автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование температурного поля инфракрасных нагревательных систем для сушки пищевых продуктов

На правах рукописи

Адамов Зайнутдин Тажутдинович.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ИНФРАКРАСНЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ СУШКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Махачкала 2005

Работа выполнена в Дагестанском государственном техническом университете

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор Аминов М.С.

Официальные оппоненты:

дЬктор технических наук, профессор

Улумиев Адам Абакарович (ДГСА)

доктор физико-математических наук, профессор Мейланов Руслан Пирменович СДНЦ РАН)

Ведущая организация Северо-Кавказский государственный технический университет

Зашита диссертации состоится {£. 2005 г. в /V О<часов на заседании диссертационного совета К 212.052.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Дагестанском государственном I техническом университете по адресу: 367015 Махачкала, улица И. Шамиля, 70.

Факс (8722)62-48-96, Е.таП: икЬрта^@таИ.ги

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дагестанского государственного технического университета. Автореферат разослан "49й 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент, кандидат технических наук

Исламов М. С.

ПЕШАО УЛРИПТРИП

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В последние годы научно-исследовательские и отраслевые производственные объединения активно разрабатывают и внедряют ускоренные мстоды сушки, в связи с необходимостью интенсификации тепло - и массообменных процессов, зависящих от многих факторов и определяющих условий их протекания. К примеру, направление градиента влаги и градиента температуры в материале является важной характеристикой процесса сушки капиллярно - пористых (пищевых и сельскохозяйственных) материалов.

Как известно, терморалиационная сушка основана на использовании свойств инфракрасного излучения, безвредного для окружающей среды. В связи с тем, что такое излучение определенной длины волны активно поглощается водой, содержащейся в продукте, но не поглощается тканью продукта, удаление влаги возможно при невысокой температуре (40-60С0). Это позволяет практически полностью сохранить витамины и биологически активные вещества, а также естественный цвет и аромат продукта. Высокая плотность инфракрасного излучения активно уничтожает микрофлору в продукте, благодаря чему он может храниться более длительное время без ухудшения качества. Такие сушилки, надежны, бесшумны, гигиеничны и просты в обслуживании.

Сдерживающим фактором на пути развития и внедрения этого вида обработки материалов является отсутствие систематизированного и удобного метода расчета, для использования в практике.

Традиционным методом исследования режима работы радиационного теплообменного аппарата является расчет теплообмена между серыми телами в диатермической среде. Основные расчеты указанных систем и кинетики сушки выполняют с привлечением громоздких интегро-дифференциальных уравнений тепловых и массовых балансов, решением которых становится возможным только в результате допущений и приближений, часто снижающих практическую ценность решения. Более того, существенным недостатком приближенных вычислений является отсутствие аналитической связи функций распределения температуры и эффективных потоков с параметрами взаимного расположения

з

ИКИ. Такая связь выявляется при использовании приближенных симметричных или бесконечно протяженных схем. Но, если для континуальных бесконечно протяженных или симметричных схем такой подход является естественным, то для дискретных он не всегда допустим. В связи с этим поиски достаточно простых и надежных методов расчета обсуждаемых конструкций ИКИ, свободных от отмеченных недостатков представляется актуальным. Цель и задачи исследования.

Цель работы заключалась в исследовании температурного поля инфракрасных нагревательных систем для сушки пищевых продуктов, а также научного обоснования эффективности осциллирующих (повторно-кратковременных) режимов облучения с помощью малоинерционных ИКИ.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

-разработка эффективной методики решения задачи лучистого теплообмена в нагревательной системе с дискретно расположенными инфракрасными излучателями с учетом оптических свойств и геометрических размеров компоновки системы.

-экспериментальная проверка теоретических расчетов и принятых в работе упрощающих предположений и допущений.

На защищу выносятся'. •исследование режима работы теплообменных аппаратов с дискретно расположенными инфракрасными излучателями;

-влияние оптических и геометрических параметров компоновки теплообменных аппаратов с инфракрасными излучателями на тепловой режим работы системы, влияние свободной конвекции на режим работы системы;

-скорость нагрева и удаления влаги в материале в виде односторонне теплоизолированной пластины с помощью дискретной системы инфракрасных излучателей;

-технология сушки абрикоса с осциллирующим подводом тепловой энергии в области инфракрасного излучения и результаты сравнения

теоретических и экспериментальных исследований режима работы нагревательной системы с инфракрасными излучателями.

Научная новизна работы состоит в разработке методики расчета лучистого теплообмена в нагревательной системе с дискретно расположенными инфракрасными излучателями на основе вычисления локального коэффициента взаимного излучения. Диссертационная работа содержит элементы научной новизны, суть которых заключается в следующем:

-разработан алгоритм решения системы уравнений Фредгольма второго рода, представляющийся математической моделью лучистого теплообмена между поверхностями с дискретно расположенными в диатермической. среде серыми диффузионными излучателями;

- представлен пакет программ расчета на ЭВМ на языке Turbo Pascal 7.0; -указана возможность замены дискретно расположенных инфракрасных излучателей полупрозрачным энергетическим экраном;

-получены аналитические выражения для приведенных степеней черноты в системе плоский объект нагрева, полупрозрачный энергетический экран и отражательный экран, а также для функции скорости сушки материала в виде пластины с помощью инфракрасных излучателей;

-исследовано влияние свободной конвекции на поле излучения нагревательной системы с ИКИ;

-проведено исследование по режиму сушки абрикоса инфракрасными лучами.

Практическая значимость работы заключается в том, что: -теоретически и экспериментально доказана возможность расширения круга задач сложного теплообмена в системах с дискретно расположенными инфракрасными излучателями, эффективно решаемых на основе вычислений локальных значений коэффициентов взаимного излучения с привлечением метода последовательных приближений для искомых функций. Метод последовательных приближений получил в работе дополнительное обоснование и дальнейшее развитие, что позволило расширить область его практического применения для решения системы интегральных уравнений;

-разработана программа для решения системы интегральных уравнений Фредгольма второго рода, которая может быть использована в лабораториях научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро при проектировании и эксплуатации малоинерционных инфракрасных нагревательных аппаратов для термической обработки как пищевых продуктов и других изделий (лакокрасочных покрытий, кожи, ткани, систем отопления и т.д.);

-разработана экспериментальная установка с использованием малоинерционных инфракрасных излучателей для сушки пищевых и сельскохозяйственных продуктов;

-выявлены некоторые особенности работы нагревательных систем с малоинерционными инфракрасными излучателями, которые получили экспериментальное подтверждение;

-экспериментальные и теоретические результаты исследований, представленные в виде таблиц и номограмм, могут быть широко использованы при оценке влияния компоновки (геометрии) нагревательных систем с инфракрасными излучателями на тепловой режим нагрева высушиваемого материала.

Внедрение работы. Результаты исследования внедрены в учебный процесс в Дагестанском государственном техническом университете и использованы для выработки опытно-промышленной партии сушеных абрикосов методом инфракрасной сушки в ОНИПЦ ИВТ РАН.

Достоверность научных результатов подтверждается'. -получением эффекта изменения направления температурного градиента в высушиваемом материале методом осциллирующей (повторно-кратковременной) нагрузки малоинерционных инфракрасных излучателей;

-получением основных теоретических предпосылок непосредственно из рассмотрения общей системы интегро-дифференциальных уравнений лучистого теплообмена в диатермической среде без введения упрощающих предположений;

-совпадением результатов в частных случаях лучистого теплообмена с имеющимися результатами в литературе для этих случаев;

б

-сопоставлением результатов, получаемых предположенным экспериментальным методом для тестовых задач, с результатами точных аналитических решений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы по мере завершения соответствующих разделов были доложены на итоговых научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов Дагестанского Государственного Технического Университета и

Махачкалинского филиала МАДИ (ТУ) , на межрегиональной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ДГСХА.

В завершенном виде работа докладывалась на расширенном заседании кафедры технологии и машин технологического факультета Дагестанского технического университета.

Публикация. Основные положения диссертационной работы отражены в 7-ми научных публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 135 страницах, в том числе 13 страниц приложений, 27 рисунков и 4 фотографий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении даны обоснование актуальности темы и цели диссертационной работы, научной новизны, практической ценности и достоверности полученных результатов, изложено ее краткое содержание.

Первая глава диссертации посвящена обзору литературы по инфракрасной сушке пищевых продуктов, решения задач сложного теплообмена, основанных на лучистом теплообмене между дискретными телами в диатермической среде. В частности, к ним относятся работы Лыкова А.К, Лебедева П.Д., Аминова М.С., Гинзбурга A.C., СперроуЮ.А., Эккерта Е.Ф., Суринова Ю.А., Жулева Ю.Г., Левитина И.Б., Гольдштейна К.А, Поварницына М.С, Плаксина Ю.М., Оциссика М.Н. и др. Подавляющее большинство из этих работ являются теоретическими и предпочтение отдается приближенному методу расчета.

С целью выявления рационального пути исследования произведем обстоятельный обзор наиболее принципиальных работ по инфракрасной сушке и по расчету систем с инфракрасными излучателями. В частности, выявлено, что совпадение температурного градиента и градиента влажности в высушиваемом материале способствует ускорению процесса сушки.

Вопросам исследования сушки материалов с помощью ИКИ посвяшсно значительное число работ, -в которых подробно описываются конструкции и излагаются приближенные методы расчета систем ИКИ. Существенным недостатком приближенных расчетов таких систем является отсутствие аналитической связи между функциями температуры и эффективных потоков с оптико-геометрическими параметрами элементов конструкции системы. Несмотря на широкое применение для этих целей линейчатых инфракрасных излучателей (ИКИ), методы их расчета практически не разработаны и нужные параметры в каждом конкретном случае обеспечиваются опытной доводкой.

Таким образом, предлагаемая в работе методика решения таких задач с использованием достаточно простых и надежных методов расчета обсуждаемых конструкций с ИКИ является актуальной.

Во второй главе рассматривается стационарная задача расчета лучистого теплообмена между поверхностью объекта нагрева, системой линейчатых дискретных инфракрасных излучателей и отражательным экраном в бесконечной протяженности системы вдоль оси х и перпендикуляра к плоскости чертежа. В такой постановке уравнение теплового баланса для объекта сушки имеет вид

(1)

где Т = ут - Е=Е!ср6стТ*\ х = хП 21-шаг между излучателями,

= +(*,-Ду)Т\ (2)

Потоки эффективного излучения определяются по формулам Е*(дг,) = е, <П>,) + (1 -,,)[£-(*,) + ЕГ(*,)] Е*(-г2) = аГ2(х2) + (1 - £г,)Е^(дг,)

,Е*(до=*4<гт4'(*4)+(1 -О[Е;Г(*.)+

где индексы:)]- означают, что лучистый поток падает с элемента i на элемент j; j- номер рассматриваемого элемента;; «пад»- падающий; «эф» -эффективный; «рез»- результирующий; «нач»- начальный; а- постоянная

Стефана Больцмапа с- степень черноты; СР, 6 - теплоемкость и толщина материала.

Уравнения (3) представляют собой систему интегро-дифференциальных уравнений, начальные условия которой могут быть заданы в виде:

Tj(xj,o) = Tj(xj) У = 1,2,3

Таким образом, решение нестационарной задачи расчета лучистого теплообмена между телами малой толщины в бесконечной постановке сводится к решению задачи Коши, правые части которой определяются из системы интегральных уравнений особого рода.

Система решалась методом последовательных приближений из-за сложности формирования матрицы системы. Однако, при всей универсальности данного метода решения вычислительный процесс оказался довольно длительным. Поэтому пришлось искать наиболее простой метод расчета, то есть найти такие условия, выполнение которых устраняет периодическую неравномерность падающих на поверхности системы лучистых потоков, связанной с дискретностью линейчатых излучателей.

Для того чтобы исследовать возможность упрощения изложенного метода расчета рассматриваемая задача была решена при следующем упрощающем предположении. Система ИКИ условно представлялась в виде равномерно излучающего полупрозрачного энергетического экрана с той же температурой и с коэффициентом затенения <р = d/2l (d- диаметр нити накала, 21- шаг между излучателями). В результате сложная система интегральных уравнений вырождается в систему алгебраических равнений

Е, = е, а Т,4 + (1 -*,)[Еге + Е,(1 -«»)]

Е, =£,öT,4 + (1-Cj)E,

" " (4)

Е, = *,<гТ/+(1-*,)Е4

Ед = £, <7 Т* + (1 - ) [Е, (I - р) + Е,р]

Доказано, что результаты решения в такой упрощенной постановке весьма мало (менее чем на один процент) отличаются от результатов решения интегральных уравнений (3). Для экспериментального подтверждения полученных результатов на разработанной установке инфракрасной сушки проведен эксперимент, в процессе которого измерялось распределение температур на поверхности панели из теплоизоляционного материала. Эта панель устанавливалась над излучателями типа КИО—1000-220-1 (кварцевые лампы с вольфрамовыми спиралями накаливания). Распределение температур па поверхности панели фиксировалось для ряда расстояний между панелью и излучателями. Результаты эксперимента подтвердили полученный расчетным путем вывод - об условии устранения периодической неравномерности температурного поля на поверхности объекта сушки.

Анализ полученных результатов позволил сформулировать следующие выводы:

-периодическая неравномерность распределения температуры объекта нагрева зависит от расстояния между излучателями и поверхностью объекта и практически не зависит от расстояния между излучателями и отражательным экраном;

-неравномерность определяется величиной Л, (отношением расстояния между излучателями и поверхностью объекта испытания к шагу между излучателями), и когда этот параметр равен или больше единицы -неравномерность температурного поля меньше одного процента.

Таким образом, замена системы ИКИ полупрозрачным энергетическим экраном с той же температурой (с тем же потоком излучения и Ь >1), что соответствует вырождению особой системы интегральных уравнений в систему алгебраических уравнений, позволяет сохранить весьма высокую точность расчетов. Следовательно, найдена упрощенная методика расчета таких систем.

Третья глава посвящена исследованию режима работы нагревательной системы с ИКИ в зависимости от геометрических размеров системы и отражательной способности элементов конструкции. Рассматриваются три задачи в предположении, что система ИКИ является полупрозрачным

эмер| ечическим экраном: лучистый теплообмен в нагревательной системе с ИКИ конечного размера; упрощенный метод расчета нагревательной системы с И1СИ при мееыционарном режиме рабоил; влияние свободной конвекции на поле излучения нагревательной системы.

В первой задаче представлены результаты исследования лучистого теплообмена между плоскими поверхностями, отделенными друг от друга прозрачной средой, в. зависимости от взаимной ориентации поверхностей конструкции отражающего экрана, плоского объекта (материала) сушки и полупрозрачного излучающего (энергетического) экрана - ИКИ.

Задача решается в предположении, что поверхности излучения являются серыми диффузными излучателями и распределение собственного излучения по направлениям подчиняется закону Ламберта. Определяющими уравнениями теплообмена в замкнутой системе (отверстия в замкнутых системах рассматриваются как мнимые абсолютно черные поверхности с нулевой абсолютной температурой) является система линейных интегральных уравнений типа Фредгольма второго рода относительно функций потока эффективного излучения. В итоге рассматривается система интегральных уравнений с шестью искомыми функциями эффективного излучения: 6

<Р,(*)= /,(•*) + ЛХ {Х'У^У, д=1...6) (5),

Уравнения (5) нрсдсшклннн собой полную мшемшичсскую носшноику задачи теплообмена излучением в рамках обобщенного зонального метода для шести зонной замкнутой системы, образованной серыми поверхностями, которые имеют переменные по поверхности температуры и оптические свойства. Для решения приведенной системы интегральных уравнений применялся метод последовательных приближений, интегралы вычислялись численно с помощью гауссовых квадратур По методу последовательных приближений с помощью рекуррентной формулы

<Р, ,,„(0 = + )к(Х,Х,Ы.Х,Щ (6)

I /•* -I

строилась последовательность функций эффективного излучения, <р„(х), которые рассматриваются как приближение к искомому решению системы уравнений (5) За начальные приближения принимались свободные члены системы. Сходимость проверялась условием,

»•I

где С ~ величина, учитывающая точность приближения.

Согласно выше изложенному алгоритму нами была составлена программа расчета на ЭВМ лучистого теплообмена между объектом нагрева, отражающим экраном (с зонами регулирования падающих на объект сушки лучистого потока) и параллельно им расположенными инфракрасными излучателями. Для сравнения правильности алгоритма и программы счета решалась симметричная задача, излагаемая в научной литературе. Результаты решения задачи совпадали с точностью третьего порядка.

Представлены результаты сравнения численного расчета с экспериментальными данными для ряда практически интересных частных случаев, рассмотрение которых позволило провести дальнейшее изучение свойств и возможностей вариантов компоновки нагревательной системы ИКИ.

Таким образом, решена задача о влиянии оптических и геометрических параметров компоновки нагревательной системы на тепловой режим работы ИКИ. Показано, что без регулирования электрической мощности ИКИ за счет зонального изменения отражательной способности экрана можно изменить характер и величину распределения падающего на поверхность объекта сушки теплового потока

Во второй задаче излагаются результаты исследования работы нагревательной системы с ИКИ в нестационарном режиме. Решая систему (4) относительно £ и подставляя найденные выражения в (2), получена следующая система нелинейных дифференциальных уравнений

дТ> т т дт

ЛТ, = =

рг = Т| - е„ Т:+ е,. + </4 дт

4

(/4 = е„ Т, + еиТ' + еи

где _ относительная величина количества отводимого тепла от "1 офажаюшего экрана; е ч - приведенный коэффициент излучения, получаемые

ил решения системы (4). \ Таким образом, математической моделью подставленной задачи является

задача Коши с начальными условиями г = 0; ^ и т- = 5Г=«~ .Параметрами задачи являются 42,Представленные зависимости наглядно

иллюстрируют влияние оптических и геометрических параметров системы с инфракрасными излучателями на возможность реализации осциллирующего или другого режима нагрева и охлаждения объекта сушки.

В третьей задаче исследуется влияние свободной конвекции на режим работы нагревательной системы с ИКИ. Рассматривается стационарная задача лучистого теплообмена между теплоизолированной вертикальной пластиной, полупрозрачным экраном инфракрасного излучения (ИКИ) и отражательным экраном. Уравнение теплового баланса в системе: объект сушки, отражательный экран и полупрозрачный экран ИКИ для стационарного случая принимает вид (для краткости записи уравнение написано лишь для объекта сушки)

г ) - г (Е,,(Х, ) + Е4,(*, ))+ог(Т,(ДГ,)-То) = 0 (9)

^ где Т, - абсолютная температура, К\ а ~ коэффициент теплоотдачи, Вт/м'К.

Задача сводится к решению системы из шести нелинейных интегральных уравнений. Система решалась методом последовательных приближений с использованием формул Гаусса - Кристоффеля для вычисления интегралов. Программа составлена на языке Турбо-Паскаль 7.0. Показано, что наличие свободной конвекции в вертикальном расположении объекта сушки с излучателями способствует к увеличению неравномерности распределения температуры по поверхности объекта сушки, и с увеличением произведения

13

критерий Прандтля и Граегофа неравномерность плотности подающего па поверхность нагрева лучистого потока резко увеличивается независимо от расстояния до ИКИ. Представлены результаты сравнения теоретических и экспериментальных данных в зависимости от положения точки измерения температуры термопарой. Показано, что влияние свободной конвекции па поло плотности падающего на поверхность объекта лучистого потока существенно сказывается на нижнем краю системы.

Сравнение опытных значений температур с теоретическими результатами расчета показало, что они в пределах 5 % согласуются. Опытные данные при возрастающей тепловой нагрузки (увеличении температуры поверхности излучателей - Т2) практически совпадают с результатами теоретических исследований, из которых следует, что при возрастающей нагрузке влияние свободной конвекции на режим работы нагревательной системы можно не учитывать, в особенности, при горизонтальном положении нагревательной системы

В четвертой главе излагаются результаты исследования режима работы нагревательной системы с ИКИ в двумерной постановке. Как указывалось выше, для расчета лучистого теплообмена в системе с дискретно расположенными излучателями целесообразно применять метод замены излучателей полупрозрачным энергетическим экраном.

Рассматривается задача расчета лучистого теплообмена между плоским теплоизолированным объектом сушки в виде прямоугольника конечного размера, полупрозрачным энергетическим экраном и отражательным экраном с различными прямоугольными зонами теплообмена. С учетом закона Ламберта уравнения теплового баланса имеют такой же вид, как и уравнение (1)

__ащ»

Р4Т/йг «Е* (*>,У<) -Ё Х(х<,У<)- Ё„ (* , _У,} (¿=1.2,3), (Ю)

представляющие собой нелинейные интегро-дифференциальные уравнения, правые части которых определяются решением системы интегральных уравнений вцда(З).

Представлены решения двухмерной задачи по составленной программе для различных вариантов взаимного расположения объекта нагрева, инфракрасных

14

излучателей и отражательного экрана. Показано что, изменение расстояния между плоскостью расположения излучателей и объектом излучения существенно изменяет температурное поле объекта сушки, т.е. естественно изменяет поле излучения нагревательной системы. В отличия от результатов решения аналогичной задачи в плоской постановке, здесь доказано возможность регулирования поле излучения по всем направлениям с помощью краевых (боковых) теплоизолированных экранов.

В пятой главе дано описание разработанной установки ИКИ. (Рис.1)

Рассматривается принципиальная схема установки, излагается методика измерения температур .и тепловых потоков, приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований режима работы нагревательной системы с ИКИ. Приведены результаты сравнения опытных и теоретических данных по режиму сушки абрикосов. Даются рекомендации по реализации оптимального режима сушки абрикосов.

В экспериментальной установке использовались в качестве инфракрасных излучателей лампы-КИС)-220-1000-1. Для измерения температуры использовались медь- константановые термопары с диметром электродов 0,1 мм.

Выводы:

В результате проведенных исследований температурного поля инфракрасных нагревательных систем для сушки пищевых продуктов и решения в обобщенном виде задачи расчета лучистого теплообмена в системе серых тел с дискретными поверхностями излучения с использованием локального метода расчета потоков взаимного излучения:

1. Доказана возможность замены системы дискретно расположенных ИКИ полупрозрачным экраном с той же температурой (с тем же потоком излучения, что и ИКИ), что соответствует вырождению особой системы интегральных уравнений в систему алгебраических уравнений и позволяет сохранить весьма высокую точность расчетов, следовательно, найдена упрощенная методика расчета таких систем.

2. Разработана методика расчета лучистого теплообмена в нагревательных системах ИКИ конечных размеров. Составлены и отлажены программы решения

на ЭВМ нелинейных и линейных систем дифференциальных и интегральных уравнений, соответствующих математическим моделям рассматриваемых задач.

3. В результате решения нестационарных задач получены аналитические зависимости, позволяющие определять минимально допустимую степень черноты экрана и относительную ширину излучателей из условия получения требуемого скорости нагрева и охлаждения объекта сушки.

4. Изучено влияние свободной конвекции на режим работы инфракрасных нагревательных систем в предположении, что имеет место ламинарное течение и толщина пограничного слоя меньше величины зазора между объектом сушки и излучателями.

5. Решена двумерная задача расчета теплообмена в нагревательной системе с ИКИ, разработан алгоритм и представлена программа решения системы интегральных уравнений на языке Turbo Pascal 7.0. Показано, что наличие зон регулирования отражательной способности экрана приводит к изменению желаемой формы поле излучения нагревательной системы

6. Спроектирована и создана экспериментальная установка ИКИ для лабораторных исследований процессов тепловой обработки различных пищевых продуктов и агропромышленного сырья. Разработана методика проведения экспериментальных измерений плотности падающего на объект сушки потока излучения от инфракрасных излучателей и предложен прибор и способ измерения поля падающего на объект сушки потока излучения.

7. Доказана возможность увеличения скорости сушки капиллярно -пористых материалов с использованием термодиффузии, проявляющейся при повторно-кратковременном облучении материала с помощью малоинерционных ИКИ.

8. Результаты решения задачи могут быть использованы при проектировании и эксплуатации систем инфракрасных нагревательных устройств, предназначенных для тепловых испытаний различных материалов и конструкций, и для термической обработки, как пищевых продуктов, так и других изделий (лакокрасочных покрытий, кожи, ткани и т.д.).

Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Адамов З.Т. Упрощенный метод расчета систем с инфракрасными излучателями при нестационарном режиме работы. //Сборник научных трудов преподавателей и сотрудников технологического факультета ДГТУ:- Махачкала, 2002.-С.54-62

2. Адамов 'Г.А. Мурадов М.С., Адамов З.Т., "Теплообмен в плоскопараллельной системе с дискретно расположенными инфракрасными излучателями (ИКИ). /Сборник научных трудов межрегиональной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ДГСХЛ. - Махачкала: ДГСХА, 2002 .-С . 487

3. Адамов З.Т. Влияние свободной конвекции на поле излучения системы инфракрасного нагревателя. /Сборник тезисов докладов 25-й итоговой научно-технологической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ:- Махачкала, 2003.- С192-193

4. Адамов З.Т. Теплообмен в системе сушки материалов с помощью инфракрасных излучателей. /Сборник тезисов, докладов 25-й итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ: - Махачкала 2003.-С 194-195

5. Адамов З.Т." Исследование режима работы инфракрасных нагревателей". /Сборник тезисов и докладов 3-й научно-практической конференции, посвященной 5-летнему юбилею М.Ф МАДИ (ГТУ):- Махачкала 2003 г.

6. Адамов 3. Т. Теплообмен в плоской системе серых тел, в промежутке которых расположены инфракрасные излучатели (ИКИ). /Сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана. Научное Обозрение. ВыпЛй.-Махачкала 2004.-С. 93-99

7. Адамов З.Т. К расчету лучистого теплообмена в системе тепловой обработки материалов с помощью инфракрасных излучателей. // Сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана. Научное обозрение, вып.2.:- Махачкала 2004.-С.92-95

V

Рис.1 Схема инфракрасной нагревательной установки ИКИ

Осциллирующий режим работы ИКИ

не 2 Зависимость тем перггуры и влажности продуктов (абрикосов) от продолжительности обработки ИКИ

Лицензия на издательскую деятельность ИД-06185от01.11.01 Подписано в печать 03.10.05. Формат 30*42 У* Бумага офсетная Печать офсетная. Тираж 100'экз. Отпечатано в типографии ООО «Риасофт» ЛТД Г. Махачкала, ул.. Батырая. 136

»24001

РЫБ Русский фонд

2006-4 23261

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Краткий анализ работ, посвященных инфракрасной сушки.

ГЛАВА 2 Расчет температурного поля инфракрасной нагревательной системы для сушки пищевых продуктов бесконечная постановка задачи).

ГЛАВА 3 Влияние конструктивных параметров объекта сушки, излучателей и отражательного экрана на температурное поле инфракрасной нагревательной системы.

ГЛАВАВ 4 Расчет температурного поля инфракрасной нагревательной системы в зависимости от геометрии компоновки ИКИ трехмерная задача).

ГЛАВА 5 Экспериментальная часть.

В настоящее время одной из основных задач, стоящих перед перерабатывающими отраслями агропромышленного комплекса, является усовершенствование интенсификации технологических процессов сушки различных продуктов, с целью сокращения продолжительности цикла изготовления продукта, улучшения его качества, повышения производительности труда и достижения наиболее рационального использования материала и энергетических ресурсов. Изыскание новых способов сушки и разработки конструкций аппаратов, для тепловой обработки, необходимо вести с учетом возможности интенсификации обработки и на этой основе обеспечить как повышения качества выпускаемой продукции, так и экономию энергетических затрат на изготовление единицы продукции. К примеру, изменение градиента температуры в материале является важной характеристикой процесса сушки капиллярно-пористых материалов.

За последние годы как у нас в России, так и за границей в различных 0 отраслях промышленности большое развитие получила тепловая обработка материалов инфракрасными излучателями (ИКИ). Применение инфракрасного излучения значительно интенсифицируют многие технологические процессы: сушку, выпечку, обжарку, полимеризацию и др., вследствие значительного увеличения плотности теплового потока на поверхности облучаемого материала (объекта нагрева) и проникновения инфракрасных лучей внутрь материала.

Способ обработки инфракрасными лучами применяется для поверхностной сушки лакокрасочных металлических и деревянных покрытий, а также при сушке в тонком слое сыпучих веществ или тонких бумажных, или текстильных и других материалов и пищевых продуктов. Лучистая тепловая энергия применяется также в тех случаях, где требуется удалить только поверхностную влагу или переместить ее внутрь изделия, например при сушке литейных форм.

При тепловой обработке инфракрасными лучами указанных материалов интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной или контактной сушкой увеличивается в десятки раз. Это объясняется тем, что количество тепла, которое можно передать материалу при радиационной обработке, значительно больше чем при конвекции. Однако в настоящее время отсутствует обобщение практических результатов и основных теоретических положений этого способа сушки.

Вопросам исследования сушки материалов с помощью ИКИ посвящено значительное число работ, в которых подробно описываются конструкции и излагаются приближенные методы расчета нагревательных систем РЖИ.

Приближенным методом расчета инфракрасных нагревательных систем является метод расчета теплообмена между серыми телами в диатермичной (прозрачной) среде. Основные расчеты температурного поля в указанных системах выполняются с привлечением громоздких интегро-дифференциальных уравнений, решение которых становится возможным только для некоторых частных случаев и то в результате допущений, приближений, часто снижающих практическую ценность решений. Более того, существенным недостатком приближенных расчетов является отсутствие аналитической связи между функциями температур и эффективных потоков с оптическими свойствами и с параметрами взаимного расположения элементов конструкции системы. Такая связь обычно выявляется при использовании приближенных расчетов симметричных или бесконечно протяженных континуальных систем, где температура, угловые коэффициенты, степени черноты задаются в параметрическом виде. Но, если для континуальных бесконечно протяженных или симметричных схем такой подход являются естественным, то для дискретных он не всегда допускается и во многих случаях приводит к существенным погрешностям.

В связи с этим поиски достаточно простых и надежных методов расчета температурного поля инфракрасных нагревательных систем с дискретно расположенными излучателями, свободных от указанных недостатков, представляется актуальными.

Цель настоящей работы является в разработке эффективной методики расчета температурного поля ИКИ и подбора режима радиационной сушки различных материалов, в частности, пищевых и сельскохозяйственных продуктов, и в экспериментальной проверке теоретических результатов и принятых в работе упрощающих предположений и допущений.

Для этой цели в работе проводится исследование теплового поля инфракрасных нагревательных систем с дискретно расположенными малоинерционными инфракрасными излучателями. Теоретическое исследование сложного теплообмена в системе ИКИ выполнено на основе вычислений локальных значений коэффициентов взаимного излучения с привлечением метода последовательного приближении для искомых функций эффективного излучения, определяющими уравнениями которых является система интегральных уравнений Фредгольма второго рода относительно функций эффективного излучения.

Уравнения получены при следующих предположениях: теплообмен происходит между серыми телами; распределения собственного излучения по направлениям подчиняется закону Ламберта; радиационные свойства поверхностей не зависят от частоты излучения; средняя поверхность расположения ИКИ является полупрозрачным энергетическим экраном с коэффициентом затенения, равным отношению поперечного размера излучателя к шагу расположения излучателей.

Все полученные в работе решения имеют замкнутый алгоритм, на основе которого разработана и отлажена комплексная программа расчета на ЭВМ. f* Охватывают довольно широкий класс двумерных и трехмерных задач расчета теплообмена между произвольно ориентированными друг к другу элементами конструкций теплообменных аппаратов с ИКИ, применяемых в различных отраслях промышленности и в научно-исследовательских лабораториях. Проведено сравнение результата счета с результатом решения аналогичной задачи другими исследователями, где рассматривается теплообмен между двумя параллельными поверхностями в симметричной системе с бесконечной протяженностью в третьем направлении.

Сравнение показало, что искомая функция эффективного потока излучения по всей области ее изменения с точностью третьего порядка совпадает с решением вариационным методом. Составлена программа расчета на ЭВМ системы линейных и нелинейных интегральных уравнений с применением метода итерации.

Результаты работы могут быть использованы в процессах разработки и эксплуатации малоинерционных инфракрасных нагревательных устройств, предназначенных для термической обработки как пищевых, так и других изделий (лакокрасочных покрытий, кожи, ткани, систем отопления и т.д.) и испытаний элементов конструкций при тепловом ударе.

На защиту выносятся'.

-результаты исследования температурного поля инфракрасной нагревательной системы с дискретно расположенными излучателями.

- методика расчета лучистого теплообмена в системе с ИКИ.

- программа численного решения на ЭВМ системы интегральных уравнений Фредгольма второго рода.

- влияние конструктивных параметров объекта сушки, излучателей и отражательного экрана на температурное поле инфракрасной нагревательной системы.

-влияние свободной конвекции на температурное поле системы с ИКИ.

-скорость нагрева и удаления влаги в материале в виде односторонне теплоизолированной пластины с помощью малоинерционных инфракрасных излучателей.

-технология сушки абрикоса с осциллирующим подводом лучистой энергии в области инфракрасного излучения.

-результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований температурного поля нагревательной системы с инфракрасными излучателями.

Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Адамов З.Т. Упрощенный метод расчета систем с инфракрасными излучателями при нестационарном режиме работы. Сборник научных трудов. ДГТУ., Махачкала 2002 г.

2. Адамов З.Т. " Исследование режима работы инфракрасных нагревателей" «Динамика образовательных процессов и технико-технологический процесс на автомобильном транспорте и дорожном строительстве». Махачкала 2003 г.

3. Адамов Т. А., Мурадов М.С., Адамов З.Т. "Теплообмен в плоскопараллельной системе с дискретно расположенными инфракрасными излучателями (РЖИ). ВУЗ и АПК: Задачи, проблемы и пути решения / Сборник научных трудов межрегиональной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 70-летию образования ДГСА/. Махачкала: ДГСА 2002, с. 487.

4. Адамов З.Т. Влияние свободной конвекции на поле излучения системы инфракрасного нагревателя Сборник трудов ТФ, ДГТУ, Махачкала 2002 г.

5. Адамов З.Т. К расчету лучистого теплообмена в системе тепловой обработки материалов с помощью инфракрасных излучателей. Научное обозрение: сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана Вып. 2 Махачкала 2004 г.

6. Адамов 3. Т. Теплообмен в плоской системе серых тел, в промежутке которых расположены инфракрасные излучатели. Научное обозрение: сборник статей ассоциации молодых ученых Дагестана Вып. 2 Махачкала 2004 г.

7. Адамов З.Т. Сборник тезисов, докладов 25-й научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. Махачкала 2003г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Александров В. Е., Зворыкин Д. Б. К расчету облученности в системе «цилиндрический излучатель плоскопараллельный отражатель». -Производительная обработка материалов: Тр.; Вып 2/ ВПИ. - Воронеж: ВПИ, 1977, с. 85-90.

2. Баранов В. Н., Большаков Ю. В., Иванов В. И. Техника лучистого нагрева в электронном производстве. /Обзоры по электронной технике. Сер. 3. Микроэлектроника; Вып. 1 (347). М.: ЦНИИ "Электроника", 1976.

3. Баранов В. Н., Иванов В. И. Оценка эффективности использования рефлектора при ИК нагреве Электронная техника. Сер.З Микроэлектроника, 1974, вып. 6 (54), с. 106.1. X1

4. Башмаков В. Г. и др. Распределение плотности потока и температуры при инфракрасном нагреве Электронная обработка материалов, 1975, №2 (62), с.83.

5. Боркман К. и Рейнхольд М. Сушка зеленного солода с применением инфракрасного излучения. Перп. с немецкого № Ц-5936, М. 1973 г.

6. Борхерт Р., Юбиц В. Техника инфракрасного нагрева. Перевод с немецкого под редакцией Левитина И.В., Госэн-издат, М. Л., 1963

7. Бураковский Г., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели. Пер. с польского И.Б. Ливитина и В. И. Рычкова. "Энергия" Ленинградское отделение. 1978, с 407

8. Брамсон М. А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел.-М.: Наука, 1965.—320 с., ил.37.9 . Влияние высоких температур на авиационные кострукции. Сборник статей. Перевод с английского. М., Оборонгиз, 1967.

9. Гинзбург А.С. Инфракрасная техника в пищевой промышленности. М., "П.ПР.", 1966. 407с.

10. Исаченко В. П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М. : Энергия, 1969,- 228 с.

11. Излучательные свойства металлов ( Справочник. Под общей ред, А.Е. Шейндлина). М., "Энергия", 1974.

12. ИК спектры поглощения полимеров и вспомогательных веществ / Под ред. В. М. Чулановского. М.: Химия, 1969.

13. Инфракрасный излучатель , ООО "Сайнес", Киев. 2003

14. Исследование процесса терморадиационной службы лекарственных сыпучих материалов в выброкипящем слое и растительного лекарственного сырья в плотном слое. Отчет. Ленинградский химико-фармацевтический институт. № 77056625. 1978 г., 65 с.

15. Ильясов С.Г. Исследование процесса излучения в материале и методы определения их оптических характеристик. Автореферат кандидатской диссертации, 1968.

16. Кронрод А.Е. Узлы и веса квадратурных формул. М., " Наука ", 1965.

17. Лебедев П.Д. Сушка инфракрасными лучами. М., ТОСЭНЕРГОИЗДАТ", 1955, 320с.

18. Левитин И. Б. Инфракрасная техника. Л. : энергия, 1973, —158 с.

19. Михлин С.Г., Смолицкий Х.Л. Приближенные методы решения дифференциальных уравнений.

20. Мешков В. В., Епашников М.М. Осветительные установки. М.: Энергия , 1972.

21. Марченко В.М. Задача одномерной стационарной теплопроводности в условиях лучистого теплообмена за счет внутреннего излучения. "Труды ЦАГИ ", вып. 1003, 1963.

22. Мастрюков Б. С. К расчету радиационного теплообмена в замкнутой системе не серых тел. Теплофизика высоких температур. 1973, т.11, с.442.

23. Митор В.В., Конопелько И.Н. Исследование степени черноты твердых тел. "Теплоэнергетика" № 7, 1966.

24. Мастрюков Б.С., Каиров Э. А. К вопросу лучистого теплообмена в системе твердых не серых тел, разделенных лучепрозрачной средой. -Теплофизика высоких температур, 1969, т. 7, № 2, с.299.

25. Нащекин В.В. Лучепроницаемость пищевых продуктов. Труды МТИПП, вып. 12, 1958, 15-18с.

26. Невский А.С., Тимофеев В.Н. Методика расчета излучения в топочной камере. " Известия ВТИ ", № 3 (91), 1934.

27. Улумиев А. А. Определение скорости конденсации при сублимационной сушки пищевых продуктов. ЦИНТИПищепром. Сублимационная сушка пищевых продуктов. 1965, 43с.

28. Петров В. А., Резник В.Ю. Интегральная нормальная излучательная способность кварцевого стекла марки КИ при высоких температурах. Теплофизика высоких температур, 1972, т. 10, №4, с. 778.

29. Петров В. А., Степанов С. В. Радиационные характеристики кварцевых стекол. Теплофизика высоких температур, 1975, т. 13, №2, с. 335.

30. Плаксин Ю. м. Исследование процесса выпечки мучных кондитерских изделий в печах с инфракрасным излучением. Автореферат кандидатской диссертации, 1974.

31. Поварницын М.С., Стацюк В.И. К расчету инфракрасных нагревателей с плоским экраном. ИФЖ, 1961.

32. Программирование в среде Turbo PASCAL 7.0/ A.M. Епашников, В.А Епашников. М.: "ДИАЛОГ МИФИ", 1996.

33. Рубцов Ф. А. Кузнецова А.Л., Бурка А.Л. К исследованиям переноса тепла излучением в сплошных средах. Тепло- и массоперенос. Т. 1, "Энергия", М., 1968.

34. Рычков В. И. Сушка и нагрев инфракрасным излучением. В кн.: Итоги науки и техники. Светотехника и инфракрасная техника. М. : —ВИНИТИ АН СССР, 1973, с. 196 - 247, ил.

35. Рахимов Р.Х., Саидом М.С. Возможности использования солнечных емкостных коллекторов для нагрева воды ИК- сушки и терапии. Гелиотехника, 2004г. №2, с.88-89.

36. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Автоматическая система управления сушки. /Сборник научных статей. Международная конференция «infa 2000»:- Ташкент 2000г.- 202-203с.

37. Соколов А.В. Оптические свойства металлов. М. Физматгиз, 1961.

38. Слободкин Л. С., Прудников Н. А. Определение разрешающих угловых коэффициентов в объемах конвейерных радиационных сушильных установок с диффузной и зеркальной компонентами отражения. Инженерно - физический журнал, 1975, т. 29, № 2, с 306-312.

39. Суринов Ю.А., Кобышев А.А. Об оценки точности приближенных решений интегральных уравнений теории лучистого теплообмена. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, № 4 ,1968.

40. Суринов Ю. А. Обобщенный зональный метод исследования и расчеты лучистого теплообмена в поглощающей и рассеивающей среде. Энергетика и транспорт. - М.: 1975, № 4, с. 112.

41. Технология, организация производства и оборудования, 1977, вып. 4 (83) , с. 12-22.

42. Теория теплообмена. Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 83, "Наука", 1971.

43. Тимофеев В.Н. Определение тепловосприятия трубы в топке. " Известия ВТИ ", № 2 (90), 1934.

44. Тимофеев В.Н., Боковинкова А.Х., Шкляр Ф.Р., и др. Исследование лучисто конвективного теплообмена в щелевом канале. Тепло- и массоперенос. Т.1, "Энергия ", М., 1968.

45. Ходжаев Ю.Д. Методика расчета плоского инфракрасного нагревателя. Труды ЦАГИ, вып. 975, 1965.

46. Ходсон Г. Инфракрасные системы. 1972, 534с.

47. Хэкфорд Г. JI. Инфракрасное излучение. М.—JL: Энергия, 1964. 336с., ил.

48. Юбиц В. Возможности применения инфракрасного нагрева в пщевой промышленности.(пер. с немецкого ) М.1978.

49. Якоб М., вопросы теплопередачи. М.: Изд-во иностр. лит., 1960 -517 с.ил.

50. Chamarro J., Lafuente В., Pinaga F. "Rev. agroquim у techol. Alim", 1971, v.l 1, №3, p. 402-408.

51. Chamarro J., Lafuente В., Longas J. F. "Liofilizacion de championes. Rev. agroquim у techol. Alim", 1972, v.12, №3, p. 450-455.

52. Gunn R.D. The uniformity retreating ice front model "Refring and Air Condifing, 1970, 78, №866, p.35-36, 90.

53. Kane de Wunter F. " Food Technology" 1968, V 22, 1269.

54. K. Borcman und M. Reinhold Das Darren von Grunmalz und Anvendung von Intrarotstrahlung, J."Lebensmittelindustrie", 1968 Bdl5, № 5 s.179-182.

55. Keppeler R.A., Cowerd D.G. Thermal Properties of Freeze dried Mushrooms J. Food Sciense 1972, 37, №2, p. 205-20861 .K. Koskoba Bozlor vysledku pokusneno suseni zemedelskych. "ZEMEDELSKA TECHNIKA", 1967, t. 3. №7, 399-411.

56. Massery W. M. Ph. D. thesis Heorgian Inst, of Technology 1966 and Massary W.M Sanderland I.E. Food Technology.

57. Massey W.M. Jr. Sonderland I.E. Food Technology 21, 408, 1967 Int. J. Het Mass Transfer 1972, 15, 3.

58. Mathcad 8 Pro/ В.Ф. Очков. Москва 1999. 522 с.

59. Turbo Pascal 7.0 Начальный курс. Учебное пособие/ Фараонов В. В.- М.: "Нолидж", 1997.-616 е.,ил.

60. М. Nekati Ozisik. Radiative transfer and interactions with conduction and convection and convection. Jolin Weley & Sous, New York, London, Toronto, 1973, 616 c.

61. Schwartz T. Elektrotermia. Warszawa: PWT, 1950, Т. 1 280 s., il.

62. Sparrow E. M., Albers L. U., Apparent Emissivity and Heat Transfer in a Long Cylindrical Hole, J. Heat Transfer, 82C, 1960, 253-255.