Исследование динамики и механизма тепломассопереноса при сушке гранулированных комбинированных и растительных кормовых продуктов

Синяк, Станислав Владимирович

Исследование динамики и механизма тепломассопереноса при сушке гранулированных комбинированных и растительных кормовых продуктов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Синяк, Станислав Владимирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Астрахань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование динамики и механизма тепломассопереноса при сушке гранулированных комбинированных и растительных кормовых продуктов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование динамики и механизма тепломассопереноса при сушке гранулированных комбинированных и растительных кормовых продуктов"

На правах рукописи

Синяк Станислав Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И МЕХАНИЗМА ТЕПЛОМАССО-ПЕРЕНОСА ПРИ СУШКЕ ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ И РАСТИТЕЛЬНЫХ КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2005

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование»

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Алексанян И.Ю.

Официальные оппоненты.

доктор технических наук, профессор

Селиванов Н.В. кандидат технических наук, доцент Васильев В.Я.

Ведущая организация:

ООО «Каспрыбтестцентр»

Защита состоится « » декабря 2005г. в на заседании диссертационного совета Д. 307.001 03 в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ауд. 5.308.

Факс (8512) 25-73-68. Тел. (8512) 559-282.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан

ноября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к т. н.

Виноградов С В.

11624¿Ь

Я966Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность рабшы. При производстве кормов для рыб, тицы, непродуктивных животных и крупного рогатого скота выдвигается проблема повышения эффективности переработки сырья биологического происхождения с выработкой качественных, сбалансированных и экологически безопасных кормовых продуктов на базе совершенствования технологических процессов и оборудования. В результате более чем десятилетних экономических преобразований в России сложилась ситуация, ког да основная масса кормов, особенно для непродуктивных животных (кошек, собак и т п.) производится с привлечением иностранных технологий Даже принимая во внимание высокую цену и отсутствие прямого соотношения стоимости и целевых требований на кормовые продукты, наблюдается недоверие потребителя к кормам отечественного изготовления. Причиной нередко является тот факт, что предлагаемый ассортимент их весьма скудный и не всегда полностью отвечает требованиям ветеринарии.

Среди факторов кормового питания, имеющих важное значение для поддержания здоровья и работоспособности, особая роль принадлежит полноценному и регулярном> снабжению организма животных всеми необходимыми микронутриентами (витаминами, минеральными веществами, микроэлементами, в том числе минорными компонентами пищи) Организм животных гге синтезирует указанные соединения и должен получать их в готовом виде с кормами, причём ежедневно, так как способность запасать незаменимые вещества впрок у организма отсутствует

В связи с этим, научный и практический интерес представляет изучение технологических возможностей увеличения биологической и физиологической ценности кормового рациона с использованием в рецептуре отходов зерновой, овощеконсервиой, рыбной и мясной промышленности. «Узким» местом, сдерживающим широкое внедрение линий по производству кормов, являются финишные операции технологий кормов, такие как измельчение, экструдирование, гранулирование, обезвоживание и т д., учитьгвая их высокую энергоемкость и особенности механизма внутреннего тепломассопереноса. В связи с этим актуальным является выбор эколог ически безопасных методов переработки, позволяющих повысить эффективность проведения процессов и получения вьгеоко качественного продукта.

Настоящая диссертационная работа выполпена в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой "Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации ог ходов и производство на их основе кормов, кормовьгх добавок и других продуктов и товаров" в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование».

Цель п ¡алачи диссертационной работы является повышение интенсивности предварительной обработки и сушки гранулированных кормовых продуктов различных целевого назначения, начальной консистенции и функциональных особенностей на основе теоретических и экспериментальных исследования динамики и механизма тепломассопереноса В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи- исследовать и обобгцить теплофизические (ТФХ), физико-химические (ФХС). структурно-механические (CMC)), оптические (ОХ) и терморадиационные (ТРХ) свойства и характеристики исследуемых продуктов;

- обосновать рациональные способы энергопоцвета для гранулированных кормов для непродуктивных животных и экспандированньгх кормовьгх продуктов для сельскохозяйственных животных, птицы и рыбы:

- выявить втияние основных факторов на интенсивность сушки, на базе экспериментально-аналитического исследования динамики и мечатгамо тонламассогшр£носа при жс-

РОС. НАЦИОНАЛЬНА!! , I БИБЛИОТЕКА I

I. ¿r&zm

" ляя Л

трудировании, экспандировании, фаиулировании и обезвоживании кормовых продуктов с различным целевым назначением и структурой;

- изучить и проанализировать эволюцию температурных полей от влияющих параметров путем физико-математического моделирования процессов сушкиэкспандантов;

- предложить конструкторские решения реализации рациональных способов сушки, методов предварительного экструдирования. экспандирования и гранулирования сырья на базе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований по интенсификации тепломассообмена.

Объект исследования. Тепловые и массообменные процессы при сушке гранулированных кормов для непродуктивных животных и кормовых экспандантов

Методика исследований. Тепломассоперенос в процессах обезвоживания гранулированных кормов для непродуктивных животных и кормовых экспандантов изучался на основе натурных экспериментов, теоретического анализа и моделирования статики, кинетики и динамики процесса сушки, термодинамики внутреннего массопереноса при влаго-удалении для выбора рационального способа сушки и температурного режима на базе численного расчета.

Достоверность результатов исследования. Использование современных аналитических и эмпирических методов исследования тепломассообменых процессов позволили реализовать цель исследования и решить поставленные задачи. Результаты и выводы диссертационной работы согласуются с опытом проектирования перспективного технологического оборудования, признанными научными достижениями в области тепломассообмена, и в основном не противоречат их положениям Достоверность натурных исследований подтверждена использованием численно-аналитических и статистических методов анализа и обработки результатов измерений с применением современных компьютерных программ.

Научная новизна. Выявлены особенности механизма тепломассогтереноса при сушке, а также определенны рациональные значения параметров паросорбции и промежуточных (после экспандирования и паросорбции) структурно-механических характеристик экс-пандированных продуктов. Получены аппроксимирующие зависимости комплекса свойств и характеристик фанулированных кормов для непродуктивных животных и кормовых экспандантов. Изучены и математически описаны гигроскопические характеристики исследуемых продуктов, основные термодинамические параметры и их зависимость от влияющих параметров Обоснованы и конвективный энергоподвод для экспандированных кормовых продуктов, атак же инфракрасный при обезвоживании фанулированных кормов для непродуктивных животных, их комбинация на базе изучения физико-химических и оптических свойств объектов сушки и влияния основных факторов на интенсивность процесса. Получены аппроксимирующие уравнения зависимости целевой функции оптимизации от влияющих параметров.

Рассчитаны кинетические коэффициент сушки в полученных уравнениях кривых сушки и скорости конвективной и радиационно-кондуктивной сушки для характерных зон влагоудаления и для исследуемых материалов.

Па основе численно-анапигического метода рассчитаны поля температур при обоснованных режимных параметрах.

Практическая значимость работы. Результаты исследований предназначены для выбора рациональных режимов фан\лирования, эксандирования и сушки кормовых продуктов различного назначения с целью рационального построения и конструирования аппаратов для сушки. Разработаны варианты проведения процессов фанулирования, радиационно-кондуктивной атмосферной сушки высоковязких фанулированных кормов для непродуктивных животных, а также паросорбции и конвективной сушки экспандированных продуктов, обоснованы рациональные режимы Усовершенствована технология су-

хих экспандироваиных продуктов и рекомендованы рациональные конструкции установок для паросорбции и сушки экспандантов.

Внедрение результатов работы позволяет повысить интенсивное! ь обезвоживания при «мягких» условиях сушки кормовых продуктов различного назначения с целью сокращения удельных энергозатрат при обеспечении экологической безопасности и безотходное™ производства, а также повышения качества и расширения ассортимента готовой продукции.

Выбрать рациональные технологические режимы и конструкции установок для гранулирования, паросорбции и сушки.

Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссеща-

ции. Автор представил в диссертации собственные результаты исследований с учетом известных достижений в области тепломассобмена и сушки, в том числе, формулировка цели и компоновка структуры работы, планирование экспериментов и обработка эксперимен-' тальных данных, анализ результатов теоретических и эмпирических исследований, чис-

ленный расчет температурных полей на основе физико-математической модели процесса сушки гранулированных продуктов, разработка оригинальных схем сушильных установок.

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

Реализация результатов исследований. На базе усовершенствованной технологии гранулированных кормов для непродуктивных животных и кормовых экспандантов, в частности, процессов гранулирования, паросорбции и сушки разработаны технологические инструкции и рекомендованы рациональные конструкции опытно-промышленных установок, планируемые к использованию и внедрению на ООО «Ьиотехсинтез» и ООО РПСК «Держава-шиппинг». Рекомендованы конвейерная установка с комбинированным энергоподводом для сушки гранулированных кормов для непродуктивных животных с эластичным экструдером и гранулятором для высокоадгезионных продуктов (подана заявка на получение патента РФ), внедренная на Астраханском мясокомбинате (ООО «Парад») в линии производства гранулированных кормовых продутое но утвержденным техническим условиям и разраб01ашюй технологической инструкцией с участием автора на производство кормов для непродуктивных животных, к Анализ выводов и предложенных рекомендаций подтвердил актуальность и экономи-

ческую 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 дру| их продуктов и товаров».

Апробация работы. Основные положения и результаты по теме диссертации обсуждались па международных, всероссийских, региональных научно-технических конференциях научно-практической конференции «Водные биоресурсы России, решение проблем их изучения и рационального использование в рамках международной выставки (Москва, 2003 г ). международной научной конференции «Инновации в пауке и образовании - 2003» (Калининград, 2003 г.). международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004г.), II Всероссийской конференции - выставки с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва. 2004 г.), IV международной конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологла. 2004 г.), международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания» (Барнаул, 2004 г), XVII международной научной конференции «Ма-гемажческне методы в технике и юхноло! иях» ММТТ-18 (Казань. Москва, Астрахань. 2005 г). II международной научно-практической конференции «Современные энергосбе-

регающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ - 2005 (Москва, 2005 г.), международной научно-практической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2005 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательскою состава АГТУ (Астрахань, 2003-2005 п.), резулыагы работы экспонировались на международных выставках: «Водные биоресурсы России: решение проблем их изучения и рационального использования» (Москва, 2003г.), «Дни Казахстана в Астраханской области. Портовый город Транспортный коридор Север - Юг» (Астрахань, 2003г.), «Продукты нигания. Рыбообработка. Упаковка Аграрный вопрос - 2003» (Астрахань, 2003 г.).

Работа отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 5 по списку ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 131 страницах машинописного текста, в том числе 7 таблицы, 49 рисунков, 13 страниц приложений, список литературы из 150 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства кормовых продуктов, обоснована актуальность темы диссертационной работы, практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе «Анализ современного состояния и перспектив производства сухих гранулированных кормов для продуктивных и непродуктивных животных с целью обоснования конструкторских решений и рациональных способов сушки» представлены характеристики перспектив производства и областей использования сухих концентратов для кормления сельскохозяйственных и непродуктивных животных. Проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков современных технологий кормов и оборудования для их производства, в результате чего выявлены перспективные направления совершенствования технологических процессов гранулированных кормовых продуктов различного функционального назначения. Рекомендованы рациональные методы энергоподвода и их комбинации, а также предварительной обработки: паросорбции - для уменьшения пористости и повышения плотности, предварительно экспандированных продуктов, а также варьирования (уменьшения) размеров гранул и сглаживания их поверхности, экструдирование, гранулирование и экспандирование - для повышения интенсивности и экономичности процесса сушки, качества продукта, вследствие улучшения усвояемости и облегчения кормления ЖИВ01НЫХ

Во второй главе «Изучение основных теплофизических, структурно-механических, гифоскопических характеристик и термодинамики взаимодействия гранулированных кормовых продуктов и воды» для научно-практического анализа процесса сушки проведены исследования и аппроксимация теплофизических характеристик (ТФХ) экспандированных кормов, которые изучались экспресс методом, предложенным Красниковым В.В , Паниным А С . Скверчаком В.Д , в основе которого для комплексного определения теплофизических характеристик вязких и крупноячеистых материалов, лежит использование тепловой инерции термопары с фиксированной температурой (Тс =273 К) при резком контакте сё с исследуемым продуктом.

В результате обработки полученных данных определили коэффициенты теплопроводности X и температуропроводности а Полученные данные по значениям А а, для экспандированных кормовых продуктов после паросорбции различной влажности представлены на рис 1. 2

Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить аппроксимирующие уравнения ТФХ от влажности и температуры

с„, = (-0,55833 Т2 + 362,06667 /-56981,2) + + (0,03983333 -Г2 - 25,54066667 - Т + 4106,663 5) w/(l - w) ' Л = 0,16+0,0042-(w/(l- ic)). а(с.0 = Я(с,0/к,(с,0 Р(с)]

У I

мЧ

Рис 1 Поле удельной массовой теплоемкости для реальных диапазонов влажности и температуры в процессе сутки экс-пандироваиной кукурузы (/-293-453 К, и-=5-20 %)

— Т к

Рис 2 Поле коэффициента температуропроводности для реальных диапазонов влажности и температуры в процессе сушки зкепандированной кукурузы (7=293 353 К, и=5-20 */о)

Отмечено, что зависимость ТФХ от Т имеет экстремальный вид, что не характерно для традиционных продуктов, хотя, аналогичная зависимость наблюдалась у оливкового масла, жидкой эмульсии маргарина и т.п., и объясняется изменением составов парогазовой смеси и дисперсного экспандированного продукта при локальном спекании и растрескивании.

Малые значения а Л наводят на мысль о необходимости объемного энергоподвода (всесторонний обдув сушильным агентом при сушке в кипящем слое, на сетках и игольчатых носителях) для интенсивного влагоудапения при максимально возможном диспергировании (гранулирование, измельчение) продукта при сушке.

Учитывая, что процесс сушки экспандированных гранул после паросорбции, при образовании стекловидной корочки на поверхности, протекает практически без изменения объема структуры при высокой интенсивности сушки воспользуемся формулой аддитивности для текущей плотности: р" = р"(I - )/(1 - и<), где р" - начальная плотность.

Так как, при экспандировании, объем системы увеличивается в р раз, где р - кратность продукта, которую вычисляли экспериментально по формуле- р = Упр<к,/Ус,, где Ус„ -объем монолита вещества Тогда нлотность гранул = рисх/р. Кратность (аналог пористости - относительный объем пустот) определяли методом вытеснения при различных режимах экпандирования р„ = 5,8. .10,2 В оптимальном режиме после экспандера р„ - 7,98 (без стеклования поверхности гранулы) После дегазации и обработки паром рп=2,2\

Математическая аппроксимация зависимости кратности от текущей влажности IV или содержания сухих веществ с, учитывая начальные параметры представлена в виде р(с) = р„р(с) с/р,юч с„т

Так, в частности, для экспанданта зависимость плотности гранулы от влажности имеет линейный характер Статистическая обработка экспериментальных данных (20 повтор-ностей) при рациональных параметрах экспандирования позволили получить оптимальные

значения р^ до и после паросорбции. До паросорбции р^' - 52,1 кг! и3, после паросорбции р? = \Ю,9кг /м\

Для расчета термодинамических параметров и коэффициентов, оценки движущей силы и направления процесса, а также анализа вида и энергии связи влаги с материалом при различной влажности продукта, исследовались гигроскопические характеристики гранулированных кормов для непродуктивных животных, высушенных методом ИК-сушки и экспандированных кормовых продуктов, обезвоженных конвективной сушкой на основе полученных тензометрический метод Ван Бамелена изотерм сорбции (рис. 3, 4) исследуемых продуктов.

Исследования показали, что благодаря образованию прочных гидратных комплексов при ориентациопном характере гидратации 6'р (равновесная влажность) от 0 кг/кг. (рис. 4) до 1-ой точки перегиба, а следственно и сорбционная способность исследуемых продуктов сравнительно мало зависит от температуры. Далее, ввиду увеличения количества адсорбированной влаги, происходит полимолекулярная адсорбция При дальнейшей сорбции, молекулы воды проникают в межмолекулярные пространства, что приводит к слабому набуханию, аморфизации и явления «сорбционной усадки». После 3-ей характерной точки происходит сильное набухание и частичное растворение, что обусловлено наличием клеточных оболочек (вследствие присутствия компонентов растительного происхождения) предполагающих превалирование осмотического механизма сорбции (набухания). Таким образом, на изотермах сорбции исследуемых продуктов можно выделить 5 характерных участков. которые, как и точки перегиба особенно наглядно видны при построении зависимости Ал - ](ир) в полулогарифмических координатах

1 к одной из основных целей изучения гигроскопических свойств сухих веществ, являются рекомендации по выбору конечной влажности высушиваемых продуктов, рекомендованы целесообразные для процесса хранения влажности продуктов, соответствующие образованию «монослоя»

Таким образом 1п А„ - (а,Т+ Ь, У ' +- (с,Г I с!,). (1), где а„ Ь„ с„ с/, - эмпирические коэффициенты; / - порядковый номер зоны (участка изотермы)

Границы характерных участков сорбции соответствуют изменению преимущественного влияния того или иного механизма сорбции, а также формы и энергии связи влаги с материалом Известно, что погенциалом переноса влаги или движущей силой сорбции является разность химических потенциалов . которая в изохорно-изобарно- изотермическом процессе равна аифференциальпому изменению свободной энергии Гельмоюльца \/ Д(,=Г\Г дир =-£ = - Я Т 1п-)„ (2). где /? = 8.314 Дж/(моль |рад)

После дифференцирования уравнения Гиббса - Гельмгольца (ДF = АЕ~Т AS, где -AS;AE - изменения внутренней энергии (энтальпии) и энтропии, по Up при Р, 7- const)

Гад F/

I У3",

получим

д&Е/

'dU,

т Щ

аи.

(3), где

д&Е dU„

определяет

/1Р к / \ /" 1';/,р

дифференциальное изменение внутренней энергии (теплового эффекта) сорбции, а {г\д££/ди- дифференциальное изменение энтропии связанной воды представленные на рис. 5.

Таким образом (¡ЭДЗ/дУД 1(2а,Т + Ь,)ир + (2с,/ +с1,)\ (4).

ЖК 2 T-.2/SK

! X

, I !

«ц.

4Uf 1

б)

Рис 5 Зависимость свободной (ЭД^/Э^) (I), связанной {Т \dt\SjdUэнергии сгт влажности IIр при сорбции экспандированной кукурузы (а), кормов для непродуктивных животных (б)

В дифференциальное уравнение переноса тепла, как известно, входит при удалении влаги, связанной с материалом, сумма теплоты парообразования свободной воды г и гс„ теплоты смачивания, определяемой дифференциальным изменением свободной энергии изотермического обезвоживания Таким образом, количество тепла для испарения 1 кг влаги с учетом энтропийной составляющей:

г = г+г1м+гят =3118,4581 103 - 2286,66 Г-55,(5) ИПпА„+55,(5)гд{&3)/ди р (5).

Для анализа движущих сил в процессе сорбции (десорбции) с целью выбора оптимальных режимов энергоподвода рассчитана функциональная зависимость от (У и 7" термоградиентного коэффициентов массопереноса (рис.6, 7) 8р -ст ] , (6), где

V дТ Л/=с*»1«

(аи)

с„, = --- удельная изотермическая влагоемкость материала.

'Зи} _(2а1Т + Ь,р1,+(2с1Т + с11)

' I ЗТ )и

(7)

кд&^), (а,Т +Ь,Т)

У кормов для непродуктивных животных <5 переходит в область отрицательных значений при (Ур>0,19 кг/кг. что является аномальным Влага на этом участке перемещается против потока тепла Здесь, по-видимому имеет место явление «термоосмотического эффекта», скорость которого пропорциональна УТ и не зависит от радиуса капилляра и обусповлена взаимодействием ей с молекулами продчкта, что и навело на мысль о применении объемных способов энергоподвода (всесторонний обдув, ИК. комбинированный)

1ЛС

А ..•/........ ............

1-Т -283 К, 2 - Т = 2» 8 К

Рис 6 Зависимость термоградиентного коэффициента при сорбции экспаидированной кукурузы

Рис

005 01 015 02 035

Ср, кг/кг

7 Зависимость термоградиентного коэффициен-

та от влажности и^ при сорбции кормов для

непродуктивных животных

У большинства органических продуктов, в отличии от исследуемых, энтропийный член весьма мал по сравнению с изменением внутренней энергии, что в нашем случае говорит о наличии внутриклеточной структурной влаги, ввиду осмоса и набухания, а так же заполнения влагой при микрофильтрации через полупроницаемые оболочки газовых пузырьков и капилляров Дальнейшее уменьшение энтропийной составляющей, которая в свою очередь приобретает большое значение, что так же не характерно для большинства пищевых и кормовых продуктов, у которых дифференциальное изменение связанной энергии асимптотически приближается к нулю при увеличении влагосодержания и говорит о «закупорке» капилляров, уменьшения размеров и исчезновения ячеек и пор, вследствие значительной сорбционной усадки высокопористых пенообразных экспандированных продуктов.

В третьей главе «Обоснование инфракрасного энергоподвода в процессе сушки фа-нулированных продуктов» Известно, что для сушки тонких слоев (фанул малого диаметра) эффективно использование ИК-нафева, вследствие повышения интенсивности процесса и снижения энергозатрат Многими исследователями подтверждена целесообразность приоритетного использования «светлых» излучателей для сушки продуктов в тонких слоях.

Для расчета установок с инфракрасным энергоподводом и обоснованного выбора ИК-генератора для кормов для непродуктивных животных, выработанных согласно утвержденным техническим условиям, получены данные по оптическим и герморалиационным характеристикам (ТРХ - спектральные отражательные пропускательные 7д способности. рис 8 - 11), несущие в себе информацию о физико-химических и биохимических изменениях в продукте.

Анализируя полученные данные по спектральным ТРХ выбран отечественный ИК-генератор типа КГ 220-1 ОТО. имеющий высокую энергетическую освещенность объектов облучения, большой срок службы при стабильности лучистого потока, малую термическую инерцию, простоту устройства цоколей и выгодную линейную форму, отсутствие необходимости специального охлаждения цоколей, высокий КПД и механическую прочность и стойкость по отношению к воздействию воды, афессивныХ сред и тд., и условия облучения. вследствие селективности спектральных и эмиссионных характеристик излучателей.

Для полной оценки )ффективносги ИК-генератора рассчитывалось распределение по толщине слоя объемной плотности поглощенной энергии излучения \у(х) С этой целью вычислялись оптические интефапьные характеристики, в частности коэффициент зффек-гивного ослабления, характеризующий ослабление потока по мере его распространения в

оптически бесконечно толстом слое и численно равный обратной величине глубины слоя, при прохождении которой результирующий поток излучения уменьшается в е раз

[[»Г1], (де /-

1-й „ьм

/ ^ г,

Р, т

/ / 4 , 'С4-. хЧ * / \ И" м

И II 11 #1 XI * \ч

/ 3 ><

-толщина слоя или диаметр гранулы.

я т

V {\ \ 1 \ 1 \ ъ

с \ » X} V

4 ^

1 ' 3 " / мкм 5

Рис 8 Направленно-полусферические ТРХ кормов при = 10% 1,3 -1?, Т при толщине слоя 1 мм, 2,4 - Я, Т при толщине слоя 2 мм

я т

Рис 9 Направленно-полусферические ТРХ кормов при - 90% 1,3 - Я, Т при толщине слоя 1 мм, 2,4 - Я, Т при толщине слоя 2 мм

п,т

Рис II Спектральные двуполусферические ТРХ кррмов Рис 10 Спектральные двуполусферические ГРХ кормов при 1^ = 90% 1, 3 - Я, Т при толщине слоя I мм 2,4 Я, при IV = 10% I, 3-Я, Т при толщине слоя I мм, 2, 4-Я, Т при толщине слоя 2 мм

Т при толщине слоя 2 мм

Анализируя данные по интегральным ТРХ и ОХ можно сделать вывод о целесообразности применения слоя конечной оптической толщины ввиду более равномерного распределения поглощенной энергии, что очень важно при сушке, I де требуется объемный равномерный прогрев изделия. Те же аргументы говорят в пользу облучения лампами КГ -220-1000. При выборе подаваемого напряжения следует отдать предпочтение V = 140 В, Япих=1,45 мкм, т к. в данном случае слой продукта значительней поглотает энергию излучения и соответствует более глубокой полосе поглощения.

Т.к облучение происходит интегральным потоком при селективных оптических свойствах, значительно рассеивающих ИК-излучение материалов, происходит изменение спектрального состава Е„ падающего потока по мере проникновения в глубь слоя Селективное поглощение обуславливает изменение величины среднеинтегральных оптических коэффициентов поглощения к, л\ и /, элементарного слоя с!х на глубине * , коюрые могут быть определены осреднением по спектральному составу пространственной облученности при фиксированном значении х в спектральном диапазоне длин волн падающего потока

(XI /л 2

излучения Средний интегральный коэффициент ¿(л)- 1?ло(гИл ^ / ¡с/лоЫ^Л Ь С), а

1-" / -II ;

величина плотности рез\ ль тирующего потока (3 4) при двухстороннем облучении

чАх>=р-х«-—г

1-й

К А*

Величина плотности результирующего потока (3.4) при облучении продукта на подложке:

Г I , \

Чл(х) = еА„

1 'Р-х^П

ехр1

'К*)--

-ехр!

А ао

(10)

где =

Л]--/?,

——г—-"—Ч> = Л1,, ехр(- ¿1 /\

В результате получили точное решение для функции внутренних источников тепла (распределения объемной плотности поглощенной энергии); подставив вместо ^(И7) (полученное экспериментально-аналитически) выражение для одностороннего облучения слоя на холодной подложке:

п(х,1У)=[.(х,И')Е„-

' \ 3(1Г)щ2(1У,х) Для двухстороннего облучения слоя:

¿(х,1Г)Е„} -

I -Л«И

1-1//2(1У,х)

Л-И

ехр(- ф\х)х)-

ср(£(»',*)х)

(И)

exp(¿(^f/,д■)x)

Л »И

ехр(- -х\1-х

1//2((¥ ,1 - х)

(12)

К Л»' )

где / - толщина слоя, м; /?„- интефальная отражательная способность подложки (диска); Е„ - плотность падающего потока, Вт/м2, Е„, - плотность падающего потока с одной стороны, Е„2 - плотность падающего потока с другой стороны.

Таким образом, подставляя в (11, 12) функциональные зависимости для входящих в уравнение параметров, получим математическую модель распределения объемной плотности поглощенной энергии в грануле.

Обрабогка экспериментальных результатов позволили получить экспериментально-аналитические зависимости для ТРХ и оптических характеристик 01 влажности, кратности (пористости) для слоя корма для непродуктивных животных на различной глубине.

¿(л,И/) = (74,515 № -23,787) (* 103)4 +(-522,263 ^ + 206,376) (г 10^ +

+ (850,8125 Ж-473,1813) (дг 103)2 +(-54,312 ■ Ж -188,279)-х 103+1112 1^ + 1922

Л,=0,0517-»40,5398.

В четвертой главе «Изучение кинетики и разработка рациональных режимных параметров процесса сушки гранулированных кормовых продуктов » для полного анализа и обоснования рациональных режимных параметров приведены результаты исследований явлений тепломассопереноса при сушке гранулированных продуктов на модельных экспериментальных установках (рис 12-14) с математическим описанием кинетических закономерностей, и ¡учения реального процесса сушки с выделением лимитирующих факторов, установление связи между ними и математическое описание комплексного процесса мас-сопереноса.

Интенсификация процесса сушки кормовых гранул с одновременной экономией элек-фоэнергии может быть достигнута максимизацией целевой функции (удельного съема сухого продукта У, кг/(м2 ч)) при варьировании режимных параметров с учетом энергозатрат (диапазоны варьируемых факюров: с=0,8-0,95 % для экспандированных продуктов, температура и скорость сушильного агента 7=353-383 К, К=1,5-3,4 м/с, для кормов для непродуктивных животных плотность теплового потока £=1,7+5,7 кВт/м2, длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения Я=1,61 - 1,16 мкм при напряжении на излучатели ¿7=100+220 В, диаметр гранул гМ),004+0,008 м)

Рис 12 Эксперимента"н.иля\стзнов-ка, позволяющая осушест вить сушку продуктов в вакууме и в атмосферных условиях на ровной пластине, сетке, игольчатом носителе при радиационном и комбинированном энергоподводе.

Рис 13 Схема экспериментальной установки 1 - корпус, 2 - смотровое окно, 3 - емкость для исходного продукта, 4 - пасос для подачи продукта, 5 вакуумный насос, 6 -

манометр, 7 - панели ИК-излучателей, 8 - щеточный распылитель, 9 - термопара, 10 - пластина, ] I - игольчатый носитель, 12 - весы, 13 - цифровой измеритель ёмкости, 14 - потенциометр, 15-шитуправления, 16-коллимационная труба

|'нс II 4 \ема конв^к-птпон тксиернмеиталыюи емпилкн I - циркуляционный трубопровод, 2 - сушильиая камера, 3 - калорифер, 4 - термометр сопротивления платиновый ТСП-5071, 5 - весы, 6 - сухой термометр, 7 - мокрый термометр 8 - заслонки, 9 вентилятор, 10 - пускатель, 11 позиционный переключатель, 12 - электронный автоматический показывающий мостМГТР-4, 13 дифференциальный манометр 14 - диафрагма; 15 - амперметр 2 секции, 16 - вольтметр 2 секции, 17 ~ ЛАТР 2 секции, 18 - амперметр I секции 19 - вольтметр 1 секции, 20- ЛАТР 1 секции, 21 - анемометр цифровой переносной 11 марки АП 1 ТУ 25

На рис 15 - 18 представлены кривые сушки и скороаи сушки кормовых продуктов, полученные дифференцированием кривых обезвоживания для характерных зон между точками перегиба Согласно полученным зависимостям можно найти время сушки, соответствующее определенной влажности IV, учитывая зону, в пределах которой она находи!-ся Анализируя кривые скорости сушки, можно сделать выводы о механизме переноса влаги По-видимому, возрастание скорости сушки в зонах свидетельствует о преимущественном испарении влаги внутри ячеек, клеток, закупоренных капилляров, перемещение же влаги к поверхности происходит в основном в виде пара, диффундирующего чере) утончающиеся в процессе обезвоживания стенки ячеек, клеток, закупоренных капилляров, что приводит к постепенному увеличению скорости диффузии, возрастание которой определяется также увеличением градиента давления пара по толщине слоя. Диффузия пара, по видимому. происходит в виде последовательных процессов конденсации пара и испарения

влаги на стенках структуры с различной интенсивностью, в зависимости от глубины расположения поверхности испарения и конденсации.

При убывающей скорости сушки, в области точки перегиба происходит плавный переход структуры в капиллярно-пористое тело с высокой дисперсностью (пористостью) ввиду высыхания стенок и их растрескивания, в результате чего образуется сеть микрокапилляров, движение пара через которые осуществляется путем эффузии Т к в оптически гонком слое глубина проникновения ИК-излучения превышает толщину слоя, то всесторонний ИК-энергоподвод, приводит к практически равномерному объемному энергоподводу и испарению влаги внутрь ячеек, расширению клеток, вследствие парообразования, во всем объеме продукта

Интерес представляют исследования механизма внутреннего массопереноса в комплексных системах, 1аких как корма для непродуктивных животных.

Значения критических влажностей (концентраций) и скоростей сушки (приведенных скоростей) в точках перегиба обусловлены не только изменением характеристик продуктов, энергетики и вида связи влаги с материалом, но и структурно- механическим трансформированием. взаимосвязанным с интенсивностью (начальным тепловым импульсом, тепломассообменной инерционностью системы, разрушением полупроницаемых оболочек клеток и ячеек (парниковый эффект) повышением внутреннего давления и образованием молярных потоков пара) процесса сушки.

На кривых скорости сушки кормовых продуктов наблюдается периодические рост скорости, ее снижение, участки постоянной скорости, что объясняется повышением интенсивности удаления осмотической влаги и пара внутри ячеек, клеток, вследствие разрушения полупроницаемых оболочек клеток и ячеек, т к осмотическая, иммобилизаиионная и структурная внутриячеистая влага является по своим свойствам свободной, удерживаемой механически стенками полупроницаемых оболочек ячеек и осмотическими силами в клетках, при разрушении которых и наблюдается рост и участок постоянной скорости сушки. Анализ показывает, что удалению механически и осмотически удерживаемой влаги способствует фанулирование и экспандирование структуры (увеличение поверхности тепло и массообмена) продукта, создание большого градиента давлений, объемные энергоподвод и влагоотнятие Осмотический и структурный характер связи в отличие от энергетического определяется величиной энтропии, что подтверждает значительное влияние энтропийной составляющей свободной энер!ии для кормовых продуктов.

Ниже приведены полученные зависимости для гранулированных кормов для непродуктивных животных и экспандированных кукурузных гранул после паросорбции и границы варьирования факторов.

Д-

¿7

<1\У с): КГ (КГ.С1

Л !

/ •

1 М ~ ! ^^

18 1«.

9«

Рис 16 Кривые скорости сушки кормов при различных тепловых потоках при 1/= 140 В ¡/- 0.004м ! -/„'1.14кВт/м: 2 - } „= 1 6 кВт/м2 3 - / „-2 05 кВт/м*

Рис 15 Кривые сушки кормов при различных тепловых потоках при//-140В </=0 004м I-/„•=! 14 кВт/м' 2-/„=-1,6 кВт/м' 3-/, г 2 05 кВт/м' Уравнение скорости сушки экспандированных кукурузных гранул после паросорбции.

<1т

I деЛ|, Л2. Я2 - кинетические коэффициенты скорости сушки.

Л, =-4,95030272 10 7 К• Г + 1,7283964928 10~4 V + 4,19715328• 10"7 • Т-1,6772503552 Ю-4; В, = 1,74892032 10'7 V Г-6,077384704 10^5 У-\,40172288 10~7 Т + 4,922734592 10~5; Л2 =-2,42464 10~8 К Г + 9,8224032 10"6 (/ + 6,708128 10~8 Г-2,33961152 1(Г5; й2 = 1,0992-Ю~8 V Т-3,923232-10~6 К-3,17504 10~8 7" +1,17805312 10"\ где К Г-скорость и температура сушильного агента. Границы зон: 1 - с = 0,8 - 0,85; 2 - с = 0,85 - 0,95.

Л/ ч

ч, Ч

ч* N

\ V < ч

МО КО «3

1,(ХНг

•—

т 149 ш ют паи

Рис 17 Кривые сушки при конвективной сушке кукурузных палочек I - /,=353 К, г=|,5 м/с, 2 - гс~383 к, I- 1,5 м/с, 3 - /,=353 К, 1-3,4 м/с, 4 - ',=383 К у=3.4 м/с

Рис 18 Кривые скорости сушки при конвективной сушке кукурузных палочек 1 - /,=383 К, г~3,4 м/с, 2 -/,=353 К, 1=3,4 м/с 3 - /,-383 К, >'=1,5 м/с, 4 (,=353 К, 1=1,5 м/с

Уравнения кривых скорости сушки кормов для непродуктивных животных по зонам:

а\, ■ Ер Я'+Ь\, Ер-Л + с1/ Ер + с/1, • Ер , +/1, /.р-Л + к), Ер + мI, Я1 + п1, Л + /п1,

'Р а2гк2р + )2, Ь

+ Ь2, Е2р Л + с2, /?2+</2, /:,, I2 Я + к2, Е л Л, Я2 + п2, Я + т2,

(14)

Ч-г-р-л +hЪ/ • Ер-Я + с^! -Ер +с1Ъ, Ер • Я + + Д Ер Я + кЗ, Ер+ !>3, Л2 + иЗ, 2 + /иЗ, + + 20 с-4,8

где а1„ а2„ аЗ„ 61 „ 62„ 63,. ¿1,, </2„ ¿3„/1„ А, А. ¿1,, к2„ В„ VI,, v2„ уЗ„ и1„ п2„ п2„ т\„ т2„ тЪ, - эмпирические кинетические коэффициенты сушки, /' - порядковый номер зоны, с - концентрация сухих веществ, Ер - плотность теплового потока, Я - длина волны Границы зон* 1 — с — 0,3 — 0.52; 2 - с = 0,52 + 0,64: 3 - с = 0,64 + 0,75; 4 - с = 0,75 + 0,9.

Ниже приведены полученные зависимости для гранулированных продуктов и способов их сушки:

1 Радиационная сушка (светлые ИК-ге(1ераторы КГТ-220-1000) Корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы) Границы варьирования факторов 0,004 -0.008 м. Х,пах - 1,16 - 1.28 мкм, £„ = 1,1 - 5,7 кВт/м2(для >,,„„ = 1,4 мкм, Е„- 1,1 - 3 кВт/м2): ПЕ,<*,Я) = -23531,18892 Г~ </ X2 +57906,034 Е2 <1 Х-35633,8018 / 2 </ 1 + 169,9092 А2 к2 -418,024014 1 2 Х + 257,000916 / 2 + 78066,126796 /. </ X2 --194292,922546 I ¡1 X +120998,835736 / «/-556,775624 Е X1 + + 1382,639556 /•" >.-857,967418 /'-64595.747568 <1 X2 ч 163308,5291048 ¡1 X ■ - 103448 4 174 </ + 462,031352 X2 - 1163,7773658 Х + 733,9119954 средняя относительная погрешность ± 0,5 %.

2 Конвективная сушка экспандированные кукурузные гранулы. Гранины варьирования факторов: У= 1,5+3,'4 м/с; 7 -353-383 К:

У(У,Т)= 5,6931458201753 10""3 V2 Т2 -1,52007875634 V2 Т + + 101,1947282532642 V2 - 1,8131429075326-10"2 V-Т2 + + 4,8426896359864 К Г-322,4498946154586 К +1,4454074628999 10 2 7'2-- 3,8597145036734 • Г + 256,960779618361 Зависимость сьема сухого продукта от диаметра гранулы или массы нанесенного продукта имеет неоднозначный характер. Экстремальный вид зависимости обусловлен взаимным влиянием двух факторов на целевую функцию. С одной стороны понижение продолжительности сушки при уменьшении диаметра гранулы, и с другой с возрастанием съема сухого продукта при повышении удельной массы нанесенного продукта. При увеличении плотности теплового потока выше 5,7 кВт/м2 наблюдали подгорание сохнущего продукта.

Исследования кормовых продуктов позволили рекомендовать рациональные режимы обезвоживания и гранулирования:

1 Радиационная сушка (светлые ИК-генераторы КГТ-220-1000), корма для непродуктивных животных (цилиндрические гранулы, атмосферная сушка): £„=5.7 кВт/м2, ¿=0,004 м, Я,„а1=1,16 мкм, К=5,3 кг/(м2 час). 2. Конвективная сушка экспандированных кукурузных гранул: К=3,4 м/с, 7-353 К, К=0,24 кг/(м2 с).

1 аким образом, в результате исследований получены аппроксимирующие уравнения зависимостей скорости сушки и удельного съема сухого продукта, в результате чего рекомендованы рациональные режимы обезвоживания и созданы предпосылки реализации математической модели процесса сушки гранулированных кормовых продуктов

В пятой главе «Расчет температурных полей в экспандированных гранулах кормовых продуктов на основе моделирования тепломассопереноса в процессе конвективной сушки» на основе численно-аналитического метода рассчитаны поля температур при обоснованных режимных параметрах. Методы кинетического расчета, базирующиеся на эмпирических и полуэмпирических зависимостях, имеют ограниченную применимость и дают приближенные результаты Повышение точности расчетов на их основе приводит к значительному усложнению расчетных формул и к увеличению опытных величин. Обоснованный кинетический расчет процесса сушки возможен лишь на основе глубоких знаний тепломассопереноса исследуемых процессов в реальных условиях работы промышленных аппаратов.

Объектом исследования были экиандированные корма после паросорбции с большой величиной внутридиффузионного сопротивления, вследствие частично застеклованного состояния поверхности, имеющие промышленное значение.

При моделировании рассматривается кинетика сушки единичной гранулы продукта или элементарного (дифференциально тонкого) слоя. В соответствии с таким подходом математическая модель процесса для сферической гранулы представлена с допущением изотропности структуры по влажности, что существенно не только для точности кинетического расчета, но и для равномерности сушки, т.е. для качества высушиваемого продукта

Расчет проведен для гранул, имеющих форму ограниченного цилиндра на основании зонального метода аппроксимации реальных кинетических кривых сушки

Очевидно, что необходимо комплексный системный подход, основанный на сочетании аналитических и экспериментальных методов моделирования для успешной реализации новых высокоэффективных процессов сушки и аппаратов для их осуществления

Вследствие сложности экспериментального определения полей температур в гранулах малого диаметра целесообразно теоретическое определение температурных режимов в реальном процессе обезвоживании на основе математического моделирования процесса.

При построении физической и математической моделей полагаем, что энергоподвод осуществляется для гранулы малого диаметра (принимаем гранулу цилиндрической) в равной степени по всей поверхности гранулы, поэтому за абсциссу, от которой зависит температурная функция можно принять радиус гранулы При этом можно не использовать полярные координаты, т.к. эволюция температур не зависит от угла и направления энергоподвода Как и в модели, приведенной в работах И Ю Ллексаняна при высокоинтенсивной сушки гранул после паросорбции можно пренебречь усадкой, что подтверждено экспериментально. За вторую координату при составлении разностной сетки берется время сушки или связанная с ней влажность продукта (экспериментальные данные).

Для расчета полей температур путем решения системы дифференциальных уравнений влаго- и теплопереноса целесообразным является реализация математических численных методов (так как аналитические решения достаточно громоздки и некорректны) при расчете по неявным схемам, которые устойчивы при любом соотношении шагов по х и с.

Уравнение переноса тепла при одномерной задаче в случае объемного энергоподвода имеет вид:

= + е ,-(„>*,Г) р(п,х,Г).^ + 1Г(*,х,Т). (17)

В нашем случае, при отсутствии внутреннего источника тепла (Н'(и,х,Т) = 0), кроме того, можно подстави!ь вместо д\ч/дт дифференциальное изменение средней по слою влажности дм/дт, а также с достаточной точностью принять коэффициент фазовых превращений е - 1, т.е. перенос влаги в процессе высокоинтенсивной сушки происходит в основном в виде пара при изотропности (равномерности м> по слою) структуры

Учитывая изотропность структуры при сушке, теплофизические характеристики практически не зависят от х, и если вынести ЛОу т) за знак дифференциала, разделить уравнение на ср^.Т) и Зи/Зг = /(ч') получим:

= + (18) дж дн' дт дх2 ср

Теплообмен на границе задается граничными условиями 2-го рода.

Имеют место граничные условия - А(у>)(дТ/дх) = а{Гокр сра)ы -Тх=^пшарх ))

(19), 1 де а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К). Обозначим, х - координата глубины частицы, м; / - диаметр частицы, м, Г„А/<ЧЛ„„ - температура окружающей среды, К; (Т^поае/а) -

Анализ температурных полей при рациональных режимных параметрах показывает их. экстремальный характер как по глубине частиц, так и в течение процесса сушки при малых температурных градиентах.

Температурный режим обеспечивает «мягкие» режимы сушки, что подтверждает анализ расчетных данных, т к. температура продукта в течение конвективной сушки не превышает 7 = 353 К. Отмечены периодические скачки температуры, которые соответствуют пикам скорости сушки и уменьшением температуры в связи с затратой энергии на фазовый переход, при высвобождении структурной влаги.

температура на поверхности частицы, К.

Рис 19 Температурное поле при / = 0.002 м. / 383 К Г- 3 4 м/с.

На участках с неизменной температурой удаляется свободная влага, что подтверждено еще в классических работах по сушке. Рост температуры наблюдается при расширении структурной влаги в замкнутых объемах (ячейках, закрытых жидкостными менисками капиллярах и клетках) - парниковый эффект при снижении скорости сушки. Это подтверждает предположения и выводы о механизме обезвоживания.

На рис 19 в качестве примера приведены результаты расчетов полей температур для конвективной сушки экспандированных кормов

В шестой главе «Совершенствование технологии кормовых продуктов и установок для сушки и гранулирования» приведены рекомендации по изменению традиционной технологии экспандированных кормовых продуктов, а также предложены рациональные схемы паросорбции экспандантов, гранулятор высоковязких кормов для непродуктивных животных и конструкции сушилок. В предложенной технологии за экспандером для сорбции продукта с высокоразвитой капиллярно-пористой поверхностью устанавливается паросор-бер, с целью уменьшения пористости и повышения плотности, предварительно диспергированных (экспандированных) продуктов, а также варьирования (уменьшения) размеров гранул и сглаживания их поверхности. На основе патентного анализа и поисковых экспериментов, предложены различные варианты обезвоживания. Рекомендована конструкция сушилки для экспандантов (рис. 20).

Рис 20 Схема пневматической дисковой сушилки с псевдоожи-женым слоем I кольцо, 2 сетка, 3 спираль, 4 направляющая планка. 5 ребра жесткости сетки, 6 крышка сушилки, 7 загрузочный бункер, 8 корпус сушилки 9 заслонка 10 лоток разгрузки, 1! перегрузочный лоток, 12 защитная сетка, 13 воздушный коллектор, 14 спиральный барботер, 15 привод, 16 патрубок выхода отработанного воздуха

Рис 22 Устройство для гранулирования нысохоадгезиои-ных смесей

Рис 21 Сушильная установка с узлом экструзии и гранулирования

Синтез преимуществ проанализированных конструкций с\ шижж и авторских разработок дали возможность предложить устройство, удовлетворяющее требованиям производства кормовых продуктов для непродуктивных животных по схеме экструдср+ гранулятор + сушилка мри комбинированном энергоподводе (рис 21, 22), а также предложено устройство для пригоювления гранулированных высокоадгезионныч продукюв, позволяющее плавно изменять направления подачи штрангов, получать гранул различной формы и размеров в непрерывном режиме, гранулировав высокоадгезионные влажные материалы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Проанализированы (ехнологии кормов, их обезвоживания и методы его интенсификации прогрессивные констр>кции сушилок, а также способы предварительной обработки продукюв перед сушкой гранулирование, паросорбция

2. Значительная величина энтропийной составляющей свободной энергии для исследованных продуктов предопределяет выбор объемных способов энергоподвода (ИК-кондуктивный при сушке кормов для непродуктивных животных и конвективный всесторонний подвод энергии для экспандированных кормовых продуктов) и целесообразность предварительного диспергирования (экструдирование, гранулирование, экспандирование), что также обусловлено отрицательной величиной термоградиентного коэффициента при высокой влажности, что нетипично для традиционных пищевых и кормовых продуктов.

3. Для обоснования выбранного способа комбинированного энергоподвода исследованы и аппроксимированы оптические свойства кормов для непродуктивных животных, а также функции распределения объемной плотности поглощенной энергии в гранулах.

4. Исследованы динамика и механизм внутреннего тепломассопереноса, получены функциональные зависимости целевой функции оптимизации процессов сушки, разработаны способы конвективной сушки экспандантов и радиационно-кондуктивной атмосферной сушки гранулированных кормов для непродуктивных животных и предварительной обработки (гранулирование, паросорбция).

5. При реализации физико-математической модели тепломассообмена для экспандированных кормовых продуктов обоснованы краевые условия и получены поля температур, вследствие невозможности их экспериментального исследования.

6. Усовершенствована технология сухих экспандированных продуктов и рекомендованы рациональные конструкции установок для паросорбции и сушки. Разработаны варианты проведения процессов гранулирования, радиационно-кондуктивной атмосферной сушки высоковязких гранулированных кормов для непродуктивных животных, а также паросорбции и конвективной сушки экспандированных продуктов, обоснованы рациональные режимы.

Рекомендованы конвейерная установка с комбинированным энергоподводом для сушки гранулированных кормов для непродуктивных животных с эластичным экструде-ром и гранулятором для высокоадгезионных продуктов, внедренная на Астраханском мясокомбинате (ООО «Парад») в линии производства гранулированных кормовых продуктов по утвержденным техническим условиям и разработанной технологической инструкцией с участием автора на производство кормов для непродуктивных животных.

Проведены экспериментальные работы по кормлению молоди осетровых рыб гранулированными кормами на ФГУП «КаспНИРХ», получены положительны результаты.

Работа отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций.

Конечные результаты полученные в диссертационной работе приняты к использованию и внедрению на предприятиях: ООО «Биотехсинтез» и ООО Рыбопромышленная судоходная компания «Держава-шиппиш-», где отмечены достаточный научно-технический уровень и актуальность исследований и рекомендаций, а также экономическая эффективность практической реализации результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Алексаняи И.Ю, Попова С Б, Синяк С В Инженерные аспекты исследования и производства экспандированных - гранулированных пищевых и кормовых продуктов // Известия вузов Пищевая технология 2004 №5-6 С. 69-72. По списку ВАК.

2. Алексанян И Ю , Антошкин О В, Синяк С В Совершенствование технологии экспандированных - гранулированных продуктов // Известия вузов Пищевая технология 2004 №4 С 39 -41 По списку ВАК.

3 Попова С Б , Алексанян И Ю , Синяк С В Исследование процессов сушки гранулированных продуктов растительного происхождения//Вестник АГТУ Механика 2003 С 62-70 По списку ВАК."

Jpswri zuyori

29602

4. Синяк C.B, Максименко Ю.А Физико-химические и теплофизичсские свойства кормовых продуктов // Вестник АГТУ 2005 № 2(25) С. 272 - 277 По списку ВАК.

5 Максименко Ю А., Синяк С В Кинетика сушки кормовых продуктов растительного происхождения // Вестник АГТУ 2005. № 2(25). С. 267 - 271. По списку ВАК.

6. Алексанян И.Ю., Попова С Б., Сергеев А Н., Синяк С.В Определение рациональных режимов сушки пишевых продуктов / Тезисы научно-практической конференции «Водные биоресурсы России: решение проблем их изучения и рационального использования» в рамках международной выставки. М.: МГУПП. 2003. С 175-176.

7 Попова С Б., Сергеев А.Н , Синяк C.B. Оптимизация совместного процесса гранулирования и обезвоживания плодоовощных паст / Материалы международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2003», Калининград: КГТУ, 2003. С. 158

8. Алексанян И.Ю , Синяк С В. Выбор рациональных параметров экструдирования и гранулирования для оптимизации сушки пищевых и кормовых продуктов / Материалы II Международной научно - технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». Воронеж ВГТА, 2004. Ч. 2. С 66-67.

9 Синяк С В, Хайбулов Р.А Оптимизация процесса сушки экстракта корня солодки / Материалы II Международной научно - технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности». Воронеж' ВГТА, 2004 Ч. 2 С 364-365

10 Алексанян И.Ю, Попова С Б, Синяк С.В Интенсификация процессов тепломассообмена при производстве экструдированных сухих биополимерных систем // Вестник АИНиГ Атырау 2004. №5. С. 99-103.

11 Алексанян И Ю , Синяк С В Перспективные технологии экспандированных продуктов на базе изучения свойств и кинетики процессов сорбции и обезвоживания / Материалы И Всероссийской конференции - выставки с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» M • МГУПП, 2004 С 231-233

12 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 «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» M ■ МГУПП, 2004 С 234-236

13. Алексанян И Ю, Хайбулов Р.А, Синяк С В Методика и программное обеспечение для прогнозирования и получения осциллирующих рациональных режимов сушки растительных продуктов и их экстрактов во вспененном и псевдоожиженном состоянии / Материалы IV Международной конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» Вологда-ВолГТУ, 2004 С 335 -337

14 Синяк С В , Алексанян И Ю , Ревина А В. Физико-химические и теплофизические свойства растительных продуктов и их экспандантов / Материалы Международной конференции «Современные проблемы производства продуктов питания». Барнаул: АлтГТУ, 2004 С 164-171

15 Алексанян И.Ю., Максименко Ю А , Синяк С В Моделирование осциллирующих рациональных режимов сушки / Сборник трудов XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Казань' КГТУ 2005 т9 С 143-145.

16. Максименко Ю А, Синяк С.В , Хайбулов Р А Механизм внутреннего тепломассопере-носа на основе экспериментально-аналитического изучения аномальной кинетики обезвоживания для продуктов животного и растительного происхождения I Труды Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)». Москва МЭИ, 2005 Т 1 С 301-303.

17. Синяк С В , Максименко Ю А , Хайбулов Р А. Механизм и аномальные термодинамические особенности статического взаимодействия пищевых продуктов с водой / Труды Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» Москва-МЭИ, 2005. Т 2 С. 110-113

Типография АГТУ 414025г Астрахань, ул Татищева, 16 заказ № тираж 100 экземпляров Подписано в печать 2.1/. /V. 05Т-

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Синяк, Станислав Владимирович

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА

Анализ современного состояния и перспектив производства сухих гранулированных кормов для продуктивных и непродуктивных животных с целью обоснования конструкторских решений и рациональных способов сушки

1.1. Современное состояние, перспективы производства и использования нетрадиционных кормовых продуктов

1.2. Анализ современного состояния способов и конструкций установок для сушки гранулированных кормовых продуктов

1.3. Анализ способов гранулирования продуктов животного и растительного происхождения

ГЛАВА

Изучение основных теплофизических, структурно-механических, гигроскопических характеристик и термодинамики взаимодействия гранулированных кормовых продуктов и воды

2.1. Теплофизические характеристики экспандированных кормовых продуктов

2.2. Структурно-механические характеристики экспандированных продуктов

2.3. Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия гранулированных кормовых продуктов и воды

ГЛАВА

Обоснование инфракрасного энергоподвода в процессе сушки гранулированных продуктов

ГЛАВА

Изучение кинетики и разработка рациональных режимных параметров процесса сушки гранулированных кормовых продуктов

ГЛАВА

Расчет температурных полей в экспандированных гранулах кормовых продуктов на основе моделирования тепломассопереноса в процессе конвективной сушки

ГЛАВА

Совершенствование технологии кормовых продуктов и установок для сушки и гранулирования

6.1. Описание предполагаемой технологической схемы производства экспандированных кормовых продуктов и рекомендуемые сушильные установки

6.2. Рекомендуемые конструкции гранулятора и сушильной установки для производства гранулированных кормов для непродуктивных животных

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование динамики и механизма тепломассопереноса при сушке гранулированных комбинированных и растительных кормовых продуктов"

При производстве кормов для рыб, птицы, непродуктивных животных и крупного рогатого скота выдвигается проблема повышения эффективности переработки сырья биологического происхождения с выработкой качественных, сбалансированных и экологически безопасных кормовых продуктов на базе совершенствования технологических процессов и оборудования.

В результате более чем десятилетних экономических преобразований в России сложилась ситуация, когда основная масса кормов, особенно для непродуктивных животных (кошек, собак и т. п.) производится с привлечением иностранных технологий. Даже принимая во внимание высокую цену и отсутствие прямого соотношения стоимости и целевых требований на кормовые продукты, наблюдается недоверие потребителя к кормам отечественного изготовления. Причиной нередко является тот факт, что предлагаемый ассортимент их весьма скудный и не всегда полностью отвечает требованиям ветеринарии.

Среди факторов кормового питания, имеющих важное значение для поддержания здоровья . и работоспособности, особая роль принадлежит полноценному и регулярному снабжению организма животных всеми необходимыми микронутриентами (витаминами, минеральными веществами, микроэлементами, в том числе минорными компонентами пищи). Организм животных не синтезирует указанные соединения и должен получать их в готовом виде с кормами, причём ежедневно, так как способность запасать незаменимые вещества впрок у организма отсутствует.

Узким» местом, сдерживающим широкое внедрение линий по производству кормов являются финишные операции технологий кормов, такие как измельчение, экструдирование, гранулирование, обезвоживание и т.д., учитывая их высокую энергоемкость и особенности механизма внутреннего тепломассопереноса. В связи с этим актуальным является выбор экологически безопасных методов переработки, позволяющих повысить эффективность проведения процессов и получения высоко качественного продукта.

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» в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Технологические машины и оборудование».

Цель и задачи диссертационной работы является повышение интенсивности предварительной обработки и сушки гранулированных кормовых продуктов различных целевого назначения, начальной консистенции и функциональных особенностей на основе теоретических и экспериментальных исследования динамики и механизма тепломассопереноса.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- исследовать и обобщить теплофизические (ТФХ), физико-химические (ФХС), структурно-механические (CMC)), оптические (ОХ) и терморадиационные (ТРХ) свойства и характеристики исследуемых продуктов;

- обосновать рациональные способы энергоподвода для гранулированных кормов для непродуктивных животных и экспандированных кормовых продуктов для сельскохозяйственных животных, птицы и рыбы;

- выявить влияние основных факторов на интенсивность сушки, на базе экспериментально-аналитического исследования динамики и механизма тепломассопереноса при экструдировании, экспандировании, гранулировании и обезвоживании кормовых продуктов с различным целевым назначением и структурой;

- предложить конструкторские решения реализации рациональных способов сушки, методов предварительного экструдирования, экспандирования и гранулирования сырья на базе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований по интенсификации тепломассообмена.

Анализ поставленных цели и задач для ее реализации позволяет скомпоновать структуру диссертационной работы.

Структура работы.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И МЕХАНИЗМА ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ СУШКЕ ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ

Цель - повышение интенсивности предварительной обработки и сушки гранулированных кормовых продуктов различных целевого назначения, начальной консистенции и функциональных особенностей на основе теоретических и экспериментальных исследований динамики и механизма тепломассопереноса

Изучение комплекса I характеристик объекта сушки 1 на основе экспериментов и У литературных данных

Исследование влияния основных факторов на эффективность сушки кормов.

Экспериментально е исследование кинетики процесса сушки

Расчет полей температур

Экспериментально-аналитическое изучение сушки гранулированных кормовых продуктов

Анализ данных по кинетике сушки экспацдированных кормовых продуктов. Выбор рационального способа.

Разработка рационального режима сушки кормовых продуктов различного целевого назначения т

Разработка вариантов проведения процессов гранулирования, сушки кормов для непродуктивных животных и паросорбции и сушки экспацдированных кормовых продуктов ббщие выводы и заключений

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализированы технологии кормов, их обезвоживания и методы его интенсификации, прогрессивные конструкции сушилок, а также способы предварительной обработки продуктов перед сушкой: гранулирование, паросорбция.

Рекомендованы конвейерная установка с комбинированным энергоподводом для сушки гранулированных кормов для непродуктивных животных с эластичным экструдером и гранулятором для высокоадгезионных продуктов, внедренная на

Астраханском мясокомбинате (ООО «Парад») в линии производства гранулированных кормовых продуктов по утвержденным техническим условиям и разработанной технологической инструкцией с участием автора на производство кормов для непродуктивных животных.

Работа «Оригинальные технологии и оборудование для сушки, экспандирования и гранулирования пищевых и кормовых продуктов» выполненная при участии автора, отмечена дипломом и серебряной медалью на V Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2005 г.

Конечные результаты, полученные в диссертационной работе, приняты к использованию и внедрению на предприятиях: ООО «Биотехсинтез» и ООО Рыбопромышленная судоходная компания «Держава-шиппинг», где отмечены достаточный научно-технический уровень и актуальность исследований и рекомендаций, а также экономическая эффективность практической реализации результатов работы.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Синяк, Станислав Владимирович, 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. A.c. 1592687 СССР5 Г 26 В 17/10 3/10/ № 3886202/24-06. Заявл. 14.05.85г. опубл. 15.09.90г. Бюл. №34.

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

4. Алексанян И.Ю., Алянский Р.И. и другие Корм сухой для домашних животных -001./ Москва 1999г. Минсельхозпрод РФ. ВГНИИ Контроля, стандартизации и сертификации ветпрепаратов. ТУ №9296-001-47806006-99.

5. Алексанян И.Ю., Буйнов A.A. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка. Теория. Практика. Моделирование, Монография. /Изд-во АГТУ. Астрахань.2005 г.

6. Алексанян И.Ю., Максименко Ю.А., Синяк C.B. Моделирование осциллирующих рациональных режимов сушки / Сборник трудов XVII

7. Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». Казань: КГТУ. 2005. т.9. С. 143-145.

8. Алексанян И.Ю., Попова С.Б., Синяк C.B. Инженерные аспекты исследования и производства экспандированных гранулированных пищевых и кормовых продуктов // Известия вузов. Пищевая технология. 2004. №5-6. С. 69-72.

9. Алексанян И.Ю., Попова С.Б., Синяк C.B. Интенсификация процессов тепломассообмена при производстве экструдированных сухих биополимерных систем // Вестник АИНиГ. Атырау: АИНиГ, 2004. №5. С. 99-103.

10. Алексанян И.Ю., Синяк C.B., Антошкин О.В. Совершенствование технологии экспандированных гранулированных продуктов // Известия вузов.Пищевая технология. 2004. №4. С. 39 - 41.