автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Моделирование управляемого процесса замораживания термолабильных продуктов

На правах рукописи 005011360

МАХОТИН Николай Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ПРОЦЕССА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

і мар ті

Воронеж - 2012

005011360

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Жучков Анатолий Витальевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мозговой Николай Васильевич; кандидат технических наук, доцент Барбашин Алексей Михайлович

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая ака-

демия»

Защита состоится «22» марта 2012 г. в 1400 часов в конференц - зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «_» февраля 2012 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и минимизации техногенного воздействия на окружающую среду. Значительные резервы экономии энергии имеются в различных технологических процессах, в том числе в процессах криосублимационного фракционирования и сублимационной сушки, используемых в химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Первой стадией этих процессов является стадия замораживания продукта. На этом этапе необходимо обеспечить равномерность образования кристаллов льда в объёме продукта, сохраняя тем самым структуру и все нативные свойства термолабильного продукта. Это возможно только при проведении управляемого процесса замораживания с контролем процесса по времени.

Существующие методики расчёта продолжительности процесса замораживания не учитывают особенности кристаллизации влаги в капиллярно-пористом теле термолабильных продуктов. В отличие от замораживания чистой жидкости, в продуктах с капиллярно-пористой структурой процесс фазового перехода протекает в широком интервале температур. При снижении температуры в объёме продукта доля льда постепенно увеличивается, а доля воды уменьшается, т.е. не существует температуры кристаллизации, при которой вся влага переходит в твёрдое состояние. А применяемое оборудование для реализации процесса замораживания характеризуется высокими эксплуатационными издержками, использованием в качестве хладагента экологически опасных теплоносителей, отсутствием возможности управления процессом.

Поэтому актуально дополнительное теоретическое и экспериментальное исследование данного вопроса, с целью разработки методики расчёта продолжительности процесса замораживания термолабильных продуктов и эффективного оборудования для реализации энергосберегающего процесса замораживания с получением продукта высокого качества, а также методики инженерного расчёта данного вида оборудования.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетным научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» кафедры «Машины и аппараты химических производств» «Моделирование и разработка энергосберегающих технологий и оборудования химических производств» в рамках ГБ 2010.12 (Гос. регистр. 01.2.006.06149).

Целью работы является разработка высокоэффективного оборудования и методики расчёта продолжительности процесса замораживания частиц сферической формы термолабильного продукта в псевдоожижен-ном слое. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка математических моделей процесса замораживания капиллярно-пористых тел термолабильных продуктов в среде жидкого и газообразного азота;

- проведение экспериментальных исследований процесса теплообмена при замораживании частиц термолабильного продукта в средах жидкого и газообразного азота в псевдоожиженном слое;

- разработка методики инженерного расчёта конструктивных и технологических параметров аппарата замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое;

- разработка конструкции установки для замораживания в псевдоожиженном слое, позволяющей исследовать процесс замораживания частиц в широком диапазоне теплофизических параметров.

Научная новизна.

1. Разработаны и экспериментально подтверждены математические модели процесса замораживания частиц термолабильных продуктов, основанные на использовании эквивалентной теплоёмкости, учитывающей теплоту охлаждения сырья и теплоту кристаллизации воды, содержащейся в нём, позволяющие определить продолжительность процесса замораживания.

2. Определены технологические параметры ведения управляемого процесса замораживания термолабильного материала в псевдоожиженном слое.

3. Разработана методика инженерного расчета аппарата для замораживания частиц в псевдоожиженном слое и определены его оптимальные конструктивные и технологические параметры.

4. Разработана установка для управляемого замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое в газообразном азоте, позволяющая снизить расход азота и сохранить нативные и физико-химические свойства продукта, новизна и оригинальность которой подтверждена патентом РФ.

Практическая значимость.

Результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для дальнейших разработок в области замораживания термолабильных про-

дуктов. Полученные математические модели процесса замораживания термолабильных продуктов представляют собой необходимую теоретическую базу для создания методики инженерного расчёта и проектирования установок для управляемого замораживания в псевдоожиженном слое. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО «Партнёр» г. Воронеж, а также используются в учебном процессе по дисциплине «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных законов теории теплообмена, применением аттестованных измерительных приборов и апробированных расчётных методик и подтверждается хорошим совпадением расчётных и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научной конференции ассоциации «Объединённый университет имени В.И. Вернадского» в г. Тамбове (2006), а также на научных отчётных конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (2007, 2008, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [8] - разработка методики инженерного расчёта установок замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое, [1,2,4] - разработка математической модели процесса замораживания термолабильных продуктов, [3,5] - обработка экспериментальных данных, [6,7] - определение технологических параметров для проведения процесса замораживания, [9,10] - разработка конструкции установок для замораживания.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 112 наименований и приложения. Основная часть работа изложена на 130 страницах, содержит 18 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, определяются задачи исследования, представлена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе выполнен обзор современных методов и техники замораживания термолабильного сырья растительного происхождения. Проведён анализ применяемых методов и оборудования для замораживания термолабильных растительных продуктов с указанием их достоинств и недостатков. Сформулированы рекомендации по разработке и совершенствованию криогенных методов замораживания и проектированию установок для их реализации.

Рассмотрена задача Стефана в классической и обобщённой постановке и методы её решения. Существующие методы расчётов основных теплофизических параметров замораживаемого продукта и параметров технологического процесса основываются на классической задаче в постановке Стефана. При этом математическая модель строится из предположения, что фазовый переход происходит при одной определенной температуре, а все основные теплофизические параметры продукта (теплопроводность, теплоемкость, удельное сопротивление) изменяются скачком.

В частицах растительного происхождения ситуация несколько иная. Понятие границы раздела фаз для таких частиц, с характерными для них капиллярно-пористой структурой и содержанием влаги до 75%, является условным, так как не существует чёткой границы фазового перехода. При любой температуре, ниже криоскопической, существуют жидкая и твёрдая фазы воды, при этом доля твердой фазы увеличивается по мере уменьшения температуры частицы. Поэтому можно считать, что граница раздела фаз делит твердое тело на талую (не замерзшую) и мерзлую зоны, при этом основные теплофизические параметры (теплоёмкость, плотность, теплопроводность) должны определяться с учётом степени кристаллизации воды.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию процесса замораживания сырья растительного происхождения в среде жидкого и газообразного азота.

Для растительных материалов с незначительным содержанием влаги, организация процесса управляемого замораживания без повреждения структуры продукта возможна в среде жидкого азота. При этом главным технологическим параметром, обеспечивающим качество продукта и снижение расхода жидкого азота, является время (продолжительность) контакта продукта с хладагентом. С целью анализа продолжительности замораживания частицы продукта были проведены экспериментальные исследования замораживания растительного сырья в жидком азоте. В качестве модельной среды выбран картофель, из которого вырезались частицы сферической формы диаметром 20 мм. Частицы, с начальной темпе-

ратурой 23° С, помещалась в жидкий азот на 5 секунд, после чего они разрезались и замерялась толщина промёрзшего слоя. Затем время замораживания увеличивалось и опыт повторялся. Установлено, что полное промерзание частицы радиусом 20 мм происходило через 65 секунд. Результаты этих опытов представлены на рис. 1. Они позволяют сделать вывод об интенсивности процесса замораживания.

С целью изучения эффективности использования не только теплоты жидкого азота, но и теплоты отходящих паров азота было проведено экспериментальное исследование процесса замораживания термолабильного продукта в среде газообразного азота в неподвижном (стационарном) слое.

Опыты проводились в следующей последовательности. Из клубней картофеля вырезались шарики диаметром 20 мм. Они аккуратно складывались в корпус установки, с установленным на опорном кольце перфорированным днищем.

Время процесса замораживания, с

Рис. 1. Продолжительность замораживания в жидком азоте

В картофельный шарик устанавливалась термопара (спай термопары находился в центре шарика) на высоте 40 мм над перфорированным днищем и на этом же расстоянии устанавливалась термопара между частицами для измерения температуры газообразного азота. Для интенсификации процесса испарения картофельная заірузка с начальной температурой 23 °С погружалась в слой азота на глубину 10 мм. Таким образом, спай термопары оказывался на расстоянии 30 мм над начальным уровнем жидкого азота. Опыт проводился в течение 6 минут, по истечении которых наблюдался стационарный режим, что свидетельствовало о наличии

установившегося теплового режима в данном слое, при этом процесса кипения жидкого азота не наблюдалось.

Следующий опыт этого раздела проводился аналогичным образом с той лишь разницей, что термопары устанавливались на расстоянии 70 мм над перфорированным днищем. После аналогичного погружения загрузки в жидкий азот на те же 10 мм, спай находился соответственно на расстоянии 60 мм над начальной поверхностью жидкого азота. Контроль данных и продолжительность опыта аналогичны предыдущему. Результаты этих опытов представлены на рис. 2.

Сравнение результатов опытов показало, что интенсивность процесса замораживания в среде газообразного азота ниже, чем в среде жидкого азота. Однако при этом происходит более равномерное образование кристаллов: на первой стадии процесса происходит охлаждение поверхности частицы от начальной температуры до крископической, далее наблюдается промерзание основного слоя продукта и последним этапом является домораживание центрального слоя.

25

■10------------

Время процесса замораживания, с

—•— Т--185 С —•— Г=-160С

Рис. 2. Изменение температуры в центре частицы при замораживании в газообразном азоте

Для частиц со значительным содержанием влаги организовать процесс замораживания с равномерным образованием кристаллов влаги в объеме частицы и сохранением целостности структуры продукта в среде жидкого азота не представляется возможным. Это связано с высоким коэффициентом теплоотдачи, и как следствие, высокой скорости процесса замораживания, что приводит к деструкции частиц и их конгломерации в слое. Поэтому нами предложен способ замораживания таких частиц в

псевдоожиженном слое в среде газообразного азота. Такой способ замораживания позволяет улучшить равномерность кристаллообразования за счёт более низкого коэффициента теплоотдачи, исключить конгломерацию частиц продукта, обеспечив сохранность структуры. Это позволяет также снизить расход азота за счёт использования не только теплоты парообразования жидкого азота, но и теплоты паров азота по всей высоте слоя.

Для экспериментального исследования в качестве опытных образцов использовались ягоды крыжовника и черноплодной рябины. Начальная температура ягод составляет 25° С. Теплофизические и физические параметры (теплоёмкость, теплопроводность, плотность, влагосо-держание и т.д.) приняты согласно справочным данным. Средний диаметр ягод крыжовника - 14 мм, черноплодной рябины - 10 мм. Для проведения экспериментов ягоды разбиваются на порции: крыжовник массой 500 и 600 грамм, черноплодная рябина - 600 грамм. Продолжительность процесса замораживания определена расчётным путём. В процессе исследования непрерывно происходит измерение температуры паров азота по высоте слоя. Данные по значению средней температуры контактирующих паров азота при замораживании черноплодной рябины приведены на рис. 3.

По данным графика видно, что процесс замораживания условно можно разделить на три этапа. Первый этап характеризуется охлаждением частицы от начальной температуры 23° С до предкриоскопической - минус 3° С. Он длится первые 50-60 секунд. При этом мы наблюдаем нагрев паров азота до температуры минус 115-112° С за счёт привнесённого частицами тепла извне. Второй этап непосредственного замораживания длится от момента времени 50-60 секунд до 120-140 секунд. На этом этапе происходит льдообразование по основному объёму частицы. Теплоприток от частиц обусловлен только теплотой фазового перехода воды в лёд. Она меньше теплоты охлаждения частиц, поэтому температура паров азота понижается менее интенсивно - до минус 127-125 С. Третий этап, начинающийся с момента времени 140-150 секунд, характеризуется окончательным домораживанием частиц продукта. Тепловой поток от частиц минимальный и температура паров азота продолжает снижаться. Спустя 240 секунд от начала процесса мы наблюдаем полное промерзание частиц продукта.

-110

О 40 80 120 160 200 240

& £ 5 I

-130 -

Время процесса, с

Рис. 3. Замораживание порции черноплодной рябины массой 600 грамм

В третьей главе рассмотрены основные теплофизические зависимости и численное решение задачи о замораживании частиц сферической формы термолабильного продукта, как в среде жидкого азота, так и в среде газообразного азота в псевдоожиженном слое.

Разработана математическая модель замораживания сферической частицы растительного происхождения. При разработке математической модели приняты следующие допущения: частицы имеют сферическую форму постоянного радиуса, плотность замороженного продукта не зависит от времени, температура в любой точке частицы зависит только от текущего радиуса и времени (симметричная задача).

Первоначально влага в продукте находится при начальной температуре 1о. Можно считать, что начиная с некоторого момента времени т происходит отвод теплоты с поверхности в окружающую среду с постоянной температурой ^ (граничное условие третьего рода), что приводит к замораживанию и образованию замороженной твердой части продукта. При замораживании выделяется теплота фазового перехода (скрытая теплота льдообразования). По мере продвижения границы раздела фаз вглубь продукта происходит охлаждение незамороженной зоны продукта.

Уравнение теплопроводности для сферической частицы имеет

вид:

Эг Э

ср— = — Эг Эг

г

X.*

дг

2 Я дг

г дг

(1)

Теплоемкость до начала замораживания - стадия охлаждения (г >

/„„) - определяется по формуле:

С = Сс(1-№) + Св\У .

(2)

Теплота фазового перехода, выделяемая при замораживании влаги I < ^р, учитывается как дополнительная теплоемкость, определяемая соотношением:

с1й)

С = Сс(1-1У) + С,а1У + Св(\-со)(Г + 1Гг— , (3) с Л

где количество вымороженной воды со:

Первые три слагаемых характеризуют вклад теплоемкостей сухого вещества, льда и воды, последнее - теплоту, выделяемую при кристаллизации воды.

Теплопроводность частицы определяется следующими соотношениями:

км = к0, при г > г^;

км = ко+соАк, при / < . (4)

Система уравнений (1) - (4) решалась при следующих условиях однозначности:

начальное условие: при т=0 / = /0; граничные условия:

при г = 0 81/дг = 0;

при г = Я Х(д1/дг) = -а(1 - 1а,/ (5)

При моделировании процесса замораживания в псевдоожижен-ном слое предварительно определяется температура паров азота на входе в слой, далее, с учётом теплоты фазовых переходов, находим общий тепловой поток от слоя частиц материала и с учётом этого получаем температуру паров азота на выходе из слоя по следующим зависимостям:

- температура паров азота на входе в слой:

«• г г

- общий тепловой поток от частиц в псевдоожиженном слое:

= а - (га - Га£р) я * « и ; (7)

- температура паров азота на выходе из слоя:

- средняя температура паров азота в слое:

Ввиду нелинейного характера поставленной задачи, сложных зависимостей теплофизических характеристик от температуры, ее аналитическое решение не представляется возможным. Поэтому решение задачи выполнено с использованием численных методов.

При решении задачи использована конечно-разностная сетка с постоянным шагом по радиусу (Дг) и времени (Дг). Для аппроксимации дифференциального уравнения Фурье (1) использована явная схема.

На основе этой методики составлены две прикладные программы в среде Delphi. Первая программа определяет продолжительность процесса при замораживании частиц в жидком азоте. Второй программный продукт позволяет рассчитывать продолжительность и основные технологические параметры процесса замораживания частиц в псевдоожиженном слое в среде газообразного азота. Адекватность методик и, соответственно, прикладных программ проверена опытным путём. При моделировании процесса замораживания в среде жидкого азота относительная погрешность не превышает 19%, в среде газообразного азота в псевдоожиженном слое - 21%. Графики некоторых расчётных и опытных данных представлены на рис. 4 и 5.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ь5

Врем* процесса с

Рис. 4. Моделирование процесса замораживания частиц в жидком азоте

Время процесса, с

С I

| -135 ¡~--------------------------------------------

!

-140 ^------------

—•— расчт. —л— опыт.

Рис. 5. Моделирование процесса замораживания черноплодной рябины в псевдоожиженном слое

В четвёртой главе приводится описание принципа действия и алгоритм методики инженерного расчёта технологических и конструктивных параметров установок для замораживания частиц в псевдоожиженном слое в среде газообразного азота. Методика позволяет определить основные геометрические параметры корпуса, характеристики вентилятора и мотор-редуктора, основные технологические параметры ведения процесса, продолжительность замораживания. Для удобства расчёта технологических параметров установки для замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое разработана компьютерная программа, структурная схема которой приведена на рис. 7.

Для реализации процесса замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое предложена установка (рис. 6), состоящая из цилиндрического корпуса 1 с газораспределительной решёткой 2, расположенной на входе в корпус в нижней его части, системы загрузки материала, состоящей из бункера 7, лопастного питателя 6, трубопроводов 5, системы выгрузки материала, содержащей аналогичные элементы. При этом в системе загрузки бункер 7 соединён с лопастным питателем б трубопроводом 5, препятствующем повреждению мягкого растительного материала верхним слоем. В системе же разгрузки лопастной питатель 6 напрямую соединён с бункером 7, так как в него поступает замороженный твёрдый продукт. Для предотвращения попадания потока газообразного азота в систему подачи сырья и регулирования отвода готового продукта из нижней части цилиндрического корпуса 1 предусмотрены шиберные

заслонки 8 на входе в трубопровод 5. Цилиндрический корпус 1 опирается на ёмкость 3 с жидким азотом, во "внутренней части которой установлен барбатёр 4, служащий для распределения нагретых охлаждаемым материалом до температуры минус 80-40 °С паров азота. Вентилятор 12 и система парового коллектора 11 служат для создания необходимого для псевдоожижения напора газообразного азота.

Установка криозамораживания в псевдоожиженком слое работает следующим образом. Из бункера 7 системы загрузки сырья по трубопроводу 5 лопастным питателем 6 подается сырьё в цилиндрическую рабочую камеру 1. При этом в цилиндрической рабочей камере 1 образуется слой материала, ограниченный в нижней его части газораспределительной решёткой 2. Из ёмкости 9 по трубопроводу 10 жидкий азот поступает в ёмкость 3 и заполняет её до необходимого уровня. Вентилятором 12 обеспечивается псевдоожижение слоя продукта в корпусе 1 и циркуляция газообразного азота в системе по трубопроводу 11.

После запуска системы рециркуляции газообразного азота слой частиц материала переходит в псевдоожиженное состояние и с этого момента начинается процесс криозамораживания. При этом шиберные заслонки 8 закрыты. Для обеспечения необходимого температурного напора для эффективного замораживания в ёмкости 3 в течение всего времени цикла замораживания системой дозирования жидкого азота поддерживается определённый уровень хладагента. По окончании времени цикла замораживания шиберные заслонки 8 открываются, и осуществляется непрерывный ввод свежего материала и вывод замороженного продукта из слоя. При этом лопастные питатели работают синхронно. После полной замены сырья в слое лопастные питатели 6 отключаются, шиберные заслонки 8 закрываются и цикл замораживания повторяется. Газовая смесь непрерывно циркулирует в системе. Готовый продукт накапливается в бункере 7 системы выгрузки сырья.

Рис. 6. Установка для замораживания в псевдоожиженном слое 1-рабочая камера. 2- газораспределительная решётка, 3-ёмкость с азотом, 4-барбатёр. 5-трубопровод, 6-лопастной питатель. 7-приёмная ёмкость, 8-шибер. 9-ёмкость с азотом, 10-трубопровод. 11-система рециркуляции, 12-вентилятор. 13-предохранительный клапан

Методика инженерного расчёта установок для замораживания в псевдоожиженном слое включает в себя следующие основные этапы (рис.

7):

Рис. 7. Основные этапы методики расчёта

Рис. 8. Структурная схема программы расчёта технологических параметров при замораживании в псевдоожиженном слое

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Моделирование процесса замораживания частиц капиллярно-пористой структуры термолабильных продуктов возможно на основе уравнения теплопроводности Фурье. При этом основные теплофизиче-ские параметры - теплоёмкость, плотность, теплопроводность должны определяться с учётом тепла, выделяемого при кристаллизации воды.

2. Замораживание термолабильных продуктов растительного происхождения в псевдоожиженном слое в парах азота позволяет, с одной стороны, предотвратить конгломерацию частиц сырья, с другой - реализовать энергосберегающий режим замораживания и сократить расход жидкого азота.

3.Разработанные установки, оригинальность которых подтверждена патентами РФ, позволяют реализовать управляемый процесс замораживания частиц в псевдоожиженном слое и обеспечивают высокое качество продукта.

4.Созданы математические модели процесса замораживания капиллярно-пористых частиц термолабильных продуктов, реализованные в виде прикладных программ в среде «Delphi», адекватность которых реальному процессу подтверждена экспериментальными исследованиями.

5,Определены технологические параметры ведения управляемого процесса замораживания термолабильного материала в псевдоожиженном слое: соотношение массового расхода азота к массовому расходу продукта составляет 0,7-0,8, для частиц с наибольшим геометрическим размером в диапазоне от 5 до 25 мм с начальной температурой 23-25 0 С цикл замораживания длится от 80 до 240 секунд при средней температуре контактируемых паров азота от минус 170° С до минус 80° С. При этом температура в центре частицы достигает значения минус 7-4° С, что свидетельствует о вымораживании не менее 85-90 % влаги.

Основные условные обозначения:

b - содержание прочно связанной воды на единицу массы сухого вещества, кг/кг; W - начальное содержание влаги в продукте; со - количество вымороженной влаги; t4, ~ криоскопическая температура, °С, С - теплоемкость продукта, Дж/кгК; р - плотность частиц продукта, кг/м3; Л - теплопроводность продукта, Вт/м2 *К; С„ С„ С, - теплоемкости сухой массы, воды и льда соответственно, Дж/кгК; г - теплота кристаллизации воды, кДж/кг; где Хо - теплопроводность незамороженного продукта, Вт/м*К; ДХ - разность теплопроводностей льда и воды; а - коэффициент теплоот-

дачи от частицы к азоту, Вт/м2*К; 1аср - средняя температура азота в слое,

°С; т - время процесса, с; / - текущая температура частицы, °С.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Жучков A.B. Численное моделирование процесса замораживания фармацевтического сырья / A.B. Жучков, Н.В. Махотин, И.Е. Шабанов II Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т. 3. №6. С. 113-115.

2. Жучков A.B. Численное моделирование процесса замораживания фармацевтического сырья / A.B. Жучков, Н.В. Махотин, И.Е. Шабанов // Вестник Воронежской государственной технологической академией. 2007. №2. С. 84-88.

3. Жучков A.B. Математическое моделирование процесса замораживания растительного сырья в азотном морозильном аппарате / A.B. Жучков, Н.В. Махотин, И.Е. Шабанов // Тепловые процессы в технике. 2009. Т. 1. №9.

4. Махотин Н.В. Численный анализ процесса замораживания фармацевтического сырья в псевдоожиженном слое / Н.В. Махотин, A.B. Жучков, И.Е. Шабанов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. №5. С. 55-58.

5. Жучков A.B. Численный анализ и экспериментальное исследование процесса замораживания фармацевтического сырья в псевдоожиженном слое / A.B. Жучков, Н.В. Махотин, И.Е. Шабанов // Вестник Воронежской государственной технологической академией. 2011. №2. С. 76-79.

Статьи и материалы конференций:

6. Махотин Н.В. Моделирование процесса замораживания фармацевтического сырья / Н.В. Махотин, A.B. Жучков // Материалы студенческой научной конференции за 2006 год: тезисы докладов. Воронеж: ВГТА, 2006.

7. Жучков A.B. Энергосберегающая технология замораживания фармацевтического сырья / A.B. Жучков, Н.В. Махотин, И.Е. Шабанов // Материалы студенческой научной конференции за 2007 год. Воронеж: ВГТА, 2007.

8. Шабанов И.Е. К расчёту устройств для замораживания фармацевтического сырья в непрерывном режиме / И.Е. Шабанов, Н.В. Махотин, A.C. Каледин // Материалы XLVI отчётной конференции за 2007 год. Воронеж: ВГТА, 2008.

Патенты

9. Патент на изобретение № 2350393 Российская Федерация. Устройство криоизмельчения / A.B. Жучков, И.Е. Шабанов, Н.В. Махотин, К.Д. Соколов, A.C. Каледин, A.C. Перепелов; заявл. 26.11.2007; опубл. 27.03.2009, Бюл. №9.

10. Патент на изобретение № 2384279 Российская Федерация. Установка криозамораживания в псевдоожиженном слое / A.B. Жучков, И.Е. Шабанов, Н.В. Махотин; заявл. 09.01.2008; опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8.

Подписано в печать 13. 02. 2012. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ №. //

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026, Воронеж, Московский просп. 14

61 12-5/3442

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

МАХОТИН НИКОЛАЙ ВИКТОРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ПРОЦЕССА ЗАМОРАЖИВАНИЯ

ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05 Л 4.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Жучков A.B.

ВОРОНЕЖ-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Основные термины, обозначения и сокращения................................ 4

Введение.................................................................................... 5

Глава 1. Обзор современного состояния теории и техники замораживания

термолабильного сырья растительного происхождения................ 9

1.1 Тенденции производства и потребления быстрозамороженных продуктов .. 9

1.2 Эффективность быстрого замораживания растительных продуктов........ 11

1.3 Методы быстрого замораживания растительных продуктов................. 13

1.4 Перспективные направления совершенствования процесса и оборудования быстрого замораживания растительных продуктов............................. 22

1.5 Оборудование для быстрого замораживания растительных продуктов..... 25

1.5.1 Воздушные аппараты............................................................. 27

1.5.2 Аппараты замораживания в некипящей жидкости........................ 29

1.5.3 Скороморозильные аппараты с безмашинной проточной системой

хладоснабжения............................................................................... 30

1.6 Анализ существующих математических решений задачи о замораживании.......................................................................... 33

1.6.1 Задача Стефана в классической и обобщенной постановке. Ее

простейшие решения.................................................................. 33

1.6.2 Продолжительность замораживания......................................... 43

1.7 Цели и задачи исследований........................................................ 49

Глава 2. Исследование процесса замораживания частиц сферической формы в

среде жидкого и газообразного азота.............................................. 51

2.1 Экспериментальная установка и методика проведения

экспериментов......................................................................... 51

2.1.1 Исследование процесса замораживания сферических частиц в неподвижном слое.................................................................. 53

2.2 Результаты экспериментальных исследований для одной частицы ... 54

2.2.1 Изменение толщины промёрзшего слоя частицы картофеля во времени при замораживании её в жидком азоте.............................. 54

2.2.2 Изменение температуры в центре частиц картофеля, находящихся в слое шаровой загрузки............................................................. 57

2.2.3 Описание установки для замораживания частиц в неподвижном слое................................................................................................................ 60

2.3 Замораживание частиц термолабильных продуктов в псевдоожиженном

слое.................................................................................... 61

2.3.1 Методика проведения экспериментов................................... 66

Глава 3. Математическое моделирование процесса замораживания частиц

сферической формы растительного происхождения.......................... 72

3.1 Численное решение задачи о замораживании частиц........................ 72

3.1.1 Постановка задачи......................................................... 72

3.1.2 Конечно-разностный аналог дифференциального уравнения

и граничных условий............................................................. 76

Глава 4. Практическое применение результатов исследования............... 96

4.1 Разработка способа и конструкции установки для замораживания термолабильного сырья.............................................................. 96

4.2 Метод инженерного расчёта и проектирования установки для замораживания термолабильного материала в псевдоожиженном

слое....................................................................................... 102

Основные результаты и выводы...................................................... 111

Список использованной литературы............................................... 112

Приложение А............................................................................. 122

Приложение Б............................................................................. 128

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Быстрое замораживание - режим, при котором возможно замораживание продукта до температуры минус 18° С на всю глубину со скоростью, исключающей образование крупных кристаллов льда и деструкцию тканей продукта.

Термолабильный продукт - продукт, неустойчивый к тепловому воздействию, изменяющий свои физико-химические свойства при изменении температуры.

Фронт замерзания (кристаллизации)- условная граница, разделяющая область промёрзшего (кристаллизовавшегося) слоя продукта от талой области.

Капиллярно-пористое тело - тело, представляющее собой скелет из твёрдого продукта образующего капилляры, заполненные клеточной влагой и воздухом.

МИХ - Международный институт холода.

Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) -

Продовольственная и сельскохозяйственная Организация ООН.

World Health Organization (WHO) - Всемирная организация

здравоохранения.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и минимизации техногенного воздействия на окружающую среду. Значительные резервы экономии энергии имеются в различных технологических процессах, в том числе в процессах криосублимационного фракционирования и сублимационной сушки, используемых в химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Первой стадией этих процессов является стадия замораживания продукта. На этом этапе необходимо обеспечить равномерность образования кристаллов льда в объёме продукта, сохраняя тем самым структуру и все на-тивные свойства термолабильного продукта. Это возможно только при проведении управляемого процесса замораживания с контролем процесса по времени.

Существующие методики расчёта продолжительности процесса замораживания не учитывают особенности кристаллизации влаги в капиллярно-пористом теле термолабильных продуктов. В отличие от замораживания чистой жидкости, в продуктах с капиллярно-пористой структурой процесс фазового перехода протекает в широком интервале температур. При снижении температуры в объёме продукта доля льда постепенно увеличивается, а доля воды уменьшается, т.е. не существует температуры кристаллизации, при которой вся влага переходит в твёрдое состояние. А применяемое оборудование для реализации процесса замораживания характеризуется высокими эксплуатационными издержками, использованием в качестве хладагента экологически опасных теплоносителей, отсутствием возможности управления процессом.

Поэтому актуально дополнительное теоретическое и экспериментальное исследование данного вопроса, с целью разработки методики расчёта продолжительности процесса замораживания термолабильных продуктов и эффективного оборудования для реализации энергосберегающего процесса замораживания с получением продукта высокого качества, а также методики инженерного расчёта данного вида оборудования.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетным научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» кафедры «Машины и аппараты химических производств» «Моделирование и разработка энергосберегающих технологий и оборудования химических производств» в рамках ГБ 2010.12 (Гос. регистр. 01.2.006.06149).

Цель работы является разработка высокоэффективного оборудования и методики расчёта продолжительности процесса замораживания частиц сферической формы термолабильного продукта в псевдоожиженном слое. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка математических моделей процесса замораживания

капиллярно-пористых тел термолабильных продуктов в среде жидкого

и газообразного азота;

- проведение экспериментальных исследований процесса теплообмена при замораживании частиц термолабильного продукта в средах жидкого и газообразного азота в псевдоожиженном слое;

- разработка методики инженерного расчёта конструктивных и технологических параметров аппарата замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое;

- разработка конструкции установки для замораживания в псевдоожиженном слое, позволяющей исследовать процесс замораживания частиц в широком диапазоне теплофизических параметров.

Научная новизна.

1. Разработаны и экспериментально подтверждены математические модели процесса замораживания частиц термолабильных продуктов, основанные на использовании эквивалентной теплоёмкости, учитывающей теплоту охлаждения сырья и теплоту кристаллизации воды, содержащейся в нём, позволяющие определить продолжительность процесса замораживания.

2. Определены технологические параметры ведения управляемого процесса замораживания термолабильного материала в псевдоожиженном слое.

3. Разработана методика инженерного расчета аппарата для замораживания частиц в псевдоожиженном слое и определены его оптимальные конструктивные и технологические параметры.

4. Разработана установка для управляемого замораживания термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое в газообразном азоте, позволяющая снизить расход азота и сохранить нативные и физико-химические свойства продукта, новизна и оригинальность которой подтверждена патентом РФ.

Практическая значимость.

Результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для дальнейших разработок в области замораживания термолабильных продуктов. Полученные математические модели процесса замораживания термолабильных продуктов представляют собой необходимую теоретическую базу для создания методики инженерного расчёта и проектирования установок для управляемого замораживания в псевдоожиженном слое. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику ООО «Партнёр» г. Воронеж, а также используются в учебном процессе по дисциплине «Машины и аппараты химических производств» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Достоверность результатов

Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных законов теории теплообмена, применением аттестованных измерительных приборов и апробированных расчётных методик и подтверждается хорошим совпадением расчётных и экспериментальных результатов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на научной конференции ассоциации «Объединённый университет имени В.И. Вернадского» в г. Тамбове (2006), а также на научных отчётных конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (2007, 2008, 2009).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ЗАМОРАЖИВАНИЯ ТЕРМОЛАБИЛЬНОГО СЫРЬЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

1.1 Тенденции производства и потребления быстрозамороженных

продуктов

Сегодня весь мир ведет разработку и внедряет новые наиболее эффективные технологии переработки биологического сырья для производства высококачественных продуктов питания, парфюмерно-косметических изделий и лекарственных средств. Наилучшими из них считаются такие, которые позволяют максимально сохранить молекулярную структуру сырья, все натив-ные, физико-химические свойства, биологическую активность, аромат, цвет, запах и вкусовые качества. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют методы, использующие криогенные технологии [66, 81, 102].

Криогенная технология переработки сырья ингибирует окислительные процессы, предотвращает денатурацию (распад) белков, молекулярных комплексов и пигментов и деароматизацию исходного сырья, тем самым обеспечивая высокое качество продукта [2, 64, 90].

Особое место в криогенной технологии переработки сырья занимают метод криосублимационного высушивания и криосублимационного фракционирования.

При переработке фитосырья данными методами в нем практически полностью подавлены окислительные процессы (ингибированы), т.к. диффузия молекул кислорода в замороженном веществе очень затруднена, а высушиваемое сырье постоянно находится в вакууме. Поскольку при криосубли-мационной сушке сырье находится при низких температурах, обеспечивается высокая сохранность термолабильных (распадающиеся под воздействием температуры) молекул и биологически-активных комплексов, составляющих, как правило, основную ценность перерабатываемого сырья [88].

Криосублимационная сушка, как и метод криосублимационного фракционирования, позволяют удалить из сырья не только межклеточную влагу, но и внутриклеточную. Поэтому в жидкости, получаемой при обработке фи-тосырья данными методами, присутствует не только межклеточная жидкость, богатая полезными биологически-активными веществами, но и внутриклеточная - источник, особенно богатый содержанием полезных веществ. Ни один другой способ обработки термолабильного сырья не позволяет добыть межклеточную жидкость и, тем самым, обеспечить наибольшую эффективность технологии и высокое качество продукта [52, 56, 112].

Технология для получения криосублимированной воды позволяет на основе физических методов получать высокоэффективные биологически-активные жидкости - по сути, внутриклеточные соки растений.

Многолетние исследования ученых доказывают, что газовая фаза, образующаяся при криосублимации, является сложной композицией из молекул разной природы: воды, аминокислот, сложных низкомолекулярных эфи-ров, витаминов, минеральных веществ, фрагментов сложных молекулярных комплексов и т.д. [53, 87].

В настоящее время не существует иных методов позволяющих получать подобные низкомолекулярные водные фракции биологических веществ.

Замораживание фитосырья является первой стадией процессов крио-сублимационнной обработки. От эффективности его проведения будет зависеть вся технологическая цепочка и результирующее качество всего сложного процесса выделения как клеточной, так и межклеточной влаги.

При этом для повышения качества продукта современные технологии подразумевают замораживание продукта непосредственно на участках его роста, транспортирование в рефрижераторах и хранение в морозильных аппарат перед дальнейшей переработкой.

1.2 Эффективность быстрого замораживания растительных продуктов

По определению Международного института холода и Комитета FAO/WHO термином "быстрое замораживание" следует пользоваться в случаях:

- если имеет место быстрое прохождение фронта замерзшей области, т.е. температурной области, которая у большинства продуктов находится в пределах от -1 до -5 °С. При этом замораживание считается завершенным, когда среднеобъемная температура достигает - 18 °С;

- если в процессе транспортировки и хранения продукции температура поддерживается на уровне - 18 °С и обеспечен минимальный уровень температурных колебаний.

При быстром замораживании решающую роль приобретает скорость процесса. Установлена тесная связь качества продукта со скоростью замораживания.

Скорость характеризует эффективность теплообмена при замораживании продукта, определяет энергетическую и экономическую эффективность процесса и возможность его включения в общую поточную линию производства продукта. Вот почему для количественной оценки процесса необходимо точно определить значение скорости замораживания [109, 111].

Известны различные методики определения скорости замораживания: температурные изменения в единицу времени; скорости движения фронта кристаллизации и др.

С целью упорядочения и обеспечения сравнения экспериментальных данных различных авторов в последнее время рекомендуется определение средней скорости замораживания, сформулированное Международным институтом холода.

Средняя скорость замораживания определяется как отношение минимального расстояния между поверхностью и термическим центром ко време-

ни, прошедшему от достижения поверхностью температуры О °С до охлаждения термического центра на 10 °С ниже криоскопической температуры.

МИХ предложил следующую классификацию процесса замораживания:

- медленное - на уровне 0,5 см/ч;

- быстрое - от 0,5 до 5 см/ч;

- сверхбыстрое - от 5 до 10 см/ч;

- ультрабыстрое - от 10 до 100 см/ч.

Многочисленными исследованиями доказано влияние скорости замораживания на размер кристаллов льда, на структурные и ферментативные изменения в продуктах. Согласно этим исследованиям процесс кристаллообразования в капиллярно-пористых телах протекает следующим образом: при отводе теплоты вначале начинает замерзать влага, находящаяся в межклеточных пространствах с помощью теплопроводности через скелет пористого тела (частицы твёрдого вещества) и внутрипорозного вещества (вода и воздух). Ра�