автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Математическое моделирование и оптимизация гигро- и гидротермических процессов в системах "капиллярнопористое тело - газо-парожидкостная среда"

Введение.

Обозначения.

Глава 1. Внешний влаго- и теплообмен капиллярнопористого тела с однофазной газо-паровой средой (обзор).

1.1. Выражения для внешних потоков влаги и теплоты.

1.2. Уравнения межфазного равновесия.

1.3. Физические свойства газо-паровой среды влажного воздуха).

1.4. Температура "мокрого" термометра и постоянная скорость поверхностного испарения.

1.5. Примеры расчета. Сопоставление результатов с опытными данными.

Глава 2. Внешний влаго- и теплообмен капиллярнопористого тела с газо-паро-жидкостной средой.

2.1. Исходные предпосылки.

2.2. Флегма и флегмовый поток. Механизмы их возникновения и основные свойства.

2.3. Пример.

2.4. Выражения для внешних потоков влаги и теплоты.

Глава 3. Внутренний влаго- и теплоперенос в капиллярнопористых телах. Балансовые уравнения.

3.1. Выражения для потоков.

3.2. Определение кинетических коэффициентов внутреннего переноса.

3.3. Фильтрационный влагоперенос под действием потенциала массовых сил.

3.4. Уравнения текущих балансов.

3.5. Уравнения для паросодержания и внутреннего давления.

Глава 4. Кинетика гигротермических процессов в системе капиллярнопористое тело - газо-паровая среда".

4.1. Основные предпосылки и постановка задачи.

4.2. Флегмовый период.

4.3. Переходный период.

4.4. Период внутреннего испарения (конденсации).

Актуальность. Методы гигро- и гидротермической обработки капил-лярнопористых материалов широко применяются в различных отраслях промышленности, особенно в пищевой, в частности - в производстве колбасных изделий. Общей характерной чертой таких процессов является одновременность и взаимосвязанность обмена влагой и теплотой между обрабатываемым продуктом и окружающей его газо-паровой или газо-паро-жидкостной средой, что существенно усложняет их физико-математическое описание. В настоящее время теория этих процессов находится в стадии становления и пока не позволяет осуществлять научно обоснованный выбор оптимальных режимов обработки.

Целью данной работы является дальнейшее развитие теории гигро- и гидротермических процессов, создание их математических моделей и компьютерных программ для оптимизации.

Научную новизну представляют: 1) математическое описание внешнего влаго- и теплообмена с учетом "флегмового" потока; 2) математическое описание внутреннего влагопереноса с учетом фильтрационной составляющей, обусловленной действием поля массовых сил - гравитационных или инерционных; 3) физически обоснованные математические модели кинетики влаго- и теплообмена между капиллярнопористым телом и однофазной газопаровой и двухфазной газо-паро-жидкостной средой; 4)методы расчетной оптимизации процессов гигро- и гидротермической обработки, включающие постановку и решение оптимизационных задач, а также их программное обеспечение применительно к производству колбасных изделий.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что они могут быть использованы для определения оптимальных температуровлажностных режимов обжарки , варки и аэрозольного охлаждения колбасных изделий, обеспечивающих повышение качества готового продукта, сокращение продолжительности обработки, снижение тепловых потерь и расхода воды при охлаждении. Отдельные результаты работы уже используются в учебном курсе "Математическое моделирование тепло и массообмен-ных процессов" на кафедре промышленной энергетики Воронежской государственной технологической академии (ВГТА).

Достоверность результатов и выводов обеспечивается тем, что предлагаемые математические модели базируются на фундаментальных законах сохранения массы и энергии, а также на теории градиентного тепло- и массопереноса, и не содержат сомнительных допущений. Адекватность моделей проверена путем сопоставления результатов расчета с известными экспериментальными данными других исследователей.

Апробация: основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXXVIII отчетной научной конференции ВГТА за 1999 г., региональном межвузовском семинаре ЦЧР при Воронежском государственном техническом университете (Воронеж, ВГТУ, 2000 г.) и научно-тематическом семинаре "Физико - технические проблемы энергетики и экологии" (Воронеж, ВГТУ, 2000 г.).

Публикации: по материалам диссертационной работы имеется 4 публикации.

На защиту выносятся: математические модели и основанные на них методы расчета и оптимизации процессов гигро- и гидротермической обработки капиллярнопористых материалов, содержащие новые физические представления о "флегмовом" потоке и внутреннем переносе "свободной" (несвязанной) влаги под действием потенциала массовых сил.

Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, список обозначений, шесть глав, основные выводы, список литературы и приложения. Работа изложена на 176 страницах, включает 18 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 64 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Адекватное математическое описание внешнего влаго- и теплообмена между капиллярнопористым телом и газо-паро-жидкостной средой должно составляться с обособленным учетом флегмового потока жидкой фазы влаги, всегда направленного от поверхности тела в окружающую среду. В зависимости от текущего состояния тела и параметров среды флегмовый поток может содержать "чистый" конденсат влаги среды, смесь конденсата с соковой влагой тела или концентрированный (частично выпаренный) сок. В двух последних случаях происходит потеря телом экстрактивных компонентов, содержащихся в соковой влаге.

2. В тех случаях, когда текущее влагосодержание тела превышает максимальное гигроскопическое, т. е. тело содержит свободную (несвязанную) влагу, последняя под действием поля массовых сил (гравитационных или инерционных) стремится вытечь наружу даже при отсутствии градиента термодинамического давления внутри тела. Фильтрационная составляющая влагопереноса по абсолютной величине может превосходить диффузионную и термодиффузионную, что также необходимо учитывать при моделировании рассматриваемых процессов. Если влагосодержание тела ниже максимального гигроскопического или тело находится в состоянии невесомости, фильтрационная составляющая внутреннего влагопереноса отсутствует.

3. При моделировании кинетики гигро- и гидротермических процессов целесообразно выделить три основных режима и соответствующих им три периода: флегмовый, переходный и режим (период) внутреннего испарения или конденсации. Каждому режиму соответствуют определенные граничные условия (на поверхности тела), от которых зависит характер решения исходной системы уравнений. В общем случае процесс включает все три указанных периода, следующих один за другим, но в частности, он может протекать в одном или двух режимах, в зависимости от параметров, характеризующих начальное состояние тела и состояние среды.

4. Постановка и решение оптимизационной задачи во многом зависит от конкретных особенностей целевого процесса и свойств обрабатываемого продукта. Например, при оптимизации процессов обжарки и варки колбасных изделий существует ряд известных ограничений (технологических условий), которые необходимо выдерживать для обеспечения требуемого качества готового продукта - приоритетного критерия оптимизации. Следующими критериями в порядке приоритетности являются продолжительность обработки и энергозатраты, которые должны быть минимальными. Предложенный метод оптимизации позволяет рассчитывать температуро-влажностные режимы обработки, отвечающие всем трем указанным критериям. Ожидаемые результаты оптимизации таковы: повышение качества продукта за счет исключения потерь экстрактивных компонентов фарша с флегмовым потоком; сокращение продолжительности обработки в 1.3 . 1.5 раза за счет интенсификации теплообмена и, как следствие, приблизительно пропорциональное снижение тепловых потерь.

5. Решение задачи оптимизации процесса аэрозольного охлаждения колбасных изделий при заданной продолжительности и температуре среды позволяет минимизировать расход охлаждающей воды за счет того, что значительная часть теплоотвода осуществляется поверхностным испарением.

6. Для эффективного практического использования результатов этой работы необходимо располагать достоверными сведениями о физических свойствах обрабатываемого продукта, некоторые из которых до сих пор мало изучены. К ним относятся прежде всего гидро- и гигроскопические, диффузионные и фильтрационные характеристики, существенно влияющие на кинетику процесса и принятые в наших расчетах весьма ориентировочно. Эти характеристики еще подлежат экспериментальному определению. Предложенные математические модели и в этом случае могут оказаться полезными при планировании экспериментов и обработке опытных данных.

1. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.- М- Л.: Изд-во АН СССР, 1947.- 367 с.

2. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут В. Явления переноса.- М.: Химия, 1974.688 с.

3. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача.- М.: Химия, 1982.696 с.

4. Харин В.М., Агафонов Г.В. Внешний влаго- и теплообмен капиллярно-пористого тела с газо паровой средой // Теор. основы хим. технол.-1999.- Т. 33.-№2.- С. 144.

5. Харин В.М., Агафонов Г.В. Теория гидро- и гигротермических процессов. Внешний влаго- и теплообмен капиллярнопористого тела с газопаровой средой // Матем. моделирование технол. систем.- Вып. 3.- Воронеж: ВГТА, 1999.- С.78.

6. Семенихин О.А. Моделирование процессов гигро- и гидротермической обработки капиллярнопористых коллоидных материалов (разработка методов оптимизации и интенсификации): Дис. . канд. техн. наук. Воронежская гос. технол. акад., 1998.- 168 с.

7. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса.- М.- Л.: Госэнергоиздат, 1963.- 536 с.

8. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Молекулярная физика.- М.: Гос. изд-во физ.-мат. литературы, 1963.- 500 с.

9. Харин С.Е. Физическая химия.-Киев: Изд-во Киевск. университета, 1961.- 408 с.

10. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизиче-ских свойств воды к водяного пара.-М.: Изд-во стандартов. 1969.- 408 с.

11. Перри Дж. Справочник инженера химика, Т.1.- JL: Химия, 1969.- 640 с.

12. Кришер О. Научные основы техники сушки.- М.: Изд-во иностр. лит., 1961.- 540 с.

13. Бретшнайдер Ст. Свойства газов и жидкостей.- М.- JL: Химия, 1966.535 с.

14. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике.- М.: Машиностроение, 1973.- 344 с.

15. Пелеев А.И., Бражников A.M., Гаврилова В.А. Тепловое оборудование колбасного производства.- М.: Пищевая пром-сть, 1970.- 384 с.

16. Фукс Н.А. Механика аэрозолей.- М.: Изд-во АН СССР, 1955.

17. Левин JI.M. Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей.- М.: Изд-во АН СССР, 1961.- 224 с.

18. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей.- М.: Наука, 1981.- 176 с.

19. Харин В.М., Агафонов Г.В. Внешний влаго- и теплообмен капиллярно-пористого тела с газо-паро-жидкостной средой // Теор. основы хим. тех-нол,- 1999.- Т.ЗЗ.- № 3,- С. 252.

20. Большая советская энциклопедия. Т. 27.- М.: Изд-во "Советская энциклопедия", 1977.- 624 с.

21. Лаврова Л.П., Крылова В.В. Технология колбасных изделий.- М.: Пищевая пром-сть, 1975.- 344 с.

22. Бражников A.M. Теория термической обработки мясопродуктов.- М.: Ато1™™*™'3 ття'г 1Q87 272 с.

23. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др. Под ред. А.И. Леонтьева.- М: Высшая школа, 1979.- 495 с.

24. Лыков А.В. Теория сушки.- М.: Энергия, 1968.- 472 с.

25. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности.- М.: Химия, 1970.432 с.

26. Сажин Б.С. Основы техники сушки.- М.: Химия, 1984.- 320 с.

27. Фролов В.Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов.- Л.: Химия, 1987.- 208 с.

28. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов.- М.: Пищевая пром-сть, 1973.- 528 с.

29. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии.- Л.: Химия, 1979.- 272 с.

30. Большая советская энциклопедия. Т. 26.- М.: Изд-во "Советская энциклопедия", 1977.- 624 с.

31. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении.- М.- Л.: Машгиз, 1952.- 232 с.

32. Михеев М.А. Основы теплопередачи.- М.- Л.: Госэнергоиздат, 1949.396 с.

33. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1969.- 440 с.

34. Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидкостных пленках.-Киев: Техшка, 1972.- 196 с.

35. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии." Л.: Химия, 1977.- 592 с.

36. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1977.- 344 с.

37. Харин В.М., Агафонов Г.В. Теория гидро-и гигротермических процессов. Внутренний влаго-и теплоперенос в капиллярнопористых телах // Матем. моделирование технол. систем.- Вып. 3.-Воронеж: ВГТА, 1999.-С. 88.

38. Харин В.М., Агафонов Г.В., Горяинов А.А. Внутренний влаго- и тепло-перенос в капиллярнопористых телах // Теор. основы хим. технол. -2000.-Т.34.-№5.-С. 520.

39. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим.- М.: Гостехиздат, 1954.408 с. '

40. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения.- M.-JL: Машгиз, 1964.- 244 с.

41. Лыков А.В. Теория теплопроводности.-М.: Высшая школа, 1967.-600 с.

42. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел.- М.: Наука, 1964.487 с.

43. Харин В.М., Кулаков В.И., Семенихин О.А. и др. Кинетика сушки паром // Теор. основы хим. технол. 1997.- Т. 31№ 4.- С. 399.

44. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Теория движения жидкостей и газов в неде-формируемой пористой среде.- М.: Гостехтеориздат, 1953.- 618 с.

45. Харин В.М., Шишацкий Ю.И. Кинетика сушки во взвешенном слое // Теор. основы хим. технол.- 1995.- Т. 29.- № 2.- С. 179.

46. Харин В.М., Шишацкий Ю.И., Мальцев Г.П. Кинетика вакуумной сушки и оптимальное управление процессом // Теор. основы хим. технол.-1996.-Т. 30.-№3.-С. 277.

47. Харин В.М., Кулаков В.И., Никель С.А. и др. Оптимизация процессов вакуумной и паровой сушки при наложенном ограничении на температуру материала // Теор. основы хим. технол.- 1997.- Т. 31.- № 6.- С. 622.

48. Любошиц И.Л., Слободкин Л.С., Пикус И.Ф. Сушка дисперсных термочувствительных материалов.- Минск: Наука и техника. 1969.- 216 с.

49. Гинзбург А.С., Громов М.А., Красовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов.- М.: Пищевая пром-сть, 1980.- 288 с.

50. Никитина JI.M. Термодинамические параметры и коэффициенты массо-переноса во влажных материалах.- М.: Энергия 1968.- 500 с.

51. Харин В.М., Агафонов Г.В., Семенихин О.А. Теория гидро- и гигротер-мических процессов. Равновесные влагосодержания и кинетика жидкостной обработки капиллярнопористых тел // Матем. моделирование технол. систем.- Вып. 3.- Воронеж: ВГТА, 1999.- С. 93.

52. Мякенькая Т.В. Исследование процесса сушки варено-копченых колбас с целью определения оптимального режима сушки: Дис. . канд. техн. наук. Московский технол. институт мясной и молочной пром-сти, 1973.

53. Харин В.М., Агафонов Г.В., Горяинов А.А. Моделирование кинетики гигротермических процессов в системе "капиллярнопористое тело газопаровая среда" // Матем. моделирование информац. и технол. систем,-Вып. 4.- Воронеж: ВГТА, 2000.- С. 128.

54. Харин В.М., Агафонов Г.В., Горяинов А.А. Кинетика гигротермической обработки капиллярнопористых материалов // Теор. основы хим. технол.- 2000.- Т. 34.- № 6.- С. 62.

55. Харин В.М., Агафонов Г.В., Горяинов А.А. Кинетика гидро- и гигротермических процессов в системе "капиллярнопористое тело аэрозоль" // Вестник ВГТА.- № 5.- Воронеж: ВГТА, 2000.- С. 68.

56. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах.- Л.: Гкдрометесиздат, 1974.- 320 с.164

57. Седунов Ю.С. Физика образования жидко-капельной фазы в атмосфере.-JL: Гидрометеоиздат, 1972.-208 с.

58. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Т.2.- Л.: Гидрометеоиздат, 1978.- 248 с.

59. Теплотехника/ А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витг и др. Под ред А. П. Баскакова. М.: Энергоиздат, 1982. - 264 с.

60. Курош А.Г. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1965. - 432 с.

61. Мишина А.П.,Проскуряков И.В. Высшая алгебра.-М.: Наука, 1965.-300 с.

62. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. -М.: Наука, 1977. -832 с.