автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности сушки высоковлажной плодоовощной продукции за счет создания и использования электрических конвейерных установок комбинированной сушки

2 1 ДПР Ш8

На правах рукописи

МАЛЯРЧУК ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ ВЫСОКОВЛАЖНОЙ ПЛОДООВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ ЗА СЧЁТ СОЗДАНИЯ и ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНВЕЙЕРНЫХ УСТАНОВОК КОМБИНИРОВАННОЙ СУШКИ

Специальность 05.20.02. - Электрификация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Саратов -1998

Работа выполнена в Саратовском государственном агроинженерном университете.

Научные руководители: кандидат технических наук,

доцент А.В.ЛЬВИЦЫН; кандидат физико-математических наук, зав. отделом, с.н.с. В.Я.ЯВЧУНОВСКИЙ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

доцент А.П.ЧЕТВЕРИКОВ, кандидат технических наук, доцент Ю.Н.ГЛУБОКИЙ.

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт

консервной и овощесушильной промышленности (ВНИИКОП).

Защита диссертации состоится 20 мая 1998 г. в 1200час. на заседании диссертационного Совета К 120.04.02 Саратовского государственного агроинженерного университета по адресу: 410740, г.Саратов, ул. Советская, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 3 апреля 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

Н.П.ВОЛОСЕВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для производителей сельскохозяйственной продукции сохранность собранного урожая начинает занимать на сегодняшний день одно из главных мест в структуре производства из-за значительных убытков, обусловленных несовершенством способов сохранения собранных овощей и фруктов, и невозможности, с другой стороны, достаточно быстро реализовать эту продукцию в сезонный период из-за низких цен.

Другой, не менее актуальной задачей является переработка плодоовощной продукции в полуфабрикаты, быстрые в приготовлении и удобные в хранении, а также специальные пищевые добавки, используемые в мясной и консервной промышленности.

Кроме того, транспортирование и хранение в промышленных масштабах переработанной продукции значительно сокращает экономические затраты на эти этапы пути продукта от производителя к потребителю.

Одним из основных способов переработки плодоовощной продукции является сушка, позволяющая сохранить главные качества продукта, - питательные свойства, фруктозу, витамины. Однако это достигается не при всех способах сушки и, кроме того, зачастую энергозатраты на этот процесс настолько велики, что не покрываются заложенной прибылью. Так, для группы высоковлажных плодов и овощей (а это -продукты с начальным влагосодержанием 500-800%, такие, как морковь, свекла, яблоки, груши) главной составляющей затрат на процесс сушки является стоимость расходуемой электроэнергии.

Поэтому одним из важнейших требований, предъявляемых к современным техпроцессам и оборудованию сушки, является минимизация энергоемкости процесса сушки. Особенно актуальной такая задача стала в связи с существенным удорожанием энергоносителей, в том числе и электроэнергии. По имеющимся сведениям, в настоящее время в России производится порядка ЗООООО тони сушеных овощей и фруктов в год. Это производство базируется, в основном, на установках конвективной сушки. Использование в сушильной промышленности наиболее современных технологий и оборудования позволило бы получить экономию на уровне 150 млрд. руб. в год (за счет экономии электроэнергии и жидкого и газообразного топлива, зачастую также используемого в сушилках конвективного типа).

Другим важным требованием сегодняшнего дня, предъявляемым к сушильному оборудованию, является снижение занимаемых им производственных площадей, что обусловлено высокой арендной платой. Кроме того, к установкам сушки сельхозпродукции в последние годы начали предъявляться требования, связанные с технологичностью

А

процесса, минимизацией трудозатрат обслуживающего персонала, снижением доли ручного труда.

Поэтому важной и современной задачей является создание эффективного высокопроизводительного оборудования для обезвоживания высоковлажной плодоовощной продукции, реализующего достоинства различных методов нагрева.

Исследования, результаты которых представлены в диссертации, выполнялись в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в СНПФ "Атроприбор" по заказу Главнауки МСХП РФ в рамках темы: "Разработка экологически чистой, ресурсосберегающей поточной технологии сушки сельхозпродуктов растительного происхождения на базе оптимального сочетания конвективного и микроволнового механизмов воздействия с целью разработки в дальнейшем параметрического ряда сушильного оборудования".

Целью работы является разработка техпроцессов, характеризующихся минимальной энергоемкостью, высокой удельной производительностью за счет создания и использования электрических конвейерных установок комбинированной (конвективно-микроволновой) сушки.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:

- разработка теоретических моделей процессов конвективной, микроволновой и комбинированной (конвективно-микроволновой) сушки, создание расчетной инженерной базы для разработки сушильных установок;

- проведение экспериментальных исследований процессов конвективной и микроволновой сушки, направленных на определение границ областей наиболее рационального использования каждого из этих физических механизмов обезвоживания;

-разработка метода комбинированной сушки, сочетающего в едином технологическом процессе конвективный и микроволновый способы обезвоживания;

- расчет и конструирование узлов и механизмов электрических конвейерных установок комбинированной сушки;

- создание, технические испытания и внедрение установок комбинированной сушки высоковлажной плодоовощной продукции.

Практическая значимость проведенных исследований (и диссертационной работы в целом) состоит в том, что на их базе удалось:

- теоретически обосновать и практически реализовать новый способ обезвоживания высоковлажных продуктов, основанный на сочетании конвективного и микроволнового методов сушки;

- разработать параметрический ряд промышленных установок комбинированной сушки с высокими технико-экономическими параметрами, существенно превышающими достигнутые ранее в традиционных установках конвективной, инфракрасной, микроволновой сушки и т.п.;

разработать промышленные технологии комбинированной сушки, предназначенные для получения продуктов высшей категории качества (сушеных овощей, фруктов и т.д.).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на трех международных конференциях : Казань ( июнь 1995 г.); Минск (февраль 1996 г.); Москва ( апрель 1997 г.); а также на научных конференциях в СГАУ (1997, 1998 г.), СГТУ (1997 г.) и СГПИ (1997 г.).

Реализация результатов исследований. На основании проведенных исследований были разработаны конвейерные установки комбинированной сушки высоковлажной плодоовощной продукции серии УКСК (УКСК-1/6, УКСК-2/6, УКСК-2/12 и т.д.), которые были впоследствии внедрены в мелкосерийное производство Саратовской НПФ "Диполь". Смонтированные и введенные в эксплуатацию установки этой серии используются в настоящее время на различных сельскохозяйственных и пшцеперерабатывающих предприятиях Российской Федерации. Среднегодовая экономия электроэнергии за счет использования только одной установки комбинированной сушки (например, УКСК-1/6) составляет 1,4 ■ 10! кВт- час, по сравнению с установками микроволновой сушки, и 4,5-101 кВт-час, по сравнению с установками конвективной сушки. Годовой экономический эффект составляет в этом случае соответственно порядка 50,4 млн.руб. и 156,8 млн.руб. в год (в масштабе цен 1996-1997 гг.).

Объектом исследований является электрическая конвейерная установка комбинированной сушки плодоовощной продукции, разработанная с целью снижения удельных энергозатрат техпроцесса обезвоживания при сохранении высокого качества готовой продукции.

Предметом исследований выступают конвективный и микроволновый процессы обезвоживания в плане их рационального совмещения в едином техпроцессе с целью снижения его удельной энергоемкости.

Методы исследования . Основой для разработки теоретических моделей процессов обезвоживания послужили теория теплообмена и теория распространения электромагнитных волн. При разработке математической модели динамики процесса

энергомассовыделеиия использовался математический аппарат метода граничных элементов.

Теоретические расчеты и обработка результатов экспериментов выполнялись с помощью как стандартных, так и специально разработанных программных продуктов ЭВМ.

Для решения экспериментальных задач по обоснованию режимных параметров использовался метод активного планирования эксперимента.

Проверка эффективности принятых решений выполнена на основе испытаний вводимых в действие серийных установок комбинированной (конвективно-микроволновой) сушки.

Научная новизна состоит в создании теоретических основ и экспериментальном обосновании возможности создания нового типа оборудования - электрических конвейерных установок комбинированной сушки, характеризующихся низкими удельными энергозатратами на обработку продукции. При этом:

- обоснованы теоретически и подтверждены экспериментально рациональные параметры режима конвективной сушки с минимальной энергоемкостью процесса;

- теоретически обоснована необходимость совмещения в едином техпроцессе конвективного и микроволнового методов обезвоживания для минимизации энергоемкости процесса;

- разработана и детально изучена в динамике теоретико-экспериментальная модель энергомассовыделения процесса микроволновой сушки;

- экспериментально обоснована область рационального совмещения конвективного и микроволнового методов обезвоживания в едином техпроцессе;

- экспериментально исследованы различные режимы комбинированной (конвективно-микроволновой) сушки.

Публикация результатов. По результатам исследований опубликовано 7 работ, в том числе I патент на изобретение, 1 свидетельство на полезную модель, 3 тезисов докладов на научных конференциях, 2 научно-технические статьи.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объём - 168 страниц, из них - 166 страниц основного текста, 54 рисунка, 8 таблиц и 2 приложений. Список литературы представлен 88 наименованиями, в том числе 13 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы: актуальность проблемы, цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность, сведения о внедрении и апробации работы.

В первой главе содержится аналитический обзор различных методов и оборудования для обезвоживания сельскохозяйственной продукции, включающий как подробный сравнительный анализ методов и оборудования, так и разработку на базе проведенного анализа системы критериев оценки эффективности различных типов сушильного оборудования.

Проведенный анализ позволил установить, что наиболее обширным классом сушильного оборудования являются установки, использующие конвективный метод обезвоживания, т.е. метод, при котором нагрев обрабатываемого продукта осуществляется с помощью горячего воздуха. Установки этого класса в силу простоты конструкции нашли самое широкое использование практически во всех областях промышленности и сельского хозяйства. Эти установки разделяются по виду топлива, используемого для нагрева воздуха, на установки, работающие на жидком топливе; установки, работающие на газе; установки, работающие на жидком топливе и электрические сушилки, которые в силу своей экологической чистоты являются наиболее перспективными для использования в сельском хозяйстве. Конструктивно установки конвективной сушки подразделяются на ленточные, камерные, барабанные и установки сушки в псевдо-кипящем слое. На практике наиболее часто применяются ленточные и многоклеточные сушилки. Диапазон производительности различных установок этого класса весьма широк и составляет от десятков килограммов сырья в час до нескольких тонн в час. Важной особенностью такого оборудования является то, что воздух (топочные газы) выполняет в нем одновременно две функции: теплоносителя и агента, выносящего влагу из установки. Следующим классом сушильного оборудования являются кондуктивные сушилки, т.е. установки, в которых нагрев продукта осуществляется за счет контакта с нагретой поверхностью. Конструктивно установки этого класса разделяют на слоевые, вальцевые и шахтные. В силу того, что в оборудовании этих классов нагрев продукта осуществляется за счет контакта с теплоносителем, в рамках данной работы они были объединены в класс условно-конвективных методов. Теория этих методов разработана школой А.В.Лыкова и развита в работах В.М.Смольского, П.Д.Лебедева, Г.К.Филоненко, Ю.А.Михайлова, А.С.Гинзбурга, А.Г.Тёмкина и др.

В другой класс - радиационных методов - бьии объединены установки, использующие для нагрева инфракрасное излучение, высокочастотные токи и микроволновое излучение. Весомую роль в развитии микроволновых технологий сушки сыграли работы И.Ф.Бородина, НЛ.Брицына, В.П.Вологодина, В.В.Воронцова, С.В.Вендина, Н.П.Глуханова, Г.Ф.Головина, К.А.Дидебулидзе, А.В.Донского, Б.Я.Жуховницкого, Ф.Я.Изакова, Н.В.Книппера, В.Н.Кудина, Б.Р.Лазаренко, В.А.Матисона, А.В.Некрушана, А.В.Нетушил, С.И.Петручени, И.А.Рогова, А.Е.Слухоцкого, П.А.Стачеус, П.П.Тарутина, Н.Е.Федорова, Р.Л.Филиппова, А.А.Фогеля, М.Л.Фрумкина, Н.В.Цугленка, Н.Д.Черняева, А.Н.Шамова, а также ряда зарубежных и отечественных авторов, в которых рассматриваются как физические процессы, протекающие в обрабатываемых диэлектрических объектах под действием электромагнитных волн СВЧ, так и различные варианты конструкций оборудования микроволновой сушки. Наиболее перспективным промышленным оборудованием этого класса являются установки микроволновой сушки и, в частности, конвейерные установки микроволновой сушки серии УСК, выпускаемые НПФ "Диполь" (г.Саратов).

Как показал сравнительный анализ различных методов обезвоживания, сушка с помощью микроволнового излучения позволяет получать самые высокие результаты по сохраняемости в продукте сушки полезных веществ и витаминов. Однако увеличение производительности таких установок ограничено мощностью источника СВЧ-излучения и, кроме того, на участке высоких влагосодержаний (порядка 400-800%) микроволновый метод сушки является малоэффективным.

Напротив, метод конвективной сушки, достаточно эффективный на участке высоких влагосодержаний, на конечном этапе сушки характеризуется весьма низкими значениями скорости сушки (что и обуславливает высокую энергоемкость процесса). Это обусловило идею разработки метода (и оборудования для его реализации) комбинированной сушки, т.е. процесса, в котором обрабатываемый продукт на начальном этапе сушки подвергается воздействию нагретого воздуха, а затем, по достижении некоторого значения влагосодержания, поступает в зону обработки микроволновым излучением (рис.1). Такая технологическая схема позволяет достичь высоких результатов по целому ряду технико-экономических критериев. Прежде всего - это низкая энергоемкость процесса Я, т.е. количество энергии, которое необходимо затратить на испарение 1 кг влаги:

К=5Е/аМ„„а™ (1)

направление

движения

продукта

нагретый воздух

Рис.1. Технологическая схема конвективно-микроволновой сушки высоковлажной плодоовощной продукции

достигаемая за счет рационального сочетания двух методов воздействия. Во-вторых, снижение относительной стоимости оборудования, т.е. стоимости, отнесенной к производительности установки. Это обусловлено тем, что оборудование конвективной сушки, как минимум в 4-5 раз, дешевле оборудования СВЧ-сушки аналогичной производительности. По той же причине установки конвективно-микроволновой .сушки характеризуются низкими площадью, занимаемой оборудованием, и материалоемкостью установок.

Во второй главе проведено теоретическое исследование процессов конвективной, микроволновой и комбинированной сушки, дано обоснование основных параметров и конструктивных схем установок комбинированной сушки сельскохозяйственной продукции.

Теоретическое исследование процесса конвективной сушки позволило на основе анализа классических уравнений тепло- и массообмена, а также ряда эмпирических выражений получить выражение для скорости испарения влаги с поверхности обрабатываемого материала:

\

1,89

• 4,85-10 30 -8,65-10

1-3

(2)

где от/от - скорость испарения влаги;

Э - площадь поверхности испарения; V - скорость воздушного потока; с! - диаметр воздушного потока;

у - кинематическая вязкость воздуха;

ТД - температура воздуха.

Как показали расчеты, для эффективного течения процесса сушки необходимы температуры воздушного потока порядка 90 + 95°С (при температурах ниже указанных значений снижается скорость сушки, а температуры воздушного потока выше 100°С опасны необратимыми изменениями в структуре обрабатываемого продукта).

Однако при таких параметрах воздушного потока температура воздуха на выходе из продукта (с учетом расходов теплоты на испарение) будет составлять около 60 + 65°С. Этот факт определил необходимость использования при конструировании конвективного модуля установки комбинированной сушки системы рециркуляции воздушного потока, когда воздух с выхода из продукта снова подается в калорифер. Система рециркуляции воздушного потока должна бьпь снабжена впускным и выпускным шиберами, необходимыми для частичного обновления воздуха с целью обеспечения его достаточной влагоемкости.

Для теоретического обоснования тезиса о рациональности совмещения в едином технологическом процессе были рассмотрены, с одной стороны, термодинамическая картина динамики конвективного процесса обезвоживания высоковлажных продуктов и, с другой, - электродинамическая картина взаимодействия микроволнового излучения с продуктом. Анализ термодинамической картины показал, что на начальном периоде сушки устанавливается определенное термодинамическое состояние системы, т.е. некоторое время процесс идет при постоянной температуре и скорости сушки материала. Такое состояние поддерживается до тех пор, пока капиллярные силы оказываются способными транспортировать испаряемую влагу из глубины влажного материала к его поверхности. При условии, что параметры среды, окружающей продукт, остаются неизменными, скорость сушки дт/дт, рассчитанная как поток пара с единицы площади поверхности, и снижение влагосодержания V/ внутри материала в этот период сушки будут постоянными. Вследствие того, что испарение влаги происходит на поверхности материала, теплота, подводимая с воздухом, должна расходоваться только на поверхности. При этом внутри материала отсутствует градиент температур. Второй период сушки обусловлен тем, что влагосодержание на поверхности высушиваемого материала снижается значительно быстрее, чем внутри. В некоторый момент времени влага, содержащаяся в порах непосредственно на поверхности материала, полностью испаряется, хотя внутри материал продолжает оставаться влажным. Теперь процесс сушки будет идти с непостоянными скоростями дт!дх или что обуславливается двумя причинами:

а) теплота, необходимая для испарения, подается к поверхности испарения через слой материала определенной толщины. Это обуславливает повышенное значение температуры на поверхности материала, по сравнению с температурой на поверхности испарения. Благодаря этому, уменьшается температурная разность между воздухом и поверхностью материала, интенсивность теплообмена между ними снижается и, следовательно, уменьшается тепловой поток, подводимый воздухом к высушиваемому материалу;

б) влага, находящаяся внутри материала, прежде чем в парообразном состоянии поступить в поток воздуха, должна диффундировать через слой высушенного материала к его поверхности. Это обстоятельство усложняет отвод влаги и снижает скорость процесса сушки.

Тем самым, было показано, что сушка конвективным методом наиболее эффективна на начальном этапе (участке высоких влагосодержаний).

С другой стороны, анализ электродинамической картины взаимодействия микроволнового излучения показал, что на участке высоких (более 400%) влагосодержаний тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость е настолько велики, что величина Ь, определяемая как глубина проникновения СВЧ-излучения в продукт:

где X • длина волны излучения,

составляет не более нескольких сантиметров, что при поперечных размерах потока обрабатываемого материала около 0,6 м приводит к высокой неравномерности обработки.

Проблема неравномерности обработки продукта в установках СВЧ-сушки и динамики ее развития была подробно изучена с помощью специально разработанной теоретико-экспериментальной модели процессов энерго- и массовыделения в продукте и созданного на основе этой модели комплекса программных средств.

В предлагаемой модели рассматривалось энерговыделение в поперечном разрезе продукта на входе в микроволновый модуль (рис.2). Считая распределение продукта в

Ь=

Я

(3)

1 2

Рис. 2. Поперечное сечение камеры микроволновой сушки с обрабатываемым продуктом: 1 -источники СВЧ-излучения; 2 - области трансформации излучения; 3 - камера сушки; 4 - поддон с продуктом (а - ширина поддона).

поперечном сечении квазиравномерным, было введено понятие удельного затухания в продукте а/а [дБ/м], где а - интегральное затухание в слое продукта, а - ширина слоя продукта. В рассматриваемой модели считалось, что волна излучения, прошедшая через слой обрабатываемого материала, испытывает однократное отражение на противоположном краю электродинамической системы. Тогда мощность излучения в произвольной точке поперечного сечения продукта будет иметь вид:

. -0,1у- 0,1у—0,2а 0,1 V—-0,1аг -0,1—0,1а

Р(у)=Ро\ 10 ° +10 ° +10 " +10 ■

(4)

На рис.З представлены распределения энерговыделенля в поперечном сечении

Рис.3. Распределение энерговыделения в поперечном сечении обрабатываемого продукта в камере микроволновой сушки для различных удельных плотностей загрузки: 1 - рул = 18 кг/м2, а =10дБ; 2 - руд= 15 кг/м2, а =8дБ; 3 - руд = 12 кг/м2, а =6дБ.

обрабатываемого продукта, рассчитанные по выражению (4) для различных значений интегрального затухания, определенных экспериментально. Из этих графиков видно, что процесс сушки наиболее интенсивен у краев поддона и наименее интенсивен - в середине. Однако это справедливо лишь для начального момента времени процесса, т.к. в следующий момент времени затухание в слое продукта уже нельзя считать квазиравномерным (из-за неравномерного энерго- а, следовательно, и массовыделения в предыдущий момент времени).

Для изучения динамики неравномерности процессов энерго- и массовыделения в поперечном сечении продукта была разработана специальная программа расчетов на ЭВМ, которая основана на теоретико-экспериментальной модели, построенной с использованием метода конечных элементов. В этой модели продукт разбит на п элементов по поперечному сечению и на к слоев по оси движения через микроволновый модуль (см. рис.4). Для

направление

движения

продукта

\л/

уу

уу.

уу

уу

уу

\л/ уу

уу

Рис. 4. Слой обрабатываемого продукта, разбитый по методу конечных элементов (а - ширина слоя продукта. 1 - длина камеры микроволновой сушки).

каждого из элементов задается начальное значение влагосодержания. По этому значению

производится выбор полученных экспериментально значений затухания и энергоемкости.

На следующем этапе рассчитывается энергия, выделяемая в каждом элементе, причем

энергия волны, выходящей из /-ого элемента, равна энергии волны, входящей в /+/-ый

элемент. Полученные значения выделяемой энергии позволяют определить величину массы

влаги, испаренной из каждого элемента. По значениям испаренной массы в у'-м слое

рассчитываются значения влагосодержания для у+/ слоя и т.д. Программа позволяет

задавать произвольное начальное распределение влагосодержания по поперечному сечению

обрабатываемого продукта. На рис.5 представлены, полученные с помощью описанной

модели, различные динамики изменения распределения влагосодержання в поперечном сечении продукта для случаев равномерного и неравномерного начального распределения. Из рисунка видно, что в случае неравномерного начального распределения влагосодержання, когда продукте середине просушен

а) б)

Рис.5. Динамика изменения поперечного распределения влагосодержання

обрабатываемого продукта в камере микроволновой сушки для случаев:

а) квазиравномерного начального распределения влагосодержання;

б) неравномерного начального распределения влагосодержання (характерного для метода конвективной сушки).

сильнее, чем по краям (а именно такое распределение влагосодержання имеет место для продукта, подвергнутого конвективной сушке из-за неравномерности скорости и температуры воздуха в потоке), длительность процесса микроволновой сушкн сокращается, по сравнению со случаем равномерного начального распределения влагосодержання. Тем самым, еще раз доказана рациональность совмещения в едином технологическом процессе конвективного и микроволнового методов сушки.

Как уже указывалось, энергоемкость процесса конвективной сушки на начальном этапе процесса (когда влагосодержание продукта велико и составляет 400-700%) ниже энергоемкости микроволнового процесса. Затем на участке малых влагосодержаний продукта (менее 100%) энергоемкость конвективного процесса значительно возрастает и превосходит по величине энергоемкость микроволновой сушки (см.рис.6). На диаграмме 6 б площадь области А соответствует экономии энергозатрат при комбинированном методе, по сравнению с конвективным методом; площадь области В - экономия, по сравнению с микроволновым методом; а область С - это собственно энергозатраты при комбинированном методе сушки. Поиск области "переходных" влагосодержаний является одной из главных

И, кВтч/кг

Я, кВтч/кг

а)

W 100 VI„ 100 300 400 $00 600 700>л/

кон пеР

V« «О \/7 зоо 300 ' 400 500 6О0 700Ш кон пси ** н

б)

Рис. 6. а) Сравнительные зависимости энергоемкости Я процессов конвективной (I) и микроволновой (И) сушки (заштрихован рациональный диапазон "переходного" влагосодержания для различных продуктов), б) Вариант рационального цикла комбинированной сушки (объект обработки -

морковь, №,1ЯЧ=740%)

задач данной работы.

В третьей главе дается описание и приводятся результаты экспериментальных работ. Для поиска наиболее эффективных режимов комбинированной сушки необходимо было предварительно с помощью экспериментов определить наиболее эффективные режимы как конвективного, так и микроволнового процессов, т.е. режимы, при которых энергоемкость процесса минимальна. С помощью специально для этих целей созданной экспериментальной установки были исследованы зависимости скорости сушки дт!т от температуры и скорости воздушного потока. Результаты этих экспериментов представлены на рис.7. Из графиков на рис.7 видно,

5\М8Т, %/мин 50

40 30 20 10

/

0,6 0,8

1,0 а)

V, М/с

1,2 1,4

Ш/б^ %/мин 50

40 30 20 10

1

/ /

)

/ /

-Г,"С

20 40 60 80 100

б)

Рис. 7. Зависимость скорости сушки дУНдх от:

а) скорости воздушного потока V;

б) температуры воздушного потока /, (- - эксперимент,-------теория).

что наиболее приемлемой температурой воздушного потока является температура 92+95сС. При температурах ниже указанной величины скорость сушки значительно падает, а температуры выше являются опасными для продукта, т.к. связаны с возможностью его необратимых изменений. Как показали эксперименты, при скоростях воздушного потока, больших 1,1 +1,2, м/с не наблюдалось значительного роста скорости сушки, что полностью согласовывается с полученным ранее теоретически выражением (2). Кроме того, мри высоких скоростях воздушного потока наблюдалась частичная деструктуризация слоя продукта. Сказанное позволило сделать вывод о том, что наиболее приемлемой скоростью воздушного потока является скорость порядка 0,9+1,1 м/с. Эксперименты подтвердили

сделанное ранее заключение о необходимости рециркуляции воздуха в модуле конвективной сушки с коэффициентом обновления 0,15+0,2.

Использование на начальном этапе сушки конвективного метода обезвоживания продуктов делает возможным увеличение эффективности микроволновой сушки за счет увеличения толщины слоя обрабатываемых объектов. Поэтому экспериментальные работы по изучению микроволновой сушки сводились к определению эффективности использования СВЧ-энергии при относительно высоких удельных плотностях загрузки продукта (12+18кг/м2).

С учетом того, что реальные паразитные потери в секции микроволнового нагрева составляют 2дБ, расчеты показали, что, например, для конечного влагосодержания 10% эффективность использования СВЧ-энергии для удельных плотностей загрузки 18 кг/м2 в 5,5 раз выше, чем для 9 кг/м2.

После интегрирования зависимостей для этих масс загрузки в поддиапазонах влажностей соответственно 100 +10%, 150 +10%, 200 +10%, (наиболее вероятных для использования микроволнового участка комбинированной сушки), было получено соотношение интегральных эффективностей по этим диапазонам 1,6; 1,35 и 1,25 раза соответственно.

Заключительный этап экспериментальных работ был посвящен определению рациональной области "стыковки" конвективного и микроволнового методов сушки. Для этого были сняты зависимости, аналогичные представленным на рис.6. Результаты этих экспериментов представлены в табл. 1,2. Эксперименты проводились для различных видов обрабатываемого продукта, таких, как свекла, морковь, яблоки и некоторые сорта лука. По результатам был сделан вывод о том, что величина "переходного" влагосодержания лежит в пределах 110+190% в зависимости от вида продукта. Причем, как показали эксперименты, величина интегральной (средней по времени техпроцесса) энергоемкости достаточно слабо изменяется при варьировании величины "переходного" влагосодержания. Так, например, если для моркови W„cP составляет 185-190%, то при уменьшении ее до 100-110% интегральная энергоемкость изменяется от минимальной величины (1,2 кВт - ч/кг) не более чем на 12%.

Четвертая глава посвящена оценке эффективности разработанных на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований установок, а также результатам внедрения их в производство. Конструктивно установки комбинированной сушки серии УКСК представляют собой состыкованные в единую конвейерную линию конвективный модуль и определенное число секций микроволновой сушки (рис.8).

Таблица 1

Средняя энергоемкость процесса микроволновой сушки для различных масс загрузки и

Удельная плотность загрузки, кг/мг Диапазон влагосодержаний, %

100-10 150+10 200+10 250+10

9 2,1 1,95 1,93 1,95

12 2,05 1,99 1,87 1,85

15 1,95 1,83 1,76 1,72

18 1,85 1,77 1,71 1,65

Таблица 2.

Средняя энергоемкость процесса конвективной сушки для различных масс загрузки и

Удельная плотность загрузки, кг/м 2 Диапазон влагосодержаний, %

100+10 '150+10 200+10 250+10

9 1,17 1,10 1,05 1,02

12 1,20 1,13 1,08 1,04

15 1,25 1,18 1,12 1,10

18 1,29 1,22 1,17 1,15

Рис.8. Установка комбинированной сушки УКСК-1/6: 1 - модуль конвективной сушки; 2 -источник СВЧ-излучения ; 3 камеры СВЧ-сушки; 4 - пульт управления; 5 - цепной транспортер; 6 - электропривод транспортера; 7 - загрузочная платформа: 8 -разгрузочная платформа; 9 - вентилятор конвективного модуля; 10 - вытяжной вентилятор СВЧ-части; 11 - электрокалорифер СВЧ-части.

Установки комбинированной сушки с 1995 года успешно используются на различных сельскохозяйственных предприятиях. По результатам использования была составлена сравнительная таблица технико-экономической эффективности (Табл.3). Сравнение проводилось для наиболее популярной модели УКСК-1/6 (1 модуль конвективной сушки, б секций микроволнового нагрева) с установкой микроволновой сушки УСК-18 (18 секций) и конвективной сушильной установкой Г4-КСК-90, выпускаемой Щебекинским заводом.

Кроме вышесказанного, результатом проведения работы явились разработанные инженерные методики расчета и проектирования установок комбинированной сушки и непосредственно разработанное и выпускаемое в настоящее время оборудование.

Таблица 3

Технико-экономические показатели разработанного

Показатель Оборудование

Г4-КСК-90 УСК-18 УКСК-1/6

Объем годового производства, 350 100 400

тн/год.

Затраты электроэнергии на кг

испаренной влаги, 1,85 1,47 1,15

кВт • ч/кг.

Относительная стоимость

установки *, руб/кг 293 334 109

Относительная площадь

оборудования **, м! /кг/ч 75,5 187,5 68,2

' - стоимость оборудования, отнесенная к годовому объему производства (в масштабе цен 1996-1997 гг.);

'* - площадь помещения, необходимого для Организации производства, отнесенная к часовой

производительности.

Таким образом, выполненная работа, с одной стороны, содержит принципиально новые научные и технические результаты, а с другой стороны, имеет определенную практическую значимость

ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ и выполненные исследования показали, что задача создания нового поколения оборудования для сушки высоковлажной плодоовощной продукции с низкими удельными энергозатратами и высокими показателями качества конечного продукта является актуальной. Важность решения этой задачи обусловлена ростом стоимости электроэнергии, необходимостью сокращения потерь при хранении собранных плодов и овошей. увеличением потребительского спроса на полуфабрикаты быстрого приготовления.

2. Теоретическое описание процесса конвективной сушки осуществляется на основе макромодели процесса испарения влаги из слоя продукта, продуваемого потоком нагретого воздуха. С учетом конкретных условий было установлено, что для наиболее эффективного течения процесса необходимо осуществлять продувку воздухом температурой 90 + 95°С и скоростями потока порядка 0,9 +1,1 м/с. Кроме того, для снижения энергозатрат необходимо использовать систему рециркуляции воздуха, причем, коэффициент обновления воздуха в такой системе должен составлять 0,15 + 0,2.

3. С теоретической точки зрения доказано, что для продуктов с влагосодержанисм выше 400% микроволновая сушка не эффективна из-за высокой неравномерности энергомассовыделения. Кроме того, показано, что на участке высоких влагосодержаиий продукта конвективная сушка имеет меньшую энергоемкость процесса, чем микроволновая, а при малых влагосодержаниях, напротив, микроволновая сушка наиболее эффективна.

4. Показано, что для создания высокоэффективного процесса обезвоживания необходимо поэтапно применять конвективный и микроволновый методы обезвоживания в масштабах одной сушильной установки. За основу при конструировании установки комбинированной сушки была взята конвейерная установка СВЧ-сушкн серии УСК, которая сочленялась со специально сконструированным модулем конвективной сушки.

5. Для изучения динамики процесса микроволновой сушки была разработана теоретико-экспериментальная машинноориентированная модель. Анализ, проведенный с использованием данной модели, позволил установить картину развития анизотропии энергомассовыделения в поперечном сечении продукта при обработке его в установке микроволновой сушке. Показано, что анизотропия массовыделения в поперечном сечении продукта при конвективной сушке имеет прямо противоположный микроволновому характер и совмещение в рамках одного техпроцесса последовагельно конвективного и микроволнового методов сушки влечет взаимокомпенсацию неравномерностей обработки продукта.

6. Разработаны методики определения наиболее рациональных параметров процессов конвективной, микроволновой и комбинированной сушки. Эспериментально проверены теоретические результаты относительно параметров воздушного потока. Показано, что для эффективного течения процесса коэффициент прозрачности дна тары должен составлять 0,32 + 0,35.

7. Экспериментально подтверждена рациональность совмещения в едином технологическом процессе конвективного и микроволнового методов сушки. Показано, что метод

комбинированной сушки продуктов с высоким начальным влагосодержанием имеет меньшую интегральную энергоемкость по сравнению с другими методами.

8. Экспериментально установлены области наиболее эффективного применения конвективного и микроволнового методов сушки плодоовощной продукции. Показано, что оптимальное значение "переходного" (с конвективного на микроволновой метод) влагосодержания продукта лежит в пределах 110+190%.

9. На базе проведенных исследований разработан параметрический ряд установок комбинированной (конвективно-микроволновой) сушки. Энергоемкость процесса составляет порядка 1,14 +1,2 кВт • ч/кг, что позволяет снизить потребление электроэнергии в 1,3 + 1,4 раза, по сравнению с установками СВЧ-сушки и в 2,5 +3,0 раза, по сравнению с конвективными сушилками.

Основные положения диссертации изложены в работах

1. Малярчук В.А. Анализ физических процессов и энергетических характеристик конвекционного и микроволнового обезвоживания высоковлажных капиллярно-пористых сред с целью рационального синтеза техпроцесса сушки, сочетающего оба эти метода // Спектроскопия и физика молекул. Проблемы преподавания физики. Труды II Саратовской межвузовской конференции, посвященной памяти профессора Н.Ф.Ковалева. СГПИ, 1997. С.49-51.

2. Явчуновский В.Я., Львицын A.B., Малярчук В.А., Явчуновская C.B. Решение задачи преобразования и транспортировки электромагнитных СВЧ колебаний применительно к оборудованию микроволновой сушки диэлектрических объектов // Вопросы преобразовательной техники частотного электропривода и управления : Межвузовский научный сборник. СГТУ, 1996. С.47-58.

3. Патент России № 2084084 от 10.07.97 г. Малярчук В.А., Миркин В.И., Сучков С.Г., Явчуновский В.Я. Установка для СВЧ-обработки диэлектрических материалов.

4. Свидетельство на полезную модель № 00004369 от 06.97 г. Явчуновский В.Я., Малярчук В.А. Устройство для сушки продуктов.

5. Явчуновский В.Я., Малярчук В.А. Новые подходы к использованию микроволновой энергии для сушки различных диэлектрических материалов // Микроволновые технологии в сельском хозяйстве. - Казань, 1995. С.37-38.

6. Явчуновский В.Я., Малярчук В.А. Методология и реализация комбинированной сушки овощей, использующей микроволновой и конвективный механизмы обезвоживания продуктов // Микроволновые технологии в сельском хозяйстве. - Казань, 1995. С.29-30.

7. Долгопятов P.M., Явчуновская С.В., Малярчук В.А., Поляк В.Е., Явчуновский В.Я. Методология и реализация комбинированной сушки овощей, использующей микроволновой и конвективный механизмы обезвоживания продуктов // Научно -технический прогресс в сельском хозяйстве. - Минск, 1996. С.48-50.

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МАЛЯРЧУК ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУШКИ ВЫСОКОВЛАЖНОЙ ПЛОДООВОЩНОЙ ПРОДУКЦИИ ЗА СЧЕТ СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНВЕЙЕРНЫХ УСТАНОВОК КОМБИНИРОВАННОЙ СУШКИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.20.02 "Электрификация сельскохозяйственного производства "

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

кандидат техн. наук, доцент А.В.Львицын кандидат физ.-мат.наук, с.н.с. В.Я.Явчуновский

Саратов -1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................... 5

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМ НАЧАЛЬНЫМ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ...........10

1.1. Оборудование для обезвоживания материалов. Анализ конструкций, классификация и параметры установок............... И

1.2. Сравнительная оценка различных методов обезвоживания. Анализ эффективности различных методов при разных уровнях влаго-

с о держания.................................................... 25

1.3. Теоретические и практические аспекты совмещения в едином технологическом процессе конвективного и микроволнового методов обезвоживания продуктов................................ 39

1.4. Система критериев оценки эффективности установок обезвоживания материалов с высоким начальным влагосодержанием. Цель и задачи работы........................................... 47

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ (КОНВЕКТИВНОЙ И МИКРОВОЛНОВОЙ) СУШКИ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМ НАЧАЛЬНЫМ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ.................................... 54

2.1. Исследование процессов конвективной сушки материалов с высоким начальным влагосодержанием..................... 56

2.2. Анализ эффективности технологического процесса конвективной сушки с использованием электрических воздухонагревателей. Поиск наиболее эффективных режимов....................... 71

2.3 Анализ эффективности применения технологического процесса микроволновой сушки для различных диапазонов влагосодер-жания обрабатываемого продукта................................. 77

2.4. Теоретическое обоснование целесообразности совмещения в едином технологическом процессе конвективного и микрово-

лнового методов обезвоживания высоковлажных продуктов.......... 81

2.5. Обоснование конструктивной схемы установки комбинированной сушки материалов с высоким начальным влагосодер-жанием......................................................... 88

2.6. Разработка и исследование математической модели процесса обезвоживания продуктов в установке комбинированной сушки.......................................................... 94

2.7. Анализ работы микроволнового модуля установки комбинированной сушки при различных влагосодержаниях продукта...... 99

Выводы.................................................. 106

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВКИ КОМБИНИРОВАННОЙ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМ НАЧАЛЬНЫМ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ..... 108

3.1. Методика проведения экспериментальных исследований по изучению параметров конвективной, микроволновой и комбинированной сушки по диапазону влагосодержаний обрабатываемого продукта................................................... 109

3.2. Результаты исследования основных параметров и характеристик процесса конвективной сушки различных материалов на установке комбинированной сушки.............................. 114

3.3. Исследование параметров микроволнового модуля установки комбинированной сушки при различных влагосодержаниях и удельных плотностях загрузки обрабатываемого продукта......... 118

3.4. Экспериментальное определение рациональных диапазонов влагосодержания обрабатываемого продукта для конвективной и микроволновой сушки..................................... 122

Выводы.................................................. 127

4. РАЗРАБОТКА МОДИФИКАЦИЙ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ УСТАНОВКИ КОМБИНИРОВАННОЙ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМ НАЧАЛЬНЫ ВЛАГО С О ДЕРЖАНИЕМ..................... 129

4.1. Конструктивная схема и основные характеристики установки комбинированной сушки............................... 129

4.2. Оценка эффективности применения основных конструкционных узлов и электронных блоков, а также всей разработанной установки в целом..............................................137

4.3. Выбор компоновки установки исходя из соображений надежности и структуры себестоимости конечного продукта....... 142

4.4. Эксплуатация и техническое обслуживание установки комбинированной сушки......................................... 145

4.5. Технико-экономическая эффективность и результаты внедрения установки комбинированной сушки..................... 148

4.6. Перспективы развития и направления дальнейшего совершенствования установки комбинированной сушки. Задачи дальнейших исследований........................................... 150

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................ 153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................... 156

ЛИТЕРАТУРА............................................... 158

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................... 167

ВВЕДЕНИЕ.

Технологии сушки сельскохозяйственной продукции уже несколько десятилетий занимают весьма важное место в пищеперерабатывающих отраслях промышленности и сельского хозяйства [1-9]. Их развитие, расширенние масштабов их применения способствуют решению важнейшей задачи - повышению сохраняемости плодоовощной и прочей продукции сельского хозяйства [12-20,22-25].

Другой актуальной задачей сегодняшнего дня является переработка плодоовощной продукции, результатом которой были бы полуфабрикаты, быстрые в приготовлении и удобные в хранении.

Кроме того транспортирование и хранение в промышленных масштабах переработанной продукции значительно сокращает расходы на эти этапы пути продукта от производителя к потребителю.

Однако, по мере развития и расширения областей применения этих технологий происходит непрерывное ужесточение требований как к самим технологиям, так и к аппаратуре для их реализации. Одним из важнейших требований, предъявляемых к современным техпроцессам и оборудованию сушки является требование минимизации энергоемкости процесса сушки [49]. Особенно актуальной такая задача стала в связи с существенным удорожанием энергоносителей, в том числе и электроэнергии.

Кроме того к установкам сушки сельхозпродукции в последние годы начали предъявляться требования, связанные с технологичностью процесса, минимизации трудозатрат обслуживающего персонала, снижение доли ручного труда.

Непреходящими требованиями уже в течение нескольких десятилетий являются требования к качеству готовой (сушеной) продукции. Но

если до последнего времени (даже в существующих государственных стандартах - ГОСТ 28432-90, ГОСТ 28502-90, ГОСТ 28510-90 и др. на сушеные овощи и фрукты) основные требования предъявлялись к орга-нолептическим характеристикам, то в последние годы все более серьезные требования предъявляются к таким характеристикам, как сохраняемость в процессе сушки полезных веществ и витаминов, что необходимо для дальнейшего использования сушеных овощей и фруктов в производстве диетических продуктов, продуктов детского питания и т. д.

Наилучших результатов по всему комплексу этих параметров удалось достичь при создании в последние годы технологий и оборудования сушки сельхозпродукции, основанных на взаимодействии электромагнитных волн СВЧ диапазона с высушиваемыми объектами. В разработанных Саратовской НПФ"Диполь" установках микроволновой сушки УСК-6, УСК-12, УСК-18, УСК-24 удалось добиться энергоемкости порядка 1,5-1,7 кВт-ч/кг (в любых других типах оборудования, как правило, эта характеристика не ниже 3,0 кВт-ч/кг) при высокой технологичности процесса и сохраняемости полезных веществ и витаминов в готовых продуктах - 92-98%.

Однако, можно предположить, что и это не предельно-достижимые параметры процесса. С одной стороны, энергоемкость микроволновой сушки (1,5-1,7 кВт-ч/кг) хоть и существенно ниже, чем для других типов оборудования, но, тем не менее, более чем вдвое выше физического предела 0,73 кВт-ч/кг). С другой - уже начальные исследования, проведенные в рамках настоящей диссертационной работы [42-45], показали, что микроволновая сушка не имеет себе равных по энергоемкости сушки на конечных участках сушильного процесса (начиная примерно с равенства масс невыпаренной еще влаги и сухого

остатка). На более ранних стадиях процесса преимущества микроволновой сушки не столь очевидны, а зачастую микроволновая сушка уступает своему основному конкуренту - конвекционной сушке (наиболее широко используемой в настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности). Физические причины такого соотношения областей рационального использования двух базовых технологий достаточно понятны. Во влажном продукте, при достаточно больших значениях параметров тепло- и массопроводности, конвекционная сушка имеет преимущества в силу существенно более высокого КПД получения тепловой энергии, нежели микроволновая [44]. По мере уменьшения (в процессе обезвоживания продуктов) параметров тепло- и массопроводности и естественного снижения эффективности конвекционной сушки, менее энергоемкой становится микроволновая сушка, благодаря объемному и селективному характеру выделения в объектах сушки энергии электромагнитных волн СВЧ диапазона.

Исходя из изложенного выше, определилась основная направленность предпринятого в диссертации исследования, состоящего в изучении и реализации на практике возможности наиболее рационального совмещения двух упомянутых выше физических механизмов сушки (конвекционного и микроволнового) и достижение на этой основе дальнейшего существенного снижения энергоемкости процесса обезвоживания.

Решение этих проблем позволило в полном объеме удовлетворить основную цель, поставленную в диссертационной работе, разработать отвечающую критерию минимальной энергоемкости процесса установку комбинированной (конвективно-микроволновой) сушки плодоовощной продукции, отработать технологии комбинированной сушки. В 1996 году первые образцы промышленных установок конвективно-микроволновой сушки изготовлены и смонтированы на ряде предприятий Российской

Федераций, начат промышленный выпуск сушеных овощей и фруктов, о чем свидетельствуют прилагаемые акты внедрения. Это определяет практическую значимость выполненной работы, позволившей приступить к внедрению современного сушильного оборудования и ресурсосберегающих технологий сушки.

Диссертационная работа структурно состоит из введения, четырех глав и заключения.

Первая глава содержит аналитический обзор различных методов и оборудования для обезвоживания сельскохозяйственной продукции, включающий как разработку критериев для оценки их эффективности, так и проведение подробного сравнительного анализа их на базе разработанных критериев.

Вторая глава целиком посвящена разработке строгих, приближенных и полуэмпирических физико-математических моделей процессов конвективной, микроволновой и комбинированной сушки; основное внимание уделяется модельным подходам к наиболее рациональному (с энергетической точки зрения) сочетанию обоих механизмов сушки и взаимной компенсации возникающей при использовании каждого из отдельно взятых механизмов обезвоживания неоднородности (анизотропии влагосодержания).

В третьей главе рассмотренные задачи решаются на базе экспериментальных подходов; при этом проверяются и уточняются разработанные математические модели и одновременно уточняются и собственно исходные данные для проектирования и разработки промышленных установок комбинированной сушки.

Четвертая глава посвящена итогам внедрения проведенных выше теоретических и экспериментальных исследований в конкретную разработку (с последующим внедрением) установок комбинированной сушки.

ботку (с последующим внедрением) установок комбинированной сушки. Рассмотрены вопросы конструирования оборудования, надежности основных его узлов и механизмов, проблемы эксплуатации и анализа его технико-экономических характеристик.

Основные результаты диссертации доложены на трех Международных конференциях в городах Казани, Минске и Москве:

- "Микроволновые технологии в народном хозяйстве", Казань, июнь 1995 г.;

- "Научно-технический прогресс в сельском хозяйстве", Минск, февраль 1996 г.;

- "Научно-технический прогресс в сельском хозяйстве", Москва, апрель 1997 г.

По теме диссертации опубликовано 7 работ, том числе 1 патент на изобретение, 1 свидетельство на полезную модель, 3 тезисов докладов на научных конференциях, 2 научно-технические статьи.

Автор выражает искреннюю благодарность преподавателям и сотрудникам Саратовского государственного агроинженерного университета за многократное и плодотворное обсуждение работы.

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМ НАЧАЛЬНЫ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ

Выполняемые в настоящей работе исследования, направленные на создание современного ресурсосберегающего высокотехнологичного оборудования для сушки сельскохозяйственной продукции, естественным образом опирались на весь предшествующий опыт разработки и эксплуатации существовавших на момент начала диссертационной работы сушильных установок.

Богатый, почти двухсотлетний опыт сушки сельхозпродукции (первые данные о существовании промышленного сушильного оборудования относятся к первому десятилетию прошлого века [1-3]), дал очень многое в понимании возможностей каждого из используемых физических механизмов сушки, каждого из классов применяемого оборудования. Сравнительный анализ существующих технологий и оборудования для сушки, приведенный в настоящей главе, позволил сконцентрировать имеющийся опыт, провести корректное сравнение различных технологий и оборудования по специально разработанной для этой цели системе критериев.

Основной же задачей анализа являлось определение границ применимости каждой из сушильных технологий, с целью последующего наиболее рационального построения комбинированных технологий сушки и получения за счет этого системы параметров, принципиально недостижимой ни на одной из отдельно существующих технологий.

- и -

1.1 Оборудование, используемое для обезвоживания продуктов.

Анализ конструкций, классификация и параметры установок.

Сушильное оборудование, т.е. оборудование, предназначенное для обезвоживания или снижения влагосодержания материалов и продуктов, применяется в различных областях промышленности и сельскохозяйственного производства, таких как пищевая промышленность и сельское хозяйство, производство строительных материалов и химическая промышленность, а также ряде более мелких отраслей, вплоть до предприятий автосервиса и бытового обслуживания.

В основе создания этих установок лежат самые различные физические принципы и технические методы (см.рис.1.1)

Самым обширным из представленных классов установок является оборудование, в котором для нагрева обрабатываемого продукта используется нагретый воздух (либо топочные газы). Теоретические основы использования этих установок разработаны школой А.В.Лыкова и развиты в работах В.М.Смольского, П.Д.Лебедева, Г.К.Филоненко, Ю.А.Михайлова, А.С.Гинзбурга, А. Г. Тёмкина и др.[1, 2, 4,12-16]. Такие установки называются конвективными сушилками. В силу простоты конструкции, конвективные сушилки нашли самое широкое использование практически во всех областях промышленности и сельского хозяйства. Установки этого класса разделяются по виду топлива, используемого для нагрева воздуха на установки, работающие на жидком топливе, установки, работающие на газе, установки, работающие на жидком топливе и электрические сушилки, которые в силу своей экологической чистоты являются наиболее перспективными для использования в сельском хозяйстве. Конструкция большинства из этих установок представляет собой многоярусную ленточную сушилку, включаю-

Рис.1.1. Классификация сушильных установок по принципу действия.

щую систему конвейеров для транспортировки обрабатываемого продукта, калориферы и вентиляторы [13,15]. Диапазон производительности различных установок этого класса весьма широк и составляет от десятков килограмм сырья в час до нескольких тонн в час. Важной особенностью такого оборудования является то, что воздух (топочные газы) выполняют в нем одновременно две функции: теплоносителя и агента, выносящего влагу из установки.

Следующим, существенно менее представительным, классом сушильного оборудования являются установки, реализующие кондуктивный метод нагрева обрабатываемого продукта [12,15,16,19]. В этом случае сушка осуществляется за счет контакта продукта с нагретой поверхностью. Такие установки используются главным образом для сушки зерна и при производстве строительных материалов. Самыми простыми из этого класса сушилок являются слоевые, в которых слой обрабатываемого продукта укладывается на разогретую поверхность. Для сушки зерна наиболее часто применяются так называемые шахтные сушилки. В них