автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергоэкономические режимы сушки овощей в конвективно-радиационной сушилке

РГБ ОД

3 ДЕК 2001

На правах рукописи

МЕЛЯКОВА Ольга Александровна

ЭИЕРГОЭКОНОМИЧНЫЕ РЕЖИМЫ СУШКИ ОВОЩЕЙ В КОНВЕКТИВНО - РАДИАЦИОННОЙ СУШИЛКЕ

Специальность 05.20.02 -Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск ~ 2001

1'абота выполнена на кафедре «Общетехнические дисциплины» Тюменской государственной сельскохозяйственной академии

Научные руководители: кандидат технических наук,

профессор ¡Коровин П.Г

кандидат технических наук, доцент Быков В.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Юсупов Р.Х.

кандидат технических наук, доцент Бастрон Т.Н.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт

сельского хозяйства Северного Зауралья (п. Московский, Тюменской обл.).

Зашита состоится « 6 » декабря 2001 г. в 10~ часов на заседании диссертационного совета Д220.069.01 Челябинского государственного агроинженерного университета по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. Ленина,75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного агроинженерного университета.

Автореферат разослан «Д?» октября 2001 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

\ ЙУР Л92 -ЬоС). и Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В северных, нефтегазодобывающих районах Тюменской области проживает 323,7 тыс. человек. Для их питания ежегодно завозиться 240 тыс. т. овощей. Основные грузоперевозки приходятся на вторую половину сентября и начало октября. Как правило, в это время на севере наступают ранние заморозки. Овощи в пути подмерзают и портятся. Примерно каждый второй вагон или баржа отправленные на север до потребителя не доходят. Опыт зарубежных фирм и отечественных НИИ указывает на необходимость производить хотя бы частичную переработку (изготовление полуфабрикатов) овощей в местах их производства. Так обезвоживание овощей до 8% влажности позволяет сократить объем перевозимой продукции в 3 раза, уменьшить затраты труда по переработке на севере, сократить до минимума потери при хранении и переработке, перевести нестандартную по размерам и форме продукцию в стандартную. Существенным недостатком такой переработки являются снижение питательной ценности и большой расход энергии (до 4,0 кВт / час на одни килограмм испаренной влаги). Анализ конструкций сушилок овощей показал, что только конвективно-радиационные сушилки обеспечивают высокое качество продукции и обладают значительным резервом возможности совершенствования с целью снижения энергозатрат. В связи с изложенным и выбрана тема исследования.

Работа выполнена в соответствии с указом Президента РФ от 07.05.95.г. №472 «Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройке топливно-энергетического комплекса РФ на период до 2010 года» и в плане реализации федеральной целевой программы «Энергосбережение России».

Целыо работы является разработка технических средств и режимов работы конвективно-радиационной сушилки, обеспечивающих сокращение удельного расхода энергии и приемлемое качество продукции.

Для решения научной задачи предусматривалось: 1. Теоретически и экспериментально исследовать теплоотдачу различных инфракрасных нагревателей;

2. Выполнить анализ спектральных характеристик нагревателя и объекта сушки. Уточнить методику расчета мощности нагревателя в конвективно-радиационной сушилке;

3. Уточнение решения уравнения нагрева и охлаждения конвективно-радиационной сушилки овощей;

4. Определить параметры прерывистых энергосберегающих режимов сушки;

5. Экспериментально исследовать влияние режимов сушки на качество готовой продукции;

6. Дать экономическую оценку энергосберегающих режимов сушки при использовании одно - и двухставочного тарифа.

Объектом исследований является совокупность элементов, влияющих на процессы сушки овощей.

Предметом исследований являются взаимосвязи режимных и конструктивных параметров конвективно-радиационных сушилок с количественно-качественными показателями процесса сушки овощей.

Научная новизиа диссертационной работы заключается в следующем:

■ разработан керамический нагреватель, обеспечивающий повышенную долю инфракрасного излучения в суммарном тепловом потоке;

■ уточнена методика расчета конвективно-радиационных сушилок;

* уточнено решение уравнения нагрева и охлаждения элементов сушилки;

■ установлены параметры энергоэкономичного прерывистого режима работы сушилки;

• экспериментально установлены влияние режимов сушки на качество продукции;

■ получены математические зависимости, указывающие пути минимизации оплаты за энергию при одно — и двухставочном тарифах.

Практическая ценность работы. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана конструкция нагревателя. Определены энергосберегающие режимы сушки

моркови и свеклы. Определена стратегия поведения при использовании двухставочного тарифа.

Внедрение. Разработанная конструкция нагревателя используется в выпускаемых АО «Инфра» сушильных шкафах серии «Урал».

Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Челябинского государственного агроинженерного университета и Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Внедрение подтверждается соответствующими актами.

Апробация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научно-практических конференция ЧГАУ и ТГСХА с 1998 - 2001 г.г. Доклад на научной конференции молодых ученых ТГСХА в 2000 г. был отмечен денежной премией и почетной грамотой Аграрного молодежного союза Тюменской области.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 научных работ.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы (114 наименований) и 5 приложений. Содержание работы изложено на133 страницах машинописного текста, включая рисунков 44, 22 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» был изучен обзор и анализ существующих способов сушки овощей. Сушка - теплофизнческий процесс, направленный на удаление влаги из продукции. Однако, процесс сушки материалов является одновременно и технологическим процессом, при котором необходимо не только удалить из материала лишнюю влагу, но и сохранить питательные вещества и витамины, ароматические и вкусовые качества продукта.

Основную роль в создании научной базы технологии сушки сыграли работы И.А. Ребиндера, A.B. Лыкова, С.М. Липатова, Ю.А. Казакова, A.C. Гинзбурга, П.Д. Лебедева, Т.К. Филоненко и других.

з

В их трудах приведены теоретические положения сушки влажных материалов применительно к различным режимам и способам сушки, позволяющих разработать эффективные методы интенсификации процесса.

Сравнительный анализ способов передачи тепловой энергии к высушенному материалу показал, что наиболее эффективным является радиационная сушка.

Значительный вклад в развитии теории и технологии радиационной сушки внесли исследования и работы следующих авторов: М.Дерибере, Р.Борхерт, В.Юбиц, А.С.Гинзбург, П. Д.Лебедев, И.Б.Левитин, А.В.Лыков, И.А.Рогов, Карпов В.Н. и другие.

Из проведенного анализа видно, что наиболее экономичным и перспективным направлением является разработка и исследование конвективно-радиационной сушки при работе в прерывистом режиме.

На основании аналитического обзора литературы и цели данной работы сформулированы задачи исследования, приведенные во введении к автореферату.

Во второй главе «Анализ основ дниамнкы нагрева и охлаждения овощей в конвективно-радиационной сушилке»

дано обоснование параметров и режимов сушки.

С целью энергосбережения и улучшения качества в процессе сушки предложена уточненная методика расчета конвективно-радиационной сушилки.

Как было отмечено в первой главе, недостатком существующей методики расчета мощности нагревателя сушилок является то, что в них не учитываются спектральные характеристики источника и приемника. В известной методике численные значения коэффициента преобразования электрической энергии в энергию инфракрасных лучей р предлагают принять в пределах 0,7+0,9.

Такой подход позволяет ориентировочно определить мощность источника, но погрешности его численно не определены. На наш взгляд, целесообразно этот коэффициент рассчитать с учетом спектральных характеристик нагревателя и облучаемого материала. Коэффициент р включает в себя информацию о собственном пре-

образовании электрической энергии в энергию оптического излучения (р|) и о восприятии этой энергии материалом сушки (Рг)-

По принятой в светотехнике терминологии Рз представляет собой эффективный коэффициент полезного действия:

Ф *

О)

Ф

где Ф - падающий поток излучения от источника, Вт; ФЭф - эффективный (воспринятый и полезно преобразованный материалом сушки), поток излучения, Вт.

Лучистый поток от излучателя определяется как :

со

Ф = е-А|т(ХТ)<й; (2)

о

где А - площадь тела излучения, м2; А. - длина волны излучения, мкм; е - коэффициент теплового излучения;

т(?Л") - спектральная энергетическая светимость, Вт/м2-мкм.

Численное значение спектральной энергетической светимости определяется по формуле Планка:

т<ТГ) =-; (3)

л.5-(ехг -1)

где С), Сз - первая и вторая постоянные уравнения Планка.

Величина потока излучения возрастает с ростом температуры в четвертой степени, но при этом максимум смещается в сторону коротких длин волн. Эта закономерность описывается уравнением:

Хтах-Т/2896; (4)

где Т - температура тела излучения, К;

Хтач - длина волны излучения соответствующая максимуму излучения, мкм.

График спектральной энергетической светимости нагревателя от длины волны для различных температур и спектральная чувствительность овощёй изображены на рис. 1.

Зависимость спектральной энергетической светимости нагревателя от длины волны

1 - К(Ц-овощей; 2 - Т=6000 К; 3 - Т=3000 К; 4 - Т=2873 К; 5 - Т=873 К; 6 - Т=673 К; 7 - Т=473 К; Рис.1

Потребляемую из сети энергию нагреватель отдает в окружающую среду: теплопроводностью, конвекцией и излучением. С технологической точки зрения, для увеличения коэффициента полезного действия сушки нужно стремиться к полному преобразованию потребляемой энергии в лучистую энергию.

Величину эффективного потока рассчитывают по формуле : Х-2

Фэ = Е- А |т(Ы)• ; (5)

где с - коэффициент теплового излучения; А - площадь тела излучения, м2;

т(лТ) - спектральная энергетическая светимость, Вт/м2-мкм.

Т - температура тела излучения, К;

К(А.) -относительная спектральная чувствительность

А,| ;Л,2 — верхняя и нижняя границы длины волны потока излучения,

воспринимаемая приемником, мкм.

См-Мм-с1тм+Сш-Мш-(1тш+Сп-Мп-(1тп+ам-Ам-тн-Ш+ (9) +аш-Аш-т1|1-с1н-ап.Ап-тп-ск +я'-Амг-(Й,

где: См-Ммскм, Сш Мш ётш, С„'Мп-скп - теплота, идущая на нагрев материала, поддона, шкафа, Дж;

амАм-тм-<Й, ашАш-тш ск, ап Ап тп сИ - теплота, отдаваемая в окружающую среду материалом, поддоном и шкафом, Дж; Я'-А„т-сИ - теплота, идущая на испарение влаги, Дж.

Аналитически это уравнение разрешимо, если принять, что все составляющие, кроме времени и превышение температуры неизменны. Анализ величин входящих в уравнение (3) позволяет сделать следующие заключения:

■ мощность а„-Ан-т„., отдаваемая нагревателем, зависит от температуры внутри шкафа;

■ скорость испарения воды q' зависит от температуры материала;

■ теплота испарения зависит от температуры материала и изменяется в пределах (2500...2060)-103 Дж/кгпри изменении температуры от 0 до 100°С;

■ теплоемкость вещества не остается величиной постоянной из-за потерь влаги материала. Для овощей она изменяется в пределах (1,85.. .3,50)-103Дж/кг-°С;

■ теплоотдача материала и площадь теплоотдающей поверхности зависят от его температуры.

При постоянстве всех этих величин решение уравнения (9) примет вид

т=туст( 1 - е^в)+х0-е~'/в. (10)

Решение этого уравнения дает лишь общее представление о процессе нагрева и охлаждения материала. Для инженерных расчетов его лучше решать методом последовательных интервалов,

В третьей главе «Организация эксперимента н методика исследований» изложена методика и техника экспериментальных исследований энергосберегающих режимов сушки овощей.

Для проведения экспериментальных исследований нами была использована методика поэтапного проведения эксперимента (рис.3).

Схема проведения эксперимента

этапы объекты исследуемые

исследования исследований показатели

Рис, 3

Но результатам теоретических и экспериментальных исследований и требований нормативных материалов по проектированию электротермического оборудования разрабатывались, исследовались и совершенствовались нагреватели, применяемые в процессе сушки овощей.

Для исследования был разработан и изготовлен трубчатый керамический нагреватель.

С целыо проверки основных теоретических положений по энергосберегающим режимам сушки была разработана, изготовлена экспериментальная лабораторная установка состоящая из сушильного шкафа, пульта управления и измерительного блока.

Контроль за качеством свеклы и моркови по химическим и оргаполептическим показателям проводился ФГУ Государственной станции агрохимической службы «Тюменская».

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты экспериментальных исследований.

В качестве нагревательного элемента в сушильный шкаф выбран керамический трубчатый электронагреватель. Проведенные исследования показали, что он имеет наибольший коэффициент теплоотдачи.

Для подтверждения теоретических выкладок главы 2 исследованы динамика нагрева и охлаждение нагревателя и материала, рис. 4 и 5.

Проведенные исследования показали, что кривые полученные в результате расчета по общепринятой методике (экспоненциальная кривая) имеют существенные отклонения от экспериментальных данных. Значения полученные при расчете методом последовательных интервалов дали разницу, которая лежит в пределах ошибки эксперимента.

С целыо проверки основных теоретических предположений по повышению энергоэкономичности режимов сушки рассмотрены непрерывные и прерывистые режимы сушки с разной удельной загрузкой.

Динамика нагрева ТЭНа

25 30 35 время, мин

-Экспериментальная кривая

• Кривая, рассчитаная по общепринятой методике

-Кривая, рассчитанная методом последовательных интервалов

Рис. 4

Динамика нагрева материала при непрерывном облучении Руд=5,1 кВт/м2 (морковь)

100 время, мин з—Экспериментальная кривая

Кривая, рассчитанная методом последовательных интервалов Э— Экспоненциальная кривая

Рис.5

200

Полученные результаты исследований позволяют сделать вывод, что при прерывистом режиме сушки общее время работы нагревателя уменьшается по сравнению с непрерывным режимом (рис.6).

Зависимость продолжительности сушки от ПВ% с разной удельной загрузкой Муд, кг/м2 (без времени пауз)

пв, %

—о—свекла Муд=8,3 - А - морковь Муд=8,3 —О—свекла Муд=4,2 - к ■ морковь Муд=4,2

Рис. 6

Использование прерывистых режимов сушки позволяет сократить продолжительность работы нагревателя и уменьшает расход энергии.

Анализ зависимости продолжительности сушки от режимов показывает, что наиболее экономичным является прерывистый режим при ПВ=70%. В целом экономия от применения этого режима составит около 10%. Зависимость расхода электрической энергии от продолжительности включения приведена на рис.7.

Применение прерывистых режимов сушки позволило получить продукты с высокой сохранностью питательных веществ и повышенной энергетической ценностью продуктов (таб.).

Таблица

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ СВЕКЛЫ И МОРКОВИ

Режим облучения Свёкла Морковь

о СО си н о О-1= аз" со , р г ^ а> 5 * ч> _ ? -О ь- о Ш О о. 1 5 1 о ^ 0 то 1 г? ш ь-о а. с: га £ х а> ? -0 ь- о ю о ^1 2 1 О ^

Свежая 11,03 7,89 8293,40 5,46 1185,60 5606,28

Непрерывное Рм=2,0 кВт/м2 5,87 6,26 5831,82 5,12 1456,00 5541,84

Непрерывное Р,д=5,1 кВт/мг 3,38 7,06 3009,35 4,88 225,47 4607,46

Прерывистое, ПВ=95% 4,45 6,99 4607,46 4,28 274,56 5348,52

Прерывистое ПВ=90% 7,45 5,99 8183,88 5,28 894,40 5748,05

Прерывистое ПВ=85% 7,19 7,32 7075,51 7,64 995,50 724300

Прерывистое ПВ=80% 10,71 5,91 7230,17 7,60 1331,26 7255,94

Прерывистое ПВ=75% 12,46 5,97 6688,87 5,34 1185,60 5806,44

Прерывистое ПВ=70% 6,54 6,56 8564,08 7,86 1203,84 5412,96

Прерывистое ПВ=60% 6,6 6,02 6643,76 6,50 813,11 6669,50

Прерывистое ПВ=50% 5,78 5,27 6124,04 4,38 932,00 6434,50

Зависимость расхода энергии \Л/% от продолжительности включения ПВ% с разной удельной загрузкой Муд, кг/м2

80 пв, %

100

-свекла Муд=8,3 -свекла Муд=4,2

•л - морковь Муд=8,3 ■х - морковь Муд=4,2

Рис. 7

В питой главе «Экономическая оценка энергосберегающих режимов сушки овощей в конвективно-радиационной сушилке» приводятся результаты сравнительного технико-экономического расчета удельных затрат на единицу сушеной продукции при непрерывном и прерывистом режиме сушки. Сделана оценка целесообразности использования двухставочного тарифа оплаты электроэнергии при сушке овощей.

Анализируя тарифы на электрическую энергию системы "Челябэнерго", можно заключить ,что соотношение между ценами при едином, "ночном" -льготном и дневном находятся в пропорции 1:0,6:1,32 . Среднесуточный тариф при двухставочном тарифе можно вычислить по формуле:

ТсрЛ^Д+ТдО-Д) (И)

Вычисления показывают, что такие тарифы мало стимулируют потребителей к увеличению потребления энергии в ночное время. Разумнее было бы сделать соотношение единого, "ночного" и дневного тарифов как 1:0,6:1, при этом льготный тариф можно было бы даже увеличить до 0,8-0,9.

Расчет среднесуточного тарифа в зависимость от "дневной" и "ночной" мощности вычисляется по формуле:

Зависимость тарифа на электроэнергию от доли энергии потребляемой в ночное время Т=^Д) представлена на рис.8.

Зависимость тарифа на электроэнергию отдоли энергии потребляемой в ночное время

3,6-^ + 23,76

Р

6--н +18 Рд

(П)

1.5

О

■&

СО

о о

0.5

0

0

0,2

0.4

0,6

0,8

Д.УУнМс

• - Двухставочный тариф

— Одноставочный тариф

— Рекомендуемый двухставочный тариф

Рис. 8

Двухставочный тариф системы «Челябэнерго» дает экономический эффект только при односменной (ночной работе). При круглосуточной работе сушилки целесообразнее использовать од-ноставочный тариф.

Экономическая оценка режимов сушки в конвективно-радиационной сушилке показала, что годовая прибыль от одного шкафа «Урал-1» при применении прерывистого облучения составит 145,7 тыс. руб., а при непрерывном облучении 132,5 тыс. руб. Годовой экономический эффект, от внедрения прерывистого режима облучения будет равен 12,9 тыс. руб., отдача от инвестиции составит 743,5%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Коэффициент преобразования электрической энергии в энергию инфракрасных лучей при сушке овощей в зависимости от температуры излучателя изменяется в пределах 0,65 -г 0,55.

2. Для увеличения доли инфракрасного потока от нагревателя его необходимо делать из керамики имеющей е=0,9^0,95.

3. При сушке овощей максимум спектральной светимости нагревателя должен быть при длине волны X, = 4 мкм.

4. Прерывистый режим работы конвективно-радиационных сушилок позволяет экономить до 10% электрической энергии.

5. Наиболее экономичным является прерывистый режим облучения при ПВ = 70%, т.е. время работы нагревателя 13 минут, а время паузы 6 минут.

6. Действующий двухставочный тариф системы «Челябэнерго» дает экономический эффект только при односменной (ночной) работе. При круглосуточной работе сушилки целесообразнее использовать одноставочный тариф.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Мелякова р.А., Коровин Н.Г. Способы сушки. - //Аграрная наука на рубеже веков. Т.1. Тюмень, 1999. - С.96-97.

2. Быков В.Г., Мелякова O.A. Теоретические предпосылки к расчету продолжительности включения конвективно-радиационных сушилок овощей при повторно-кратковременном режиме -//Аграрная наука на рубеже веков. Т.2. Тюмень, 1999. - С. 145-146.

3. Быков В.Г., Мелякова O.A. Исследование целесообразности использования двухставочного тарифа оплаты за электроэнергию при сушке овощей. -// Вестник Челябинского государственного агропнженерного университета. Т.ЗО. Челябинск,2000.- С.62-64.

4. Быков В.Г., Мелякова O.A. Продолжительность нагрева и охлаждения овощей в конвективно-радиационной сушилке. -//Вестник Челябинского государственного агропнженерного университета. Т.ЗО. Челябинск,2000,- С.64-69.

5. Быков В.Г., Мелякова O.A. Проблемы снабжения населения севера Тюменской области овощами и картофелем. //Челябинскому государственному агроинженерному университету - 70 лет (Тезисы докладов на XL научно-техническую конференцию ), Челябинск, 2001. - С.303-304.

6. Старших В.В., Мелякова O.A. Процессы сушки капиллярно-пористых материалов. - Аграрная наука-XXI века. Тюмень, 2001.

Подписано к печати 24 октября 2001 г. Обьем 1 уч.-изд.л. Формат 60x84/16. Заказ 685 Тираж 100 экз. ООП ЧГАУ.