 1

1 1

i [ 4

Д.мкм

Рис 5 Направленно-полусферические ТРХ баклажанов для влажности \¥=82% при толщине слоя I мм (1 - Я„ 3 - Т,), Змм (2-й,, 4 - Т,)

Д,мкм

Рис 6 Спектральные - двуполусферические ТРХ баклажанов для влажности W=82% при толщине слоя 1 мм (1 - Я, 3 - Г,) 3 мм (2 - Я,, 4 - Г,)

В действительности происходит сушка слоя конечной оптической толщины, 1де часть теплового потока пропускается структурой, многократно отражается от рабочей поверхности или поверхности продукта и вновь проникает в продукт

Поэтому по предложенному Ильясовым С Г дифференциально-разностному методу можно получить распределение по толщине слоя объемной плотности поглощенной энергии излучения © -f(x, W¡})

Анализ ТРХ и ОХ продуктов с различной влажностью, а также распределения объемной плотности поглощенной энергии излучения w по глубине слоя (рис 9) позволил выбрать рациональный вид и накал ИК - генераторов KIT (КИ,КГ)-220-1000 при варьируемом напряжении в различных зонах сушки и оптически тонкий слой, наиболее рациональный для высокоинтенсивной (вакуумной) сушки, где требуется объемный равномерный прогрев продукта

а, т, r,,t,

\ ,мкм

Рис 7 Направленно-полусферические ТРХ баклажанов для влажности \У=7 % при толщине слоя 1 мм (1 - Я„ 3 - Т,\ Змм(2-Я, 4 — Г,)

Л, ,мкм

Рис 8 Спектральные-двуполусферические ТРХ баклажанов для влажности % при толщине слоя 1 мм (1 - Я„ 3 - Т,\ Змм (2-Я,, 4 -Т,)

Объемная плотность поглощенной энергии для двухстороннего облучения слоя

Mx,W)= L(x,W)E„

1-Я» И

l-V2^,*)

exp (-L(W,x)x)~

exp (L(fV,x)x)

L(l-x,W)E„2

1 -д.И

l-V2^,/-*)

ехр(-1(»\/-хХ'-*))

\V2(W,I- x)

Я.СГ)

,^ = R00exp(-L /), где / - толщина слоя, м, Eni, Еп2- плотность па-

дающего с одной и другой стороны потока, Вт/м , £ - коэффициент эффективного ослабления, м"1, отражательная способность оптически полубесконечного слоя

2J 10°

2 10е

15 rf

1 10"

w, ВтлцЗ

с = 0,5" юг'кг ^1,-Т.кВ г/ы1

\ /

0001 00015 0 002

00023 оооэ X м

К примеру, отражательная интегральная способность оптически полубесконечного слоя при №=0,01-0,9 кг/кг, Агт^=1 45 мкм

= -0,03042 (^ + 0,13913, Цх,Щ=(2 №+4,027)) (х 1&)3+ +(-•2 №+1,14) (х II)1)2+(-60167 ¡V--42,167) (х 1<?)-201,333 №+ +1669 П) где х - глубина слоя Рис 9 Объемная плотность поглощенной энергии

Получены аппроксимирующие уравнения интегральных ОХ и и/ для оптически тонкого слоя и двухстороннем облучении для баклажанов (6,7)

Эти зависимости используются в дальнейшем для реализации математической модели процесса высокоинтенсивной сушки в тонком слое, а также для оценки эффективности ИК -генераторов

В пятой главе «Исследование влияния основных факторов на эффективность сушки баклажанов» приведены результаты изучения кинетики сушки на разработанных экспериментальных установках (рис 10,11,12) с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных В качестве целевой функции выбран съем сухого продукта с единицы площади (объема) рабочей поверхности в единицу времени К [кг/(м2 ч)]

Проведены исследования радиационной и радиационно-конвективной двухсторонней сушки при нанизке долек продукта на игольчатые носители

Установлено, что основные факторы, влияющие на интенсивность сушки толщина слоя I (м), плотность теплового потока Еп (£'), (кВт/м2), длина волны Хтах (мкм), соответствующая максимальной интенсивности излучения, температура подаваемого продукта /<■« (К), скорость сушильного агента V (м/с), температура сушильного агента Т или 1Л (К) при конвективной сушке Границы варьирования факторов выбраны, исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки Диапазоны варьируемых факторов £'=1,34-6,2 кВт/мг, /(=(1-3) !03 м,¿/=100-220 В; Лт1х =1,39^- 1,5 мкм, 7=333-373 К, у=1Д-5 м/с

Рис 10 Установка для ИК сушки 1-корпус, 2-смотровое окно, 3-ёмкость для исходного продукта, 4-насос для подачи продукта, 5-вакуумный насос, 6-манометр, 7-панели ИК - излучателей, 8-щеточный распылитель, 9-термопара, 10-пластина, 11-игольчатый носитель, 12-весы, 13- цифровой измеритель ёмкости, 14-потенциометр, 15-шит управления, 16-коллимационная труба

Рис 11 Конвективная сушилка 1- циркуляционный трубопровод, 2- сушильная камера, 3- калорифер, 4- термометр сопротивления, 5- весы, 6- сухой термометр, 7- мокрый термометр, 8- заслонки, 9- вентилятор, 10- пускатель, 11-позиционный переключатель, 12- показывающий мост, 13- дифференциальный манометр, 14- диафрагма, 15- амперметр 2 секции, 16- вольтметр 2 секции, 17 -ЛАТР 2 секции, 18- амперметр 1 секции, 19- вольтметр 1 секции, 20- ЛАТР 1 секции, 21 - анемометр цифровой переносной Рис 12 Установка для изучения сушки в

псевдоожиженном слое 1-ресивер,2-манометр,3-щит управления,4-компрессор,5-электродвигатель, 6,12-психрометры,7-веитиль регулировки расхода воздуха,8-реле давления,9-газоход для измерения расхода, 10-потеициометр,11-анемометр цифровой, 13-пробоотборники, 14-стеклянная царга, 15-устройство ввода сырья, 16-газораспределительная решетка, 17-Потоки: / - подвод охлаждающей воды. ¡1 - от- калорифер, 18-газоход для измерения вод охлаждающей воды, 111 - поток воздуха в температурь. (термопара медь-ресивер, IV- поток воздуха в калорифер, V- по- константен), 19-рама,20-микроманометр, ток нагретого воздуха, VI - подвод сырья, VII- 21-пьезометрические трубки выход газового потока в рукавный фильтр

Эксперименты проводились по полному однофакторному многоуровневому плану и по многофакторному многоуровневому плану, при фиксации всех побочных параметров для уточнения влияния отдельных факторов на эффективность сушки, составления полной формализованной математической модели и окончательной отработки режимов В результате серии экспериментов получены кривые сушки (рис 13,14), математическая обработка которых позволила получить адекватные аппроксимирующие зависимости целевой функции от варьируемых факторов

•ч

\ д' Л.

V 'Л

\ \

ч 2, ч

\ /

* ч1 ч

Рис 13 Кривые ИК сушки = \,42мкм (С/=140В), / = 2 мм

Рис 14 Кривые сушки при конвективной досушке 1 - гс=333 К, 1>=1,2 м/с, 2 - /,.=353 К, у=1,2 м/с,

3 - (,=333 К, у=3,4 м/с, 4 - (с=353 К, 1=3,4 м/с

(/ Ю')2 +

У'(Е,1,Х) = 1,33

(/ 103) +

1 -£ = 3,1, 2- 2,358, 3-1,4,4- 0,91 кВт/м'

Зависимость целевой функции от варьируемых факторов при радиационной сушке в атмосфере при двухстороннем энергоподводе

(0,815 Л-1,2225) £' + (1,66125 Л-2,491875) Е2 + + (-13,03 Л + 19,2377) Е + (7,52 Л-11,0981) Г(5,22625 Л-7,839375) Е" + (-52,0875 Л + 78,13125) £г + [+(123,945 л-184,684) £ + (-64,9825 Л + 96,77075) + (0,65375 Я-0,980625) £' + (13,82375 Л-20,735625) £2 + + (-59,30125 Л + 88,199575) £ + (37,9175 Л-56,03015) Средняя относительная погрешность ± 5,6%, средняя относительная погрешность аппроксимации ± 0 05 %

Таким образом, исследовано влияние основных факторов на интенсивность процессов различных способов сушки, что позволило определить рациональные режимы сушки, которые рекомендованы для практического использования Часть результатов реализована в опытно-промышленных сушильных установках Г, кгД*2ч)

Рис 15 Удельный съем сухого продукта = 1,42мкм, е, I- номера шагов (ае, л1) по осям Е (кВт/м2) и / (мм) £=0,67-3,1, /—1—3, размер шага отношение диапазона варьирования к числу шагов

Отметим, что тепловой поток, равный и выше 2,73 кВт/м , создавать нецелесообразно, т к поверхность продукта начинает подгорать и стекловаться при влажной сердцевине, что приводит к ухудшению качества сухих продуктов и уменьшению удельного съема ¥ вследствие повышения сопротивления влагообмену «застеклованной» поверхности

При ИК - сушке отмечено наличие максимума Упри 11= 140В, что обусловлено смещением длины волны излучения (.Ягпах ) максимума интенсивности в спектре ИК-генератора, к длине волны 1,42 мкм, соответствующей полосе поглощения влаги Применение светлых излучателей при и > 140 В для сушки продуктов не рационально из-за их термопластичности и локального подгорания Зависимость съема сухого продукта от толщины слоя или массы нанесенного продукта имеет довольно сложный экстремальный характер Здесь наблюдается два максимума Увеличение / выше 3 мм приводит к быстрому спаду У, по-видимому, из-за перехода слоя из оптически тонкого в оптически бесконечный, уменьшения эффекта объемных энергоподвода и испарения влаги, ввиду ограниченной пропуска-тельной способности продуктов, являющихся сильно рассеивающими излучение средами Нижний предел /=1мм обусловлен техническими возможностями нарезки долек Экстремальный вид зависимости обусловлен взаимным влиянием двух факторов на целевую функцию У Это с одной стороны понижение продолжительности сушки при уменьшении толщины слоя, и с другой, возрастание съема сухого продукта при повышении удельной массы нанесенного продукта Резкое возрастание скорости сушки при низкой влажности обусловлено удалением осмотической (структурной) влаги (связанной энтропийно), которая становится свободной при подгорании продукта (что видно визуально) и, как следствие, разрушении клеточных оболочек Поэтому целесообразно применение комбинации инфракрасной и конвективной сушки в тонком или кипящем слое на конечном этапе

В шестой главе «Анализ механизма тепломассопереноса на основе кинетики сушки» проанализированы особенности тепломассопереноса для баклажанов при сушке в тонких слоях На основе проведенных экспериментов по изучению кинетики сушки получены кривые скорости, радиационной и радиационно-конвективной сушки (рис 16-18), позволяющие вывести функциональные зависимости для продолжительности обезвоживания в любой зоне Проведена аппроксимация кривых сушки и скорости сушки предложенным Алексаня-ном И Ю многозонным методом с учетом энергии связи и вида связи влаги с материалом Границы зон определяются точками перегиба кривых скорости сушки и хорошо согласуются с результатами исследований основных термодинамических закономерностей взаимодействия баклажанов с водой (гл 4)

Значения критических влажностей (концентраций) и скоростей сушки в точках перегиба (см рис 16-18) обусловлены изменением характеристик продуктов, энергетики и вида связи влаги с материалом, а также структурно-механическими изменениями, взаимосвязанными с интенсивностью процесса сушки и определяемыми характеристиками продуктов На кривых скорости сушки наблюдается аномальный рост скорости при низкой влажности в процессе высокоинтенсивной сушки или периодические пики с участками постоянной скорости в течение процесса, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри клеток, вследствие либо резкого, либо периодического разрушения полупроницаемых оболочек клеток при повышении внутреннего давления и образовании молярных потоков пара, создании существенных градиентов общего давления и, как следствие, резком снижении энергии связи влаги с материалом Это отчетливо проявилось визуально при сушке долек баклажанов, которые после высыхания до определенной влажности обезвоживаются и одновременно подгорают Осмотический и структурный характер связи в отличие от 1еплового связывания воды химическими и молекулярными силами определяется величиной энтропии, т е такую влагу можно считать энтропийно связанной Это доказывает значительное влияние энтропийной составляющей свободной энергии

Сделанные выводы подтверждают рациональность осциллирующих комбинированных режимов сушки с точки зрения интенсификации тепломассообмена Полученные уравнения скорости сушки для различных зон и аппроксимирующие зависимости кинетических коэффициентов сушки от различных факторов использованы в дальнейшем для реализации математической модели процесса обезвоживания и определения рациональных осциллирующих режимов

При зональной аппроксимации кривых сушки получим зависимости для скорости сушки в виде (dw/dt)t « (A¡ + Brwf1, где при ИК - энергоподводе:

A, = (апЕ3 + ЬцЕ1 + СцЕ + d„)h2 + (ацЕ3 + ЬаЕ2 + саЕ + drfh + ац-Е3 + +bi3E2+ +ci3E + d,3\

B, - (ац-E3 + Ь,гЕ2 + Сц Е + du)h2 + (a,¡ E? + Ь,УЕ2 + ciS E + d¡s)h + ац-Е3 + +bi<¡É1 + +ci6 E

+ d«¡.

Аналогично получены зависимости влажности (концентрации) границ зон. При конвективной досушке: А, = (a,rT + b„)v + с„Т + d„; В, = (а,2Т + bi2)v + с,2Т + da,

где а,, в, -кинетические коэффициенты сушки; í - порядковый номер зоны сушки; w — влажность продукта, кг/кг; а,, Ь„ с„ - эмпирические коэффициенты; Г -температура сушильного агента при конвективной досушке границы зон: w„= 0,653, w¡- 0,48, vt>¿= 032 кг/кг

|dff/dx|, кг/(кг-с)

MB г

|dW/dx|, кг/(кг-с)

Л/

4 А/ А Л

"7"

W. кг/кг

с, кг/кг

Рис.17. Конвективная досушка баклажанов в дольках при й — 0,003м: 1- v = 1,2 м/с, Г= 333 К; 2 - v = 3,4 м/с, Т = 333 К, 3 - V = 1,2 м/с,Т= 353 К; 4 -v = 3,4 м/с, 7"=353 К

Рис.16. Кривые скорости ИК сушки баклажанов в дольках при 2-хстороннем энергоподводе при h = 0,002м; Хщ, ~ 1,42мкм: 1 - £„ = 0,91 кВт/м2; 2 - £„ = 1,4 кВт/м2; 3 -£„ =2,358 кВт/м2; 4-£„ = 3,1 кВт/м2.

Алгоритм получения осциллирующих рациональных режимов сушки.

1. Получаем кривые сушки. 2 Производим зональную аппроксимацию кривых сушки с учетом изменения комплекса свойств и термодинамики взаимодействия влаги с продуктом. 3. Получаем зависимости скорости сушки от влияющих факторов дифференцированием уравнений кривых сушки позонно, 4. Находим интеграл функции скорости сушки С2 ¿с

| ~—dc —F(c, варьируемые параметры) в диапазоне концентраций зоны, показывающий с, ЯГ

суммарную интегральную скорость в зоне. 5. Определяем целевую функцию - произведение суммарной интегральной скорости сушки на параметр, прямо влияющий на производительность процесса (для сушки в слое - толщину слоя). 6. Находим оптимальные значения параметров в каждой зоне и максимум искомой функции. (В частности, в среде MATHCAD, используя опцию "maximize"). 7. Получаем аппроксимирующие уравнения скорости сушки по зонам в рациональном режиме (при оптимальных параметрах). 8. Определяем продолжительность сушки при максимальной целевой функции.

Перемещение влаги к поверхности через сеть микрокапилляров или пленочный каркас осуществляется, в основном, в виде пара, диффундирующего через утоньчающиеся в про-

цессе обезвоживания пленки жидкости или стенки капилляров и клеток, при увеличении градиента давления пара в слое, что приводит к росту скорости диффузии пара через "закрытые" жидкостными менисками капилляры, где на одном мениске происходит испарение жидкости, а на другом - конденсация равного количества пара, при очень малом перепаде температуры вдоль капиллярной поры, т.е. испарение и конденсация происходили бы при одинаковой температуре, а количество испарившейся и сконденсировавшейся жидкости равно.

Рис.18. Кривые скорости ИК - сушки и конвективной досушки баклажанов при рациональном осциллирующем режиме

Такой перенос пара внутри "закрытой поры" термодинамически равнозначен переносу жидкости. На мениске или пленке изменяется температура при изменении давления, что обуславливает большую интенсивность испарения по сравнению с конденсацией (отвод энергии) с одной стороны пленки и, наоборот (подвод энергии), с другой. Т.е. диффузия пара происходит в виде последовательных эквимолярных процессов испарения и конденсации пара на жидких пленках, менисках, стенках клеток при малых градиентах концентрации и температуры, в пользу чего говорит отсутствие при высокоинтенсивной сушке усадки, которая неизбежна при существенных градиентах влажности. При этом процесс десорбции практически заменяется процессом выпарки, определяющимся только градиентом давлений, под действием которого влага может перемещаться как в виде пара, так и, частично, в виде паро-жидкостной эмульсии. Поток пара может захватывать частицы влаги, что увеличивает общий поток влаги. Однако преимущественное значение градиента давления не исключает движение влаги и, в основном пара, под действием градиента температуры.

В седьмой главе «Аналитический численный расчет полей температур, коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара с учетом динамики процесса сушки» реализована математическая модель процесса радиационной и комбинированной сушки при осциллирующих режимах в тонком слое, получены массовлагообменные характеристики. Ввиду сложности экспериментального определения полей температур при высокой интенсивности процесса сушки и трудности аналитического решения системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса при переменных коэффициентах использовано численное решение уравнения переноса теплоты с учетом массопереноса, термодинамических параметров, динамики изменения комплекса свойств и характеристик продуктов, фазовых переходов и внутренних источников теплоты при разнородных краевых условиях. Дифференциальное уравнение переноса теплоты при одномерной задаче в случае объемного энергоподвода в общем виде

дт дх\ дх) дт

Подставляя вместо дифференциальное изменение средней по слою влажности /3/,

а также с достаточной точностью принимая коэффициент фазовых превращений е - 1 (т к перенос влаги в процессе высокоинтенсивной сушки происходит в основном в виде пара при относительной изотропности структуры), после преобразования (8) (далее знак среднего и варьируемые параметры будем опускать) получим

ЭЧ гр

—г + —- + -.

(9)

т яу^дх2 ср ср

где а = Л/(ср) - коэффициент температуропроводности

Начальные условия с учетом равномерного распределения температуры в начальный момент времени, соответствующий 1Ут Т(х, — Т„ На поверхности продукта со стороны влагоотвода при сушке имеют место граничные условия 3-го рода

- = Е^, + а ■ {Гоцщейи - Тх=0(поеерх^) При конвективной досушке коэффициент теплоотдачи СС при вынужденной конвекции в стационарных условиях определяется из уравнения Ыи = 0,123-Не0-13, где А/и = (а )/Д , ф, - эквивалентный диаметр дольки, м,

Ке~(}¥ ■с1э)/рг, - вязкость газа, Па с, = со„ ■ рг, ¡У- массовая скорость, <о0,рг -скорость, м/с и плотность, кг/м3, сушильного агента

Падающий тепловой поток с учетом отраженного от поверхности внутри слоя теплового потока излучения при симметричном двухстороннем облучении

I' _ Г

и гран ' ' п!

^ (IV, 1=0)

-Е,

ехр(-Ц1^,г)-/)+1 (10) +ехр(Ц^,;) о ]

Решением уравнения переноса теплоты при заданных краевых условиях является функция / = /(х, т (или IV), Е^) Для численного решения дифференциального уравнения параболического типа в частных производных при заданных начальных и разнородных граничных условиях применен метод конечных разностей по неявной схеме Расчеты проводились позонно для каждой из зон сушки, границы которых определены выше (гл 6) В работе получены новые результаты по массовлагообменным характеристикам продуктов баклажанов Имеющиеся данные по коэффициенту потенциало(паро-,влаго-)проводности ат и термодиффузии коэффициенту молярного переноса пара являются отрывочными, не учитывающими зависимость от комплекса свойств и характеристик продуктов, изменяющихся в реальных процессах в широком диапазоне, а для большинства продуктов они вовсе отсутствуют Измерение влажности и давления в слое на различной глубине при неизотермических условиях в случае высокоинтенсивной сушки в тонком слое, особенно в герметичной вакуумной камере, в течение длительного промежутка времени на современном этапе технически невозможно Все известные в литературе методы, предназначенные для определения коэффициента влагопроводности при переносе влаги только в виде жидкости и не предполагающие определение коэффициента паропроводности и молярного переноса пара, весьма продолжительны и предполагают изо-условия, контакт с эталонными телами, из-за чего не соответствуют реальной динамике процесса сушки, а для нестабильных структур вообще неприемлемы Поэтому для определения массовлагообменных характеристик предлагается численное моделирование процесса высокоинтенсивной сушки в тонком слое продукта, предложенное Алексаняном И Ю Дифференциальное уравнение переноса массы при одномерной задаче в общем виде

Принимая с достаточной точностью относительную изотропность влагосодержания и температуры продукта по слою (81/АдхяО), ограничив диапазон изменения координаты глубины слоя, где ТхсопИ, дТ/дх^О, учитывая формулы связи влажности, влагосодержания и конценграции сухих веществ (Ир = (1 - с)/с, Ж= 1 - с, дШд1 = - дс/дЬ) и решая обратную задачу, получили коэффициент молярного переноса пара

= н2 £)/(с:

дт

дх

Радиационная сушка

(12)

Радиационная конвективная сушка при рациональных осциллирующих режимах

Рис 19 Температуное поле £=2,73 кВт/м2, /=0,003 м

0 1 2 3

0 012 290 00 1 15 420415

1 0 20 29506 1 15 2165 35

2 0 20 300 60 1 15 781 17

3 0 35 305 91 115 258 44

4 0 43 301 43 115 226 99

5 0 51 31564 1 15 3217

6 0 59 32403 1 15 9 08

7 0 67 311 44 115 37 05

8 0 74 326 05 1 15 6 54

Я 0 02 32518 1 15 3 79

10 090 351 зт 1 15 0 33

Рис 20 Температуное поле при /=0,003 м 1 зона - Е-2,73 кВт/м2,2 зона-£=2,54 3,4,5 зоны - Г =353 К, >-3,4 м/с

0- концентрация,

кг/кг,

1- средняя по слою температура, К,

2- кратность продукта,

3- коэффициент молярного переноса пара ар, м2/(Па с),

умноженный на

ат - коэффициент влагопроводности, умноженный на 109, /=0,003 м Рис 21 Коэффициенты влагопроводности(ИК сушка, конвективная досушка) с, х- номера шагов (А с, Ах) по осям с (концентрация) и х( глубина слоя) Размер шага - отношение диапазона варьирования к числу шагов Используя уравнение связи давления и температуры насыщенного пара, приняв, что давление пара в слое равно насыщенному до середины исследуемой зоны, а от середины зоны до поверхности продукта (границы раздела фаз) давление линейно релаксирует до давления паровоздушной среды в сушильной камере, по трехточечному шаблону при замене второй производной давления по координате слоя конечной разностью в пределах исследуемой зоны для коэффициента молярного переноса пара, соответствующего средней по слою температуре, рассчитываемой для текущей концентрации кратности слоя, получили для двухстороннего симметричного облучения, взяв за зону половину слоя

где Рт - давление в камере, Па, /-толщина слоя, м; х^ - координата глубины изотермического слоя, м; индексы при температуре обозначают координаты точки в сетке по х и с. Температура выбирается автоматически из матрицы температур по координатам узловой точки по результатам численного расчета полей температур.

Предложено выбирать за зону половину слоя при симметричном облучении, где при относительной изотропности влагосодержания и температуры продуктов по толщине слоя условия все же нельзя считать изотермическими, т.е. dU/dxsO', дТ/дхМ. Поэтому из второго слагаемого уравнения переноса массы можно, решая обратную задачу, определить коэффициент потенциалопроводности для двухстороннего симметричного облучения, взяв за зону половину слоя :

7.5(W.-273) 7.5(Г0„,.,-273)

2443 10

Эс Зг/

-35

-4886 10

-35

+ 4Р

(г/2)2

.,/vg. <14>

Результата: расчетов полей температур при различных способах и режимах сушки, коэффициентов потенциалопроводности и молярного переноса пара в зависимости от температуры, концентрации сухих веществ, структуры, пористости продукта для баклажанов приведены в приложениях к диссертационной работе в графическом и табулированном виде (рис. 19-21).

Графическая аппроксимация температурных полей при оптимальных режимах показывает, что распределение Тпо глубине слоя имеет экстремальный характер.

Отмечены малые температурные градиенты в процессе обезвоживания, что подтверждает обоснованность сделанных допущений. Температура в течение комбинированной сушки не превышает Т = 350 К при всех исследованных режимах, что обуславливает "мягкие" режимы сушки. В течение процесса наблюдаются периодические всплески температуры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения при изотермических участках, которые свойственны удалению свободной влаги. В последних зонах при ИК - сушке происходит локальное или поверхностное, в зависимости от варьируемых параметров, подгорание долек, что показывают визуальный и органолептический анализ, а также температурные поля в последних зонах обезвоживания, где температура превышает 400К. При этом повышение температуры до 400К и снижение температуры в последней зоне, как видно из температурных полей, мнимое, т.к. в данном случае происходит частичное обезвоживание продукта при его подгорании, разрушении структуры, уносе продуктов сгорания, что приводит к убыли массы продукта, очевидно, не только по причине обезвоживания. Некоторое повышение температуры в пограничном (от поверхности вглубь продукта) слое свидетельствует о пропускатель-ной способности ИК - излучения, объемном поглощении энергии и более интенсивном испарении влаги на поверхности продукта, что приводит к снижению граничной температуры. Всё это подтверждает предположения и выводы о механизме обезвоживания.

В разделе «Рекомендации по рациональным конструкциям сушильных установок для овощей» приведены конструкции сушилок, разработанных на основе теоретических, экспериментальных и конструкторских исследований, проведенного анализа и инженерных соображений с учетом технологических свойств и требований к готовому продукту, анализа патентной литературы, а также достоинств и недостатков традиционных конструкций сушильных установок.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Определены пути интенсификации тепломассообмена при производстве сухих плодоовощных продуктов Проанализированы способы сушки и пути ее интенсификации, конструкторские решения сушильных установок, устройств нанесения продуктов на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок

2 Результаты исследований основных термодинамических закономерностей взаимодействия баклажанов с водой показали существенное значение энтропийной составляющей свободной энергии Выявлено, что величина термоградиентного коэффициента имеет отрицательное значение в диапазоне высоких влажностей Для интенсификации процесса сушки таких продуктов целесообразно диспергирование (нарезка (измельчение), кипящий слой и т п), применение объемных способов энергоподвода Рекомендуется комбинирование ИК - и конвективного энергоподвода при сушке плодоовощных продуктов, что при незначительном снижении интенсивности процесса сушки, создает "мягкие" режимы и приводит к существенному повышению качества готовой продукции

3 Проведено обоснование инфракрасного и комбинированного энергоподвода, получены аппроксимирующие уравнения для оптических характеристик и функций распределения объемной плотности поглощенной энергии по глубине оптически тонкого слоя

4 Выявлен механизм внутреннего тепломассопереноса, получены зависимости интенсивности сушки от варьируемых параметров, разработаны способы конвективной, радиационной, радиационно-конвективной атмосферной сушки баклажанов, способы их нанесения на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок и устройства для их осуществления

5 В результате реализации физико-математической модели тепломассообмена получены зависимости влагоообменных характеристик от параметров процесса на основе расчета полей температур

6 С помощью методики и программного обеспечения для прогнозирования и получения осциллирующих режимов рекомендованы осциллирующие рациональные режимные параметры и способ сушки

7 На основе предложенной технологии сушки усовершенствованы экспериментальные (установки для исследования процессов ИК, конвективной сушки и сушки в кипящем слое) и опытно-промышленные образцы (комплексная установка с комбинированным энергоподводом и осциллирующим режимом сушки с механизированными операциями загрузки, резки, нанизки и выгрузки для плодов и овощей в дольках) сушилок, планируемые к внедрению в ООО «Биотехсинтез» и в ООО «Парад» (мясокомбинат «Астраханский»), где анализ и проверка полученных в работе результатов показали целесообразность их использования

Одним из перспективных направлений исследований является оптимизация режимов тепломассообмена на базе математической модели процесса сушки без экспериментального исследования кинетики сушки нетрадиционных продуктов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Алексанян И Ю, Ревина А В Оптические и теплофизические характеристики баклажанов // Известия вузов Пищевая технология 2005 № 1С 82-87 По списку ВАК.

2 Хайбулов Р А, Мельников М Н, Ревина А В Исследование теплофизических характеристик растительных продуктов и их экстрактов для разработки способа сушки в натнвном и вспененном состоянии / Материалы IV Международной конференции «Повышение эффективности тгплообменных процессов и систем» Вологда ВолГТУ, 2004 С 113-116

3 Алексанян И Ю, Попова С Б, Ревина А В Выбор рационального способа обезвоживания плодоовощной продукции на основе исследования комплекса свойств объектов и математического моделирования тепломассообмена / Там же С 329-333

4 Алексанян И Ю, Синяк С В, Ревина А В Изучение термодинамических закономерностей взаимодействия экспандированных продуктов растительного происхождения с водой / Материалы II Всероссийской конференции - выставки с международным участием «Высо-

коэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». М.: МГУ пищевых производств, 2004. С. 156-160.

5. Попова СБ., Ванли К. М, Ревина А.В. Изучение статики сушки овощных продуктов для выбора рационального способа обезвоживания / Там же. С. 85-89.

6. Алексанян И.Ю., Ревина А.В., Ванли К. М. Экспериментально-аналитическое изучение инфракрасного энергоподвода в процессе сушки плодоовощных продуктов / Материалы Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания». Барнаул: АлтГТУ, 2004. С. 76-79.

7. Алексанян И.Ю., Синяк СВ., Ревина А.В. Физико-химические и теплофизические свойства растительных продуктов и их экспандантов / Там же. С. 84-87.

8. Ревина А. В., Ванли К. М.. Исследование влияния основных факторов на эффективность комбинированной сушки овощных продуктов //Вестник АГТУ. 2005. № 2. С. 151-157.

/4?

Тип. АГТУ. Заказ № f ^ .Тираж 100. 12.03.05.

O/.ty

\ у 2 2 MAP 2005" - "

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Ревина, Алла Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I

ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНЫХ И НАУЧНЫХ ПРОБЛЕМ СУШКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ.

1.1. Перспективы производства и использования сухих плодоовощных продуктов. Выбор перспективного способа обезвоживания и конструкторских решений для его осуществления.

1.2. Анализ современного состояния способов и конструкций сушильной техники.

ГЛАВА II

АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

БАКЛАЖАНОВ С ВОДОЙ.

2.1. Механизм взаимодействия баклажанов с водой.

2.2. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии баклажанов с водой.

ГЛАВА III

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНО - МЕХАНИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА ОБРАБОТКИ.

ГЛАВА IV

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ЭНЕРГОПОДВОДА

В ПРОЦЕССЕ СУШКИ.

ГЛАВА V

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУШКИ БАКЛАЖАНОВ.

ГЛАВА VI

АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА

НА ОСНОВЕ КИНЕТИКИ СУШКИ.

6.1. Изучение кинетики сушки баклажанов.

6.2. Получение рациональных комбинированных осциллирующих режимов в процессе сушки.

ГЛАВА VII

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР, КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОТЕНЦИАЛОПРОВОДНОСТИ И МОЛЯРНОГО

ПЕРЕНОСА ПАРА С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЦИОНАЛЬНЫМ КОНСТУКЦИЯМ СУШИЛЬНЫХ

УСТАНОВОК ДЛЯ ОВОЩЕЙ.

Введение диссертация по физике, на тему "Интенсификация тепломассообмена при сушке баклажанов"

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.

Однако промышленное внедрение и надежное функционирование линий по переработке баклажанов сдерживается отсутствием комплексных исследований по оптимизации технологических процессов на отдельных стадиях, таких как 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:

- 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;

- получить осциллирующие рациональные режимы сушки для баклажанов;

Исходя из поставленной цели и задач, решение которых необходимых для ее достижения, можно определить структуру диссертационной работы.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ СУШКЕ БАКЛАЖАНОВ

ЦЕЛЬ -ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 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 ЗАКОНО МЕРНОСТЕЙ ВЗАИМСЙ ЕЙСТВИЯ БАКЛАЖАНОВ С ВОДОЙ

ЭКСПЕРИМЕНТ АЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ИНФРАКРАСНОГО И КОНВЕКТИВНОГО ЭНЕРГОПОДЮДА В / ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ

ПРОЦЕССЕ СУШКИ / ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУШКИ БАКЛАЖАНОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ

ЭКСПЕРИМЕНТ АЛ ЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА СУШКИ БАКЛАЖАНОВ В ТОНКОМСЛСЁ И РАСЧЕТ КОЭФ ФИЦИЕНТОВ

ВЛАГОПРОВОДНОСТИ И МОЛЯРНОГО ПЕРЕНОСА ПАРА

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОГО ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ЭМБИНИРОВАННОГО ИЕС-КОНВЕКТИВНОГО РЕЖИМА СУШК1

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достижение цели исследования стало возможным благодаря комплексному использованию классических теоретических и экспериментальных методов и корректного применения известных научных достижений в области тепломассообмена. Полученные результаты не противоречат их положениям. Использованные и усовершенствованные методики расчета, а также предложенные технические решения согласуются с опытом их проектирования, экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями. В экспериментальных натурных исследованиях использовались методы статистической обработки результатов измерений, для реализации численно-аналитических моделей использовались пакеты современных компьютерных программ.

В результате можно сделать следующие выводы:

1. Определены пути интенсификации тепломассообмена при производстве сухих плодоовощных продуктов. Проанализированы способы сушки и пути ее интенсификации, конструкторские решения сушильных установок, устройств нанесения продуктов на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок.

2. Результаты исследований основных термодинамических закономерностей взаимодействия баклажанов с водой показали существенное значение энтропийной составляющей свободной энергии. Выявлено, что величина термоградиентного коэффициента имеет отрицательное значение в диапазоне высоких влажностей. Для интенсификации процесса сушки таких продуктов целесообразно диспергирование (нарезка (измельчение), кипящий слой и т.п.), применение объемных способов энергоподвода. Рекомендуется комбинирование ИК и конвективного энергоподвода при сушке плодоовощных продуктов, что значительно повышает интенсивность сушки, создает "мягкие" режимы и приводит к существенному повышению качества готовой продукции.

3. Проведено обоснование инфракрасного и комбинированного энергоподвода, получены аппроксимирующие уравнения для оптических характеристик и функций распределения объемной плотности поглощенной энергии по глубине оптически тонкого слоя.

4. Выявлен механизм внутреннего тепломассопереноса, получены зависимости интенсивности сушки от варьируемых параметров, разработаны способы конвективной, радиационной, радиационно-конвективной атмосферной сушки баклажанов, способы их нанесения на рабочую поверхность и транспортирующие органы сушилок и устройства для их осуществления.

5. В результате реализации физико-математической модели тепломассообмена получены зависимости влагоообменных характеристик от параметров процесса на основе расчета полей температур.

6. Разработана методика и программное обеспечение для прогнозирования и получения осциллирующих рациональных режимов в процессах. Рекомендованы осциллирующие рациональные режимные параметры и способ сушки.

7. На основе предложенной технологии сушки разработаны и усовершенствованы экспериментальные (экспериментальные установки для исследования процессов ИК, конвективной сушки и сушки в кипящем слое) и опытно-промышленные образцы (комплексная установка с комбинированным энергоподводом и осциллирующим режимом сушки с механизированными операциями загрузки, резки, нанизки и выгрузки для плодов и овощей в дольках) сушилок, планируемые к внедрению в ООО «Биотехсинтез» и ООО «Парад» (мясокомбинат «Астраханский»), где анализ и проверка полученных в работе результатов показали целесообразность их использования.

Научная новизна и практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что получены аппроксимирующие зависимости ТФХ, ФХС, CMC, ОХ, ТРХ баклажанов. Выявлены особенности статического взаимодействия баклажанов в дольках с водой, получены зависимости термодинамических параметров от основных факторов (температуры и влагосодержания).

Получены уравнения кривых сушки и скорости конвективной и радиационной сушки для различных зон сушки, а также аппроксимирующие зависимости кинетических коэффициентов сушки. Для оптимизации процессов и математического описания кривых сушки и скорости сушки использован многозонный метод аппроксимации.

Рекомендованы рациональные осциллирующие комбинированные режимы для сушки баклажанов.

Результаты исследований предназначены для использования при создании технологий сушки овощных продуктов, при выборе рациональных режимов сушки и проектировании эффективного сушильного оборудования.

Внедрение результатов работы позволяет:

- сократить время сушки сырья растительного происхождения при сохранении высокого качества продукта;

- уменьшить удельные затраты энергии и материалоемкость оборудования при обезвоживании овощных продуктов;

- выбрать рациональные технологические режимы при проектировании эффективного сушильного оборудования и при разработке технологий концентрирования нетрадиционных продуктов.

В диссертации представлены только те результаты, которые получены автором лично либо в соавторстве (указано в ссылках), в том числе: постановка проблемы и входящих в нее задач, организация и проведение экспериментальных исследований, обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, реализация численно-аналитических моделей процессов сушки, разработка новых технических решений и практических рекомендаций, разработка по результатам исследований опытно-промышленных образцов сушилок.

Результаты исследований опубликованы автором совместно с сотрудниками при равноправном участии автора.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Ревина, Алла Викторовна, Астрахань

1. Авраменко В.Н. и др. Инфракрасные спектры пищевых продуктов /В.Н.Авраменко, Н.П. Есельсон, А.А. Заика. М.: Пищевая промышленность, 1974.- 174 с.

2. Автор свид. СССР, № 141126, 6/Х, 1961.

3. Александрова Т. А. Сравнительное исследование пен и высоконцентрированных эмульсий. Канд. дисс. Ростов: Ростовский ГУ, 1969.-22 с.

4. Алексанян И.Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. -М.:МГУПБ, 2001 г.-52 с.

5. Алимов А.В., Федин В.М «Карусельная сушилка для сельскохозяйственных материалов». Авторское свидетельство СССР № 1177625 А, БИ № 33 07.09.1985г.

6. Альтман А.Ш., Давидович JI.A., Перлин Б.А. «Карусельная сушилка». Авторское свидетельство СССР № 1250804 А1, БИ № 30 15.08.1986г.

7. Аминова Э.Ш. Интенсификация и исследование процесса пеносушки пастообразных продуктов при комбинированном энергоподводе: Автореф. дис. канд. тех. наук. М., 1986 - 25 е., ДСП.

8. Антипов С. Т. Разработка высокоэффективных непрерывнодействующих сушилок барабанного типа для пищевой промышленности (теория и техника): Автреферат дис. на соискание степени доктора технических наук. -Воронеж, 1993.-50 с.

9. Антипов С. Т., Валуйский В. А., Меснянкин В. Н. Тепло-массобмен при сушке в аппаратах с вращающимся барабаном. Воронеж, 2001. - 308 с.

10. Балакирев А. А., Тихомиров В. К. ЖПХ, 1968, т. 41, № 12, с. 2762-2764.12